特厚煤層綜放開采側(cè)方臨空覆巖空間結(jié)構(gòu)運動規(guī)律及煤柱寬度研究

董正坤，馮宇峰，林來彬，張　巖，趙善坤，蔣軍軍，石翔元

( 1.徐州礦務集團 郭家河煤業(yè)有限公司，陜西 寶雞 721008；2.煤炭科學技術研究院有限公司 安全分院，北京 100013；

3煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室(煤炭科學研究總院) ，北京 100013)

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特厚煤層綜放開采側(cè)方臨空覆巖空間結(jié)構(gòu)運動規(guī)律及煤柱寬度研究

董正坤1，馮宇峰2,3，林來彬1，張巖1，趙善坤2,3，蔣軍軍2,3，石翔元1

( 1.徐州礦務集團 郭家河煤業(yè)有限公司，陜西 寶雞 721008；2.煤炭科學技術研究院有限公司 安全分院，北京 100013；

3煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室(煤炭科學研究總院) ，北京 100013)

[摘要]基于郭家河煤礦1305工作面回風巷圍巖破碎嚴重、巷道變形大的開采現(xiàn)狀，綜合運用現(xiàn)場實測、礦壓理論、斷裂力學及數(shù)值模擬等多種方法，對工作面進入側(cè)方采空區(qū)支承壓力影響范圍前后的巷道圍巖變形與破碎狀況、側(cè)方覆巖空間結(jié)構(gòu)運動規(guī)律、合理區(qū)段煤柱寬度等進行了分析。研究結(jié)果表明：側(cè)方采空區(qū)影響下，臨空巷道表面變形量與圍巖破碎程度顯著增加；側(cè)方覆巖結(jié)構(gòu)破斷形成“弧形三角塊”，B巖塊起到關鍵性作用；保證巷道圍巖穩(wěn)定的區(qū)段煤柱寬度不應小于35m。

[關鍵詞]綜放開采；側(cè)方覆巖結(jié)構(gòu)；弧形三角塊；煤柱寬度

[引用格式]董正坤，馮宇峰，林來彬，等.特厚煤層綜放開采側(cè)方臨空覆巖空間結(jié)構(gòu)運動規(guī)律及煤柱寬度研究[J].煤礦開采，2015，20(6)：6-9.

近年來，14~20m特厚煤層大采高綜放開采一次性全厚出煤的應用越來越廣泛[1]。與分層開采相比，綜放開采具有巷道掘進率低、工效高、大功率采運設備易于高效運轉(zhuǎn)等優(yōu)勢，特別適合于特厚煤層實現(xiàn)高產(chǎn)高效[2-3]。然而，十幾米特厚煤層一次性被全部采出勢必會造成覆巖空間承載結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定、來壓強烈等問題[4-5]，特別是當覆巖存在基本頂與近距離亞關鍵層雙重影響時[6]，毗鄰采空區(qū)一側(cè)的區(qū)段煤柱承受上覆垮落巖層的全部重量，應力集中程度高，兩巷圍巖變形大，嚴重制約了工作面的高產(chǎn)高效。

郭家河煤礦1305大采高綜放工作面便面臨這一問題，該面上覆基本頂及近距離亞關鍵層均對礦壓顯現(xiàn)產(chǎn)生影響。回采期間，毗鄰1303采空區(qū)的回風巷端頭斷面收縮率達到60%以上，頂?shù)装遄畲笠平窟_到3m，兩幫最大移近量達到1.8m，刷幫、臥底、加強支護等工序嚴重制約了工作面正常生產(chǎn)。因此，研究特厚煤層近距離關鍵層綜放開采條件下的側(cè)方覆巖空間結(jié)構(gòu)運動規(guī)律、區(qū)段煤柱應力分布狀況以及合理寬度等內(nèi)容，對于指導兩巷圍巖控制、確保工作面安全高效開采具有十分重要的意義。

1工程概況

1.11305工作面開采概況

郭家河煤礦1305工作面主采3號煤層，平均埋深550m，煤層平均厚度15.9m，煤層傾角在6°以下。工作面長度235m，區(qū)段煤柱寬度20m，采用綜采放頂煤采煤法，采高4m，放煤高度11.9m，采放比接近1∶3。工作面綜合地質(zhì)柱狀如圖1所示。

