分層開(kāi)采下分層大斷面開(kāi)切眼頂板穩(wěn)定性評(píng)估

柴敬， 喬鈺， 高士崗，， 高登彥， 陳蘇社， 呂情緒， 杜文剛， 韓志成

（1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué) 西部礦井開(kāi)采及災(zāi)害防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；3.國(guó)家能源集團(tuán) 神東煤炭集團(tuán)，陜西 神木 719315）

0 引言

目前，巷道圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)成為國(guó)內(nèi)外采礦領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問(wèn)題，當(dāng)厚煤層采用分層開(kāi)采時(shí)，下分層的頂煤同時(shí)受上分層工作面采動(dòng)影響和下分層工作面布置的擾動(dòng)影響，造成頂煤破壞損傷，圍巖控制愈發(fā)困難。開(kāi)切眼是開(kāi)采前設(shè)備安裝的場(chǎng)所，為滿足工作面大型設(shè)備的運(yùn)輸及安裝需求，開(kāi)切眼斷面越來(lái)越大。分層開(kāi)采下分層開(kāi)切眼掘進(jìn)過(guò)程中，存在頂板穩(wěn)定性差、支護(hù)困難等問(wèn)題，極易發(fā)生冒頂、漏頂?shù)劝踩鹿?。因此，研究下分層頂板結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)對(duì)下分層大斷面開(kāi)切眼支護(hù)方案確定、支護(hù)參數(shù)優(yōu)化及降低事故率具有重要意義。

目前在煤巷掘進(jìn)對(duì)頂板穩(wěn)定性的影響和工作面開(kāi)采對(duì)底板造成破壞的研究中，學(xué)者們分別采用理論計(jì)算、數(shù)值模擬等方式研究了煤巷掘進(jìn)圍巖裂隙場(chǎng)分布特征、巷道支護(hù)優(yōu)化、不同掘巷方式的頂板裂隙演化和上部煤層開(kāi)采造成的底板損傷深度對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響，并通過(guò)深度學(xué)習(xí)等方法對(duì)頂板穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)[1-3]。

對(duì)巷道掘進(jìn)過(guò)程中頂板穩(wěn)定性方面的研究：何富連等[4]采用UDEC數(shù)值模擬了開(kāi)切眼斷面不同寬度下，圍巖裂隙場(chǎng)分布特征、拓展趨勢(shì)及相對(duì)演化規(guī)律。張斌等[5]采用原位實(shí)測(cè)、FLAC3D數(shù)值分析及井下監(jiān)測(cè)等方法，對(duì)掘進(jìn)擾動(dòng)影響的巷道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行了研究并提出了巷道支護(hù)優(yōu)化方案。楊朋等[6]通過(guò)三軸加載試驗(yàn)平臺(tái)，得到了不同掘巷方式下復(fù)合頂板變形特征和開(kāi)切眼不同階段復(fù)合頂板的裂隙動(dòng)態(tài)演化特征。在工作面開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)底板造成破壞方面的研究：張百勝[7]運(yùn)用彈塑性理論、滑移線場(chǎng)理論，結(jié)合上部煤層開(kāi)采頂板垮落特點(diǎn)及應(yīng)力分布規(guī)律推導(dǎo)出上部煤層底板損傷深度，給出了極近距離煤層的定義和判距。張金才等[8]采用彈塑性理論及實(shí)測(cè)資料提出了底板采動(dòng)裂隙帶最大深度的3種計(jì)算公式且應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料分析了底板裂隙帶分布形態(tài)。張文彬[9]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)布置鉆孔應(yīng)力計(jì)和鉆孔窺視，并結(jié)合彈塑性理論和回歸分析方法確定底板破壞影響范圍。在對(duì)煤巷頂板穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方面：張召千等[10]提出了多因素單一綜合指標(biāo)值評(píng)價(jià)方法，運(yùn)用層次分析法確定評(píng)價(jià)因子權(quán)重，用加權(quán)平均法建立單一綜合指標(biāo)值計(jì)算模型。楊仁樹(shù)等[11]選擇煤巷頂板強(qiáng)度、底板強(qiáng)度等8個(gè)指標(biāo)作為分類評(píng)判指標(biāo)，運(yùn)用5標(biāo)度的層次分析法對(duì)8個(gè)分類指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重分配，最后提出合理支護(hù)對(duì)策。耿越等[12]基于深度學(xué)習(xí)方法從頂板監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中自動(dòng)提取特征的優(yōu)勢(shì)，提出了采用深度學(xué)習(xí)中的生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)對(duì)煤巷頂板進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的新模式。

