地下連續(xù)開采技術的動力學原理及應用研究

喬建永

(1.中國礦業(yè)大學(北京)，北京 100083；2.北京郵電大學，北京 100876)

地下資源連續(xù)開采技術是指保證資源及周圍地質環(huán)境連續(xù)形變的資源開采技術思路。這一技術思路把地下資源和周邊地質環(huán)境看作一個有機整體，在開發(fā)過程中使用技術手段保證包括資源幾何體、地應力場在內的數(shù)學模型在時間和空間維度上連續(xù)變化，從而為規(guī)避災害、提高生產效率和智能化開采水平創(chuàng)造科學的工程環(huán)境。連續(xù)開采也是簡化井工煤礦生產環(huán)節(jié)、提高生產集約化程度，實現(xiàn)綠色安全高效開采的有效途徑[1-3]。王國法院士團隊[4]在解析煤礦智能化十大“痛點”時明確指出了采掘失衡、掘支失衡問題。我國煤炭井工開采長期主要采用121工法，即回采1個工作面、掘進2條回采巷道、留設1個大尺寸區(qū)段煤柱，且為了保證大巷或者上下山巷道的穩(wěn)定，還需在工作面末采階段留設一定尺寸的護巷煤柱[5，6]。

為避免傳統(tǒng)井工開采體系的弊端，實現(xiàn)煤炭資源的高效開采，我國早在20世紀50年代就開始了巷道布置技術的改進探索，經過半個多世紀的發(fā)展已取得了諸多成果[7-9]。宋振騏院士團隊通過分析高應力區(qū)的內外應力場分布特征，提出了小煤柱護巷技術，有效減小了煤柱尺寸[10]，國內眾多學者在此基礎上，針對沿空掘巷展開廣泛的研究，取得了豐碩的研究成果。然而，單一煤層開采中，工作面間保留的護巷煤柱與末采上山(大巷)保護煤柱影響本煤層的回采率；其次，煤柱作為力的傳載路徑，對其周圍巷道維護帶來一定的影響，因此國內外學者長期致力于解決煤柱采出率與巷道維護二者之間的矛盾，其本質是在二者之間找到平衡點，但目前尚未有一種方法能夠實現(xiàn)地下開采的絕對無煤-無柱，而遺留下來的煤柱勢必造成相鄰煤層開采應力集中、地應力場突變引發(fā)動力災害發(fā)生的問題。

面對智能礦山的前沿問題[4]，要想解決“采掘失衡、掘支失衡”這一“痛點”，首先，應該在開采區(qū)域內能采當采，給掘進以更加充分的時間；其次，必須簡化巷道布置，改善其承載帶來的礦井維護難度大的現(xiàn)狀。因此，連續(xù)開采也是智能礦山發(fā)展和普及的客觀要求。本文將在前人研究的基礎上，闡述連續(xù)開采的技術思路，介紹實現(xiàn)地下開采區(qū)域完全無煤柱的系列方法，揭示其動力學原理，介紹相關工程應用。

1 無煤柱采煤方法發(fā)展歷程

在經典教材《采礦學》中，沿空掘巷與沿空留巷即視為無煤柱開采。

1.1 沿空掘巷

沿空掘巷布置的機理如圖1所示。與傳統(tǒng)留煤柱護巷將接續(xù)工作面相鄰巷道布置在III區(qū)偏向IV區(qū)的理念相反，科研工作者將沿空掘巷反向布置在支承應力峰值點與采空區(qū)之間，也即I區(qū)和II區(qū)，經典教材中的沿空掘巷剖面圖如圖1(b)所示。這一方法在教材中明確了沿空巷道距離采空區(qū)3～5m距離，甚至完全沿著采空區(qū)布置，與留煤柱護巷相比，極大地提高了采出率。

圖1 沿空掘巷布置

實際上，依據(jù)沿空掘巷的基本思想，要將沿空掘巷布置到應力峰值點與采空區(qū)之間，既要避開高支承應力影響，又要保證巷道圍巖不是處于破碎狀態(tài)，因此，筆者認為該方法的定義應該精確地定性為“將接續(xù)工作面相鄰巷道布置在Ⅱ區(qū)，巷道左幫貼著Ⅰ區(qū)布置”，這樣既符合沿空掘巷的基本理論特征，又能保障沿空掘巷處于相對低載而圍巖相對穩(wěn)定的狀態(tài)。

