近距离采空区下煤层开采矿压显现特征研究

周 波，张 旺，周 泽，李克城

（1.贵州湾田煤业集团有限公司 湘桥煤矿，贵州 盘州 553503；2.盘州市能源局，贵州 盘州 553503；3.贵州理工学院 矿业工程学院，贵州 贵阳 550007）

近距离煤层开采相对于单一煤层开采，各个煤层之间存在相互影响，下伏煤层开采矿压显现规律更加复杂，顶板管理较为困难，与单一煤层开采存在较大区别。为更具针对性地指导近距离煤层开采工作，宋振骐[1]针对盘江矿区近距离煤层群生产实际情况，提出了上行开采卸压的技术方案。张向阳[2]采用相似模拟、数值模拟等研究手段对上下采空极近距离煤层开采采动应力进行了分析，指出在上下采空极近距离煤层开采中，应加强两巷维护与加固，并合理布置工作面位置以避开应力集中区和剪切破坏区。张勇[3]针对赵各庄矿近距离煤层赋存特点，分析了煤层群上行开采的机理和可行性，研究了不同开采厚度时上覆岩层垮落运移规律和瓦斯卸压效果。黄庆亨[4]指出上煤层采高越大，来压期间支架工作阻力和动载系数就越大。汪北方，许猛堂等[5-6]对极近距离厚煤层房式采空区下的煤层开采进行了研究，指出顶板房式采空区煤柱群比单一煤柱底板应力集中现象显著，并从支架初撑力、工作面推进速度、放顶强度等方面提出了下伏煤层开采顶板控制措施。杨路林[7-8]针对近距离煤层采空区下煤层开采工作阻力进行了实测，指出下伏煤层开采工作面液压支架均值比采用“传递岩梁”理论计算值要大，其原因是由于上覆煤层采空区矸石对下伏煤层开采施加了附加静载荷。尹时雨[9]采用现场实测的方法对旺格维利采煤法采空区下部煤层回采矿压显现强烈原因进行了分析，并且提出了增大采高、工作面调斜、加强生产组织一次性通过应力集中区的方法，在一定程度上缓解了下伏煤层开采矿压显现程度。孙卓越[10]对带压开采不同工作面开采倾向长度的底板破坏深度进行分析，得到了底板破坏深度和工作面倾向长度的关系表达式。此外，樊勇[11]、王震[12]等人基于近距离煤层采空区采动应力的传播规律，分析了下部煤层回采巷道的稳定性及其合理布置位置。

综上所述，大量的学者及专家对近距离煤层群的采动应力传播规律进行了研究，从不同角度分析并阐述了近距离采空区下煤层开采矿压现象规律以及近距离煤层开采围岩变形规律[13-14]。然而，大部分研究多集中在下部煤层开采的顶板破坏方面，对近距离采空区下煤层开采矿压显现规律与上部煤层底板破坏情况以及煤层间距的考虑较少。为此，针对湘桥煤矿近距离采空区下煤层开采情况，在对上部煤层底板破坏情况进行理论分析的基础上，对近距离采空区下煤层开采覆岩破断特征、支承压力传播特征等进行理论和数值分析，以期更好地指导湘桥煤矿近距离采空区下煤层综合机械化开采。

1工作面概况

湘桥煤矿矿区面积1.186 7 km2，准采标高为+1 700～+1 300 m，拟建规模45 万t/a。首采区为一采区10#煤层，区域平均倾角12°，煤层厚在1.16 m左右，设计在一采区布置1 个综采工作面—11001工作面。一采区9#煤层与5#煤层已大面积采空，一采区主要开采煤层10#、12#煤层，其首采工作面11001 距离9#煤层采空区16.78 m，9#煤层与5#煤层采空区距离为30.29 m，1 采区地层概况见表1。

表1 1 采区地层概况Table 1 Strata survey of 1# district in Xiangqiao Coal Mine

2 上覆煤层底板破坏规律

2.1 上覆煤层开采底板破坏深度理论

在煤层开采过程中，支承压力通过煤体向底板传递，当底板岩石达到承受的临界值后，会产生塑性变形，形成底板塑性区；当支承应力的大小达到使岩体发生完全破坏的极限载荷后，底板处于塑性区的岩体将会连成一片，塑性区范围内的岩体向采空区移动，形成1 个连续的滑移面，这时煤层的采动效应对底板岩体的影响最大。此时可以把煤层底板的破坏区分为3 个区域，分别为：Ⅰ主动极限区；Ⅱ过渡区；Ⅲ被动极限区[15-16]。底板屈服破坏深度如图1。