圖1　1305工作面綜合柱狀

1305工作面位于I盤區(qū)東翼，于2014年4月投入生產(chǎn)，超前1305工作面切眼600m，北側(cè)毗鄰1303采空區(qū)，其中1303工作面于2013年初采完，兩工作面均采用單巷布置。

1.2臨空巷道實測分析

1305工作面推進至600m后，進入1303采空區(qū)側(cè)向支承壓力影響范圍，為觀測巷道實際變形狀況，在1305工作面回風巷布設了36個測點，相鄰測點間距10m，設在距離1305切眼420～780 m的位置，如圖2所示。

圖2　工作面位置及測點布置示意

采用“十字交叉法”對頂?shù)装逡平亢蛢蓭拖鄬σ平窟M行監(jiān)測，每日觀測1次。圖3是距1303開切眼不同距離測點的巷道表面位移最終變化量。

圖3　巷道表面位移量曲線

由圖3可知，隨著工作面不斷向前推進，測點距1303采空區(qū)距離越小，巷道表面位移量越大，表明巷道受側(cè)方1303采空區(qū)影響越嚴重，其中，頂?shù)装逡平孔畲筮_到近3000mm，兩幫移近量達到近1800mm。圖4～圖5為17號(采空區(qū)外)和29號(采空區(qū)內(nèi))兩測點巷道高度絕對值與頂?shù)装逑鄬σ平俣入S工作面推進距離的變化曲線。

圖4　巷道高度隨工作面推進距離變化曲線

圖5　頂?shù)装逡平俣入S工作面推進距離變化曲線

由圖4～圖5可知，隨著工作面推進，29號測點的巷高絕對值始終明顯小于17號測點，頂?shù)装逡平俣仍鲩L也更快，說明側(cè)方采空區(qū)對本區(qū)段巷道影響顯著。當工作面推進至側(cè)方采空區(qū)影響范圍內(nèi)時，巷道端頭至超前20m范圍內(nèi)，巷高絕對值不足800mm，超前60m范圍內(nèi)，頂?shù)装逡平俣入S工作面推進明顯加快，最大值達到近200mm/d。

圖6為1305工作面進入側(cè)方采空區(qū)影響范圍前后，區(qū)段煤柱內(nèi)3m處鉆孔窺視結(jié)果。對比可知，進入采空區(qū)側(cè)方影響范圍后，煤柱內(nèi)部圍巖裂隙充分發(fā)育，破碎程度明顯高于進入采空區(qū)前。此外，進入采空區(qū)側(cè)方影響范圍后，現(xiàn)場局部地段開始出現(xiàn)墜包、冒頂現(xiàn)象，巷道收斂變形特別嚴重，生產(chǎn)中不得不采取臥底、刷幫、加強支護等措施，增加了作業(yè)工序和工人勞動強度，減緩了工作面推進速度，嚴重阻礙了工作面高產(chǎn)高效。

圖6　進入采空區(qū)前后煤柱內(nèi)部3m處破碎情況

2側(cè)向覆巖空間結(jié)構(gòu)分析

2.1覆巖空間結(jié)構(gòu)分析

當特厚煤層放頂煤開采存在近距離亞關鍵層，且本工作面一側(cè)巷道毗鄰側(cè)方采空區(qū)的特殊條件下，該巷道受上覆巖層空間結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響極為敏感[7-8]。從郭家河煤礦3號煤層圍巖力學性質(zhì)、應力環(huán)境及開采情況來分析，1305回風巷是一類特殊的回采巷道。本區(qū)段工作面的回采導致上覆巖層垮落，基本頂來壓形成“O-X”破斷[9]，走向方向形成砌體梁結(jié)構(gòu)，工作面端頭破斷形成弧形三角塊[10]，弧形三角塊斷裂在煤壁內(nèi)部、旋轉(zhuǎn)下沉，它的運動狀態(tài)及穩(wěn)定性直接影響下方煤體及巷道圍巖的應力和變形，如圖7，圖8所示。

