上分層遺留區段煤柱下斜交工作面綜放開采覆巖結構演化特征

關鍵詞：特厚煤層；分層綜放開采；遺留區段煤柱；斜交工作面；覆巖結構

中圖分類號：TD325 文獻標志碼：A

0引言

我國煤炭資源已探明儲量約1.341萬億t，厚煤層儲量占總儲量44%，其中，厚度8m以上的特厚煤層儲量占比50%，廣泛賦存于我國神東、陜北、黃隴、寧東、新疆等大型煤炭基地。特厚煤層的產量約占全國煤炭產量的1/4[1]，對我國能源安全具有重要戰略意義。對于特厚煤層，通常采用分層綜放開采，但受高開采強度影響，采場礦壓顯現劇烈，覆巖破斷運動規律復雜，影響煤礦安全高效開采。

許多學者圍繞特厚煤層分層綜放開采覆巖結構、礦壓顯現及遺留區段煤柱對下分層開采的影響等方面進行了研究。于斌等[2-4]研究了特厚煤層開采覆巖結構的失穩機理，建立了特厚煤層開采大空間采場巖層結構演化模型，提出了“大空間結構”和“遠近場”的概念。竇林名等[5]、侯瑋等[6-7]、史紅等[8]將采場覆巖空間結構劃分為“O?X”型、“F”型和“T”型3 個基本類別，并系統分析了3 種結構的特征和覆巖斷裂運動形態。姜福興等[9-10]將采場覆巖空間結構分為“θ”型、“O”型、“S”型和“C”型4 種類型，并以此作為預計關鍵層運動及采場頂板壓力和評價沖擊地壓發生可能性的理論基礎。韓紅凱等[11-12]建立了基于采動覆巖關鍵層“板?梁”結構的應力場預測模型，提出了不同層位關鍵層下采動應力和采場支承壓力的平面分布預測方法。婁金福等[13]建立了梁拱二元結構模型，認為在開采過程中，上覆巖層破斷后在垮落帶形成梁結構，在裂隙帶則形成應力傳遞拱結構。張海鵬[14]將中國神華能源股份有限公司保德煤礦大采高綜放面覆巖結構分為“砌體梁”結構和“短懸臂梁”結構，指出覆巖“懸臂梁”結構是綜放工作面礦壓顯現強烈的根本原因。楊俊哲[15]提出隨著埋深增大，高位關鍵層的破斷對特大采高工作面礦壓顯現的影響加大，加劇了工作面礦壓顯現。任永康等[16]對河南大有能源股份有限公司耿村煤礦特厚煤層綜放工作面礦壓顯現規律進行了分析研究，認為工作面頂板中下部和下部運動劇烈，來壓強度大，而上部和中上部基本頂活動相對緩和。凌志強等[17]分析了煤柱寬度變化對沖擊危險性的影響規律。王高昂等[18]揭示了煤柱應力集中機制和雙層疊加煤柱工作面開采應力演化規律。竇林名等[19]認為不規則煤柱區應力集中程度受采動影響較高，煤柱內高靜載是影響工作面沖擊危險性的主要因素。黃慶享等[20]研究了工作面過煤柱的覆巖結構、來壓規律和超前支承壓力演化規律，揭示了煤柱應力傳遞規律與支架動載機理。高瑞等[21]提出了煤柱集中應力致使下伏相鄰硬厚巖層整體性的切落失穩是造成工作面強礦壓顯現的主要原因。楊歡等[22]提出了上覆遺留煤柱強礦壓致災機理，即工作面出煤柱時，煤柱及上覆承載體受擾動突然失穩，能量瞬間傳遞至采場，以動能形式釋放，造成強礦壓動力災害。吳文達等[23]分析了煤柱下方應力集中區綜采工作面頂板破斷特征，認為工作面出煤柱期間工作面中部區域支架阻力最大、下部區域次之、上部區域最小。但上述研究鮮有針對30m 以上特厚煤層分層綜放開采且上下分層工作面斜交布置這一特殊情況。該情況下，下分層綜放工作面間歇性過上分層遺留區段煤柱導致覆巖破斷運動及礦壓顯現規律復雜，圍巖控制困難，制約了煤礦安全生產。

