呂 可， 王金安

(北京科技大學土木與資源工程學院∥金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室， 北京100083)

我國煤層的賦存有相當大的部分以群組形式存在，其中，間距較小的深埋煤層開采難度極大，已引起學界高度重視[1]. 一方面，隨著煤層開采的逐漸加深，應力分布受構造影響更加復雜[2-5]，給工作面的來壓時間、強度等變化帶來很大的不確定性；另一方面，在近距離煤層開采過程中，上下兩煤層工作面之間的影響是相互的[6-8]. 特別是當煤層間距較小時，下部煤層開采前頂板的完整程度已受上部煤層開采損傷的影響[9]，采動應力通過層間巖層向深部傳遞，下部煤層煤體應力分布所受影響更大[10-11]，因此探究深井近距離條件下的礦山應力分布規(guī)律，對于合理安排工作面位置、選擇適當?shù)男秹悍椒?、設計和優(yōu)化巷道的支護方案等具有重要意義.

覆巖結構的空間演化是礦山應力分布的決定因素. 關鍵層相關理論認為，受硬巖斷裂后形成的塊體的影響，壓力、地表沉降也可能隨工作面開采發(fā)生跳躍式變化[12]. 針對這類涉及到結構與應力演化的問題，為了更準確、直觀地反映出結果，國內(nèi)外學者通常利用相似材料模擬[13-15]、數(shù)值模擬[16-17]方法進行研究. 然而，目前的研究往往缺乏以覆巖結構形態(tài)為基礎的科學劃分方法. 同時，近場結構與遠場結構的相互影響關系也未能得到充分研究.

本文結合甘肅海石灣煤礦深井煤層開采的工程背景，首先利用相似材料模擬實驗直觀地模擬回采過程，分析覆巖結構的運動規(guī)律. 然后從覆巖結構的空間演化入手，引入近場結構與遠場結構的概念. 最后結合實驗數(shù)據(jù)與力學計算，分析在近距離煤層開采過程中不同階段對礦壓的影響權重,為深井近距離煤層的礦壓防治、巖層控制提供了依據(jù).

1 覆巖結構特征及其力學性質(zhì)

1.1 近距離煤層回采期間的覆巖結構特征

海石灣井田位于蘭州市西北的甘、青兩省交界處，目前該礦的主采煤層為煤二層和油A層. 煤二層平均埋深為685 m，具有東厚西薄，南北呈條帶狀的分布規(guī)律，平均厚度為19.61 m. 油A層位于煤二層之上19～30 m處，平均埋深為666 m，厚度較穩(wěn)定，平均厚度為5 m. 可見主采煤層為典型的深井近距離煤層. 利用各巖(煤)層的力學參數(shù)，根據(jù)關鍵層的相關理論計算方法[18]，推導出上覆巖層中關鍵層的層位及其破斷參數(shù)如表1所示，并計算出模型的力學參數(shù). 基于本文前期研究[13-15]的方法搭建了相似材料模擬實驗模型. 模型的尺寸比例為1∶200. 模擬巖層高度為308 m，對應的現(xiàn)實區(qū)域位于距地面552～860 m范圍內(nèi)，橫向寬度為840 m.

根據(jù)海石灣煤礦現(xiàn)場的實際開采進度，確定實驗模型中工作面的開挖順序，設置初始采空區(qū)、實驗模型初始狀態(tài)、關鍵層位置、各工作面的位置代號及其開采步驟如圖1所示.

表1 各關鍵層(組)的基本參數(shù)Table 1 The basic parameters of each key layer (group)

圖1 各工作面的位置代號及其開采步驟

文獻[19]開展了相似材料的模擬實驗，發(fā)現(xiàn)了近距離煤層回采期間的覆巖結構特點： 上煤層回采以回采寬度140 m為界，在此之前主關鍵層未發(fā)生明顯的彎曲下沉，在此之后主關鍵層及其所控制巖層出現(xiàn)了大范圍的下沉，沉降范圍達到了地表. 在下煤層回采期間，一方面,回采過程中的采高加大造成了下煤層基本頂以懸臂梁而非砌體梁方式斷裂，臨近該區(qū)域的亞關鍵層出現(xiàn)塊體碎裂;另一方面，這些關鍵層/塊體的狀態(tài)呈一定的跳躍式變化，即回采作用造成的覆巖結構變化是自下而上逐級傳播的. 只有在下部的關鍵層運動積累到一定程度后，其上部的關鍵層結構才會發(fā)生變化，并繼續(xù)積累、向上傳遞. 同時，縱觀整個下煤層的回采過程還發(fā)現(xiàn)：上煤層開采形成的覆巖結構對于下煤層開采期間的覆巖結構演化起到了重要的“框架”作用——上煤層回采期間在亞關鍵層二中發(fā)生破斷，形成了關鍵塊體，在下煤層回采期間，原有的斷裂基本維持或略有增加，并在此基礎上發(fā)生了運動.

