唐口煤礦采空區(qū)覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律及采動(dòng)應(yīng)力分布特征

楊 洋 崔保閣 王 沖

（山東唐口煤業(yè)有限公司，山東 濟(jì)寧 272055）

近年來(lái)，我國(guó)煤礦開采深度、規(guī)模及產(chǎn)量持續(xù)增加，采煤工作面覆巖受采掘擾動(dòng)作用日益嚴(yán)重[1-3]。隨著采煤工作面的推進(jìn)，上覆巖層運(yùn)動(dòng)破壞的范圍不斷擴(kuò)大。上覆巖層的運(yùn)移規(guī)律和結(jié)構(gòu)狀態(tài)，對(duì)于邊界煤柱留設(shè)、保護(hù)地面建筑、離層瓦斯抽放、井下工作面安全回采等具有重要的實(shí)際意義。而從理論上掌握上覆巖層的破壞規(guī)律，對(duì)于指導(dǎo)開采實(shí)踐具有重要的作用。當(dāng)采場(chǎng)上覆巖層存在堅(jiān)硬巖層時(shí)，極易形成空間覆巖大結(jié)構(gòu)，大結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定與失穩(wěn)關(guān)系到覆巖空間結(jié)構(gòu)的演化、裂隙發(fā)育及工作面動(dòng)力災(zāi)害的發(fā)生[4-5]。因此，研究采場(chǎng)上覆巖層運(yùn)移及覆巖結(jié)構(gòu)，對(duì)揭示動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生發(fā)展過(guò)程及有針對(duì)性防治動(dòng)力災(zāi)害具有重要意義。

本文以唐口煤礦530 采區(qū)及相關(guān)工作面為背景，采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、數(shù)值模擬、理論計(jì)算相結(jié)合的研究手段深入研究采空區(qū)覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律，確定5307 工作面超前應(yīng)力及側(cè)向應(yīng)力范圍，并設(shè)計(jì)相關(guān)回采巷道支護(hù)參數(shù)，為類似條件下煤層安全開采提供理論指導(dǎo)。

1 采空區(qū)上覆巖層破斷演化規(guī)律研究

1.1 工程地質(zhì)條件

530 采區(qū)地面東部邊界位于胡營(yíng)村東側(cè)，南部邊界位于胡東村南側(cè)，西部邊界位于侯莊以東950 m，北部位于京杭運(yùn)河大橋西南350 m 處。該采區(qū)井下位于南部大巷以西，北至130 采區(qū)邊界，南至630 采區(qū)邊界，西至F14 斷層附近。采區(qū)南北長(zhǎng)約3.0 km，東西寬2.2 km，采區(qū)面積約3.76 km2。3上煤層厚4.62～5.21 m，平均厚4.94 m。采區(qū)煤層傾角較緩，一般2°～9°左右。地面標(biāo)高+34.2～+42.5 m，井下標(biāo)高-880～-970 m，埋深915～1010 m。

1.2 530 采區(qū)上覆巖層關(guān)鍵層判定

選取T17-6 鉆孔對(duì)530 采區(qū)的巖層進(jìn)行關(guān)鍵層判別，根據(jù)關(guān)鍵層判別的剛度和強(qiáng)度條件計(jì)算的關(guān)鍵層判別結(jié)果見表1。

表1 530 采區(qū)巖層分析表（T17-6 鉆孔）

1.3 覆巖運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)地表沉陷觀測(cè)數(shù)據(jù)，530 采區(qū)5307 工作面附近布設(shè)1 條測(cè)線，共11 個(gè)測(cè)點(diǎn)。起始測(cè)點(diǎn)（J1）位于5308 工作面切眼附近，與5308 工作面走向方向反向布置。

該條測(cè)線監(jiān)測(cè)時(shí)間跨度為2020 年10 月1 日—2021 年3 月8 日，根據(jù)各測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到的地表巖移數(shù)據(jù)，可得地表下沉量及下沉速率變化如圖1。

由圖1（a）可知，在回采作業(yè)之前，地下結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定狀態(tài)，地表無(wú)下沉。從最上方曲線到最下方曲線，同一測(cè)點(diǎn)的下沉量在不斷增大，其中以2020 年11 月20 日、12 月16 日的下沉量最大。在初期回采階段，底層初始平衡被破壞，上方地層結(jié)構(gòu)來(lái)不及適應(yīng)采動(dòng)影響，其在較短時(shí)間內(nèi)快速下沉以達(dá)到新的平衡，故初期回采對(duì)地表沉降影響最為顯著。取同一時(shí)間的各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知：測(cè)點(diǎn)J1～J11 的位置與5307 工作面的距離不斷增加，受采空區(qū)的影響不斷減小，因此其下沉量也呈不斷減小趨勢(shì)。

