近距離煤層蹬空開采圍巖應(yīng)力及裂隙演化規(guī)律

趙毅鑫，劉文超，張 村，劉煥海，魏 勇，王朋朋，師洋洋，翟江澎，高 森

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 共伴生能源精準(zhǔn)開采北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083；3.山煤集團(tuán)左云草垛溝煤業(yè)有限公司，山西 大同 037000)

兼并重組整合礦井是以整合井田內(nèi)煤炭資源提高煤礦集中度、滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展與市場需求加快煤炭資源開發(fā)建設(shè)、提高機(jī)械化程度保證煤礦安全高效生產(chǎn)、延長礦井服務(wù)年限促進(jìn)煤礦可持續(xù)發(fā)展增加企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益為目的。兼并重組整合設(shè)計不規(guī)范開采工藝簡單、生產(chǎn)技術(shù)落后機(jī)械化程度低、工作面煤炭資源采出率低安全基礎(chǔ)薄弱、煤炭生產(chǎn)集中度低煤炭資源破壞嚴(yán)重的礦井。整合礦井井田及周邊采空區(qū)、巷道分布及關(guān)閉情況等導(dǎo)致生產(chǎn)地質(zhì)環(huán)境比較復(fù)雜，給礦井安全高效生產(chǎn)帶來挑戰(zhàn)。

近年來，國內(nèi)學(xué)者針對近距離煤層上行開采進(jìn)行了大量研究并取得了諸多有價值的成果。如在上行開采可行性研究方面，姜耀東等對大面積巷式采空區(qū)上覆巖層破壞失穩(wěn)機(jī)理進(jìn)行研究，提出了大面積巷式采空區(qū)上方煤層上行開采可行性判定理論及方法；孫闖等對大采高條件下上行開采關(guān)鍵問題進(jìn)行研究，提出了該條件下上行開采可行性判別方法；李楊等對近距離煤層上行開采的擾動破壞影響進(jìn)行研究，建立了上行協(xié)調(diào)開采的“可行度”定量判別式與評價體系；黃鵬等對傳統(tǒng)垮落上行和充填上行開采覆巖移動機(jī)理進(jìn)行對比分析，提出了充填上行開采可行性條件。在上行開采安全保障技術(shù)研究方面，劉明杰等對蹬空開采頂?shù)装迤茐奶卣鬟M(jìn)行研究，提出了開采安全隱患及其應(yīng)對措施；吳寶楊等對近距離堅硬頂板等特殊地質(zhì)條件下煤層上行開采過程中覆巖破斷形態(tài)和應(yīng)力演化規(guī)律進(jìn)行研究，推導(dǎo)出了下部采空區(qū)邊界處“懸空結(jié)構(gòu)”二次失穩(wěn)的形式及其判據(jù)；楊科等對蹬空與非蹬空開采覆巖運(yùn)移和支承壓力特征進(jìn)行分析，揭示了二次采動應(yīng)力演化機(jī)理，提出并實(shí)施了提高回采上限開采技術(shù)方案；在上行開采采場圍巖應(yīng)力、覆巖運(yùn)動及裂隙演化規(guī)律研究方面；馮國瑞等對刀柱殘采區(qū)形成時和上行長壁開采過程中采場支承壓力時空演化規(guī)律進(jìn)行研究，提出了上行采動影響下超前采動煤柱的基本概念并解析了其所受平均支承壓力；張向陽等對深部近距離煤層上行開采過程中圍巖應(yīng)力、巖層裂隙分布特征及其演化規(guī)律進(jìn)行研究，闡述了巖層下沉變形曲線與巖層斷裂、覆巖裂隙和受力狀態(tài)的關(guān)系；楊濱濱等對近距離煤層上行、下行開采方式下重復(fù)采動覆巖裂隙時空演化特征進(jìn)行研究，提出了3個表征覆巖裂隙的特征參數(shù)。在上行開采采場圍巖穩(wěn)定性及其控制技術(shù)研究方面，崔峰等對近距離強(qiáng)沖擊傾向性煤層上行復(fù)采覆巖結(jié)構(gòu)演化、礦壓顯現(xiàn)以及震源分布特征進(jìn)行研究，得出了確保上行開采覆巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的煤柱剩余尺寸；張宏偉等對近距離煤層群的連續(xù)性和完整性進(jìn)行研究，確定了下煤層開采后上煤層結(jié)構(gòu)變化特征與上行開采巷道布置方案；黃萬朋等對下層煤采動裂隙形態(tài)及圍巖應(yīng)力分布特征進(jìn)行研究，提出了上行開采巷道內(nèi)錯和外錯式2種布局方案；周澤等對上行開采過程中頂板巷道圍巖破壞機(jī)理及穩(wěn)定性控制進(jìn)行研究，提出了上行開采裂隙帶頂板巷道支護(hù)技術(shù)。綜上可見，對近距離煤層上行開采期間采場圍巖應(yīng)力、覆巖裂隙分布特征及其時空演化規(guī)律的研究相對較少。草垛溝礦是兼并重組整合礦井，由原大同市左云縣鵲山鎮(zhèn)的斗子灣礦、草垛溝礦、鏡子溝礦，管家堡鄉(xiāng)曹家溝礦、斗子灣礦和張家場鄉(xiāng)窯灣礦以及已經(jīng)關(guān)閉的南梁礦和縣營小西溝礦重組整合后的礦井。井田內(nèi)主要可采煤層自上而下為5，8，8，11，14煤層，其中5，11，14煤層已回采結(jié)束，導(dǎo)致中間厚度較小的8煤層處于蹬空狀態(tài)。為延續(xù)接替開采工作面，確保工作面安全高效生產(chǎn)，如何開采被蹬空且受下部11煤層開采影響更大、層間距更小的8煤層煤炭資源是目前亟需解決的關(guān)鍵問題。

