浅埋近距离下煤层工作面过倾向煤柱矿压规律*

黄庆享，刘佳鑫，蔚保宁，2

(1.西安科技大学 能源学院，教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室，陕西 西安 710054；2.陕西煤业化工技术研究院有限责任公司，陕西 西安 710065)

0 引言

我国榆神府矿区浅埋煤层储量丰富，煤层多、距离近、埋藏浅、基岩薄、上覆厚松散层是其典型赋存特点。实践表明，浅埋煤层开采覆岩垮落直达地表，工作面矿压显现剧烈，顶板灾害严重[1-3]。近年来，顶部逐渐开始进入下部煤层开采，浅埋近距离煤层上煤层开采后，常常会遗留很多煤柱，下煤层开采过上部遗留煤柱，工作面矿压显现强烈[4-5]，尤其是在出煤柱阶段常出现工作面强矿压，导致支架爆缸和压死，严重威胁安全生产。

国内学者对此开展了大量研究，鞠金峰[6]研究表明，控制煤柱上方关键块体的稳定性，直接影响下工作面出煤柱是否出现动载，煤柱集中应力是导致工作面过煤柱区域强烈来压的直接原因。陈苏社等[7]研究发现，通过工作面调斜、加快推进速度等技术措施，可以有效避免在过煤柱阶段出现动压现象。于斌等[8]研究了双系煤层开采时上煤层煤柱对下煤层工作面矿压的影响，提出了下工作面来压的“煤柱-覆岩运动”联合作用机理。彭海兵等[9-12]指出距煤柱边缘1～5 m位置处是工作面最易出现强矿压显现的区域，而且空巷是应力集中区域，应该在过煤柱时加强对巷道的支护。

以上研究表明，上部采空区煤柱对下煤层开采动压的形成具有显著影响，主要影响因素随开采条件的不同而变化，还需要进一步研究。为此，以哈拉沟煤矿浅埋近距离下煤层过上部遗留煤柱开采为背景，采用物理相似模拟实验，揭示下煤层过煤柱开采的覆岩垮落规律与矿压显现特征，为过倾向煤柱开采的顶板控制提供借鉴。

1 过煤柱开采矿压特征实例分析

实践表明，煤层群开采中，上煤层开采后常常在采空区遗留很多煤柱，由于煤柱的存在导致下煤层工作面矿压显现强烈。根据神东矿区6个过煤柱开采工作面的矿压显现统计，见表1，过走向煤柱时，宽煤柱下周期来压步距变长，动载系数减小，支架载荷变小(为采空区下的0.97倍)；窄煤柱下周期来压步距变小，动载系数变大，支架载荷增大为采空区下的1.03～1.04倍。可见，煤柱是导致工作面过煤柱区域矿压增大的原因。过倾向煤柱(宽60 m)时，煤柱下周期来压步距为采空区下的1.3～2.6倍，普遍增大；来压强度也增大为采空区下的1.03～1.13倍；煤柱下动载系数为1.6，是采空区下动载系数的1.1倍。可见，过倾向宽煤柱开采的工作面矿压显现增强。

表1 部分工作面过上部煤柱矿压显现特征Table 1 Strata behavior characteristics of some working faces passing through upper coal pillar

2 过煤柱开采覆岩垮落规律和结构特征

2.1 工程背景

哈拉沟煤矿1-2上号煤层采高2 m，基岩厚度25～76 m，已开采成为采空区。下部1-2号煤层采高1.75 m，煤层倾角1°～3°，煤层间距平均12 m，钻孔综合柱状图如图1所示。12101综采工作面开采1-2号煤层(虚线部分)，该面为“刀把子”工作面，如图2所示。工作面采高1.8 m，12101-1工作面长度135.7 m，12101-2工作面长280 m。工作面前60架为上部1-2上101工作面采空区，12101工作面末采阶段过上部集中煤柱，12101上煤层主、辅回撤通道间(宽5 m)煤柱宽20 m(1段煤柱)，辅回撤巷道与排矸巷之间的煤柱宽 24 m(2段煤柱)。

