近距离煤层群上行开采超前支承压力变化规律研究

2022-01-15宋增谋

山东煤炭科技 2021年12期

宋增谋孙晴

（山东科技大学，山东青岛 266590）

我国近距离煤层分布广泛，煤层间距较小使开采工作难以进行，为使煤炭资源安全合理采出，上行开采方法得到了一定研究和应用[1]。曲广龙[2]等对受下部多次不均衡采动影响煤层上行开采技术进行研究，证明了上行开采的可行性。张勇[3]等通过UDEC 数值模拟软件对赵各庄不同煤厚的煤层群上行开采进行模拟分析，研究了不同采厚的煤层上覆岩层运移破坏特征。目前对上行开采的研究大多数放在可行性的判定方面和覆岩破坏规律方面，对上行开采超前支承压力影响规律和煤层间距对开采的影响研究不够完善。基于此，本文通过数值模拟对下位煤层开采后支承压力分布规律进行分析，对下位煤层开采完毕后上位煤层应力分布状态展开研究，为近距离煤层安全开采提供了理论依据。

1 数值计算模型及开采方案

1.1 工程背景

鲍店煤矿六采区地质构造比较简单，以褶曲为主，断层较发育。六采区主要开采2、3 煤层。2 煤层局部可采，平均厚度0.91 m；3 煤层平均厚4.5 m，普氏硬度系数f=3.5，煤层间距30.5～40.5 m 不等，平均厚度34.4 m。3 煤顶板由灰和灰白色中砂岩、细砂岩、粉砂岩组成，比较稳定。2 煤顶板以粉砂岩、页岩为主，局部为砂质泥岩，工作面内有断层构造。

1.2 数值模型的建立

以六采区2、3 煤岩的赋存情况及相对位置为工程背景，以6208 和6308 工作面为研究对象，建立近距离煤层群数值计算模型，研究上行开采工作面前方支承压力演化规律。此模型的尺寸为400 m（长）×300 m（宽）×85 m（高），近距离煤层简化模型剖面图如图1。煤岩层物理参数见表1。计算模型采用摩尔-库仑破坏准则，模型四周边界施加水平位移约束，底部施加水平位移和垂直位移约束，顶部为自由面。模型模拟埋深318 m，在模型顶部施加6.86 MPa 的覆岩应力。

图1 近距离煤层开采简化模型剖面图

表1 煤岩物理参数表

1.3 开采方案

模型在x 轴方向上两边各预留100 m 的保护煤柱，在y 轴方向上两边各预留75 m 保护煤柱。以空单元格近似模拟工作面开挖状态，工作面沿着走向开采倾向布置。3 煤工作面每次开挖20 m，共计开挖10 次。3 煤开采完毕后，对2 煤进行开采，工作面每次开挖20 m，共开挖5 次。

2 模拟结果分析

2.1 下位煤层开采过程中超前支承压力分析

图2 为低位煤层工作面推进40 m、80 m、120 m、160 m 和200 m 时超前支承压力的云图。由图示可知，距离开切眼40 m 时，工作面煤壁前方应力集中程度较高，在工作面前方8 m 超前支承压力达到峰值，约为25.6 MPa。在煤层开采距离较近时，下位煤层基本顶会以板的形式承受载荷。随着推进距离不断增加，基本顶岩层的反向支承力增大，支承压力峰值不断增大。工作面推进80 m 时，应力集中程度进一步提高，应力集中区域出现在煤壁前方6 m 处，最大支承压力达到33.1 MPa。工作面推进120 m 后，支承压力向承载能力比较大的工作面外侧转移，应力集中区域出现在工作面前方6.7 m 处，最大支承压力达到37.8 MPa。考虑到煤体和基本顶的弹性效应，简支边的合力作用点前移，支承压力峰值点与工作面煤壁距离增大。距离开切眼160 m时，工作面外侧形成高应力集中区域，最大应力达到41 MPa。距离开切眼200 m 时，工作面外侧高应力集中区域进一步增加，最大应力达到43.8 MPa。综合分析可得，工作面每次推进40 m，工作面前方最大支承压力增加幅度略微减缓，应力集中区域随着推进距离的增加略微增加。这是因为，距离开切眼越远，煤层上方的顶板受开采扰动作用影响所产生的压力拱半径越大。