筆者在前人研究基礎(chǔ)上，以山西草垛溝礦8201綜采工作面為研究背景，采用理論分析、數(shù)值模擬、鉆孔探測等研究方法對近距離煤層間重復(fù)采動影響下8201綜采工作面底板巖層完整性與承載力進(jìn)行研究，同時，針對蹬空開采期間工作面潛在安全隱患提出相應(yīng)的防治措施。

1 近距離煤層蹬空開采條件分析

1.1 工程概況

重組整合后草垛溝礦8201綜采工作面設(shè)計走向長度1 090 m，傾向長度150 m，采高2.4 m；根據(jù)鉆孔資料與工作面巷道及開切眼揭露，工作面煤層賦存深度132.7 m，煤層傾角0°～4°，煤層厚度0.95～1.20 m，平均1.10 m，整體西高東低，單斜構(gòu)造；工作面回風(fēng)巷、運(yùn)輸巷斷面均為矩形，尺寸分別為3.0 m×2.4 m，4.2 m×2.4 m(寬×高)，均沿煤層頂板起底掘進(jìn)采用錨網(wǎng)索支護(hù)；掘進(jìn)900 m后巷道出現(xiàn)圍巖破碎支護(hù)困難、掘進(jìn)面瓦斯含量頻繁超標(biāo)、掘進(jìn)困難、工程進(jìn)度慢等問題，因此，在巷道860 m處封堵已掘巷道沿煤層底板挑頂提前準(zhǔn)備工作面開切眼。煤層底板相對高度及巷道布置如圖1(a)所示。

1.2 地質(zhì)特征及上下層關(guān)系

根據(jù)地質(zhì)資料8煤層直接頂為厚度7.75 m的細(xì)粒砂巖，基本頂為厚度7.75 m的砂質(zhì)泥巖，直接底為厚度5.8 m的細(xì)粒砂巖，基本底為厚度14.3 m的中粒砂巖；其上方為8煤層，層間距平均16.77 m，煤層均厚1.17 m；8煤層上方為5煤層，層間距平均16.30 m，煤層均厚3.3 m，井田內(nèi)8，5煤層均部分采空。8201綜采工作面與上部8煤層8113綜采工作面采空區(qū)基本處于重疊布置。

8煤層下部為11煤層，如圖1(b)所示，層間距平均27.34 m；該范圍內(nèi)11煤層由于資料缺失工作面及巷道布置情況不詳，僅存圖1(c)左側(cè)黑色實(shí)線部分，紅色虛線部分為依據(jù)其推測采空區(qū)大致走向和分布情況；11煤層為巷柱式開采且均已全部采空，無長壁式采煤形成的大面積采空區(qū)。其中11煤巷柱式采高3.0 m、寬度4.0 m，煤柱寬度20～35 m、長度50～80 m。

整合之后礦井井田及周邊采空區(qū)、巷道、廢棄礦井分布和關(guān)閉情況比較復(fù)雜，不排除局部區(qū)域有礦井水、瓦斯及有毒氣體富集；現(xiàn)場地質(zhì)資料顯示井田東部和南部溝谷地段5煤層蓋山厚度小，煤層開采對局部地表產(chǎn)生嚴(yán)重破壞，其導(dǎo)水裂隙帶可達(dá)基巖面及地表；據(jù)8煤層采掘期間揭露斷層情況，預(yù)計8201綜采工作面兩巷均會揭露斷層。

