魏 東，任金武，張 帥，王比比

（1.河南能源化工集團(tuán)永華能源有限公司，河南 洛陽 471000； 2.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000）

近年來，隨著煤礦開采技術(shù)和裝備水平的不斷提升和發(fā)展，大采高綜采放頂煤一次采全厚開采技術(shù)逐漸被推廣應(yīng)用，但工作面支護(hù)管理、水害治理、通風(fēng)防滅火管理等難度也隨之加大，特別是對近距離特厚煤層綜放工作面影響更為顯著[1-2]。在近距離特厚煤層工作面采用綜采放頂煤一次采全厚技術(shù)開采時，因一次性采出的煤層厚度大，從而給采空區(qū)覆巖運(yùn)動帶來更大的活動空間，上覆巖層運(yùn)動劇烈程度增加，同時在下煤層工作面回采時，其采空區(qū)頂板垮落會引起上煤層工作面采空區(qū)覆巖發(fā)生二次破斷運(yùn)動及區(qū)段煤柱應(yīng)力出現(xiàn)重新分布現(xiàn)象，造成下煤層工作面覆巖應(yīng)力變化增大、礦壓顯現(xiàn)明顯、工作面支護(hù)難度加大，煤壁片幫、頂板漏冒事故增多，采空區(qū)漏風(fēng)量增大造成煤層自燃發(fā)火危險性增加，給工作面安全生產(chǎn)帶來嚴(yán)重威脅[3-4]。因此，研究近距離特厚煤層開采條件下工作面采空區(qū)覆巖運(yùn)動及頂板應(yīng)力變化規(guī)律，制定對應(yīng)措施提高工作面覆巖空間結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，為特厚煤層綜放工作面實現(xiàn)安全高效開采創(chuàng)造有利條件顯得尤為重要。

1 工程概況

王莊煤礦主采2號和3-5號煤層，2號煤層位于3-5號煤層上方，平均層間距為5 m。2號煤層平均煤層厚度為3 m，工作面采用走向長壁布置，布置有一進(jìn)一回2條巷道，目前礦井2號煤層已開采完，正在回采3-5號煤層。3-5號煤層平均厚度18 m，采用走向長壁綜合機(jī)械化放頂煤采煤法，其中30501工作面為3-5號煤層首采工作面，工作面設(shè)計傾斜長為154 m，煤層平均傾角3°。30501工作面垂直對應(yīng)的上煤層工作面為2號煤層10201工作面，兩者的空間位置關(guān)系如圖1所示。

2 工作面覆巖失穩(wěn)狀態(tài)分析

由于30501工作面與上方10201工作面煤層間距只有5 m，在30501工作面回采時，其上方10201工作面已回采結(jié)束，受10201采空區(qū)垮落及30501工作面采動動壓作用影響，兩煤層之間的巖層被破壞嚴(yán)重，造成30501采空區(qū)頂板垮落極為充分，30501工作面采空區(qū)頂板垮落狀態(tài)如圖2所示。

圖1 30501工作面與上煤層10201采空區(qū)對應(yīng)空間位置示意Fig.1 Spatial location diagram of 30501 working face and 10201 goaf of upper coal seam

圖2 30501工作面采空區(qū)頂板垮落狀態(tài)Fig.2 Caving state of goaf roof in 30501 working face

根據(jù)圖2分析可知，下部煤層工作面在開采過程中，采空區(qū)內(nèi)的直接頂隨著工作面回采直接冒落塌陷，造成原上部煤層工作面基本頂垮落后已形成的平衡“砌體梁”結(jié)構(gòu)失去下部煤巖層的支撐后隨著下部煤層工作面采空區(qū)頂板周期性垮落而發(fā)生二次破斷、垮落，使上部煤層基本頂產(chǎn)生周期性的二次回轉(zhuǎn)變形破壞，由此造成下部特厚煤層工作面在回采過程中形成小周期性來壓[5-6]。下部工作面在開采過程中礦壓顯現(xiàn)程度將會受到上煤層工作面關(guān)鍵層層位分布、覆巖穩(wěn)定狀態(tài)及下煤層工作面開采高度等因素的影響而產(chǎn)生較大變化。