上述研究分別對(duì)巷道掘進(jìn)過(guò)程中頂板穩(wěn)定性和工作面開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)底板的破壞性進(jìn)行了分析，但缺乏對(duì)分層開(kāi)采下分層大斷面開(kāi)切眼這類特殊工況[13]條件下頂煤穩(wěn)定性的研究。本文以大柳塔煤礦活雞兔井1?2煤層復(fù)合區(qū)下分層開(kāi)切眼為背景，采用理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)鉆孔窺視分析了頂煤受上分層采動(dòng)影響和下分層開(kāi)切眼掘進(jìn)影響下塑性區(qū)范圍及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，并采用巖體完整性指數(shù)（Rock Mass Integrity Index，RMDI）對(duì)頂煤結(jié)構(gòu)完整性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 工程概況

大柳塔煤礦活雞兔井1?2煤層復(fù)合區(qū)平均煤層厚度為10 m，平均埋深為77 m，因受當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)外綜采裝備水平限制，神東公司采用分層開(kāi)采綜采工藝對(duì)上分層煤層進(jìn)行回采，設(shè)計(jì)采高為3.5～4.0 m。由于上分層回采時(shí)底板局部下凹，且回采時(shí)未采取鋪網(wǎng)等人工制造假頂措施，對(duì)底板甚至下分層開(kāi)采造成較大影響。受小窯越界開(kāi)采影響，將1?2下203開(kāi)切眼及相關(guān)硐室布置在1?2上采空區(qū)下，設(shè)計(jì)開(kāi)切眼全長(zhǎng)為 251.4 m，采高為 3.9 m，為保證礦井安全，設(shè)頂煤留設(shè)厚度為4 m，臥底為1.94 m，采用二次掘進(jìn)成巷方式，先掘 5.4 m（副幫）側(cè)，然后再擴(kuò)幫 3.6 m（正幫）側(cè)形成9 m寬的大斷面開(kāi)切眼，如圖1所示。

圖1 1?2 下 203 開(kāi)切眼布置Fig.1 1?2203 open-off cut layout

在重復(fù)擾動(dòng)的作用下，開(kāi)切眼頂煤塑性區(qū)由上分層開(kāi)采對(duì)底板的塑性區(qū)影響范圍與下分層掘進(jìn)對(duì)頂煤的塑性區(qū)影響范圍組成。針對(duì)活雞兔井1?2煤層上分層開(kāi)采時(shí)對(duì)底板的破壞深度，采用斷裂力學(xué)和彈塑性理論計(jì)算受上分層采動(dòng)的影響，底板最大塑性區(qū)破壞深度，考慮底板巖層本身的節(jié)理和裂縫影響，引入節(jié)理裂隙影響參數(shù)對(duì)底板造成的最大塑性區(qū)破壞深度進(jìn)行修正[14-15]。

上工作面開(kāi)采對(duì)底板造成的最大破壞深度為

式中：γ為底板巖體容重，γ=16 kN/m3；H為煤層埋深，H=77 m；L為上工作面傾斜長(zhǎng)度，L=232 m；Rc為底板巖石的平均抗壓強(qiáng)度，Rc=9.2 MPa；δ為底板巖層中節(jié)理裂隙影響系數(shù)，δ=0.9（節(jié)理裂隙對(duì)底板破壞深度影響最大值）。

將以上參數(shù)代入式（1），得Dmax=2.02 m。

在開(kāi)切眼掘進(jìn)時(shí)，未受上分層采動(dòng)影響的一部分煤梁先發(fā)生彈性變形，接著產(chǎn)生塑性破壞，截面由彈性階段進(jìn)入彈塑性階段。當(dāng)橫截面完全進(jìn)入塑性狀態(tài)時(shí)塑性極限彎矩為

式中：σs為頂煤抗拉強(qiáng)度；b為煤梁寬度，b=1 m；D1為掘進(jìn)頂煤塑性區(qū)深度。

在煤梁受采動(dòng)破壞之前，根據(jù)材料力學(xué)計(jì)算在垂直荷載作用下的最大彎矩：

式中：q為開(kāi)切眼上覆均布荷載；l為開(kāi)切眼斷面寬度，l=9 m。

當(dāng)煤梁在垂直載荷作用下的最大彎矩小于煤梁進(jìn)入全部塑性區(qū)的彎矩時(shí)，則煤梁不含出現(xiàn)全部塑性的情況，則有M≥Mmax，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，開(kāi)切眼上覆均布荷載q=0.25 MPa，σs=1.5 MPa，代入式（2）和式（3）可得D1=1.50 m。

