王方田 陳 芳 白慶升 王 沉

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221116；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省徐州市，221116）

淺埋房式采空區(qū)下煤層長(zhǎng)壁綜采礦壓規(guī)律研究＊

王方田1，2陳 芳1，2白慶升1，2王 沉1，2

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221116；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省徐州市，221116）

根據(jù)溫家梁三號(hào)煤礦地質(zhì)生產(chǎn)條件，采用理論分析、數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等方法，分析了淺埋房式采空區(qū)下綜采長(zhǎng)壁工作面礦壓規(guī)律。結(jié)果表明：工作面充分采動(dòng)后覆巖呈現(xiàn)冒落帶與裂隙帶的“兩帶”發(fā)育特征；在工作面來(lái)壓期間出現(xiàn)頂板沿支架前方煤壁處切落現(xiàn)象，臺(tái)階下沉量高達(dá)1.0m，在地表形成斷裂地塹。

淺埋煤層 房式采空區(qū) 綜采長(zhǎng)壁工作面 臺(tái)階下沉 礦壓規(guī)律

淺埋煤層具有埋藏淺、基巖薄、上覆厚松散砂土的賦存特征，與一般煤層開(kāi)采相比，淺埋煤層長(zhǎng)壁開(kāi)采頂板不易形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，容易出現(xiàn)整體切落式頂板破斷及頂板臺(tái)階下沉。神東礦區(qū)煤層埋藏淺、地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，在進(jìn)行大規(guī)模開(kāi)發(fā)之前多采用房式或刀柱式開(kāi)采，該方法以留下煤柱或充填后的煤房來(lái)支撐頂板，防止地表沉陷，煤炭采出率不足40%，不僅造成大量煤炭資源浪費(fèi)，而且形成大面積煤房采空區(qū)和殘留煤柱，采空區(qū)殘留煤柱形成局部應(yīng)力集中，對(duì)下方煤層開(kāi)采造成不利影響。隨著開(kāi)采強(qiáng)度不斷加大，神東礦區(qū)部分區(qū)域第一層主采煤層已基本開(kāi)采完，開(kāi)始回采第二層主采煤層。目前針對(duì)淺埋煤層做了大量礦壓規(guī)律模擬與實(shí)測(cè)分析，而在房柱式采空區(qū)影響下，主要針對(duì)采動(dòng)覆巖變形破壞、巖體彈性能聚集造成沖擊式來(lái)壓和壓架機(jī)理、地表裂隙發(fā)育規(guī)律等進(jìn)行了研究，總體上對(duì)淺埋房柱式采空區(qū)下煤層開(kāi)采礦壓規(guī)律研究較少。隨著國(guó)家能源戰(zhàn)略向西部地區(qū)的轉(zhuǎn)移，類似條件下的煤層將逐漸增多。因此，研究淺埋房式采空區(qū)下煤層綜采面礦壓規(guī)律具有重要意義。

1 地質(zhì)概況

烏蘭集團(tuán)溫家梁三號(hào)煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市伊金霍洛旗，侏羅系中下統(tǒng)延安組為礦區(qū)主要含煤地層。其中，3－2煤層厚1.9～4.4m，平均3.2m，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不含夾矸，為全區(qū)可采的較穩(wěn)定煤層。頂?shù)装鍘r性以砂質(zhì)泥巖為主，與4－2煤層間距34.0～37.9m，平均36.0m。3－2煤層已按采6m留6m房式采煤法開(kāi)采結(jié)束，形成了房式采空區(qū)及遺留煤柱。4－2煤層厚2.3～3.2 m，平均3.0m，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不含夾矸，賦存穩(wěn)定，頂板以粉砂質(zhì)泥巖、細(xì)粒砂巖為主，底板為泥質(zhì)粉砂巖。4－2煤層頂?shù)装鍘r層狀況如圖1所示。

