极近煤层矿压显现问题研究

王 超

（山西焦煤集团有限责任公司官地矿，山西 太原030022）

化石燃料是我国最重要的燃烧能源，而煤炭资源更是化石能源中的重要组成部分。随着开采年限的不断增加，易开采的煤层开采较多，但赋存复杂的煤层仍然没有得到高效开采。赋存条件较为复杂的煤层在开采时煤层的层压过大，煤层的变形量加大致使围岩和顶板的完整性大打折扣，近距离煤层的开采时煤层间压力成为煤矿安全生产的重要问题。在进行下行开采时，上煤层的载荷会对下煤层的稳定性提出较高的要求，下煤层的工作面顶板的破坏即下煤层的力学特性被破坏，这无疑会对下煤层的开采造成损害。到目前为止国内外关于近距离煤层的开采研究还处于实验室检测和理论分析，例如付书俊等人[1]针对近距离煤层在掘进过程中受到的上层煤体对下层煤层的承压问题进行了一定的研究，通过数值模拟和理论分析相结合的方法对矿井的支护方案进行了优化，并验证了优化的合理性。段思宇[2]对极近距离煤层的顶板破碎情况进行了一定的研究后，研制出了ZY5000/12/26D新型液压支架，并通过工程实践对研制的液压支架的支撑效果进行了验证。朱卫兵[3]针对我国极近距离浅煤层房柱开采时下层的工作面压架等问题，通过数值模拟和物理模拟相结合的手段对工作面的压架问题进行了一定的研究，发现下煤层工作面开切眼侧与工作面正上方的房采煤柱呈现横向不均匀承载特征以及受水平拉伸变形影响，最终导致边界处房采煤柱易出现对角斜切破坏模式。李建光[4]提出在停采线附近进行深孔爆破，使一体支护系统对极近距离的煤层受采动影响产生的巷道围岩变形得到了解决。本文通过对某矿的监测对极近煤层的矿压显现问题进行了研究，对极近煤层的围岩控制具有积极的意义。

1 下煤层巷道稳定性观测

通过对某矿的综采工作面进行研究和监测，对综采工作面液压支架的支架阻力进行监测和分析，得到工作面的初次来压步距、初次来压强度和工作面开采过程中的支撑压力分布及压力的演变过程。通过对矿山综采工作面开采时巷道的围岩变形、顶板和底板变形量的观测确定支护设计的有效性与优越性。

监测点一般要求设置在较为完整的分布带，在综采工作面的连接槽处均设置2个观测点，监测点的布置一般要考虑到巷道的围岩变形量、围岩的整体性、顶板与底板不出现明显的岩石破裂情况等，同时巷道中顶板、底板的观测点一般均位于中间位置，避免监测的不准确性。这些观测点用于观测巷道的变形及支护结构的整体性。在巷道的顺槽中各设置一个观测点，巷道的观测点布置的深度设置为1 m、2 m、3 m，观点的监测结果如下页图1所示。

从图1的顺槽表面的位移变形图可以看出，随着观测点与开采工作面的距离不断增大，巷道的围岩变形越来越小，一般顺槽受到综采工作面的开采影响经历三个阶段，分别为采动无影响区、采动影响较弱区、采动影响强烈区。采动无影响区一般与工作面距离测点50 m以上，采动对巷道的顺槽的影响几乎可以忽略不计，巷道的围岩变形量、巷道的变形速度及巷道的围岩破碎较小，围岩的完整性较好。采动影响较弱区一般的测点距离工作面20～50 m的范围内，在此范围内巷道的变形量较小，一般变形量在200 mm之下，在此范围内巷道的完整性较采动无影响区有所降低，由于巷道的超前支撑力的作用，巷道的变形量和巷道变形速度一般较采动无影响区有了明显地增大。巷道的采动影响强烈区一般在测点与工作面距离小于20 m的范围内，在此范围内巷道的变形量快速增大，巷道的完整性明显降低，巷道的围岩变形量和变形速度在三个阶段内最快，巷道受到采动的影响剧烈，巷道容易出现冲击压力和顶板下沉情况。

图1 顺槽表面位移变形图

图2为综采工作面的上帮的位移工作面随着工作面距测点的距离图分别在深度1 m、2 m、3 m的观测图。

图2 顺板顶板的位移变化图

从图2可以看出回采期间内测点不同深度的位移随测点到工作面的距离依旧保持着三个阶段，采动无影响区、采动影响较弱区、采动影响强烈区。在这三个阶段中采动无影响区的测点距离工作面50 m以上的位置，无明显的变形采动影响对巷道的顺槽的影响几乎可以忽略不计，巷道的围岩变形量较小及巷道的变形速度一般较小，巷道的围岩破碎较小，围岩在深度为3 m的测点的变形速度小于3 mm/d，围岩的完整性较好。在采动影响较弱的区域内，由于采动会对围岩产生一定的干扰，此时的围岩变形将会加大，围岩的变形速度和变形量都较采动无影响有所加大，围岩在深度为3 m的测点的变形速度小于3～6 mm/d，围岩的完整性大大下降，由于较少的破裂围岩会对矿山的安全开采造成一定影响。采动影响强烈区内的巷道变形量会大幅度增加，巷道的完整性明显降低，巷道的围岩变形量和变形速度是采动无影响区、采动影响较弱区、采动影响强烈区三个阶段中最快的，深部的测点监测到的围岩变形速度达到15 mm/d，巷道受采动的剧烈影响，巷道容易出现冲击压力和顶板下沉情况，严重危险到了巷道开采人员和设备的安全。

在综采工作面的开采过程中，随着开采的不断推进，顺槽测点深度对围岩变形速度监测可以看出，随着测点深度的增加监测到的围岩变形速度和围岩的总变形呈现出下降的趋势，且在采动无影响区、采动影响较弱区、采动影响强烈区内的上升速度也有所不同；在测点到工作面的距离不断增大的过程中，变形的加速度明显减小；依据测点的监测结果可知煤体的塑性区宽度一般保持在2.5 mm。

2 锚固力变化研究

在煤矿的回采过程中，通过锚杆测力计对巷道工作面的开采过程进行巷道的顶板的锚杆支护阻力进行监测和记录研究，测点的位置设置如前面所示为1 m、2 m、3 m，监测到的数据随时间变化的曲线如图3所示。

图3 顺槽的锚杆锚索的工作阻力曲线

根据图3可以看出，随着工作天数的不断增加，锚索呈现出先增大后保持平衡，当工作天数在8天前时，支架的阻力从71 kN升到了87 kN，上升的速度为2 kN/d；当工作天数上升到8 d时，锚索的支护阻力开始保持平衡，此时外部的载荷达到了平衡状态，但随着工作天数不断增加，顶板载荷将会继续增大，顶板将会出现变形。锚杆的支护阻力比锚索的支护阻力明显偏小，当工作天数增大到一定的天数后，锚杆的工作阻力维持在42 kN，锚索的工作阻力维持在87 kN，所以可知顶板的支护系统中锚索起到了主要的支护作用，而锚杆起到辅助支护作用。

3 结论

1）顺槽受到综采工作面的开采影响经历三个阶段，分别为采动无影响区、采动影响较弱区、采动影响强烈区。

2）顺槽受到开采影响的三个阶段，围岩变形速度到达了3 mm/d、3～6 mm/d、15 mm/d，可见采动影响强烈区的变形最大，支护要求也越离，且顺槽的监测点深度越大，围岩的变形量越小。

3）随着工作天数的不断增加，锚杆锚索的支护阻力达到平衡，锚杆的工作阻力维持在42 kN，锚索的工作阻力维持在87 kN。