特厚煤层综放沿空掘巷合理时机分析

孔祥忠

（晋能控股煤业集团塔山煤矿，山西 大同 037001）

大同矿区石炭系特厚煤层厚度可达10～25 m，工作面长度普遍为180～280 m，采用大采高综采放顶煤的方式一次采出煤层全厚，会形成巨大的采出空间，引起工作面上覆大范围的岩层运动，采场覆岩运动波及范围广、裂隙发育高度大。特厚煤层综放面大空间、高强度开采覆岩运动规律复杂、稳定时间长，沿空巷道何时开始掘进成为需要解决的问题。

我国学者针对特厚煤层开采覆岩结构及运动规律、综放面端部结构特征等开展了一系列研究，许家林、鞠金峰等[1]提出特大采高技术，工作面采高明显增大，覆岩亚关键层Ⅰ易进入垮落带中，不能形成＂砌体梁＂结构，而呈“悬臂梁”结构周期性破断，揭示了关键层“悬臂梁”结构运动形式对采场矿压的不同影响规律。于斌、朱卫兵、杨敬轩[2-3]等认为特厚煤层开采形成的大空间采场覆岩具有显著的“低-中-高”层位结构特征，提出近场关键层为“竖O-X”破断的“悬臂梁+砌体梁”结构，远场关键层为“横O-X”破断的“砌体梁”结构模型，“中-低”位顶板结构失稳形成采场大小周期来压，高位顶板结构的失稳联动是诱发大空间采场强矿压显现的主要因素。李化敏[4]等提出大采高综放工作面端部以垮落角、移动角为边界形成滑移破裂区、拉压裂隙区和压裂隙区3个裂隙发育区，空区稳定后下位悬臂梁破断，形成三角形滑移区，上位关键层仍以砌体梁结构方式存在。赵勇强[5]采用现场实测方法并结合断裂悬臂梁运动至稳定的时间函数方程解算值，确定了沿空巷道最短合理开掘时间。

目前，对特厚煤层综放采场覆岩结构及运动特征的研究已取得较多成果，但对覆岩稳定时间与沿空巷道掘进之间的时空关系研究较少。本文以晋能控股煤业集团塔山煤矿（简称“塔山煤矿”）特厚煤层综放开采为工程背景，研究特厚煤层综放采动覆岩运动规律及稳定时间和综放面端部结构稳定时间，以确定沿空掘巷的合理时机。

1 矿井地质条件分析

大同矿区具有侏罗系——石炭系双系煤层赋存的特点，在双系煤层之间及侏罗系煤层上覆广泛存在着细砂岩、粉砂岩、中砂岩、粗砂岩、砂砾岩、砂质泥岩等厚度较大、强度较高、完整性较好的坚硬岩层。通过对大同矿区多座矿井80个典型钻孔柱状图分析，石炭系特厚煤层上覆岩层主要以砂质岩性为主，坚硬岩层占比大于60%，局部区域坚硬岩层占比可达80%以上。

塔山煤矿现主采石炭系太原组3～5#煤层，平均煤厚15.18 m，属特厚煤层。3～5#煤层直接顶主要是高岭质泥岩、碳质泥岩、砂质泥岩，部分为煌斑岩互层，局部直接位于煤层之上；老顶为厚层状中硬以上的中、粗粒石英砂岩、砂砾岩及砾岩，厚度为20 m左右；底板多为中软的砂质、高岭质、碳质泥岩、泥岩及高岭岩，少量粉、细砂岩。由于3～5#煤层上覆存在多层坚硬岩层，能够在石炭系特厚煤层上覆形成多个关键层，以8104工作面为例，经判别煤层上覆存在6 个关键层。坚硬岩层具有较强自稳能力，能承载一定的上部荷载，减弱其自身岩层及上覆一定范围内软弱岩层的重量向下传递，为小煤柱沿空巷道围岩小结构创造较有利的应力环境。

2 综放面覆岩结构特征及运动规律

2.1 沿工作面推进方向覆岩结构特征及运动演化规律

大同矿区特厚煤层综放开采大空间采场覆岩结构具备“低位组合悬梁+中位砌体梁+高位大结构”特征[2]，结构特征如图1所示。

图1 特厚层综放采场走向覆岩结构示意图

工作面煤层采出后覆岩运动由下向上分带逐步扩展，直至形成稳定的岩层承载结构。采空区直接顶在自重及其上覆岩层的作用下首先断裂、冒落，由于特厚煤层综放开采形成巨大的采出空间，厚及中厚煤层条件下能够形成砌体梁结构的基本顶关键层，因关键层块体回转下沉量过大无法在块体间维持稳定的铰接结构，破断前以悬臂梁结构形式存在，破断后表现为整体切落。随着工作面推进，低位关键层破断失稳后覆岩运动继续向上发展，受采动影响的岩层范围也将不断扩大，覆岩形成类似“裂断拱”结构，并不断向上扩展。在低位垮落岩层有效填充特厚煤层的采出空间后，中、高位关键层块体破断后将能够形成铰接结构，以砌体梁形式存在。当工作面推进到一定长度时，拱形结构发展到一定高度后不再向上扩展，之后，拱形区域依次向前传递，覆岩逐渐进入充分采动状态。

