孔祥忠

（晉能控股煤業(yè)集團塔山煤礦，山西 大同 037001）

大同礦區(qū)石炭系特厚煤層厚度可達10～25 m，工作面長度普遍為180～280 m，采用大采高綜采放頂煤的方式一次采出煤層全厚，會形成巨大的采出空間，引起工作面上覆大范圍的巖層運動，采場覆巖運動波及范圍廣、裂隙發(fā)育高度大。特厚煤層綜放面大空間、高強度開采覆巖運動規(guī)律復(fù)雜、穩(wěn)定時間長，沿空巷道何時開始掘進成為需要解決的問題。

我國學(xué)者針對特厚煤層開采覆巖結(jié)構(gòu)及運動規(guī)律、綜放面端部結(jié)構(gòu)特征等開展了一系列研究，許家林、鞠金峰等[1]提出特大采高技術(shù)，工作面采高明顯增大，覆巖亞關(guān)鍵層Ⅰ易進入垮落帶中，不能形成＂砌體梁＂結(jié)構(gòu)，而呈“懸臂梁”結(jié)構(gòu)周期性破斷，揭示了關(guān)鍵層“懸臂梁”結(jié)構(gòu)運動形式對采場礦壓的不同影響規(guī)律。于斌、朱衛(wèi)兵、楊敬軒[2-3]等認為特厚煤層開采形成的大空間采場覆巖具有顯著的“低-中-高”層位結(jié)構(gòu)特征，提出近場關(guān)鍵層為“豎O-X”破斷的“懸臂梁+砌體梁”結(jié)構(gòu)，遠場關(guān)鍵層為“橫O-X”破斷的“砌體梁”結(jié)構(gòu)模型，“中-低”位頂板結(jié)構(gòu)失穩(wěn)形成采場大小周期來壓，高位頂板結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)聯(lián)動是誘發(fā)大空間采場強礦壓顯現(xiàn)的主要因素。李化敏[4]等提出大采高綜放工作面端部以垮落角、移動角為邊界形成滑移破裂區(qū)、拉壓裂隙區(qū)和壓裂隙區(qū)3個裂隙發(fā)育區(qū)，空區(qū)穩(wěn)定后下位懸臂梁破斷，形成三角形滑移區(qū)，上位關(guān)鍵層仍以砌體梁結(jié)構(gòu)方式存在。趙勇強[5]采用現(xiàn)場實測方法并結(jié)合斷裂懸臂梁運動至穩(wěn)定的時間函數(shù)方程解算值，確定了沿空巷道最短合理開掘時間。

目前，對特厚煤層綜放采場覆巖結(jié)構(gòu)及運動特征的研究已取得較多成果，但對覆巖穩(wěn)定時間與沿空巷道掘進之間的時空關(guān)系研究較少。本文以晉能控股煤業(yè)集團塔山煤礦（簡稱“塔山煤礦”）特厚煤層綜放開采為工程背景，研究特厚煤層綜放采動覆巖運動規(guī)律及穩(wěn)定時間和綜放面端部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定時間，以確定沿空掘巷的合理時機。

1 礦井地質(zhì)條件分析

大同礦區(qū)具有侏羅系——石炭系雙系煤層賦存的特點，在雙系煤層之間及侏羅系煤層上覆廣泛存在著細砂巖、粉砂巖、中砂巖、粗砂巖、砂礫巖、砂質(zhì)泥巖等厚度較大、強度較高、完整性較好的堅硬巖層。通過對大同礦區(qū)多座礦井80個典型鉆孔柱狀圖分析，石炭系特厚煤層上覆巖層主要以砂質(zhì)巖性為主，堅硬巖層占比大于60%，局部區(qū)域堅硬巖層占比可達80%以上。

塔山煤礦現(xiàn)主采石炭系太原組3～5#煤層，平均煤厚15.18 m，屬特厚煤層。3～5#煤層直接頂主要是高嶺質(zhì)泥巖、碳質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖，部分為煌斑巖互層，局部直接位于煤層之上；老頂為厚層狀中硬以上的中、粗粒石英砂巖、砂礫巖及礫巖，厚度為20 m左右；底板多為中軟的砂質(zhì)、高嶺質(zhì)、碳質(zhì)泥巖、泥巖及高嶺巖，少量粉、細砂巖。由于3～5#煤層上覆存在多層堅硬巖層，能夠在石炭系特厚煤層上覆形成多個關(guān)鍵層，以8104工作面為例，經(jīng)判別煤層上覆存在6 個關(guān)鍵層。堅硬巖層具有較強自穩(wěn)能力，能承載一定的上部荷載，減弱其自身巖層及上覆一定范圍內(nèi)軟弱巖層的重量向下傳遞，為小煤柱沿空巷道圍巖小結(jié)構(gòu)創(chuàng)造較有利的應(yīng)力環(huán)境。