由圖1（b）可知，下沉速率曲線整體呈先上升后下降的趨勢(shì)，初期監(jiān)測(cè)階段的下沉速率始終處于較大范圍，在2020 年12 月16 日下沉速率達(dá)到最大值，超過(guò)6.0 mm/d，與前文分析一致；平均下沉速率約為5.24 mm/d，下沉速率還是較大，下沉速率曲線在下滑階段，前期曲線較陡，后期曲線平穩(wěn)下降，說(shuō)明隨著時(shí)間的推移，地表下沉量在逐漸減小，最后會(huì)達(dá)到緩慢下沉階段。

根據(jù)前文分析，隨時(shí)間推進(jìn)，地表下沉最后會(huì)進(jìn)入穩(wěn)定下沉階段，以下沉速率小于1.67 mm/d 作為地表穩(wěn)定沉降判定依據(jù)，對(duì)下沉速率與時(shí)間進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如圖1（c）。由圖可知，R2=0.558 6，擬合度較好。以下沉速率1.67 mm/d 代入擬合關(guān)系式，反算求得地表巖移穩(wěn)沉?xí)r間為194 d。

圖1 5307 工作面地表下沉量及下沉速率變化

2 采動(dòng)應(yīng)力分布特征研究

2.1 模型建立

為了全面、系統(tǒng)地反映530 采區(qū)工作面回采過(guò)程中采動(dòng)應(yīng)力分布特征，以530 采區(qū)工作面地質(zhì)和開采技術(shù)條件為背景，建立FLAC3D三維計(jì)算模型進(jìn)行數(shù)值模擬。模型沿走向長(zhǎng)2050 m，沿傾斜寬1260 m，模型高度為262 m。模型的四周邊界和底部各施加約束，使之位移為0，頂部為自由邊界。

本次模擬主要研究530 采區(qū)工作面回采過(guò)程中回采區(qū)域的應(yīng)力分布情況，首先將依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際開采順序開挖模擬5307 周圍工作面回采后的應(yīng)力狀態(tài)，然后模擬5307 工作面在回采過(guò)程中的采動(dòng)應(yīng)力分布特征。

2.2 各工作面回采后采區(qū)應(yīng)力變化情況

由圖2 可知，5301 工作面回采后，采空區(qū)邊緣一定范圍內(nèi)應(yīng)力集中程度高，隨著向巖體內(nèi)部不斷延伸，應(yīng)力不斷降低，最后處于平穩(wěn)狀態(tài)，此時(shí)圍巖體不受采動(dòng)應(yīng)力影響；5302 工作面回采結(jié)束，5303 工作面在回采中前期，由于某些原因，工作面進(jìn)行縮面布置，在縮面處應(yīng)力明顯增大，這是因工作面前方支承壓力分布不均，應(yīng)力快速向縮面處轉(zhuǎn)移所致。而后續(xù)回采由于距采空區(qū)有一定距離，工作面之間的應(yīng)力集中程度相對(duì)較低，近似與原巖應(yīng)力相等；工作面回采結(jié)束后，兩相鄰工作面之間由于側(cè)向支承壓力疊加作用導(dǎo)致應(yīng)力集中程度顯著提高。

圖2 5301、5302、5303 工作面回采后應(yīng)力分布狀態(tài)

由圖3 可知，5304 工作面回采后，采空區(qū)邊緣一定范圍內(nèi)應(yīng)力集中程度高，與5303 采空區(qū)之前區(qū)域?qū)挾让黠@高于其他相鄰工作面寬度，但應(yīng)力集中程度并未隨著煤柱寬度的增大而顯著減小，故留設(shè)煤柱的寬度盡量以小煤柱為主，以降低沖擊危險(xiǎn)性；5305 工作面回采結(jié)束，兩工作面之間應(yīng)力集中程度高，這是由于兩個(gè)工作面開采，側(cè)向支承壓力疊加作用的結(jié)果。工作面回采結(jié)束后，兩相鄰工作面之間由于側(cè)向支承壓力疊加作用導(dǎo)致應(yīng)力集中程度顯著提高。由于兩工作面之間煤柱留設(shè)寬度較大，超出側(cè)向支承壓力影響范圍，側(cè)向支承壓力疊加效應(yīng)并不明顯，沖擊危險(xiǎn)性較低，但在各采空區(qū)的側(cè)向支承壓力影響范圍內(nèi)，應(yīng)力集中水平依舊很高，需多加防范。

