特厚煤層綜放沿空掘巷合理時機分析

孔祥忠

（晉能控股煤業集團塔山煤礦，山西 大同 037001）

大同礦區石炭系特厚煤層厚度可達10～25 m，工作面長度普遍為180～280 m，采用大采高綜采放頂煤的方式一次采出煤層全厚，會形成巨大的采出空間，引起工作面上覆大范圍的巖層運動，采場覆巖運動波及范圍廣、裂隙發育高度大。特厚煤層綜放面大空間、高強度開采覆巖運動規律復雜、穩定時間長，沿空巷道何時開始掘進成為需要解決的問題。

我國學者針對特厚煤層開采覆巖結構及運動規律、綜放面端部結構特征等開展了一系列研究，許家林、鞠金峰等[1]提出特大采高技術，工作面采高明顯增大，覆巖亞關鍵層Ⅰ易進入垮落帶中，不能形成＂砌體梁＂結構，而呈“懸臂梁”結構周期性破斷，揭示了關鍵層“懸臂梁”結構運動形式對采場礦壓的不同影響規律。于斌、朱衛兵、楊敬軒[2-3]等認為特厚煤層開采形成的大空間采場覆巖具有顯著的“低-中-高”層位結構特征，提出近場關鍵層為“豎O-X”破斷的“懸臂梁+砌體梁”結構，遠場關鍵層為“橫O-X”破斷的“砌體梁”結構模型，“中-低”位頂板結構失穩形成采場大小周期來壓，高位頂板結構的失穩聯動是誘發大空間采場強礦壓顯現的主要因素。李化敏[4]等提出大采高綜放工作面端部以垮落角、移動角為邊界形成滑移破裂區、拉壓裂隙區和壓裂隙區3個裂隙發育區，空區穩定后下位懸臂梁破斷，形成三角形滑移區，上位關鍵層仍以砌體梁結構方式存在。趙勇強[5]采用現場實測方法并結合斷裂懸臂梁運動至穩定的時間函數方程解算值，確定了沿空巷道最短合理開掘時間。

目前，對特厚煤層綜放采場覆巖結構及運動特征的研究已取得較多成果，但對覆巖穩定時間與沿空巷道掘進之間的時空關系研究較少。本文以晉能控股煤業集團塔山煤礦（簡稱“塔山煤礦”）特厚煤層綜放開采為工程背景，研究特厚煤層綜放采動覆巖運動規律及穩定時間和綜放面端部結構穩定時間，以確定沿空掘巷的合理時機。

1 礦井地質條件分析

大同礦區具有侏羅系——石炭系雙系煤層賦存的特點，在雙系煤層之間及侏羅系煤層上覆廣泛存在著細砂巖、粉砂巖、中砂巖、粗砂巖、砂礫巖、砂質泥巖等厚度較大、強度較高、完整性較好的堅硬巖層。通過對大同礦區多座礦井80個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巖性為主，堅硬巖層占比大于60%，局部區域堅硬巖層占比可達80%以上。

塔山煤礦現主采石炭系太原組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泥巖、碳質泥巖、砂質泥巖，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、高嶺質、碳質泥巖、泥巖及高嶺巖，少量粉、細砂巖。由于3～5#煤層上覆存在多層堅硬巖層，能夠在石炭系特厚煤層上覆形成多個關鍵層，以8104工作面為例，經判別煤層上覆存在6 個關鍵層。堅硬巖層具有較強自穩能力，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軟弱巖層的重量向下傳遞，為小煤柱沿空巷道圍巖小結構創造較有利的應力環境。

2 綜放面覆巖結構特征及運動規律

2.1 沿工作面推進方向覆巖結構特征及運動演化規律

大同礦區特厚煤層綜放開采大空間采場覆巖結構具備“低位組合懸梁+中位砌體梁+高位大結構”特征[2]，結構特征如圖1所示。

圖1 特厚層綜放采場走向覆巖結構示意圖

工作面煤層采出后覆巖運動由下向上分帶逐步擴展，直至形成穩定的巖層承載結構。采空區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構的基本頂關鍵層，因關鍵層塊體回轉下沉量過大無法在塊體間維持穩定的鉸接結構，破斷前以懸臂梁結構形式存在，破斷后表現為整體切落。隨著工作面推進，低位關鍵層破斷失穩后覆巖運動繼續向上發展，受采動影響的巖層范圍也將不斷擴大，覆巖形成類似“裂斷拱”結構，并不斷向上擴展。在低位垮落巖層有效填充特厚煤層的采出空間后，中、高位關鍵層塊體破斷后將能夠形成鉸接結構，以砌體梁形式存在。當工作面推進到一定長度時，拱形結構發展到一定高度后不再向上擴展，之后，拱形區域依次向前傳遞，覆巖逐漸進入充分采動狀態。

