吳 杰

(陜西陜煤韓城礦業(yè)公司下峪口煤礦，陜西 韓城 715405)

0 引言

長期以來，國內學者對“采空區(qū)”下綜放和“三軟”煤層綜放開采分別進行了大量的研究：肖江等[1]運用UDEC數(shù)值模擬軟件原始地層下和采空區(qū)下大采高綜放礦壓規(guī)律，揭示了采空區(qū)綜放工作面超前應力集中系數(shù)影響范圍更大，應力突變性高等特征；李龍清等[2]運用物理相似模擬試驗分析研究了圍巖應力場對上覆已采煤層對下覆煤層綜放面的作用機理；周勁風等[3]運用數(shù)值模擬軟件分析了采空區(qū)下不同煤矸介質屬性和破斷塊度賦存時傾斜厚煤層綜放開采煤巖的冒放規(guī)律；黃志增[4]通過現(xiàn)場實測研究分析采空區(qū)底板裂隙發(fā)育情況及綜放面礦壓規(guī)律，研究得到了采空區(qū)下特厚煤層綜放工作面的礦壓規(guī)律并分析了綜放面的頂板破壞程度及其對礦壓規(guī)律的影響。趙君[5]通過建立“三軟”綜放條件下工作面上覆煤巖活動模型，并進行工作面礦壓規(guī)律實測，揭示了“三軟”煤層綜放工作面礦壓規(guī)律特征；贠東風[6]等建立了“三軟”綜放條件下支架工作的力學模型，較全面的分析了導致支架倒架的主要原因，解決了三軟大傾角綜放工作面倒架問題；趙志超等[7]對“三軟”綜放工作面的合理參數(shù)和設備選型進行了理論計算分析；來興平等[8]運用相似材料物理模擬分析研究了綜放工作面圍巖運移及覆巖破壞高度，探索了現(xiàn)場支架實測阻力與覆巖裂隙導水位置、導水量間的關系；岳寶祥等[9]認為綜采放頂煤是實現(xiàn)工作面高產高效的有效途徑之一，并較好解決了一套適合權臺煤礦實現(xiàn)“三軟”煤層綜放的有效途徑。這些研究重點在于采空區(qū)下或“三軟”煤層綜放開采問題，而采空區(qū)下“三軟”煤層綜放開采礦壓規(guī)律研究還比較少。筆者以韓城礦區(qū)下峪口煤礦21326工作面為背景，采用數(shù)值模擬、相似模擬和現(xiàn)場實測對韓城礦區(qū)3#煤礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進行了研究分析。

1 工作面概況

21326工作面位于二水平一采區(qū)北中部上山翼，北二下延大巷以北，原4216已回采工作面下方，地面位置位于廟后以東、劉家?guī)X西北之間。地面標高940.4～852.0 m，蓋山厚度548～504 m，主采3#煤層。工作面區(qū)域地層產狀總體呈傾向W，走向N-S，傾角平均4°的單斜構造。21326進順中部及淺部施工區(qū)域內受上峪口背斜構造影響，煤層及頂?shù)装逶谧呦蚍较騼却嬖谝欢ǖ钠鸱兓?1326工作面布置圖如圖1所示。

圖1 21326工作面布置圖

3#煤層厚6.0～9.5 m，頂板巖性為粉砂巖，灰黑色，結構較為致密，上部為層滑面，厚2.0～4.0 m，之上為細砂巖，深灰色，成分以石英為主，薄層狀，泥質膠結層面多具炭泥質。底板距上部2#煤層底板垂距9.5～14 m，距5#煤頂板4.0～5.0 m之間，中間巖性以泥巖和炭質泥巖為主，屬地質構造破碎帶，巖體破碎。工作面中部煤層中含有一層夾矸，厚0.1～0.2 m。

2 綜放開采數(shù)值模擬分析

數(shù)值模擬以21326工作面實際地質條件為基礎，根據(jù)21326工作面頂?shù)装鍘r性及巖層分布情況，運用UDEC建立了工作面數(shù)值模擬的力學模型，計算模型的長度為200 m，高度為64.3 m，模擬采深430 m，模擬3#煤層厚度6.3 m，原始數(shù)值計算模型如圖2所示。每次開挖步距為2.0 m，考慮到模型邊界效應對計算的影響，模型左右兩側設置50 m的邊界煤柱。模擬計算中，采高按2.2 m計算，數(shù)值模擬首先模擬開采2#煤，然后進行3#煤開切眼，在連續(xù)進行開挖—支護—放煤—開挖這個循環(huán)過程，連續(xù)開挖和放煤模擬采空區(qū)下“三軟”綜放開采頂板來壓規(guī)律和圍巖應力演化規(guī)律。

