馬海峰，程志恒，劉 偉

(1. 安徽理工大學(xué) 能源與安全學(xué)院，安徽 淮南 232001；2. 煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013； 3. 淮南礦業(yè)(集團)有限責(zé)任公司，安徽 淮南 232001)

0 引 言

近距離煤層開采時，相互之間的影響較大，尤其是當(dāng)層間距很小時，下煤層開采前頂板巖層受上煤層開采的影響產(chǎn)生不同程度的損傷破壞，導(dǎo)致下煤層開采引起的覆巖運移、采動應(yīng)力演化有別于遠距離煤層。相關(guān)學(xué)者對近距離煤層開采時覆巖裂隙與應(yīng)力的分布、巷道的合理位置等進行了研究，取得了一系列成果。李樹清[1]等研究了煤層群重復(fù)開采條件下覆巖裂隙的形成規(guī)律；屠世浩[2]等分析了房柱式采空區(qū)條件下近距離煤層綜放開采引起的覆巖變形破壞與地表移動規(guī)律；張勇[3]等研究了近距離煤層群上保護層開采過程中底板不同應(yīng)力分區(qū)裂隙的分布特征；閆書緣[4]等探索了深部近距離煤層群下卸壓開采時應(yīng)力的演化特征；許磊[5]等分析了下位煤層偏應(yīng)力場的分布特征與回采巷道的合理位置；嚴紅[6]等研究了超近距離煤層群煤巷的布置與支護設(shè)計；程志恒[7]等研究了近距離煤層群保護層開采中圍巖應(yīng)力-裂隙的演化規(guī)律；白慶升[8]等分析了近距離上煤層遺留煤柱下工作面頂板的應(yīng)力演化規(guī)律；張向陽[9]等研究了上下煤層開采對中間煤層及其頂?shù)装宓挠绊懱卣?；文獻[10-12]對近距離煤層開采巷道的合理位置與穩(wěn)定性進行了研究。上述成果多是在近距離煤層開采覆巖裂隙、巷道合理位置等方面取得的，關(guān)于近距離煤層疊加開采條件下覆巖的運移特征及采動應(yīng)力動態(tài)演化的研究較少。因此，本文以潘二礦近距離煤層群的地質(zhì)條件為背景，開展近距離煤層疊加開采條件下采動應(yīng)力與覆巖運移演化規(guī)律的研究。

1 近距離煤層疊加開采相似模擬試驗

1.1 地質(zhì)條件

潘二礦西四采區(qū)位于陶王背斜北翼及西部轉(zhuǎn)折端，煤系地層被厚度為280～340 m左右的巨厚的新生界地層所覆蓋。西四采區(qū)B組煤主采煤層為8煤、7煤、6煤，本文主要研究對象7煤與6煤為近距離煤層，7煤位于6煤上方，平均層間距為15.1 m，7煤平均厚度為2.6 m，為較穩(wěn)定煤層，煤層結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，6煤平均厚度為2.5 m，為不穩(wěn)定煤層，煤層結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，煤層平均傾角12°，6煤埋深約600 m。6煤工作面回風(fēng)平巷外錯7煤工作面回風(fēng)平巷60 m，運輸平巷內(nèi)錯7煤工作面運輸平巷42 m，煤層位置示意如圖1所示。

圖1 近距離煤層群位置關(guān)系Fig.1 Location of close distance coal seam group

1.2 試驗?zāi)Ｐ偷慕?/h3>

根據(jù)7煤、6煤的地質(zhì)條件和試驗?zāi)Ｐ偷膶嶋H情況，模型尺寸：長×寬×高=1 800 mm×160 mm×1 000 mm，試驗采用幾何相似比為CL=100∶1，容重比為aγ=1.625∶1，應(yīng)力相似比aσ=162.5∶1。相似模擬材料的主要成分為砂子、石灰、石膏、水，通過煤巖物理力學(xué)試驗參數(shù)和大量不同配比試件的抗壓試驗，確定材料的合理配比和力學(xué)性能進行試驗?zāi)Ｐ偷拇罱?，各巖層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 各巖層物理力學(xué)參數(shù)