1.3 近距離煤層蹬空開采地質(zhì)條件概況

根據(jù)現(xiàn)有資料結(jié)合近距離煤層采掘期間揭露情況，5，8，8煤層導(dǎo)水裂隙帶可能存在導(dǎo)通，同時還溝通大氣降水、部分地表水或第四系松散層含水層。同時，基本排除8201綜采工作面本層位及其上方安全隱患。

下伏11煤層為巷柱式開采且無長壁式采煤形成的大面積采空區(qū)，巷柱式開采頂板結(jié)構(gòu)運(yùn)移特征及覆巖裂隙演化規(guī)律不詳，采空區(qū)范圍及覆巖裂隙帶發(fā)育情況無法確定。如圖2所示，蹬空狀態(tài)下8煤層回采期間開采擾動必然影響下伏11煤巷柱式采空區(qū)頂板-煤柱系統(tǒng)平衡結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，引起平衡結(jié)構(gòu)失穩(wěn)-再平衡變化；與此同時8201綜采工作面頂板巖層裂隙不發(fā)育完整性好，易造成采空區(qū)大面積懸頂，增大采場圍巖靜載荷及工作面支架阻力，加劇底板巖層損傷破壞，影響底板巖層完整性與承載能力，存在工作面臺階式下沉、支架或設(shè)備嵌入底板等安全隱患。因此，11煤巷柱式開采下頂板結(jié)構(gòu)運(yùn)移特征及覆巖裂隙演化規(guī)律需進(jìn)一步深入研究。

2 巷柱式采空區(qū)覆巖裂隙演化規(guī)律

2.1 巷柱式采空區(qū)頂板力學(xué)模型

假設(shè)8201綜采工作面采掘期間下伏11煤層采空區(qū)頂板始終未發(fā)生斷裂，其下方煤柱未發(fā)生塑性破壞，頂板與煤柱僅產(chǎn)生彈性形變且頂板在相鄰介質(zhì)交界面的彎曲下沉撓度具有連續(xù)性，巷柱式采空區(qū)如圖3(a)所示。

圖1 工作面概況Fig.1 Working face profile

圖2 各煤層導(dǎo)水裂隙帶預(yù)計高度示意Fig.2 Schematic diagram of each seam fracture zone

圖3 頂板-煤柱系統(tǒng)示意Fig.3 Schematic drawing of the coal seam roof-pillar system

..力學(xué)模型的建立

根據(jù)WINKLER地基假設(shè)：地基表面任一點(diǎn)的沉降與該點(diǎn)單位面積上所受的壓力成正比，即

()=()

(1)

式中，()為地基壓力；()為地基下沉量；為地基系數(shù)。

假設(shè)頂板與煤層均水平且不存在構(gòu)造，將巷柱式采空區(qū)頂板和兩側(cè)煤柱分別簡化視為均質(zhì)彈性巖梁和彈性地基；假設(shè)頂板巖梁彎曲下沉撓度與其下方彈性地基上表面的豎直位移相等；以巖梁撓度函數(shù)()為基本未知量建立坐標(biāo)系，原點(diǎn)取在采空區(qū)中線位置上方頂板巖梁中心線上。圖3(b)為圖3(a)中()段頂板巖梁-彈性地基受力分析模型，圖3(c)為梁-地基系統(tǒng)力學(xué)模型，其中煤柱寬度為，巷柱式采空區(qū)寬度為2，且，為常數(shù)；()為∈(0，)區(qū)間巷柱式采空區(qū)上方頂板巖梁位移函數(shù)，()為∈(，+)區(qū)間煤柱上方頂板巖梁位移函數(shù)，為頂板巖梁厚度，為煤層回采高度，為頂板巖梁承受的覆巖載荷與自重之和視為均布載荷，為煤柱彈性地基系數(shù)。

..力學(xué)模型的求解

利用Winkler假設(shè)，撓度()與載荷、地基壓力()關(guān)系為

(2)

式中，為頂板巖梁彈性模量；為單位寬度頂板巖梁慣性矩。

(1)巷柱式采空區(qū)上方∈(0，)區(qū)間的頂板巖梁受上覆巖層載荷與自重作用，其彎曲下沉撓度微分方程為

(3)

該區(qū)間頂板巖梁彎曲下沉撓度函數(shù)為

(4)

式中，,,,為常數(shù)。

(5)

(2)巷柱式采空區(qū)煤柱上方∈(，+)區(qū)間的頂板巖梁上部受覆巖層載荷與自重，下部受彈性地基的反力共同作用，其彎曲下沉撓度微分方程為

(6)

e-cos()+e-sin()