2 現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)

由于頂煤的結(jié)構(gòu)形態(tài)會(huì)對(duì)頂煤穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，工作面開(kāi)切眼在掘進(jìn)時(shí)通過(guò)對(duì)頂板進(jìn)行鉆孔來(lái)探測(cè)頂煤厚度，掘進(jìn)完成后，對(duì)頂煤進(jìn)行鉆孔窺視。

2.1 頂煤鉆孔布置

開(kāi)切眼掘進(jìn)完成后，對(duì)頂煤進(jìn)行鉆孔窺視，開(kāi)切眼鉆孔布置如圖2所示。開(kāi)切眼共設(shè)置7個(gè)測(cè)站，在正幫（3.6 m）側(cè)、副幫（5.4 m）側(cè)各設(shè) 7個(gè)鉆孔，分別位于7個(gè)測(cè)站的2個(gè)斷面，共計(jì)14個(gè)鉆孔，鉆孔孔徑為 27 mm。

圖2 開(kāi)切眼鉆孔布置Fig.2 Borehole peeping layout of open-off cut

鉆孔編號(hào)由3位數(shù)字組成，第1位數(shù)字為測(cè)站編號(hào)，第2位數(shù)字為斷面編號(hào)，第3位數(shù)字為測(cè)點(diǎn)編號(hào)，其中副幫測(cè)點(diǎn)編號(hào)為1，正幫測(cè)點(diǎn)編號(hào)為2。如鉆孔121表示1號(hào)測(cè)站，斷面2中測(cè)點(diǎn)1處的鉆孔。

2.2 頂煤結(jié)構(gòu)形態(tài)

在下分層工作面開(kāi)切眼掘進(jìn)時(shí)，為探測(cè)開(kāi)切眼頂煤的厚度，每隔3 m對(duì)開(kāi)切眼頂煤正副幫各打83個(gè)鉆孔進(jìn)行探測(cè)，頂煤結(jié)構(gòu)形態(tài)如圖3所示。從頂煤厚度探測(cè)結(jié)果可知，正幫側(cè)的最大頂煤厚度為4.6 m，最小頂煤厚度為3.5 m，副幫側(cè)的最大頂煤厚度為4.8 m，最小頂煤厚度為2.8 m。上分層開(kāi)采造成開(kāi)切眼頂煤中部超挖、端部欠挖現(xiàn)象，由于留設(shè)頂煤厚度為4.0 m，則開(kāi)切眼的最大超挖量為1.2 m，最大欠挖量為0.8 m，最大超挖量占比30%，最大欠挖量占比20%，對(duì)正副幫鉆孔探測(cè)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其不平整率為27.7%。

圖3 頂煤結(jié)構(gòu)形態(tài)Fig.3 Top coal structure aspect graph

對(duì)頂煤厚度進(jìn)行區(qū)間劃分，如圖4所示。通過(guò)統(tǒng)計(jì)可知，頂煤厚度為3.4～4.8 m，且主要集中在[3.7 m，3.9 m]，[3.9 m，4.1 m]這 2 個(gè)區(qū)間內(nèi)，其中正幫側(cè)的頂煤比副幫側(cè)的頂煤厚。

圖4 頂煤厚度區(qū)間分布Fig.4 Interval distribution of top coal thickness

2.3 頂煤穩(wěn)定性窺視結(jié)果分析

2.3.1 頂煤鉆孔全景圖與裂隙分布

對(duì)頂煤進(jìn)行鉆孔窺視，由于開(kāi)切眼在機(jī)頭架窩位置處頂煤厚度最薄，特征最明顯，故選取1號(hào)測(cè)站的鉆孔窺視數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