甘肅華亭煤電股份有限公司硯北煤礦5號煤采用下分層綜放工作面與上分層采空區斜交布置方法，上分層工作面均已回采完成，覆巖完整性已經破壞，下分層開采隨之產生了不同形式的塑性破壞和礦壓顯現特征。本文以硯北煤礦250203下綜放工作面為工程背景，通過分析上分層遺留區段煤柱下斜交工作面綜放開采覆巖運移及應力分布規律，揭示下分層綜放工作面過遺留區段煤柱覆巖結構演化特征，為特厚煤層分層綜放工作面安全、高效回采提供借鑒。

1工程背景

1.1礦井概況

硯北煤礦位于華亭煤田的中東部，井田面積為12 km²，可采儲量為3.62億t。礦井地質構造以褶皺為主，如圖1所示。主采5號煤埋深為506.7 m，平均煤厚為40.8 m，傾角為3～16°，屬緩傾斜松軟破碎煤層，適合大規模綜放開采。頂板以粉砂質泥巖為主，堅固性系數為4.4，屬不穩定至中等穩定頂板；底板主要為泥質膠結的粗砂巖，堅固性系數為2.4，穩定性較差，遇水易膨脹。煤巖物理力學參數見表1。

礦井設計生產能力為6.0 Mt/a，采用斜井單水平上下山開拓，共劃分8個采區。其中，2502采區上分層共布置8 個工作面，采用走向長壁傾斜分層綜采放頂煤采煤法，全部垮落法管理頂板。上分層工作面長200m，區段煤柱寬度為20m，均已回采完成。250203下工作面是2502采區下分層首個回采工作面，長度為300m，分層高度為15m，采高為4m，放煤高度為11 m，采放比為1∶2.75。

受次級褶曲構造和底板隆起雙重影響，250203下工作面與上分層遺留區段煤柱平行布置，工作面回采巷道將隨褶曲構造變化出現負坡度，且工作面中部隆起位置出現采煤機割底板現象，造成下分層工作面采出率低。為提高工作面生產能力和采出率，下分層工作面與上分層遺留區段煤柱斜交布置，250203下工作面回采期間依次過250207上—250202上共6 個上分層采空區，下分層工作面與上分層采空區位置關系如圖2 所示。

1.2遺留區段煤柱下工作面布置類型

根據上分層遺留區段煤柱與下分層工作面的俯視投影關系，將二者間的位置關系劃分為平行、垂直和斜交3 類布置方式，如圖3 所示。平行布置為最常見的工作面布置方式，對下分層工作面生產影響較小，一般不會引起工作面的強礦壓顯現問題，但會在下煤層形成應力異常集中區，導致回采巷道維護困難。垂直布置時，下分層工作面全長同時進入上分層遺留區段煤柱影響范圍，造成工作面礦壓顯現劇烈，但持續時間較短。斜交布置時，隨著下分層工作面沿走向推進，工作面經過區段煤柱時上方區段煤柱會從工作面一端逐步地過渡到另一端，造成工作面局部且非固定的來壓，影響時間較長。

為盡量避免褶曲構造和底板隆起的影響，增加工作面寬度和走向推進長度，提升工作面單面生產能力，250203下工作面與上分層采空區及遺留區段煤柱采用斜交布置，斜交角度為20°。

2遺留區段煤柱下斜交工作面采動應力分布特征

2.1數值計算模型

采用有限元計算軟件FLAC3D建立數值計算模型（圖4），分析250203下工作面過上分層3 個采空區及2個區段煤柱時的圍巖破壞特征。選用Mohr?Coulomb 本構模型， 使用大變形模式。模型尺寸（長×寬×高）為800m×900m×500m。

采用施加載荷的方式補足模型周圍未建模的圍巖，對模型頂部邊界施加3.0MPa的垂直載荷，對模型四周施加1.5 MPa的水平載荷。為消除邊界效應，工作面周圍保留了150 m 寬的邊界煤柱，模型底部及四周采用位移約束以限制垂直和水平移動。上分層工作面沿Y 軸正方向推進， 下分層推進方向與Y 軸斜交20°。

