高強(qiáng)度開(kāi)采條件下上行開(kāi)采頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究

何尚森，孫 闖

（1.中國(guó)煤炭工業(yè)協(xié)會(huì) 咨詢中心，北京 100013；2.煤炭科學(xué)研究總院 礦山大數(shù)據(jù)研究院，北京 100013；3.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013）

0 引 言

我國(guó)煤炭資源儲(chǔ)量豐富，分布廣泛[1]。由于不同地區(qū)地質(zhì)條件差異巨大，煤炭賦存的區(qū)域性差異顯著，影響開(kāi)采方式的選擇[2-6]。按照煤層開(kāi)采的先后順序，可以區(qū)分為下行開(kāi)采、上行開(kāi)采和上下煤層同時(shí)開(kāi)采3 種方式，其中下行開(kāi)采更符合煤層層間關(guān)系，具有初期投入少，可按順序探明煤層的優(yōu)勢(shì)[7-10]。位于我國(guó)西部地區(qū)的煤炭普遍具有圍巖較為堅(jiān)硬、煤層分布密集的特點(diǎn)，由于過(guò)去開(kāi)展的地質(zhì)勘探不夠精細(xì)，部分礦區(qū)存在已開(kāi)采煤層上方仍有可采煤層的情況，或由于開(kāi)采技術(shù)制約、沖擊地壓風(fēng)險(xiǎn)、經(jīng)濟(jì)效益等因素影響而選擇優(yōu)先開(kāi)采了下部煤層，繼而采用上行開(kāi)采方式組織上部煤層的生產(chǎn)[10-13]。

在采用上行開(kāi)采方式生產(chǎn)時(shí)，有時(shí)下部煤層并非完全處于采空狀態(tài)，因此上部煤層開(kāi)采時(shí)，工作面可能需要經(jīng)歷上行開(kāi)采和非上行開(kāi)采之間的切換[14-15]。根據(jù)工作面和下部采空區(qū)的位置關(guān)系，可將開(kāi)采過(guò)程細(xì)分為3 個(gè)階段：進(jìn)采空區(qū)上方前—位于采空區(qū)上方—出采空區(qū)上方后。處于不同開(kāi)采階段的工作面生產(chǎn)條件差異巨大，在進(jìn)入下一開(kāi)采階段前工作面需要預(yù)先做好充分的生產(chǎn)調(diào)整，而目前針對(duì)上部煤層在不同階段間轉(zhuǎn)換的研究較少。本文結(jié)合實(shí)際工程背景，采用相似模擬和數(shù)值模擬相結(jié)合的方式，研究上行開(kāi)采工作面從非上行開(kāi)采過(guò)渡到上行開(kāi)采的判別特征及頂板結(jié)構(gòu)演化規(guī)律，為上行開(kāi)采時(shí)工作面所處開(kāi)采階段的判斷提供依據(jù)。

1 概 況

新疆龜茲礦井可采煤層5 層，其中A6-1 和A6 煤層埋深較近，屬于近距離煤層。由于開(kāi)采條件和開(kāi)采技術(shù)等原因限制，該礦優(yōu)先開(kāi)采位于下部的A6 煤層部分區(qū)域。A6 煤層平均厚度為4.7 m，上部基本頂主要為石英砂巖，直接頂為2.5 m 厚的葉片粉狀砂巖，巖層結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，開(kāi)采區(qū)域工作面采用大采高一次采全高方式開(kāi)采，生產(chǎn)強(qiáng)度大，對(duì)煤層頂板產(chǎn)生較大的破壞。

對(duì)在完成下部A6 煤層的A601～A603 工作面開(kāi)采并待圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后，需要開(kāi)始對(duì)上部A6-1煤層的開(kāi)采，兩煤層間距為14～19 m，平均間距17 m，中間巖層為礫巖、粗砂巖、中砂巖，其中中砂巖約占層間厚度的78%，經(jīng)過(guò)測(cè)定，中砂巖平均單軸抗壓強(qiáng)度為91.1 MPa，為極堅(jiān)硬巖層。A6-1 煤層厚度為3.2～7.5 m，厚度變化較小，平均為5.0 m，煤層傾角10°，采用大采高綜放開(kāi)采方式生產(chǎn)，由于上部煤層工作面并非完全位于采空區(qū)上方，再開(kāi)采過(guò)程中需要經(jīng)歷不同開(kāi)采環(huán)境的過(guò)渡轉(zhuǎn)換，開(kāi)采難度較大。

2 上部煤層工作面推進(jìn)全過(guò)程相似模擬試驗(yàn)研究

2.1 相似模擬方案

為探究上行開(kāi)采工作面位于不同階段時(shí)的頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律，以A6-103 工作面為工程背景，進(jìn)行相似模擬試驗(yàn)研究。試驗(yàn)基于實(shí)際工程條件并做出適當(dāng)簡(jiǎn)化，設(shè)計(jì)相似比為1∶150，容重比為0.6，將上行開(kāi)采工作面推進(jìn)全過(guò)程按3 個(gè)不同階段設(shè)計(jì)3組試驗(yàn)，按照試驗(yàn)方案首先開(kāi)挖模型的下部煤層，待模型穩(wěn)定后開(kāi)采上部煤層，3 組試驗(yàn)的方案如圖1 所示。圖1（a）為試驗(yàn)方案1，研究上部煤層工作面處于“進(jìn)采空區(qū)上方前”階段時(shí)的頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律；圖1（b）為試驗(yàn)方案2，研究上部煤層工作面“位于采空區(qū)上方”階段時(shí)的頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律；圖1（c）為試驗(yàn)方案3，研究上部煤層工作面處于“出采空區(qū)上方后”階段時(shí)的頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

