大采高工作面覆巖空間結構變化礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究

路洋波，王元杰，董亞東，陳法兵

(1.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；2.伊化礦業(yè)資源有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯 017318)

隨著工作面的推進，受開采條件影響，工作面上覆巖層呈現(xiàn)出不同的結構特征。在進入深部開采后，工作面礦壓顯現(xiàn)主要受關鍵巖層運動影響較大，其中基本頂上方巖層狀況與相鄰工作面的采動情況決定了關鍵巖層的運動情況，使得工作面覆巖以空間結構的形式影響采場礦壓的顯現(xiàn)[1-5]。因此研究工作面覆巖空間結構變化特征及其對采場強礦壓顯現(xiàn)影響，對頂板管理和巷道支護設計具有重要意義。

國內外諸多學者對不同開采條件下覆巖空間結構進行了大量研究。錢鳴高建立了關鍵層理論，建立了關鍵層位的力學模型，為覆巖結構的構成、運移和失穩(wěn)提供了理論依據(jù)[6，7]；姜福興[8]提出了采場覆巖空間結構概念，按照工作面采動邊界條件，將工作面覆巖空間結構分為“θ”型、“O”型、“S”型和“C”型4種類型。王存文等[9]根據(jù)力學分析，研究了“S”型覆巖空間結構的巖層組成、運動規(guī)律、應力分布特征，探索了基于覆巖空間結構理論的沖擊地壓預測方法。史紅等[10-12]基于微地震監(jiān)測和覆巖空間結構理論，分析了“S”型覆巖空間結構的形成，研究了“S”型覆巖空間結構的沖擊地壓危險區(qū)分布規(guī)律。

母杜柴登煤礦3-1煤層開采期間，礦壓顯現(xiàn)具有超前支承壓力影響范圍大、鄰空巷道礦壓顯現(xiàn)明顯等特點。為了確定母杜柴登煤礦3-1煤層采場覆巖結構特征及其演化規(guī)律，解釋母杜柴登煤礦3-1煤層工作面礦壓現(xiàn)象的產(chǎn)生機制，基于理論計算，微震監(jiān)測以及應力在線監(jiān)測等方法，研究不同開采條件下工作面覆巖空間結構變化對礦壓顯現(xiàn)的影響。以期對相似條件下采場礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究、頂板管理和巷道支護設計提供指導。

1 工程概況

母杜柴登煤礦現(xiàn)開采3-1煤層，其中3-1煤層傾角為0°～3°為近水平煤層，煤層厚度平均為5.5m，采用大采高一次采全厚長壁采煤開采方法。其中30202工作面傾向長度268m，30202工作面一側為30201工作面采空區(qū)，采空區(qū)寬度為241m，一側為實體煤。30202工作面與30201采空區(qū)間留有19m寬的保護煤柱；30202工作面切眼距30201工作面切眼為301m，因此30202工作面在開采過程中會經(jīng)歷“一面采空”和“兩面采空”等不同邊界條件，并經(jīng)歷“一面采空”到“兩面采空”邊界條件轉變過程。工作面位置關系如圖1所示。

圖1 30202工作面位置

2 工作面覆巖空間結構變化及微震活動規(guī)律

覆巖空間結構是指工作面上方的包含基本頂及基本頂以上直至地表的巖層總和[10]。隨工作面不斷的推進，覆巖空間結構中下部的堅硬巖層發(fā)生斷裂，帶動其上軟弱巖層回轉下沉，形成下位巖梁。隨著工作面不斷推進，巖梁跨度和覆巖空間結構不斷增加并向高位發(fā)展，在覆巖空間結構中下部有破斷跨度不等的巖梁形成為鉸接結構，上部為緩沉結構；在覆巖空間結構外部為巖梁破斷點外未產(chǎn)生運動的巖層。對于30202工作面會先后經(jīng)歷“一面為自身采空區(qū)，三面為實體煤”到“兩面為采空區(qū)，兩面為實體煤”的邊界條件，如圖2所示。依據(jù)礦山壓力和覆巖空間結構理論，30202覆巖空間結構相應的會經(jīng)歷“O”型、“O-S”型到“S”型覆巖結構轉換和穩(wěn)定的過程。