在上部煤層工作面回采過程中，下位基本頂與上位基本頂巖層會出現(xiàn)緩慢彎曲下沉，下位基本頂巖層下沉到一定程度后部分會出現(xiàn)破斷，其破斷部分和未破斷部分巖體將會形成“巖梁”結(jié)構(gòu)，隨著工作面的不斷向前推進(jìn)，上覆下位基本頂巖層會出現(xiàn)周期性循環(huán)破斷現(xiàn)象，從而形成工作面頂板的大周期性來壓[7-8]。

結(jié)合該礦煤巖層地質(zhì)條件及工作面開采實際情況，建立下部煤層工作面覆巖運(yùn)動模型，如圖3所示。在下部3-5號特厚煤層工作面開采過程中，其直接頂巖層會隨采隨落，導(dǎo)致上部2號煤層工作面已經(jīng)發(fā)生破斷的下位基本頂巖體形成的“巖梁”結(jié)構(gòu)失去下部煤層巖體的支撐作用，“巖梁”結(jié)構(gòu)發(fā)生再次垮落和破斷而出現(xiàn)周期性回轉(zhuǎn)變形，“巖梁”結(jié)構(gòu)體發(fā)生滑落失穩(wěn)，從而引起下煤層工作面發(fā)生小周期來壓現(xiàn)象。在下部特厚煤層綜放工作面不斷回采過程中，因煤層一次性開采厚度大，覆巖垮落的空間范圍增大，造成上位基本頂巖體懸臂長度增加，當(dāng)其達(dá)到極限支撐強(qiáng)度后就會發(fā)生斷裂，隨著工作面推進(jìn)，上位基本頂巖體會發(fā)生周期性斷裂，從而導(dǎo)致下部特厚煤層工作面出現(xiàn)大周期來壓[9]。由此可知，在近距離煤層開采過程中，影響下部煤層工作面來壓強(qiáng)度的主要因素為上部煤層工作面完整的上位基本頂巖體發(fā)生斷裂和已斷裂并處于平衡狀態(tài)的下位基本頂“巖梁體”結(jié)構(gòu)出現(xiàn)失穩(wěn)。

圖3 下部煤層工作面開采過程中覆巖運(yùn)動變化情況Fig.3 Overburden movement changes in the mining process of the lower coal seam working face

根據(jù)上述分析情況，建立近距離煤層開采條件下下部特厚煤層工作面開采前后的覆巖結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖4 近距離煤層下部特厚煤層工作面開采前后覆巖空間結(jié)構(gòu)Fig.4 Spatial structure of overlying rock before and after mining in the working face of ultra-thick coal seam at the bottom of near coal seam

由圖4分析可知，上部2號煤層的底板是下部3-5號特厚煤層布置的工作面的直接頂，層間巖層厚度平均為5 m，2號煤層回采后，其工作面采空區(qū)覆巖垮落下來的巖塊大部分均為散狀結(jié)構(gòu)，承壓能力非常小，且整體巖體結(jié)構(gòu)具有一定的彈塑性，其剛度基本為零[10-12]。

下煤層工作面基本頂是由上部煤層工作面采空區(qū)基本頂巖體破斷產(chǎn)生的巖塊組成的，根據(jù)前述分析可知，該層基本頂破斷產(chǎn)生的巖塊體積大、強(qiáng)度高。因此，其“砌體梁”結(jié)構(gòu)承載能力較強(qiáng)，在開采下部煤層時，由于采出的厚度較大，采空區(qū)形成較大的垮落空間，導(dǎo)致上部巖層“砌體梁”結(jié)構(gòu)的平衡狀態(tài)被破壞，在失穩(wěn)后以下部煤層直接頂?shù)男问皆俅慰迓涞较虏棵簩庸ぷ髅娌煽諈^(qū)內(nèi)[13-15]。根據(jù)礦井資料，上煤層工作面基本頂上方關(guān)鍵層巖性為粉砂巖，平均厚度50 m，因其巖層較厚且?guī)r性強(qiáng)度較高，其承載能力極大，該關(guān)鍵層的斷裂垮落對下部煤層工作面的礦壓顯現(xiàn)具有重大影響。