圖1 煤巖綜合柱狀圖

14203工作面為4－2煤層第3個(gè)長(zhǎng)壁綜采工作面，工作面走向長(zhǎng)1328.0m，傾斜長(zhǎng)184.5m，工作面標(biāo)高約＋1215.0m，地面標(biāo)高約＋1311.7 m。該工作面南部為井田邊界，東部為已經(jīng)采完的14202綜采工作面，西部為14204工作面（待采），北部為回風(fēng)大巷、運(yùn)輸大巷及輔運(yùn)大巷。工作面采用單一走向后退式長(zhǎng)壁開(kāi)采工藝，選用MG150／368－WD型電牽引雙滾筒采煤機(jī)落煤及ZY6000／15／33型支撐掩護(hù)式液壓支架管理頂板。14203綜采工作面布置如圖2所示。

圖2 14203綜采工作面布置圖

2 頂板來(lái)壓數(shù)值計(jì)算分析

2.1 頂板來(lái)壓步距計(jì)算

在老頂初次來(lái)壓之前可以把老頂簡(jiǎn)化為一個(gè)兩端固支的固定梁，老頂來(lái)壓之后可看作是由兩端固定梁彎折而后形成兩個(gè)塊體咬合的三角拱式結(jié)構(gòu)，老頂?shù)闹芷趤?lái)壓步距按懸臂梁折斷來(lái)確定。為此，初次來(lái)壓步距Lf和周期來(lái)壓步距Lp分別為：

式中：h——老頂厚度，19.1m；

RT——老頂抗拉強(qiáng)度極限，3.3MPa；

q——老頂及老頂上部巖體對(duì)老頂?shù)淖饔昧?，通過(guò)逐層驗(yàn)算得1.95MPa；

由式（1）和式（2）計(jì)算可知：4－2煤層開(kāi)采初次來(lái)壓步距Lf約35.2m，周期來(lái)壓步距Lp約14.3m。所以難以形成大面積突然垮落，不會(huì)造成沖擊礦壓災(zāi)害。

2.2 數(shù)值模擬分析

采用UDEC離散元程序進(jìn)行淺埋房式采空區(qū)下煤層開(kāi)采模擬分析，該模型采用莫爾－庫(kù)侖（Mohr－Coulomb）材料本構(gòu)模型，模型尺寸為250m×104m。

模型沿工作面走向每10m開(kāi)挖一次，并且開(kāi)挖10m后立即用支架支撐，支撐長(zhǎng)度4.8m，共推進(jìn)150m，頂板垮落及裂隙發(fā)育情況如圖3所示。

由圖3可知：開(kāi)采10m時(shí)，直接頂0.4m泥巖隨采隨冒；開(kāi)采20m時(shí)，直接頂1.0m砂巖垮落，裂隙繼續(xù)向老頂發(fā)育；開(kāi)采30m時(shí)，直接頂完全垮落，老頂出現(xiàn)離層并有較大下沉；開(kāi)采約40m時(shí)，老頂出現(xiàn)初次垮落，垮落高度約為12m，頂板裂隙發(fā)育范圍較大，已與3－2煤層采空區(qū)貫通，因此應(yīng)加強(qiáng)探測(cè)并采取有效措施防止3－2煤層采空區(qū)水、CO等有害氣體通過(guò)采動(dòng)裂隙進(jìn)入下煤層。4－2煤層推進(jìn)40m之后每開(kāi)挖10～20m，老頂出現(xiàn)周期性垮落，工作面老頂周期來(lái)壓步距15 m左右。工作面推進(jìn)過(guò)程中覆巖裂隙發(fā)育特征如圖4所示。

圖3 頂板垮落情況與裂隙發(fā)育情況

圖4 覆巖裂隙發(fā)育分區(qū)特征

隨著工作面的開(kāi)采，工作面上方巖層及前方約20m范圍煤巖體內(nèi)形成新的裂隙。隨著工作面的進(jìn)一步開(kāi)采，工作面后方約40m以外垮落巖體逐漸被壓實(shí)，工作面采空區(qū)上方最終形成的冒落帶高度約12m，裂隙發(fā)育高度88m左右，裂隙已發(fā)育至地表，呈現(xiàn)冒落帶與裂隙帶“兩帶”豎向裂隙發(fā)育特征。工作面切眼和收作眼處，存在較大范圍裂隙。受4－2煤層采動(dòng)影響，3－2煤層房式采空區(qū)遺留煤柱失穩(wěn)破壞，由于房式采空區(qū)的影響，覆巖裂隙范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。沿工作面推進(jìn)方向形成了超前裂隙發(fā)育區(qū)、活動(dòng)裂隙區(qū)、重新壓實(shí)區(qū)及切眼側(cè)裂隙區(qū)4個(gè)區(qū)域。