1號(hào)測(cè)站鉆孔窺視全景如圖5所示。圖5（a）為1號(hào)測(cè)站副幫側(cè)鉆孔裂隙分布，鉆孔全長(zhǎng)為2 800 mm，在距鉆孔初始位置 0，170，520，730，1 090，1 460，2 050，2 750 mm 處有 4 個(gè)裂隙發(fā)育呈破碎狀態(tài)，4 個(gè)裂隙呈較發(fā)育狀態(tài)，共計(jì)8個(gè)裂隙區(qū)域。在距鉆孔初始位置 2 050 mm 處，破碎狀態(tài)的最大面積為 1 260 mm2；在距鉆孔初始位置1 090 mm處，較發(fā)育裂隙最大長(zhǎng)度為 168.69 mm。在距鉆孔初始位置 2 750 mm 處，由于靠近開(kāi)切眼機(jī)頭架窩位置頂煤厚度只有2 800 mm，鉆孔到達(dá)上覆煤層采空區(qū)，可觀測(cè)到上分層采空區(qū)矸石。鉆孔內(nèi)裂隙區(qū)域較多，頂煤質(zhì)量較差。圖5（b）為1號(hào)測(cè)站正幫側(cè)鉆孔裂隙分布，鉆孔全長(zhǎng)為2 600 mm，在距鉆孔初始位置 530，770，1 500，2 020 mm 位置處，分別有3個(gè)裂隙發(fā)育呈破碎狀態(tài)，1個(gè)裂隙呈較發(fā)育狀態(tài)。在距鉆孔初始位置1 500 mm處，破碎狀態(tài)最大面積為2 300 mm2。剩余煤體裂隙發(fā)育不明顯，在距鉆孔初始位置2 020 mm之后的煤體完整性較好，說(shuō)明正幫側(cè)完整性較副幫側(cè)完整性好。

圖5 1 號(hào)測(cè)站鉆孔窺視全景Fig.5 Borehole peep panorama of station No.1

2.3.2 頂煤鉆孔窺視全景圖結(jié)果分析

采用CXK12（A）礦用本安型鉆孔窺視儀配套軟件進(jìn)行全景結(jié)果分析。鉆孔窺視視頻提取鉆孔全景圖片方法[16]是對(duì)14個(gè)鉆孔窺視全景結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并按裂隙大小和破碎程度進(jìn)行分類，頂煤鉆孔窺視裂隙發(fā)育分布如圖6所示。可看出開(kāi)切眼副幫側(cè)的頂煤較正幫側(cè)的頂煤薄，且開(kāi)切眼副幫側(cè)要比正幫側(cè)裂隙發(fā)育明顯；機(jī)頭架窩處的頂煤厚度較機(jī)尾處的薄，靠近機(jī)頭架窩處的裂隙比機(jī)尾處的裂隙發(fā)育更明顯，說(shuō)明在上分層回采和下分層開(kāi)切眼掘進(jìn)時(shí)頂煤厚度與結(jié)構(gòu)內(nèi)部裂隙發(fā)育呈負(fù)相關(guān)。在開(kāi)切眼中心位置處（如圖6（a）中411號(hào)位置），副幫側(cè)的裂隙比正幫側(cè)的裂隙更發(fā)育，這是由于設(shè)置的調(diào)車硐室，使副幫側(cè)斷面進(jìn)一步擴(kuò)大，斷面達(dá)到15.4 m，導(dǎo)致頂煤穩(wěn)定性降低，裂隙發(fā)育明顯。說(shuō)明斷面越大其頂煤穩(wěn)定性越差，裂隙越發(fā)育，進(jìn)一步證明一次成巷的斷面不能太大；正幫側(cè)整體裂隙發(fā)育程度基本相似，裂隙與破碎區(qū)域發(fā)育相對(duì)較小，頂煤較穩(wěn)定，這是由于開(kāi)切眼采用二次成巷方式，易引起裂隙發(fā)育。

圖6 頂煤鉆孔窺視裂隙發(fā)育分布Fig.6 Distribution of fracture development in top coal borehole peeping

2.3.3 頂煤塑性區(qū)與彈性區(qū)劃分

根據(jù)開(kāi)切眼7個(gè)測(cè)站14個(gè)鉆孔窺視全景圖，結(jié)合上分層采動(dòng)和下分層掘進(jìn)擾動(dòng)影響造成的頂煤塑性區(qū)深度，將每個(gè)測(cè)站鉆孔劃分為上分層采動(dòng)塑性區(qū)、彈性區(qū)、下分層掘進(jìn)塑性區(qū)3個(gè)區(qū)段，對(duì)鉆孔3個(gè)區(qū)段范圍與裂隙數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖7所示?？煽闯?4個(gè)鉆孔的裂隙數(shù)呈兩端多中間少的分布趨勢(shì)，根據(jù)鉆孔窺視全景圖可知，理論彈性區(qū)范圍內(nèi)的裂隙相對(duì)較少，且裂隙較小，認(rèn)為該裂隙是原生裂隙。說(shuō)明處于中間范圍內(nèi)的頂煤裂隙少，且完整性較好。