2 綜放面覆巖結(jié)構(gòu)特征及運動規(guī)律

2.1 沿工作面推進方向覆巖結(jié)構(gòu)特征及運動演化規(guī)律

大同礦區(qū)特厚煤層綜放開采大空間采場覆巖結(jié)構(gòu)具備“低位組合懸梁+中位砌體梁+高位大結(jié)構(gòu)”特征[2]，結(jié)構(gòu)特征如圖1所示。

圖1 特厚層綜放采場走向覆巖結(jié)構(gòu)示意圖

工作面煤層采出后覆巖運動由下向上分帶逐步擴展，直至形成穩(wěn)定的巖層承載結(jié)構(gòu)。采空區(qū)直接頂在自重及其上覆巖層的作用下首先斷裂、冒落，由于特厚煤層綜放開采形成巨大的采出空間，厚及中厚煤層條件下能夠形成砌體梁結(jié)構(gòu)的基本頂關(guān)鍵層，因關(guān)鍵層塊體回轉(zhuǎn)下沉量過大無法在塊體間維持穩(wěn)定的鉸接結(jié)構(gòu)，破斷前以懸臂梁結(jié)構(gòu)形式存在，破斷后表現(xiàn)為整體切落。隨著工作面推進，低位關(guān)鍵層破斷失穩(wěn)后覆巖運動繼續(xù)向上發(fā)展，受采動影響的巖層范圍也將不斷擴大，覆巖形成類似“裂斷拱”結(jié)構(gòu)，并不斷向上擴展。在低位垮落巖層有效填充特厚煤層的采出空間后，中、高位關(guān)鍵層塊體破斷后將能夠形成鉸接結(jié)構(gòu)，以砌體梁形式存在。當工作面推進到一定長度時，拱形結(jié)構(gòu)發(fā)展到一定高度后不再向上擴展，之后，拱形區(qū)域依次向前傳遞，覆巖逐漸進入充分采動狀態(tài)。

2.2 沿工作面傾向覆巖結(jié)構(gòu)特征及運動演化規(guī)律

沿工作面傾向覆巖運動演化的基本規(guī)律與沿工作面推進方向類似，隨著工作面推進，覆巖自下而上以關(guān)鍵層為標志層逐漸變形離層、破斷失穩(wěn)，直至覆巖運動達到穩(wěn)定狀態(tài)。與沿工作面走向覆巖運動不同之處在于，受工作面寬度限制，在與相鄰工作面采空區(qū)已穩(wěn)定覆巖協(xié)同運動前，覆巖在本工作面傾向范圍內(nèi)運動。即隨工作面推進，沿工作面傾向覆巖運動逐漸向上發(fā)展，也會形成類似拱形結(jié)構(gòu)，拱形結(jié)構(gòu)發(fā)展到一定高度后暫不再向上發(fā)展。但當工作面推進到一定距離時，會與相鄰工作面采空區(qū)已穩(wěn)定覆巖在更高的層位協(xié)同運動，覆巖運動將再次向上擴展，形成更大范圍的拱形結(jié)構(gòu)，在相鄰兩個或多個工作面高位覆巖中形成穩(wěn)定的砌體梁結(jié)構(gòu)后，沿工作面傾向覆巖運動才趨于穩(wěn)定。在工作面多次見方前其傾向覆巖運動主要受中、低位關(guān)鍵層影響；多次見方后在傾向形成大采場結(jié)構(gòu)，其覆巖運動是由高、中、低位關(guān)鍵層協(xié)同控制，結(jié)構(gòu)特征如圖2所示。

圖2 特厚層綜放采場傾向覆巖結(jié)構(gòu)示意圖

3 采動覆巖穩(wěn)定時間確定

3.1 地表移動觀測及規(guī)律分析

為了研究特厚煤層開采條件下覆巖運動與地表移動的對應(yīng)關(guān)系，在塔山煤礦8104工作面上方地表布置了兩條觀測線，以得到該開采地質(zhì)條件下的地表移動變形規(guī)律。其中，走向觀測線（以Z表示）1條，沿8104工作面走向地表中央布設(shè)成直線，走向觀測線長度為2 875 m，測點間距為25 m，共設(shè)計89 個測點；傾向觀測線（以Q表示）1條，沿8103、8104工作面傾向方向地面相對平緩處布設(shè)成折線，傾向測線長度為1 450 m，測點間距25 m，共有59個測點。觀測點布設(shè)示意圖如圖3所示。