图1 支承压力作用下底板破坏深度Fig.1 Failure depth of base plate under support pressure

根据滑移线场[17-18]理论，由图1 可知，在超前支承压力影响作用下导致的底板破坏深度为：

式中：h 为底板破坏深度；r0为底板任意破坏点与煤壁处连线长度；α 为极坐标下底板任意破坏点与煤壁连线和底板最大破坏点与煤壁联线的夹角，即图1 中ob 与oe 的夹角；x0为煤壁塑性区宽度；φ为煤体的内摩擦角；φf为底板岩层内摩擦角。

把式（4）代入可以求得上层煤开采时底板的最大破坏深度h0：

2.2 湘桥煤矿9#煤层开采对10#煤层开采影响

1）9#煤层底板破坏深度。9#煤层平均采高m=2.05 m，埋深H=604.06 m，煤体的内摩擦角φ=25°，C=0.75 MPa，煤体与煤层顶底板接触摩擦系数f 取值为0.125，上覆岩层的平均密度ρ=2.5 t/m3；底板岩层内摩擦角φf为40°，将9#煤层相关参数代入式（5）可知，9#煤层的底板破坏深度为3.36 m。

2）10#煤层垮落带发育高度。根据“三带”发育高度计算公式。10#煤层开采厚度1.16 m，煤层倾角12°，受重复采动影响顶板岩层碎胀系数较小取K=1.1，则10#煤层开采后垮落带发育高度Hm为11.34 m。

式中：m′为开采厚度m；K 为跨落岩石碎胀系数，根据实测求得，一般为1.1～1.4；β 为煤层倾角。

在混合料拌和过程中，严格控制拌和楼集料级配，严禁出现随意放料的情况。摊铺和碾压时要严格按照施工工艺进行，压实度要控制在95%～100%范围内，平整度要满足《公路沥青路面施工技术规范》要求，其母体沥青混合料具体质量检查标准如表2所示。

3）9#煤层对10#煤层开采影响分析。9#煤层开采底板破坏深度为3.36 m，10#煤层开采垮落带发育高度为11.34 m，9#煤层与10#煤层的间距为16.78 m。因此，在10#煤层开采后，10#煤层底板破坏带与9#煤层垮落带的间距为2.08 m。

由此可见，9#以及10#煤层间距较近，但是在9#煤层开采过后，在理论上9#煤层和10#煤层之间覆岩破坏范围尚未贯通。9#煤层底板破坏带距10#煤层垮落带之间仅有2.08 m。上部煤层底板破坏范围距离下部煤层垮落带范围较近，处于10#煤层顶板断裂带范围内，上部采空区将不可避免地对下部煤层的矿压显现造成影响。

3 数值分析

为分析上部采空区对下部煤层开采矿压显现的影响，得到近距离采空区下煤层综采矿压显现特征，根据湘桥煤矿5#、9#、10#煤层的赋存情况建立UDEC离散元数值模型，数值模型如图2。数值模拟方案岩石力学参数见表2。

表2 各模拟方案岩（煤）参数取值Table 2 Rock mechanics parameters

图2 数值模型图Fig.2 Numerical model

为对比分析单一煤层开采与近距离采空区下煤层开采的矿压显现特征，建立2 种数值模拟模型：

1）方案1。多煤层开采，根据湘桥煤矿的实际开采情况分别开采5#、9#、10#煤层。

2）方案2。单煤层开采，即只开采10#煤层，岩层力学参数与方案1 保持一致，在方案1 与方案2 的煤层顶、底板中布置测线和监测点，对岩层应力变化情况以及岩层垮落、断裂情况进行监测。工作面开挖采取分布开挖的方式，每次开挖5 m，工作面共推进80 m。

3.1 近距离采空区下煤层综采支承压力分布特征

为对比分析在2 种方案开采条件下支承压力的分布特征，分别选取2 个方案在开采初期（即开挖10 m）与开采末期（即开采80 m）时的采动支承压力进行对比，不同开采方案不同开挖阶段的支承压力分布如图3。

由图3 可知，在工作面推进初期和末期，方案1开采条件下工作面前方最大应力集中为30.0、37.3 MPa，而在方案2 开采条件下23.3、34.6 MPa，说明在近距离采空区条件下进行煤层开采时，由于上覆岩层遭受到了一定的破坏，岩层失去了其支承能力，导致上覆岩层载重均作用于10#煤层顶板，使得采空区下煤层开采支承压力作用较大。由此可见，在近距离采空区下进行煤层开采时应注重加强工作面上下两巷的超前支护。

图3 不同开采方案不同开挖阶段的支承压力分布Fig.3 Abutment pressure distribution in different excavation stages and different mining schemes

