钱家营矿近距离煤层上行开采矿压规律研究

李 准，刘建庄，柳树弟，薛福祥

（华北理工大学 矿业工程学院，河北 唐山 063210）

0 引 言

随着优质单一煤层资源逐渐减少，近距离煤层群的开采比例不断增加，在广泛使用的下行法回采中，受上部采掘扰动影响，上部煤层回采后底板出现大体积塑性区，且下部工作面顶板破坏程度与煤层间隔呈现明显负相关，矿压显现明显、顶底板破碎、支护工程难以起效等问题严重制约了近距离煤层开采[1-3]。学术界对近距离煤层群开采的矿压防治理论和技术做了大量研究，张炜等通过理论计算，获得了下部煤层巷道的合理位置[4]；程志恒等通过相似模拟实验研究了保护层与被保护层双重采动影响下围岩应力-裂隙分布与演化特征[5]；徐敬民等通过研究发现，浅埋房采区近距离煤层动压显现强烈的原因在于过大的覆岩载荷作用于下方关键块体并导致其滑落失稳[6]；郭放等以FLAC3D 软件模拟和工程实践相结合的方式，得到了煤柱下方与采空区下方的矿压活动规律，煤柱下部大于采空区下部并于煤柱中线处出现峰值[7]。

开滦集团东欢坨矿南一采区为典型近距离煤层群，矿压显现明显，采掘衔接困难，为破解东欢坨矿近距离煤层群开采的顶底板活动规律，特开展了“东欢坨矿-500 m 水平近距离煤层群开采矿压活动规律研究”，以期查明南一采区顶煤工作面回采后，顶底板应力场、支架结构内力演化规律研究，为采场支架选型、巷道支护设计提供依据，为区域采掘工作面计划衔接提供保障。

1 理论计算

1.1 概 况

东欢坨矿南一采区位于矿井-230～-500 水平，东南至煤12-1 冲积层防水煤柱线，东北至中央上段采区煤柱，西北至煤12-1 的-500 m 底板等高线，西南至第17 勘探线。上限标高-405—260m，下限标高-500 m，地面标高+12—+19 m，走向长3 392 m，倾向长300～610 m，面积1.62 km2。采区东北部（翼） 煤8 正在回采，东北侧为-500 m 中央上段采区煤12-1、12-2 正在采掘，西北侧为-690 m 水平中央下段采区，西南侧的南二采区尚未开发。

本地层为一简单的单斜构造区，但煤层间距离除煤9 与煤11 的变化较小外，其余间距变化是由东北向西南增厚，个别间距可达17.5 m。煤5 与煤7 厚度极不稳定，分别在0～2.70 m 和0～1.86 m无规律变化。煤8 西南部变薄（局部无煤）、煤9、煤11、煤12-1、煤12-2、煤12 下的厚度变化不大，属稳定至较稳定煤层。煤14-1 的厚度不稳定，在0~3.51 m 无规律变化。

1.2 螺纹螺距、牙高与预紧力的关系

随着工作面回采，支承应力范围不断移动，幅度发生变化，相应塑性区不断调整，当应力达到某一数值时，数个塑性区相互连通成为一个大的塑性区。该塑性区内的岩体在挤压力作用下向采空区扩展，成为一个连续的滑移面，在该状态时底板破坏程度最大。

利用滑移线场理论，建立采空区下底板岩体破坏模型，将滑移线场绘制成图，具体如图1 所示。煤层底板塑性破坏区主要包含3 个部分，I 主动应力区，II 过渡区，III 被动应力区。煤层底板岩体受支承压力影响在垂直方向受至挤压，相应在水平方向产生变形，岩体向水平方向扩展并挤压过渡区范围的岩体，进一步挤压被动区范围的围岩。受过渡区和被动区2 个区域影响，底板向采空区产生底鼓现象。

图1 支撑压力底板破坏分区Fig.1 Failure zone of support pressure floor

由图1 推导底板屈服破坏深度h 为：

根据极限平衡理论计算出煤壁塑性宽度为：

式中：M 为采高；γ 为采场上覆岩层的平均容重；k 为应力集中系数；H 为埋深；φ为煤体的内摩擦角；c为煤体的内聚力；f 为煤层与顶底板接触面的摩擦系数；ξ 为三轴应力系数；φf为底板岩层内摩擦角。