圖3 觀測點布設(shè)示意圖

自2009 年5 月29 日進行第1 次全面觀測后，分別于2009年8月16日、2009年9月16日、2009年10月20日、2010年1月17日、2010年4月17日和2010年9月5日對地表沉降進行了6次觀測，其中2009年8月16日和2009 年10 月20 日的部分觀測數(shù)據(jù)丟失，對這兩次觀測數(shù)據(jù)不做具體分析。

1）走向觀測線地表移動變形分析

工作面推進過程中沿走向觀測線地表下沉與水平移動曲線如圖4所示。截止到2010年9月5日，工作面仍在推進中，共推進2 490 m，因此在工作面停采線正上方附近地表下沉并未達到穩(wěn)定。但從觀測結(jié)果可以得出，從工作面切眼到距切眼1 300 m范圍內(nèi)，2010年4月17日與2010年9月5日觀測的地表下沉基本重合一致，這說明在距切眼1 300 m范圍內(nèi)地表下沉基本達到穩(wěn)定；同時從2010年9月5日的觀測數(shù)據(jù)可知，觀測線中部出現(xiàn)了平底，因此走向觀測線在該生產(chǎn)地質(zhì)條件下達到的地表最大下沉值，可由2010 年9 月5 日的觀測數(shù)據(jù)進行確定。2009年5月29日進行第1次觀測時，距工作面切眼800 m處地表還未開始下沉，2009年9月16日觀測時該處下沉量小于200 mm，2010年4月17 日與2010 年9 月5 日觀測時該處地表下沉基本穩(wěn)定，所以，根據(jù)2010年4月17日觀測數(shù)據(jù)計算，地表下沉穩(wěn)定時間約為11個月。

圖4 沿走向觀測線地表下沉曲線

2）傾向觀測線地表移動變形分析

由前述觀測線布置情況可知，傾向觀測線與走向觀測線相交于走向觀測線的Z44 號與Z45 號點之間。圖5為2010年9月5日觀測的沿傾向線的地表下沉曲線，由于Z44號和Z45號點位于走向觀測線的平底部，可知2010年9月5日觀測的傾向線地表下沉基本已經(jīng)穩(wěn)定。

圖5 沿傾向觀測線地表下沉曲線

傾向觀測線上地表下沉值最大點為Q35 號點，該點位于工作面內(nèi)偏向下山方向一側(cè)的山坡上，加之受該側(cè)8103工作面開采影響，傾向最大下沉值與走向觀測線最大下沉值相比較大；但傾向觀測線上位于8104工作面中心附近平地上的Q33 號點下沉值為2 578 mm，與走向觀測線上的最大下沉值一致。這與沿工作面傾向覆巖運動演化規(guī)律一致，隨著8104工作面回采范圍的增加，沿傾向方向8103、8104 工作面高位巖層協(xié)調(diào)運動，在兩個工作面乃至更大范圍內(nèi)形成新的穩(wěn)定砌體梁結(jié)構(gòu)，破斷塊體一側(cè)在8104工作面實煤體側(cè)與未破斷塊體鉸接，另一側(cè)在8103、8104 工作面中部與采空區(qū)內(nèi)已穩(wěn)定塊體鉸接，因而地表最大下沉位置靠近8103工作面。

3.2 覆巖運動時空演化規(guī)律反演分析

為全面分析覆巖運動情況，建立覆巖內(nèi)部巖層移動預(yù)計模型，結(jié)合地表移動監(jiān)測數(shù)據(jù)和塔山煤礦8104工作面具體生產(chǎn)地質(zhì)條件，反演分析塔山煤礦覆巖運動時空演化規(guī)律。以工作面推進到240 m、480 m、800 m 以及停采1 年后（假定工作面最終推進距離為800 m），走向主斷面垂直剖面上的巖層移動為依據(jù)說明工作面采動覆巖穩(wěn)定時間，如圖6所示。

圖6 工作面走向主斷面垂向剖面下沉等值線

覆巖下沉等值線呈現(xiàn)與覆巖運動演化過程類似的拱形曲線，當工作面推進距離較短時，覆巖下沉自下而上分帶逐漸擴展，下沉等值線呈規(guī)則的拱形；隨工作面推進，下沉等值線變?yōu)椴灰?guī)則的拱形，覆巖運動影響范圍逐漸向上擴展、向工作面推進方向傳遞；工作面停采1 年后上覆巖層達到充分采動，下沉等值線最終又呈規(guī)則的拱形曲線。

綜上所述，根據(jù)地表觀測結(jié)果和覆巖移動預(yù)計模型反演結(jié)果，初步判定塔山煤礦石炭系特厚煤層開采條件下，工作面覆巖采動穩(wěn)定時間約為1年。

