非均厚特厚煤層開采高位組合懸臂板結構運動致災機制

【編者按】隨著我國礦產資源開采逐步向深部轉移，確保深部資源安全高效開采，已成為我國亟待解決的戰略科技問題。針對深部環境下采動巖層運動引起的安全問題，掌握深部環境下采動巖層的運動規律，加強覆巖破壞與地壓災害智能化實時監測預警技術研究，是提升礦山災害智能防控水平、保障深部資源安全高效開采的關鍵。為總結交流科研成果，進一步推動深部環境下采動災害智能防控技術攻關，助力煤炭行業高質量發展，《工礦自動化》編輯部特邀中國礦業大學朱衛兵教授、中國礦業大學（北京）楊勝利教授擔任客座主編，中煤科工開采研究院潘俊鋒研究員、西安科技大學解盤石教授擔任客座副主編，于2024 年第12 期組織出版“深部開采覆巖破壞與地壓災害多源信息監測及預警技術”專題。在專題刊出之際，衷心感謝各位專家學者的大力支持！

文章編號：1671?251X（2024）12?0001?10 DOI：10.13272/j.issn.1671-251x.18232

關鍵詞：非均厚開采；特厚煤層；組合懸臂板；頂板災害；深部開采；內部巖移監測；關鍵層

中圖分類號：TD325 文獻標志碼：A

0引言

我國部分礦井煤系地層賦存不穩定，導致單一工作面內的煤層厚度差異較大，這對工作面開采方法選擇、裝備選型、巷道布置及頂板控制造成較大影響。尤其在深部特厚煤層開采且煤層厚度變異大的賦存條件下，覆巖破斷結構及采場礦壓顯現更趨于復雜。

特厚煤層開采一次采出空間大、覆巖垮裂范圍廣，必須考慮更大范圍乃至全部采動巖層的結構形態及其運動可能對采場圍巖的影響。已有研究結果表明：特厚煤層開采高位關鍵層“橫O?X”[1-2]、“橫U?Y”[3]、“豎O?X”[4]破斷結構及懸而未斷[5]時，在某些特定開采條件下會造成工作面壓架、巷道底鼓大變形等頂板災害，嚴重影響工作面的安全高效生產。此外，特厚煤層開采覆巖破斷結構穩定性和工作面礦壓顯現還受急傾斜煤層賦存[6-7]、堅硬頂板[8-9]、向斜構造[10]、溝谷地形[11-12]、露天礦陡坡[13]、重復采動[14]等因素影響，使頂板災害機理更趨復雜。為此，王國法等[15]、王家臣等[16]從源頭開展了特厚煤層綜采綜放的適應性評價及技術原理研究，眾多專家學者采用頂板深孔預裂爆破[17]、地面垂直井分級壓裂[18-19]、地面水平井體積壓裂[19]、頂板鏈臂鋸精準造縫[19]、井上下協同防控[20]、爆破卸壓“人造預裂層”[21]等方法控制或削弱頂板災害，較好地保障了特厚煤層工作面的安全高效生產。

截至目前，關于非均厚煤層開采技術的文獻報道較少。朱衛兵等[22]、寧杉等[23]從覆巖非均厚巖層賦存角度，剖析了非均厚“弓形”巨厚關鍵層破裂特征及動靜載作用機制。張志發[24]針對益門煤礦急傾斜非均厚煤層賦存條件，確定采用水平分段綜采放頂煤采煤法，以實現低成本的高效開采。筆者針對某礦非均厚特厚煤層及上部油頁巖解放層開采易引發頂板大能量事件的工程難題，探究非均厚煤層開采頂板破斷結構形式及致災機制，以期為此類頂板災害防控提供理論依據和技術支撐。

1試驗采區基本情況

甘肅某礦目前主采煤二層， 埋藏深度630～970 m，屬于深部開采條件；厚度為3.0～59.2 m，由東向西厚度逐漸減小，平均厚度為19.61 m。為了防控煤二層回采時的頂板災害，先行回采上部4 m 厚的油頁巖解放層，使煤二層各工作面回采時均處于卸壓區域。煤二層6125?1 綜放工作面位于一采區東部，由早先的分層對齊布置改為錯層布置，工作面寬度為175.9 m，走向長度為379.5 m；其與上部6114 油頁巖工作面的間距為25～38 m。根據礦方的監測記錄，該礦于2021 年曾經多次發生1.0×10⁶ J 以上的大能量事件，有時地面震感較明顯，使礦井面臨巨大的安全生產隱患。6125?1工作面及鄰近工作面的平面位置關系如圖1 所示。

