近距离上行开采工作面受下部工作面影响区域研究

卢 鑫，郑永胜，闫明晨，李 伟，曹淑良

(1.山东能源新矿集团翟镇煤矿，山东 新泰 271204；2.山东新能源有限公司，山东 济南 251401)

翟镇煤矿六采区东翼二层煤为典型的上行开采。二、四层煤层层间距为10～33m，平均23m，因此，下部四层煤的开采是否致使上部二层煤围岩受开采影响产生变形破坏导致岩层裂隙发育，造成二层煤顶底板破碎、下部采空区瓦斯积聚可能涌出到上部二层煤工作面，给工作面安全开采带来一系列问题[1-4]。因此，亟需对六采区东翼二层煤上行开采进行研究，分析四层煤开采对二层煤开采的影响，并制定有针对性的安全技术措施，为上行开采工作面巷道的合理布置和巷道支护提供技术依据。

1 工程概况

六采区6403E和6202E工作面大部分范围内存在重叠现象，煤层间距平均27m，其中四煤6403E工作面已开采完毕，二煤6202E面目前开始准备开采，工作面的运输巷采用外错式布置，布置在6403E运输巷以外20m煤柱区内；轨道巷布置在6403E轨道巷以里约2m采空区内。切眼布置由采区煤柱区逐步斜交进入6403E面采空区，6202E工作面全部位于下层煤6403E采空区及断层煤质区域内，工作面部分区段矿山压力现象明显，开采难度较大。

6202E工作面煤层平均厚度2.0m，倾角5°，工作面倾斜长度146m，走向长度659m，直接顶为粉砂岩，平均1.35m，灰黑色，含1～3层上分层，分层厚度0.1～0.5m；基本顶为细砂岩，平均20.0m，灰白色，以石英为主，钙质胶结，较硬；老底为细砂岩，平均9.6m，灰白色，以石英为主，钙质胶结，较硬；直接底为粉砂岩，平均厚度1.0m，灰黑色，富含植物根部化石；与6403E工作面下部(轨道巷)高差25m，上部(运输巷)高差28m，采用走向长壁后退式采煤法，巷道为矩形断面，采用锚带网支护。

2 上行开采工作面开采影响区域理论研究

采用长壁垮落采煤法的工作面，随着工作面不断推进，采空区面积也不断扩大，采场上覆岩层到一定距离时，岩层移动波及到某一高度的覆岩，使覆岩产生一种在空间上和时间上有规律的移动和变形[5-7]，当工作面采完，覆岩移动稳定之后，在采空区上方形成一个沉陷区。根据移动盆地理论[8-13]，下层煤开采影响区域如图1所示。

运输巷边界内影响区Lψ1为：

Lψ1=H0×cosψ1/sin(ψ1-α) (1)

运输巷边界外影响区Lβ0为：

Lβ0=H0×cosβ0/sin(α+β0) (2)

轨道巷边界内影响区Lγ0为：

Lγ0=H0×cosγ0/sin(γ0-α) (3)

轨道巷边界外影响区Lψ2为：

Lψ2=cos(ψ2-α)/sinψ2(4)

式中，H0为上下煤层间距，m；α为煤层倾角，(°)；β0为下部边界角，(°)；γ0为上部边界角，(°)；ψ1为下部充分采动角，(°)；ψ2为上部充分采动角，(°)。

根据翟镇煤矿上组煤实际地质条件得各项指标如下：H0=23m；α=5°；β0=52°；γ0=60°；ψ1=60°；ψ2=62.5°；ψ3=60°。将上述参数值分别带入上述公式中，求得：轨道巷边界内影响区Lψ1=15.3m，轨道巷边界外影响区Ls0=18.4m；运输巷上部边界内影响区Lγ0=17.1m，运输巷边界外影响区Lψ2=17m。

根据移动盆地理论，结合6202E工作面上行开采的实际情况，6202E工作面受6403E工作面影响区域及应力分布情况如图2所示。

图2 6202E受影响区域及应力分布情况

综上分析可知：①6202E运输巷边界内影响区为17.1m，外影响区为17m，而6202E运输布置于6403E运输巷采空区以外20m，且巷道整体处于应力降低区，因此巷道施工期间未受到应力影响；②6202E轨道巷边界内影响区为15.3m，外影响区为18.4m，而6202E轨道巷布置于6403E轨道巷采空区以里2m，此巷道施工期间虽处于开采影响范围之内，但巷道整体处于应力降低区，对工作面的开采影响较小。

3 矿压观测及分析

基于前面理论分析，为了观测6202E工作面上行开采围岩的变形情况，在轨道巷及运输巷内每间隔25m布置1个测点，各设置8个测点，对顶板下沉、底鼓及两帮移近量进行测定研究。6202E工作面受6403E工作面开采影响导致裂隙带的发育情况如图3所示，巷变形与时间的变化关系如图4所示。

图3 6202E工作面开采影响情况

图4 巷道围岩变形曲线

由图3可知，越靠近采空区中部，岩层冒落带、裂隙带发育高度越小，岩层破断程度越大，而在采空区边界，由于煤柱支撑作用，冒落带裂隙带发育高度较采空区中部大，但是岩层破断程度较低，这与前面的应力分析相吻合。

由图4(a)可知，工作面运输巷掘进期间，由于距离采空区较远，处于裂隙带影响范围之外，未发现明显弯曲及裂隙发育，围岩整体性较好，在巷道其它处矿压显现也一直不明显，巷道围岩平均移近速度在0～5mm/d之间。

由图4(b)可知，工作面轨道掘进期间，虽处于开采影响范围之内，但巷道整体处于应力降低区，对工作面的开采影响较小，且及时采用架棚支护，共复棚30排，以后至巷道贯通为止，巷道围岩稳定，掘进生产正常。巷道掘进期间围岩活动不是很剧烈，移近速度在0～5mm/d之间，架棚段巷道围岩移近量也比较小，移近速度在0～2mm/d之间。巷道掘进施工期间的矿压显现有效验证了上层煤工作面巷道布局的合理性，同时也说明上行开采工作面受下部工作面影响区域分析是正确的。

4 结 论

1)越靠近采空区中部，岩层冒落带、裂隙带发育高度越小，岩层破断程度越大，而在采空区边界，由于煤柱支撑作用，冒落带裂隙带发育高度较采空区中部大，但是岩层破断程度较低。

2)运输巷边界内影响区为17.1m，外影响区为17m，而6202E运输布置于6403E运输巷采空区以外20m，巷道整体处于应力降低区，因此巷道施工期间未受到应力影响；6202E轨道巷边界内影响区为15.3m，外影响区为18.4m；而6202E轨道巷布置于6403E轨道巷采空区以里2m，此巷道施工期间虽处于开采影响范围之内，但巷道整体处于应力降低区，对工作面的开采影响较小，这与实际的矿压观测实际情况相符。

3)近距离上行开采时要合理布置上煤层的开采边界，上煤层工作面应位于下煤层工作面采空区的内部，靠近下煤层边界区域，还应避开下煤层工作面开采边界处覆岩台阶下沉的不利影响。