圖1 三組相似模擬試驗(yàn)開(kāi)挖示意Fig.1 Excavation schematic diagram of three sets of similar simulation tests

2.2 “進(jìn)采空區(qū)上方前”階段頂板結(jié)構(gòu)演化規(guī)律

圖2 為試驗(yàn)方案1 的相似模型，在完成下部煤層開(kāi)挖后，已開(kāi)挖煤層采空區(qū)上方形成穩(wěn)定的垮落區(qū)域，上部煤層從距離下部采空區(qū)水平距離80 m處開(kāi)挖，逐步向靠近采空區(qū)的方向推進(jìn)。由圖3 可以看出，在工作面推進(jìn)12、36 和48 m 時(shí)，工作面上方厚度為2 m 的泥巖隨工作面向前推進(jìn)逐步發(fā)生垮落，而泥巖以上的區(qū)域未發(fā)生明顯變化，頂板結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定；當(dāng)工作面推進(jìn)72 m 時(shí)，泥巖上部巖層發(fā)生明顯彎曲，頂?shù)装彘g距縮小但未接觸，頂板仍沒(méi)有發(fā)生破斷，工作面底板也未出現(xiàn)明顯的底鼓現(xiàn)象。整體而言，在未進(jìn)入采空區(qū)上方時(shí)，上部煤層工作面頂板變化均勻，未受到前方采空區(qū)域的影響，工作面上方覆巖移動(dòng)規(guī)律與一般方式布置的工作面相比無(wú)明顯差異。

圖2 “進(jìn)采空區(qū)上方前”階段相似模擬模型Fig.2 Similar simulation model during the stage of"before entering the goaf"

圖3 “進(jìn)采空區(qū)上方前”階段頂板結(jié)構(gòu)演化Fig.3 Roof structure evolution of during the stage of"before entering the goaf"

2.3 “位于采空區(qū)上方”階段頂板結(jié)構(gòu)演化規(guī)律

圖4 為試驗(yàn)方案2 的相似模型，下部煤層開(kāi)挖170 m 后頂板巖層發(fā)生垮落，上部煤層工作面開(kāi)切眼設(shè)置在下部煤層采空區(qū)左端垂線上。由圖5（a）可知，當(dāng)上行工作面推進(jìn)12 m 時(shí)，工作面尚未進(jìn)入下部煤層開(kāi)挖形成的垮落區(qū)，采空區(qū)未發(fā)生明顯的彎曲變形；當(dāng)工作面繼續(xù)向前推進(jìn)，上部煤層工作面進(jìn)入原有垮落區(qū)域，由于巖層本身已發(fā)生破壞，穩(wěn)定性較差，頂板隨工作面推進(jìn)而逐步垮落，由圖5（b）可知，在推進(jìn)至72 m 時(shí)，工作面上方巖層發(fā)生整體失穩(wěn)，從原有采空區(qū)裂隙處斷裂，出現(xiàn)大范圍的垮落，老頂尚未破斷，但已經(jīng)出現(xiàn)斷裂裂隙，工作面后方頂板形成典型的組合懸臂梁結(jié)構(gòu)；工作面繼續(xù)向前推進(jìn)，頂板破斷范圍持續(xù)擴(kuò)大，如圖5（c）所示，當(dāng)推進(jìn)至144 m 時(shí)，工作面上方懸臂梁結(jié)構(gòu)發(fā)生斷裂，基本頂破斷形成了“鉸接巖梁”結(jié)構(gòu)，工作面底板原有裂隙受到上部垮落塊體的壓實(shí)作用，出現(xiàn)一定程度的閉合；如圖5（d）所示，當(dāng)繼續(xù)推進(jìn)至276 m 時(shí)，工作面已離開(kāi)采空區(qū)上方區(qū)域，此時(shí)工作面頂板結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，未發(fā)生整體變形破斷，而在工作面后方，原有破壞范圍內(nèi)未發(fā)生完全斷裂的頂板此時(shí)已全部垮落，覆巖裂隙充分發(fā)育，對(duì)比上部工作面未開(kāi)挖和工作面開(kāi)挖276 m 時(shí)的覆巖結(jié)構(gòu)，可以發(fā)現(xiàn)在上部工作面開(kāi)挖之后，原有破壞區(qū)域的破壞程度大幅增加，破環(huán)范圍也存在一定程度的增大?？傮w而言，上部煤層工作面在進(jìn)入采空區(qū)上方后，推進(jìn)不同距離時(shí)頂板破斷的長(zhǎng)度也不同，但均比進(jìn)入采空區(qū)上方前大幅縮短。同時(shí)，上部巖層斷裂形態(tài)主要以近乎垂直的縱向斷裂為主，而一般工作面開(kāi)采引起的頂板巖層斷裂以斜縱斷裂線為主。