(7)

式中，,,,為常數(shù)。

在無窮遠(yuǎn)處頂板巖梁轉(zhuǎn)角為0，()趨近于，則邊界條件有()|→∞=，可得==0。因此，巷柱式采空區(qū)上方∈(，+)區(qū)間的頂板巖梁彎曲下沉撓度函數(shù)為

(8)

(3)巷式采空區(qū)上在∈(-，0)區(qū)間的頂板巖梁受上覆巖層載荷與自重作用，其彎曲下沉撓度微分方程為()且與()關(guān)于對稱，即()=(-)。因此，巷柱式采空區(qū)上方∈(-，0)區(qū)間的頂板巖梁彎曲下沉撓度函數(shù)為

(9)

(4)煤柱上方在∈(--，-)區(qū)間的頂板巖梁受上覆巖層載荷與自重作用和彈性地基的支撐力共同作用，其彎曲下沉撓度微分方程為()，且與()關(guān)于對稱，即()=(-)。因此，巷柱式采空區(qū)上方∈(--，-)區(qū)間的頂板巖梁彎曲下沉撓度函數(shù)為

(10)

頂板與煤柱系統(tǒng)中頂板在相鄰介質(zhì)交界面上方的下沉撓度具有連續(xù)性，即頂板巖梁彎曲下沉撓度函數(shù)曲線在=處連續(xù)，則

(11)

由式(11)整理可得式(12)，將式(12)視為關(guān)于,,,為未知量，其他參數(shù)均為已知量的多元線性方程組，將該多元線性方程組轉(zhuǎn)化為矩陣形式求解，具體形式如下：

(12)

運(yùn)用數(shù)學(xué)分析軟件求解上述矩陣中未知量向量，可得,,,的解析表達(dá)式，具體求解結(jié)果如下：

在軸方向上巷柱式采空區(qū)頂板巖梁結(jié)構(gòu)與受載情況相同，在∈[--，+]區(qū)間的頂板巖梁彎曲下沉撓度函數(shù)曲線關(guān)于對稱；在軸方向上巷柱式采空區(qū)頂板巖梁結(jié)構(gòu)與受載情況相同與軸方向上相同，頂板巖梁撓度函數(shù)表達(dá)式與軸方向類似。根據(jù)草垛溝礦實(shí)際地質(zhì)條件可得如下相關(guān)參數(shù)：11煤層平均賦存深度168.2 m，巷柱式采空區(qū)寬度2=40 m，為上覆巖層平均容重，取25 kN/m；頂板巖梁的彈性模量=25 GPa，=9697 6×10kN/

以，為自變量，頂板巖梁彎曲下沉撓度(，)為因變量建立空間立體坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)置在巷柱式采空區(qū)交匯處中心，巷柱式采空區(qū)交匯處在[--，+]范圍內(nèi)的上方頂板巖梁彎曲下沉撓度函數(shù)可表示為(,)=()+()，具體巷柱式采空區(qū)頂板巖梁彎曲下沉撓度示意如圖4(a)所示，其撓度函數(shù)解析曲線如圖4(b)所示。

由圖4可以看出，基于彈性地基假設(shè)的頂板-煤柱系統(tǒng)產(chǎn)生彈性形變，且頂板巖梁在相鄰介質(zhì)交界面的彎曲下沉撓度具有連續(xù)性，頂板巖梁彎曲下沉最大位置在巷柱式采空區(qū)交匯處為2 cm。

2.2 巷式工作面采動應(yīng)力、覆巖裂隙演化規(guī)律

..數(shù)值模擬

(1)模型的建立。本次模擬采用CDEM進(jìn)行計算，對11煤層回采期間工作面采動應(yīng)力、覆巖裂隙分布特征與時空演化規(guī)律進(jìn)行研究，探究采空區(qū)覆巖裂隙帶發(fā)育最大高度。根據(jù)工作面地質(zhì)條件及覆巖特征，模型尺寸為500 m×190 m(長×高)，具體如圖5所示。

圖4 11煤巷柱式采空區(qū)頂板巖梁彎曲下沉示意Fig.4 Bending sinking curves of the 11 coal seam roadway goaf

圖5 數(shù)值模擬模型Fig.5 Numerical simulation model

為減小邊界影響，在已建立工作面左右側(cè)留設(shè)100 m的邊界保護(hù)煤柱。參考草垛溝礦各煤層頂?shù)装鍘r石力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定數(shù)值模擬計算中巖石力學(xué)參數(shù)，各煤巖層采用力學(xué)參數(shù)見表1，煤巖層之間結(jié)構(gòu)面的物理力學(xué)參數(shù)見表2。