上分層工作面開采過程中，因FLAC^3D軟件自身局限性，頂板無法直接垮落壓實并填充采空區。下分層工作面開采時，為使頂板為連續介質，當上分層工作面每一次推進時在后方采空區填入弱性材料模擬采空區矸石，為下分層工作面回采建立現場模擬條件。

2.2采空區上方覆巖應力演化特征

下分層工作面開采過程中圍巖垂直應力變化特征如圖5所示?？煽闯鱿路謱娱_采前，工作面上方形成3個應力釋放區，區段煤柱上方出現應力集中現象，平均垂直應力為12.87MPa。下分層工作面推進期間，下分層工作面經過2 號區段煤柱下方，區段煤柱失穩后應力重新分布。煤柱上方基本頂應力釋放，原250205上、250204上采空區位置2 個應力釋放區域貫通。工作面推進至250～300m 處時，工作面頂板同時存在1 號、2號2個區段煤柱，煤柱失穩后上方基本頂應力釋放，此時原有的3 個應力釋放區域互相貫通。工作面推進至400m 之后，逐漸離開2 號區段煤柱，工作面內只存在1 號區段煤柱，此時煤柱失穩造成頂板應力釋放區相連接的區域轉變成原250204^上、250203^上采空區位置。

2.3下分層工作面進出遺留區段煤柱應力演化特征

為研究下分層工作面進出區段煤柱時的垂直應力變化，分別在工作面進2 號區段煤柱、出1 號區段煤柱處作如圖4（b）所示的平行于工作面開采走向的切面1、切面2。

下分層工作面進區段煤柱時圍巖垂直應力變化特征如圖6 所示。可看出下分層未開采時，區段煤柱垂直應力集中范圍呈上下近似對稱形狀，此時最大垂直應力為39.2MPa。隨著工作面距煤柱中心距離減小，區段煤柱最大垂直應力增加，在距煤柱中心45m時達到最大值45.3 MPa，較下分層未開采時增大了13.7%。位于煤柱正下方時，區段煤柱最大垂直應力降至20.0 MPa，應力集中區域呈“月牙狀”分布。隨著工作面繼續推進，“月牙狀”應力集中現象逐漸消失。

下分層工作面出區段煤柱時圍巖垂直應力變化特征如圖7所示。

從圖7可看出，下分層未開采時，區段煤柱垂直應力集中范圍呈上下近似對稱形狀，此時最大垂直應力為42.5MPa。隨著工作面距煤柱中心距離減小，最大垂直應力增加，在工作面距離煤柱中心15m 時，區段煤柱最大垂直應力達46.7MPa，較下分層未開采時增大了9.9%，煤柱形變現象較為明顯。位于煤柱正下方時，區段煤柱最大垂直應力減小為39.0MPa，應力集中區域呈近似“月牙狀”分布。隨著工作面繼續推進，“月牙狀”應力集中現象逐漸消失，在工作面過煤柱中心30m 時，區段煤柱已發生破壞，“月牙狀”應力集中現象消失。

根據數值計算結果，分別導出如圖4（b）所示的測線1、測線2 的垂直應力數據，得到下分層工作面進出區段煤柱時巷道垂直應力特征，如圖8所示。可看出運輸巷在距區段煤柱15 m 時垂直應力達到最大值，為47.1 MPa；回風巷在距區段煤柱45m 時垂直應力達到最大值，為44.5MPa。

根據數值計算的下分層開采應力釋放區域變化情況推斷圍巖破壞范圍，如圖9 所示。在250203下工作面回采期間，周期性經過上分層遺留區段煤柱時，以下分層工作面完整進入同一個區段煤柱到出該區段煤柱為一個周期。下分層工作面頂板破壞影響范圍經歷了由3 個上分層采空區轉變為2 個上分層采空區，再到3 個上分層采空區的周期性變化，共經歷了2 次進區段煤柱和2 次出區段煤柱過程，隨后進入下一次周期循環。下分層工作面頂板破壞影響范圍為3 個上分層采空區時，下分層工作面沿走向共計回采約303 m，頂板破壞范圍為長285 m、寬640 m（即上分層3 個采空區寬度）的矩形區域。頂板破壞影響范圍為2 個上分層采空區時，下分層工作面沿走向共計回采約319 m，頂板破壞范圍為長285 m、寬420 m（即上分層2 個采空區寬度）的矩形區域。