根據6125?1工作面附近的304，305地面鉆孔柱狀圖可知，煤二層厚度由305號鉆孔處的41.8m 逐漸減小至304號鉆孔處的20.54m，屬于典型的非均厚開采條件。對上述2個地面鉆孔柱狀圖進行關鍵層位置判別，確定煤二層的上覆巖層中賦存7層關鍵層，如圖2所示。

2非均厚特厚煤層開采高位組合懸臂板結構特征

2.1高位組合懸臂板結構的數值模擬分析

為了揭示特厚煤層采厚變化對覆巖破斷結構的影響，以6125?1工作面的地質條件為基礎， 建立3DEC 三維數值計算模型，如圖3所示。

數值模型尺寸為1400 m×500m×980m（長×寬×高），左右邊界采用水平位移約束，底部邊界采用垂直位移約束。制定了3組模擬方案：方案1為20m均厚開采；方案2為40m均厚開采；方案3為非均厚開采，右側400m開采范圍累計采厚40m，緊鄰左側400m 開采區域采厚為20m。上述3組方案的采出寬度均為800m。巖層塊體及節理均采用Mohr?Coulomb 準則，參數見表1。

上述3組方案對應的覆巖垂直位移云圖如圖4所示。

從圖4（a）可看出，方案1 工作面采后覆巖裂隙發育至亞關鍵層4底界。從圖4（b） 可看出， 方案2工作面采動裂隙發育至亞關鍵層6底界。從圖4（c）可看出，方案3非均厚特厚煤層開采覆巖破斷結構顯著不同，右側40m采厚區域的覆巖采動裂隙已經發育至主關鍵層底界，而左側20m采厚區域的覆巖采動裂隙僅發育至亞關鍵層4底界，使亞關鍵層4 至主關鍵層底界之間的巖層形成了高位組合懸臂板結構，且其懸臂極長。

為了掌握非均厚煤層開采高位組合懸臂板結構對采場支承應力分布的影響，在煤二層內部設置一條水平測線，得出上述3 組方案對應的支承應力分布及增量，如圖5所示。

從圖5（a）可看出，方案1和方案2左側實體煤區域最大垂直應力分別為60.2，55.1 MPa， 而方案3非均厚特厚煤層開采條件下左側實體煤支承應力顯著升高，最大垂直應力達72.3MPa；3組方案右側實體煤區域支承應力保持在正常水平，最大垂直應力分別為60.8，50.8，52.8 MPa；方案1及方案2工作面中部最大垂直應力分別為9.7，16.3MPa，而方案3 由于高位組合懸臂板結構回轉下沉的壓覆作用，該區域最大垂直應力達到了28.7MPa。從圖5（b）可看出，方案3左側實體煤及工作面中部區域最大垂直應力相對于方案2 增量分別為44.9，21.4MPa。以上結果表明，非均厚開采導致采場頂板形成了高位組合懸臂板結構，該組合懸臂板及其支撐的上覆巖層載荷將向采空區左側煤巖體及采空區中部垮落矸石壓實區域轉移，從而導致上述區域內的支承應力顯著增大。

2.2高位組合懸臂板的物理模擬實驗

采用二維相似材料物理模擬分析非均厚特厚煤層開采覆巖破斷結構特征。模型尺寸為2500 mm×200 mm×1700 mm（長×寬×高），幾何相似比為1∶350，密度相似比為1∶1.60，應力相似比為1∶560，泊松比相似比為1∶1。物理模型如圖6 所示。煤二層埋深約900m，模型對應實際高度600m，為模擬實際埋深條件，通過應力相似比在模型上邊界施加約300m 高度的覆巖載荷。實驗中各巖層相似材料配比參數見表2。

模型開挖時先采完上部的油頁巖解放層，再從右往左開采煤二層，已知油頁巖采后裂隙僅發育至亞關鍵層2 底界。非均厚特厚煤層開采不同推進距離對應的上覆巖層破斷結構演化過程如圖7所示。

從圖7（a）可看出，當煤二層工作面推進至92cm時，亞關鍵層2 發生初次破斷。從圖7（b）可看出，當工作面推進至152cm 時，已采完40 m 采厚區域，進入20 m 采厚區域并推采了25 cm，此時亞關鍵層4 發生初次破斷，亞關鍵層2至亞關鍵層5 底界之間的巖層形成了高位組合懸臂板結構。從圖7（c）可看出，當工作面推進至162 cm 時，高位組合懸臂板結構出現明顯的回轉下沉，懸臂板左側端部區域豎向裂隙由上至下呈近乎垂直的擴展趨勢。從圖7（d）可看出，當工作面推進至172 cm 時，亞關鍵層5 及亞關鍵層6 發生初次破斷，其載荷進一步壓覆到下部的懸臂組合板上，致使左側累計采厚雖小，但是其頂板采動裂隙發育高度與40 m 采厚區域基本保持一致。從圖7（d）可進一步發現，右側40 m 采厚區域直接頂至亞關鍵層6 之間的巖層載荷已充分垮落，并將其載荷傳遞至采空區底板；而20 m 采厚區域及超前回采的油頁巖引起的裂隙發育高度相對較小，使亞關鍵層2 至亞關鍵層6 之間的巖層形成了組合懸臂板結構，其側向水平擠壓力約束較小且破斷回轉下沉并不充分，這是導致非均厚開采頂板易發生大能量事件的根本原因。

