武雪紅

(山西省陽(yáng)泉煤業(yè)集團(tuán)翼城華泓煤業(yè)有限公司，山西臨汾 043500)

0 引言

在開(kāi)采近距離煤層下分層時(shí)，上層殘留煤柱往往對(duì)下分層煤產(chǎn)生了應(yīng)力集中，這種情況將導(dǎo)致下層工作面覆巖結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，礦壓及覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律也發(fā)生相應(yīng)變化。這些變化對(duì)下層采煤工作面的順槽布置、工作面推采等提出了新的要求。研究上覆巖層壓力變化，對(duì)下層煤層安全開(kāi)采具有重要意義。

1 工程概況

為了更好地研究淺埋深近距離煤層礦壓及覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律，文中選擇將納林廟煤礦1號(hào)井作為研究對(duì)象。1號(hào)井第一個(gè)開(kāi)采的綜采工作面為6－2煤層，該煤層的傾向與走向長(zhǎng)度分別為165 m、1 700 m，煤層厚度在2．5～3．6 m 之間，平均采高2．6 m，煤層傾角在1°～3°之間。煤層直接底是砂質(zhì)泥巖，屬于層狀結(jié)構(gòu)，平均厚度約1．5 m。6－2上煤層與6－2煤層間距在2．21 ～3．35 m 之間，6－2上煤層工作面已經(jīng)開(kāi)采結(jié)束，平均采高為2．1 m。6－2上煤層底板巖性為砂質(zhì)泥巖、泥巖以及粉砂巖。直接頂巖性是砂質(zhì)泥巖，厚度為12．77 m，工作面上部的巖性為細(xì)砂巖，厚度約為13 m，脈狀層理及波狀層理，由長(zhǎng)石與石英構(gòu)成，其中還存在少量暗色礦物。1號(hào)井采用走向長(zhǎng)壁后退式綜合機(jī)械化采煤方法，上層遺留煤柱的寬度15 m，工作面初期的布置方式采用內(nèi)外錯(cuò)結(jié)合的方法，回風(fēng)巷選用內(nèi)錯(cuò)布置，內(nèi)錯(cuò)集中煤柱距離為10 m，回風(fēng)巷兼做運(yùn)輸巷［1］。

2 近距離煤層礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

2．1 巷道礦壓

工作面巷道初期布置于上覆集中煤柱正下部，利用錨網(wǎng)索支護(hù)方式掘進(jìn)195 m后，發(fā)現(xiàn)巷道圍巖發(fā)生了明顯塑性變形，巷道掘進(jìn)端以及巷道兩幫的煤幫，最大片幫深度約3．0 m，巷道內(nèi)部崩落噴出了部分煤塊，為掘進(jìn)施工留下安全隱患。圖1為6－2上煤層開(kāi)采后煤柱的應(yīng)力分布圖，通過(guò)分析該應(yīng)力分布圖，能夠明顯看出輔助運(yùn)輸巷處在應(yīng)力集中的區(qū)域。由于工作面巷道基本頂是厚度為13 m的細(xì)砂巖，基本頂具有極大的抗壓強(qiáng)度，可以把巷道工作面的上覆松散層荷載與自身荷載傳遞到煤柱處，增強(qiáng)了應(yīng)力集中效果，而且煤層的抗壓強(qiáng)度又比較小，所以輔助運(yùn)輸巷礦壓表現(xiàn)強(qiáng)烈［2］。

圖1 6－2上煤層開(kāi)采后煤柱的應(yīng)力分布圖

在該工程中，回風(fēng)巷兩幫不支護(hù)，內(nèi)錯(cuò)距離10 m，頂板支護(hù)采用無(wú)腿架棚支護(hù)方式，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際測(cè)量，發(fā)現(xiàn)巷道的變形量較小。在工作面回采過(guò)程中，巷道超前支護(hù)段的礦壓表現(xiàn)不明顯，觀測(cè)過(guò)程中，單體支護(hù)柱的壓力變化較為平緩，大部分情況下，支柱壓力都不超過(guò)10 MPa。通過(guò)監(jiān)測(cè)回風(fēng)巷煤柱的應(yīng)力變化，在8月13日、19日、25日以及31日，對(duì)孔深為5 m與9 m的巷道，進(jìn)行了應(yīng)力監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)孔深為5 m時(shí)，13日、19日、25日、31日內(nèi)錯(cuò)煤柱的應(yīng)力分別為:7．0 MPa、6．8 MPa、6．9 MPa、7．0 MPa，當(dāng)孔深為9 m時(shí)，內(nèi)錯(cuò)煤柱的應(yīng)力分別為:5．6 MPa、5．6 MPa、5．5 MPa、5．6 MPa。為了清楚觀測(cè)內(nèi)錯(cuò)煤柱的應(yīng)力變化，繪制了內(nèi)錯(cuò)煤柱應(yīng)力監(jiān)測(cè)曲線，發(fā)現(xiàn)在回采過(guò)程中，內(nèi)錯(cuò)煤柱內(nèi)應(yīng)力無(wú)明顯變化，工作面巷道的側(cè)向支承壓力表現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)［3］。

