何尚森，孫 闖

（1.中國煤炭工業(yè)協(xié)會 咨詢中心，北京 100013；2.煤炭科學(xué)研究總院 礦山大數(shù)據(jù)研究院，北京 100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013）

0 引 言

我國煤炭資源儲量豐富，分布廣泛[1]。由于不同地區(qū)地質(zhì)條件差異巨大，煤炭賦存的區(qū)域性差異顯著，影響開采方式的選擇[2-6]。按照煤層開采的先后順序，可以區(qū)分為下行開采、上行開采和上下煤層同時(shí)開采3 種方式，其中下行開采更符合煤層層間關(guān)系，具有初期投入少，可按順序探明煤層的優(yōu)勢[7-10]。位于我國西部地區(qū)的煤炭普遍具有圍巖較為堅(jiān)硬、煤層分布密集的特點(diǎn)，由于過去開展的地質(zhì)勘探不夠精細(xì)，部分礦區(qū)存在已開采煤層上方仍有可采煤層的情況，或由于開采技術(shù)制約、沖擊地壓風(fēng)險(xiǎn)、經(jīng)濟(jì)效益等因素影響而選擇優(yōu)先開采了下部煤層，繼而采用上行開采方式組織上部煤層的生產(chǎn)[10-13]。

在采用上行開采方式生產(chǎn)時(shí)，有時(shí)下部煤層并非完全處于采空狀態(tài)，因此上部煤層開采時(shí)，工作面可能需要經(jīng)歷上行開采和非上行開采之間的切換[14-15]。根據(jù)工作面和下部采空區(qū)的位置關(guān)系，可將開采過程細(xì)分為3 個(gè)階段：進(jìn)采空區(qū)上方前—位于采空區(qū)上方—出采空區(qū)上方后。處于不同開采階段的工作面生產(chǎn)條件差異巨大，在進(jìn)入下一開采階段前工作面需要預(yù)先做好充分的生產(chǎn)調(diào)整，而目前針對上部煤層在不同階段間轉(zhuǎn)換的研究較少。本文結(jié)合實(shí)際工程背景，采用相似模擬和數(shù)值模擬相結(jié)合的方式，研究上行開采工作面從非上行開采過渡到上行開采的判別特征及頂板結(jié)構(gòu)演化規(guī)律，為上行開采時(shí)工作面所處開采階段的判斷提供依據(jù)。

1 概 況

新疆龜茲礦井可采煤層5 層，其中A6-1 和A6 煤層埋深較近，屬于近距離煤層。由于開采條件和開采技術(shù)等原因限制，該礦優(yōu)先開采位于下部的A6 煤層部分區(qū)域。A6 煤層平均厚度為4.7 m，上部基本頂主要為石英砂巖，直接頂為2.5 m 厚的葉片粉狀砂巖，巖層結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，開采區(qū)域工作面采用大采高一次采全高方式開采，生產(chǎn)強(qiáng)度大，對煤層頂板產(chǎn)生較大的破壞。

對在完成下部A6 煤層的A601～A603 工作面開采并待圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后，需要開始對上部A6-1煤層的開采，兩煤層間距為14～19 m，平均間距17 m，中間巖層為礫巖、粗砂巖、中砂巖，其中中砂巖約占層間厚度的78%，經(jīng)過測定，中砂巖平均單軸抗壓強(qiáng)度為91.1 MPa，為極堅(jiān)硬巖層。A6-1 煤層厚度為3.2～7.5 m，厚度變化較小，平均為5.0 m，煤層傾角10°，采用大采高綜放開采方式生產(chǎn)，由于上部煤層工作面并非完全位于采空區(qū)上方，再開采過程中需要經(jīng)歷不同開采環(huán)境的過渡轉(zhuǎn)換，開采難度較大。

2 上部煤層工作面推進(jìn)全過程相似模擬試驗(yàn)研究

2.1 相似模擬方案

為探究上行開采工作面位于不同階段時(shí)的頂板運(yùn)動規(guī)律，以A6-103 工作面為工程背景，進(jìn)行相似模擬試驗(yàn)研究。試驗(yàn)基于實(shí)際工程條件并做出適當(dāng)簡化，設(shè)計(jì)相似比為1∶150，容重比為0.6，將上行開采工作面推進(jìn)全過程按3 個(gè)不同階段設(shè)計(jì)3組試驗(yàn)，按照試驗(yàn)方案首先開挖模型的下部煤層，待模型穩(wěn)定后開采上部煤層，3 組試驗(yàn)的方案如圖1 所示。圖1（a）為試驗(yàn)方案1，研究上部煤層工作面處于“進(jìn)采空區(qū)上方前”階段時(shí)的頂板運(yùn)動規(guī)律；圖1（b）為試驗(yàn)方案2，研究上部煤層工作面“位于采空區(qū)上方”階段時(shí)的頂板運(yùn)動規(guī)律；圖1（c）為試驗(yàn)方案3，研究上部煤層工作面處于“出采空區(qū)上方后”階段時(shí)的頂板運(yùn)動規(guī)律。