沿空掘巷在國內部分礦井進行了應用，取得了較好的效果，但是存在的重要問題是需要“跳采”，這樣在一個集中開采區(qū)域(采區(qū)或者帶區(qū)大巷的一側)會形成“孤島工作面”，進一步會帶來強礦壓或者沖擊地壓等災害問題。

1.2 沿空留巷

與沿空掘巷布置不同，沿空留巷在工作面開采期間，利用充填方法在巷道內靠近采空區(qū)一側砌筑墻體，利用墻體支撐頂板，巷道內同時要強化支護，保證巷道頂板的穩(wěn)定性，保留下來的巷道為接續(xù)工作面開采服務，如圖2所示。

圖2 沿空留巷布置

從圖2中可以看出，沿空留巷實現(xiàn)了工作面間完全無煤柱，但是工作面間保留有充填墻體，實際是以充填體置換煤炭資源，這一墻體對于覆巖起到支撐作用，因此，覆巖運動依然受到柱體的支撐，從而無法形成連續(xù)運動。

沿空留巷在國內取得了一定的理論與實踐經驗，但是涉及到占比44%的厚煤層開采中，該方法留巷頂板為較厚的煤體，因此巷道維護成本依然較高，在國內并沒有進行廣泛的推廣。

1.3 110/ N00工法

1.3.1 切頂卸壓無煤柱自成巷110工法

近年來，何滿潮院士團隊通過現(xiàn)場調研及室內實驗建立了切頂短臂梁理論，并以此為基礎提出了“切頂卸壓無煤柱自成巷110工法”[11]，如圖3所示。在工作面回采之前，沿即將形成的采空區(qū)側在回采巷道內對頂板定向預裂切縫，切斷部分頂板的礦山壓力傳遞，同時采用恒阻大變形錨索加固支護回采巷道頂板。待工作面回采后，通過礦山壓力作用沿預裂切縫將頂板切落形成巷幫，在隔離采空區(qū)的同時又保證了該回采巷道完整性。如前所述，110工法中的每個工作面回采時掘進1條工作面回采巷道，通過切頂卸壓自動成巷形成1條回采巷道，取消了區(qū)段煤柱的留設，實現(xiàn)了自動成巷和無煤柱開采。

圖3 長壁開采110工法

1.3.2 切頂卸壓N00工法

在110工法成功應用的基礎上，何滿潮院士團隊又進一步提出了N00工法[12，13]，如圖4所示。N100工法的基本思路是“隨采、隨掘、隨留”，施工過程中回采采區(qū)內的全部N個工作面、掘進0條回采巷道、留設0個區(qū)段煤柱。N00采煤三機與成巷四機(切縫鉆機、錨索鉆機、切頂支架和約束混凝土擋矸)配套聯(lián)動，采煤機在割煤過程中割出具有弧形巷幫的巷道空間。隨之，配套設備利用恒阻錨索對巷道頂板支護，且對沿空側頂板預裂切縫，即切斷采空區(qū)頂板和預留巷道之間的應力傳遞。切縫線外側的采空區(qū)覆巖隨工作面推進沿切縫線向采空區(qū)垮落，垮落矸石在碎脹性作用下充填采空區(qū)，且垮落矸石在切頂支架和約束混凝土擋矸的共同作用下保持穩(wěn)定，形成矸石巷幫，實現(xiàn)自動成巷。從圖4與核心技術中可以看出，該方法可實現(xiàn)工作面之間完全無煤柱，利用在人工切斷頂板形成的巷道內加強支護，無論從提高采出率，還是降低巷道工程量來說，均是巨大突破。

