唐口煤礦采空區覆巖運動規律及采動應力分布特征

楊 洋 崔保閣 王 沖

（山東唐口煤業有限公司，山東 濟寧 272055）

近年來，我國煤礦開采深度、規模及產量持續增加，采煤工作面覆巖受采掘擾動作用日益嚴重[1-3]。隨著采煤工作面的推進，上覆巖層運動破壞的范圍不斷擴大。上覆巖層的運移規律和結構狀態，對于邊界煤柱留設、保護地面建筑、離層瓦斯抽放、井下工作面安全回采等具有重要的實際意義。而從理論上掌握上覆巖層的破壞規律，對于指導開采實踐具有重要的作用。當采場上覆巖層存在堅硬巖層時，極易形成空間覆巖大結構，大結構的穩定與失穩關系到覆巖空間結構的演化、裂隙發育及工作面動力災害的發生[4-5]。因此，研究采場上覆巖層運移及覆巖結構，對揭示動力災害發生發展過程及有針對性防治動力災害具有重要意義。

本文以唐口煤礦530 采區及相關工作面為背景，采用現場監測、數值模擬、理論計算相結合的研究手段深入研究采空區覆巖運動規律，確定5307 工作面超前應力及側向應力范圍，并設計相關回采巷道支護參數，為類似條件下煤層安全開采提供理論指導。

1 采空區上覆巖層破斷演化規律研究

1.1 工程地質條件

530 采區地面東部邊界位于胡營村東側，南部邊界位于胡東村南側，西部邊界位于侯莊以東950 m，北部位于京杭運河大橋西南350 m 處。該采區井下位于南部大巷以西，北至130 采區邊界，南至630 采區邊界，西至F14 斷層附近。采區南北長約3.0 km，東西寬2.2 km，采區面積約3.76 km2。3上煤層厚4.62～5.21 m，平均厚4.94 m。采區煤層傾角較緩，一般2°～9°左右。地面標高+34.2～+42.5 m，井下標高-880～-970 m，埋深915～1010 m。

1.2 530 采區上覆巖層關鍵層判定

選取T17-6 鉆孔對530 采區的巖層進行關鍵層判別，根據關鍵層判別的剛度和強度條件計算的關鍵層判別結果見表1。

表1 530 采區巖層分析表（T17-6 鉆孔）

1.3 覆巖運動監測數據分析

根據地表沉陷觀測數據，530 采區5307 工作面附近布設1 條測線，共11 個測點。起始測點（J1）位于5308 工作面切眼附近，與5308 工作面走向方向反向布置。

該條測線監測時間跨度為2020 年10 月1 日—2021 年3 月8 日，根據各測點監測到的地表巖移數據，可得地表下沉量及下沉速率變化如圖1。

由圖1（a）可知，在回采作業之前，地下結構保持穩定狀態，地表無下沉。從最上方曲線到最下方曲線，同一測點的下沉量在不斷增大，其中以2020 年11 月20 日、12 月16 日的下沉量最大。在初期回采階段，底層初始平衡被破壞，上方地層結構來不及適應采動影響，其在較短時間內快速下沉以達到新的平衡，故初期回采對地表沉降影響最為顯著。取同一時間的各測點數據進行分析可知：測點J1～J11 的位置與5307 工作面的距離不斷增加，受采空區的影響不斷減小，因此其下沉量也呈不斷減小趨勢。

由圖1（b）可知，下沉速率曲線整體呈先上升后下降的趨勢，初期監測階段的下沉速率始終處于較大范圍，在2020 年12 月16 日下沉速率達到最大值，超過6.0 mm/d，與前文分析一致；平均下沉速率約為5.24 mm/d，下沉速率還是較大，下沉速率曲線在下滑階段，前期曲線較陡，后期曲線平穩下降，說明隨著時間的推移，地表下沉量在逐漸減小，最后會達到緩慢下沉階段。

根據前文分析，隨時間推進，地表下沉最后會進入穩定下沉階段，以下沉速率小于1.67 mm/d 作為地表穩定沉降判定依據，對下沉速率與時間進行擬合，擬合結果如圖1（c）。由圖可知，R2=0.558 6，擬合度較好。以下沉速率1.67 mm/d 代入擬合關系式，反算求得地表巖移穩沉時間為194 d。

圖1 5307 工作面地表下沉量及下沉速率變化

2 采動應力分布特征研究

2.1 模型建立

為了全面、系統地反映530 采區工作面回采過程中采動應力分布特征，以530 采區工作面地質和開采技術條件為背景，建立FLAC3D三維計算模型進行數值模擬。模型沿走向長2050 m，沿傾斜寬1260 m，模型高度為262 m。模型的四周邊界和底部各施加約束，使之位移為0，頂部為自由邊界。

本次模擬主要研究530 采區工作面回采過程中回采區域的應力分布情況，首先將依據現場實際開采順序開挖模擬5307 周圍工作面回采后的應力狀態，然后模擬5307 工作面在回采過程中的采動應力分布特征。

