特厚煤層綜放沿空掘巷合理時(shí)機(jī)分析

孔祥忠

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)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(dá)10～25 m，工作面長(zhǎng)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(huì)形成巨大的采出空間，引起工作面上覆大范圍的巖層運(yùn)動(dòng)，采場(chǎng)覆巖運(yùn)動(dòng)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(qiáng)度開(kāi)采覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律復(fù)雜、穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)，沿空巷道何時(shí)開(kāi)始掘進(jìn)成為需要解決的問(wèn)題。

我國(guó)學(xué)者針對(duì)特厚煤層開(kāi)采覆巖結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)規(guī)律、綜放面端部結(jié)構(gòu)特征等開(kāi)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(jìn)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(yùn)動(dòng)形式對(duì)采場(chǎng)礦壓的不同影響規(guī)律。于斌、朱衛(wèi)兵、楊敬軒[2-3]等認(rèn)為特厚煤層開(kāi)采形成的大空間采場(chǎng)覆巖具有顯著的“低-中-高”層位結(jié)構(gòu)特征，提出近場(chǎng)關(guān)鍵層為“豎O-X”破斷的“懸臂梁+砌體梁”結(jié)構(gòu)，遠(yuǎn)場(chǎng)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(chǎng)大小周期來(lái)壓，高位頂板結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)聯(lián)動(dòng)是誘發(fā)大空間采場(chǎng)強(qiáng)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(dòng)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(gè)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(qiáng)[5]采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法并結(jié)合斷裂懸臂梁運(yùn)動(dòng)至穩(wěn)定的時(shí)間函數(shù)方程解算值，確定了沿空巷道最短合理開(kāi)掘時(shí)間。

目前，對(duì)特厚煤層綜放采場(chǎng)覆巖結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)特征的研究已取得較多成果，但對(duì)覆巖穩(wěn)定時(shí)間與沿空巷道掘進(jìn)之間的時(shí)空關(guān)系研究較少。本文以晉能控股煤業(yè)集團(tuán)塔山煤礦（簡(jiǎn)稱“塔山煤礦”）特厚煤層綜放開(kāi)采為工程背景，研究特厚煤層綜放采動(dòng)覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律及穩(wěn)定時(shí)間和綜放面端部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定時(shí)間，以確定沿空掘巷的合理時(shí)機(jī)。

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(diǎn)，在雙系煤層之間及侏羅系煤層上覆廣泛存在著細(xì)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(qiáng)度較高、完整性較好的堅(jiān)硬巖層。通過(guò)對(duì)大同礦區(qū)多座礦井80個(gè)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(jiān)硬巖層占比大于60%，局部區(qū)域堅(jiān)硬巖層占比可達(dá)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(xì)砂巖。由于3～5#煤層上覆存在多層堅(jiān)硬巖層，能夠在石炭系特厚煤層上覆形成多個(gè)關(guān)鍵層，以8104工作面為例，經(jīng)判別煤層上覆存在6 個(gè)關(guān)鍵層。堅(jiān)硬巖層具有較強(qiáng)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(yùn)動(dòng)規(guī)律

2.1 沿工作面推進(jìn)方向覆巖結(jié)構(gòu)特征及運(yùn)動(dòng)演化規(guī)律

大同礦區(qū)特厚煤層綜放開(kāi)采大空間采場(chǎng)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(chǎng)走向覆巖結(jié)構(gòu)示意圖

工作面煤層采出后覆巖運(yùn)動(dòng)由下向上分帶逐步擴(kuò)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(kāi)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(guò)大無(wú)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(jìn)，低位關(guān)鍵層破斷失穩(wěn)后覆巖運(yùn)動(dòng)繼續(xù)向上發(fā)展，受采動(dòng)影響的巖層范圍也將不斷擴(kuò)大，覆巖形成類似“裂斷拱”結(jié)構(gòu)，并不斷向上擴(kuò)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(dāng)工作面推進(jìn)到一定長(zhǎng)度時(shí)，拱形結(jié)構(gòu)發(fā)展到一定高度后不再向上擴(kuò)展，之后，拱形區(qū)域依次向前傳遞，覆巖逐漸進(jìn)入充分采動(dòng)狀態(tài)。

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

沿工作面傾向覆巖運(yùn)動(dòng)演化的基本規(guī)律與沿工作面推進(jìn)方向類似，隨著工作面推進(jìn)，覆巖自下而上以關(guān)鍵層為標(biāo)志層逐漸變形離層、破斷失穩(wěn)，直至覆巖運(yùn)動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。與沿工作面走向覆巖運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)前，覆巖在本工作面傾向范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)。即隨工作面推進(jìn)，沿工作面傾向覆巖運(yùn)動(dòng)逐漸向上發(fā)展，也會(huì)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(dāng)工作面推進(jìn)到一定距離時(shí)，會(huì)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(yùn)動(dòng)，覆巖運(yùn)動(dòng)將再次向上擴(kuò)展，形成更大范圍的拱形結(jié)構(gòu)，在相鄰兩個(gè)或多個(gè)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(yùn)動(dòng)才趨于穩(wěn)定。在工作面多次見(jiàn)方前其傾向覆巖運(yùn)動(dòng)主要受中、低位關(guān)鍵層影響；多次見(jiàn)方后在傾向形成大采場(chǎng)結(jié)構(gòu)，其覆巖運(yùn)動(dòng)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(chǎng)傾向覆巖結(jié)構(gòu)示意圖