2．2 工作面礦壓

為了判斷頂板壓力的變化趨勢(shì)，共設(shè)置了11臺(tái)支架壓力記錄儀，測(cè)量總長(zhǎng)度480 m。在觀測(cè)過(guò)程中，工作面第一次來(lái)壓步距為26．4 m，但工作面的周期均值遠(yuǎn)小于第一次來(lái)壓步距，只有11．5 m，工作面的動(dòng)載系數(shù)為1．27，工作面片幫冒頂?shù)默F(xiàn)象不是很明顯。通過(guò)擬合計(jì)算，對(duì)支架工作阻力的三維等值線進(jìn)行了觀測(cè)。觀測(cè)結(jié)果顯示，工作面的來(lái)壓具有周期性特點(diǎn)，但是工作面的來(lái)壓峰值不明顯，工作面整體的來(lái)壓數(shù)值較小，頂板位置處的來(lái)壓呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)［4］。

除此之外，匯總了生產(chǎn)工作面的過(guò)程中，支架的平均工作阻力，見(jiàn)表1。

表1 支架平均工作阻力

觀察支架平均阻力表可以明顯看出，除了2#支架以外，其它沒(méi)有較大的數(shù)值差異，這說(shuō)明工作面頂板的整體壓力大小接近，所有區(qū)域的差異不顯著。除此之外，還可以發(fā)現(xiàn)工作面的3個(gè)高壓區(qū)，分別位于12#支架處、42#支架處以及92#支架處，這說(shuō)明高壓區(qū)處在工作面的中間區(qū)域，工作面兩端受頂板旋轉(zhuǎn)偏載的影響較大，旋轉(zhuǎn)支承區(qū)壓力最為顯著［5］。

3 淺埋深近距離覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律

圖2是6－2上煤層開(kāi)采后的覆巖運(yùn)動(dòng)示意圖，借助此圖，分析6－2煤層工作面開(kāi)采前的頂板賦存狀態(tài)。

圖2 6－2上煤層開(kāi)采覆巖運(yùn)動(dòng)示意圖

在此工程中，6－2上煤層的開(kāi)采厚度平均值為2.10 m，上覆頂板是細(xì)砂巖與砂質(zhì)泥巖，其中細(xì)砂巖的厚度為12．00 m，砂質(zhì)泥巖的厚度為12．77 m，假設(shè)砂質(zhì)泥巖的膨脹系數(shù)為1．5，那么6－2上煤層在開(kāi)采后，上覆巖層垮落填充采空區(qū)需要的巖層高度約為4．2 m，由于上覆頂板砂質(zhì)泥層的厚度為12.77 m，該砂質(zhì)泥巖抗壓強(qiáng)度較小，隨采隨冒。對(duì)6－2上煤層進(jìn)行完全充填時(shí)，充填部分會(huì)形成破碎充填層，碎漲系數(shù)與充填層的厚度有關(guān)，在充填層被逐漸壓實(shí)的過(guò)程中，碎漲系數(shù)會(huì)逐漸減小，在砂質(zhì)泥巖的上部，會(huì)形成部分運(yùn)動(dòng)空間，與下部垮落區(qū)隨動(dòng)，由此產(chǎn)生隨動(dòng)下沉層。6－2煤層的關(guān)鍵層與6－2上煤層上覆頂板處的細(xì)砂巖，共同組成了支承拱結(jié)構(gòu)，該支承拱結(jié)構(gòu)負(fù)責(zé)控制更上部，厚度在40～115 m之間的砂土、以及泥巖等抗壓強(qiáng)度較小的隨動(dòng)松散層。因?yàn)橐恍┲苯禹斂梢酝耆涮畈煽諈^(qū)，且初期關(guān)鍵層的強(qiáng)度大、破壞甚微，所以關(guān)鍵層的結(jié)構(gòu)具有穩(wěn)定性，只會(huì)緩慢下沉，與下沉層相比，關(guān)鍵層的下沉速度較?。?］，因此會(huì)在層間產(chǎn)生縫隙與離層，也可稱其為“離層區(qū)”。

此外，由于砂質(zhì)泥巖持續(xù)碎漲充填，采出的厚度有限等原因，在煤柱附近，關(guān)鍵層不會(huì)發(fā)生破斷，形成鉸接結(jié)構(gòu)，偏載旋轉(zhuǎn)，因而加大了煤柱位置的應(yīng)力集中程度。布置在離層區(qū)正下方的內(nèi)錯(cuò)巷道，處于低應(yīng)力區(qū)，內(nèi)錯(cuò)巷道的壓力只受承載隨動(dòng)松散層靜載的作用，礦壓顯現(xiàn)不明顯。外錯(cuò)煤柱的巷道處于煤柱的高應(yīng)力區(qū)域，承載著煤柱附近基本頂“離層區(qū)”的全部荷載，礦壓顯現(xiàn)十分明顯。因此，為了加快施工進(jìn)度，可以選擇將外錯(cuò)的輔助運(yùn)輸巷轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)錯(cuò)10 m的巷道。

4 結(jié)語(yǔ)

近距離煤層開(kāi)采礦壓顯現(xiàn)較單一煤層有其特殊性，通過(guò)對(duì)不同的煤層頂板、底板及工作面壓力觀測(cè)，探索復(fù)合應(yīng)力分布和覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律，選擇合理的順槽布置方式，內(nèi)錯(cuò)式布置還是外錯(cuò)式布置都是為了避免應(yīng)力疊加，增強(qiáng)安全保障，從根本上提高煤礦開(kāi)采效益。