關(guān)鍵層影響下采空區(qū)側(cè)向覆巖結(jié)構(gòu)及合理煤柱寬度研究

曹海濤 王曉東

（陜西郭家河煤業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721500）

郭家河煤礦主采3#煤層，1305工作面皮帶巷與回風(fēng)順槽礦壓顯現(xiàn)發(fā)生明顯強(qiáng)弱不一致的現(xiàn)象，主要是由于回風(fēng)側(cè)毗鄰1303采空區(qū)區(qū)段煤柱寬度不合理造成的，而特厚煤層一次性出煤厚度大、煤層上覆賦存近距離關(guān)鍵層等因素則加劇了側(cè)方采動(dòng)應(yīng)力對(duì)本工作面回采巷道的影響程度。因此，研究關(guān)鍵層影響下采空區(qū)側(cè)向覆巖結(jié)構(gòu)作用機(jī)理，分析合理區(qū)段煤柱寬度范圍，避免或減小側(cè)方采空區(qū)覆巖懸頂對(duì)本工作面礦壓顯現(xiàn)造成的影響，對(duì)于維護(hù)回采巷道圍巖穩(wěn)定、保證工作面安全高效開(kāi)采，具有非常重要意義。

1 工作面?zhèn)认蚋矌r空間結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律

當(dāng)煤柱一側(cè)已開(kāi)采完畢形成采空區(qū)，而另一側(cè)為待采工作面，本工作面一側(cè)順槽則位于臨側(cè)采空區(qū)邊緣。1305面兩巷超前支撐壓力呈現(xiàn)出明顯的不對(duì)稱性，回風(fēng)順槽一側(cè)采動(dòng)應(yīng)力峰值及其分布范圍都要明顯高于皮帶順槽一側(cè)。在特厚煤層放頂煤開(kāi)采及存在堅(jiān)硬厚頂板的特殊條件下，1305工作面回風(fēng)順槽受上覆巖層空間結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響極為敏感。

工作面回采后，工作面采空區(qū)上方巖層隨工作面推進(jìn)不斷垮落，基本頂在上覆巖層的作用下呈現(xiàn)周期性破斷，造成基本頂不斷垮落，形成“O-X”破斷。破斷基本頂?shù)膸r塊也隨著工作面推進(jìn)沿走向方向形成砌體梁結(jié)構(gòu)，而在工作面兩側(cè)靠近煤柱區(qū)域不能完全垮落，形成三角區(qū)塊。其發(fā)生失穩(wěn)后的運(yùn)移規(guī)律和穩(wěn)定性會(huì)對(duì)區(qū)段煤柱的煤體有直接影響，對(duì)下一區(qū)段的回采巷道穩(wěn)定性有較大影響。

根據(jù)覆巖垮落形式的剪切破壞和拉彎破壞條件，得出郭家河煤礦1305工作面基本頂巖層發(fā)生的是剪切破壞（滑落失穩(wěn)），關(guān)鍵層1發(fā)生拉彎破壞（回轉(zhuǎn)失穩(wěn)），關(guān)鍵層2承載結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不發(fā)生任何形式的失穩(wěn)。

綜放工作面回采后直接頂垮落，基本頂隨之發(fā)生周期破斷，在采空區(qū)上方及三角區(qū)域發(fā)生下沉、失穩(wěn)，達(dá)到充分采動(dòng)后，在采空區(qū)上方形成如圖1中所示的類似結(jié)構(gòu)，由多個(gè)塊段鉸接在一起，稱之為鉸接梁。其鉸接結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與巖石碎漲系數(shù)（即充填程度）和基本頂破斷的結(jié)構(gòu)（長(zhǎng)度、厚度等）有直接關(guān)系。

圖1 沿空順槽覆巖結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)圖

從圖中可以看出，位于中間連接兩側(cè)的巖塊B起到?jīng)Q定作用，對(duì)于整個(gè)梁的穩(wěn)定性有直接影響。該區(qū)塊的尺寸主要受四個(gè)因素的影響：塊體走向方向的長(zhǎng)度L1、塊體傾斜方向的長(zhǎng)度L2、區(qū)塊的巖層厚度h和斷裂位置X。

