深部大采高工作面沿空開采覆層運動規律研究

李 磊，雷照源，馬龍濤

(陜西黃陵二號煤礦有限公司，陜西 延安 727307)

0 引言

為了滿足由新時代下國內主要矛盾的轉化對能源的大量需求，煤炭資源開采已經向深部邁進。深部開采中地質結構復雜，應力傳播發生明顯變化，給煤炭開采帶來了巨大的挑戰[1-3]。自重應力隨埋深的增加而增大，覆巖賦存特點及運動規律則決定了采動應力的分布特征。尤其在覆巖結構變化大、采場范圍變大等條件下，更易造成工作面動力災害發生。同一盤區下開采的工作面一般以沿空開采為主。工作面回采前的靜應力不但受到本工作面范圍內覆巖的影響外，同時受到已采相鄰工作面覆巖的影響，導致工作面兩巷底鼓量大、工作面掉矸片幫。因此，聚焦深部大采高采場進行沿空采場覆巖運動規律的研究具有現實必要性。

為解決深部條件下的安全高效生產遇到的實踐問題，眾多專家學者通過地質條件調查、理論分析、數值計算、現場檢測等，確定了極限深度范圍和深部開采的臨界點[4-5]；較為系統的研究了深部“三高一擾動”的復雜力學環境及工程災害演化特點[6-7]，深部巖石大變形、拱形式的卸荷破壞區特點[8-9]，闡明不同類型的動靜組合加載力學機制[10-11]，深度研究了對巖石力學行為的影響和動力失穩的能量特征與判別標準[12-13]。隨著開采尺度加大所形成的大空間結構，工作面以沿空開采的模式進行重復更迭。在沿空開采、煤柱留設及賦存條件下，頂板高位結構破斷回轉、應力集中更復雜，采場礦壓顯現更強烈。

借鑒前人研究經驗及成果，以陜西黃陵二號井四盤區大采高工作面為背景，根據深部大采高采場特性，進行沿空采場覆巖運動及礦壓分布規律的研究，為深部大采高采場的“安全-高效-科學”開采提供依據。

1 工程背景

1.1 煤層賦存概況

陜西黃陵二號煤礦位于黃隴礦區中部，是黃隴礦區主力生產礦井，生產能力為8.0 Mt/a。礦井初期普查勘探結果，四盤區開采范圍內的2號煤層傾角一般1°～5°，煤層屬穩定-較穩定煤層；盤區內地表標高+1 157～+1 364 m，井下標高+711～+732 m，平均埋深約620 m。煤層柱狀圖如圖1所示，煤層賦存特征，煤層上覆巖層依次為細砂巖、粉砂巖相互交替疊加，覆巖上部有183.7 m的中砂巖，圍巖特征見表1。

表1 煤層頂底板特性

圖1 煤層柱狀圖

1.2 生產布局

二號煤礦四盤區為單翼開采，依次回采414、416、418這3個工作面，各工作面走向長度2 632 m，傾斜長度約300 m，平均采高分別為4.0 m、6.0 m、6.0 m。工作面留設的安保煤柱為40 m；進、回風巷道尺寸分別為4.6 m×3.8 m、5.4 m×3.6 m。選用長壁后退式一次采全高的采煤法。416、418工作面選用ZYT12000/28/63D的支架，共計175臺。

416工作面開采穩定后產生的側向支撐直接影響418工作面在開采初期的靜應力和覆巖運動情況。受深部大采高采場的影響，擾動下的巖層得到較大的活動空間。隨著開采的加劇，在深部、大采高采場、沿空等條件下，覆巖內部裂隙發育、裂隙演化程度高，造成頂板突然失穩，形成強礦壓。

2 模型建立

工作面類型分別為首采、沿空開采、孤島開采。沿空開采下不同埋深的巖層作用工作面圍巖的力，是引發工作面動力災害的根本原因。覆巖運動自下往上的運動依次為垮落層Mk(Ⅰ)、加載層Mj(Ⅱ)、遠場層My(Ⅲ)，如圖2所示。

圖2 采場更迭演化示意

根據巖層賦存特點，建立如圖3所示的FLAC3D三維數值模型。模型尺寸為1 500 m×550 m×570 m，四周及底部固定，工作面模擬至平均地表。模型設計三個工作面，邊界煤柱分別為200 m、320 m，工作面安保煤柱35 m；根據深部“三層”對模型進行劃分，采用Mohr-Coulomb計算準則，圍巖力學參數見表2。

圖3 數值計算模型

表2 圍巖力學參數

依次開挖模擬414、416、418工作面，分析深部大采高沿空采場覆巖運動規律。沿計算模型Y方向260 m取切片，分析受工作面不斷更迭下覆巖運動規律。

3 覆巖運動規律分析

3.1 416工作面開采特征

416工作面回采達到穩定后，覆巖整體的塑性破壞如圖4所示。受414工作面影響，416工作面形成“拱”結構偏向工作面后端；不斷向上演化。工作面兩端及其覆巖以剪切破壞為主；工作面上部巖層及My層160 m處為屈服破壞；工作面兩端的覆巖演化邊界約60°。