圖4 無煤柱自成巷N00工法

1.4 錯層位“負煤柱”開采技術

1998年，為了解決我國綜合機械化放頂煤開采存在的采出率問題，中國礦業(yè)大學(北京)趙景禮等申請了發(fā)明專利技術“厚煤層錯層位巷道布置采全厚采煤法”[14]，如圖5所示。工作面間兩回采巷道1與2分別布置在煤層的底板和頂板，工作面內部兩巷形成立體化布置，而當形成接續(xù)工作面時，巷道2和巷道3形成工作面間的立體化布置，這一布置方式帶來的特征包括：提高了開采區(qū)域的采出率，取消了工作面巷道與端頭上方、工作面間煤柱損失，這一部分占比可達到圈定儲量的11%～19%；改善了巷道支護效果。巷道1沿煤層底板布置，位于上一工作面采空區(qū)下方，其僅僅承載上一工作面垮落的矸石，這一技術特征可類比分層開采——下分層內錯式布置，巷道易于維護；巷道2沿煤層頂板布置，巷道頂板為直接頂，直接采用錨桿索進行支護即可，這一布置方式顯著改善了厚煤層放頂煤沿底布置巷道維護困難的問題；解決了自然發(fā)火問題。由于取消了巷道、端頭不放頂煤部分，且實現(xiàn)了工作面間完全無煤柱，因此解決了原綜放開采幾個易自然發(fā)火區(qū)域。

圖5 厚煤層錯層位巷道布置采全厚采煤法

綜上，對目前四種無煤柱技術進行對比分析，沿空掘巷并不是真正意義的無煤柱，僅僅是在原方法的基礎上縮小了煤柱尺寸；沿空留巷利用充填體置換煤體，工作面間完全無煤柱，但是因為充填體的存在，實際上可稱之為“無煤-有柱”；錯層位“負煤柱”開采技術可實現(xiàn)工作面間完全無煤柱，且巷道頂部和端頭頂部不再是松散煤體，因此其采出率更為可觀；110/ N00工法與錯層位“負煤柱”開采在工作面接續(xù)上可以實現(xiàn)真正的連續(xù)開采，從礦山壓力與巖層控制的角度，這兩種連續(xù)開采的方法因為沒有柱體的支撐，其覆巖運動與礦山壓力顯現(xiàn)必然呈現(xiàn)新的特征。

2 工作面推進方向的無煤柱末采技術

國內目前沿工作面推進方向需預先設計終采線，工作面推至終采線即回撤設備，終采線與大巷或上山的保護煤柱尺寸多樣化，末采煤柱多數(shù)集中在20～100m之間，設備的回撤一般有雙回撤通道、單回撤通道和無通道擴大幫三種方案，其中以鄂爾多斯地區(qū)雙回撤通道最具先進性，如圖6所示。

圖6 末采雙回撤通道方案(m)

由圖6可以看出，雖然雙回撤通道顯著提升了設備的搬家倒面速度，但是需要預先進行雙巷及之間聯(lián)絡巷的布置，且與上山之間需要保留幾十米的保護煤柱，一方面增加了巷道工程量，另一方面存在煤柱損失。同時考慮到國內普遍存在的煤層群開采現(xiàn)狀，留設的煤柱產生的集中應力會顯著影響到上覆、下伏煤層的開采。

針對上述問題，筆者提出了實現(xiàn)工作面末采無專用通道、煤柱與快速回撤設備的連續(xù)開采新方法[15]，以解決現(xiàn)有技術存在的回采率低、巷道工程量大與成本高、搬家倒面時間長等問題，具體技術如下：

1)工作面末采時，依據(jù)式(1)確定工作面前方極限平衡區(qū)范圍，如圖7所示，調整采高、速度等控制工作面與上山或大巷之間煤柱發(fā)生提前破壞，并在工作面進行掛繩、鋪網等控制頂板，在煤柱發(fā)生突然破壞之前，對上山或大巷采取補強支護措施，直至貫通，如圖8所示。

式中，x0為回采工作面前方形成的極限平衡區(qū)，m；M為采高，m；K為應力集中系數(shù)；γ為覆巖容重，MPa；H是埋深，m；p1為支架對煤幫的阻力，MPa；C為煤體的粘聚力，MPa；φ是煤體的內摩擦角，(°)；f為煤層與頂?shù)装褰佑|面的摩擦系數(shù)；ε為三軸應力系數(shù)，ε=(1+sinφ)/(1-sinφ)。

