王君， 朱衛(wèi)兵， 謝建林

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院， 江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學(xué) 煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 徐州 221116)

0 引言

大同礦區(qū)是典型的堅(jiān)硬頂板賦存礦區(qū)，目前主采的石炭系煤層厚度為14～20 m，綜放開采一次采出厚度大，引起的覆巖破斷范圍廣，大空間采場上覆堅(jiān)硬巖層破斷運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致采場礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，如晉能控股集團(tuán)同忻煤礦、塔山煤礦等特大型煤礦出現(xiàn)綜放工作面液壓支架行程大幅下縮、臨空巷道頂?shù)装遄冃纬^2 m、超前支護(hù)單體折損劈裂等現(xiàn)象。這些強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)在盤區(qū)首采工作面開采時(shí)較為緩和，而在臨空工作面充分采動(dòng)時(shí)的生產(chǎn)實(shí)踐中卻極為嚴(yán)峻，表明開采范圍在其中扮演了至關(guān)重要的角色。

許多專家學(xué)者針對不同充分采動(dòng)程度的覆巖運(yùn)移規(guī)律開展了卓有成效的工作。于斌等[1-2]研究了特厚煤層開采覆巖結(jié)構(gòu)類型，提出了高位關(guān)鍵層“橫O-X”破斷“三角板”結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)影響特厚煤層采場強(qiáng)礦壓的理念。馮國瑞等[3]采用數(shù)值模擬方法研究了煌斑巖侵入特厚煤層頂板對覆巖垮落破壞及下沉特征的影響。柴敬等[4]采用BOTDA分布式光纖有效監(jiān)測了三維立體模型中的覆巖變形破壞范圍及離層寬度。晏濤等[5]應(yīng)用數(shù)字散斑技術(shù)物理模擬研究了煤層群開采覆巖運(yùn)移規(guī)律。王寧等[6]基于微震監(jiān)測系統(tǒng)分析了切頂卸壓自成巷工作面的頂板周期來壓特征。伍永平等[7]采用相似材料模擬、理論分析和現(xiàn)場試驗(yàn)等方法，研究了大傾角近距離煤層開采覆巖運(yùn)移及頂板破壞特征。張升等[8]綜合物理模擬、數(shù)值模擬及概率積分法，研究了固體充填開采充實(shí)率協(xié)同控制覆巖運(yùn)移規(guī)律。王玉濤等[9]、婁高中等[10]、王朋飛等[11]研究了非充分采動(dòng)條件下覆巖裂隙場分布、導(dǎo)水裂縫帶高度及采空區(qū)與煤巖柱的耦合作用關(guān)系。郭文兵等[12-13]基于理論分析和數(shù)值模擬研究，給出了高強(qiáng)度長壁開采時(shí)覆巖破壞充分采動(dòng)程度的定義、判別方法及適用條件。左建平等[14]基于Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則和最大剪應(yīng)力準(zhǔn)則，建立了充分采動(dòng)覆巖“類雙曲線”移動(dòng)力學(xué)模型，推導(dǎo)了地表沉陷范圍的理論計(jì)算公式，并分析了覆巖破壞移動(dòng)機(jī)理。

本文結(jié)合同忻煤礦地質(zhì)開采條件，采用采動(dòng)覆巖內(nèi)部巖移無線遠(yuǎn)程監(jiān)測、鉆孔電視窺視和物理模擬方法，研究了特厚煤層充分采動(dòng)條件下覆巖下沉規(guī)律，為類似開采條件下的采場強(qiáng)礦壓控制提供了理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)工作面基本情況

同忻煤礦8203綜放工作面為石炭系3-5號(hào)特厚煤層二盤區(qū)首采工作面。根據(jù)該工作面內(nèi)部巖移孔Y4及鉆孔電視窺視孔Y2實(shí)測結(jié)果，發(fā)現(xiàn)石炭系與侏羅系煤層之間的各關(guān)鍵層破斷運(yùn)動(dòng)對采場礦壓顯現(xiàn)程度影響較大[15]。8202工作面為緊鄰8203工作面的接續(xù)工作面， 8202工作面走向推進(jìn)長度約為2 017 m，傾向?qū)挾葹?00 m，煤層平均厚度為15.26 m，傾角為1～2°，采用單一走向后退式綜合機(jī)械化低位放頂煤開采方式，液壓支架型號(hào)為ZF15000/27.5/42，采高為3.9 m，放煤厚度為11.36 m，采放比為1∶2.91。