根據(jù)模型所設(shè)的應(yīng)力及位移監(jiān)測(cè)線，可得不同推進(jìn)長(zhǎng)度時(shí)，4－2煤層直接頂處豎直應(yīng)力及位移變化，如圖5所示。

由圖5可知：（1）工作面超前豎直應(yīng)力隨工作面的推進(jìn)而不斷前移，工作面前方應(yīng)力集中系數(shù)為3.5～5.2，應(yīng)力集中系數(shù)較大，峰值點(diǎn)距工作面一般為10～15m，局部達(dá)到20m，超前應(yīng)力影響范圍為20～40m。工作面開(kāi)采距離超過(guò)120m后，工作面后方50m以外的破碎巖體被重新壓實(shí)。工作面開(kāi)采完畢后，兩側(cè)豎向最大應(yīng)力集中系數(shù)3.0左右，距離工作面15m左右。（2）直接頂在工作面推進(jìn)20m左右時(shí)斷裂垮落，隨工作面繼續(xù)推進(jìn)，老頂出現(xiàn)離層下沉，工作面開(kāi)采至30～40m時(shí)，老頂斷裂。工作面開(kāi)采至120m時(shí)，監(jiān)測(cè)到的豎直位移達(dá)到最大值3.0m。工作面回采過(guò)程中，中部巖層逐漸彎曲下沉，在工作面中部形成沉陷“盆地”。

圖5 不同推進(jìn)長(zhǎng)度時(shí)應(yīng)力及位移變化

3 礦壓顯現(xiàn)規(guī)律現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析

在14203工作面液壓支架安裝礦壓監(jiān)測(cè)儀表，以便及時(shí)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)頂板來(lái)壓規(guī)律。從2011年6月1日試生產(chǎn)至2011年11月20日，工作面共推進(jìn)了562m。礦壓監(jiān)測(cè)分為上、中、下3個(gè)測(cè)區(qū)，其中下部以10＃、20＃、30＃支架為代表，中部以50＃、60＃、70＃支架為代表，上部以100＃、110＃、120＃支架為代表。

3.1 沿工作面走向礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

以工作面10＃、70＃及120＃支架為例，隨工作面推進(jìn)，支架工作阻力變化曲線如圖6所示。

圖6 隨工作面推進(jìn)支架工作阻力變化

由圖6可知，工作面老頂初次來(lái)壓不明顯，主要是現(xiàn)場(chǎng)采用了切眼強(qiáng)制放頂措施，避免了頂板大面積來(lái)壓造成沖擊災(zāi)害。周期來(lái)壓步距平均14.6m，支架總體平均工作阻力4829.4kN，其中來(lái)壓期間支架平均工作阻力為5233.9kN，支架最大工作阻力達(dá)到6752.3kN，非來(lái)壓期間支架平均工作阻力4424.9kN，來(lái)壓期間平均動(dòng)載系數(shù)達(dá)到1.18，中部最大達(dá)到1.23，呈現(xiàn)中部大兩端小的特征。此外，在工作面來(lái)壓期間出現(xiàn)頂板沿支架前方煤壁處臺(tái)階下沉，最大時(shí)下沉量達(dá)到1.0m，在地表形成斷裂地塹，表明頂板未形成穩(wěn)定鉸接結(jié)構(gòu)。