圖7 工作面前方極限平衡區(qū)分布范圍

圖8 工作面末采階段礦壓控制措施

2)工作面貫通上山或大巷時，利用終采線上的液壓支架切頂，并輔以錨索等材料強化支護，對工作面兩巷進行密閉，支架靠近采空區(qū)側進行鋪網、掛繩、噴漿，并輔以風筒布進行漏風控制，從而形成新型沿空留巷技術，如圖9所示。

圖9 工作面末采無煤柱貫通大巷

3)利用形成的上山沿空留巷，從上至下依次對沿采空區(qū)布置的液壓支架進行回撤，液壓支架可直接裝車、外撤。

綜上，利用末采無煤柱直接貫通大巷、上山新技術，首先，解決了末采煤柱損失問題，假定上山或大巷保護煤柱40m，煤厚取3m，工作面長度200m、推進距離1000m，此技術可提高采出率4%，按照噸煤保守利潤100元計算，增加回采效益348萬元；其次，解決了末采回撤巷道工程量問題，假定工作面長度200m，以神東雙回撤通道為例，需要400m的回撤巷道，再考慮雙回撤通道之間煤柱距離20m，布置5條聯(lián)絡巷進行回撤，共計節(jié)省末采巷道工程量500m，按每米造價5000元計算，即可節(jié)省250萬元，僅僅在一個普通中厚煤層末采40m范圍內即可實現(xiàn)增收節(jié)支近600萬元；工作面推至大巷或上山，利用已有的輔助運輸系統(tǒng)，可直接將設備運至下一個工作地點，可節(jié)省搬家倒面時間近一半，按照礦井發(fā)展大型化的現(xiàn)狀，大型設備搬家通常取保守數(shù)字40d完成，那么該項技術節(jié)省20d搬家倒面時間而投入生產，其帶來的經濟效益是顯而易見的。

此外，末采無煤柱貫通大巷技術可與沿空掘巷、沿空留巷、110/ N00工法、錯層位“負煤柱”4種開采方法進行結合，這一技術的出現(xiàn)，可實現(xiàn)礦井內部完全無煤柱連續(xù)開采，徹底改善傳統(tǒng)壁式體系開采帶來的離散化問題，從而有望實現(xiàn)一個礦井僅僅留設井田邊界保護煤柱。

3 連續(xù)開采的動力學原理

按照前述思路，“連續(xù)開采”是在資源開采過程中使用技術手段保證包括資源幾何體、地應力場在內的數(shù)學模型在時間和空間維度上連續(xù)變化。因此，不管沿工作面長度方向還是推進方向，只要存在煤柱，就不是連續(xù)開采，定義為“離散開采”；而連續(xù)開采的概念應該定義為“工作面間完全無煤柱開采，推進方向與大巷或者上山之間完全無煤柱開采”。將上述開采方法有機結合，就可以設計出“沿空留巷末采無煤柱貫通上山”、“110/ N00工法末采無煤柱貫通上山”和“錯層位‘負煤柱’末采無煤柱貫通上山”三種連續(xù)開采方法，它們均在空間上取消了開采區(qū)域井巷工程的保護煤柱。

可以確定，連續(xù)開采應用范圍的大小不僅直接關系著本煤層相鄰巷道的承載與穩(wěn)定性條件，也包括巷道的動力災害問題，甚至密切關系著鄰近井巷穩(wěn)定性與煤層開采問題，概括地說，“連續(xù)開采”在工程力學上具有一個重要的意義即“卸壓開采”。

下面以巷道圍巖穩(wěn)定性控制這一礦井安全關鍵問題為例，論證連續(xù)開采的動力學原理，闡述其在規(guī)避災害、提高生產效率和智能化水平中的重要性和必要性。眾所周知，確定巷道開挖后周圍巖土的彈塑性區(qū)域，是控制巷道圍巖穩(wěn)定性的重要科學手段。隧道靜力學中的Kastner方程給出了隧道橫截面巖土的彈塑性曲線的刻畫，但沒有考慮反復來壓的迭代作用，該方程在工程上往往存在一定誤差。筆者考慮Kastner方程的反問題，求解其位移變換f，研究其迭代的極限，從而把彈塑性區(qū)域的確定問題轉化為巷道圍巖位移變換f的復動力系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題。