為了更直觀地展現模型特征，繪制非均厚特厚煤層開采頂板破斷結構演化素描圖，如圖8 所示。從圖8（a）可看出，當工作面推進至152cm 時，高位組合懸臂板結構端部開始出現張拉裂隙，主要分布于亞關鍵層2 至亞關鍵層4之間。從圖8（b）可看出，當工作面推進至172 cm時，該結構左側端部豎向裂隙由上向下不斷發育擴展直至完全貫通，形成高位大跨度組合懸臂板結構。

采用分布式壓力薄膜對模型采空區進行應力監測，分布式壓力薄膜及其布置位置如圖9 所示。工作面推進至52cm時，將1號壓力薄膜布置在模型40m 采厚區域的中部；工作面推進至127cm時，將2號壓力薄膜布置在煤層厚度變化的節點位置；工作面推進至162cm時，將3號壓力薄膜布置在20m 采厚區域。

煤二層工作面每推進5cm 采集1次應力數據，1號和3號壓力薄膜的初始應力及最終應力狀態如圖10所示。據此繪制各壓力薄膜的應力變化曲線，如圖11所示。

從圖10可看出，隨著煤二層工作面開采，頂板及其上覆巖層逐步垮落，壓力薄膜受壓面積不斷增加，采空區逐漸被壓實。由圖11可知，隨著亞關鍵層1?亞關鍵層4破斷， 1號壓力薄膜所受應力從0.71 kPa 升高至3.32 kPa，當亞關鍵層5 和亞關鍵層6 破斷后，應力進一步增大至4.81 kPa 并逐漸穩定在5.08 kPa 左右。2號壓力薄膜所受應力隨著工作面推進和亞關鍵層5 的破斷呈現顯著變化，從初始8.84 kPa 升高至26.77 kPa，最終穩定在25.12 kPa。3號壓力薄膜應力變化幅度較大，初始應力為0.1 kPa，隨著工作面持續推進，應力迅速升高至42.01 kPa，并最終穩定在42.30kPa。

上述監測結果表明，40m 采厚區域（1號壓力薄膜位置）的采空區底板承載應力較小；工作面中部區域（2號壓力薄膜位置）因受上部高位組合懸臂板結構的壓覆作用，初始應力較大，并隨著亞關鍵層5、亞關鍵層6的破斷和高位組合懸臂板結構的回轉下沉，該區域應力迅速攀升，這與數值模擬結果一致；而在20m 采厚區域（3號壓力薄膜位置），由于組合懸臂板結構導致應力分布于兩端的正下方，所以該區域初始應力較小，但隨著高位組合懸臂板結構回轉下沉乃至破斷，該區域內的采場應力集中程度最為嚴峻。

2.3非均厚煤層開采頂板覆巖破斷結構形態

根據關鍵層位置及其對導水裂隙帶發育高度的影響規律，以7～10倍采高估算導水裂隙帶發育高度，結果表明：在20m采厚區域，頂板采動裂隙將發育至亞關鍵層4底界；而在40m 累計采厚區域，裂隙發育高度可達到主關鍵層底界。由于煤層埋深大，選擇煤二層上方厚度約4m的油頁巖作為解放層提前進行開采，該油頁巖開采導水裂隙帶預計發育至亞關鍵層2 底界。基于數值模擬及物理模擬研究結果，結合試驗礦井開采的實際條件，發現非均厚特厚煤層開采時上覆巖層存在高位組合懸臂板結構，具體特征如圖12所示。

3覆巖采動裂隙發育狀況的地面鉆孔檢測

為了掌握該礦實際開采中采動裂隙的發育狀況，結合圖1 所示4 個地面鉆孔鉆進過程中的沖洗液漏失及掉鉆情況，探究不同采厚區域的導水裂隙帶發育高度。各鉆孔的施工情況如下：

1） ZY1 鉆孔位于6116油頁巖工作面走向中部，距回風平巷20m。在鉆進至?821.39～ ?869.37 m時出現嚴重滲漏現象；當鉆進至?869.37～?878.91m時，發生井漏現象，泥漿失返，并導致回風平巷內涌出少量泥漿，這與油頁巖采動裂隙預計發育至亞關鍵層2 底界相一致。