2.1 2#煤開采后圍巖應力分布特征

圖2 2#煤開采穩(wěn)定后垂直應力分布圖

圖3 2#煤開采穩(wěn)定后裂隙發(fā)育分布圖

2#煤層位于3#煤層頂板上方15 m，為3#煤開采的上卸壓保護層。由圖2～圖3可知，2#煤層開采覆巖穩(wěn)定，冒落帶高度約為3.5 m，裂隙帶高度約為11 m，采空區(qū)層間覆巖的裂隙均已壓實閉合，由于采高較小，兩端破斷的頂板鉸接并不明顯，因此裂隙雖未被完全壓實，但分布范圍較小。垂直應力的峰值為原巖垂直應力的3倍，最大值位于開切眼及停采線外推6 m處。2#煤穩(wěn)定后，在工作面前方和開切眼上方形成應力集中，采空區(qū)下方被保護煤層的都處在卸壓區(qū)，但卸壓程度不一樣，最小垂直應力為3.36 MPa，說明保護層對被保護層的影響較大。

2.2 綜放開采礦壓規(guī)律

從圖4可以看出，采空區(qū)下“三軟”煤層開采后頂板應力可以分為3個區(qū)域：應力增高區(qū)、充分卸壓區(qū)和應力平緩區(qū)。上覆巖層的垂直應力隨著工作面的推進逐漸增大，并且在工作面前方和開切眼處縱向應力最大，且推進距離越大應力集中處的峰值也越大。而且工作面前方應力集中隨著工作面的推進動態(tài)變化的，應力峰值隨著工作面的推進不斷向前遷移。當工作面推進20 m時，應力集中出現(xiàn)在工作面前方10 m處，工作面前方的支承壓力影響范圍約為20 m。當工作面推進100 m時，應力集中出現(xiàn)在工作面前方15 m處，工作面支承壓力影響范圍約為35 m，垂直應力峰值為原巖應力的3.0倍。

a-3#煤開采20 m；b-3#煤開采100 m圖4 3#煤連續(xù)開采后垂直應力分布圖

如圖5可以看出在工作面推進過程中，上覆巖層的宏觀運動規(guī)律。上部巖層就是處在形成結構和失穩(wěn)的動態(tài)過程，在回采100 m的時候，后部采空區(qū)重新壓實，從工作面向后30 m形成一個新的結構，這也說明現(xiàn)場中工作面支架處于卸壓帶，但由于直接頂形成的結構破斷會對工作面造成沖擊，因此，支架雖然大部分時間處于上部巖層形成的結構之下，但是支架的支護強度是不能降低的。

a-3#煤開采20 m；b-3#煤開采100 m圖5 3#煤連續(xù)開采后主應力分布圖

3 綜放開采物理模擬試驗分析

3.1 試驗原始參數(shù)確定

實驗模型以下峪口煤礦21326工作面鉆孔柱狀的各層巖層厚度和巖石物理力學參數(shù)為基礎進行設計，選取普通河砂作為骨料，以石膏、大白粉作為膠結材料，以云母作為分層材料按一定配比模擬覆巖層。在模型鋪設過程中，整個基巖部分以1 cm為一層鋪設，壓制后作節(jié)理與分層處理?？紤]到上覆巖層的穩(wěn)定條件和模型的穩(wěn)定對高度的要求，最后確定模擬巖層高度150 cm。根據(jù)需要模型選用(長×厚×高)3.0 m×0.2 m×2 m的模型支架，選取幾何相似常數(shù)為1∶100，容重相似常數(shù)為2∶3。

3.2 試驗過程及礦壓規(guī)律分析

由于21326工作面上部的2#煤工作面作為卸壓保護層已回采，即先模擬開采2#煤層，在已形成的采空區(qū)下模擬開采21326工作面。依據(jù)下峪口煤礦3#煤層開采實際情況，先開挖3#煤層工作面開切眼，無支護，隨后每隔2 m開挖一次，如圖6所示。

工作面推進到18 m時，工作面發(fā)生初次來壓，來壓步距為18 m，煤層頂板垮落高度為6 m。工作面繼續(xù)推進到32 m時，基本頂發(fā)生第一次周期破斷，垮落高度仍為8 m，來壓步距為14 m，距離煤層頂板10 m處且靠近煤壁側，出現(xiàn)明顯橫向裂隙。

工作面繼續(xù)推進到43 m時，基本頂發(fā)生第二次周期破斷，垮落高度仍為8 m，來壓步距為11 m，距離煤層頂板10 m處且靠近煤壁側，出現(xiàn)明顯橫向裂隙。

工作面繼續(xù)推進到55 m時，基本頂發(fā)生第三次周期破斷，垮落高度仍為8 m，來壓步距為12 m，距離煤層頂板上側橫向裂隙逐漸彌合，但在煤層后方頂板呈“懸臂梁”結構呈現(xiàn)，此時對支架受力較大，不利于頂板的維護。