3斜交工作面覆巖破斷及運移特征

3.1物理相似實驗設計

為揭示下分層工作面過上分層遺留區段煤柱時的覆巖破斷及運移特征，根據250203下工作面煤巖層參數，按照幾何相似比1∶300建立了物理相似模型，如圖10所示。

巖層模擬材料選取河砂作骨料，石膏和大白粉作膠結材料，水作混合劑，云母粉作分層材料；用粉煤灰配制材料模擬煤層。物理相似模型配比見表2。在5 號煤底板鋪設CL?YB?114 型壓力傳感器，測量支承壓力，在模型表面布置測點監測圍巖變形量。

3.2分層開采覆巖破斷及運移特征

上分層3個工作面回采結束后覆巖傾向垮落特征及覆巖位移特征分別如圖11、圖12所示。上分層3個工作面開采后垮落形態具有一定的相似性，均形成一個上窄下寬的梯形采空區。250205^上工作面、250204^上工作面、250203上工作面垮落高度分別為72， 75， 75 m， 高度近似相同。相鄰工作面間的2個區段煤柱，在覆巖垮落后區段煤柱上方存在一個高度分別為72 m 和75 m、上底分別為150 m 和135m 的倒梯形柱體區域。

當250203_下工作面推進到不同切面（圖13綠色平面）時，上方煤柱數量及其位于工作面的位置呈動態變化特征，區段煤柱位置的不同將造成下分層開采期間覆巖垮落呈現顯著性差異。下分層斜交工作面與上分層遺留區段煤柱的位置關系存在以下3 種情況：單區段煤柱位于工作面一側、單區段煤柱位于工作面中部和雙區段煤柱位于工作面兩側。

單區段煤柱位于下分層工作面中部失穩破斷情況如圖14（a）所示。區段煤柱失穩后導致上覆巖層發生大面積回轉下沉，兩側各發育1條縱向裂隙，從250203^上、250204^上采空區上方向上延伸至模型頂部。250203上、250204上采空區已垮落覆巖被重新壓實，堆砌高度從72 m 被壓實至約60 m。

單區段煤柱位于下分層工作面一側失穩破斷情況如圖14（b）所示。該類情況下，區段煤柱失穩影響范圍及主要的縱向裂隙分布與單區段煤柱位于工作面中部時較類似。250203^上、250204^上采空區覆巖二次破斷并垮落，分別在失穩煤柱兩側形成一個高135 m 和15 m 的垮落區，下分層工作面中部和上部的垮落高度超過了原上分層采空區高度。

雙區段煤柱位于下分層工作面兩側失穩破斷情況如圖14（c）所示。該類情況下，雙區段煤柱失穩的影響范圍為上分層250205^上、250204^上和250203^上共3個采空區。2個區段煤柱失穩后，覆巖垮落呈現分區現象，即高位關鍵層巖塊破斷，回轉下沉后形成“砌體梁”結構，低位巖層破斷則形成“懸臂梁+砌體梁”組合結構。

遺留區段煤柱失穩時覆巖位移特征如圖15所示。下分層工作面開采導致區段煤柱失穩后，若單區段煤柱位于工作面中部，則在失穩煤柱兩側形成1個高60 m 的“對稱雙拱”型垮落區，垂直位移為12.5～30 m。單區段煤柱位于工作面一側時，下分層工作面在失穩煤柱兩側形成2 個“非對稱雙拱”型垮落區，垂直位移為10.5～30 m。雙區段煤柱位于工作面兩側時，下分層工作面在2個已失穩的區段煤柱之間形成1 個“單拱”型垮落區，該區域垂直位移為15.0～30 m。

遺留區段煤柱失穩時工作面支承壓力變化特征如圖16 所示。可看出工作面單區段煤柱失穩時，原支承壓力峰值于區段煤柱處消失，區段煤柱兩側的支承壓力升高，原區段煤柱壓力向區段煤柱兩側承載區轉移，工作面內底板支承壓力分布呈中間低、兩端高的特征；工作面雙區段煤柱失穩時，原支承壓力峰值在位于工作面兩端頭的區段煤柱處消失，原區段煤柱壓力向區段煤柱兩側承載區轉移，區段煤柱兩側的支承壓力增大，工作面內底板支承壓力分布呈中間高、兩端低的特征。