(2)開挖模擬方案。通過循環(huán)開挖巷道來模擬11煤巷柱式動態(tài)回采過程，按照現(xiàn)場實(shí)際巷柱式開采采高3.0 m，寬度4.0 m，煤柱寬度20 m；11煤層上方5煤已回采完畢，為了還原采場周邊實(shí)際力學(xué)環(huán)境，按照各煤層回采順序進(jìn)行模擬開挖直至各采空區(qū)充分采動壓實(shí)、頂板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定平衡之后再進(jìn)行11煤層模擬開挖回采；為得到巷柱式開采下采動應(yīng)力變化規(guī)律，在預(yù)開挖工作面中心及上方各層位巖層內(nèi)布置應(yīng)力監(jiān)測線。

表1 各煤巖層巖體力學(xué)參數(shù)

表2 結(jié)構(gòu)面物理力學(xué)參數(shù)

..工作面采動應(yīng)力、覆巖裂隙演化規(guī)律

巷柱式開采過程中開挖不同數(shù)量巷道引起采場圍巖應(yīng)力與采動裂隙動態(tài)演化，在此僅給出2種典型結(jié)果，如圖6，7所示。

11煤巷柱式開采采高3.0 m、寬度4.0 m，其采出空間引起圍巖應(yīng)力發(fā)生改變但影響范圍較小，相鄰采空區(qū)應(yīng)力相互影響較小，具體如圖6所示。

圖6中紅色和黃色分別表示由于剪切和拉伸作用產(chǎn)生的裂隙，青色表示拉伸-剪切復(fù)合作用產(chǎn)生的裂隙。由圖6可知11煤巷柱式采空區(qū)頂板巖層未出現(xiàn)垮落，無長壁式采煤形成的大面積采空區(qū)，采場覆巖出現(xiàn)損傷破壞但范圍較小，頂板上覆巖層損傷破壞高度在1.2～3.5 m。

圖6 工作面采動應(yīng)力云圖Fig.6 Vertical stress map of working face

圖7 采場覆巖裂隙演化示意Fig.7 Evolution of overburden rock fracture in stope

3 采場底板應(yīng)力分布及破壞特征

3.1 采空區(qū)煤柱穩(wěn)定性分析

由數(shù)值模擬(圖8)可知，11煤巷柱式采空區(qū)頂板未垮落，頂板與其下方煤柱均無嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)性破壞，僅煤巖體內(nèi)部損傷破壞，頂板-煤柱系統(tǒng)形成穩(wěn)定平衡結(jié)構(gòu)。8201綜采工作面回采期間采動應(yīng)力改變采場底板應(yīng)力分布，必然影響下伏11煤巷柱式采空區(qū)頂板-煤柱系統(tǒng)平衡結(jié)構(gòu)，加劇其采空區(qū)覆巖裂隙發(fā)育。因此，研究開采擾動下底板應(yīng)力分布對巷柱式采空區(qū)煤柱穩(wěn)定性至關(guān)重要。8201綜采工作面采場底板力學(xué)模型如圖8所示。

圖8 工作面底板力學(xué)模型Fig.8 Mechanics model of the working face floor

根據(jù)彈性力學(xué)理論可知工作面底板下方位置(,)處受到上方不同區(qū)段的應(yīng)力作用，主要有，，，，，段，區(qū)段長度分別為，，，，，，其中，段應(yīng)力集中系數(shù)為1，，和段應(yīng)力集中系數(shù)分別為，。在不同區(qū)段距原點(diǎn)坐標(biāo)為處，取微小長度d看做微小集中力，不同區(qū)段微小集中力在工作面底板位置(,)處應(yīng)力分量為該點(diǎn)在上方工作面采動應(yīng)力影響下的附加應(yīng)力，其應(yīng)力分量解析式為

(13)

式中，為某點(diǎn)應(yīng)力集中度；為點(diǎn)處的垂直應(yīng)力；為點(diǎn)處的水平應(yīng)力；為點(diǎn)處的剪應(yīng)力。

為便于研究，將各區(qū)段應(yīng)力簡化為線性關(guān)系，各區(qū)段各微小單元應(yīng)力集中度可用關(guān)于的函數(shù)()表示，則

(14)

為求出各個區(qū)段在處的總附加應(yīng)力，對各個區(qū)段在處應(yīng)力分量進(jìn)行積分，可分別計算出，，，，，段區(qū)域載荷作用下(,)處的附加應(yīng)力，依次疊加可得該點(diǎn)在8201工作面采動應(yīng)力影響下的附加應(yīng)力，其表達(dá)式為