4 沿空掘巷合理時機確定

采空區(qū)覆巖整體進入穩(wěn)定狀態(tài)前，工作面上方一定范圍內(nèi)覆巖已處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，其穩(wěn)定時間小于覆巖整體穩(wěn)定時間。由圖6可知，工作面推進至480 m時，在距切眼180 m處煤層上方100 m范圍內(nèi)覆巖下沉量達到最大值；工作面推進至800 m 時，在距切眼220 m 處煤層上方150 m 范圍內(nèi)覆巖下沉量達到最大值。

特厚煤層綜放面端部結(jié)構(gòu)隨覆巖的整體運動狀態(tài)改變，不同層位覆巖運動對端部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響程度不同，距煤層越近，覆巖運動對端部結(jié)構(gòu)的影響越大。特厚煤層綜放面端部下位關(guān)鍵層懸臂梁結(jié)構(gòu)的破斷失穩(wěn)會造成端部應(yīng)力分布在短時間內(nèi)發(fā)生劇烈變化，三角滑移弱結(jié)構(gòu)區(qū)的運動影響端部應(yīng)力場的重新分布，高位關(guān)鍵層形成穩(wěn)定的砌體梁結(jié)構(gòu)后，綜放面端部結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，更上位覆巖的運動對端部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定影響較小。

為避免相鄰工作面覆巖運動對沿空巷道穩(wěn)定造成影響，原則上沿空巷道應(yīng)在相鄰工作面采空區(qū)覆巖整體穩(wěn)定后掘進，即沿空巷道應(yīng)在相鄰工作面停采至少1年以后開始掘進。但部分礦井存在采掘接替緊張等問題，沿空巷道在采空區(qū)覆巖整體充分穩(wěn)定前就要開始掘進，此時應(yīng)保證工作面上方一定范圍內(nèi)覆巖劇烈運動結(jié)束，同時綜放面端部結(jié)構(gòu)達到相對穩(wěn)定狀態(tài)。大同礦區(qū)特厚煤層綜放開采條件下，綜放面端部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定時間一般為3～6個月。工作面推進度L與沿空巷道掘進時間T之間的關(guān)系如圖7所示。

圖7 工作面推進度與沿空巷道掘進時間關(guān)系

工作面推進至距切眼Li處，工作面推進時間為Ti，采空區(qū)端部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定時間為Tw1，采空區(qū)覆巖充分穩(wěn)定時間為Tw2，則回采后沿空巷道可掘進的最短時間Ti1為：

采空區(qū)覆巖充分穩(wěn)定后沿空巷道掘進的最短時間Ti2為：

若沿空巷道掘進方向與工作面推進方向一致，則小煤柱掘進時機可由式（3）、（4）確定。

工作面可采長度為Ln，工作面回采時間為Tn，則工作面停采后沿空巷道可掘進的最短時間Tn1為：

采空區(qū)覆巖充分穩(wěn)定后沿空巷道掘進的最短時間Tn2為：

5 結(jié)論

1）特厚煤層綜放面煤層采出后覆巖運動由下向上分帶逐步擴展，直至形成穩(wěn)定的巖層承載結(jié)構(gòu)，由于特厚煤層開采后形成巨大的采出空間，沿工作面走向形成“低位組合懸梁+中位砌體梁+高位大結(jié)構(gòu)”結(jié)構(gòu)；在工作面多次見方前沿傾向覆巖運動主要受中、低位關(guān)鍵層影響；多次見方后在傾向形成大采場結(jié)構(gòu)，其覆巖運動是由高、中、低位關(guān)鍵層協(xié)同控制。

2）根據(jù)工作面地表下沉觀測結(jié)果判斷地表下沉穩(wěn)定時間約為11個月，傾向最大下沉值與走向觀測線最大下沉值相比較大，且地表最大下沉位置靠近8103工作面；結(jié)合反演分析初步判定塔山煤礦石炭系特厚煤層開采條件下，工作面覆巖采動穩(wěn)定時間約為1年。

3）不同層位覆巖運動對綜放面端部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響程度不同，距煤層越近，覆巖運動對端部結(jié)構(gòu)的影響越大，綜放面端部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定時間一般為3～6 個月。原則上沿空巷道應(yīng)在相鄰工作面采空區(qū)覆巖整體穩(wěn)定后掘進，若采掘接替緊張，在保證工作面上方一定范圍內(nèi)覆巖劇烈運動結(jié)束，同時綜放面端部結(jié)構(gòu)達到相對穩(wěn)定狀態(tài)的條件下，沿空巷道也可提前掘進。