2.2 各工作面回采后采區應力變化情況

由圖2 可知，5301 工作面回采后，采空區邊緣一定范圍內應力集中程度高，隨著向巖體內部不斷延伸，應力不斷降低，最后處于平穩狀態，此時圍巖體不受采動應力影響；5302 工作面回采結束，5303 工作面在回采中前期，由于某些原因，工作面進行縮面布置，在縮面處應力明顯增大，這是因工作面前方支承壓力分布不均，應力快速向縮面處轉移所致。而后續回采由于距采空區有一定距離，工作面之間的應力集中程度相對較低，近似與原巖應力相等；工作面回采結束后，兩相鄰工作面之間由于側向支承壓力疊加作用導致應力集中程度顯著提高。

圖2 5301、5302、5303 工作面回采后應力分布狀態

由圖3 可知，5304 工作面回采后，采空區邊緣一定范圍內應力集中程度高，與5303 采空區之前區域寬度明顯高于其他相鄰工作面寬度，但應力集中程度并未隨著煤柱寬度的增大而顯著減小，故留設煤柱的寬度盡量以小煤柱為主，以降低沖擊危險性；5305 工作面回采結束，兩工作面之間應力集中程度高，這是由于兩個工作面開采，側向支承壓力疊加作用的結果。工作面回采結束后，兩相鄰工作面之間由于側向支承壓力疊加作用導致應力集中程度顯著提高。由于兩工作面之間煤柱留設寬度較大，超出側向支承壓力影響范圍，側向支承壓力疊加效應并不明顯，沖擊危險性較低，但在各采空區的側向支承壓力影響范圍內，應力集中水平依舊很高，需多加防范。

圖3 5304、5305、5306 工作面回采后應力分布狀態

圖4 為5307 工作面回采100 m、200 m、300 m、400 m、500 m 時整個530 采區的應力分布狀況。由圖可知，5307 工作面在上述各階段回采過程中與5307 工作面之間區域處始終處于較高應力集中狀態，初步分析認為原因包括兩個：

圖4 5307 工作面回采100～500 m 期間應力分布狀態

（1）兩工作面側向支承壓力疊加影響；

（2）回采作業的開采擾動。

2.3 工作面超前應力分布范圍

為研究工作面采動超前應力分布范圍，以530采區典型工作面5307 回采過程作為研究對象，通過模擬分析，得到5307 工作面各回采階段（工作面開挖50 m、100 m、150 m、200 m、250 m、300 m、350 m）工作面前方的垂直應力分布情況，如圖5（a）所示。由圖可知，無論是哪一個回采階段，工作面超前應力的整體趨勢均為先迅速升高后降低，并隨著超前距離的增大，超前應力的降低速率在減小直至為零。其中在超前距離為20～25 m 時，超前應力達到峰值，說明采動影響范圍的峰值位置大致為超前距離20～25 m 范圍內。根據超前應力—距離曲線走勢，在超前距離100 m 左右，各條超前應力曲線基本重合，整體趨于平穩狀態，說明此時該區域受采動影響很小或基本不受采動影響。基于此，確定超前應力影響范圍為100 m。

2.4 工作面側向應力分布范圍

以5307 工作面回采各個階段的側向支承壓力作為研究對象，研究工作面采動側向支承壓力影響范圍。如圖5（b）所示，工作面在各回采階段的側向支承壓力隨距工作面距離增加整體呈先增大后降低的趨勢，其中前期側向支承壓力線性增加，在距工作面距離為18 m 左右達到峰值，說明工作面采動側向支承壓力的峰值位置為距工作面距離18 m 處。在應力達到峰值后，應力降低，且降低速率逐漸平緩，在距工作面距離為70～80 m 范圍時，各條應力曲線應力基本保持平穩變化，各應力曲線應力值波動小，可認為側向壓力基本無變化，也即此時側向支承壓力不再受工作面采動影響，由此確定工作面采動側向支承壓力的影響范圍為距工作面70～80 m。

圖5 工作面超前應力及側向應力分布曲線

3 結論

（1）通過關鍵層剛度和強度條件，計算出530采區關鍵層分布情況，理論分析了唐口煤礦530 采區不同工作面開采后采空區覆巖空間結構演化特征，基于530 采區地表下沉監測數據，側面驗證了530 采區覆巖結構演化理論分析結果的合理性。分析結果顯示，530 采區上覆100 m 范圍內巖層不存在巨厚巖層，采區工作面開采后，覆巖破斷、下沉、運動充分，符合常規巖層運動形式，整體上不存在大范圍懸頂的可能性。

（2）通過分析巖移觀測數據，以地表下沉速率為1.67 mm/d 作為地表是否穩沉的臨界值，推測530 采區地表穩沉時間不小于194 d。

（3）數值模擬結果顯示，530 采區超前壓力影響范圍約為100 m，側向支承壓力影響范圍為70～80 m。