根据经验公式的计算结果，并结合煤矿的实际情况，取埋深529.35 m，煤体内摩擦角30°，应力集中系数2.5，覆岩容重2.5×104kN/m3，煤与顶底板摩擦系数0.7，煤内聚力0.8 MPa，底板内摩擦角40°，分别计算8 煤、9 煤、11 煤、12 煤开采后，煤壁塑性宽度、底板屈服破坏深度、最大破坏深度点距工作面端部的平距、底板破坏区最大水平长度，结果见表1，8 煤底板破区超出8 煤与9 煤层间距，9 煤和11 煤底板破坏区未贯入下伏煤层，但距离下伏煤层距离仅为1.05 m 和4.64 m，底板应力重分布会严重影响下伏煤层，且最大破碎深度及峰值应力线距煤壁外错6～10 m，影响区外错22～33 m。

表1 南一采区各煤层底板破坏计算结果Table 1 Floor failure calculation results of each coal in the south mining area

2 数值模拟

2.1 数值模型位置及说明

根据南一采区工程实况，模拟倾向剖面下点选在2324 工作面风道4+20 和4+21 导线点间（距4+20 点58.8 m），上点选在2324 运道4-24 和4-25 点间（距4-24 点27.4 m），对应2314 运道为4+7 和4+6 点间，2314 风道为4-11 和4-10 点间，2394 运道为9-20 和9-21 点间，2394 风道为9+24和9+25 点间，2087 运道87-20 与87-18 点间（距87-20 点44.0 m），2083 上风道H13 和H14 点间（距H13 点28.2 m），采面上下布置关系及UDEC模拟倾向剖面线，如图2 所示。

图2 2314 采面UDEC 模拟位置Fig.2 UDEC simulated position diagram of No.2314 Face

走向二维模型分别取在2314 运道和2314 风道位置处，X 向宽度满足采面推进方向上边界煤柱和充分开采的模拟需要，边界煤柱两侧各取50 m，推进长度取150 m，最下层真厚度取30 m，倾向二维模型X 向宽度根据实际工程图取272 m，高度177 m，由12 煤底板至8 煤顶板，共计26 层岩层。模拟风道和运道断面采用14.0 m2三心金属拱形支架支护，棚距为650 m，宽度为4.84 m，高度为3.31 m，顶拱半径2.39 m，侧拱半径2.88 m，搭接长度450 mm，棚腿外扎脚8°，主要岩性包括煤体、硬砂岩、泥质软岩3 类，岩层剖面方向的伪斜角为21°。

2.2 2314 运道走向模型结果分析

2314 运道处工作面模拟开挖顺序为2087—2394—2314—2324，模型中3 种岩性选用应变软化模型，以塑性应变为15‰粘聚力变为初始值的50%，塑性应变为25‰粘聚力变为0。

（1） 初始平衡，图3 为2314 运道走向切片模型初始平衡状态，显示了倾向模型初始平衡后的垂直应力SYY 状态，模型上部应力在8.5 MPa，模型底部应力为13.25 MPa。

图3 南一采区2014 运道走向模型初始平衡应力SYYFig.3 Initial equilibrium stress SYY of No.2014 transport roadway

（2） 2394 采面回采。图4 显示了2087 和2394 采面开挖后，顶底板中SYY 应力云图和11煤、12 煤中测线上SYY 的分布情况。可见，走向150 m 的推进范围内，推进中部发育了宽度100 m左右的应力恢复区，应力峰值8.5～9.5 MPa，低于原岩应力，侧方煤柱区的下位煤层应力峰值约为26 MPa，说明超前应力集中系数为2.0，150 m 的推进范围内已经达到充分采动状态。

图4 2394 回采后应力SYY 分布Fig.4 Distribution of stress SYY after ming of No.2394 Face

图5 显示了2394 回采后，顶底板岩层发生塑性破坏和节理面破坏的情况。图中可见张开裂隙和拉塑性发育以上三角形态发育，2087、2394 的直接顶和老顶离层发育最为明显，上位工作面开采没有诱发下位的2314 和2324 工作面顶底岩层塑性损伤和结构面破坏。

图5 2394 回采后块体和结构面破坏状态Fig.5 Failure state of block and structure surface after No.2394 Face mining

（3） 2314 采面回采。图6 显示了2314 回采后，顶底板中SYY 应力云图和12 煤中测线上SYY的分布情况。图中可见，走向150 m 的推进范围内，推进中部发育了宽度100 m 左右的应力恢复区，应力峰值18.0 MPa，高于原岩应力，侧方煤柱区的下位煤层应力峰值约为26 MPa，说明超前应力集中系数为2.0，150 m 的推进范围内已经达到充分采动状态。

图6 2314 回采后应力SYY 分布Fig.6 Distribution of stress SYY after No.2314 Face mining

图7 显示了2314 回采后，顶底板岩层发生塑性破坏和节理面破坏的情况。图中可见2314 回采在底板塑性损伤区的范围已经波及到下位12 煤层之中，但结构面裂隙破坏并没有在12 煤直接顶底板中发生。

图7 2314 回采后块体和结构面破坏状态Fig.7 Failure state of block and structure surface after No.2314 Face mining

