相邻综采工作面采空区覆岩压力分布特征研究

戴文琦

（晋能控股集团 和顺李阳煤业有限公司，山西 和顺 032700）

随着我国煤炭行业的发展，同一煤层布置多个工作面进行连续开采的情况已成为常态。在相邻工作面连续开采的条件下，本工作面采空区压力分布特征受上一工作面采空区顶板运动影响，变得更为复杂。在井下复杂多变的应力环境中，采空区覆岩压力分布特征对近距离煤层上行开采[1-4]、含水层下开采[5-6]以及废弃采空区瓦斯分布[7-9]及巷道顶板事故防范[10-12]等具有十分重要的意义。

目前，国内外学者通过理论分析[13-14]、数值模拟[15]，以及室内相似材料模拟等手段，探讨了采空区应力恢复规律，揭示了不同应力环境下采空区垮落顶板形态及演化机制。李扬[16]等通过材料力学、矿压理论与UDEC 数值模拟的方法，对采空区垮落顶板形态的典型特征、形成机理进行了充分研究；周波[17]等采用UDEC 数值模拟软件对比分析了单一煤层开采与近距离采空区下煤层开采的矿压显现规律，发现了近距离采空区下煤层开采的支承压力及超前支承压力更大，且下煤层顶板岩层破坏较单一煤层开采更为严重；许国胜[18]等依据煤层极限平衡区和弹性区的支承压力分布函数的表达式，通过载荷守恒原理对采空区应力恢复函数进行分析，提出了岩层与煤层的垂距越大时，采空区应力恢复距离越大，且岩层采空区应力恢复距离与其和煤层的距离呈现线性增加关系的观点；张向阳[19]等运用数值模拟、相似模拟和工程实践相结合的研究方法，分析了上下采空极近距离煤层开采过程中采场围岩应力分布规律、位移变化及变形破坏特征。上述研究对推进采空区压力分布特征分析具有积极作用，但多集中于近距离煤层开采条件下采空区的应力恢复及应力分布特征，对于临近综采工作面采空区覆岩压力分布特征研究相对较少。为深入研究相邻采面推采后采空区覆岩压力分布特征，通过现场数据实测以及理论分析相结合的方法，对相邻综采工作面采空区覆岩压力分布特征进行研究。为此, 以山西李阳煤业15107 综采工作面采空区为工程背景，利用现场实测数据及理论分析研究相邻采空区覆岩压力分布特征，为防范采煤工作面发生顶板事故提供一定的科学依据。

1 工程概况

李阳煤业一采区主采-339 m 水平15#煤层，采区煤层均厚2.1 m，目前布置15101、15103、15105、15107 4 个不等宽工作面。一采区工作面布置简图如图1。

图1 一采区工作面布置简图Fig.1 Layout diagram of working face in first mining area

目前15101 工作面、15103 工作面和15105 工作面已经回采完毕，在布置15107 工作面时，与15105工作面间隔30 m。15107 工作面采深330 m，工作面倾向长度为120 m，可采走向长度为478 m，采用倾斜长壁后退式采煤法，综合机械化采煤，放顶煤管理顶板，一次采全高，每循环推进度为0.6 m。选用ZF4800/17/28 型掩护式支架共76 架进行支护。从刮板输送机机头到机尾依次编号为1#～76#。

2 综采工作面采空区覆岩压力分布实测

2.1 综采工作面采空区覆岩压力监测

采空区压力监测设备采用山东泰安思科赛德生产的GPD300 矿用本安型采空区压力传感器，压力传感器结构示意图如图2。

图2 压力传感器结构示意图Fig.2 Structure diagram of pressure sensor

工作面距开切眼220 m 位置处时，安装3 个采空区压力传感器，分别布置于工作面上中下（16#支架、33#支架、50#支架）3 个位置。布置方式为：在刮板输送机前方底板处开挖1 个220 mm×150 mm×480 mm（长×宽×高）的凹槽用于放置设备，沿凹槽布置1 个线槽，线槽距底板表面350 mm、宽度40 mm直通15107 运输巷，压力传感器布置图如图3。

图3 压力传感器布置图Fig.3 Pressure sensor layout diagram

采空区压力传感器可进行连续监测，数据自动传输至地表服务器，监测至采空区压力稳定为止。

2.2 综采工作面采空区覆岩压力实测分析

工作面形成采空区后，监测位置从距开切眼前方220 m 开始，监测30 d。采空区上部（16#支架处）覆岩压力-时空关系曲线如图4，采空区中部（33#支架处）覆岩压力-时空关系曲线如图5，采空区下部（50#支架处）覆岩压力-时空关系曲线如图6，采空区上部、中北部和下部3 个侧点压力变化规律见表1。

图4 采空区上部（16#支架处）覆岩压力-时空关系曲线Fig.4 Space-time relationship curve of overburden pressure in upper goaf

图5 采空区中部（33#支架处）覆岩压力-时空关系曲线Fig.5 Space-time relationship curve of overburden pressure in middle of goaf

图6 采空区下部（50#支架处）覆岩压力-时空关系曲线Fig.6 Space-time relationship curve of overburden pressure in lower goaf