图1 哈拉沟煤矿钻孔柱状图Fig.1 Borehole histogram of Halagou coal mine

图2 12101工作面巷道布置Fig.2 Roadway layout of No.12101 working face

2.2 物理模拟实验设计

根据矿井实际条件，采用几何相似比1∶50开展物理相似模拟，选用3 m模型架，配比见表2。实验先开挖上部1-2上号煤层，待其垮落稳定后再开挖下部1-2号煤层，物理相似模型如图3所示。

表2 相似模拟材料配比Table 2 Ratio of simulation materials

图3 物理相似模拟模型Fig.3 Physical simulation model

2.3 工作面覆岩垮落规律

2.3.1 上煤层工作面覆岩垮落规律

煤层开挖：首先开挖1-2上号煤层，工作面采高为2 m，留设边界煤柱为15 m，开切眼为5 m，在预定位置掘出3条巷道形成上部集中煤柱(1段煤柱和2段煤柱)。

老顶初次垮落：在工作面推进到28 m时，老顶初次垮落，工作面初次来压，步距为28 m，支架载荷5 440 kN/架，如图4所示。

图4 1-2上号煤层老顶初次垮落Fig.4 The main roof first collapse of 1-2 upper coal seam

周期垮落：工作面推进到36 m，老顶第1次周期垮落，步距8 m，支架载荷5 601 kN/架。工作面推进到48 m，第2次周期垮落，步距12 m，支架压力5 547 kN/架。工作面推进到54 m，第3次周期垮落，步距6 m，支架载荷5 502 kN/架。

充分采动：工作面推进到60 m，老顶第4次周期垮落，垮落步距6 m，支架载荷5 460 kN/架，此时裂隙发育至地表，工作面充分采动。

2.3.2 近距离下煤层开采覆岩垮落规律

煤层开挖：上煤层开采完毕后，在其采空区下开挖下部的1-2号煤，采高1.75 m，与上煤层间距12 m，模型右侧留设20 m边界煤柱和5 m开切眼。

初次垮落：工作面推进26 m，老顶初次垮落，步距26 m，支架载荷5 570 kN/架。

周期垮落、采空区贯通：工作面推进到36 m，老顶第1次周期垮落，来压步距10 m，支架载荷5 600 kN/架。此刻，上下采空区贯通，层间岩层破断后形成“砌体梁”结构，如图5所示。工作面推进44 m，老顶第2次周期垮落，来压步距8 m，支架载荷为5 780 kN/架。

图5 1-2煤层老顶周期垮落Fig.5 The main roof periodic collapse of 1-2 coal seam

进1段煤柱：工作面推进54 m，老顶第3次周期垮落，步距10 m，支架载荷5 932 kN/架，此刻工作面刚进入上部1段煤柱之下。推进到58 m，工作面进入煤柱4 m，间隔岩层破断角60°，如图6所示。工作面推进68 m，老顶第4次周期垮落，垮落步距14 m，支架载荷为5 920 kN/架。

图6 1-2煤层工作面进1段煤柱(4 m)Fig.6 1-2 coal working face enters No.1 coal pillar(4 m)

工作面出1段煤柱：工作面推进78 m，老顶第5次周期垮落，步距10 m，支架载荷6 440 kN/架。此刻，工作面出1段煤柱(过空巷)，如图7所示。

图7 1-2煤层工作面出1段煤柱(过空巷)Fig.7 1-2 coal working face out of No.1 coal pillar

工作面进2段煤柱：工作面推进86 m，老顶第6次周期垮落，步距8 m，支架载荷6 358 kN/架，此时工作面进入2段煤柱下方，1段煤柱整体下沉，如图8所示。

图8 1-2煤层工作面进入2段煤柱下方Fig.8 1-2 coal working face enters No.2 coal pillar

出2段煤柱：工作面推进98 m，老顶第7次周期垮落，步距12 m，支架载荷6 315 kN/架，工作面即将出2段煤柱，如图9所示。工作面推进108 m，过空巷，老顶第8次周期垮落，步距10 m，支架载荷6 731 kN/架。此时，为工作面出2段煤柱阶段，1段煤柱整体下沉，如图10所示。

