采動(dòng)影響下“三軟”煤層開采的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律分析

余長(zhǎng)柱 謝小平 彭首清 程濤 周雨垚

摘 要：針對(duì)采動(dòng)影響下“三軟”煤層安全高效開采的問(wèn)題，采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)及理論分析相結(jié)合的方法，通過(guò)對(duì)25102試采工作面進(jìn)行數(shù)據(jù)觀測(cè)，對(duì)下煤層工作面支架受力和頂板來(lái)壓規(guī)律進(jìn)行分析研究。得到以下結(jié)論：1）25102試采工作面在現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)期間，沒有出現(xiàn)初次來(lái)壓和周期來(lái)壓，更沒有明顯的沖擊地壓現(xiàn)象，工作面回采過(guò)程中，也沒有出現(xiàn)大面積的煤壁片幫。工作面頂板較破碎，出現(xiàn)局部冒頂、落矸的現(xiàn)象。2）工作面整面支架阻力主要分布在2000～3000kN范圍內(nèi)，占統(tǒng)計(jì)支架總數(shù)的69.4%。工作面在回采過(guò)程中，支架的平均載荷為2420kN，而支架額定工作阻力為5200kN，支架利用率僅為46.5%。

關(guān)鍵詞：三軟煤層;采動(dòng)影響;礦壓觀測(cè);支架載荷

0引言

“三軟”煤層是指煤礦開采中遇到的軟的頂板巖層、軟的主采煤層和軟的底板巖層。一般情況下，具有“三軟”特征的煤層和頂?shù)装寰鶠檐浫鯉r層，“三軟”煤層裂隙發(fā)育，構(gòu)造復(fù)雜。貴州省六盤水礦區(qū)許多煤層都屬于“三軟”煤層，例如米籮井田內(nèi)開采煤層15層，煤層厚度大多在0.8～2.2m，含煤巖組為二疊系上統(tǒng)宣威組（P3xn），由砂巖、頁(yè)巖、泥巖及煤層組合，煤層間的頂、底板多為軟質(zhì)巖構(gòu)成，穩(wěn)定性較差甚至很差，屬于典型的“三軟”較薄煤層開采條件。

貴州省近距離煤層賦存和開采所占比重很大，大多礦區(qū)都存在近距離煤層群開采的問(wèn)題，對(duì)于煤層群開采，當(dāng)煤層層間距離較大時(shí)，上部煤層開采后對(duì)下部煤層的開采影響程度很小，其礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，開采方法不受上部煤層開采影響，與普通單一煤層開采基本相同。但是，受上部煤層多次采動(dòng)的影響，下部煤層開采前頂板的完整程度已受上部煤層開采損傷影響，其上又為上部煤層開采垮落的矸石，且上部煤層開采后殘留的區(qū)段煤柱及一側(cè)采空的煤體在底板形成的集中應(yīng)力，導(dǎo)致下部煤層開采區(qū)域的頂板結(jié)構(gòu)和應(yīng)力環(huán)境發(fā)生變化。從而使下部煤層開采與單一煤層開采相比出現(xiàn)了許多新的礦山壓力現(xiàn)象，近距離煤層群下部煤層動(dòng)壓回采巷道由于局部過(guò)載而導(dǎo)致巷道整體失穩(wěn)的變形破壞機(jī)理。

本項(xiàng)目針對(duì)貴州省典型礦區(qū)近距離煤層群開采條件，采用數(shù)值模擬試驗(yàn)研究受多次采動(dòng)影響下“三軟”煤層開采工作面礦壓顯現(xiàn)的規(guī)律，通過(guò)對(duì)貴州典型礦區(qū)多次采動(dòng)影響下“三軟”煤層工作面直接頂垮落特征和基本頂破斷特征進(jìn)行分析，并計(jì)算出工作面初次、周期來(lái)壓步距;分析多次采動(dòng)影響下“三軟”煤層工作面上覆巖層“三帶”發(fā)育特征，為其它具有相似條件下的“三軟”煤層工作面開采工藝具有的重要借鑒意義。