表1 采空区压力分布数据表Table 1 Data table of goaf pressure distribution

由图4 可以看出，采空区上部在第4 d（滞后工作面23.4 m）覆岩压力开始缓慢上升，到第7 d（滞后工作面33.8 m），覆岩压力增量16 kN（0.91 MPa），增长速率为0.13 MPa/d。随后，覆岩运动加剧，采空区压力开始快速增长，持续至第13 d（滞后工作面96.4 m）覆岩压力增量为55 kN（3.1 MPa），增长速率为0.44 MPa/d，再后面，采空区压力增速变缓，说明覆岩运动逐步稳定。第26 d（滞后工作面150.4 m）采空区覆岩压力达到最大，最大值为79 kN（4.47 MPa），覆岩运动基本稳定压力值不再升高。

由图5 可以看出，在第2 d（滞后工作面13.2 m）覆岩压力开始上升，第4 d（滞后工作面25.6 m）覆岩压力增量为10 kN（0.56 MPa），增长速率为0.14 MPa/d。第5 d（滞后工作面31.2 m）覆岩压力开始快速增长，说明此时采空区上覆岩层运动加剧，采空区压力快速增高，到第16 d（滞后工作面102.4 m）覆岩压力增量为82 kN（约4.58 MPa），增长速率为0.43 MPa/d。第23 d（滞后工作面138.2 m）采空区覆岩压力达到最大，最大值为122 kN（约6.9 MPa），覆岩运动基本稳定压力值不再升高。

由图6 可以看出，采空区下部覆岩压力同样受移架影响，前期数值上下波动。第2 d（滞后工作面13.4 m）采空区覆岩压力值开始上升，但采空区覆岩压力增长趋势明显小于采空区中部覆岩压力，第7 d（滞后工作面35.6 m），上覆岩层运动加剧，采空区压力开始快速增长，第17 d（滞后工作面97.4 m）采空压力上升至100 kN（约5.66 MPa），增量为82 kN（约4.64 MPa），增长速率为0.39 MPa/d，随后上覆岩层运动开始稳定，采空区压力值呈现先减小随后稳步增加的过程，在第26 d（滞后工作面155.4 m）覆岩运动基本结束，覆岩压力稳定在100 kN（约5.66 MPa）左右。

3 综采工作面采空区覆岩压力分布特征

3.1 沿倾向采空区覆岩压力分布特征

根据采空区上中下部位现场实测数据并结合文献［20］，绘制采空区倾向方向覆岩压力曲线，沿倾向采空区覆岩压力分布特征图如图7。从图7 中可以看出，覆岩压力稳定后，采空区倾向压力呈“□”类抛物线型分布。靠近实体煤侧或小煤柱侧的采空区压力相对较小，中部压力相对较大。倾向压力大小排序为采空区中部（34～64.5 m）＞采空区下部（64.5～100 m）＞采空区上部（0～34 m）。分析其原因为，上部临近实体煤，形成倾向方向上的悬臂梁结构，悬臂梁结构会承担上覆岩层的一部分压力传递，而下部邻近采空区，覆岩下沉量大，传递压力多，致使采空区下部压力要大于上部。此外，通过对比发现采空区中部覆岩压力进入稳定阶段的时间要小于采空区上下2 个部位。

图7 沿倾向采空区覆岩压力分布特征图Fig.7 Distribution characteristics of rock pressure along inclined goaf

3.2 沿走向采空区覆岩压力分布特征

由表1 可知，采空区上部、中部、下部压力变化趋势总体同步，沿走向采空区覆岩压力变化可分为4 个阶段：①压力值上升初期：直接顶垮落到采空区内，基本顶也已经破断，但是上覆岩层变形下沉量很小，采空区压力主要来源于直接顶和部分基本顶的质量，此阶段的覆岩压力较小；②压力值缓慢上升期：上覆岩层开始慢慢下降，上覆岩层逐渐压实，岩层会传递一部分压力，压力值缓慢上升；③压力值快速增长期：采空区上覆岩层变形下沉的速度加快，上覆岩层压实压密程度加大，采空区压力快速增加；④压力值逐步稳定阶段：在滞后采面150 m 左右采空区上覆岩层变形下沉运动结束，采空区上覆岩层压实，采空区压力趋于稳定。因此下一个工作面准备巷道滞后本工作面至少150 m。

在总体趋势一致的情况下，采空区中部压力上升初期和压力上升末期都要早于上部和下部，说明中部顶板运动早于两端，这是因为采空区上部顶板运动还受到上个工作面采空区稳定顶板结构的牵制，而采空区下部工作面顶板运动受到实体煤支撑，运动也受到限制。

对综采工作面采空区覆岩压力监测数据进行综合分析，获得综采工作面采空区覆岩压力走向分布特征如图8。

图8 沿走向方向上采空区覆岩压力增长趋势图Fig.8 Growth trend chart of goaf rock pressure along strike direction

4 结 论

1）覆岩压力稳定后，近距离综采工作面采空区倾向压力呈“□”类抛物线型分布，靠近实体煤侧或小煤柱侧的采空区压力相对较小，中部压力相对较大，倾向方向上压力分布特征为采空区中部＞采空区下部＞采空区上部。

2）受相邻采空区影响，倾向上采空区顶板从实体煤侧（上部）至邻面采空区侧（下部）形成悬臂梁结构，致使采空区下部压力值要大于上部，采空区中部压力最大。

3）走向采空区覆岩压力变化可分为压力值初始增长阶段、压力值缓慢上升阶段、压力值快速增长阶段、压力值逐步稳定阶段共4 个阶段。