圖3 5304、5305、5306 工作面回采后應(yīng)力分布狀態(tài)

圖4 為5307 工作面回采100 m、200 m、300 m、400 m、500 m 時(shí)整個(gè)530 采區(qū)的應(yīng)力分布狀況。由圖可知，5307 工作面在上述各階段回采過(guò)程中與5307 工作面之間區(qū)域處始終處于較高應(yīng)力集中狀態(tài)，初步分析認(rèn)為原因包括兩個(gè)：

圖4 5307 工作面回采100～500 m 期間應(yīng)力分布狀態(tài)

（1）兩工作面?zhèn)认蛑С袎毫ΟB加影響；

（2）回采作業(yè)的開采擾動(dòng)。

2.3 工作面超前應(yīng)力分布范圍

為研究工作面采動(dòng)超前應(yīng)力分布范圍，以530采區(qū)典型工作面5307 回采過(guò)程作為研究對(duì)象，通過(guò)模擬分析，得到5307 工作面各回采階段（工作面開挖50 m、100 m、150 m、200 m、250 m、300 m、350 m）工作面前方的垂直應(yīng)力分布情況，如圖5（a）所示。由圖可知，無(wú)論是哪一個(gè)回采階段，工作面超前應(yīng)力的整體趨勢(shì)均為先迅速升高后降低，并隨著超前距離的增大，超前應(yīng)力的降低速率在減小直至為零。其中在超前距離為20～25 m 時(shí)，超前應(yīng)力達(dá)到峰值，說(shuō)明采動(dòng)影響范圍的峰值位置大致為超前距離20～25 m 范圍內(nèi)。根據(jù)超前應(yīng)力—距離曲線走勢(shì)，在超前距離100 m 左右，各條超前應(yīng)力曲線基本重合，整體趨于平穩(wěn)狀態(tài)，說(shuō)明此時(shí)該區(qū)域受采動(dòng)影響很小或基本不受采動(dòng)影響?；诖耍_定超前應(yīng)力影響范圍為100 m。

2.4 工作面?zhèn)认驊?yīng)力分布范圍

以5307 工作面回采各個(gè)階段的側(cè)向支承壓力作為研究對(duì)象，研究工作面采動(dòng)側(cè)向支承壓力影響范圍。如圖5（b）所示，工作面在各回采階段的側(cè)向支承壓力隨距工作面距離增加整體呈先增大后降低的趨勢(shì)，其中前期側(cè)向支承壓力線性增加，在距工作面距離為18 m 左右達(dá)到峰值，說(shuō)明工作面采動(dòng)側(cè)向支承壓力的峰值位置為距工作面距離18 m 處。在應(yīng)力達(dá)到峰值后，應(yīng)力降低，且降低速率逐漸平緩，在距工作面距離為70～80 m 范圍時(shí)，各條應(yīng)力曲線應(yīng)力基本保持平穩(wěn)變化，各應(yīng)力曲線應(yīng)力值波動(dòng)小，可認(rèn)為側(cè)向壓力基本無(wú)變化，也即此時(shí)側(cè)向支承壓力不再受工作面采動(dòng)影響，由此確定工作面采動(dòng)側(cè)向支承壓力的影響范圍為距工作面70～80 m。

圖5 工作面超前應(yīng)力及側(cè)向應(yīng)力分布曲線

3 結(jié)論

（1）通過(guò)關(guān)鍵層剛度和強(qiáng)度條件，計(jì)算出530采區(qū)關(guān)鍵層分布情況，理論分析了唐口煤礦530 采區(qū)不同工作面開采后采空區(qū)覆巖空間結(jié)構(gòu)演化特征，基于530 采區(qū)地表下沉監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，側(cè)面驗(yàn)證了530 采區(qū)覆巖結(jié)構(gòu)演化理論分析結(jié)果的合理性。分析結(jié)果顯示，530 采區(qū)上覆100 m 范圍內(nèi)巖層不存在巨厚巖層，采區(qū)工作面開采后，覆巖破斷、下沉、運(yùn)動(dòng)充分，符合常規(guī)巖層運(yùn)動(dòng)形式，整體上不存在大范圍懸頂?shù)目赡苄浴?/p>

（2）通過(guò)分析巖移觀測(cè)數(shù)據(jù)，以地表下沉速率為1.67 mm/d 作為地表是否穩(wěn)沉的臨界值，推測(cè)530 采區(qū)地表穩(wěn)沉?xí)r間不小于194 d。

（3）數(shù)值模擬結(jié)果顯示，530 采區(qū)超前壓力影響范圍約為100 m，側(cè)向支承壓力影響范圍為70～80 m。