3.2 支架工作阻力頻度特征分析

工作面連續(xù)推進(jìn)約550m后，統(tǒng)計(jì)上、中、下部測(cè)區(qū)支架平均工作阻力頻度特征如圖7所示。

圖7 支架平均工作阻力頻度分布圖

從工作阻力頻度分布直方圖可知支架工作阻力分布總體較為合理，但富余系數(shù)較小。以中部為例，支架工作阻力在4000～6000kN的占78%，但仍有6%的支架工作阻力超過(guò)了額定工作阻力6000kN。中部支架來(lái)壓時(shí)平均工作阻力達(dá)到5680.5kN，支架最大工作阻力達(dá)到6752.3kN，現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)支架密封圈出現(xiàn)漏液現(xiàn)象，并出現(xiàn)支柱壓毀事故。因此為了防止大面積來(lái)壓時(shí)導(dǎo)致中部支架壓架損毀現(xiàn)象，建議下個(gè)工作面配套額定工作阻力大于6800kN的支架。

4 結(jié)論

（1）老頂出現(xiàn)初次垮落后，頂板裂隙發(fā)育范圍已與3－2煤層房式采空區(qū)貫通，應(yīng)加強(qiáng)探測(cè)并采取有效措施防止3－2煤層采空區(qū)水、CO等有害氣體通過(guò)裂隙進(jìn)入下煤層工作面。

（2）淺埋房式采空區(qū)下煤層長(zhǎng)壁開(kāi)采充分采動(dòng)后，覆巖裂隙已發(fā)育至地表，呈現(xiàn)冒落帶與裂隙帶的“兩帶”豎向裂隙發(fā)育特征。沿工作面走向形成了超前裂隙發(fā)育區(qū)、活動(dòng)裂隙區(qū)、重新壓實(shí)區(qū)及切眼側(cè)裂隙區(qū)4個(gè)區(qū)域。

（3）現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)表明，工作面支架工作阻力呈現(xiàn)中部大兩端小的特征，在工作面來(lái)壓期間出現(xiàn)頂板沿支架前方煤壁處切落現(xiàn)象，臺(tái)階下沉量高達(dá)1.0m，在地表形成斷裂臺(tái)階，表明頂板未形成穩(wěn)定鉸接結(jié)構(gòu)。

［1］ 黃慶享.淺埋煤層的礦壓顯現(xiàn)特征與淺埋煤層的定義［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2002（8）

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［4］ 朱衛(wèi)兵.淺埋近距離煤層重復(fù)采動(dòng)關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)機(jī)理研究［D］.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2010

［5］ 吳士良，秦驍.刀柱采煤法采空區(qū)下長(zhǎng)壁采場(chǎng)頂板控制研究［J］.山東科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2000（4）

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［7］ 屠世浩，竇鳳金，萬(wàn)志軍，王方田，袁永.淺埋房柱式采空區(qū)下近距離煤層綜采頂板控制技術(shù)［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2011（3）

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［9］ 錢(qián)鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制［M］.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2003

Study on strata behavior law in fully mechanized longwall mining face in the shallow coal seam beneath gob induced by room－mining

Wang Fangtian1，2，Chen Fang1，2，Bai Qingsheng1，2，Wang Chen1，2
（1.School of Mining Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China；2.State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China）

According to the geological and mining conditions of No.3mine in Wenjialiang colliery，the methods of theoretical analysis，numerical simulation and field observation have been employed to study the strata behavior law in the fully mechanized longwall mining face in the shallow coal seam beneath the gob induced by room－and－pillar mining.The results indicate that caving zone and fractured zone emerge in the overlying strata after complete mining.There have roof fracturing and falling along the coal wall before the supports during the periodic weighting in mining face.The bench subsidence is around 1.0meter，which results in the fracture graben in the Earth surface.

shallow coal seam，gob induced roommining，fully mechanized mining longwall mining face，bench subsidence，strata behavior law

TD323

A

江蘇省研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃資助（CX10B＿148Z）；江蘇省高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目

王方田（1985－），男，河南永城人，博士研究生，主要從事采礦方法、礦壓規(guī)律及巖層控制方面的研究。

（責(zé)任編輯 張毅玲）