保护层开采条件下被保护层煤体变化规律研究

王文林 马 赛

（1.山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司，山西 晋城 048006； 2.山西晋煤集团技术研究院有限责任公司，山西 晋城 048006）

随着浅部易采资源逐渐减少，开采正在逐渐向高瓦斯、高应力区域转移[1-2]。对于多煤层赋存井田，可以进行保护层开采[3]，在保护层开采过程中，被保护层煤体的应力如何变化、煤体结构是否遭到破坏、煤体沉降规律等均需要进行深入研究[4-5]。以寺河二号井为试验矿井，采用现场实测的方法，对保护层开采过程中被保护煤体的应力变化规律、受影响程度、沉降规律进行研究，为保护层开采提供依据。

1 工程概况

寺河二号井井田范围内有3 层可采煤层，分别为3#、9#、15#煤，煤层间距分别为50 m、45 m。3#煤层平均厚度为5.9 m，多数为高瓦斯和突出区域，9#和15#煤平均厚度为1.5 m、2.4 m，具备良好的保护层开采自然条件。采用上行开采，进行下保护层开采，可以最大限度地解放3#煤层。

94302 工作面开采9#煤层，工作面倾斜长度为150 m，走向长度492 m，平均开采厚度为1.5 m，其上方50 m处的3#煤层中，布置有六西北二运输巷，如图1 所示。以六西北二运输巷为观测巷道，观测94302 工作面回采过程中3#煤体变化规律，为保护层开采提供依据。

图1 94302 工作面与观测巷道关系

2 3#煤体应力变化规律

2.1 应力测点布置

工作面回采前，在3#煤运输巷内布置5 个钻孔应力计，从内向外依次编号为1#、2#、3#、4#、5#，如图1 所示。相邻两个钻孔应力计间距为5 m，钻孔均垂直于观测巷帮煤壁施工，安装深度均为10 m，采用油枕型钻孔应力计，初始注油应力为8 MPa。

2.2 煤体应力变化规律

工作面回采过程中持续对各钻孔应力计测点进行数据采集，并对监测数据进行整理分析。在5 个应力测点中，1#与5#钻孔应力计工作正常，规律比较明显，2#、3#、4#应力计工作不正常，监测数据无明显变化。以1#、5#为例对煤体应力的变化进行分析，应力变化曲线如图2 所示。

图2 3#煤体应力变化曲线图

由应力变化曲线可以看出，受下方9#煤工作面回采影响，3#煤体应力在超前9#煤工作面50 m 开始增高，超前下方工作面12～19 m 处应力达到最大值。其中1#测点在工作面前方19 m 处达到最大应力值，为13.9 MPa，5#测点在工作面前方12 m 处达到最大值，为14.6 MPa。随着工作面的继续推进，应力开始逐渐降低，在工作面回采过测点正下方后应力降低速度变大，并在工作面后方12 m 处降至最小值。其中1#测点应力值2.1 MPa，5#测点应力值为2.3 MPa。在工作面后方12 m 以远区域煤体应力又逐渐增高，并在工作面后方62 m 处逐渐趋于稳定。从监测数据来看，重新稳定区域应力略小于原始应力，其中，1#测点应力值7.2 MPa，5#测点应力值为7.8 MPa。

3 3#煤体及顶板破坏规律

3.1 测试方案

通过钻孔窥视方法，观察采动前后3#煤体裂隙的发育情况。在下方工作面回采前，对3#煤体进行窥视，并通过图像处理软件，对钻孔内裂隙数量、宽度、角度等进行量取。待工作面回采过测试钻孔100 m 后，再次对钻孔进行窥视，分析采动前后煤体及顶板的破坏情况。

共施工3 个钻孔，编号为1 号、2 号、3 号钻孔，钻孔水平方向垂直于巷帮，竖直方向上仰角为15°，钻孔施工深度为40 m，开孔高度为1.5 m，孔口0～17 m 为煤孔，18～40 m 为顶板岩孔。为减少巷道的影响，煤孔0～8 m 区域不进行分析。

3.2 测试结果分析

以1 号孔观测数据为例进行分析。受采动影响前，3#煤体以及顶板内均存在原生裂隙，如图3所示。受下部工作面采动影响后，3#煤体以及顶板岩层内，有新裂隙生成，如图4 所示。

图3 1 号钻孔采前图片

图4 1 号钻孔采后图片

对3#煤体裂隙数量、角度、宽度进行统计，统计结果见表1。

表1 采动前后煤岩体裂隙发育情况

从统计结果可以看出，工作面回采前，3#煤体及顶板内均有原生裂隙存在，裂隙与水平面角度多在20°以下，裂隙宽度基本在2 mm 以内。受下方工作面采动影响，煤体内裂隙由采前的5 条增加至13 条，顶板裂隙由采前的2 条增加至10 条，说明下方工作面回采对上覆3#煤层及顶板有直接影响作用。但是根据统计数据，新生成裂隙多以小角度和低宽度为主，说明受采动影响后，上方3#煤及顶板主要表现为煤岩体损伤，整体结构并未受到破坏。

4 3#煤体沉降规律

4.1 观测方案

为了解保护层开采过程中被保护层煤体沉降规律，在3#煤观测巷道内，沿煤层底板布置13 个观测点，以煤层底板沉降规律来反应3#煤体沉降规律，同时对各测点处巷道表面位移进行观测，消除巷道底鼓对数据产生的影响。

4.2 观测结果分析

以1 号沉降点为例，分析不同时期3#煤层的沉降规律，1 号测点的沉降曲线如图5 所示。

图5 1 号沉降点沉降曲线

从图中可以看出，煤层沉降主要分为3 个阶段：

（1）初始沉降阶段。从工作面前方20 m 开始，至工作面回采至测点正下方，该阶段岩层在竖直方向沉降不明显。当工作面回采至距离测点2 m 时，测点出现微小的抬升现象，抬升值为27 mm，但随着工作面的推进很快消失。

（2）剧烈沉降阶段。当工作面回采过监测点0～43 m 时，岩层的沉降速度开始明显增大，3#煤体开始出现快速沉降，该阶段沉降量为1071 mm。

（3）沉降衰退阶段。当工作面推过监测点43 m以远时，煤体沉降逐渐趋于缓和，在工作面后60 m处基本趋于稳定，整体沉降量1154 mm。

5 结论

（1）受下部工作面回采影响，被保护层煤体超前下部工作面50 m 开始有应力增高现象，在工作面前方12～19 m 处达到应力最大值，在工作面后方12 m 处降至最低值，工作面后方12 m 以远应力开始恢复，并在工作面后方62 m 处趋于稳定，稳定时煤体应力值略小于原始应力。

（2）下部工作面的回采对3#煤体及顶板产生直接影响，煤体内部出现新生裂隙及裂隙增生，但裂隙发育多以小角度、低宽度为主，主要表现为煤、岩体内部的损伤，并未造成煤岩体的破坏。

（3）随着下部工作面回采，3#煤体沉降主要分为3 个阶段：在工作面前方20 m 至工作面正上方区域为初始变形阶段，变形较小；工作面后方0～43 m 为剧烈沉降阶段；工作面后方43 m 开始为沉降衰退阶段，并从工作面后方60 m 开始沉降逐渐趋于稳定，最大沉降量为1154 mm。