2） ZY2鉆孔位于6126 工作面切眼321m處，距回風平巷63 m。在鉆進至?321.5 m 時出現泥漿漏失，在鉆進至?496.06～?551.65 m 時發生井漏現象，泥漿失返，其中在?531 m 深度時鉆具放空1.5 m，至?543.25 m 時出現卡鉆現象，至?548.5 m 時鉆具再次放空2 m，大致位于亞關鍵層4 附近。

3）JK1 鉆孔位于實體煤區域上方，距6114 油頁巖工作面切眼536 m，距6124?1進風平巷42 m，傾向上鄰近6124?1 工作面采空區（采厚20 m）。在鉆進至?705.8～?779.73m 時發生井漏現象，泥漿失返。這表明20 m 采厚區域的采動裂隙已擴展發育至亞關鍵層3 底界。

4） JK2 鉆孔位于煤二層6124?1 工作面采空區（累計采厚40m以上）上方，距切眼109 m，距6124?1回風平巷15 m。在鉆進至?150～?342.3 m 時發生井漏現象，出現泥漿失返，在鉆進至?342.3m 時鉆具放空0.3m，表明40m采厚區域的采動裂隙已擴展至主關鍵層。

結合礦井地質條件及上述4個鉆孔施工情況，繪制非均厚特厚煤層開采覆巖結構，如圖13 所示。可看出首采4m 厚油頁巖解放層的裂隙發育高度約為75 m，位于亞關鍵層2 底界；煤二層20，40m 采厚區域的裂隙發育高度分別為289，504 m，大致位于亞關鍵層4 和主關鍵層底界。這表明不同采厚區域頂板采動裂隙發育高度存在顯著差異，進一步證實了非均厚開采條件下高位組合懸臂板結構的客觀存在。

4地面鉆孔內部巖移監測

為了探究高位組合懸臂板結構運動致災機制，在試驗礦井一采區布置多個地面鉆孔開展內部巖移監測[25-26]，分析覆巖內部巖移光纖斷點高度變化與大能量事件之間的內在聯系。ZY1 內部巖移鉆孔位于6116工作面上方，孔內布置2 條分布式光纖及7組鎧裝線纜，地面監測裝備如圖14所示。

ZY1鉆孔分布式光纖微應變情況如圖15所示。可看出深度?300m以上的光纖無明顯變形，?300～?400m 區間的光纖呈現拉伸變形， ?400～?470m 區間的光纖呈現壓縮變形。結合各關鍵層所處層位可知，亞關鍵層5 及其以上巖層仍處于彎曲下沉運動狀態。光纖在?470～?700m 區間呈現劇烈的拉伸變形特征，且在深度?666m，即距煤二層頂板223m 處光纖發生斷裂，表明亞關鍵層2 至亞關鍵層5 底界之間的巖層正在發生破裂運動。

為了進一步揭示光纖微應變與大能量事件之間的內在聯系，繪制不同時段光纖微應變與大能量事件的變化曲線， 如圖16 所示。圖中統計了5.0×10⁴J以上的大能量事件。可看出自從煤二層6126?1工作面開采以來，ZY1內部巖移鉆孔內的光纖應變發生急劇變化，2024年3月4 日光纖在?666 m 處發生斷點，此處距離煤二層頂板約223m，隨后在2024年3月5日，采場出現一次7.52×10⁴ J 的大能量事件。這表明隨著油頁巖6116工作面和6126?1工作面的回采，高位組合懸臂板結構逐漸破裂回轉下沉，不斷釋放能量，從而引發大能量事件。

5結論

1）模擬研究發現40m累計采厚區域的裂隙發育高度遠大于20m采厚區域，易使后者上方形成高位組合懸臂板結構；厘清了非均厚開采實體煤側及采空區壓實區域支承應力顯著增大的原因，確定該高位組合懸臂板結構破裂運動是造成頂板大能量事件的根源。

2）4個地面鉆孔監測發現，4m厚油頁巖解放層采后裂隙發育高度約為75 m，處于亞關鍵層2 底界；煤二層20， 40m 采厚區域的裂隙發育高度分別為289，504 m，對應亞關鍵層4 和主關鍵層底界，揭示了不同采厚區域頂板巖層破壞裂隙的發育差異，進一步佐證了高位組合懸臂板結構的存在。

3）在現場安裝了地面鉆孔內部巖移監測系統，分析了分布式光纖斷點高度與大能量事件之間的內在聯系，揭示了高位組合懸臂板結構破裂回轉運動易引發大能量事件的作用機制。