圖4 416工作面回采特征

分別提取深部“三層”對應的應力分布特征，分析“Mk、Mj、My”各類巖層的應力分布情況，如圖5～7所示。隨著巖層的垮落，“Mk”之前承載的力向煤層方向發生轉移，并且煤層聚集了大量的能量。側向應力峰值距工作面約40 m，工作面末端相對擾動應力較大、儲能較高，如圖5所示。“Mj”的原巖應力和擾動應力均小于“Mk”。隨著“Mk”層的垮落后“Mj”巖層失去支撐，在自重和“My”的作用下，發生撓曲變形。95 m、185 m細砂巖的原巖應力分別約為9.8 MPa、7.5 MPa，支承應力邊界分別約為10.29 MPa和7.875 MPa。

圖5 “Mk”粉砂巖擾動應力分布特征

受采動影響，如圖6所示。95 m處細砂巖兩工作面靠煤柱側約30 m處進入應力釋放最低區；185 m處細砂巖卸壓區應力值均大于0 MPa。深部大采高工作面擾動應力的變化特征見表3，95 m處的細砂巖受“Mk”層的垮落影響明顯劇烈。

圖6 “Mj”擾動應力分布特征

表3 擾動應力變化特征

“My”相對其他巖層的厚度大、穩定性高。此處原巖應力約為3.9 MPa，支承應力邊界約為4.095 MPa。煤層采出后的巖層由下向上受到擾動，如圖7所示。“My”中砂巖呈現緩“V”型分布特征，擾動范圍在4.6～1.55 MPa，相差3.05 MPa。由此表明，“My”層將自重平均作用在“Mj”層上，并具有穩定性；同時有效遏制應力傳遞，阻止地表運動。

圖7 “My”砂巖擾動應力分布特征

3.2 418工作面開采特征

隨著盤區開采范圍增大，覆巖運動進一步加劇。418工作面回采達到穩定后，其開采特征與工作面416相似，覆巖整體的塑性破壞如圖8所示。工作面更迭加劇，覆巖整體呈現對稱的“拱”形塑性破壞，現工作面及已開采煤層兩端依舊是以剪切破壞為主。418工作面開采穩定后，414、416、418工作面覆巖分別向工作面更迭方向、工作面中部、工作面末端運動，整個覆巖擾動更劇烈；工作面兩端的覆巖演化邊界約60°。“Mk、Mj、My”的運動方式與416工作面開采后相似。

圖8 418工作面回采特征

418工作面開采穩定后，應力峰值大于40 MPa；工作面中部約240 m范圍內均處于卸壓區。工作面上部185 m擾動應力整體呈現“凹”型的對稱分布，從工作面215～1 135 m處于卸壓區，應力值基本在0 MPa附近。“My”層的擾動應力分布完全起到調控下部巖層運動和保證工作面應力釋放位置的保障。

4 現場驗證

4.1 鉆孔窺視檢測

現場選用YZT-Ⅱ型巖層鉆孔探測儀，在418工作面上隅角前方5 m處垂直向上進行探測，有效探測高度35 m。分別截取探測深度1 m、5 m、10 m、15 m、23 m、30 m處的圖像，如圖9所示。頂板10 m范圍內裂隙發育，頂板巖層較為破碎，15 m、23 m處出現小離層和貫通裂隙現象，30 m處巖層裂隙繼續向上部演化。由此可知：受煤層開采擾動，頂板運動劇烈，直接為工作面來壓提供力源；在“Mj”巖層的作用下，加劇頂板裂隙向上演化，作用在“Mk”層上，造成工作面動力災害發生。

圖9 工作面頂板擾動情況

4.2 支架壓力檢測

支架利用SAC液壓電液控系統自動監測工作面推進過程中支架的工況。支架初撐力設定為27.5 MPa。分別統計416工作面1～2月和418工作面1月的支架工作阻力。受414工作面影響，416工作面1～2月工作面壓力分布如圖10所示。

圖10 416工作面礦壓分布概況

416工作面來壓范圍主要在工作面中部位置(45#～100#)，其中70#～90#為持續來壓位置，壓力值在43.6～52.1 MPa；持續的推采35 d后，115#～132#出現壓力集中現象，壓力值在41.7～47.8 MPa。壓力分布位置：中部>機尾>機頭。受416工作面大采高采空區影響，418工作面在持續的推采過程中，支架工作阻力如圖11所示。明顯可以看出工作面整體壓力較大，主要集中在55#～155#之間，其中110#～155#(1區)、55#～100#(2區)，工作面出現整體來壓現象。工作面壓力分布位置：機尾>中部>機頭；機尾處的壓力大且較為連續。7#～12#來壓時間較長，壓力值在45.3～55.7 MPa。

圖11 418工作面壓力分布概況

由此可知，“Mk”層是給工作面提供正常來壓的力源；“Mj”控制工作面“Mk”層撓曲程度，調控應力分布情況，造成工作面強礦壓。

5 結論

(1)通過對工作面覆巖賦存條件分析，根據各巖層的空間位置、層厚及其礦壓作用特征等，確定深部“三層”的判別方法及高度的確定。

(2)沿空開采形成的大空間，造成工作面形成“拱”結構向工作面中后部偏移；此過程中覆巖的不斷向上演化并與其余工作面形成的“拱”結構融合，最終形成對稱的“拱”結構。

(3)工作面傾向壓力分布，“Mk”為工作面來壓提供力源；“Mj”控制工作面“Mk”層撓曲變形程度，改變工作面應力釋放向中-后位置偏移；“My”保證工作面應力釋放的位置。經過現場監測，418大采高工作面的擾動范圍及擾動應力值均大于416工作面；整個工作面壓力釋放的位置變化為機尾>中部>機頭。