圖7　沿空巷道覆巖結(jié)構(gòu)運動

圖8　沿空巷道上覆巖體結(jié)構(gòu)平面關系

如圖7所示，側(cè)方工作面回采后形成采空區(qū)，基本頂巖層及亞關鍵層在側(cè)向煤體內(nèi)斷裂，并發(fā)生回轉(zhuǎn)或彎曲下沉，直至在采空側(cè)形成的巖塊A、巖塊B、巖塊C組成的鉸接結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與釆空區(qū)充滿程度及基本頂巖層的斷裂參數(shù)密切相關。

隨著本區(qū)段工作面繼續(xù)推進，特厚煤層一次性采出致使采空區(qū)冒落空間較大，當近距離亞關鍵層破斷，其自身及上覆軟弱隨動層產(chǎn)生的載荷P，通過頂板及頂煤與巷道發(fā)生作用，致使工作面回采產(chǎn)生的超前支承壓力與采空區(qū)側(cè)向支承壓力疊加，從而形成如圖7所示的平面斷裂結(jié)構(gòu)。

圖8中，巖體A為1303工作面上方的基本頂巖層，塊體B，C分別為本工作面采空側(cè)的弧三角塊、采場中的斷裂塊。顯然，塊體B對側(cè)向上覆巖體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定尤為重要。

2.2巖塊B參數(shù)計算

關鍵塊B主要包括3個基本尺寸：塊體沿工作面推進方向的長度L1、基本頂巖層在側(cè)向的斷裂跨度L2和塊體的厚度h，以及塊體在煤體中的斷裂位置X這4個參數(shù)。

2.2.1L1的確定

關鍵塊B沿工作面推進方向長度為L1即為巖層走向破斷步距，根據(jù)礦壓理論便可得到：

(1)

式中，h為亞關鍵層厚度，取11.9m；Rt為亞關鍵層抗拉強度，取7MPa；q為基本單位面積承受的載荷，根據(jù)上覆巖層對其載荷計算為0.12MN/m2。

2.2.2L2的確定

L2與工作面長度S和走向斷裂步距有關。L2通過公式(2)計算得到：

(2)

由上式計算得出郭家河煤礦1305工作面亞關鍵層側(cè)向斷裂跨度L2=49.82m。

2.2.3斷裂位置X

如圖7，上覆巖層在臨近采空區(qū)的觸矸位置Y與B巖塊側(cè)向斷裂距L2，共同決定了斷裂位置X。影響覆巖觸矸位置和斷裂位置的因素主要有采深、原巖應力狀態(tài)、采高、煤層、直接頂及基本頂?shù)牧W性質(zhì)、厚度等。相關研究表明，觸矸位置Y距上區(qū)段巷道在3～5m范圍內(nèi)，考慮到綜放開采當中一般端頭支架及過渡支架不放煤，致使上覆巖層B巖塊觸矸位置進一步向采空區(qū)深處偏移，在此取偏移量為3個支架的中心距，為1.75m×3=5.25m，因此觸矸位置Y位于1303采空區(qū)距1303膠帶巷約8~10m范圍內(nèi)。對于巖塊B的側(cè)向破斷長度L2、斷裂位置X、觸矸位置Y、上區(qū)段巷道寬度b及區(qū)段煤柱寬度a存在如下關系：

L2=X+Y+b+a

(3)

式中，L2為亞關鍵層B巖塊側(cè)向破斷距，計算得49.82m；X為B巖塊破斷位置，定義為破斷點距本工作面巷道右?guī)途嚯x，m；Y為B巖塊觸矸位置，定義為觸矸點距上工作面巷道右?guī)途嚯x，取10m；b為1303膠帶巷寬度，取5.5m；a為區(qū)段煤柱寬度，m。

為使1305回風巷不受巖塊B的影響，則其斷裂位置應外錯于回風巷，即X<0，得出a>34.32m。

3煤柱寬度數(shù)值模擬分析

運用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，對毗鄰采空區(qū)條件下，不同推進度時，20m，25m，30m，35m區(qū)段煤柱內(nèi)部應力分布狀態(tài)進行分析。圖9所示為毗鄰采空區(qū)，巷道端頭處煤柱內(nèi)部應力分布。