1.2 覆巖關鍵層導致的支承壓力增量

相關研究[20-21]認為，受工作面采高以及與煤層距離等因素的影響，各關鍵層以及受其控制而共同變形的上覆巖層在回采過程中可能屬于導水裂隙帶或彎曲變形帶，當關鍵層距開采煤層高度小于7～10倍的采高時，該關鍵層與其上覆巖層將出現(xiàn)貫通的破斷裂縫[20]. 結合前文實驗結果，可對近距離煤層的覆巖結構進行層組劃分，并建立模型，即：亞關鍵層一及其控制巖層組成了裂隙帶層組一；亞關鍵層二及其控制巖層組成了裂隙帶層組二；主關鍵層及其上覆巖層組成了彎曲下沉帶. 該模型下覆巖的分組狀況及不同層組產(chǎn)生的支承壓力如圖2A所示.

圖2 關鍵層破斷影響下的支承壓力及計算模型

工作面的回采過程，可被認為是支承壓力不斷向工作面的前方或側向煤壁集中的過程(圖2B)，在此過程中，煤壁及其下部各煤層的支承壓力將發(fā)生持續(xù)變化.

對于裂隙帶層組，其下方形成的支承壓力增量σi為

σi=2αe-αix[Picosαix-αiM(cosαix-sinαix)]，

(1)

對于彎曲下沉帶內(nèi)的關鍵層，可視為無限長的彈性基礎梁. 將梁上方荷載等效為均布荷載q，將其下方巖體視為Winkler彈性介質(zhì)，則可通過計算梁的撓曲求得其下方的支承壓力增量：

(2)

2 覆巖結構演化及相應礦山壓力分布

實驗及理論推導結果顯示，近距離煤層的回采對隨后的覆巖結構及壓力分布影響顯著. 文獻[19]主要研究工作面大范圍完整回采后的覆巖結構及其對巷道變形破壞的影響，而本文更關注近距離煤層中回采寬度的逐漸擴大造成的關鍵層斷裂下沉及礦山壓力分布變化規(guī)律. 依據(jù)覆巖結構演化過程中關鍵層的破斷情況，將回采過程劃分為不同階段，分別分析上下煤層中的礦壓分布.

2.1 上煤層回采期間的礦山壓力分布規(guī)律

依據(jù)覆巖主關鍵層破斷狀況將上煤層回采過程劃分為前后2個階段：在前期回采寬度為0～80 m時亞關鍵層一未發(fā)生斷裂，回采寬度為80～140 m時亞關鍵層一發(fā)生周期性斷裂；在后期發(fā)生了亞關鍵層二及主關鍵層的破斷，對應的回采寬度為140～330 m. 分別利用前述力學計算方法與相似模擬實驗中的應變片壓力測試，探究各階段內(nèi)的礦壓分布規(guī)律. 各層組的基本計算參數(shù)見表1.

在上煤層回采初始階段，對工作面前方礦壓的提升起直接作用的是上煤層的基本頂. 基本頂未斷裂時，回采造成的離層擴大將影響本層組邊界塊體的長度Li；在基本頂發(fā)生斷裂后，其周期性斷裂影響了本層組Y1的塊體運動狀態(tài)系數(shù)Ki與其上層組Y2的塊體長度，最終導致亞關鍵層二的斷裂. 分別計算主關鍵層斷裂前若干回采寬度時兩層組的附加載荷與彎矩參數(shù)，依次求出7種不同回采寬度下各層組產(chǎn)生的支承壓力增量，進而確定其峰值與寬度. 采用半無限彈性體中三角形帶狀載荷形成的垂直應力計算方法，得到上煤層回采前期本煤層頂板支承壓力增量的分布(圖3A).