這里所說的復動力系統(tǒng)是指復解析變換R的迭代序列的動力系統(tǒng)。這方面的研究起源于20世紀20年代的Fatou-Julia理論。20世紀80年代，復分析與非線性科學的思想、方法和內容的交叉融合，為許多重要經典問題的解決注入了前所未有的新動力。復動力系統(tǒng)獲得了劃時代的大發(fā)展，催生出1994年的Fields獎得主Yoccoz和1998年的Fields獎得主McMullen，拉開了非線性科學大發(fā)展的大幕。可以把這個動力系統(tǒng)的穩(wěn)定集F(R)稱為Fatou集，不穩(wěn)定集J(R)稱為Julia集。Julia集一般是分形集合；動力系統(tǒng)在Julia集上往往呈現(xiàn)混沌狀態(tài)。因此，Julia集是位于混沌學、分形幾何和復動力系統(tǒng)這三大非線性科學交匯點的重要研究對象。

如果存在自然數(shù)p，使得一點z經過R的p次連續(xù)映照仍回到z點，則稱點z為p階周期點.當p=1時，稱z為R的一個不動點。把R的p次迭代在z處的導數(shù)值稱為特征值，記為λ。如果λ=0，則稱z為超吸性周期點；如果0<|λ|<1，則稱z為吸性周期點；如果|λ|>1，則稱z為斥性周期點；如果|λ|=1，則稱z為中性周期點，中性周期點還可以根據(jù)λ的輻角情況分為有理中性和無理中性周期點。在后面考慮動力系統(tǒng)簇是否連續(xù)演化時，會發(fā)現(xiàn)：有理中性周期點的出現(xiàn)，預示著動力系統(tǒng)簇出現(xiàn)連續(xù)演化的奇點。在復動力系統(tǒng)理論中有下述經典定理：Leau-Fatou花瓣定理，即在有理中性周期點的局部領域里，Julia集按花瓣形狀分布，如圖10所示。

圖10 計算機繪制的具有花瓣的Julia集

2000年喬建永[16]證明了下述逆定理：在臨界點不回歸時，如果Julia集不是圓周、直線或有限段解析弧上的Cantor集，則其上的花瓣點一定是最終有理中性周期點。這個逆定理表明：可以通過觀察花瓣點來判斷動力系統(tǒng)簇連續(xù)演化的奇點。德國數(shù)學家Efendiev在Zbl MATH上評價上述逆定理為：The author gives a relation between a geometrical propery of J(R) and dynamical properties of R，這一評價指出了花瓣定理逆定理的工程應用的可能性。喬建永研究巷道圍巖位移變換簇Julia集的演化，基于上述逆定理給出圍巖穩(wěn)定性預警判據(jù)：具有有理中性不動點的位移變換為致災位移。花瓣彈塑性曲線為安全臨界曲線，如圖11所示。馬念杰等[17]通過工程實踐指出：蝶形塑性區(qū)對于沖擊地壓的發(fā)生極為敏感，完全符合喬建永的復動力系統(tǒng)結構不穩(wěn)定性論斷。喬建永、馬念杰等[18-20]還以此為理論基礎研究了更大范圍的地質缺陷問題。

圖11 花瓣彈塑性曲線為安全臨界曲線

為了驗證上述預警的可靠性和重要性，研發(fā)了基于貝葉斯網絡預測方法的礦井巷道動力能量搜索方法[21，22]，開發(fā)了應用軟硬件系統(tǒng)，證實了致災位移的顯著危害性。具體流程分為三個步驟：一是綜合地質區(qū)域動力規(guī)劃、采礦工程、貝葉斯網絡理論中的各種因素，生成巷道動力能量來源因果關系網絡圖；二是借助自主研發(fā)的采礦和地質數(shù)據(jù)采集、判別軟件系統(tǒng)，對網絡節(jié)點作分級先驗概率賦值，生成貝葉斯網絡；三是迭代網絡，生成最優(yōu)貝葉斯概率分布表，聚焦動力能量來源。該方法證實，在影響山東華豐礦巷道安全性的八大因素中，致災位移因素是影響安全最重要的因素。2020年SCIENCE刊文(Recommendations for Scientific Breakthroughs of Chinese Universities in 2020，SCIENCE，Vol.370，Issue 6523，18，Dec.2020)將上述應用成果評價為：首次發(fā)現(xiàn)了Kastner方程與復動力系統(tǒng)理論中Leau-Fatou花瓣定理逆問題的聯(lián)系，為隧道動力學研究開辟了一條全新的途徑。