為了掌握特厚煤層充分采動(dòng)條件下覆巖下沉規(guī)律，在8202工作面地表布置了3個(gè)內(nèi)部巖移孔(ZK1，ZK2，ZK3)和2個(gè)鉆孔電視窺視孔(D4，D5)，如圖1所示。

圖1 工作面觀測鉆孔及巖移測點(diǎn)布置Fig.1 Layout of observation boreholes and strata movement measuring points on working faces

考慮到2個(gè)工作面傾向累計(jì)寬度已達(dá)500 m，而煤層平均埋深約為490 m，且主采的石炭系煤層頂板160 m之上的侏羅系煤層已采完多層煤層，認(rèn)為基本達(dá)到充分采動(dòng)條件。

2 采動(dòng)覆巖內(nèi)部巖移無線遠(yuǎn)程監(jiān)測

采用采動(dòng)覆巖內(nèi)部巖移無線遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)(圖2)[16-17]獲取特厚煤層開采覆巖下沉位移數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)主要包括高精度磁電編碼器、數(shù)據(jù)本地采集器、逆向棘輪錨爪、高強(qiáng)度鋼絲繩、大容量蓄電池等。位移數(shù)據(jù)通過GPRS無線模塊進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸，可實(shí)現(xiàn)基于B/S結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程訪問與存儲(chǔ)。

圖2 采動(dòng)覆巖內(nèi)部巖移無線遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)布置Fig.2 Layout of wireless remote monitoring system for internal strata movement of overlying strata under mining condition

系統(tǒng)中的逆向棘輪錨爪在下放至指定覆巖關(guān)鍵層位置后進(jìn)行釋放，錨爪固定于鉆孔孔壁。高強(qiáng)度鋼絲繩一端與錨爪相連，另一端與鋼絲繩回縮張緊結(jié)構(gòu)相連。該回縮張緊結(jié)構(gòu)的機(jī)械回縮力略大于鋼絲繩重力，由此保證孔中各錨爪測點(diǎn)的鋼絲繩處于繃緊狀態(tài)。在該狀態(tài)下，巖層破斷運(yùn)動(dòng)通過鋼絲繩的機(jī)械傳導(dǎo)作用即可被數(shù)據(jù)本地采集器精確捕捉，實(shí)現(xiàn)巖層破斷移動(dòng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，且數(shù)據(jù)采集分辨率達(dá)0.01 mm，為精準(zhǔn)掌握煤礦采動(dòng)覆巖運(yùn)移規(guī)律提供了有效的實(shí)測手段。

3 充分采動(dòng)覆巖下沉實(shí)測分析

根據(jù)8202工作面地面鉆孔柱狀關(guān)鍵層位置判別結(jié)果可知：3-5煤層埋深為501 m，第1層亞關(guān)鍵層為厚9.5 m的粉砂巖，對應(yīng)深度為-465.38～-455.88 m；第2層亞關(guān)鍵層為厚12.96 m的粉砂巖，對應(yīng)深度為-449.78～-436.82 m；第3層硬巖層為厚14.1 m的粗砂巖，對應(yīng)深度為-434.75～-420.65 m；石炭系與侏羅系煤層間主關(guān)鍵層為厚39.15 m的粗砂巖，對應(yīng)深度為-397.05～-357.90 m；套管深度約為-320 m。據(jù)此確定各內(nèi)部巖移孔實(shí)際測點(diǎn)布置位置，見表1。

8202工作面充分采動(dòng)時(shí)，內(nèi)部巖移孔ZK1內(nèi)4個(gè)測點(diǎn)處下沉位移曲線如圖3所示?？煽闯觯寒?dāng)8202工作面推過ZK1孔61 m時(shí)，其內(nèi)部4個(gè)測點(diǎn)處開始出現(xiàn)下沉變化；當(dāng)工作面推過ZK1孔93 m時(shí)，出現(xiàn)鋼絲繩錯(cuò)斷現(xiàn)象，此時(shí)測點(diǎn)1—4處下沉最大值分別為4 686，4 218，3 515，2 929 mm；各測點(diǎn)處下沉位移走勢基本趨于一致，表明8202工作面充分采動(dòng)后的覆巖運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)聯(lián)動(dòng)下沉現(xiàn)象。內(nèi)部巖移孔ZK2，ZK3中測點(diǎn)處下沉趨勢與ZK1基本相似。