(15)

式中，為積分區(qū)域段數(shù)量；為積分區(qū)域上限；為積分區(qū)域下限;為各積分區(qū)域的應(yīng)力集中度。

根據(jù)草垛溝礦地質(zhì)條件，對底板應(yīng)力分量式中各參數(shù)取值：=25 kN/m，=2.5，=1，=20 m，=40 m，=10 m，=10 m，=30 m，=20 m，=132.7 m，代入(15)式中可得采動應(yīng)力影響下8201工作面底板應(yīng)力分布如圖9所示。

圖9 工作面底板應(yīng)力分布Fig.9 Stress distribution of working face floor

3.2 開采擾動下工作面底板破壞深度

采動影響下工作面底板損傷破壞形態(tài)如圖8(a)所示，根據(jù)煤壁下方底板塑性破壞力學(xué)模型，工作面超前支承壓力作用于煤柱致使其下方底板一定范圍內(nèi)出現(xiàn)損傷破壞，具體形式如圖10所示。

(16)

圖10 煤壁下方底板塑性破壞力學(xué)模型Fig.10 Mechanical model of plastic failure of floor under coal wall

煤層塑性區(qū)極限平衡寬度為

(17)

(18)

根據(jù)草垛溝礦實(shí)際地質(zhì)條件及巖石物理試驗(yàn)結(jié)果得出相關(guān)參數(shù)：為煤層開采厚度，2.4 m；為開采深度，132.7 m；為最大應(yīng)力集中系數(shù)，取2.5；為巖體容重，25 kN/m；為煤層的黏聚力，取1.00 MPa；為煤層的內(nèi)摩擦角，取28°；為底板巖層平均內(nèi)摩擦角，取37°；為層間摩擦因數(shù)，=tan。聯(lián)立式(16)～(18)并代入相關(guān)參數(shù)，計算可得=113 m，即8201綜采工作面回采過程中底板最大破壞深度為1.13 m。

3.3 開采擾動下工作面底板裂隙演化數(shù)值模擬

8201綜采工作面回采前其下方11煤層與上方5，8煤層均已回采完畢，為還原采場周邊實(shí)際力學(xué)環(huán)境，按照各煤層回采順序進(jìn)行模擬開挖直至各采空區(qū)充分采動壓實(shí)、頂板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定平衡之后再進(jìn)行8201工作面模擬開挖回采；研究8201綜采工作面回采期間底板應(yīng)力分布、裂隙拓展規(guī)律，確定工作面底板巖層裂隙拓展最大深度。

..工作面采動應(yīng)力變化規(guī)律

工作面開采過程中不同推進(jìn)距離時采場圍巖應(yīng)力、采動裂隙呈動態(tài)演化，在此僅給出4種典型結(jié)果，如圖11所示。

圖11 工作面采動應(yīng)力云圖Fig.11 Vertical stress map of working face

由圖11可知，隨5，8煤層模擬開挖回采完畢，各采空區(qū)達(dá)到充分采動，采空區(qū)裂隙被壓實(shí)存在大范圍應(yīng)力恢復(fù)區(qū)域；8201綜采工作面回采期間受采動應(yīng)力影響下5，8煤層采空區(qū)原裂隙被壓實(shí)、應(yīng)力恢復(fù)區(qū)域煤巖體裂隙又重新發(fā)育且重新處于卸壓狀態(tài)。當(dāng)8201工作面推進(jìn)40 m時，該階段處于回采初期，采空區(qū)上方煤巖體出現(xiàn)卸壓，工作面底板在一定范圍內(nèi)發(fā)生損傷破壞，裂隙向下拓展深度達(dá)到1.5 m左右；工作面推進(jìn)80 m時，采空區(qū)懸頂面積增加，采空區(qū)頂板巖梁傳遞轉(zhuǎn)移到采場周圍煤巖體的應(yīng)力及其影響范圍不斷增大，采空區(qū)覆巖裂隙與5，8煤層采動裂隙導(dǎo)通，裂隙帶發(fā)育高度達(dá)60 m左右，工作面底板出現(xiàn)損傷破壞范圍和深度繼續(xù)增大，裂隙拓展深度逐漸增加至3.3 m左右；工作面推進(jìn)至120 m時，該階段處于頂板周期來壓期間，頂板呈周期性斷裂，采空區(qū)覆巖裂隙帶發(fā)育高度進(jìn)一步增大達(dá)64 m左右，采空區(qū)卸壓范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，采空區(qū)中部出現(xiàn)裂隙壓實(shí)、應(yīng)力恢復(fù)區(qū)域，工作面底板巖層裂隙進(jìn)一步向下拓展達(dá)6.3 m左右；工作面繼續(xù)推進(jìn)時，采空區(qū)覆巖裂隙帶發(fā)育高度趨于穩(wěn)定不再變化，采空區(qū)中部裂隙壓實(shí)、應(yīng)力恢復(fù)區(qū)域逐漸擴(kuò)大，工作面底板裂隙拓展深度達(dá)到最大值且趨于穩(wěn)定如圖12所示。