因此，從動力學原理上看致災位移因素非常重要，在資源開采過程中就要規(guī)避這種位移。傳統(tǒng)的非連續(xù)開采技術在推進工作面的同時破壞了原有地應力場的連續(xù)性環(huán)境，使得致災位移存在的空間維度大幅度提升，給規(guī)避致災位移帶來巨大的隨機性和不確定性。而連續(xù)開采技術的最大優(yōu)勢就是保證了位移變換參數(shù)隨地應力場和相關數(shù)學模型的演變而連續(xù)變化。

4 連續(xù)開采的工程實例

4.1 東歡坨礦近距煤層群連續(xù)開采

以開灤集團東歡坨作為典型工程背景，8#煤層孤島煤柱位于-500水平中央采區(qū)，9號煤層的3093采煤工作面及8號煤層的2089工作面及其接續(xù)工作面都在水平大巷的西北側，8號煤層的2087工作面及2087南采煤工作面則在水平的東北側，上方無采掘工程。工作面標高-420～452m，地面標高16.9m。孤島煤柱走向長1816.1m，傾斜長75～105m，可采儲量83.5萬t，其空間關系如圖12所示。

圖12 煤層群及井巷空間關系

從圖12可以看出，-500m水平包括水平南翼運輸大巷與水平南翼軌道大巷，位于開采煤層下方，為了避免對下伏大巷造成嚴重破壞，在大巷上方留有煤體未進行開采，而實際上，所留煤體所受集中應力對下伏大巷影響較大，如圖13所示。如能在保證大巷維護的基礎上對上覆8#殘留煤體進行回收，不僅能夠提高該礦采出率、延緩深部開采速度以及可顯著改善下伏大巷長期承受高應力而破壞嚴重的現(xiàn)狀。

圖13 上覆煤層離散開采下伏軌道大巷圍巖變形破壞狀況

在對大巷圍巖承載與穩(wěn)定性的分析中，在巖體的開采過程中，圍巖會發(fā)生失穩(wěn)，導致原有應力重新分布。在因采動引起的圍巖應力重新分布過程中，底板的巖體會產生變形和發(fā)生破壞，同時，將引起底板巷道的圍巖變形。

對底板任一點應力分布建立力學模型，如圖14所示。

圖14 理論計算原理

在距離坐標原點ε處，取寬度為dε的區(qū)域，將此段上所受的力dp=q(ε)dε視為一個極小單元的力，靠彈性力學的理論，得出底板任意一點M(x，y)處所引起的力的大小為：

對上式求積分可以得到q(x)在邊界下部任意一點M(x，y)處引起的應力，即：

由于孤島煤柱兩側已采，可近似認為兩側引起的應力變化對稱，如圖15所示。

圖15 孤島工作面兩邊采空后的力學模型

將圖中按照編號進行區(qū)域劃分，共計劃分為10個部分，受篇幅所限推導過程不再贅述，按照得到的結果，利用公式：

求出最大、最小主應力σ1和σ3帶入摩爾-庫倫準則：

孤島煤柱兩側停采后底板應力值如圖16所示。從圖16中可以看出，孤島煤柱下方5～55m距離長期均處于應力集中的影響，大巷與底板的法向距離為47m，應力值近13MPa，這也是大巷經過反復維修仍然變形及破壞較大的根源問題，因此，在此基礎上提出了孤島煤柱回收、實現(xiàn)采區(qū)連續(xù)開采，從而對下伏巖層卸壓的思路。

圖16 底板任意一點應力值

理論研究與生產實踐表明，當對孤島煤柱進行回收，開采期間需要控制開采高度、速度等因素，避免劇烈采動影響造成下伏大巷的瞬時劇烈破壞。通過對大巷進行監(jiān)測，其頂?shù)装迮c兩幫變形曲線如圖17所示。上覆煤層連續(xù)開采后下伏大巷治理效果如圖18所示。

