淺析固定支承壓力影響區(qū)內(nèi)回采的礦壓顯現(xiàn)及頂板管理

近距離煤層群采用走向長(zhǎng)壁下行垮落法回采時(shí)，通常下組煤層的停采線都確定在上組煤層采后形成的固定支承壓力影響區(qū)（見圖1）以外，這樣將勢(shì)必導(dǎo)致自上而下隨著支承壓力影響區(qū)范圍的擴(kuò)大，煤柱越留越寬，一定程度上減少了工作面的可采走向長(zhǎng)度，降低了資源回收率。如果采取一定的措施，使停采線的確定不受固定支承壓力影響的約束，在一定的層間距下，安全合理的采出固定支承壓力影響區(qū)內(nèi)的煤炭資源，可以有效的增加工作面的可采儲(chǔ)量，緩解采掘銜接，提高經(jīng)濟(jì)效益?，F(xiàn)以高陽煤礦4306工作面為例對(duì)固定支承壓力影響區(qū)內(nèi)回采的礦壓顯現(xiàn)及頂板管理作一淺析。



圖1支承壓力影響下底板巖層中的應(yīng)力分布

1開采技術(shù)條件及經(jīng)濟(jì)價(jià)值

高陽煤礦4306工作面開采山西組3^#煤層（見圖2），煤層傾角3°～8°，平均5°，上距1^#、2^#煤層合并層層間距為6.7m，1^#、2^#煤層合并層厚4.1m，3^#煤層厚度1.9m，3^#煤層直接頂為厚6.7m的泥巖，基本項(xiàng)為8.0m的中砂巖（采后垮落），直接底為1.35m厚粉砂巖。1^#、2^#煤層合并層分別于1989年、1993年與408工作面對(duì)拉回采結(jié)束，其中1^#、2^#煤層合并層上分層采高2.0m，停采線距四采軌道55m，下分層采高2.1m，停采線距四采軌道90m。4306工作面為高檔普采，單體液壓支柱與金屬π梁錯(cuò)距式支護(hù)，梁距375mm，交錯(cuò)距600mm，一梁二柱支設(shè)，柱距750mm，排距600mm，最大控頂距3.9m，最小控頂距3.3m。根據(jù)上、下分層采后形成的固定支承壓力影響范圍，設(shè)計(jì)3^#煤層停采線距四采軌道110m。



圖2巷道布置平面圖

實(shí)際回采時(shí)，在3^#煤層回采推進(jìn)到設(shè)計(jì)停采線時(shí)，為保證全礦的均衡生產(chǎn)及提高資源回收率，經(jīng)過分析，未按設(shè)計(jì)停采，采取了針對(duì)性的加強(qiáng)支護(hù)措施，繼續(xù)推進(jìn)，一直穿過1^#、2^#煤層合并層的上下分層停采線，克服了支承壓力的影響，當(dāng)月月產(chǎn)1.8萬t，最后實(shí)際停采線距四采軌道50m，共延長(zhǎng)了工作面的可采走向長(zhǎng)度60m，采出了支承壓力影響區(qū)內(nèi)2萬t的煤炭資源，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)價(jià)值200余萬元，利潤(rùn)150余萬元。

2支承壓力影響區(qū)回采時(shí)的礦壓顯現(xiàn)

從3^#煤層推進(jìn)到距2^#煤下分層停采線8m時(shí)，頂板壓力逐步增強(qiáng)，直接頂裂隙發(fā)育，端面破碎度加大，頂板下沉速度加快，頂?shù)装逡平考哟?，個(gè)別支柱出現(xiàn)鉆底。在3^#煤層推進(jìn)到2^#下分層停采線位置時(shí)，頂板出現(xiàn)明顯的平行于工作面的裂隙。在工作面采煤機(jī)組割煤后，煤壁有時(shí)突然發(fā)生臺(tái)階下沉，下沉量達(dá)300mm，支柱鉆底量加大，繼續(xù)推進(jìn)過2^#煤下分層停采線5m后，壓力進(jìn)一步增強(qiáng)，個(gè)別支柱安全閥開啟，煤壁片幫嚴(yán)重，機(jī)道上方時(shí)有拉槽及小面積的漏頂發(fā)生，推進(jìn)8個(gè)循環(huán)（5m）后頂板開始好轉(zhuǎn)，隨著回采的繼續(xù)推進(jìn)并逐漸遠(yuǎn)離2^#煤下分層停采線，礦壓活動(dòng)減弱，再推進(jìn)到2^#上分層停采線時(shí)，二次重復(fù)上述礦壓顯現(xiàn)特征，但相對(duì)影響減弱如圖3。