3 采動(dòng)覆巖穩(wěn)定時(shí)間確定

3.1 地表移動(dòng)觀測(cè)及規(guī)律分析

為了研究特厚煤層開(kāi)采條件下覆巖運(yùn)動(dòng)與地表移動(dòng)的對(duì)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(cè)線，以得到該開(kāi)采地質(zhì)條件下的地表移動(dòng)變形規(guī)律。其中，走向觀測(cè)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(cè)線長(zhǎng)度為2 875 m，測(cè)點(diǎn)間距為25 m，共設(shè)計(jì)89 個(gè)測(cè)點(diǎn)；傾向觀測(cè)線（以Q表示）1條，沿8103、8104工作面傾向方向地面相對(duì)平緩處布設(shè)成折線，傾向測(cè)線長(zhǎng)度為1 450 m，測(cè)點(diǎn)間距25 m，共有59個(gè)測(cè)點(diǎn)。觀測(cè)點(diǎn)布設(shè)示意圖如圖3所示。

圖3 觀測(cè)點(diǎn)布設(shè)示意圖

自2009 年5 月29 日進(jìn)行第1 次全面觀測(cè)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(duì)地表沉降進(jìn)行了6次觀測(cè)，其中2009年8月16日和2009 年10 月20 日的部分觀測(cè)數(shù)據(jù)丟失，對(duì)這兩次觀測(cè)數(shù)據(jù)不做具體分析。

1）走向觀測(cè)線地表移動(dòng)變形分析

工作面推進(jìn)過(guò)程中沿走向觀測(cè)線地表下沉與水平移動(dòng)曲線如圖4所示。截止到2010年9月5日，工作面仍在推進(jìn)中，共推進(jìn)2 490 m，因此在工作面停采線正上方附近地表下沉并未達(dá)到穩(wěn)定。但從觀測(cè)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(cè)的地表下沉基本重合一致，這說(shuō)明在距切眼1 300 m范圍內(nèi)地表下沉基本達(dá)到穩(wěn)定；同時(shí)從2010年9月5日的觀測(cè)數(shù)據(jù)可知，觀測(cè)線中部出現(xiàn)了平底，因此走向觀測(cè)線在該生產(chǎn)地質(zhì)條件下達(dá)到的地表最大下沉值，可由2010 年9 月5 日的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行確定。2009年5月29日進(jìn)行第1次觀測(cè)時(shí)，距工作面切眼800 m處地表還未開(kāi)始下沉，2009年9月16日觀測(cè)時(shí)該處下沉量小于200 mm，2010年4月17 日與2010 年9 月5 日觀測(cè)時(shí)該處地表下沉基本穩(wěn)定，所以，根據(jù)2010年4月17日觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算，地表下沉穩(wěn)定時(shí)間約為11個(gè)月。

圖4 沿走向觀測(cè)線地表下沉曲線

2）傾向觀測(cè)線地表移動(dòng)變形分析

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

圖5 沿傾向觀測(cè)線地表下沉曲線

傾向觀測(cè)線上地表下沉值最大點(diǎn)為Q35 號(hào)點(diǎn)，該點(diǎn)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(kāi)采影響，傾向最大下沉值與走向觀測(cè)線最大下沉值相比較大；但傾向觀測(cè)線上位于8104工作面中心附近平地上的Q33 號(hào)點(diǎn)下沉值為2 578 mm，與走向觀測(cè)線上的最大下沉值一致。這與沿工作面傾向覆巖運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)，在兩個(gè)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(shí)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(yùn)動(dòng)時(shí)空演化規(guī)律反演分析