圖2 工作面覆巖結構位置

2.1 “O”型覆巖空間結構及微震活動規(guī)律

30202工作面切眼距30201工作面切眼301m，因此30202工作面先經(jīng)歷一面采空的邊界條件，回采過后覆巖形成的空間結構稱之為“O”型結構[8，13]。此階段30202工作面四周為實體煤，隨著工作面的推進，30202采空區(qū)的演變可以看成是由兩個相等長邊不變，短邊不斷增加的矩形變化發(fā)展過程，如圖3所示，隨著工作面的推進，在剖面上，工作面上覆巖層破壞高度不斷的發(fā)育，依據(jù)文獻[14，15]可知，在工作面見方前，采場上方破裂巖層形成結構的最大高度約為連續(xù)開采范圍短邊寬度的一半，當推進長度與工作面傾斜長度相等時，采場上方覆巖結構發(fā)育到最大值，此時工作面上覆巖層破壞形態(tài)為“拱殼”形，此時工作面來壓劇烈，也即見方位置。因此30202工作面推進到切眼前方268m左右時，礦壓顯現(xiàn)明顯；此階段的礦壓特征主要表現(xiàn)在“O”型覆巖空間結構的形成過程，即基本頂?shù)某醮蝸韷汉椭芷趤韷篬16]。

圖3 “O”型覆巖空間結構模型

截至2018年5月29日30202工作面累計推進267.5m，進入一次見方階段。為了分析此期間微震事件空間分布，選擇2018年5月20日至2018年5月29日期間的微震事件樣本進行分析，微震事件平面分布如圖4所示。圖4中黃色震源代表102J事件，圖4中藍色震源代表103J事件，圖4中粉色震源代表104J事件。并對此階段微震事件進行統(tǒng)計，見表1。

圖4 5.25～5.29期間30202工作面微震事件分布

表1 一次見方階段微震事件統(tǒng)計表

在此期間共監(jiān)測到728個微震事件樣本，日均72.8個微震事件，其中微震事件能量主要集中在101J及102J，其中101J～102J能量的震動次數(shù)占總數(shù)的89%。104J微震事件共計13個，微震事件頻次和微震事件能量明顯高于工作面一次見方之前的微震事件活動。分析為在進入30202工作面“見方”階段，由于工作面“見方效應”，采場的支承壓力達到最大值，工作面應力集中現(xiàn)象強烈導致。

綜合分析得出，工作面在經(jīng)歷“O”型覆巖結構階段，尤其在進入工作面一次見方階段，隨然工作面微震事件中較大能量事件頻次有所增加，但工作面附近微震活動規(guī)律總體以低能量的微震事件占相對多數(shù)，表明此階段回采過程工作面上覆巖層結構發(fā)育較穩(wěn)定，發(fā)生強礦壓的危險性較小。

2.2 “O-S”型覆巖空間結構及其微震活動規(guī)律

當30202工作面推進至30201工作面切眼位置前后時，此階段30202工作面的邊界條件將由一面采空轉變到兩面采空，覆巖運動復雜，將此過程的覆巖空間結構稱為“O-S”型。在“O-S”型覆巖空間結構期間，基于工作面邊界條件的轉變，30202工作面所受應力將由單一的走向支承壓力轉變?yōu)樽呦蛑С袎毫?、采空區(qū)傾向支承壓力疊加影響；因此，在30202工作面靠近30201工作面切眼位置時，30202工作面超前應力集中系數(shù)將明顯增加，基本頂與直接頂可能會發(fā)生較大離層現(xiàn)象。

截至2018年6月3日30202工作面累計推進304m，開始進入兩面采空階段。針對2018年5月30日至2018年6月3日期間的微震監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，在此期間監(jiān)測到有效微震事件數(shù)總計444個，日均88.8個。微震事件空間分布如圖5所示，事件能量分級統(tǒng)計見表2。

通過對圖5及表2分析可得，受覆巖結構演化影響，此階段微震事件日平均個數(shù)較“O”型覆巖空間結構期間增加了22.2%。能量等級為103J～104J的微震事件個數(shù)所占比例較上一階段明顯增加；微震事件在空間分布上由于受端頭三角煤及30201采空區(qū)側向應力影響，大能量微震事件分布表現(xiàn)出由30202工作面中部向回風巷煤柱側轉移，并發(fā)生了2次105J大能量事件。