1 礦井概況

某煤礦工業(yè)場(chǎng)地距縣城約5km，井田走向長(zhǎng)22km，傾斜寬4.5～8km，面積約135km2。全井田地質(zhì)儲(chǔ)量2252.28Mt，工業(yè)儲(chǔ)量2013.72Mt，可采儲(chǔ)量1275.74Mt。設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力3.0Mt/a，后經(jīng)過(guò)技術(shù)改造生產(chǎn)能力提升為5.0Mt/a。礦井目前生產(chǎn)水平為+400m水平。井田共含煤17層，煤層總厚19.42m，含煤系數(shù)12.4%;其中可采及局部可采煤層8層，分別是2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)煤層和6號(hào)、8號(hào)、9號(hào)、10號(hào)煤層，煤層以焦煤為主，總厚度15.4m。該煤礦井北翼2、3+4、5號(hào)煤層間距較近，2號(hào)薄煤層賦存于該中部，可采厚度0.70～1.46m，平均厚度1.1m，下距離3+4號(hào)煤平均14.0m。3+4號(hào)混合煤層厚度合并厚度平均4.12m，下距離5號(hào)煤平均4.03m。

2下煤層試采工作面地質(zhì)條件概況

25102試采工作面位于該礦北一采區(qū)，沿5號(hào)煤層傾向布置的長(zhǎng)壁式回采工作面，工作面底板標(biāo)高430m～570m，地面標(biāo)高840m～966m，煤層傾角約5o。與25301工作面相鄰，布置在已采完的24102工作面采空區(qū)下方。25102工作面切眼長(zhǎng)度183.3m，布置在24102工作面采空區(qū)內(nèi)錯(cuò)5m，其膠帶巷布置在24102工作面膠帶巷內(nèi)錯(cuò)7.5m處，軌道巷位于24102軌道巷內(nèi)錯(cuò)7.5m處，兩煤層間距為5.5m，24102工作面與24301工作面間留設(shè)煤柱45m。

25102試采工作面采煤方法采用傾斜長(zhǎng)壁后退式全部垮落綜合機(jī)械化采煤法。采用雙滾筒采煤機(jī)（MGTY-300/730-1.1D）雙向穿梭式割煤方式，整個(gè)25102工作面共布置110個(gè)液壓支架，型號(hào)為ZZ5200/25/47型，機(jī)頭和機(jī)尾各布置兩架ZZ5200/25/47型的液壓支架作為端頭支架。

3下煤層試采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律分析

（1）工作面頂板來(lái)壓規(guī)律

通過(guò)對(duì)25102工作面支架阻力的連續(xù)實(shí)測(cè)，將觀測(cè)收集到的支架載荷數(shù)據(jù)經(jīng)整理分析后，依據(jù)每次支架阻力，繪制了每個(gè)測(cè)站及整面的平均支架工作阻力P隨距開切眼煤壁距離L變化曲線圖，如圖1～圖4所示。

根據(jù)支架阻力與工作面推進(jìn)距離變化曲線圖可以看出，該礦25102試采工作面在現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)期間，沒有出現(xiàn)初次來(lái)壓和周期來(lái)壓，更沒有明顯的沖擊地壓現(xiàn)象。工作面回采過(guò)程中，也沒有出現(xiàn)大面積的煤壁片幫。但在工作面推進(jìn)過(guò)程中，采場(chǎng)支架梁端前和兩回采巷道均出現(xiàn)過(guò)輕微的冒頂現(xiàn)象。

（2）工作面支架載荷頻率分布

隨著工作面的推進(jìn)，每次循環(huán)過(guò)程中，由于地質(zhì)條件、支架操作等的影響，支架的阻力會(huì)有所變化，因此可以通過(guò)支架阻力分布頻率的范圍，來(lái)綜合反映工作面頂板壓力的大小、支架支護(hù)效果以及支架的適應(yīng)性。分別對(duì)3個(gè)測(cè)站及整個(gè)工作面的支架載荷頻率分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

統(tǒng)計(jì)計(jì)算分析而得到的25102工作面下部測(cè)站支架阻力分布頻率直方圖可知。支架阻力主要分布在1500～3500kN之間，占統(tǒng)計(jì)支架阻力總數(shù)的93.64%，其中支架阻力主要集中在2000～2500kN之間，占統(tǒng)計(jì)支架阻力總數(shù)的47.27%。工作面下部測(cè)站支架阻力主要分布在2000～3000kN之間，工作面下部測(cè)站支架都處于正常受力狀態(tài)，支架工作效果較好。