圖4 “位于采空區(qū)上方”階段相似模擬模型Fig.4 Similar simulation model during the stage of"located above the goaf"

圖5 “位于采空區(qū)上方”階段頂板結(jié)構(gòu)演化Fig.5 Roof structure evolution during the stage of"above the goaf"

2.4 “出采空區(qū)上方后”階段頂板結(jié)構(gòu)演化規(guī)律

如圖6 所示，為試驗(yàn)方案3 的相似模型，下部煤層開(kāi)挖125 m 待模型穩(wěn)定后，從采空區(qū)右端垂線位置開(kāi)挖上部煤層。從圖7 中可知，上部煤層工作面推進(jìn)12 m 時(shí)，工作面頂板結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，未隨工作面推進(jìn)而發(fā)生明顯垮落情況，工作面上方頂板形成大組合懸臂結(jié)構(gòu)，懸臂結(jié)構(gòu)的末端與下部煤層開(kāi)挖形成的裂隙基本重合；繼續(xù)推進(jìn)至36 m 時(shí)，工作面上方原有的懸臂結(jié)構(gòu)發(fā)生破斷，部分巖層切落失穩(wěn)，出現(xiàn)新的巖層斷裂線，使原有裂隙區(qū)域大幅增加，但此時(shí)工作面上方巖層還未出現(xiàn)整體性失穩(wěn)；當(dāng)推進(jìn)至60 m 時(shí)，工作面上方巖層已發(fā)生整體失穩(wěn)，新形成的巖層斷裂線進(jìn)一步向外、向上擴(kuò)展，已與原有裂隙區(qū)域頂部貫通；當(dāng)推進(jìn)至120 m時(shí)，雖然新形成斷裂線繼續(xù)擴(kuò)大，但巖層破斷的程度降低，工作面上方巖層未出現(xiàn)整體性切落，分析易知，工作面后方已破斷巖層對(duì)新形成的破斷結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了水平擠壓作用，使新破斷的巖層能夠形成“鉸接巖梁”結(jié)構(gòu)，裂隙發(fā)育程度較低。當(dāng)上部工作面繼續(xù)向前推進(jìn)，工作面上方頂板將不再發(fā)生整體失穩(wěn)，與一般開(kāi)采工作面沒(méi)有顯著差異。

圖6 “出采空區(qū)上方后”階段相似模擬模型Fig.6 Similar simulation model during the stage of"after exiting the goaf"

圖7 上部煤層工作面出上行開(kāi)采區(qū)時(shí)頂板結(jié)構(gòu)Fig.7 Roof structure of upper coal seam after exiting the goaf

3 結(jié) 論

（1）上部煤層工作面在未進(jìn)入采空區(qū)上方之前，工作面頂板結(jié)構(gòu)演化規(guī)律與一般工作面無(wú)明顯差異，但在工作面位于接近采空區(qū)的位置時(shí)，頂?shù)装瀹a(chǎn)生的破壞范圍和程度均出現(xiàn)一定幅度的增大。

（2）當(dāng)上部煤層工作面進(jìn)入采空區(qū)上方區(qū)域，由于此區(qū)域內(nèi)巖層結(jié)構(gòu)已發(fā)生過(guò)垮落破壞，穩(wěn)定性較差，受到上行工作面的采動(dòng)影響，原有裂隙進(jìn)一步擴(kuò)大，部分區(qū)域頂板發(fā)生整體失穩(wěn)垮落。尤其在剛進(jìn)入采空區(qū)上方時(shí)，基本垮落步距大幅減小，頂板巖層破壞嚴(yán)重，裂隙極度發(fā)育。

（3）當(dāng)上部煤層工作面離開(kāi)采空區(qū)上方區(qū)域，工作面圍巖穩(wěn)定性再次發(fā)生顯著變化，在剛出采空區(qū)域時(shí)，工作面上方頂板形成“大組合懸臂梁”結(jié)構(gòu)，懸臂梁結(jié)構(gòu)上方巖層未發(fā)生明顯破壞，而隨著工作面不斷向前推進(jìn)，懸臂梁結(jié)構(gòu)破斷垮落，其上方巖層也隨之發(fā)生切落破壞，原有的破壞區(qū)域發(fā)生大幅擴(kuò)大。當(dāng)工作面繼續(xù)向前推進(jìn)，工作面頂板結(jié)構(gòu)變化逐漸減小并趨于穩(wěn)定，與一般工作面無(wú)明顯差異。

（4）在實(shí)際生產(chǎn)中，由于工作面在開(kāi)采過(guò)程中需中需要在不同圍巖穩(wěn)定性環(huán)境中過(guò)渡，需要在過(guò)渡轉(zhuǎn)換期間采取適當(dāng)措施，提高工作面圍巖穩(wěn)定性，保障生產(chǎn)安全。