回坡底矿近距离煤层采空区下工作面矿压显现规律研究

秦世国

（霍州煤电集团汾河焦煤股份有限公司回坡底矿，山西 洪洞 041600）

近距离煤层在我国煤炭资源中占有很大的比例，大多矿井采用下行开采的方法进行近距离煤层的采掘，随着煤炭资源开采的深入，许多矿井面临极近距离采空区下工作面回采的矿压显现及其控制问题，与常规的回采工作面相比，近距离下位煤层开采时，工作面顶板岩层的运移规律、采煤工作面和巷道内矿压显现规律均有很大差异，下位煤层由于受到上层煤回采的动压影响，其围岩的应力状态及顶板岩层的强度、完整性具有其特殊性。目前关于极近距离下位煤层开采顶板运移规律和工作面矿压显现规律的研究较少。因此，本文以回坡底矿11#煤层采煤工作面为背景，研究顶板岩层的破断规律和工作面矿压显现规律，为类似地质条件下的近距离煤层开采过程中的采场矿压控制提供参考。

1 工程概况

山西焦煤回坡底矿是霍州煤电集团1997年兼并接受的洪洞县地方煤矿，经改造和扩建后，于2001年8月正式投产。设计生产能力120万吨/年。井田范围呈北东-南西向长条多边形分布，总面积为40.016km2，分东西两区，西区已经采掘完毕，现采东区。井田范围内最高点位于区北西边界附近的山梁上，标高+985.20m，最低点位于区北东部沟谷中，标高+624.17m，相对高差361.03m。本次研究的对象为正在回采的东一采区11-101工作面井下位于东一采区轨道巷左翼，西部为东西区采区分界线，西北部为10-105工作面（已采，间隔25m实体煤柱），东南部为11-102工作面（未掘），东北部为2#风井工业广场保安煤柱，上覆10-103工作面（已采，平均层间距6.2m）。11-101工作面倾斜长190m，走向长度约为1080m，煤层厚度为3.21～3.46m，均厚3.3m，煤层平均倾角5°，煤层结构复杂，中部夹2-3层夹矸，夹矸岩性为泥岩偶见砂质泥岩。

2 近距离煤层群覆岩运动特征数值模拟研究

为具体了解回坡底矿11#煤层采煤工作面回采时上覆岩层的破断特征，采用UDEC离散元数值模拟软件[1～2]，根据11#煤层10-101工作面具体的地质条件建立模型，模拟在10#煤层采空条件下进行11#煤层回采，研究工作面顶板的垮落特征。建立的数值模型如图1所示。根据11-101工作面具体的地质条件，杜绝边界效应对于模拟结果的影响，建立模型为长条状，沿11-101工作面推进方向取切面，整个模型采用摩尔—库伦弹塑性单元，模型间节理面采用库伦滑移模型，11#煤层厚度取3.3m，10#煤层厚度为4.2m，10#煤层与11#煤层间距为6m，整个模型尺寸长×宽×高=300×40×73.5m，模型下部边界为固定边界，两侧边界X方向的位移受到约束，前后边界Y方向的位移受到约束，上部为自由边界，根据11-101工作面的平均埋深为380m，模型上部边界施加垂直方向的均布载荷9.5MPa，采煤工作面液压支架采用support结构单元进行模拟[3]，工作面端面距取300mm，模拟支架的工作阻力为5100kN。模拟方案：模型根据回坡底矿的实际开采顺序进行开挖，考虑边界条件的影响，10#和11#煤层工作面两侧各留50m煤柱，中间的200m进行开挖，首先进行10#煤层的回采，进行11#煤层的开挖时，每次开挖3.6m。