4斜交工作面覆巖結構演化規律

4.1覆巖內外場劃分及結構特征

為進一步分析上分層采空區遺留區段煤柱下斜交工作面覆巖結構演化規律，將下分層工作面開采空間增大而發生二次破斷區域定義為內場區，因區段煤柱失穩導致高位上覆巖層破斷區域定義為外場區。但工作面與區段煤柱相對位置不同時，內外場覆巖垮落形態及范圍有所差異。

工作面中部單區段煤柱失穩時，下分層垮落區域高度為60～62m，內場區由區段煤柱兩側垮落區域組成，呈“對稱雙拱”形態。下分層斜交工作面開采導致上分層采空區覆巖發生二次破斷，頂板巖層自下而上漸次斷裂、垮落失穩，形成“懸臂梁+砌體梁”組合結構，破斷高度剛好為原上分層采空區垮落區高度。外場區范圍呈梯形，底部寬度為上分層2 個采空區寬度，縱向裂隙向上發育至模型頂部，在外場區域兩側形成高位“砌體梁”結構，如圖17（a）所示。

工作面一側單區段煤柱失穩時，內場區下分層垮落區分為2個區域，高度分別為135，15 m，垮落高度較工作面中部單區段煤柱失穩階段增高了75 m，呈“非對稱雙拱”形態。由于采動空間的增大，上方“砌體梁”結構發生二次破斷，垮落范圍繼續向上發育，破斷高度到達關鍵層下方。外場區寬度為上分層2 個采空區寬度，縱向裂隙向上發育至模型頂部，在外場區域兩側形成高位“ 砌體梁” 結構， 如圖17（b）所示。

工作面兩側雙區段煤柱失穩時，內場區下分層垮落區域高度為162m，較工作面中部單區段煤柱失穩階段增高了102m，呈“單拱”形態，“單拱”兩側為2個已破壞的區段煤柱。上分層采空區覆巖發生二次破斷，形成“懸臂梁+砌體梁”組合結構，破斷高度超過了原上分層垮落區，超過區域因采動空間增大，上方關鍵層發生破斷，導致垮落范圍繼續向上擴大。外場區寬度為上分層3 個采空區寬度，縱向裂隙向上發育至模型頂部，在外場區域兩側形成高位“砌體梁”結構，如圖17（c）所示。

4.2覆巖內外場結構演化規律

下分層斜交工作面與遺留區段煤柱之間位置關系呈動態變化特征，根據下分層斜交工作面與遺留區段煤柱的不同位置關系，針對下分層開采垮落特征進行分析。

遺留區段煤柱位于工作面不同位置時內場覆巖垮落形態特征變化如圖18所示。當區段煤柱位于下分層工作面上部區域時，垮落形態呈“非對稱雙拱”型，且下部區域垮落拱高于上部。當區段煤柱向工作面下部區域轉移，位于工作面中部時，垮落形態呈“對稱雙拱”型，兩拱高基本相等。當區段煤柱位于下分層工作面下部區域時，垮落形態呈“非對稱雙拱”型，其中上部區域垮落拱高于下部。當下分層工作面存在2 個區段煤柱時，垮落形態呈“單拱”型，且垮落拱高于上述單區段煤柱垮落拱。

由上分析，特厚煤層開采形成了大空間采場，擾動區內頂板結構漸次演化，形成“低位倒臺階組合懸臂梁+高位大結構砌體梁”組合結構。在單區段煤柱失穩階段，外場寬度最大為2 個采空區寬度，內場隨著區段煤柱位置不同在外場梯形范圍內移動，且在“雙拱”和“單拱”形態之間轉變；在雙區段煤柱失穩階段，外場寬度最大為3個采空區寬度，內場處于外場梯形中部，呈“單拱”形態。