圖12 工作面回采期間覆巖采動裂隙發(fā)育曲線Fig.12 Development curves of overburden rock fracture during working face mining

..工作面采動裂隙演化規(guī)律

在初采期間采場空間呈走向短、傾向長的矩形狀，采場覆巖裂隙呈現(xiàn)尖頂球形或橢球形狀；采空區(qū)巖層充分垮落壓實(shí)，覆巖裂隙發(fā)育呈“中部平頂，端部逐漸降低”形態(tài)；隨8201綜采工作面回采過程中工作面底板巖層損傷破壞呈動態(tài)演化，底板采動裂隙不斷向下拓展直至穩(wěn)定在一定深度，如圖13所示。

圖13 采場覆巖采動裂隙演化Fig.13 Evolution of overburden rock fracture in stope

根據(jù)該礦工程實(shí)際，理論計算8201工作面底板巖層破壞深度為1.13 m；模擬得到11煤層頂板上覆巖層裂隙帶發(fā)育高度在1.2～3.5 m，8201工作面底板破壞最大深度為6.3 m，因此，綜合理論計算與數(shù)值模擬結(jié)果，8與11煤層層間存在穩(wěn)定巖層且厚度至少14 m。

4 覆巖裂隙帶發(fā)育形態(tài)鉆探測量

4.1 現(xiàn)場鉆探探測鉆場布置概況

探測下伏11煤層覆巖裂隙帶發(fā)育形態(tài)，在8201運(yùn)輸巷0～500 m和500～850 m范圍向工作面內(nèi)32～100 m探測，該范圍8煤層底板與11煤層層間距為13.2～29.2 m，共布置17個鉆場，共48個鉆孔，其中180 °方位鉆孔各鉆場均有布置；在8201回風(fēng)巷0～145，145～489和489～841 m范圍向工作面內(nèi)50～80 m探測，該范圍8煤層底板與11煤層層間距為12.2～34 m，共布置14個鉆場，共42個鉆孔，其中0°方位鉆孔各鉆場均有布置。探測鉆孔布置參數(shù)見表3。工作面鉆場布置如圖14所示。

4.2 巷柱式采空區(qū)上覆巖層結(jié)構(gòu)觀測

為了解下伏11煤巷柱式采空區(qū)上覆巖層真實(shí)結(jié)構(gòu)，在8煤層集中運(yùn)輸巷800 m處垂直孔和8201綜采工作面運(yùn)輸巷900 m處俯角為60 °的傾斜孔借助鉆孔注水和鉆孔窺視等現(xiàn)場實(shí)測手段，對下伏11煤巷柱式采空區(qū)上覆巖層結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行觀測。鉆孔窺視結(jié)果顯示采空區(qū)頂板未垮落，出現(xiàn)一定程度彎曲下沉，上覆巖層節(jié)理裂隙發(fā)育不顯著，頂板巖層整體性和完整性未得到嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)性破壞，僅煤巖體內(nèi)部損傷破壞。

頂板巖層結(jié)構(gòu)特征觀測結(jié)果與上述數(shù)值模擬結(jié)果相近，因此，本文數(shù)值模擬具有可靠性。具體如圖15所示。

表3 8201綜采工作面探測鉆孔參數(shù)

4.3 覆巖裂隙帶發(fā)育鉆探探測分析

8201綜采工作面兩巷探下伏11煤層鉆探探測，其中運(yùn)輸巷未見空或未見離層鉆孔43個、見空鉆孔2個、見離層鉆孔3個；回風(fēng)巷未見空或未見離層鉆孔34個、見空鉆孔2個、見離層鉆孔6個。

8201運(yùn)輸巷開口至48 m內(nèi)、225 m處、800～850 m內(nèi)底板巖層有離層，煤層底板至離層位置垂深為13.7～29.0 m；8201回風(fēng)巷148～261 m內(nèi)、319～488 m內(nèi)、798 m處底板巖層有離層，煤層底板至離層位置垂深為12.2～19.2 m。鉆孔探測詳細(xì)描述見表4，下伏11煤巷柱式采空區(qū)覆巖裂隙帶發(fā)育形態(tài)探測結(jié)果如圖16所示。