3 采場覆巖結(jié)構(gòu)破斷規(guī)律數(shù)值模擬分析

結(jié)合30501工作面煤層地質(zhì)條件，利用UDEC離散元軟件建立數(shù)值計算模型對近距離30501特厚煤層綜放工作面采空區(qū)覆巖結(jié)構(gòu)破斷規(guī)律進(jìn)行研究。以摩爾—庫侖模型作為模型塊體，按照水平煤層地質(zhì)條件構(gòu)建模型，模型的底端及兩邊設(shè)定為限制位移邊界，上部加載靜壓載荷，其大小按照埋深450 m煤層上覆巖層容重計算，并在模型兩端分別設(shè)定一寬度為50 m的保護(hù)煤柱，以消除模型兩端邊界效應(yīng)。設(shè)計工作面模型長200 m，模擬試驗中設(shè)定工作面回采200 m，垂高150 m。分析近煤層工作面在回采期間工作面不同推進(jìn)位置頂板位移變化情況可知，由于2號煤層工作面采高僅有3 m，其直接頂巖層厚度較大，工作面在回采期間，直接頂垮落后能夠?qū)⒉煽諈^(qū)全部填滿，其下位基本頂破斷后巖體組成的砌體梁結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，基本頂巖層下沉量最大值為2.3 m，最大垂直應(yīng)力為20 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)1.84。下部3-5號煤層工作面在開采期間，因一次采出煤層厚度大，直接頂巖層厚度較小，在工作面回采時直接頂巖層垮落后無法將采空區(qū)填滿，其下位基本頂巖體垮落后不能形成穩(wěn)定砌體梁結(jié)構(gòu)，基本頂下沉量最大達(dá)到19 m，覆巖關(guān)鍵層發(fā)生破壞斷裂，垂直應(yīng)力最大值達(dá)到43 MPa，基本頂垂直應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到3.95，工作面回采期間頂板出現(xiàn)大面積來壓現(xiàn)象。

4 巷道優(yōu)化布置

根據(jù)上述分析，下部特厚煤層工作面在開采過程中，受到上部近距離煤層工作面采空區(qū)覆巖運(yùn)動影響非常大，上部2號煤層在開采后，其覆巖下沉垮落能夠形成較為穩(wěn)定的承載結(jié)構(gòu)，而下部3-5號特厚煤層在開采過程中，容易引發(fā)工作面采空區(qū)頂板大面積來壓，其中在30501工作面兩端留設(shè)的區(qū)段煤柱應(yīng)力集中顯現(xiàn)最為明顯。因此，在設(shè)計布置下部3-5號特厚煤層工作面回采巷道時，應(yīng)選擇內(nèi)錯布置的方式。

在設(shè)計下部3-5號特厚煤層工作面巷道時，為確定上下煤層巷道合理內(nèi)錯距離，根據(jù)30501工作面實際煤層地質(zhì)條件及開采方式，采用FLAC3D軟件建立數(shù)值模型，對近距離煤層工作面開采條件下特厚煤層綜采放頂煤一次采全高工作面采場覆巖應(yīng)力變化及圍巖塑性區(qū)分布規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬分析研究。根據(jù)煤層開采順序及時間，分別對2號和3-5號煤層在以下5種工況條件下工作面掘進(jìn)及回采期間采場覆巖應(yīng)力分布變化及圍巖塑性區(qū)分布規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬：①上部2號煤層工作面回采后；②下部3-5號特厚煤層工作面進(jìn)風(fēng)巷及回風(fēng)巷相距180 m時掘進(jìn)期間；③下部3-5號特厚煤層工作面進(jìn)風(fēng)巷及回風(fēng)巷相距150 m時掘進(jìn)期間；④30501工作面長度為180 m時回采期間；⑤30501工作面長度為150 m時回采期間。具體模擬結(jié)果如圖5所示。