續(xù)表1

試驗?zāi)Ｐ凸膊贾?條位移測線、3條應(yīng)力測線。每條位移測線設(shè)15個測點，測點間距100 mm，位移測線1～5位于7煤上方，至7煤的距離分別為450，350，250，150，50 mm，位移測線6～8位于7煤下方，至7煤的距離分別為40，80，120 mm。每條應(yīng)力測線設(shè)11個測點，測點間距150 mm，應(yīng)力測線1位于7煤上方130 mm，應(yīng)力測線2位于7煤下方50 mm，應(yīng)力測線3位于6煤下方100 mm。

在模型左右邊界分別留設(shè)300 mm的邊界煤柱，消除邊界效應(yīng)，開采長度為1 200 mm，每次開采長度為50 mm。試驗過程中先開采7煤，后開采6煤。

2 疊加開采采動應(yīng)力演化特征

2.1 單一煤層開采采動應(yīng)力演化

7煤層開采過程中，發(fā)生3次來壓。開采至60 m時，產(chǎn)生初次來壓，形成砌體梁平衡結(jié)構(gòu)；開采至90 m時，發(fā)生第1次周期來壓，斷裂巖塊產(chǎn)生雙關(guān)鍵塊砌體梁平衡結(jié)構(gòu)，平衡結(jié)構(gòu)之上的軟弱巖層充分下沉運移；開采至120 m時，發(fā)生第2次周期來壓，基本頂斷裂巖塊仍可形成砌體梁平衡結(jié)構(gòu)。第1，2次周期來壓時采動應(yīng)力變化如圖2所示。

圖2 應(yīng)力變化曲線Fig.2 Stress curves

由圖2可知，在7煤層開采過程中，工作面前方和切眼后方均產(chǎn)生了不同程度的應(yīng)力集中，煤層頂?shù)装鍘r層均得到了不同程度的卸壓。開采至90 m時，工作面前方和切眼后方最大應(yīng)力分別為19.5，19.1 MPa，最大應(yīng)力集中系數(shù)分別為1.5，1.4，卸壓區(qū)頂板巖層最小應(yīng)力為7.6 MPa，底板巖層最小應(yīng)力為9.3 MPa；隨著工作面的推進，頂?shù)装鍘r層卸壓范圍呈擴大態(tài)勢；開采至120 m時，工作面前方和切眼后方最大應(yīng)力分別為22.2，20.8 MPa，最大應(yīng)力集中系數(shù)分別為1.65，1.6，卸壓區(qū)頂板巖層最小應(yīng)力為6.2 MPa，底板巖層最小應(yīng)力為8.2 MPa。

2.2 疊加開采采動應(yīng)力演化

6煤層開采過程中(疊加開采)，工作面發(fā)生5次來壓。開采至60 m，基本頂初次來壓，受疊加采動影響，開采6煤層造成的斷裂巖層再次運移，其重力完全作用于6，7煤層之間的堅硬巖層之上，加之開采7煤層對底板造成的損傷，6，7煤層之間的巖層多次發(fā)生破斷，在工作面煤壁的支撐下發(fā)生復(fù)合破斷，形成平衡結(jié)構(gòu)；開采至75 m 時，發(fā)生第1次周期來壓，基本頂形成砌體梁平衡結(jié)構(gòu)；開采至90 m時，發(fā)生第2次周期來壓，基本頂斷裂線處于工作面煤壁后方，不能形成平衡結(jié)構(gòu)，基本頂斷裂巖塊落向采空區(qū)，較高層位巖層在沒有支撐條件下，迅速下沉、斷裂；開采至105 m時，發(fā)生第3次周期來壓，基本頂巖塊斷裂后形成平衡結(jié)構(gòu)，僅基本頂下方的直接頂垮落，基本頂及其上部巖層沒有發(fā)生明顯下沉；開采至120 m時，發(fā)生第4次周期來壓，基本頂斷裂垮落，上位基本頂在疊加采動作用下發(fā)生斷裂形成砌體梁平衡結(jié)構(gòu)。6煤層開采過程中，采動應(yīng)力變化見圖3。