圖5 工作面在一面采空到兩面采空轉變階段微震事件空間分布

表2 轉變階段微震事件統(tǒng)計表

分析其原因，主要為此階段隨著工作面的推進，30202工作面頂板活動開始與30201工作面采空區(qū)出現(xiàn)聯(lián)結發(fā)育，加之上一階段“見方”位置頂板高應力積聚共同作用使得較高的能量事件發(fā)生并開始向30202工作面回風側發(fā)出現(xiàn)轉移，使得30202工作面回風巷側及端頭三角煤處發(fā)生強礦壓的危險性增加。

2.3 “S”型覆巖空間結構及其微震活動規(guī)律

“S”型覆巖空間結構不同于“O”型覆巖空間結構，對于兩面采空的工作面，工作面一面為上區(qū)段回采后的采空區(qū)，另一面為本工作面的采空區(qū)，基本頂及其上位巖層組成的“S”型覆巖空間結構的各巖梁一端架在采空區(qū)矸石上，另一端架在工作面煤壁和側向實體煤上方；其在平面上主要表現(xiàn)出非對稱性，靠近沿空巷道一側是“S”型覆巖空間結構主要分布區(qū)域，由于受覆巖空間結構側向支承應力影響，在采空一側巷道附近產(chǎn)生應力集中區(qū)[17]。進入非對稱開采階段后2018年7月23日至2018年7月29日期間的微震事件分布如圖6所示。

圖6 工作面兩面采空階段微震事件分布

由圖6可知，在該階段隨著工作面的推進，小能量微震事件主要集中在30202工作面回風巷側附近，30202工作面的覆巖空間結構在回風巷附近巖層運動活躍，小能量微震事件多為正常的巖層破裂，說明運動巖層為覆巖空間結構的下位巖層，巖層運動范圍小。而在30201工作面采空區(qū)內也出現(xiàn)大量的微震事件，表明盡管30201工作面下位巖層已經(jīng)回轉下沉，由于隨著30202工作面的回采，30201工作面內未回轉下沉的高位巖梁與30202工作面的高位巖梁產(chǎn)生連動，使得30201工作面上覆巖層運動增大。其中高位巖梁的斷裂失穩(wěn)是30201工作面產(chǎn)生微震事件的圍巖條件，而破裂區(qū)域之外靠近實體煤的應力集中則是發(fā)生微震事件的應力條件。

3 覆巖空間結構應力場分析

3.1 “O”型覆巖空間結構應力場分析

30202工作面在進入非對稱開采階段前，處于一面采空邊界條件，此時工作面所受應力場主要為工作面走向超前應力。為了獲得30202工作面在此階段走向應力分布情況，以及30202工作面內煤體應力走向變化規(guī)律及變化特征。在回風巷和運輸巷煤體內布置了KJ615型鉆孔應力計，應力孔深度為40m，在打鉆安裝應力感應探頭時，并未出現(xiàn)噴孔現(xiàn)象，因此探頭采集的數(shù)據(jù)可以視為有效數(shù)據(jù)，煤體內應力觀測結果如圖7所示，煤體應力變化特征見表3。

圖7 “O”型覆巖空間結構內工作面前方煤體測點應力曲線

表3 煤體應力變化特征

工作面前方支承應力區(qū)域主要分為應力降低區(qū)、應力增高區(qū)及應力不變區(qū)。由圖7和表3可得：在工作面走向方向，工作面前方0～8m左右范圍內為應力降低區(qū)，此范圍內由于煤巖體裂隙的擴展，彈性能的釋放導致應力降低；在工作面前方8～40m范圍內為應力增高區(qū)，由于超前支承應力的影響，此范圍內彈性能積聚，應力集中系數(shù)明顯增加；作面前方40m范圍外支承應力逐漸降低為原巖應力區(qū)。對于回風巷側在距工作面前方11m左右處時，超前支承應力達到最大值；對于運輸巷側，在工作面前方19m左右處時，超前支承應力達到最大值；因此，30202工作面上端應力峰值距工作面的距離與工作面下端應力峰值距工作面的距離基本相等，且工作面回風巷側與運輸巷側最大煤體應力基本相等。表明30202工作面上下兩端處于應力勻稱階段，此階段30202工作面超前支承應力峰值位置在距工作面前方11～19m的范圍內。