3.2 近距离采空区下煤层综采覆岩破断特征

在数值模拟过程中，选取在方案1 与方案2 煤层顶板初次垮落时的覆岩破段进行对比分析，方案一与方案二覆岩初次破断情况如图4。

由图4 可知，在方案1 与方案2 2 种开采情况下。由于方案1 中10#煤层上覆煤层被采空，且在采空区边缘尚未完全压实，故导致方案1 中10#煤层开采初期其上覆岩层实际上处于卸荷状态，从而近距离采空区下煤层开采10#煤层顶板弯曲下沉幅度小于方案2 中10#煤层单煤层开采状态。随着工作面的推进，开采范围的扩大，方案1 与方案2 的上覆岩层均遭受到了充分的破坏，二者的覆岩周期垮落步距没有明显差别。因此，在覆岩垮落步距相同的条件下，近距离下采空区煤层开采（方案1）初次来压强度低于单煤层开采（方案2），周期来压强度二者没有明显差别。

图4 不同方案覆岩垮落情况Fig.4 Overburden caving in different schemes

3.3 上覆岩层破坏范围

不同开采条件下，上覆岩层的裂隙发育程度如图5。图5 中白色线条为张开裂隙。

图5 不同开采方案覆岩破坏程度Fig.5 Overburden failure degree under different mining schemes

由图5 可知，在近距离采空区下煤层开采时，其采动裂隙发育程度远高于方案2 中10#煤层单煤层开采。虽然通过理论分析认为9#煤层底板破坏带距10#煤层垮落带之间有2.08 m 岩层较为完整，但是结合数值分析可知，9#煤层采空区底板裂隙与10#煤层开采采动裂隙接近贯通，9#煤层与10#煤层之间覆岩已经遭受到较大破坏。因此，在进行近距离采空区下煤层回采工作面支护时，对液压支架的选型不应只考虑10#煤层垮落带的发育高度，还应考虑在上覆9#煤层采空区影响下的10#煤层采动覆岩的破坏高度。

4 工业试验

合理的支护强度应与顶板压力相平衡，支护强度过大，不仅增加支架质量和设备投资，而且给搬运、安装带来困难，过小则会造成顶板过早下沉、离层、垮落，致使顶板破碎，维护困难。因此支护强度的大小就取决于工作面采场矿压的大小。若根据载荷估算法，一般以支架的支护强度能够承载6～8 倍采高岩层重力为依据进行设计：

式中：p 为液压支架的支护强度，t/m2或MPa；λ为顶板载荷系数，范围取6～8，取8 计算；M 为煤层最大采高，10#煤层平均厚度为0.69～1.54 m；ρ 为顶板岩石平均密度，取2.5 t/m3。

经计算，支护强度为0.103～0.308 MPa。然而根据前面前文理论和数值分析可知，9#煤层与10#煤层之间岩层遭受了较大程度的破坏，因此，根据液压支架的初撑力和工作阻力要适应直接顶和基本顶岩层移动产生的压力，将顶底板移近量控制到最低程度，液压支架至少必须能够有效控制9#煤层与10#煤层之间岩层。因此，11001 工作面液压支架支护强度应为：

式中：H9-10为9#煤层与10#煤层的间距，取16.78 m。

经式（7）计算，p 为0.41 MPa。

综上所述，由于10#煤层为近距离采空区下煤层综采，其液压支架支护强度需考虑9#煤层底板岩层破坏程度，其支护强度必须大于0.41 MPa，大于其根据单一煤层开采所计算的0.103～0.308 MPa。最终确定11001 工作面选择支撑强度较大，过风断面大的ZY2800/8.5/18Q 型掩护式支架，其主要特征为：①支架高度：0.85～1.8 m；②支架工作阻力：2 800 kN；③支护强度：0.43～0.51 MPa；④支架质量：11.5 t；⑤支架对底板的最大比压：1.1～1.8。实践表明，在10#煤层开采期间，ZY2800/8.5/18Q 型掩护式支架较好的满足了生产需要，对10#煤层开采顶板进行了有效控制。

5 结 语

1）由于受上部煤层开采影响，上下煤层间覆岩已经遭受到了一定程度的破坏，在近距离采空区下采煤时，上覆岩层完全作为载荷存在，使得其超前支承压力应力集中程度相对单一煤层开采更大。因此，在近距离采空区下采煤时，应格外注重工作面上下两巷的超前支护。

2）湘桥煤矿10#煤层开采顶板覆岩破坏未能波及上覆采空区破坏区域时，近距离采空区下煤层开采周期垮落步距与单一煤层开采覆岩周期垮落步距没有明显差别。

3）结合理论分析与数值分析可知，湘桥煤矿9#煤层与10#煤层之间仍然存在约2 m 相对完整岩层，但在重复采动条件下湘桥煤矿10#煤层开采覆岩采动裂隙发育程度较大，其工作面支架选型应考虑9#煤采空区影响，采场支护强度设计应能够有效控制9#煤层与10#煤层之间岩层。