圖3礦壓顯現(xiàn)圖

3頂板加強(qiáng)管理措施

支承壓力影響區(qū)內(nèi)強(qiáng)烈的礦壓顯現(xiàn)特征，類同于工作面周期來壓，在頂板管理上采取了針對(duì)措施，從技術(shù)管理上堅(jiān)持礦壓觀測(cè)分析預(yù)報(bào)，指導(dǎo)生產(chǎn)，在支護(hù)上加大工作面支護(hù)密度，頂板改鋪金屬小格網(wǎng)，在煤幫增加貼幫點(diǎn)柱，點(diǎn)柱間距1000mm，縮小控頂距為2700mm，工作面基本支架改為齊梁直線柱（見圖4），調(diào)斜工作面使其與頂板裂隙成一定角度，在穿過上、下分層停采線時(shí)，工作面逐段通過，減小應(yīng)力峰值影響范圍；同時(shí)提高泵站壓力，保證支柱初撐力達(dá)規(guī)程要求。



圖4齊梁直線柱支架布置平面圖

4理論分析

集中力P作用在半無限體的平面上，對(duì)平面下方任一點(diǎn)M將發(fā)生影響，根據(jù)彈性理論得出在距平面體垂深Z，水平距離r處產(chǎn)生的垂直應(yīng)力為：



上式是在集中力P作用下形成的應(yīng)力分布情況，由此可得應(yīng)力在巖體內(nèi)的傳遞規(guī)律。如果將煤層開采理想化，巖體視為均質(zhì)彈性體，對(duì)煤柱和煤體下方底板巖層的應(yīng)力分布也可依據(jù)此規(guī)律做定性分析（見圖5）。



圖5支承壓力在底板中傳播規(guī)律示意圖

煤層開采后引起應(yīng)力重新分布形成支承壓力，一般以高于原巖應(yīng)力的5％作為支承壓力區(qū)分界處，在采后隨著時(shí)間的推移，支承壓力由不穩(wěn)定狀態(tài)逐漸變?yōu)榉€(wěn)定的殘余支承壓力，峰值逐漸降低，影響范圍不斷擴(kuò)大，支承壓力向底板方向傳播形成類似卵形的壓力泡（如圖1），一般在上層煤采后的煤柱下方一側(cè)為增壓區(qū)，而在采空區(qū)一側(cè)為減壓區(qū)。多煤層開采時(shí)，巖層內(nèi)的等壓力線較復(fù)雜。

顯然，在停采線下方，正處于支承壓力傳遞的應(yīng)力增高區(qū)內(nèi)，礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，支承壓力向底板方向傳播，不僅與相對(duì)上層煤的停采線水平距離有關(guān)，還與上層煤的垂直距離有關(guān)，垂距越大，影響越小。在煤層層間距一定的情況下支承壓力在底板巖層中的水平影響范圍可用下式確定（見圖6）：



圖6支承壓力影響范圍確定



α——煤層傾角；

θ——煤層影響角角的余角＝90°-β；

β——煤體影響角，其值可變化在25°～55°之間，通常支承壓力越大及煤柱尺寸越小，影響角越大；

S——支承壓力邊界距上分層停采線的水平距離；

Z——回采煤層距上組煤垂直距離；

由于固定支承壓力影響區(qū)內(nèi)剪應(yīng)力（重載應(yīng)力）的增強(qiáng)，極易破壞上方裂體梁平衡結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致工作面頂板沿煤壁切落發(fā)生臺(tái)階下沉，因而要求工作面支架支護(hù)強(qiáng)度要提高，保證有足夠的初撐力。

5結(jié)語

回采固定支承壓力影響區(qū)內(nèi)的煤炭資源時(shí)，支承壓力的影響范圍及強(qiáng)弱與采深、煤層層間距、煤柱尺寸、頂?shù)装鍘r性、上下煤層回采間隔時(shí)間、采高、煤層傾角等多種綜合因素有關(guān)，在支承壓力影響區(qū)內(nèi)回采時(shí)礦壓特征類同于工作面周期來壓，在一定條件下，通過充分的分析論證，采取一定的加強(qiáng)支護(hù)措施，有效控制頂板，回采是安全可行的，能夠提高工作面可采儲(chǔ)量，緩解采掘銜接，提高經(jīng)濟(jì)效益，具有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。