2.2 沿工作面倾向覆岩结构特征及运动演化规律

沿工作面倾向覆岩运动演化的基本规律与沿工作面推进方向类似，随着工作面推进，覆岩自下而上以关键层为标志层逐渐变形离层、破断失稳，直至覆岩运动达到稳定状态。与沿工作面走向覆岩运动不同之处在于，受工作面宽度限制，在与相邻工作面采空区已稳定覆岩协同运动前，覆岩在本工作面倾向范围内运动。即随工作面推进，沿工作面倾向覆岩运动逐渐向上发展，也会形成类似拱形结构，拱形结构发展到一定高度后暂不再向上发展。但当工作面推进到一定距离时，会与相邻工作面采空区已稳定覆岩在更高的层位协同运动，覆岩运动将再次向上扩展，形成更大范围的拱形结构，在相邻两个或多个工作面高位覆岩中形成稳定的砌体梁结构后，沿工作面倾向覆岩运动才趋于稳定。在工作面多次见方前其倾向覆岩运动主要受中、低位关键层影响；多次见方后在倾向形成大采场结构，其覆岩运动是由高、中、低位关键层协同控制，结构特征如图2所示。

图2 特厚层综放采场倾向覆岩结构示意图

3 采动覆岩稳定时间确定

3.1 地表移动观测及规律分析

为了研究特厚煤层开采条件下覆岩运动与地表移动的对应关系，在塔山煤矿8104工作面上方地表布置了两条观测线，以得到该开采地质条件下的地表移动变形规律。其中，走向观测线（以Z表示）1条，沿8104工作面走向地表中央布设成直线，走向观测线长度为2 875 m，测点间距为25 m，共设计89 个测点；倾向观测线（以Q表示）1条，沿8103、8104工作面倾向方向地面相对平缓处布设成折线，倾向测线长度为1 450 m，测点间距25 m，共有59个测点。观测点布设示意图如图3所示。

图3 观测点布设示意图

自2009 年5 月29 日进行第1 次全面观测后，分别于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日对地表沉降进行了6次观测，其中2009年8月16日和2009 年10 月20 日的部分观测数据丢失，对这两次观测数据不做具体分析。

1）走向观测线地表移动变形分析

工作面推进过程中沿走向观测线地表下沉与水平移动曲线如图4所示。截止到2010年9月5日，工作面仍在推进中，共推进2 490 m，因此在工作面停采线正上方附近地表下沉并未达到稳定。但从观测结果可以得出，从工作面切眼到距切眼1 300 m范围内，2010年4月17日与2010年9月5日观测的地表下沉基本重合一致，这说明在距切眼1 300 m范围内地表下沉基本达到稳定；同时从2010年9月5日的观测数据可知，观测线中部出现了平底，因此走向观测线在该生产地质条件下达到的地表最大下沉值，可由2010 年9 月5 日的观测数据进行确定。2009年5月29日进行第1次观测时，距工作面切眼800 m处地表还未开始下沉，2009年9月16日观测时该处下沉量小于200 mm，2010年4月17 日与2010 年9 月5 日观测时该处地表下沉基本稳定，所以，根据2010年4月17日观测数据计算，地表下沉稳定时间约为11个月。

图4 沿走向观测线地表下沉曲线

2）倾向观测线地表移动变形分析

由前述观测线布置情况可知，倾向观测线与走向观测线相交于走向观测线的Z44 号与Z45 号点之间。图5为2010年9月5日观测的沿倾向线的地表下沉曲线，由于Z44号和Z45号点位于走向观测线的平底部，可知2010年9月5日观测的倾向线地表下沉基本已经稳定。

图5 沿倾向观测线地表下沉曲线

倾向观测线上地表下沉值最大点为Q35 号点，该点位于工作面内偏向下山方向一侧的山坡上，加之受该侧8103工作面开采影响，倾向最大下沉值与走向观测线最大下沉值相比较大；但倾向观测线上位于8104工作面中心附近平地上的Q33 号点下沉值为2 578 mm，与走向观测线上的最大下沉值一致。这与沿工作面倾向覆岩运动演化规律一致，随着8104工作面回采范围的增加，沿倾向方向8103、8104 工作面高位岩层协调运动，在两个工作面乃至更大范围内形成新的稳定砌体梁结构，破断块体一侧在8104工作面实煤体侧与未破断块体铰接，另一侧在8103、8104 工作面中部与采空区内已稳定块体铰接，因而地表最大下沉位置靠近8103工作面。