圖9　不同寬度煤柱內(nèi)塑性區(qū)與應力狀態(tài)分布/MPa

煤柱寬度由20m增至30m的過程中，塑性區(qū)范圍急劇減小，應力峰值急劇降低，由30m增至35m過程中，煤柱內(nèi)部塑性區(qū)范圍無明顯變化，說明30m煤柱寬度能夠保持其自身的穩(wěn)定性。

4結(jié)論及建議

以郭家河煤礦為研究對象，運用現(xiàn)場實測、理論分析、數(shù)值模擬等手段，對特厚煤層綜放開采側(cè)向覆巖失穩(wěn)機制與區(qū)段煤柱寬度進行了研究，得出如下結(jié)論及建議：

(1)1305回風巷在本工作面進入側(cè)方采空區(qū)支承壓力影響范圍的前后，巷道變形量及變形速度明顯增加，區(qū)段煤柱內(nèi)部裂隙發(fā)育及破碎程度顯著增大，說明該巷受側(cè)方采空區(qū)影響作用明顯。

(2)建立了側(cè)方沿空巷道空間圍巖力學結(jié)構(gòu)模型，分析表明，結(jié)構(gòu)中的B巖塊對其自身穩(wěn)定性起關鍵作用，計算得到1305回風巷不受B巖塊影響的必要條件是，煤柱寬度理論值大于34.32m。

(3)數(shù)值模擬表明，煤柱寬度大于30m時，煤柱內(nèi)部塑性區(qū)分布范圍趨于穩(wěn)定，應力峰值不再增加。

(4)當煤層上覆存在近距離關鍵層時，建議郭家河煤礦1305工作面在臨近采空區(qū)一側(cè)適當降低一次出煤厚度，確?？迓淇臻g盡量充實，同時對回采巷道加強支護；此外，在后續(xù)工作面布置時，考慮到數(shù)值模擬的局限性及地質(zhì)條件等的多樣性和復雜性，區(qū)段煤柱留設寬度不小于35m。

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[責任編輯：王興庫]

·基礎研究·

Research on Motion Law of Overlying Strata Spatial Structures Adjacent to Lateral Goaf and

the Width of Coal Pillar in Full-mechanized Caving Mining in Extremely Thick Coal Seam

DONG Zheng-kun1，F(xiàn)ENG Yu-feng2,3，LIN Lai-bin1，ZHANG Yan1，ZHAO Shan-kun2,3，JIANG Jun-jun2,3，SHI Xiang-yuan1

(1.Guojiahe coal limited liability company，Xuzhou Mining Group，Baoji 721008，China；

2.Mine Safety Technology Branch，China Coal Research Institute Corporation Limited，Beijing 100013，China;

3.State Key Laboratory of Coal Resource High Efficient Mining & Clean Utilization(China Coal Research Institute)，Beijing 100013，China)

Abstract：Based on present situation of exploitation that the surrounding rock crushing seriously and the roadway deformation largely，in 1305 working face air return way of Guojiahe Coal Mine，varieties of methods，such as field measurement，ground pressure theory，fracture mechanics and numerical simulation are used to analysis the surrounding rocks’ crushing and deformation status before and behind lateral goaf，motion law of overlying strata spatial structures and reasonable section pillar width.Results shows that，under the influence of lateral goaf，the lateral crossheading surface deformation amount and the surrounding rocks fragmentation degrees were significantly increased，the lateral overburden spatial structures were breaking ，then the “arc triangle block” was formed，and the B rock block plays a key role.At last，to ensure the stability of roadway surrounding，the width of coal pillar section should not be less than 35m.

Key words：full-mechanized caving mining；lateral overlying strata structures；arc triangle block；coal pillar width

[作者簡介]董正坤(1962-)，男，江蘇鹽城人，教授級高級工程師，現(xiàn)任徐州礦務集團郭家河煤業(yè)有限公司董事長。

[基金項目]國家自然科學基金(51304117，51404140)

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.06.002

[收稿日期]2015-05-13

[中圖分類號]TD823.3；TD325.3

[文獻標識碼]A

[文章編號]1006-6225(2015)06-0006-04