圖7 全段鉆孔裂隙數(shù)分布Fig.7 Distribution of fracture number in whole section of borehole peeping

由于上分層開(kāi)采頂煤存在超挖與欠挖現(xiàn)象，各測(cè)站頂煤上部厚度不均勻，導(dǎo)致上分層采動(dòng)影響造成的底煤塑性區(qū)損傷深度不同。將頂煤劃分為3個(gè)理論塑性區(qū)，如圖8所示。依據(jù)理論分析結(jié)果分別確定開(kāi)切眼正副幫頂煤上分層采動(dòng)與下分層掘進(jìn)擾動(dòng)影響造成的塑性區(qū)深度為2.02，1.50 m，得出頂煤理論塑性區(qū)。紫色虛線與頂煤上邊界形成上分層塑形區(qū)，紅色虛線與頂煤下邊界形成下分層掘進(jìn)的塑形區(qū)，紫色虛線和紅色虛線之間為理論彈性區(qū)。

圖8 頂煤理論塑性區(qū)范圍與實(shí)測(cè)塑性區(qū)范圍劃分Fig.8 Division of theoretical plastic zone and mearsured plastic zone of top coal

由于實(shí)際塑性區(qū)與理論塑性區(qū)存在差異，所以需要確定實(shí)際塑性區(qū)。將理論分析結(jié)果代入鉆孔窺視全景圖中，按照鉆孔窺視裂隙分布確定現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)塑性區(qū)的深度。以副幫側(cè)411號(hào)鉆孔為例，如圖9所示。頂煤在411號(hào)鉆孔位置厚度為3.8 m，鉆孔全長(zhǎng)為3.3 m，按照理論計(jì)算結(jié)果，受上分層開(kāi)切眼頂煤采動(dòng)影響，底煤塑性區(qū)深度為2.02 m，即在頂煤1.78 m位置以上為上分層開(kāi)采擾動(dòng)的理論塑性區(qū)；受下分層開(kāi)切眼掘進(jìn)擾動(dòng)影響，頂煤塑性區(qū)深度為1.50 m，即在距頂煤下邊界1.50 m位置以內(nèi)都為下分層掘進(jìn)擾動(dòng)的理論塑性區(qū)。

圖9 411 號(hào)塑性區(qū)邊界Fig.9 Plastic zone 411 boundary

從鉆孔窺視全景圖結(jié)果可知，在 1.50 ，1.78 m 處均無(wú)裂隙，且在1.50～1.78 m內(nèi)也無(wú)裂隙，受上分層開(kāi)切眼頂煤采動(dòng)影響，底煤最大裂隙深度未達(dá)到2.02 m，受上分層開(kāi)切眼頂煤采動(dòng)影響，最大裂隙深度位置（1.976 m）為實(shí)測(cè)底煤塑性區(qū)的最大深度。同理，受下分層開(kāi)切眼掘進(jìn)擾動(dòng)影響，頂煤裂隙最深位置發(fā)生在頂煤的1.148 m處，位于1.50 m以下，因此此實(shí)測(cè)頂煤塑性區(qū)最大深度為1.148 m。根據(jù)此方法，確定出全部鉆孔實(shí)測(cè)塑性區(qū)（圖8），其中黃色實(shí)線與頂煤上邊界形成上分層開(kāi)采擾動(dòng)實(shí)測(cè)塑性區(qū)，藍(lán)色實(shí)線與頂煤下邊界形成下分層掘進(jìn)擾動(dòng)實(shí)測(cè)塑性區(qū)。

根據(jù)14個(gè)鉆孔揭示的頂煤實(shí)測(cè)塑性區(qū)，將頂煤實(shí)測(cè)塑性區(qū)劃分為3個(gè)區(qū)域。其中，上分層采動(dòng)影響造成的底煤實(shí)測(cè)塑性區(qū)最小深度為1.06 m，最大深度為2.04 m，下分層掘進(jìn)擾動(dòng)影響造成的頂煤實(shí)測(cè)塑性區(qū)最小深度為0.34 m，最大深度為1.50 m，黑色區(qū)域?yàn)轫斆簩?shí)測(cè)彈性區(qū)，如圖10所示。

圖10 頂煤兩側(cè)塑性區(qū)范圍與彈性區(qū)劃分Fig.10 Division of plastic zone and elastic zone on both sides of top coal