統(tǒng)計(jì)計(jì)算分析而得到的25102工作面中部測(cè)站支架阻力分布頻率直方可知。支架阻力主要分布在1500～3500kN之間，占統(tǒng)計(jì)支架阻力總數(shù)的91.01%，其中支架阻力主要集中在2000～2500kN之間，占統(tǒng)計(jì)支架阻力總數(shù)的43.64%。從圖2-10中可以看出，工作面中部測(cè)站支架阻力主要分布在2000～3000kN之間，工作面下部測(cè)站支架都處于正常受力狀態(tài)，支架工作效果較好。

統(tǒng)計(jì)計(jì)算分析而得到的25102工作面上部測(cè)站支架阻力分布頻率直方可知。支架阻力主要分布在1500～3500kN之間，占統(tǒng)計(jì)支架阻力總數(shù)的88.18%，其中支架阻力主要集中在2000～2500kN之間，占統(tǒng)計(jì)支架阻力總數(shù)的49.09%。工作面上部測(cè)站支架阻力主要分布在2000～3000kN之間，工作面上部測(cè)站支架都處于正常受力狀態(tài)，支架工作效果較好。

工作面在回采過(guò)程中，支架的平均載荷為2420kN，支架額定工作阻力為5200kN，支架利用率僅為46.5%。結(jié)合以上分析可知，25102工作面整面支架的工作阻力普遍相對(duì)較小，支架的選型能充分滿足生產(chǎn)的要求，但支架的工作阻力利用率還有待提高。從工作面整體上看，支架工作阻力相對(duì)較低，但由于工作面頂板較為破碎，還需加強(qiáng)工作面支護(hù)質(zhì)量管理，特別是在工作面開采過(guò)程中對(duì)支架初撐力的管理，并要及時(shí)調(diào)節(jié)支架的受力狀態(tài)，以確保工作面支架的正常運(yùn)行。

4工作面超前支承壓力影響范圍

通過(guò)在工作面前方80m處打鉆安置鉆孔應(yīng)力計(jì)，由于鉆孔應(yīng)力計(jì)初始安裝時(shí)，鉆孔應(yīng)力計(jì)沒有與孔壁緊密接觸，導(dǎo)致應(yīng)力計(jì)初始讀數(shù)為0MPa，但隨著工作面向前推進(jìn)，鉆孔孔壁煤體逐漸破碎冒落而擠滿整個(gè)鉆孔空間，使鉆孔應(yīng)力計(jì)與工作面煤體完全接觸，而且當(dāng)工作面推進(jìn)至鉆孔應(yīng)力計(jì)測(cè)站約40m處時(shí)，鉆孔應(yīng)力計(jì)讀數(shù)開始出現(xiàn)變化，當(dāng)工作面推進(jìn)至鉆孔應(yīng)力計(jì)測(cè)站約30m處時(shí)，鉆孔應(yīng)力計(jì)讀數(shù)開始有較為明顯的增大，說(shuō)明工作面超前支承壓力影響范圍約為30m。通過(guò)觀測(cè)并記錄測(cè)站內(nèi)鉆孔應(yīng)力計(jì)示數(shù)與距工作面距離的數(shù)據(jù)，經(jīng)分析整理后可反映出各應(yīng)力計(jì)讀數(shù)隨工作面推進(jìn)的變化，即距工作面不同位置處所受超前支承壓力的影響程度，如圖5所示。

由圖5可知，25102工作面超前支承壓力的峰值點(diǎn)為距工作面9m左右，影響范圍約為30m，超前支承壓力的應(yīng)力集中系數(shù)為1.81。

參考文獻(xiàn)：

[1]林崇德.層狀巖石頂板破壞機(jī)理數(shù)值模擬過(guò)程分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，1989，18（4）：392-396.

[2]劉紅元，劉建新，唐春安.采動(dòng)影響下覆巖垮落過(guò)程的數(shù)值模擬[J].巖土工程學(xué)報(bào).2001（3）：201-204.

作者簡(jiǎn)介：

余長(zhǎng)柱（1998.11-）男，漢族，貴州省安順市人，在讀本科學(xué)生，主要從事采礦工程專業(yè)方面的學(xué)習(xí)和研究

項(xiàng)目基金：貴州省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：S202010977009）

（貴州六盤水師范學(xué)院礦業(yè)與土木工程學(xué)院? ? 貴州六盤水? 553004）