（1）L1的確定

巖塊B的走向長(zhǎng)度就是基本頂?shù)闹芷趤?lái)壓步距L1，通過(guò)下列公式可以求得：

式中：

h-基本頂厚度，m；

Rt-基本頂巖層的抗拉強(qiáng)度，MPa；

q-覆巖作用于鉸接梁的平均載荷，MN/m2。

同樣，關(guān)鍵層1周期斷裂步距算得為52.91m。

（2）L2的確定

L2主要與工作面長(zhǎng)度S和基本頂?shù)闹芷趤?lái)壓步距L1直接相關(guān)，可以通過(guò)下列公式求出：

由上式計(jì)算得出郭家河煤礦1305面基本頂側(cè)向斷裂跨度L2=16.38m，關(guān)鍵層1側(cè)向斷裂跨度L2=50.57m。

（3）厚度h的確定

巖塊B的厚度h就是基本頂或者關(guān)鍵層巖層的厚度，其中基本頂巖層厚度為10.1m，關(guān)鍵層1巖層厚度為12m。

（4）斷裂位置X

基本頂在傾斜方向上的煤柱側(cè)的斷裂位置決定了下一個(gè)區(qū)段回采巷道的穩(wěn)定性。如果斷裂位置位于煤柱中間，且未到達(dá)下一區(qū)段回采巷道頂板上方，那么基本頂破斷后形成的鉸接梁就作用在煤柱內(nèi)，對(duì)于回采巷道的留設(shè)影響較小；如果斷裂位置在下一區(qū)段回采巷道頂板或者超過(guò)巷道上方，那么下一區(qū)段的回采巷道受到整鉸接梁的壓力，巷道維護(hù)困難。巖塊B在傾斜方向上的長(zhǎng)度L2由巖塊B的梁端在采空區(qū)內(nèi)的支點(diǎn)位置Y到巖塊B另一個(gè)梁端的位置決定，而整個(gè)巖塊B理論上橫跨采空區(qū)到下一區(qū)段的回采工作面的幫部，具體如圖2所示。影響兩個(gè)梁端位置的因素主要有圍巖的原巖應(yīng)力狀態(tài)、巖層的巖性、煤層的厚度及直接頂和基本頂?shù)牧W(xué)性質(zhì)、厚度等。Y點(diǎn)距離工作面的回采巷道的幫部約3～5m，另外綜放工作面的端頭有5個(gè)過(guò)渡支架無(wú)法放煤，使得Y點(diǎn)進(jìn)一步向采空區(qū)中部移動(dòng)。根據(jù)郭家河煤礦的實(shí)際條件，支架中心距為1.75m，則Y點(diǎn)要向采空區(qū)中部偏移8.75m，即距離工作面回采巷道將要達(dá)到12～14m。如圖3所示。

L2-Y-b=X+a

式中：

L2-上覆巖層B巖塊側(cè)向破斷距，基本頂為16.38m，關(guān)鍵層1為50.57m；

b-巷道寬度，為5.5m；

a-區(qū)段煤柱寬度，m。

圖2 斷裂位置X與相關(guān)參數(shù)關(guān)系示意圖

由此得出，在基本頂巖層影響下X+a=0.12m，在關(guān)鍵層1影響下X+a=34.07m。

由以上分析可知，側(cè)向沿空順槽礦壓顯現(xiàn)主要受上覆巖層關(guān)鍵巖塊B的影響，而關(guān)鍵巖塊B的某些參數(shù)又決定了順槽礦壓顯現(xiàn)的強(qiáng)烈程度。通過(guò)上述分析，如果下一區(qū)段巷道不受巖塊B的影響，則其斷裂位置必須在回采巷道的采空區(qū)側(cè)，那么X＜0，可以推出在基本頂巖層影響下a＞0.12m；在關(guān)鍵層1影響下a＞34.07m。現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)踐中煤柱寬度為20m，由此可見(jiàn)，郭家河煤礦1305回風(fēng)順槽受側(cè)向采空影響的主要覆巖為關(guān)鍵層1，基本頂巖層影響不大。

現(xiàn)場(chǎng)采動(dòng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，1305回風(fēng)順槽一側(cè)受側(cè)向支承壓力影響強(qiáng)烈，同時(shí)結(jié)合郭家河煤礦1305面上覆巖層賦存特征（距煤層較近的含堅(jiān)硬厚頂板）及開(kāi)采特征（一次性采煤高度較大），推斷區(qū)段煤柱上方直接頂較薄，側(cè)向1303采空區(qū)充填不實(shí)，致使關(guān)鍵層1的巖塊B發(fā)生懸頂。區(qū)段煤柱及1305回風(fēng)順槽圍巖則處于高應(yīng)力集中區(qū)。因此，保證關(guān)鍵層1能夠充分破斷垮落，將對(duì)緩減區(qū)段煤柱壓力、1305回風(fēng)順槽礦壓顯現(xiàn)具有決定性作用。