表1 內(nèi)部巖移孔測點(diǎn)布置位置Table 1 Layout positions of internal strata movement measuring points in boreholes

圖3 內(nèi)部巖移孔ZK1內(nèi)各測點(diǎn)處下沉位移曲線Fig.3 Subsidence displacement curves of each measuring point in internal strata movement borehole ZK1

8202工作面鉆孔電視窺視孔D5因超前100 m時(shí)出現(xiàn)層間高位巖層錯(cuò)動(dòng)，導(dǎo)致鉆孔電視探頭無法正常下放。鉆孔電視窺視孔D4位于工作面中部，高位關(guān)鍵層雖然超前出現(xiàn)錯(cuò)動(dòng)，但位移量不大，鉆孔電視探頭能正常下放進(jìn)行觀測。D4孔累計(jì)觀測23次，觀測時(shí)間跨度2個(gè)月，連續(xù)觀測推進(jìn)長度近200 m，主要集中在工作面超前鉆孔60 m至推過鉆孔65 m期間。5月19日，當(dāng)工作面推過D4孔25.8 m時(shí)，孔深-436.0 m處巖層錯(cuò)動(dòng)量過大，導(dǎo)致鉆孔電視探頭無法下放，此時(shí)孔深-414.818，-389.912，-385.829 m處孔壁陸續(xù)出現(xiàn)新裂隙，如圖4(a)所示。5月20日，當(dāng)工作面推過D4孔29.4 m時(shí)，孔深-400.525 m處巖層出現(xiàn)錯(cuò)動(dòng)，導(dǎo)致探頭無法下放，如圖4(b)所示。實(shí)測D4孔孔壁錯(cuò)堵孔位置變化曲線如圖4(c)所示，可看出：工作面距鉆孔-20～+60 m時(shí)為該區(qū)域巖層運(yùn)動(dòng)活躍期，巖層破斷運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致鉆孔堵孔、錯(cuò)動(dòng)位置不斷變化；在8202工作面推過D4孔17.2 m之前，D4孔內(nèi)部錯(cuò)動(dòng)位置自上而下發(fā)育，之后才發(fā)生自下而上正常的錯(cuò)動(dòng)、離層和垮落。D4孔觀測結(jié)果表明，孔壁在超前工作面時(shí)就出現(xiàn)了不同程度的變形破壞現(xiàn)象，采場覆巖變形破壞呈現(xiàn)階段性臺(tái)階躍升特征，鉆孔堵孔位置與雙系煤層之間的關(guān)鍵層位置具有一致的對應(yīng)關(guān)系，即堵孔位置均出現(xiàn)于覆巖關(guān)鍵層及其上下界面，表明關(guān)鍵層在巖層運(yùn)動(dòng)中起主控作用，且在充分采動(dòng)時(shí)覆巖出現(xiàn)聯(lián)動(dòng)下沉現(xiàn)象。

(a) 新采動(dòng)裂隙

(b) 巖層錯(cuò)動(dòng)

(c) 孔壁錯(cuò)堵孔位置變化曲線

4 充分采動(dòng)覆巖破斷運(yùn)移的物理模擬分析

為了進(jìn)一步揭示充分采動(dòng)條件下覆巖全地層聯(lián)動(dòng)本質(zhì)，進(jìn)行一組相似材料物理模擬試驗(yàn)，以期掌握充分采動(dòng)時(shí)覆巖不同層位關(guān)鍵層下沉趨勢趨于一致的內(nèi)在聯(lián)系。