圖1 三組相似模擬試驗(yàn)開挖示意Fig.1 Excavation schematic diagram of three sets of similar simulation tests

2.2 “進(jìn)采空區(qū)上方前”階段頂板結(jié)構(gòu)演化規(guī)律

圖2 為試驗(yàn)方案1 的相似模型，在完成下部煤層開挖后，已開挖煤層采空區(qū)上方形成穩(wěn)定的垮落區(qū)域，上部煤層從距離下部采空區(qū)水平距離80 m處開挖，逐步向靠近采空區(qū)的方向推進(jìn)。由圖3 可以看出，在工作面推進(jìn)12、36 和48 m 時(shí)，工作面上方厚度為2 m 的泥巖隨工作面向前推進(jìn)逐步發(fā)生垮落，而泥巖以上的區(qū)域未發(fā)生明顯變化，頂板結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定；當(dāng)工作面推進(jìn)72 m 時(shí)，泥巖上部巖層發(fā)生明顯彎曲，頂?shù)装彘g距縮小但未接觸，頂板仍沒有發(fā)生破斷，工作面底板也未出現(xiàn)明顯的底鼓現(xiàn)象。整體而言，在未進(jìn)入采空區(qū)上方時(shí)，上部煤層工作面頂板變化均勻，未受到前方采空區(qū)域的影響，工作面上方覆巖移動規(guī)律與一般方式布置的工作面相比無明顯差異。

圖2 “進(jìn)采空區(qū)上方前”階段相似模擬模型Fig.2 Similar simulation model during the stage of"before entering the goaf"

圖3 “進(jìn)采空區(qū)上方前”階段頂板結(jié)構(gòu)演化Fig.3 Roof structure evolution of during the stage of"before entering the goaf"

2.3 “位于采空區(qū)上方”階段頂板結(jié)構(gòu)演化規(guī)律

圖4 為試驗(yàn)方案2 的相似模型，下部煤層開挖170 m 后頂板巖層發(fā)生垮落，上部煤層工作面開切眼設(shè)置在下部煤層采空區(qū)左端垂線上。由圖5（a）可知，當(dāng)上行工作面推進(jìn)12 m 時(shí)，工作面尚未進(jìn)入下部煤層開挖形成的垮落區(qū)，采空區(qū)未發(fā)生明顯的彎曲變形；當(dāng)工作面繼續(xù)向前推進(jìn)，上部煤層工作面進(jìn)入原有垮落區(qū)域，由于巖層本身已發(fā)生破壞，穩(wěn)定性較差，頂板隨工作面推進(jìn)而逐步垮落，由圖5（b）可知，在推進(jìn)至72 m 時(shí)，工作面上方巖層發(fā)生整體失穩(wěn)，從原有采空區(qū)裂隙處斷裂，出現(xiàn)大范圍的垮落，老頂尚未破斷，但已經(jīng)出現(xiàn)斷裂裂隙，工作面后方頂板形成典型的組合懸臂梁結(jié)構(gòu)；工作面繼續(xù)向前推進(jìn)，頂板破斷范圍持續(xù)擴(kuò)大，如圖5（c）所示，當(dāng)推進(jìn)至144 m 時(shí)，工作面上方懸臂梁結(jié)構(gòu)發(fā)生斷裂，基本頂破斷形成了“鉸接巖梁”結(jié)構(gòu)，工作面底板原有裂隙受到上部垮落塊體的壓實(shí)作用，出現(xiàn)一定程度的閉合；如圖5（d）所示，當(dāng)繼續(xù)推進(jìn)至276 m 時(shí)，工作面已離開采空區(qū)上方區(qū)域，此時(shí)工作面頂板結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，未發(fā)生整體變形破斷，而在工作面后方，原有破壞范圍內(nèi)未發(fā)生完全斷裂的頂板此時(shí)已全部垮落，覆巖裂隙充分發(fā)育，對比上部工作面未開挖和工作面開挖276 m 時(shí)的覆巖結(jié)構(gòu)，可以發(fā)現(xiàn)在上部工作面開挖之后，原有破壞區(qū)域的破壞程度大幅增加，破環(huán)范圍也存在一定程度的增大?？傮w而言，上部煤層工作面在進(jìn)入采空區(qū)上方后，推進(jìn)不同距離時(shí)頂板破斷的長度也不同，但均比進(jìn)入采空區(qū)上方前大幅縮短。同時(shí)，上部巖層斷裂形態(tài)主要以近乎垂直的縱向斷裂為主，而一般工作面開采引起的頂板巖層斷裂以斜縱斷裂線為主。