（1）由圖5（a）模擬結(jié)果分析可知，2號煤層工作面在回采結(jié)束后，覆巖應(yīng)力集中區(qū)域主要分布在工作面采空區(qū)周邊，即應(yīng)力主要集中在工作面區(qū)段煤柱上及煤柱上覆巖層上，最大應(yīng)力值為37.25 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為3.52；圍巖塑性區(qū)分布狀態(tài)表現(xiàn)為“馬鞍型”結(jié)構(gòu)。

（2）由圖5（b）、圖5（c）模擬結(jié)果分析可知，下部30501工作面在進(jìn)風(fēng)巷與回風(fēng)巷掘進(jìn)期間，采場圍巖應(yīng)力整體變化幅度較小。當(dāng)兩條掘進(jìn)巷道之間距離為150 m時，兩巷圍巖均處在應(yīng)力降低區(qū)域內(nèi)；當(dāng)兩條巷道相距為180 m時，巷道圍巖應(yīng)力發(fā)生極大幅度的變化，此時巷道處在塑性變形區(qū)內(nèi)，掘進(jìn)期間極易引發(fā)動壓現(xiàn)象，巷道圍巖結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性極差。

（3）在下部30501工作面回采期間，當(dāng)工作面切眼長度設(shè)計為150 m時，上覆巖層應(yīng)力集中區(qū)域主要集中在2號煤層工作面區(qū)段煤柱上及煤柱上覆巖層上，應(yīng)力最大值為39.3 MPa，兩巷及工作面處于圍巖應(yīng)力降低區(qū)域，巷道圍巖變形破壞主要受剪切力破壞，塑性變形區(qū)域較小。當(dāng)工作面切眼長度為180 m時，雖然應(yīng)力最大值降低為37.4 MPa，但應(yīng)力集中區(qū)域范圍大大增加，應(yīng)力集中區(qū)主要分布在上部2號煤層工作面區(qū)段煤柱上及煤柱上覆巖層內(nèi)、30501工作面采空區(qū)中部區(qū)域及其上覆巖層內(nèi)，巷道圍巖塑性變形區(qū)域影響范圍明顯增大，其破壞變形方式也由單一的剪切變形破壞轉(zhuǎn)變?yōu)槎嘀貞?yīng)力疊加變形破壞。

圖5 不同工況條件下采場覆巖應(yīng)力分布變化及圍巖塑性區(qū)分布Fig.5 Variation of overburden stress distribution and surrounding rock plastic zone distribution under different working conditions

綜上分析，近距離煤層開采時，上部煤層開采結(jié)束后，在設(shè)計布置下部特厚煤層工作面回采巷道時采取內(nèi)錯布置，工作面長度由原設(shè)計長度180 m調(diào)整為150 m，在下部工作面兩巷掘進(jìn)及回采期間能夠有效避開上部煤層工作面留設(shè)的區(qū)段煤柱應(yīng)力影響范圍，降低工作面采空區(qū)動壓顯現(xiàn)程度。

5 工程實踐

該礦下部3-5號特厚煤層30501工作面在最初設(shè)計時切眼長度為180 m，該工作面回風(fēng)巷與上部2號煤層工作面采空區(qū)留設(shè)的煤柱水平間距只有10 m，在回風(fēng)巷掘進(jìn)期間，由于受到上部煤層覆巖集中應(yīng)力影響，巷道圍巖變形較快、礦壓顯現(xiàn)明顯，頻繁出現(xiàn)煤炮現(xiàn)象。在前1 000 m掘進(jìn)過程中，巷道內(nèi)共發(fā)生26次礦壓顯現(xiàn)，導(dǎo)致巷道頂部出現(xiàn)多處漏頂和冒頂、巷道兩幫多處煤體外鼓流煤嚴(yán)重、錨桿索多次發(fā)生拉斷、大型設(shè)備受到振動后出現(xiàn)彈跳等現(xiàn)象，嚴(yán)重制約工作面安全高效開采。