4.1 物理模擬建模

物理模型尺寸為2.5 m×0.2 m×2 m(長×寬×高)。根據(jù)相似理論，確定幾何相似比為1∶200，密度相似比為1∶1.6，應(yīng)力相似比為1∶320。煤層厚度約為14 m，上覆存在3層關(guān)鍵層，分別為距煤層28 m、厚8 m的亞關(guān)鍵層1，距煤層84 m、厚14 m的亞關(guān)鍵層2，距煤層168 m、厚20 m的主關(guān)鍵層。采前在各關(guān)鍵層內(nèi)設(shè)置位移測點(diǎn)，采后建立4條豎向測線，如圖5所示。

圖5 物理模型及測線位置Fig.5 Physical model and observation line position

4.2 覆巖破斷運(yùn)移分析

煤層采后覆巖運(yùn)移狀態(tài)如圖6所示。

圖6 煤層采后覆巖運(yùn)移狀態(tài)Fig.6 Overlying strata movement state after coal seam mining

根據(jù)采動(dòng)過程中工作面與各條豎向測線的相對位置關(guān)系及產(chǎn)生的絕對位移變化，得出豎向測線1，4各測點(diǎn)的下沉位移曲線，如圖7所示。從圖7(a)可看出，在回采初期，工作面推過測線1約20 cm時(shí)，亞關(guān)鍵層1內(nèi)的測點(diǎn)1-1，1-2同時(shí)出現(xiàn)彎曲變形，之后發(fā)生斷崖式下沉，說明亞關(guān)鍵層1及其控制的巖層已發(fā)生初次破斷，但是亞關(guān)鍵層2仍處于撓曲變形；當(dāng)工作面推過測線1約45 cm時(shí)，亞關(guān)鍵層2內(nèi)的測點(diǎn)1-3，1-4開始出現(xiàn)初次破斷，而主關(guān)鍵層則在工作面推過測線1約66 cm時(shí)才出現(xiàn)初次破斷。當(dāng)主關(guān)鍵層初次破斷后，各測點(diǎn)的下沉位移曲線變化趨勢趨于一致。由圖7(b)進(jìn)一步證實(shí)，當(dāng)高位主關(guān)鍵層初次破斷后，由于各關(guān)鍵層的周期破斷步距差異不太明顯，且特厚煤層開采時(shí)，亞關(guān)鍵層2周期破斷回轉(zhuǎn)會(huì)導(dǎo)致亞關(guān)鍵層1出現(xiàn)復(fù)合破斷，而主關(guān)鍵層周期破斷回轉(zhuǎn)也會(huì)導(dǎo)致亞關(guān)鍵層2、亞關(guān)鍵層1出現(xiàn)復(fù)合破斷，導(dǎo)致測線4各測點(diǎn)的下沉位移變化趨于一致，表明充分采動(dòng)條件下覆巖會(huì)存在全地層聯(lián)動(dòng)現(xiàn)象。因此，在分析覆巖運(yùn)移規(guī)律過程中要充分考慮各關(guān)鍵層的周期破斷特征及其相互作用關(guān)系。

(a) 主關(guān)鍵層初次破斷時(shí)測線1

(b) 主關(guān)鍵層周期破斷期間測線4

5 結(jié)論

(1) 在同忻煤礦開展了充分采動(dòng)條件下覆巖運(yùn)移的地面鉆孔原位監(jiān)測活動(dòng)，結(jié)果表明充分采動(dòng)條件下覆巖各關(guān)鍵層的破斷下沉趨勢比較相近；結(jié)合8202工作面鉆孔電視窺視孔D4觀測結(jié)果，反映了大同礦區(qū)特厚煤層開采覆巖的變形破壞呈現(xiàn)階段性臺(tái)階躍升特征，孔壁錯(cuò)孔位置與雙系煤層之間的關(guān)鍵層位置基本保持一致，但是因時(shí)間和空間上演化發(fā)展較快，導(dǎo)致覆巖下沉呈現(xiàn)全地層聯(lián)動(dòng)現(xiàn)象。

(2) 物理模擬結(jié)果表明，在主關(guān)鍵層初次破斷前，各關(guān)鍵層的分組分層運(yùn)動(dòng)趨勢較明顯，當(dāng)主關(guān)鍵層初次破斷后，受各關(guān)鍵層周期破斷長度及上下巖層復(fù)合破斷規(guī)律影響，覆巖下沉運(yùn)移更易呈現(xiàn)全地層聯(lián)動(dòng)現(xiàn)象。