圖3 工作面開采過程中應(yīng)力Fig.3 Stress in the progress of working face mining

疊加開采過程中，6煤層工作面前方和切眼后方最大應(yīng)力分別為16，15 MPa，最大應(yīng)力集中系數(shù)分別為1.23，1.15，卸壓區(qū)頂板巖層最小應(yīng)力為4.3 MPa，與單一開采7煤層相比，6煤層開采過程中應(yīng)力集中程度相對降低，但卸壓程度增大。

圖4 覆巖運移實況Fig.4 Scene of overlying strata movement

相似模擬試驗表明，7煤層開采過程中基本頂巖層經(jīng)歷了周期性的破斷下沉，基本頂破斷時產(chǎn)生回轉(zhuǎn)變形，在周期來壓時具有發(fā)生回轉(zhuǎn)失穩(wěn)的傾向。6煤層開采過程中，覆巖經(jīng)歷多次疊加演化，覆巖位移呈現(xiàn)增大現(xiàn)象，具有位移疊加增長效應(yīng)。由于7煤層工作面的開采使覆巖起到一定的墊層作用，緩和了礦山壓力，使近距離煤層疊加開采時具有應(yīng)力減弱效應(yīng)。與開采7煤層相比，6煤層開采過程中，來壓步距減小，但周期來壓時破斷巖層具有滑落失穩(wěn)的傾向，部分巖層發(fā)生臺階式下沉，如圖4所示，易發(fā)生沖擊破壞或其他動力災(zāi)害。

3 疊加開采覆巖位移場演化特征

3.1 單一煤層開采位移場演化

圖5為7煤層開采推進90 m和120 m時各位移測線變化曲線。

圖5 位移變化曲線Fig.5 Displacement curves

由圖5可知，工作面推進至90 m時，位移測線1～2與6～8的量值基本無變化，采動應(yīng)力對位移測線1～2，6～8所在巖層的影響很小，7煤層頂板巖層位移測線3～5的量值相對變化較大。推進至120 m時，位移測線6～8的量值基本無變化，7煤層上覆巖層的位移由下至上逐漸減小，主要是由于巖層破斷垮落后具有碎脹性，導(dǎo)致體積增大，上覆巖層運移的空間減小所致。7煤層開采過程中，上覆巖層最大位移的位置位于采空區(qū)中后部，且采空區(qū)中后部覆巖運移速度較中前部大，工作面和切眼附近巖層運移量小于采空區(qū)中部巖層。

3.2 疊加開采位移場演化

圖6為6煤層開采90，120 m時覆巖的位移曲線。

圖6 位移變化曲線Fig.6 Displacement curves

6煤層開采過程中覆巖的宏觀運移形態(tài)和特征與開采7煤層相似，具備垮落帶、裂縫帶、彎曲下沉帶的特征，但也產(chǎn)生了近距離煤層疊加開采條件下覆巖運移自身的特點： 疊加開采時，各巖層的運移量明顯增大，且呈現(xiàn)出多巖層整體協(xié)調(diào)運移的規(guī)律； 疊加開采時，上覆巖層發(fā)生疊加運移，呈現(xiàn)出位移疊加增長效應(yīng)，巖層整體運移增加幅度較大； 開采6煤層時，由于存在疊加效應(yīng)，上覆巖層破壞程度增大，尤其是周期來壓時，部分巖層發(fā)生臺階式運移，呈現(xiàn)出局部位移場演化劇烈的特征，使上覆巖層運移非連續(xù)性較明顯。