覆巖結構演化過程如圖19所示。在上分層開采過程中，工作面頂板結構以“懸臂梁+砌體梁”組合結構為主。在下分層斜交工作面開采過程中，區段煤柱失穩引起覆巖下沉，造成已破斷的基本頂巖塊回轉，“砌體梁”結構在采空區內緊密排列?；卷攷r塊發生二次破斷后，工作面頂板“砌體梁”結構因下位空間釋放垮落形成呈倒臺階形的“懸臂梁”結構，多個“懸臂梁”組合形成起主要承載作用的“拱式”結構。隨著工作面不斷推進，基本頂已破斷巖塊回轉下沉，倒臺階形“懸臂梁”結構從下至上逐漸失穩，形成松散塊體并垮落，最外側“懸臂梁”結構形成更大的“拱式”結構，如圖20所示。

5現場實測

硯北煤礦250303_下工作面總共布置167臺ZFY14500/25/42D 型兩柱掩護式放頂煤液壓支架（圖21） ， 工作面下部為1—56 號支架， 中部為57—112 號支架，上部為113—167 號支架，支架中心距為1.75 m。每隔5 架液壓支架在立柱上安裝1 個KJ653?F2 型礦用本安型頂板壓力無線監測分站。同時，每架支架上安裝1 個YN60SZ 型機械礦壓觀測表。在工作面推進期間，對監測站位置及支架工作阻力進行分析，以動態監測工作面礦壓顯現特征。

通過對硯北煤礦250303_下工作面進行現場實測，得到2022年6月—2023年6月工作面過1 個完整區段煤柱時的工作面支架工作阻力，工作面上部、中部及下部支架工作阻力平均值如圖22 所示。

當工作面上部、下部和中部任何一處頂板存在區段煤柱時，煤柱失穩時原煤柱內的支承壓力向工作面兩側轉移，且區段煤柱上方巖層為首次破斷，頂板破斷垮落層位較低，下方工作面支架工作阻力處于30～34MPa之間；當頂板為采空區時，發生大量垮落頂板堆積充填現象，造成下方工作面支架工作阻力較大，處于38～42MPa之間，現場工作面液壓支架工作阻力監測結果進一步驗證了液壓支架工作阻力隨遺留區段煤柱位置變化而變化的現象。對比物理相似模擬實驗結果和2022年6月—2023年6月250303_下工作面液壓支架工作阻力分布特征，二者基本吻合。

6結論

1）在下分層工作面推進期間，周期性經過上分層遺留區段煤柱時，以下分層工作面完整進入同一個區段煤柱到出該區段煤柱為1個周期，下分層工作面頂板破壞影響范圍經歷了由2個上分層采空區轉變為3個上分層采空區，再到2個上分層采空區的周期性變化，共經歷了2次進區段煤柱和2次出區段煤柱過程，隨后進入下一次周期循環。

2） 下分層未開采時，區段煤柱垂直應力集中范圍呈上下近似對稱形狀。工作面進出區段煤柱時煤柱垂直應力分別達45.3，46.7 MPa，較下分層未開采時分別增大了13.7% 和9.9%。下分層工作面位于區段煤柱正下方時，煤柱頂板應力釋放區域呈近似“月牙狀”分布。

3） 上分層遺留區段煤柱下斜交工作面過煤柱開采過程中，覆巖垮落區域按破斷形式和垮落高度劃分為內外場區域。內場覆巖的垮落形態特征表現為“拱式”結構，即隨著工作面與上覆遺留區段煤柱斜交位置變化，結構動態失穩導致內場垮落形態分別呈“非對稱雙拱”、“對稱雙拱”和“單拱”演化過程，外場覆巖垮落形態為一個近似對稱的梯形結構。

4） 上分層遺留區段煤柱下斜交工作面過煤柱開采過程中，引起區段煤柱失穩及覆巖大尺度空間垮落，遠距離的高位巖層破斷后形成砌體梁結構，近距離的低位巖層經歷了二次破斷，形成“低位倒臺階組合懸臂梁+高位大結構砌體梁”組合結構，組合結構漸次演化，最后形成一個支撐上覆巖層載荷的“拱式”結構。

5） 現場監測結果表明：區段煤柱失穩時支承壓力向工作面兩側轉移，區段煤柱上方巖層為首次破斷，下方工作面支架工作阻力處于30～34 MPa 之間；當頂板為采空區時，發生大量垮落頂板堆積充填現象， 造成下方工作面支架工作阻力較大， 處于38～42 MPa 之間。