圖4 “位于采空區(qū)上方”階段相似模擬模型Fig.4 Similar simulation model during the stage of"located above the goaf"

圖5 “位于采空區(qū)上方”階段頂板結(jié)構(gòu)演化Fig.5 Roof structure evolution during the stage of"above the goaf"

2.4 “出采空區(qū)上方后”階段頂板結(jié)構(gòu)演化規(guī)律

如圖6 所示，為試驗(yàn)方案3 的相似模型，下部煤層開挖125 m 待模型穩(wěn)定后，從采空區(qū)右端垂線位置開挖上部煤層。從圖7 中可知，上部煤層工作面推進(jìn)12 m 時(shí)，工作面頂板結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，未隨工作面推進(jìn)而發(fā)生明顯垮落情況，工作面上方頂板形成大組合懸臂結(jié)構(gòu)，懸臂結(jié)構(gòu)的末端與下部煤層開挖形成的裂隙基本重合；繼續(xù)推進(jìn)至36 m 時(shí)，工作面上方原有的懸臂結(jié)構(gòu)發(fā)生破斷，部分巖層切落失穩(wěn)，出現(xiàn)新的巖層斷裂線，使原有裂隙區(qū)域大幅增加，但此時(shí)工作面上方巖層還未出現(xiàn)整體性失穩(wěn)；當(dāng)推進(jìn)至60 m 時(shí)，工作面上方巖層已發(fā)生整體失穩(wěn)，新形成的巖層斷裂線進(jìn)一步向外、向上擴(kuò)展，已與原有裂隙區(qū)域頂部貫通；當(dāng)推進(jìn)至120 m時(shí)，雖然新形成斷裂線繼續(xù)擴(kuò)大，但巖層破斷的程度降低，工作面上方巖層未出現(xiàn)整體性切落，分析易知，工作面后方已破斷巖層對新形成的破斷結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了水平擠壓作用，使新破斷的巖層能夠形成“鉸接巖梁”結(jié)構(gòu)，裂隙發(fā)育程度較低。當(dāng)上部工作面繼續(xù)向前推進(jìn)，工作面上方頂板將不再發(fā)生整體失穩(wěn)，與一般開采工作面沒有顯著差異。

圖6 “出采空區(qū)上方后”階段相似模擬模型Fig.6 Similar simulation model during the stage of"after exiting the goaf"

圖7 上部煤層工作面出上行開采區(qū)時(shí)頂板結(jié)構(gòu)Fig.7 Roof structure of upper coal seam after exiting the goaf

3 結(jié) 論

（1）上部煤層工作面在未進(jìn)入采空區(qū)上方之前，工作面頂板結(jié)構(gòu)演化規(guī)律與一般工作面無明顯差異，但在工作面位于接近采空區(qū)的位置時(shí)，頂?shù)装瀹a(chǎn)生的破壞范圍和程度均出現(xiàn)一定幅度的增大。

（2）當(dāng)上部煤層工作面進(jìn)入采空區(qū)上方區(qū)域，由于此區(qū)域內(nèi)巖層結(jié)構(gòu)已發(fā)生過垮落破壞，穩(wěn)定性較差，受到上行工作面的采動影響，原有裂隙進(jìn)一步擴(kuò)大，部分區(qū)域頂板發(fā)生整體失穩(wěn)垮落。尤其在剛進(jìn)入采空區(qū)上方時(shí)，基本垮落步距大幅減小，頂板巖層破壞嚴(yán)重，裂隙極度發(fā)育。

（3）當(dāng)上部煤層工作面離開采空區(qū)上方區(qū)域，工作面圍巖穩(wěn)定性再次發(fā)生顯著變化，在剛出采空區(qū)域時(shí)，工作面上方頂板形成“大組合懸臂梁”結(jié)構(gòu)，懸臂梁結(jié)構(gòu)上方巖層未發(fā)生明顯破壞，而隨著工作面不斷向前推進(jìn)，懸臂梁結(jié)構(gòu)破斷垮落，其上方巖層也隨之發(fā)生切落破壞，原有的破壞區(qū)域發(fā)生大幅擴(kuò)大。當(dāng)工作面繼續(xù)向前推進(jìn)，工作面頂板結(jié)構(gòu)變化逐漸減小并趨于穩(wěn)定，與一般工作面無明顯差異。

（4）在實(shí)際生產(chǎn)中，由于工作面在開采過程中需中需要在不同圍巖穩(wěn)定性環(huán)境中過渡，需要在過渡轉(zhuǎn)換期間采取適當(dāng)措施，提高工作面圍巖穩(wěn)定性，保障生產(chǎn)安全。