將理論塑性區(qū)與實(shí)測(cè)塑性區(qū)進(jìn)行對(duì)比，受上分層開(kāi)切眼頂煤采動(dòng)影響，底煤副幫側(cè)實(shí)測(cè)塑性區(qū)比理論塑性區(qū)小9.55%，底煤正幫側(cè)實(shí)測(cè)塑性區(qū)比理論塑性區(qū)小25.71%，實(shí)測(cè)塑性區(qū)比理論塑性區(qū)平均小17.63%；受下分層開(kāi)切眼掘進(jìn)擾動(dòng)影響，頂煤副幫側(cè)實(shí)測(cè)塑性區(qū)比理論塑性區(qū)少24.46%，頂煤正幫側(cè)實(shí)測(cè)塑性區(qū)比理論塑性區(qū)小27.17%，實(shí)測(cè)塑性區(qū)比理論塑性區(qū)平均小25.82%。表明正幫側(cè)的頂煤質(zhì)量比副幫側(cè)頂煤質(zhì)量好，更穩(wěn)定。

3 頂煤塑性區(qū)數(shù)值模擬分析

3.1 上分層開(kāi)采頂煤塑性區(qū)分布

設(shè)置上分層開(kāi)采尺寸為 800 m×600 m×4 m（長(zhǎng)×寬×高），開(kāi)挖步距為 20 m，采用 mohr-coulomb 本構(gòu)模型，以塑性區(qū)表征巖體狀態(tài)，進(jìn)行數(shù)值模擬分析。巖石力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖石力學(xué)參數(shù)Table 1 Rock mechanics parameter

1?2煤上分層煤層開(kāi)采后對(duì)開(kāi)切眼位置上方底煤的數(shù)值模擬結(jié)果如圖11所示。上分層煤層開(kāi)采完畢后，青色區(qū)域?yàn)樯戏謱硬蓜?dòng)未對(duì)底煤造成影響區(qū)域，粉色區(qū)域?yàn)樯戏謱娱_(kāi)采對(duì)開(kāi)切眼位置上部底煤造成塑性區(qū)區(qū)域，黑色方塊為下分層開(kāi)切眼預(yù)設(shè)位置，上分層采動(dòng)影響造成的底煤最大破壞深度為2 m。在各個(gè)位置上分層采動(dòng)影響造成的底煤破壞不均勻，有明顯“躍遷”現(xiàn)象，可能是由于頂板不均勻壓實(shí)導(dǎo)致。 上分層采動(dòng)影響造成的底煤塑性區(qū)深度范圍為 1～2 m。

圖11 上分層開(kāi)采對(duì)頂煤影響Fig.11 Influence of disturbance of upper slice mining on top coal

3.2 開(kāi)切眼后頂煤塑性區(qū)分布

建立尺寸為 300 m×250 m×112 m（長(zhǎng)×寬×高）的模型，由于模擬上分層回采后再進(jìn)行下分層開(kāi)切眼時(shí)，上下分層開(kāi)采尺度對(duì)比較大且存在網(wǎng)格劃分等問(wèn)題，為真實(shí)模擬開(kāi)切眼頂板上方為上分層工作面開(kāi)采遺留采空區(qū)，對(duì)開(kāi)切眼頂煤力學(xué)參數(shù)與活雞兔井1?2煤層力學(xué)參數(shù)進(jìn)行折損率對(duì)比（表2），可看出活雞兔井1?2煤層力學(xué)參數(shù)均比開(kāi)切眼頂煤力學(xué)參數(shù)大。其中，開(kāi)切眼頂煤力學(xué)參數(shù)與活雞兔井1?2煤層力學(xué)參數(shù)之間彈性模量的折損率為53%～75%，抗壓強(qiáng)度的折損率為20%～36%，抗拉強(qiáng)度的折損率為44%～61%，采用物理、力學(xué)參數(shù)弱化方式對(duì)開(kāi)切眼頂煤與直接頂進(jìn)行弱化。

表2 開(kāi)切眼頂煤與 1?2 煤層力學(xué)參數(shù)Table 2 Mechanical parameters of top coal in the open-off cut and 1?2 coal seam