2.2 沿工作面傾向覆巖結構特征及運動演化規律

沿工作面傾向覆巖運動演化的基本規律與沿工作面推進方向類似，隨著工作面推進，覆巖自下而上以關鍵層為標志層逐漸變形離層、破斷失穩，直至覆巖運動達到穩定狀態。與沿工作面走向覆巖運動不同之處在于，受工作面寬度限制，在與相鄰工作面采空區已穩定覆巖協同運動前，覆巖在本工作面傾向范圍內運動。即隨工作面推進，沿工作面傾向覆巖運動逐漸向上發展，也會形成類似拱形結構，拱形結構發展到一定高度后暫不再向上發展。但當工作面推進到一定距離時，會與相鄰工作面采空區已穩定覆巖在更高的層位協同運動，覆巖運動將再次向上擴展，形成更大范圍的拱形結構，在相鄰兩個或多個工作面高位覆巖中形成穩定的砌體梁結構后，沿工作面傾向覆巖運動才趨于穩定。在工作面多次見方前其傾向覆巖運動主要受中、低位關鍵層影響；多次見方后在傾向形成大采場結構，其覆巖運動是由高、中、低位關鍵層協同控制，結構特征如圖2所示。

圖2 特厚層綜放采場傾向覆巖結構示意圖

3 采動覆巖穩定時間確定

3.1 地表移動觀測及規律分析

為了研究特厚煤層開采條件下覆巖運動與地表移動的對應關系，在塔山煤礦8104工作面上方地表布置了兩條觀測線，以得到該開采地質條件下的地表移動變形規律。其中，走向觀測線（以Z表示）1條，沿8104工作面走向地表中央布設成直線，走向觀測線長度為2 875 m，測點間距為25 m，共設計89 個測點；傾向觀測線（以Q表示）1條，沿8103、8104工作面傾向方向地面相對平緩處布設成折線，傾向測線長度為1 450 m，測點間距25 m，共有59個測點。觀測點布設示意圖如圖3所示。

圖3 觀測點布設示意圖

自2009 年5 月29 日進行第1 次全面觀測后，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日對地表沉降進行了6次觀測，其中2009年8月16日和2009 年10 月20 日的部分觀測數據丟失，對這兩次觀測數據不做具體分析。

1）走向觀測線地表移動變形分析

工作面推進過程中沿走向觀測線地表下沉與水平移動曲線如圖4所示。截止到2010年9月5日，工作面仍在推進中，共推進2 490 m，因此在工作面停采線正上方附近地表下沉并未達到穩定。但從觀測結果可以得出，從工作面切眼到距切眼1 300 m范圍內，2010年4月17日與2010年9月5日觀測的地表下沉基本重合一致，這說明在距切眼1 300 m范圍內地表下沉基本達到穩定；同時從2010年9月5日的觀測數據可知，觀測線中部出現了平底，因此走向觀測線在該生產地質條件下達到的地表最大下沉值，可由2010 年9 月5 日的觀測數據進行確定。2009年5月29日進行第1次觀測時，距工作面切眼800 m處地表還未開始下沉，2009年9月16日觀測時該處下沉量小于200 mm，2010年4月17 日與2010 年9 月5 日觀測時該處地表下沉基本穩定，所以，根據2010年4月17日觀測數據計算，地表下沉穩定時間約為11個月。

圖4 沿走向觀測線地表下沉曲線

2）傾向觀測線地表移動變形分析

由前述觀測線布置情況可知，傾向觀測線與走向觀測線相交于走向觀測線的Z44 號與Z45 號點之間。圖5為2010年9月5日觀測的沿傾向線的地表下沉曲線，由于Z44號和Z45號點位于走向觀測線的平底部，可知2010年9月5日觀測的傾向線地表下沉基本已經穩定。

圖5 沿傾向觀測線地表下沉曲線

傾向觀測線上地表下沉值最大點為Q35 號點，該點位于工作面內偏向下山方向一側的山坡上，加之受該側8103工作面開采影響，傾向最大下沉值與走向觀測線最大下沉值相比較大；但傾向觀測線上位于8104工作面中心附近平地上的Q33 號點下沉值為2 578 mm，與走向觀測線上的最大下沉值一致。這與沿工作面傾向覆巖運動演化規律一致，隨著8104工作面回采范圍的增加，沿傾向方向8103、8104 工作面高位巖層協調運動，在兩個工作面乃至更大范圍內形成新的穩定砌體梁結構，破斷塊體一側在8104工作面實煤體側與未破斷塊體鉸接，另一側在8103、8104 工作面中部與采空區內已穩定塊體鉸接，因而地表最大下沉位置靠近8103工作面。