3.2 覆岩运动时空演化规律反演分析

为全面分析覆岩运动情况，建立覆岩内部岩层移动预计模型，结合地表移动监测数据和塔山煤矿8104工作面具体生产地质条件，反演分析塔山煤矿覆岩运动时空演化规律。以工作面推进到240 m、480 m、800 m 以及停采1 年后（假定工作面最终推进距离为800 m），走向主断面垂直剖面上的岩层移动为依据说明工作面采动覆岩稳定时间，如图6所示。

图6 工作面走向主断面垂向剖面下沉等值线

覆岩下沉等值线呈现与覆岩运动演化过程类似的拱形曲线，当工作面推进距离较短时，覆岩下沉自下而上分带逐渐扩展，下沉等值线呈规则的拱形；随工作面推进，下沉等值线变为不规则的拱形，覆岩运动影响范围逐渐向上扩展、向工作面推进方向传递；工作面停采1 年后上覆岩层达到充分采动，下沉等值线最终又呈规则的拱形曲线。

综上所述，根据地表观测结果和覆岩移动预计模型反演结果，初步判定塔山煤矿石炭系特厚煤层开采条件下，工作面覆岩采动稳定时间约为1年。

4 沿空掘巷合理时机确定

采空区覆岩整体进入稳定状态前，工作面上方一定范围内覆岩已处于相对稳定状态，其稳定时间小于覆岩整体稳定时间。由图6可知，工作面推进至480 m时，在距切眼180 m处煤层上方100 m范围内覆岩下沉量达到最大值；工作面推进至800 m 时，在距切眼220 m 处煤层上方150 m 范围内覆岩下沉量达到最大值。

特厚煤层综放面端部结构随覆岩的整体运动状态改变，不同层位覆岩运动对端部结构稳定性的影响程度不同，距煤层越近，覆岩运动对端部结构的影响越大。特厚煤层综放面端部下位关键层悬臂梁结构的破断失稳会造成端部应力分布在短时间内发生剧烈变化，三角滑移弱结构区的运动影响端部应力场的重新分布，高位关键层形成稳定的砌体梁结构后，综放面端部结构趋于稳定，更上位覆岩的运动对端部结构的稳定影响较小。

为避免相邻工作面覆岩运动对沿空巷道稳定造成影响，原则上沿空巷道应在相邻工作面采空区覆岩整体稳定后掘进，即沿空巷道应在相邻工作面停采至少1年以后开始掘进。但部分矿井存在采掘接替紧张等问题，沿空巷道在采空区覆岩整体充分稳定前就要开始掘进，此时应保证工作面上方一定范围内覆岩剧烈运动结束，同时综放面端部结构达到相对稳定状态。大同矿区特厚煤层综放开采条件下，综放面端部结构的稳定时间一般为3～6个月。工作面推进度L与沿空巷道掘进时间T之间的关系如图7所示。

图7 工作面推进度与沿空巷道掘进时间关系

工作面推进至距切眼Li处，工作面推进时间为Ti，采空区端部结构稳定时间为Tw1，采空区覆岩充分稳定时间为Tw2，则回采后沿空巷道可掘进的最短时间Ti1为：

采空区覆岩充分稳定后沿空巷道掘进的最短时间Ti2为：

若沿空巷道掘进方向与工作面推进方向一致，则小煤柱掘进时机可由式（3）、（4）确定。

工作面可采长度为Ln，工作面回采时间为Tn，则工作面停采后沿空巷道可掘进的最短时间Tn1为：

采空区覆岩充分稳定后沿空巷道掘进的最短时间Tn2为：

5 结论

1）特厚煤层综放面煤层采出后覆岩运动由下向上分带逐步扩展，直至形成稳定的岩层承载结构，由于特厚煤层开采后形成巨大的采出空间，沿工作面走向形成“低位组合悬梁+中位砌体梁+高位大结构”结构；在工作面多次见方前沿倾向覆岩运动主要受中、低位关键层影响；多次见方后在倾向形成大采场结构，其覆岩运动是由高、中、低位关键层协同控制。

2）根据工作面地表下沉观测结果判断地表下沉稳定时间约为11个月，倾向最大下沉值与走向观测线最大下沉值相比较大，且地表最大下沉位置靠近8103工作面；结合反演分析初步判定塔山煤矿石炭系特厚煤层开采条件下，工作面覆岩采动稳定时间约为1年。

3）不同层位覆岩运动对综放面端部结构稳定性的影响程度不同，距煤层越近，覆岩运动对端部结构的影响越大，综放面端部结构的稳定时间一般为3～6 个月。原则上沿空巷道应在相邻工作面采空区覆岩整体稳定后掘进，若采掘接替紧张，在保证工作面上方一定范围内覆岩剧烈运动结束，同时综放面端部结构达到相对稳定状态的条件下，沿空巷道也可提前掘进。