圖17 孤島煤柱開采前后下伏大巷圍巖變形曲線

圖18 上覆煤層連續(xù)開采后下伏大巷治理效果

從圖17中可以看出，當回收孤島煤柱時，工作面推進至測點前方約150m，大巷開始出現(xiàn)顯著變形，當工作面推過測點21.2m后，大巷變形趨于穩(wěn)定，當工作面推過136.4m后，大巷變形基本趨于穩(wěn)定，而這一階段大巷兩幫的最終變形量也僅僅為700mm，從圖18中可以看出，經過連續(xù)開采后，下伏兩條大巷治理效果良好，徹底根治了離散開采帶來的反復修問題。

這一實測結果證明了“連續(xù)開采”對于鄰近煤層或者下伏大巷具有“連續(xù)卸壓”的效果，一方面可以增加煤炭采出率，另一方面，可顯著改善煤層群開采過程中，上覆遺留煤柱造成鄰近層井巷工程造成干擾，甚至發(fā)生動力災害的現(xiàn)狀。

4.2 華豐煤礦4#沖擊煤層連續(xù)開采

新汶集團華豐煤礦4#煤層1411綜放工作面位于井田-1000水平一采區(qū)三區(qū)段，下為尚未開采的1412工作面。1411工作面已于2012年停產結束回采。華豐煤礦位于兩個全球性大斷裂——郯廬斷裂和昆侖斷裂交點處，另外，根據(jù)區(qū)域動力規(guī)劃方法[21]研究得出，1411工作面開采范圍內存在的6條斷裂也是采掘過程中導致沖擊地壓發(fā)生的重要地質因素。華豐煤礦4#煤層平均埋深960m，平均煤厚6.2m左右，平均傾角32°，具有強烈沖擊傾向性，其直接頂具有中等沖擊傾向性。1411工作面范圍內煤層節(jié)理裂隙較發(fā)育，表現(xiàn)為單軸抗拉強度與單軸抗壓強度之比較小(約為0.05)，易在支承壓力和覆巖彎曲回轉作用下產生破壞，1411工作面綜合柱狀圖如圖19所示。

圖19 1411工作面綜合柱狀圖

由于沖擊地壓絕大多數(shù)發(fā)生在最大應力區(qū)及應力梯度區(qū)內，因此可以將應力分布情況作為研究的目標考慮；另外，自然因素中的活動構造、頂板巖性、煤體結構、煤層傾角、煤層厚度以及開采深度可以歸類為不變因素；人為技術因素包括開拓方式和采煤方法，歸類于可變因素。因此，按照不變因素、可變因素以及最終的研究目標，提出“二因素動態(tài)統(tǒng)籌規(guī)劃思路”[22]，如圖20所示。

圖20 貝葉斯網絡關系

在圖20中，結合沖擊地壓發(fā)生八個主要因素與華豐煤礦地質、回采技術條件進行計算，應用貝葉斯公式構建貝葉斯網絡：

對網絡迭代(訓練)，聚焦關鍵因素包括活動構造B1、最大主應力B2、應力梯度B3、頂板巖性B4、煤體結構B5、煤層厚度B6、煤層傾角變化B7、致災位移B8對華豐礦沖擊地壓發(fā)生的權重值，見表1，從表1中可以發(fā)現(xiàn)，致災位移所占權重最高，其次為構造影響，再次為傾角。

表1 華豐礦八因素所占權重

通過貝葉斯網絡方法得出華豐礦沖擊地壓主因素為致災位移和構造影響，實際上這也是應力即能量的來源，可以將沖擊地壓問題簡化為“能量—路徑—對象”，礦井存在能量的前提下，通過一定的路徑，最終作用到對象上，即發(fā)生沖擊地壓問題。致災位移與構造是人為因素和自然因素，不能回避，實踐也表明，華豐煤礦沖擊地壓頻發(fā)，而上巷作為對象也必須存在，那么可以思考在路徑上如何切斷。華豐礦原4煤工作面布置如圖21所示。