由于1?2煤層頂板上分層工作面開(kāi)采已垮落成為矸石，弱化系數(shù)為0.5，頂煤處于下三帶影響區(qū)，弱化系數(shù)為 0.7，開(kāi)切眼尺寸為 9 m×250 m×3.9 m（長(zhǎng)×寬×高），開(kāi)切眼采用臥底掘進(jìn)方法，對(duì)開(kāi)切眼頂煤塑性區(qū)進(jìn)行分析。開(kāi)切眼掘進(jìn)對(duì)頂煤塑性區(qū)影響如圖12所示。由圖12（a）可看出，在掘進(jìn)影響下，開(kāi)切眼中心正上方位置有明顯“三角”形狀，下分層開(kāi)切眼掘進(jìn)擾動(dòng)影響造成的頂煤塑性區(qū)深度為1 m。由圖12（b）可看出，開(kāi)切眼采用二次成巷的方式掘進(jìn)，單體置于開(kāi)切眼中間，將開(kāi)切眼分為副幫側(cè)和正幫側(cè)2部分，頂煤在支護(hù)后的位移下沉區(qū)域以單體支柱為界被分為一大一小2個(gè)部分，其中副幫側(cè)的下沉量比正幫側(cè)的下沉量大。由此可知，正幫側(cè)頂煤比副幫側(cè)頂煤穩(wěn)定性更好。

圖12 開(kāi)切眼掘進(jìn)對(duì)頂煤塑性區(qū)影響Fig.12 Influence of open-off cut driving tunneling on the plastic area of top coal

綜上可知，受上分層開(kāi)采擾動(dòng)影響造成的底煤塑性區(qū)最大破壞深度和受下分層開(kāi)切眼掘進(jìn)影響造成的頂煤最大破壞深度的數(shù)值模擬分析、理論分析計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)鉆孔窺視結(jié)果一致性程度較高，3種方法能夠相互進(jìn)行驗(yàn)證。

4 頂煤完整性評(píng)價(jià)

對(duì)14個(gè)鉆孔全景圖像信息進(jìn)行整理，并對(duì)頂煤完整性進(jìn)行深入分析與評(píng)價(jià)，通過(guò)巖體完整性指數(shù)密度函數(shù)DIDF反映巖體完整度沿鉆孔軸向的分布特征[17]，對(duì)鉆孔深度裂隙的發(fā)育與破碎情況進(jìn)行分類。

式中：f（z）為沿鉆孔深度z變化的單變量函數(shù)；α為組成巖體完整性塊度的尺寸效應(yīng)影響系數(shù)。

通過(guò)對(duì)應(yīng)的塊度尺寸可得 α具體數(shù)值，見(jiàn)表3。

表3 不同結(jié)構(gòu)類型所對(duì)應(yīng)的αTable 3 The α coefficients corresponding to different structural types

在巖體完整性密度函數(shù)DIDF的基礎(chǔ)上，采用RMDI對(duì)頂煤完整性進(jìn)行評(píng)價(jià)，RMDI是指在鉆孔給定范圍內(nèi)完整煤巖體塊度所占鉆孔總進(jìn)尺長(zhǎng)度的大小，用百分?jǐn)?shù)來(lái)表示，若給定的深度范圍為（l1，l2），則RMDI可用該范圍內(nèi)DIDF的定積分表示，其表達(dá)式為

式中R為巖體完整性指數(shù)。

將RMDI作為巖體完整性指數(shù)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)完整性指數(shù)大于80%為優(yōu)秀，65%～80%為良好，40%～65%為一般，15%～40%為差，15%以下為極差。結(jié)合開(kāi)切眼鉆孔全景圖片信息，計(jì)算14個(gè)鉆孔的完整性指數(shù)，得出頂煤厚度與鉆孔完整性指數(shù)的相關(guān)性，結(jié)果如圖13所示。

圖13 頂煤厚度與完整性指數(shù)關(guān)系Fig.13 Relationship between top coal thickness and integrity index

由圖13可看出，完整性指數(shù)范圍為42.9%～87.5%。副幫側(cè)的平均完整性指數(shù)為57.48%，正幫側(cè)平均完整性指數(shù)為69.1%，說(shuō)明頂煤在正幫側(cè)完整性比副幫側(cè)完整性好?？拷鼨C(jī)尾處完整性指數(shù)比靠近機(jī)頭架窩處完整性指數(shù)好，距開(kāi)切眼機(jī)頭架窩6 m處的1號(hào)測(cè)站副幫側(cè)完整性指數(shù)為45.5%，頂煤厚度最小，只有2.8 m，說(shuō)明距開(kāi)切眼機(jī)頭架窩處的頂煤更破碎，穩(wěn)定性最差；完整性指數(shù)為87.5%的鉆孔位于開(kāi)切眼中心位置4號(hào)測(cè)站正幫側(cè)，頂煤厚度最大，達(dá)到4.8 m，穩(wěn)定性最好。當(dāng)頂煤厚度越小時(shí)，其完整性指數(shù)越小，頂煤結(jié)構(gòu)越破碎，穩(wěn)定性越差，相反，當(dāng)頂煤厚度越大時(shí)，其完整性指數(shù)越大，穩(wěn)定性越好，表明頂煤厚度與完整性指數(shù)呈正相關(guān)。此規(guī)律在副幫側(cè)尤為明顯。