圖3 上煤層回采前期本煤層頂板支承壓力的增量分布

在主關鍵層未破斷的上煤層回采前期，近場的關鍵層結構，即亞關鍵層一對于工作面應力集中影響最為顯著(圖3B). 具體表現(xiàn)為從回采開始到亞關鍵層一斷裂之前，工作面前方頂板應力集中的程度與范圍均不斷提高，并在亞關鍵層一斷裂時達到最大. 主要原因是該結構的懸空長度不斷增加，將大量的載荷傳遞到了煤壁上方. 亞關鍵層一在初次斷裂后(80 m)，其塊體狀態(tài)發(fā)生突變，部分載荷轉向了采空區(qū)，因而煤壁受壓減小. 隨后，近場結構的作用趨于穩(wěn)定，亞關鍵層二的中場結構開始發(fā)揮作用. 該結構伴隨回采寬度增加也向煤壁傳遞了更多的載荷，因此在亞關鍵層二初次斷裂時(135 m)，上煤層頂板應力的集中程度再次達到一個極大值，同樣在亞關鍵層二初次斷裂后明顯下降. 然而，無論是來壓強度還是波動程度，近場結構相比于中場結構對煤層頂板壓力的影響顯然更大. 可以認為，在上煤層回采前期，對礦山支承壓力起主要作用的是以煤層基本頂為代表的近場結構.

在上煤層回采后期，亞關鍵層一、二持續(xù)發(fā)生周期性斷裂. 此時，主關鍵層也發(fā)生了破斷與彎曲下沉. 在該階段依次選取145、175、235、260、325 m共5個回采寬度，分別計算頂板的來壓分布，理論計算結果如圖4A所示.

在主關鍵層破斷后的上煤層回采后期(圖4B)，工作面前方礦壓的集中現(xiàn)象與前期的情況明顯不同. 一方面，礦壓增量的幅度顯著提高；另一方面，礦壓增量曲線的形態(tài)與峰值不再隨回采寬度的推進產(chǎn)生劇烈變化. 可以認為，在主關鍵層破斷之后，主關鍵層及其上覆巖層等遠場結構開始對煤層礦壓產(chǎn)生主導作用. 深部開采給主關鍵層帶來的高載荷進一步強化了其對應力分布的影響. 為了體現(xiàn)在此期間近場結構與遠場結構對礦壓影響的差異，可分別對比圖4A中回采寬度為145、175 m的曲線和235、260 m的曲線. 其中，每組曲線在不同回采寬度下均具有相同的主關鍵層破斷長度，但后者均比前者多了1次亞關鍵層一、二的周期性斷裂. 不難看出這種差異并未對礦壓集中曲線的整體形態(tài)與極值產(chǎn)生明顯影響，即主關鍵層在未發(fā)生下一周期破斷之前，礦壓集中曲線將不會伴隨回采進程而顯著遷移. 同理，當主關鍵層發(fā)生周期破斷時，礦壓的分布將隨之發(fā)生跳躍式變化，使特定位置處的礦壓產(chǎn)生劇烈變化.

圖4 上煤層回采后期本煤層頂板支承壓力增量的分布

上煤層工作面的回采會影響近距離煤層中的下煤層礦壓分布. 在上煤層回采前期，近場結構帶來的礦壓集中程度與范圍有限，對下煤層的支承壓力增強效果不顯著. 在上煤層回采后期，主關鍵層破斷帶來的影響比較明顯. 在相同回采寬度下，下煤層頂板與其正上方的上煤層頂板的支承壓力增量分布形態(tài)相似，但程度有所減弱，其跳躍式變化的特點也與之相似.