2 特厚煤層區(qū)段煤柱合理留設(shè)寬度研究

合理區(qū)段煤柱寬度的留設(shè)是保證回采巷道圍巖穩(wěn)定的根本性措施。合理的煤柱留設(shè)寬度：一是能夠保持圍巖穩(wěn)定、側(cè)向關(guān)鍵巖塊B斷裂位置在煤柱內(nèi)的大煤柱留設(shè)方案；二是能夠使側(cè)方支承壓力峰值點(diǎn)位于工作面煤壁內(nèi)，而區(qū)段煤柱內(nèi)為應(yīng)力降低區(qū)的小煤柱留設(shè)方案。結(jié)合實(shí)際地質(zhì)條件綜合考慮災(zāi)害治理等因素，此區(qū)域適合采用大煤柱留設(shè)方案。根據(jù)上述分析，關(guān)鍵層1充分破斷的區(qū)段煤柱尺寸a＞34.07m，選取區(qū)段煤柱尺寸為35m作為最小的側(cè)向關(guān)鍵巖塊B斷裂位置在煤柱內(nèi)的大煤柱留設(shè)方案。

為了確定選定的煤柱尺寸對(duì)下一區(qū)段回采巷道的影響較小，運(yùn)用FLAC3D軟件分析兩個(gè)區(qū)段工作面回采對(duì)于煤柱的影響程度。模擬時(shí)煤柱寬度35 m，在回采前方設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)，主要分析該截面上的煤柱應(yīng)力變化情況及彈塑性區(qū)變化演化情況。

煤柱兩側(cè)的工作面推進(jìn)一段時(shí)間后，讓其均達(dá)到充分采動(dòng)狀態(tài)，結(jié)果顯示煤柱內(nèi)仍有17m寬的彈性區(qū)，煤柱內(nèi)應(yīng)力分布形式近似“馬鞍形”。由此，可以在煤柱寬度達(dá)到35m時(shí)，整個(gè)煤柱的完整性保持較好，基本不可能發(fā)生上覆巖層及煤柱的失穩(wěn)。如圖3所示，右側(cè)工作面巷道的垂直位移最大為14.6cm，水平位移最大也只有5cm，兩側(cè)巷道均保持良好狀態(tài)，能夠達(dá)到巷道穩(wěn)定性要求。煤柱寬度較大，煤柱絕大部分在其極限載荷下工作，即彈性區(qū)很大，煤柱非常穩(wěn)定。

圖3 超前斷面順槽變形情況

綜合理論分析與數(shù)值模擬結(jié)果，結(jié)合實(shí)際的水文地質(zhì)條件，實(shí)際開(kāi)采時(shí)留設(shè)的大煤柱應(yīng)為35m左右。

3 工業(yè)性試驗(yàn)

為了觀測(cè)1307回風(fēng)順槽在選定35m區(qū)段煤柱條件下的變形情況，檢驗(yàn)護(hù)巷煤柱尺寸是否合理，在巷道掘進(jìn)過(guò)程中布置測(cè)站，對(duì)圍巖表面位移及頂板離層進(jìn)行分析。每個(gè)測(cè)站布置四個(gè)測(cè)點(diǎn)。

1307 回風(fēng)順槽自回采起至工作面推過(guò)200m后停止觀測(cè)，巷道表面位移及圍巖變形速率見(jiàn)圖4。

圖4 巷道圍巖移進(jìn)量及圍巖變形速率

從圖中可以看出，巷道圍巖變形得到明顯控制，回風(fēng)順槽兩幫移近量為266mm，頂?shù)装逡平繛?70mm，尤其采用錨索支護(hù)使煤柱幫變形得到了有效控制，頂板下沉量也進(jìn)一步減小，為79mm，圍巖變形速率最大值為17mm/d。綜上，35m區(qū)段煤柱可以解決兩幫及頂板變形嚴(yán)重的問(wèn)題，能夠有效控制巷道圍巖。

4 結(jié)論

（1）關(guān)鍵層1當(dāng)中的B巖塊對(duì)側(cè)向覆巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性起主導(dǎo)和控制作用，是導(dǎo)致兩巷礦壓顯現(xiàn)不同的根源。在關(guān)鍵層1懸頂條件下，保證1305回風(fēng)順槽礦壓顯現(xiàn)較小的煤柱寬度應(yīng)＞34.07m。

（2）郭家河煤礦特厚煤層綜放開(kāi)采近距離關(guān)鍵層的影響下，區(qū)段合理大煤柱寬度為35m左右，維護(hù)回采巷道穩(wěn)定性的布置方式采用大煤柱護(hù)巷，煤柱寬度不小于35m。

（3）通過(guò)在1307工作面與1305工作面留設(shè)35m區(qū)段煤柱，對(duì)1307工作面回采達(dá)到充分采動(dòng)后實(shí)測(cè)巷道的變形情況及巷道壓力顯現(xiàn)情況，得出35m的區(qū)段煤柱能夠達(dá)到護(hù)巷目的，保證工作面正常生產(chǎn)。