3.2 覆巖運動時空演化規律反演分析

為全面分析覆巖運動情況，建立覆巖內部巖層移動預計模型，結合地表移動監測數據和塔山煤礦8104工作面具體生產地質條件，反演分析塔山煤礦覆巖運動時空演化規律。以工作面推進到240 m、480 m、800 m 以及停采1 年后（假定工作面最終推進距離為800 m），走向主斷面垂直剖面上的巖層移動為依據說明工作面采動覆巖穩定時間，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與覆巖運動演化過程類似的拱形曲線，當工作面推進距離較短時，覆巖下沉自下而上分帶逐漸擴展，下沉等值線呈規則的拱形；隨工作面推進，下沉等值線變為不規則的拱形，覆巖運動影響范圍逐漸向上擴展、向工作面推進方向傳遞；工作面停采1 年后上覆巖層達到充分采動，下沉等值線最終又呈規則的拱形曲線。

綜上所述，根據地表觀測結果和覆巖移動預計模型反演結果，初步判定塔山煤礦石炭系特厚煤層開采條件下，工作面覆巖采動穩定時間約為1年。

4 沿空掘巷合理時機確定

采空區覆巖整體進入穩定狀態前，工作面上方一定范圍內覆巖已處于相對穩定狀態，其穩定時間小于覆巖整體穩定時間。由圖6可知，工作面推進至480 m時，在距切眼180 m處煤層上方100 m范圍內覆巖下沉量達到最大值；工作面推進至800 m 時，在距切眼220 m 處煤層上方150 m 范圍內覆巖下沉量達到最大值。

特厚煤層綜放面端部結構隨覆巖的整體運動狀態改變，不同層位覆巖運動對端部結構穩定性的影響程度不同，距煤層越近，覆巖運動對端部結構的影響越大。特厚煤層綜放面端部下位關鍵層懸臂梁結構的破斷失穩會造成端部應力分布在短時間內發生劇烈變化，三角滑移弱結構區的運動影響端部應力場的重新分布，高位關鍵層形成穩定的砌體梁結構后，綜放面端部結構趨于穩定，更上位覆巖的運動對端部結構的穩定影響較小。

為避免相鄰工作面覆巖運動對沿空巷道穩定造成影響，原則上沿空巷道應在相鄰工作面采空區覆巖整體穩定后掘進，即沿空巷道應在相鄰工作面停采至少1年以后開始掘進。但部分礦井存在采掘接替緊張等問題，沿空巷道在采空區覆巖整體充分穩定前就要開始掘進，此時應保證工作面上方一定范圍內覆巖劇烈運動結束，同時綜放面端部結構達到相對穩定狀態。大同礦區特厚煤層綜放開采條件下，綜放面端部結構的穩定時間一般為3～6個月。工作面推進度L與沿空巷道掘進時間T之間的關系如圖7所示。

圖7 工作面推進度與沿空巷道掘進時間關系

工作面推進至距切眼Li處，工作面推進時間為Ti，采空區端部結構穩定時間為Tw1，采空區覆巖充分穩定時間為Tw2，則回采后沿空巷道可掘進的最短時間Ti1為：

采空區覆巖充分穩定后沿空巷道掘進的最短時間Ti2為：

若沿空巷道掘進方向與工作面推進方向一致，則小煤柱掘進時機可由式（3）、（4）確定。

工作面可采長度為Ln，工作面回采時間為Tn，則工作面停采后沿空巷道可掘進的最短時間Tn1為：

采空區覆巖充分穩定后沿空巷道掘進的最短時間Tn2為：

5 結論

1）特厚煤層綜放面煤層采出后覆巖運動由下向上分帶逐步擴展，直至形成穩定的巖層承載結構，由于特厚煤層開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+高位大結構”結構；在工作面多次見方前沿傾向覆巖運動主要受中、低位關鍵層影響；多次見方后在傾向形成大采場結構，其覆巖運動是由高、中、低位關鍵層協同控制。

2）根據工作面地表下沉觀測結果判斷地表下沉穩定時間約為11個月，傾向最大下沉值與走向觀測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；結合反演分析初步判定塔山煤礦石炭系特厚煤層開采條件下，工作面覆巖采動穩定時間約為1年。

3）不同層位覆巖運動對綜放面端部結構穩定性的影響程度不同，距煤層越近，覆巖運動對端部結構的影響越大，綜放面端部結構的穩定時間一般為3～6 個月。原則上沿空巷道應在相鄰工作面采空區覆巖整體穩定后掘進，若采掘接替緊張，在保證工作面上方一定范圍內覆巖劇烈運動結束，同時綜放面端部結構達到相對穩定狀態的條件下，沿空巷道也可提前掘進。