工作面繼續(xù)推進到69 m時，基本頂發(fā)生第四次周期破斷，垮落高度仍為8 m，來壓步距為14 m，距離煤層頂板14 m處發(fā)育新的橫向裂隙。

工作面繼續(xù)推進至260 m時，工作發(fā)生第22次周期來壓，至此3#煤工作面回采結束，直接頂垮落高度8 m，煤層覆巖產生的橫向裂隙對2#煤層底板影響較小。

工作面推進260 m，工作面回采結束，期間共發(fā)生22次周期來壓，來壓步距分別為18 m、14 m、11 m、12 m、14 m、10 m、10 m、11 m、14 m、10 m、10 m、9 m、12 m、10 m、9 m、13 m、8 m、10 m、12 m、9 m、13 m、12 m，平均周期來壓步距為11.4 m。

a-3#煤開切眼；b-3#煤初次來壓；c-3#煤第二次周期來壓d-3#煤第三次周期來壓；e-3#煤第四次周期來壓；f-3#煤回采結束圖6 3#煤回采來壓示意圖

4 綜放開采現(xiàn)場實測分析

4.1 監(jiān)測方案與監(jiān)測內容

工作面設計3個監(jiān)測點，分別在上下端頭處各1個，中部1個。每個測點處監(jiān)測3個支架。在每個監(jiān)測支架上安裝圓圖自記儀，用來監(jiān)測各支架的阻力變化情況，支柱下縮量用量尺人工在9個監(jiān)測支架上測量，支架底座壓力值用壓力盒進行測量。

支架工作阻力的壓力在線檢測壓力分機安裝8臺，分別對應工作面的上部和中下部，上部對應支架號分別為4#、13#、22#，中部對應支架號分別為36#、46#，下部對應支架號分別為60#、69#、78#。如圖7所示。

圖7 觀測點布置圖

在運輸和回風巷道各布置巷道變形觀測站，每個觀測區(qū)采用“十字”布點法觀測巷道的變形。通過各基點間的相對位移分析，以掌握開采過程中巷道收斂量及其影響范圍，為巷道的支護提供合理的依據(jù)。

4.2 礦壓觀測結果分析

通過上、中、下3個測區(qū)支架載荷的對比，發(fā)現(xiàn)工作面的上部、下部比中部的來壓強度小。各測點支架阻力在老頂初次來壓之前在額定初撐力之下工作，支架的額定初撐力3 092 kN。在工作面推進到15.4 m(基本頂初次來壓)的過程中工作阻力變化不是很大，在基本頂破斷時有所增加。說明基本頂初次破斷之前頂板運動不明顯，頂板運動對支架阻力的影響較小。在頂板初次來壓之后，各支架的阻力高低波動變化也不是很明顯，但在周期來壓期間支架阻力有明顯的變化，最大工作阻力達3 734.78 kN，接近支架的額定工作阻力4 000 kN，現(xiàn)場實際觀測也發(fā)現(xiàn)在周期來壓時中部支架受力較大?？梢酝茢?，21326工作面關鍵層的破斷基本遵循“O-X”破斷，將工作面上覆巖層沿傾斜方向分為上、中、下3區(qū)，且破斷時有一定的時序性。

超前工作面煤壁5～15 m時，超前支架來壓明顯，超前單體最大支護強度發(fā)生在距煤壁5 m處，達10.2 MPa。當工作面發(fā)生來壓時，超前支護阻力增加的比較快。然而大體趨勢是距離工作面越近，工作面的超前支護阻力增加就越快。

5 結論

(1)保護層開采穩(wěn)定后，在工作面前方和開切眼上方形成應力集中，采空區(qū)下方被保護煤層的都處在卸壓區(qū)，但卸壓程度不一樣，最小垂直應力為3.36 MPa，即保護層對被保護層的影響較大。

(2)隨著工作面的推進，應力集中系數(shù)增大，而且工作面前方應力集中隨著工作面的推進動態(tài)變化，應力峰值隨著工作面的推進不斷向前遷移。當工作面推進100 m時，應力集中出現(xiàn)在工作面前方15 m處，工作面支承壓力影響范圍約為35 m，垂直應力峰值為原巖應力的3.0倍。

(3)工作面支架處于卸壓帶，但由于直接頂形成的結構破斷會對工作面造成沖擊，支架必須有足夠的支護強度。

(4)工作面初次來壓步距為18 m，平均周期來壓步距11.4 m，直接頂垮落高度8 m，煤層覆巖產生的橫向裂隙對保護層煤層底板影響較小。

(5)21326工作面關鍵層的破斷基本遵循“O-X”破斷，超前工作面煤壁5～15 m時，超前支架來壓明顯，超前單體最大支護強度發(fā)生在距煤壁5 m處，達10.2 MPa。當工作面發(fā)生來壓時，超前支護阻力增加的比較快。然而大體趨勢是距離工作面越近，工作面的超前支護阻力增加就越快。