浅埋近距离采空区下工作面矿压特征与顶板结构分析*

2021-02-22黄庆享李康华

陕西煤炭 2021年1期

黄庆享，李康华，曹健

(1.西安科技大学能源学院，陕西西安 710054；2.教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室，陕西西安 710054)

0 引言

我国西部陕蒙交界浩瀚的毛乌素沙漠下，浅埋煤层储量丰富，主要可采煤层为3～5层近距离煤层。随着不断开采，最上部的煤层已开采殆尽，大部分矿井进入下部煤层开采。下煤层工作面处于上煤层近距离采空区下，工作面存在动压灾害，造成压架事故，浅埋煤层群下煤层开采问题日益凸显。

关于浅埋煤层群上部单一煤层开采，国内开展了大量研究，提出了浅埋煤层的定义，建立了浅埋单一煤层开采的顶板结构与岩层控制理论[1-6]。关于浅埋煤层群开采的研究成果，主要集中于过上覆煤柱的工作面异常来压与顶板控制研究[7-8]。例如，杨敬轩等[9]分析了房柱采空区下近距离两煤层顶板的砌体结构，并提出非连续均载作用下的砌体结构模型。王路军等[10]认为下煤层工作面的矿压显现受上覆主关键层回转运动的影响，因主关键层破断块体较长且距离下煤层较远，工作面周期来压步距更大，来压持续时间更短。王创业等[11]对工作面过采空区及煤柱的矿压规律进行了实测与模拟，得出工作面过上煤层采空区时来压异常，过上覆煤柱时工作面来压剧烈，导致压架事故。目前，对间隔岩层结构特征、间隔岩层与上煤层破断关键层组合结构及这些结构对下煤层采场来压的影响，研究较少。

为此，以陕蒙浅埋煤层群开采为背景，通过14个近距离煤层下工作面矿压特征是实测统计，分析近距离采空区下开采矿压特征及其影响因素；采用物理模拟与理论分析，探究浅埋近距离煤层采空区下开采的矿压显现规律与顶板结构特征。

1 矿压特征及其影响因素

1.1 工程开采实例统计

开采实践表明，神府东胜煤田浅埋煤层群开采条件下，虽然不同矿井在煤层厚度、埋深及层间距等方面存在差异，但工作面矿压显现存在规律性。

同一矿井同一煤层工作面矿压显现规律基本类似，如大柳塔煤矿12305和12306工作面，补连塔煤矿22305、22306以及22307工作面等，统计具有代表性的开采条件及矿压特征见表1[12-18]。

表1 陕-蒙部分矿井浅埋近距离煤层采空区下开采实例

1.2 影响因素实测分析

根据表1，运用控制变量的方法，研究某一因素变化对工作面矿压显现的影响。

1.2.1 埋深

已有研究表明，并非工作面上覆全部地层的重量都能作用于支架，支架载荷与工作面顶板结构密切相关。对比分析开采实例1、2、5，随埋深增大，来压期间支架工作阻力降低，而补连塔煤矿22306及32301工作面在埋深更大的情况下工作面支架阻力则高达19 700 kN/架与11 517 kN/架。可见，浅埋煤层群开采条件下，埋深对采空区下工作面矿压显现的影响不明显，应重点对其他影响因素进行分析。

1.2.2 上煤层采高

通过控制其他基本因素，对比大柳塔煤矿实例7与8得出，上煤层采高由2.67 m增加至3.78 m，周期来压期间支架的平均工作阻力由10 693 kN/架增大为10 887 kN/架，增大了2%；动载系数由1.5增大为1.72，增大了14.7%，如图1所示。

图1 支架阻力及动载系数随上煤层采高的变化

1.2.3 下煤层采高

对比开采实例4、8及9，在上煤层采高、层间距及层间关键层数等因素一定的条件下，随下煤层采高增大，层间具有单一关键层时，支架最大阻力与周期来压步距均有所增大，如图2所示。采高从1.72 m增大到4.7 m，两者分别增大了52.4%与108%。

图2 周期来压步距与支架最大工作阻力随下煤层采高变化

1.2.4 层间距

对比石圪台煤矿开采实例2与3得出，其他条件不变时，层间距由1～6 m增加至15 m，周期来压步距由平均9.7 m增大为11.4 m，增大了18%。根据实测统计，绘制层间关键层数与层间距的关系如图3所示，关键层数与层间距成正比。当仅存在单一关键层时，层间距越大，关键层厚度越大。

图3 浅埋煤层群层间关键层数与层间距的关系

可见，当在浅埋近距离采空区下开采时，上下煤层间距大多在10～45 m，下煤层采高一般为2～7 m，层间存在单一关键层，工作面开采过程中具有明显的大小周期来压现象，表明在一定程度上，上煤层的顶板关键层结构也参与了下煤层工作面的矿压显现。

2 顶板结构形态的物理模拟

选取研究区典型的工程实例，通过物理相似模拟实验，对近距离下煤层开采的顶板结构形态及矿压显现特征进行分析。

2.1 哈拉沟煤矿物理模拟研究

2.1.1 工程背景及模拟设计

哈拉沟1-2煤层厚度平均约1.75 m，煤层倾角1°～3°。根据勘探，1-2煤层开采区域内无大断层，构造简单。1-2上煤层采高2 m，基岩厚度25～76 m。1-2煤层上部为1-2上煤工作面采空区，煤层间距为7～16 m。根据岩层条件设计相似模拟材料配比，几何相似比为1∶50，配比表见表2。