為全面分析覆巖運(yùn)動(dòng)情況，建立覆巖內(nèi)部巖層移動(dòng)預(yù)計(jì)模型，結(jié)合地表移動(dòng)監(jiān)測(cè)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(yùn)動(dòng)時(shí)空演化規(guī)律。以工作面推進(jìn)到240 m、480 m、800 m 以及停采1 年后（假定工作面最終推進(jìn)距離為800 m），走向主斷面垂直剖面上的巖層移動(dòng)為依據(jù)說(shuō)明工作面采動(dòng)覆巖穩(wěn)定時(shí)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(yùn)動(dòng)演化過(guò)程類似的拱形曲線，當(dāng)工作面推進(jìn)距離較短時(shí)，覆巖下沉自下而上分帶逐漸擴(kuò)展，下沉等值線呈規(guī)則的拱形；隨工作面推進(jìn)，下沉等值線變?yōu)椴灰?guī)則的拱形，覆巖運(yùn)動(dòng)影響范圍逐漸向上擴(kuò)展、向工作面推進(jìn)方向傳遞；工作面停采1 年后上覆巖層達(dá)到充分采動(dòng)，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(cè)結(jié)果和覆巖移動(dòng)預(yù)計(jì)模型反演結(jié)果，初步判定塔山煤礦石炭系特厚煤層開(kāi)采條件下，工作面覆巖采動(dòng)穩(wěn)定時(shí)間約為1年。

4 沿空掘巷合理時(shí)機(jī)確定

采空區(qū)覆巖整體進(jìn)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(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，其穩(wěn)定時(shí)間小于覆巖整體穩(wěn)定時(shí)間。由圖6可知，工作面推進(jìn)至480 m時(shí)，在距切眼180 m處煤層上方100 m范圍內(nèi)覆巖下沉量達(dá)到最大值；工作面推進(jìn)至800 m 時(shí)，在距切眼220 m 處煤層上方150 m 范圍內(nèi)覆巖下沉量達(dá)到最大值。

特厚煤層綜放面端部結(jié)構(gòu)隨覆巖的整體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變，不同層位覆巖運(yùn)動(dòng)對(duì)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(yùn)動(dòng)對(duì)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(huì)造成端部應(yīng)力分布在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生劇烈變化，三角滑移弱結(jié)構(gòu)區(qū)的運(yùn)動(dòng)影響端部應(yīng)力場(chǎng)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(yùn)動(dòng)對(duì)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(yùn)動(dòng)對(duì)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(jìn)，即沿空巷道應(yīng)在相鄰工作面停采至少1年以后開(kāi)始掘進(jìn)。但部分礦井存在采掘接替緊張等問(wèn)題，沿空巷道在采空區(qū)覆巖整體充分穩(wěn)定前就要開(kāi)始掘進(jìn)，此時(shí)應(yīng)保證工作面上方一定范圍內(nèi)覆巖劇烈運(yùn)動(dòng)結(jié)束，同時(shí)綜放面端部結(jié)構(gòu)達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。大同礦區(qū)特厚煤層綜放開(kāi)采條件下，綜放面端部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定時(shí)間一般為3～6個(gè)月。工作面推進(jìn)度L與沿空巷道掘進(jìn)時(shí)間T之間的關(guān)系如圖7所示。

圖7 工作面推進(jìn)度與沿空巷道掘進(jìn)時(shí)間關(guān)系

工作面推進(jìn)至距切眼Li處，工作面推進(jìn)時(shí)間為T(mén)i，采空區(qū)端部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定時(shí)間為T(mén)w1，采空區(qū)覆巖充分穩(wěn)定時(shí)間為T(mén)w2，則回采后沿空巷道可掘進(jìn)的最短時(shí)間Ti1為：

采空區(qū)覆巖充分穩(wěn)定后沿空巷道掘進(jìn)的最短時(shí)間Ti2為：

若沿空巷道掘進(jìn)方向與工作面推進(jìn)方向一致，則小煤柱掘進(jìn)時(shí)機(jī)可由式（3）、（4）確定。

工作面可采長(zhǎng)度為L(zhǎng)n，工作面回采時(shí)間為T(mén)n，則工作面停采后沿空巷道可掘進(jìn)的最短時(shí)間Tn1為：

采空區(qū)覆巖充分穩(wěn)定后沿空巷道掘進(jìn)的最短時(shí)間Tn2為：

5 結(jié)論

1）特厚煤層綜放面煤層采出后覆巖運(yùn)動(dòng)由下向上分帶逐步擴(kuò)展，直至形成穩(wěn)定的巖層承載結(jié)構(gòu)，由于特厚煤層開(kāi)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(jiàn)方前沿傾向覆巖運(yùn)動(dòng)主要受中、低位關(guān)鍵層影響；多次見(jiàn)方后在傾向形成大采場(chǎng)結(jié)構(gòu)，其覆巖運(yùn)動(dòng)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(cè)結(jié)果判斷地表下沉穩(wěn)定時(shí)間約為11個(gè)月，傾向最大下沉值與走向觀測(cè)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(kāi)采條件下，工作面覆巖采動(dòng)穩(wěn)定時(shí)間約為1年。

3）不同層位覆巖運(yùn)動(dòng)對(duì)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(yùn)動(dòng)對(duì)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(shí)間一般為3～6 個(gè)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(jìn)，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(yùn)動(dòng)結(jié)束，同時(shí)綜放面端部結(jié)構(gòu)達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)的條件下，沿空巷道也可提前掘進(jìn)。