通過對超前應力分布和微震事件能量及空間分布來看，此階段工作面超前支承應力影響范圍較小，微震事件主要為小能量事件，其頂板活動主要表現(xiàn)在初期來壓和周期來壓方面，因此回采過程中發(fā)生沖擊的危險性較小。

3.2 “S”型覆巖空間結構應力場分析

30202工作面進入“S”型覆巖空間結構階段后，根據(jù)上述分析其應力場主要受超前應力和回風巷側側向支承壓力影響。通過引入“載荷三帶”模型，建立30202工作面在回采過程中的側向支承壓力估算模型，如圖8所示[18]。

圖8 側向支承壓力估算模型

在傾向方向，根據(jù)“載荷三帶”高度和應力計算公式，取巖層容重γ=25kN/m3，巖層移動角70°。計算得到，“ILZ”帶最大厚度M1=55m，“DLZ”帶最大厚度M2=65.5m，“SLZ”帶最大厚度M3=509.5m。“ILZ”帶影響范圍L1=20.1m，應力峰值為σImax=7.2MPa(不疊加自重應力和“DLZ”帶巖層結構傳遞應力)；“DLZ”帶影響范圍DLZ”帶影響范圍LD=(M1+M2)/tanα=44m，應力峰值為：

因此30202工作面在受30201工作面采空區(qū)側向應力影響，在不考慮垂直應力影響的下，傾向方向應力最大值為56.1MPa。

通過計算可得，30202工作面回風巷側受到30201工作面采空區(qū)的影響產(chǎn)生側向壓力，使得回風巷側所受應力遠遠高于運輸巷側；走向方向超前支承應力影響范圍也明顯增加。30202工作面走向支承應力和30201采空區(qū)傾向應力的疊加影響是決定30202回風巷側是否發(fā)生強礦壓的應力條件；30201工作面內未回轉下沉的高位巖梁與30202工作面的高位巖梁產(chǎn)生連動，形成高位、跨度大的巖梁失穩(wěn)，是發(fā)生強礦壓的圍巖條件。

隨工作面推進。覆巖空間結構不斷向高位發(fā)展，30201工作面的高位巖梁斷裂運動，使30202回風巷受到上覆巖層持續(xù)的高壓作用，厚硬巖層容易在高應力條件下突然斷裂形成破壞性的強礦壓。因此30202工作面回風巷側受工作面超前支承應力，臨近采空區(qū)覆巖傾向支承壓力以及煤柱應力疊加影響是發(fā)生強礦壓危險區(qū)。

4 結 論

1)在不同開采條件下，依據(jù)工作面所經(jīng)歷的不同的采空邊界條件，可將覆巖空間結構分為“O”型、“O-S”型和“S”型。工作面在“一面采空”條件下，此時覆巖空間結構主要為“O”型，此階段在走向方向主要受超前支承應力影響，支承應力峰值位置在距工作面前方11～19m的范圍內，其礦壓特征主要表現(xiàn)為初次來壓和周期來壓，造成微震事件主要分布在30202工作面中部微震事件，回采過程中發(fā)生強礦壓的危險性較小。

2)工作面在經(jīng)歷“一面采空”到“兩面采空”邊界條件轉變過程中，即工作面覆巖空間結構主要為“O-S”型，此階段工作面所受應力將由單一的走向支承壓力轉變?yōu)樽呦蛑С袎毫蛢A向支承壓力疊加影響；根據(jù)覆巖空間結構分析及微震活動空間分布，其臨近已采工作面采空區(qū)側及其端頭煤區(qū)域發(fā)生強礦壓的危險性較上一階段明顯增加。

3)在“兩面采空”條件下，即工作面覆巖空間結構主要為“S”型，此階段工作面走向超前支承應力影響范圍在工作面前方210m左右，傾向支承應力影響范圍為距煤壁44m左右，最大應力值為56.1MPa；在上覆巖層持續(xù)的高壓作用下，30201工作面內未回轉下沉的高位巖梁與30202工作面的高位巖梁產(chǎn)生連動，形成高位、跨度大的巖梁失穩(wěn)，造成工作面回風巷側受工作面超前支承應力、臨近采空區(qū)覆巖傾向支承壓力及煤柱應力疊加影響是發(fā)生強礦壓危險區(qū)域。