頂煤結(jié)構(gòu)發(fā)育程度占比如圖14所示?？煽闯?4個(gè)鉆孔中，一般的占42.8%，頂煤完整性指數(shù)為優(yōu)秀占7.2%，頂煤完整性指數(shù)為良好的占50%，頂煤完整性指數(shù)為良好以上的占比超過(guò)1/2，表明頂煤基本完整，頂煤設(shè)計(jì)厚度4.0 m合理。

圖14 頂煤結(jié)構(gòu)發(fā)育程度占比Fig.14 Percentage of top coal structure development

現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)支護(hù)理論，結(jié)合1?2下煤層已掘巷道支護(hù)參數(shù)、支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，開(kāi)切眼頂板采用鋼筋骨架網(wǎng)+螺紋鋼錨桿+錨索+鋼梁+縱向錨吊鋼梁+液壓?jiǎn)误w聯(lián)合支護(hù)（前段 80 m 排距為 0.5 m，后段排距為 0.75 m）；開(kāi)切眼中部正幫側(cè)的一排單體在鋼梁下施工縱向錨吊鋼梁（梁長(zhǎng)為9 m）。根據(jù)頂煤完整性評(píng)價(jià)結(jié)果，靠近機(jī)頭架窩位置的完整性比機(jī)尾的完整性差，且副幫側(cè)中心位置設(shè)置了調(diào)車硐室，該位置的完整性評(píng)價(jià)較低，建議后續(xù)工程將單體支護(hù)0.5 m排距延伸至該位置，增加該位置支護(hù)強(qiáng)度，從而使開(kāi)切眼頂煤更穩(wěn)定，完整性更好。

5 結(jié)論

（1） 203 開(kāi)切眼采用 5.4 m+3.6 m 的掘進(jìn)工藝施工，開(kāi)切眼設(shè)計(jì)頂煤厚度為4.0 m，經(jīng)過(guò)對(duì)頂煤結(jié)構(gòu)探測(cè)得出頂煤厚度為3.4～4.8 m，主要集中在3.7～3.9，3.9～4.1 m，正幫側(cè)頂煤相對(duì)較厚。上分層開(kāi)采造成開(kāi)切眼頂煤中部超挖、端部欠挖現(xiàn)象，最大超挖量為1.2 m，最大欠挖量為0.8 m，不平整率為27.7%。

（2） 通過(guò)頂煤鉆孔窺視裂隙發(fā)育情況得出頂煤厚度與裂隙發(fā)育情況呈負(fù)相關(guān)。將頂煤劃分為上分層采動(dòng)塑性區(qū)、彈性區(qū)、下分層掘進(jìn)塑性區(qū)3個(gè)區(qū)域，上分層采動(dòng)影響造成的實(shí)測(cè)塑性區(qū)深度范圍為1.06～2.04 m，比理論塑性區(qū)平均小17.63%，下分層開(kāi)切眼掘進(jìn)擾動(dòng)影響造成的實(shí)測(cè)塑性區(qū)深度范圍為0.34～1.50 m，比理論塑性區(qū)平均小25.82%。表明正幫側(cè)的頂煤質(zhì)量比副幫側(cè)頂煤質(zhì)量好，更穩(wěn)定。

（3） 通過(guò)數(shù)值模擬得出開(kāi)切眼頂煤副幫側(cè)的下沉量比靠近正幫側(cè)的下沉量大。表明正幫側(cè)頂煤比副幫側(cè)頂煤穩(wěn)定性更好。

（4） 頂煤完整性指數(shù)范圍為 42.9%～87.5%，正幫側(cè)的完整性整體要比副幫側(cè)的完整性好，表明一次掘進(jìn)的巷道寬度不宜過(guò)大。頂煤厚度與完整性指數(shù)呈正相關(guān)，完整性指數(shù)為良好以上的占比超過(guò)1/2，表明頂煤基本完整，頂煤設(shè)計(jì)厚度4.0 m合理。