1—工作面進風巷(下巷)；2—工作面回風巷(上巷)；3—接續(xù)工作面回風巷；4—煤柱圖21 華豐礦原巷道布置

結合圖21(a)與前述計算結果，華豐煤礦4煤為了解決沖擊地壓問題，煤柱尺寸先后經歷了“20m→7m→5m”發(fā)展歷程，也即從留煤柱護巷到沿空掘巷，但是沒有顯著降低沖擊地壓發(fā)生的頻率與危害，按照筆者的研究思路，上巷沖擊地壓發(fā)生的路徑包括頂板、煤柱，那么如果能夠切斷頂板與煤柱，必然可以降低甚至避免沖擊地壓的發(fā)生，因此，提出將下巷沿煤層頂板布置，也即“負煤柱”巷道布置的理念，如圖21(b)所示。在此基礎上，進一步結合貝葉斯網絡關系中的因素-巷道斷面與形狀，將巷道布置進一步調整，如圖22所示。

圖22 負煤柱巷道布置開采4#煤

從圖22可知，工作面間采用“負煤柱”布置方式，可實現(xiàn)4#煤層的連續(xù)開采，上巷布置在采空區(qū)下，借鑒分層開采下分層內錯式布置，僅僅承受上工作面垮落矸石的重量，且垮落的矸石形成墊層，以吸收能量、大變形為主要特征，從而徹底切斷了煤柱與頂板作為路徑對上巷應力集中的影響?，F(xiàn)場應用顯示，錯層位“負煤柱”巷道承載以垮落線下方破碎矸石形成的靜載為主。對華豐礦1411工作面該類巷道超前單體支柱載荷進行現(xiàn)場實測，超前20m范圍載荷僅在10～16.5MPa，僅為原巖應力的33%～55%，徹底消除了巷道動力災害發(fā)生的承載條件，實現(xiàn)了華豐礦“有震無災”這一顯著成果，連續(xù)開采前后巷道圍巖變形與破壞如圖23所示。

圖23 連續(xù)開采前后巷道圍巖穩(wěn)定性實況

4 結 論

基于國內外傳統(tǒng)井工開采壁式采煤體系因煤柱留設帶來的回采率、巷道維護以及對鄰近煤層、井巷的影響展開研究。目前國內沒有一種方法能綜合解決上述問題，因此筆者提出連續(xù)開采的技術思路，其目標是 “無煤-無柱”，具體包含空間連續(xù)開采和時間連續(xù)開采兩個方面技術。限于篇幅，本文以空間連續(xù)開采技術為重點，闡述了幾項工作面間連續(xù)開采與工作面推進方向連續(xù)開采的技術。

1)介紹了沿空掘巷、沿空留巷、110/N00工法與錯層位“負煤柱”四種采煤方法，客觀分析了四種方法的連續(xù)開采效果，指出110/N00工法與錯層位“負煤柱”屬于工作面間連續(xù)開采技術。

2)按照“工作面間完全無煤柱開采，推進方向與大巷或者上山之間完全無煤柱開采”的定義，設計出“沿空留巷末采無煤柱貫通上山”、“110/N00工法末采無煤柱貫通上山”和“錯層位‘負煤柱’末采無煤柱貫通上山”三種連續(xù)開采方法，它們均在空間上取消了開采區(qū)域井巷工程的保護煤柱。連續(xù)開采方法可顯著提高礦井采出率(保守估計提高10%以上)，同時避免單一煤層開采因煤柱帶來的巷道維護困難、甚至動力災害發(fā)生的問題。同時，可作為相鄰煤層的解放層，實現(xiàn)相鄰煤層應力的釋放，從而實現(xiàn)相鄰煤層井巷工程布置的“自由化”。

3)在揭示連續(xù)開采技術的動力學原理的基礎上，介紹了兩種工程背景下連續(xù)開采技術的具體應用，在我國普遍具有多煤層開采的礦井，分區(qū)、帶區(qū)之間不再留設保護煤柱。實踐證明，連續(xù)開采技術可顯著改善鄰近煤層、井巷工程的應力集中問題；進一步，在動力災害礦井實施連續(xù)開采，可有效切斷“能量—路徑—對象”中的路徑，有效解決沖擊地壓的難題。