图1 数值模型

10#煤层回采时上覆岩层的运动特征如图2所示，由于篇幅所限，仅将典型的结果列出，工作面回采20m时，顶板岩层未出现明显的垮落现象，直接顶和关键层间出现离层，顶板弯曲下沉量约0.09m；工作面推进40m时，直接顶发生初次大面积垮落，关键层出现明显的弯曲下沉现象，此时工作面表现为直接顶初次来压；当工作面回采80m时，直接顶和基本顶随着工作面推进逐渐弯曲下沉，工作面后方一定的距离内直接顶和基本顶完全垮落，顶板下沉量达到10#煤层的采高，后方采空区被冒落矸石填满；工作面推进距离大于80m以后，后方直接顶和基本顶离层逐渐增大，工作面每推进约18m，基本顶发生一次明显的破断，在工作面表现为周期来压现象。

图2 10#煤层覆岩运移规律

11#煤层回采时顶板破断位移规律如图3所示，由于受到10#煤层回采动压的影响，11#煤层顶板完整性和强度受到破坏，当工作面推进10.8m时，直接顶之间即出现的离层，整个顶板开始轻微下沉，当工作面回采28.8m时，直接顶发生初次垮落，层间关键层安全破断，10#煤采空区的岩层随之下沉，整个采空区已被冒落矸石充填，工作面继续推进，工作面直接顶和上覆岩层基本随采随跨，无明显的周期性。

图3 11#煤层开采顶板岩层破断规律

综上分析可知，进行采空区下11#煤层的回采时，与常规顶板条件下相比，工作面的初次来压取决于层间岩层的破断，层间岩层断裂后采空区基本快速充填满，工作面顶板随采随跨，基于以上特点，预计进行极近距离煤层下位煤层的回采时，工作面初次来压将较为强烈，周期来压将较为平缓。

3 采空区下采煤工作面矿压显现规律实测研究

为具体的了解回坡底矿11#煤层采煤工作面的矿压显现规律，以10-101工作面的生产为工程背景，在工作面及其两侧的回采巷道内布置多个矿压观测站，通过对液压支架工作阻力的监测，研究工作面矿压显现规律，10-101工作面所用液压支架为ZZ5200/25/47型支撑掩护式支架[4]，支架初撑力为4653kN（31.5MPa），工作阻力 5100kN（38MPa），工作面上部、中部、下部分别布置一个监测站，每个测站监测五个液压支架，对液压支架的循环末阻力进行监测，整理后得到各个测站液压支架平均循环末阻力随着工作面的推进变化规律如图4所示。

图4 10-101工作面支架平均工作阻力变化趋势图

根据图4所示的监测结果可知，10-101工作面液压支架工作阻力波动较大，工作面来压较为明显，但是支架最大工作阻力均小于支架的额定工作阻力，支架能够满足工作面安全生产的需求。液压支架循环末阻力虽然波动很大，但是并没有呈现明显的周期性，工作面无明显的周期来压现象；支架的前柱支撑压力普遍大于后柱，后柱平均压力仅为前柱的61.5%，由于工作面顶板破碎严重，工作面载荷以静载荷为主，支架后柱支撑效率较低，需加强顶板和液压支架的管理。

根据液压支架工作阻力的监测结果，整理得到液压支架载荷位于各个区间的频率分布直方图，见图5，液压支架大多情况下其工作阻力小于4MPa，约占总数的22%，工作阻力4～20MPa的占总数的70%，仅有8%的液压支架工作阻力达到28MPa以上，大部分液压支架的工作阻力小于其初撑力，总体而言，10-101工作面所用液压支架工作阻力富余较多。

图5 液压支架工作阻力频率分布

4 结 语

由于受到上层煤层工作面回采的影响，下位煤层顶板完整性和强度遭到破坏，随着工作面的推进，顶板岩层基本是随采随跨，采空区快速被冒落的矸石充填，下位煤层工作面无明显的周期来压现象，液压支架载荷较小，支架所受顶板压力以静载荷为主，10-101工作面所用液压支架工作阻力富余较多，所用的ZZ5200/25/47型支架能够满足工作面安全生产的要求。