2.2 下煤層回采期間的礦山壓力分布

待上煤層回采結束并基本穩(wěn)定后，依次進行下煤層下1、下2工作面的回采. 為進一步了解下煤層回采對上煤層的影響，對于下煤層回采期間上煤層上3工作面頂板的支承壓力分布情況，主要利用相似模擬實驗的應變片壓力數(shù)據(jù)進行分析. 圖5為下煤層回采期間上3工作面內(nèi)各檢測點的壓力增量. 從總體分布來看，上煤層回采后形成的覆巖結構使得煤壁方向產(chǎn)生了明顯的壓力集中現(xiàn)象. 因此，在下煤層回采開始時，上煤層頂板即存在支承壓力增量，其分布特點為靠近采空區(qū)處最大，沿遠離采空區(qū)方向減小. 在下煤層回采初期，檢測點壓力增量稍有上升，但變化不大. 回采寬度達90 m時，檢測點壓力增量發(fā)生跳躍式變化，其分布曲線整體上移并在一定回采寬度內(nèi)(如110 m)保持基本不變. 隨后，當回采寬度分別達到130、170、210 m時，壓力增量多次發(fā)生突變，導致分布曲線上移. 在整個下煤層的回采過程中，上煤層頂板的來壓分布形態(tài)保持基本一致，但強度的提升變化具有明顯的跳躍性.

圖5 下煤層回采期間上煤層頂板支承壓力增量的分布

Figure 5 The incremental distribution of roof support pressure in the upper coal seam during lower coal seam mining

為了更好地反映這種跳躍性，選取了上3工作面中部(即距采空區(qū)約80 m處)檢測點，支承壓力增量隨推進寬度增加而變化的過程如圖6所示，該檢測點的壓力增量曲線呈階梯狀分布. 總體上，壓力增量存在4個較為明顯的平臺階段：每個平臺階段內(nèi)的應力變化不明顯，但在每兩個平臺階段的分界點，應力呈顯著的跳躍式增長. 對比各階段的分界點與回采寬度可發(fā)現(xiàn)：分界點正好對應于主關鍵層在下煤層回采期間的下沉. 根據(jù)前述有關壓力增量來源的分析可以認為，下煤層的回采導致了相應采空區(qū)上方的主關鍵層下沉，并對煤壁上方的主關鍵層產(chǎn)生了壓力與彎矩，導致下沉撓度增加，沿煤壁方向轉移的壓力增大. 主關鍵層每發(fā)生一次明顯的彎曲下沉，這種壓力與彎矩將更靠近煤壁，傳遞的壓力也將更大. 但在亞關鍵層的周期斷裂期間，近場關鍵層的影響較小，因此壓力增量較為穩(wěn)定，產(chǎn)生了平臺階段. 可以認為，在下煤層回采期間，對上煤層頂板壓力的分布特點及跳躍式增長方式起主導作用的仍然是遠場的主關鍵層結構.

圖6 下煤層回采期間上煤層頂板支承壓力增量的實驗結果

Figure 6 The experimental result of roof support pressure in the upper coal seam during lower coal seam mining

結合前述關于不同測線的下沉變化情況可知，在下煤層回采過程中，近場位置的測線下沉現(xiàn)象較為明顯，但與上煤層頂板內(nèi)的壓力變化關聯(lián)性不大. 相比之下，距離回采煤層較遠，位于主關鍵層的測線雖然下沉量和下沉范圍較小，但反映了主關鍵層的下沉范圍，其下沉量與上煤層頂板的壓力增量存在近似的跳躍性.

3 結論

以甘肅海石灣煤礦深井煤層開采工程為背景，利用相似材料模擬實驗模擬了回采過程，分析了覆巖結構運動規(guī)律. 結合實驗數(shù)據(jù)與力學計算，探究了近距離煤層開采過程中采場礦壓的發(fā)生機理與影響因素.

(1)在主關鍵層破斷前，近場結構對礦壓增加及其波動起關鍵作用；在主關鍵層破斷后，遠場結構對礦壓分布起決定性作用，并使礦壓顯著增大.

(2)在上煤層回采期間形成的垮落梯形，在下煤層回采期間具有明顯的“框架”作用. 關鍵層中形成下沉區(qū)域、塊體組等在下煤層回采期間仍能對覆巖結構產(chǎn)生重要影響.

(3)在近距離回采的各個階段，回采作用造成的覆巖結構變化均為自下而上逐級傳播. 這使得越是處于上部的關鍵層，其沉降就越滯后于回采進度，尤其是主關鍵層的彎曲狀態(tài)呈跳躍式變化. 受其影響，在主關鍵層破斷后，近距離各煤層的礦壓增長也具有跳躍式突變的特點. 此時近場結構對于礦山壓力分布影響不明顯，但可通過積累效果影響遠場結構，從而造成壓力突增.