圖14 8201工作面回采巷道鉆探布置Fig.14 Drilling layout of mining roadway at working face 8201

綜上所述，8201綜采工作面煤層賦存與下伏11煤層層間距總體上是北厚南薄、西厚東薄，層間穩(wěn)定巖層最小厚度為12.2 m，穩(wěn)定巖層無離層或裂隙。與數(shù)值模擬結(jié)果8與11煤層層間存在穩(wěn)定巖層，且厚度至少14 m的結(jié)果相符，數(shù)值模擬近距離煤層蹬空開采圍巖應(yīng)力及裂隙演化規(guī)律與現(xiàn)場鉆孔探測結(jié)果相符，模擬結(jié)果具有可靠性。綜合理論分析、數(shù)值模擬、鉆孔探測等研究結(jié)果，近距離煤層間重復(fù)采動影響下8煤層底板存在穩(wěn)定巖層且?guī)r層較完整具有一定的承載力。

蹬空開采期間避免8與11煤層采動裂隙貫通威脅工作面安全生產(chǎn)，結(jié)合近距離煤層蹬空開采圍巖應(yīng)力及裂隙演化規(guī)律等研究成果，可通過如下措施開展局部加強(qiáng)治理：① 8201綜采工作面回采期間受采動應(yīng)力影響下5，8煤層采空區(qū)覆巖裂隙存在層層導(dǎo)通，加強(qiáng)周邊“探-放”水工作，定向探放提前進(jìn)行疏導(dǎo)，斷層等破碎區(qū)域均加強(qiáng)支護(hù)、注漿改造、加強(qiáng)氣體監(jiān)測；② 根據(jù)研究成果，8201運(yùn)輸巷開口至48 m范圍與8201回風(fēng)巷148～261，319～488 m內(nèi)底板巖層有離層，層間穩(wěn)定巖層最小厚度為12.2 m，對底板薄弱區(qū)域進(jìn)行預(yù)注漿加固后工作面正?；夭?；③ 工作面搬家跳過裂隙貫穿區(qū)域，同時加強(qiáng)瓦斯監(jiān)測和通風(fēng)管理；④ 預(yù)先處理堅硬厚頂板，強(qiáng)制放頂，遇煤層底板下沉、裂隙等情況，采取化學(xué)材料注漿加固底板；⑤ 采取優(yōu)化開采設(shè)計，控制工作面規(guī)模，調(diào)整工作面布置，改變頂板控制方法，協(xié)調(diào)開采順序，控制采高等措施，將工作面原設(shè)計沿煤層頂板割底回采在一定區(qū)間調(diào)整為沿煤層底板割頂回采，以減輕開采擾動對底板穩(wěn)定巖層的損傷破壞。

表4 8201綜采工作面回采巷道鉆孔探測結(jié)果

圖15 鉆孔窺視結(jié)果Fig.15 Borehole peep results

圖16 下伏11煤巷柱式采空區(qū)上覆巖層裂隙帶分布Fig.16 Fracture zone distribution of overlying strata in pillar goaf of 11 coal seam

5 結(jié) 論

(1)推導(dǎo)并解析了巷柱式采空區(qū)交匯處頂板巖梁彎曲下沉撓度函數(shù)，頂板-煤柱系統(tǒng)產(chǎn)生彈性形變且頂板巖梁在相鄰介質(zhì)交界面的彎曲下沉撓度具有連續(xù)性，頂板巖梁彎曲下沉在巷柱式采空區(qū)交匯處最大為2 cm；模擬得到了11煤巷柱式開采下頂板上覆巖層裂隙帶發(fā)育高度在1.2～3.5 m。

(2)建立了工作面走向不同區(qū)段載荷對底板采動附加應(yīng)力與底板巖層損傷破壞深度模型，采動應(yīng)力影響下11煤巷柱式采空區(qū)煤柱穩(wěn)定性安全系數(shù)=463，其頂板-煤柱系統(tǒng)平衡結(jié)構(gòu)仍具有穩(wěn)定性；綜合8201工作面底板破壞深度理論和模擬值確定了8與11煤層層間存在穩(wěn)定巖層且厚度至少14 m。

(3)覆巖裂隙帶發(fā)育形態(tài)探測結(jié)果顯示了近距離煤層間重復(fù)采動影響下8與11煤層層間存在穩(wěn)定巖層且?guī)r層厚度最小為12.2 m，穩(wěn)定巖層無離層或裂隙具有一定的完整性與承載力。

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