图9 1-2煤层工作面位于将出2段煤柱Fig.9 1-2 coal working face moves near out of No.2 coal pillar

图10 1-2煤层工作面过排矸巷Fig.10 1-2 coal working face passing through gangue roadway

根据哈拉沟煤矿12101工作面实测，模拟来压规律与现场实测基本吻合，表明物理模拟可靠。

3 过煤柱开采来压规律和顶板结构特征

3.1 来压特征及曲线

根据物理模拟实验，1-2上及1-2煤层工作面开采过程中的来压特征，见表3。根据工作面推进过程中的支架载荷，绘制出工作面来压曲线，如图11和图12所示。

图11 1-2上号煤层工作面来压规律Fig.11 Strata behavior law of the 1-2 upper coal working face

图12 1-2号煤层工作面来压规律Fig.12 Strata behavior law of the 1-2 coal working face

表3 1-2上及1-2号煤层工作面矿压特征Table 3 Strata behavior characteristics of 1-2 upper and 1-2 coal working face

3.2 规律分析

3.2.1 周期来压

哈拉沟煤矿1-2上号煤层工作面初次来压步距28 m，周期来压步距平均8 m，支架载荷平均5 528 kN/架，基本顶周期破断形成“砌体梁”结构。近距离采空区下1-2煤工作面开采，初次来压步距26 m，周期来压步距平均10.3 m。过1段煤柱工作面周期来压支架平均载荷5 920 kN/架，动载系数1.23；出1段煤柱工作面周期来压支架平均载荷6 440 kN/架，动载系数1.44。2段煤柱下，工作面周期来压支架平均载荷6 358 kN/架，动载系数1.12；出2段煤柱后(过空巷)，工作面周期来压支架平均载荷6 731 kN/架，动载系数1.32。

3.2.2 支架载荷

从表3可知，当工作面推进至44 m时，支架载荷开始增大，也就是说在工作面推进至距上方煤柱水平距离10 m内(间隔岩层厚度的0.83倍)，开始受到煤柱集中应力影响。总体而言，出煤柱(过空巷)时支架载荷较大，在出2段煤柱时支架载荷最大。在工作面进1段煤柱时，1-2号煤工作面直接顶整体垮落，间隔岩层关键层呈砌体梁铰接结构，此时上部煤柱未发生明显破坏。工作面出1段煤柱时，其后方的采空区上覆岩层还未完全压实，煤柱上方岩层破断，导致下煤层工作面压力升高。

3.2.3 矿压显现

工作面进入2段煤柱下方，1段煤柱整体发生较明显的弯曲下沉，基本顶周期性破断，岩块相互挤压形成砌体梁结构。工作面出2段煤柱，空巷继续发生破坏，随着工作面继续推进，直接顶上方离层闭合，导致下工作面矿压显现最明显。由于上部空巷的存在，导致顶板破断节奏和来压规律变化，工作面推过上部空巷时，工作面顶板破断运动，整体压力增大，出现强矿压显现。

4 结论

(1)实测表明，工作面过走向宽煤柱时，周期来压步距变大，动载系数减小，支架载荷略小；过走向窄煤柱周期来压步距变小，动载系数变大，支架载荷变大为采空区下的1.03～1.04倍。

(2)工作面过倾向煤柱时，煤柱下周期来压步距增大，动载系数增大，来压强度为采空区下开采的1.03～1.13倍。

(3)物理模拟表明，下煤层工作面进入倾向煤柱阶段，下煤层工作面距离上部煤柱水平距离10 m左右，开始受上部煤柱集中应力影响，工作面压力明显增高。

(4)过煤柱阶段，整体压力大于在采空区阶段；进入煤柱和过煤柱阶段，工作面压力值低于出煤柱阶段；出煤柱过空巷阶段覆岩垮落剧烈，出现强矿压显现。