4 工程實踐

基于以上分析，為防止6，7煤層工作面開采過程中基本頂破斷發(fā)生回轉(zhuǎn)失穩(wěn)或滑落失穩(wěn)損壞液壓支架，在設(shè)備選型時，選用了高額定工作阻力的液壓支架，額定工作阻力1 5000 kN。6、7煤層開采過程中工作面的實測來壓情況如表2所示(7煤層工作面以65#支架為例，6煤層工作面以83#支架為例)。7煤層開采過程中支架最大載荷為28.96 MPa，平均載荷為28 MPa，最大動壓系數(shù)為1.81，平均動壓系數(shù)為1.75，平均來壓步距為22.68 m；6煤層開采過程中，支架最大載荷為23.52 MPa，平均載荷為22.14 MPa，最大動壓系數(shù)為1.47，平均動壓系數(shù)為1.38，平均來壓步距為17.88 m。

表2 工作面來壓情況

實踐表明，在7煤層工作面開采過程中，基本頂巖層經(jīng)歷了周期性的懸露、破裂與折斷的過程，而且?guī)r塊與巖塊的咬合處也經(jīng)歷了一次變形過程，其完整性受到一定的破壞；在6煤層工作面開采時，由于7煤層工作面的開采使覆巖起到一定的墊層作用，致使礦山壓力呈現(xiàn)減弱現(xiàn)象。與開采7煤層工作面相比，6煤層工作面開采過程中周期來壓步距減小，來壓時支架載荷減弱，動壓系數(shù)相應(yīng)減小，這與相似模擬結(jié)果是一致的。

6煤、7煤開采過程中分別對回采巷道的表面與深部圍巖變形進行了實測。實測表明，7煤層工作面開采時，回采巷道頂?shù)装濉蓭妥畲蟊砻嫖灰品謩e為1 068，888 mm，巷道深部圍巖最大位移為868 mm；6煤層工作面開采時，回采巷道頂?shù)装?、兩幫最大表面位移分別為795，694 mm，巷道深部圍巖最大位移為744 mm。與開采7煤相比，6煤開采過程中，回采巷道的表面與深部圍巖位移相對較小，在一定程度上反映了近距離煤層疊加開采時礦山壓力呈現(xiàn)緩和的現(xiàn)象，這與相似模擬中近距離煤層疊加開采產(chǎn)生的應(yīng)力減弱效應(yīng)是一致的。

由于選用了高額定工作阻力的液壓支架，在近距離煤層疊加開采過程中，尤其是在來壓期間，采取了一定的輔助措施，同時加強了組織管理，生產(chǎn)中沒有發(fā)生沖擊液壓支架、壓架及其他動力災(zāi)害的現(xiàn)象，液壓支架工作狀況較好。

5 結(jié)論

1)近距離煤層群6煤、7煤開采中覆巖的宏觀運移形態(tài)和特征相似，疊加開采時，覆巖位移量增大，且呈多巖層整體協(xié)調(diào)運移的規(guī)律，具有位移疊加增長效應(yīng)，存在局部位移場演化劇烈現(xiàn)象，使上覆巖層運移非連續(xù)性較為明顯。

2)7煤層的開采使覆巖起到一定的墊層作用，緩和了礦山壓力顯現(xiàn)，使近距離煤層疊加開采時具有應(yīng)力減弱效應(yīng)。與開采7煤層相比，6煤層開采過程中，周期來壓步距減小，來壓時支架載荷減弱，動壓系數(shù)相應(yīng)減小。但周期來壓時，存在部分巖層發(fā)生臺階式下沉的現(xiàn)象，易發(fā)生沖擊液壓支架或其他動力災(zāi)害。

3)基于近距離煤層群疊加開采分析結(jié)果，在近距離煤層群開采的設(shè)備選型時，選用了高額定工作阻力的液壓支架，在周期來壓期間，采取了一定的輔助措施，同時加強了組織管理，生產(chǎn)中沒有發(fā)生沖擊液壓支架及其他動力災(zāi)害的現(xiàn)象。

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