根據(jù)前述分析，結(jié)合工作面現(xiàn)場實際情況，對30501工作面回風(fēng)巷布置重新進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，即從回風(fēng)巷1 000 m位置向里開始，將巷道向內(nèi)側(cè)偏移25.4 m，工作面傾斜長由原來的180 m縮短為154.6 m。在巷道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計后，巷道在掘進(jìn)過程中礦壓顯現(xiàn)程度及次數(shù)明顯降低和減少。

在采取巷道優(yōu)化布置的同時，根據(jù)上述對近距離特厚煤層開采綜放工作面采空區(qū)下大空間采場覆巖空間結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及其運(yùn)動來壓顯現(xiàn)特征分析結(jié)果，在對下部3-5號煤層開采時，對工作面生產(chǎn)工藝進(jìn)一步優(yōu)化，并對工作面三機(jī)裝備選型及安全可靠性進(jìn)行可行性評價，確定工作面端頭支護(hù)和巷道超前加固支護(hù)方案。30501工作面在推進(jìn)過程中，雖然仍不可避免的多次出現(xiàn)煤炮現(xiàn)象，但結(jié)合本研究成果，提前制定可靠有效的治理措施，在工作面開采過程中礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度和次數(shù)明顯降低和減少，工作面煤墻及頂板得到有效控制，確保工作面安全高效回采。

6 結(jié)論

（1）近距離煤層開采條件下，在下部特厚煤層工作面開采時，其直接頂?shù)目迓鋾?dǎo)致上部煤層下位基本頂已形成的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的“巖梁”失去支撐作用而發(fā)生再次垮落和破斷，引起下煤層工作面發(fā)生小周期來壓。在下部特厚煤層綜放工作面在繼續(xù)回采過程中，上位基本頂巖體會發(fā)生周期性斷裂，從而導(dǎo)致下部特厚煤層工作面出現(xiàn)大周期來壓。

（2）通過數(shù)值模擬分析結(jié)果表明，在開采上部2號煤層工作面時，其直接頂垮落后將采空區(qū)覆巖垮落后巖體將采空區(qū)填滿能夠形成較為穩(wěn)定的砌體梁結(jié)構(gòu)；下部3-5號煤層工作面在開采期間，由于一次開采煤層厚度大，下位基本頂巖層厚度小，不能形成穩(wěn)定砌體梁結(jié)構(gòu)，覆巖關(guān)鍵層發(fā)生破壞斷裂，造成工作面回采期間頂板出現(xiàn)大面積來壓現(xiàn)象。

（3）為減小上部2號煤層采空區(qū)遺留煤柱覆巖應(yīng)力集中對下部煤層工作面的影響范圍，在設(shè)計布置下部3-5號特厚煤層工作面回采巷道時應(yīng)選擇內(nèi)錯布置的方式。通過對5種不同時間段內(nèi)巷道掘進(jìn)及工作面回采工況條件進(jìn)行模擬分析，結(jié)果表明，下部工作面長度由原設(shè)計長度180 m調(diào)整為150 m，在下部工作面兩巷掘進(jìn)及回采期間能夠有效避開上部煤層工作面留設(shè)的區(qū)段煤柱應(yīng)力影響范圍，降低工作面采空區(qū)動壓顯現(xiàn)程度。

（4）現(xiàn)場工程實踐結(jié)果表明，將30501工作面回風(fēng)巷從1 000 m向里開始，將巷道向內(nèi)側(cè)偏移25.4 m，工作面傾斜長由原來的180 m縮短為154.6 m后，巷道在掘進(jìn)過程中礦壓顯現(xiàn)程度及次數(shù)明顯降低和減少，工作面實現(xiàn)了安全高效回采。