表2 相似模拟材料配比

2.1.2 模拟实验过程

实验先开挖1-2上煤层，方向自右向左，待其垮落稳定后再开挖1-2煤工作面，根据模拟实验记录工作面矿压显现规律，见表3。

表3 模拟实验结果与开采实践对比

2.1.3 实验结果分析

根据1-2煤工作面开采条件，属浅埋近距离煤层采空区下开采，层间存在单一关键层，老顶关键层周期破断形成“砌体梁结构”。下煤层老顶关键层的破断运动，对上煤层已稳定铰接结构产生扰动，扰动后的二次覆岩运动对下煤层工作面矿压显现产生影响。在下煤层工作面正常回采阶段，下煤层关键层破断，此时，仅“砌体梁”结构作用与直接顶自重对支架施载，形成小周期来压；当上下关键层同步破断，支架载荷由直接顶自重、层间关键层作用力、上下关键层间垮落岩层、已扰动关键层及其上覆载荷作用组成，形成大周期来压。

由表3可知，1-2上煤层矿压显现规律基本与实测一致，实验结果可靠。实验过程显示，1-2上煤层开采后，工作面初采阶段垮落岩块无铰接，周期性垮落如图4所示，在采高2 m时老顶关键层周期破断形成“砌体梁”结构。下部1-2煤层采高1.75 m，初采阶段与上煤层顶板垮落特征一致，周期性垮落阶段，如图5所示，同样形成“砌体梁”结构。根据下煤层支架载荷数据，正常回采阶段具有明显的大小周期来压现象。

图4 1-2上煤层开采顶板周期垮落特征

图5 1-2煤层开采顶板周期垮落特征

2.2 柠条塔煤矿物理模拟研究

2.2.1 工程背景及模拟设计

柠条塔煤矿北翼东区主采1-2煤层和2-2煤层，1-2煤层平均采高1.84 m，埋深110 m，2-2煤层平均厚度5 m，煤层间距平均33 m。实验几何相似比为1∶100，煤岩层物理力学参数与相似材料配比分别见表4和表5。

表4 煤岩层物理力学参数

表5 相似模拟材料配比

2.2.2 实验过程及结果分析

实验方法与上组相同，1-2煤层矿压显现规律与工程实测基本一致，实验结果可靠。模拟显示，1-2煤层开采后，工作面初采阶段顶板垮落呈“梯拱形”，垮落岩块无铰接；此后呈周期性垮落，老顶关键层周期破断形成“砌体梁结构”。2-2煤开采中，初采阶段与单一煤层开采的特征一致；周期垮落阶段，顶板形成“台阶岩梁”结构，如图6所示。实验表明，下煤层正常回采阶段也具有明显的大小周期来压现象。

图6 层间关键层周期垮落特征

根据2-2煤工作面开采条件，同属浅埋近距离煤层采空区下开采，层间存在单一关键层，老顶关键层周期破断形成“台阶岩梁”结构(图6)。下煤层老顶关键层的破断运动，对上煤层已稳定铰接结构产生扰动。在下煤层工作面正常回采阶段，仅下煤层关键层破断时，只有“台阶岩梁”结构作用与直接顶自重对支架施载，形成小周期来压；当上下关键层同步破断，支架载荷由直接顶自重、层间关键层作用力、上下关键层间垮落岩层、已扰动关键层及其上覆载荷作用组成，形成大周期来压。

3 下煤层开采顶板结构分析

结合实测统计与物理模拟可知，浅埋近距离煤层采空区下开采，层间关键层周期破断可形成“砌体梁”和“台阶岩梁”两种结构，如图7和图8所示。这两种结构形态都难以保持自身稳定而出现滑落失稳，这是工作面顶板来压强烈的根本原因。

图7 层间“砌体梁”结构

图8 层间“台阶岩梁”结构

通过对比两组模拟实验发现，下煤层采高、间隔岩层性质等因素对层间关键层的结构形态产生影响。直接顶岩层的碎胀系数影响垮落后对采空区的充填程度，决定关键层破断后的回转量，进而影响关键层周期破断的结构形态。式(1)为关键层破断岩块的可供回转量

Δ=M-(Kp-1)·h

式中，M为采高；Kp为碎胀系数；h为直接顶厚度。

当下煤层采高较小，采出空间小，采空区充填程度较充分时，Δ值较小，一般形成“砌体梁”结构，反之形成“台阶岩梁”结构。随着下煤层老顶关键层的破断运动，对上煤层已稳定铰接结构产生扰动，扰动后的二次覆岩运动将重新形成铰接结构。

上述两组实验上煤层采高均为2 m，工作面推进过程中老顶周期破断均形成“砌体梁”结构，符合一般浅埋煤层顶板垮落规律。当下煤层采高2 m，间隔岩层厚度10 m条件下，层间关键层形成“砌体梁”结构，关键层破断后关键块B无台阶下沉，已扰动关键层重新形成“砌体梁”结构。当下煤层采高5 m，间隔岩层厚度33 m条件下，层间关键层形成“台阶岩梁”结构，下煤层关键层破断后，关键块B发生台阶下沉，已扰动关键层同样重新形成“砌体梁”结构。

因此，结合实测与模拟实验结果，可认为在浅埋近距离采空区下开采，下煤层采高2～7 m、煤层间距10～45 m范围内，层间关键层与受扰动关键层可能形成的两种组合结构形态分别为“砌体-砌体”和“台阶-砌体”。在浅埋煤层条件下，已扰动关键层结构上的载荷层可以近似按照软弱散体载荷传递规律进行计算，详见文献[4]。