在煤壁上方设置一条压力监测线，记录工作面前方100 m 内支承压力变化趋势，如图3。由图3可知，随着开采距离的增大，支承压力峰值不断增大，且距离开切眼越远，超前支承压力达到峰值后下降速率越快。超前支承压力影响区域为工作面前方50 m 处且不会随着推进距离的增加而改变。下位煤层超前支承压力变化可分为三个阶段：（1）支承压力迅速增大阶段（超前距离0～8 m）。此时工作面前方煤体承受来自采空区和工作面上方岩层自重载荷，支承压力远大于原岩应力。（2）支承压力缓慢减小阶段（超前距离8～50 m）。由于受采场内外应力场的影响，随着距离工作面煤壁越远，支承压力达到峰值后，受开采扰动影响越弱，超前支承压力逐渐下降。（3）支承压力稳定阶段（50～100 m）。这时3 煤受开采扰动影响较小，支承压力到达稳定，略低于原岩应力。

图3 煤层开采过程超前支承压力分布规律曲线图

2.2 上位煤层开采过程中支承压力分布规律

下位煤层开采完成后，破坏了上位煤层原有应力平衡，造成上覆岩层应力场的破坏。3 煤开采完毕后，上覆岩层垮落，在上方采空区出现降应力效应。在开采2 煤的过程中，超前支承压力值较原岩应力场有所降低。图4 为2 煤开采过程中超前支承压力云图。从图4 可以看出，工作面推进20 m 和40 m 时，超前支承压力受3 煤开切眼应力集中区域和顶板垮落的影响有所降低。工作面推进距离越大，受开切眼影响程度越小。工作面推进60 m 和80 m时，超前支承压力受3 煤开切眼应力集中区域影响较小。

图4 上位煤层开采过程中超前支承压力分布云图

在煤壁上方设置一条观测线，记录2 煤工作面前方100 m 内支承压力变化情况如图5。从图5 可以看出，开采2 煤的过程中，受3 煤层采空区影响，工作面前方应力集中区域较3 煤相比明显缩小。上位煤层开采时的峰值明显低于下位煤层峰值，且最大支承压力的值出现在煤壁上方，支承压力影响区域较下位煤层明显缩小。从图5 可以看出，工作面推进距离为20 m、40 m、60 m、80 m、100 m 时，最大支承压力分别为18 MPa、23 MPa、32.5 MPa、27 MPa、28 MPa，随着开采距离的增加，支承压力峰值呈现出先增大后减小的趋势。支承压力影响范围约为工作面前方6 m，煤壁前方6 m 后的支承压力值逐渐稳定，但是远小于原岩应力。在工作面前方80 m 后，支承压力有增高的趋势，且距离2 煤开切眼越远，支承压力增高幅度越大。这是由于接近3 煤停采线，受到3 煤开采完后内应力场的影响，超前支承压力增大。

图5 上位煤层不同推进距离支承压力分布规律曲线图

综上分析可知，在3 煤开采完毕后，对2 煤进行开采时，工作面前方支承压力可分为三个阶段：（1）支承压力迅速下降阶段。此阶段出现在工作面前方6 m 内，这是因为2 煤开采工作面在3 煤采空区的上方，处于卸压区，所以在煤壁前方不远处迅速恢复到低于原岩应力的状态。（2）支承压力稳定阶段。此时受3 煤开切眼处应力集中的影响较小。（3）支承压力逐渐升高阶段。这是由于接近3煤停采线，受到3 煤开采完毕后内应力场的影响。