综上模拟结果，2394 采面回采主要影响下位11 煤、12 煤的应力分布，在采面推进范围150 m的中部区域会有应力恢复区生成，但2314 回采前应力恢复区的峰值应力低于原岩应力，2314 回采后高于原岩应力，恢复后的应力集中系数为1.4 左右，边界煤柱的应力值约为26 MPa，应力集中系数为2.0，2394 开采没有诱发下位的2314 和2324顶底岩层塑性损伤和结构面破坏，2314 回采在底板塑性损伤区止于下位12 煤层中。

2.3 2314 风道走向模型结果分析

2314 风道处工作面模拟开挖顺序为2392—2322—2314，分步模拟结果如下。

（1） 2314 采面回采前。图8 显示了下伏2322采面和上覆2083 采面回采后，中部11 煤层的顶底板岩层垂直应力SYY 分布情况。模拟表明，2314采面推进150 m 范围内，靠近边界50 m 的边界煤柱支撑区，左侧峰值15.6 MPa，距离开切位置11 m，右侧峰值20.3 MPa，距离停采位置12 m，采空区中部有2 个应力升高区，峰值应力分别为30.6 MPa、27.7 MPa，应力集中系数在2.35 和2.13。

图8 2314 回采前应力SYY 分布Fig.8 Distribution of stress SYY before No.2314 Face mining

图9显示了下伏2322 采面和上覆2083 采面回采后，煤层间块体塑性损伤和节理破坏情况。图中可见，受上下采面回采影响，2314 采面顶底板均处于塑性区，层间离层和竖向节理均较为发育，位置深达2324 采面老底位置。

图9 2314 回采前块体和结构面破坏状态Fig.9 Failure state of block and structure surface before No.2314 Face mining

（2） 2314 采面回采后。图10 显示了2314 采面回采后，各煤层顶底板岩层垂直应力SYY 分布情况。图中可见，开采两侧边界一定范围均发育一个应力降低区，区间宽度50～70 m，中部采空区应力恢复值峰值可达59.6 MPa，大部分波峰值在20～30 MPa，说明多次采动后空区应力恢复较高，集中系数可达2.0～2.3 倍。左侧边界煤柱峰值应力16.4 MP，距离采空区5.4 m，右侧边界煤柱峰值应力17.8 MPa，距离采空区19 m。

图11 显示了2314 采面回采后，煤层间块体塑性损伤和节理破坏情况。与图10 相比，2314 采动对塑性损伤区和节理破坏区的分布影响，主要在于边界损伤的横向扩展，推进方向较大，扩展宽度在5～15 m。

图10 2314 回采后应力SYY 分布Fig.10 Distribution of stress SYY after No.2314 Face mining

图11 2314 回采后块体和结构面破坏状态Fig.11 Failure state of block and structure surface after No.2314 Face mining

综上模拟结果，2322 回采会造成2314 采面边界煤柱的应力集中，集中系数在1.2～1.56，采空区形成应力恢复区，集中系数2.35 和2.13，11 煤层近采场围岩将全部位移塑性损伤和节理破坏区。2314 回采后，顶底板塑性损伤和节理破坏区在竖向扩展很少，主要在推进前边界5～15 m 扩展，空区的峰值应力集中系数为2.0～2.3，局部岩块内部会有高应力核区的存在（最大值59.6 MPa）。

3 结 论

（1） 南一采区8 煤底板破区超出8 煤与9 煤层间距，9 煤和11 煤底板破坏区未贯入下伏煤层，但距离下伏煤层距离仅为1.05 m 和4.64 m，底板应力重分布将会严重影响下伏煤层，且最大破碎深度及峰值应力线距煤壁外错6～10 m，影响区外错22～33 m。

（2） 在煤柱正下方垂直应力最大，从中间至两边区域应力呈递减趋势；随着垂距加大应力分布范围变大，影响程度变小。

（3） 2314 运道走向模型模拟表明，2394 回采主要影响下位煤岩应力分布，采空应力恢复区的峰值低于原岩应力，2314 回采后高于原岩应力，集中系数为1.4 左右，边界煤柱的应力值约为26 MPa，集中系数为2.0，2394 开采没有诱发下位的2314 和2324 顶底岩层塑性损伤和结构面破坏，2314 回采在底板塑性损伤区止于下位12 煤层中。

（4） 2314 风道走向模型模拟表明，2322 回采造成2314 边界煤柱应力集中，系数在1.2～1.56，采空区2 个应力恢复区集中系数2.35 和2.13。2314 回采后，损伤破坏区在竖向扩展很少，主要在边界5～15 m 扩展，空区的集中系数为2.0～2.3，局部岩块内有铰接点高应力核区的存在。