董正坤，冯宇峰，林来彬，张　岩，赵善坤，蒋军军，石翔元

( 1.徐州矿务集团 郭家河煤业有限公司，陕西 宝鸡 721008；2.煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院，北京 100013；

3煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院) ，北京 100013)



特厚煤层综放开采侧方临空覆岩空间结构运动规律及煤柱宽度研究

董正坤1，冯宇峰2,3，林来彬1，张岩1，赵善坤2,3，蒋军军2,3，石翔元1

( 1.徐州矿务集团 郭家河煤业有限公司，陕西 宝鸡 721008；2.煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院，北京 100013；

3煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院) ，北京 100013)

[摘要]基于郭家河煤矿1305工作面回风巷围岩破碎严重、巷道变形大的开采现状，综合运用现场实测、矿压理论、断裂力学及数值模拟等多种方法，对工作面进入侧方采空区支承压力影响范围前后的巷道围岩变形与破碎状况、侧方覆岩空间结构运动规律、合理区段煤柱宽度等进行了分析。研究结果表明：侧方采空区影响下，临空巷道表面变形量与围岩破碎程度显著增加；侧方覆岩结构破断形成“弧形三角块”，B岩块起到关键性作用；保证巷道围岩稳定的区段煤柱宽度不应小于35m。

[关键词]综放开采；侧方覆岩结构；弧形三角块；煤柱宽度

[引用格式]董正坤，冯宇峰，林来彬，等.特厚煤层综放开采侧方临空覆岩空间结构运动规律及煤柱宽度研究[J].煤矿开采，2015，20(6)：6-9.

近年来，14~20m特厚煤层大采高综放开采一次性全厚出煤的应用越来越广泛[1]。与分层开采相比，综放开采具有巷道掘进率低、工效高、大功率采运设备易于高效运转等优势，特别适合于特厚煤层实现高产高效[2-3]。然而，十几米特厚煤层一次性被全部采出势必会造成覆岩空间承载结构的不稳定、来压强烈等问题[4-5]，特别是当覆岩存在基本顶与近距离亚关键层双重影响时[6]，毗邻采空区一侧的区段煤柱承受上覆垮落岩层的全部重量，应力集中程度高，两巷围岩变形大，严重制约了工作面的高产高效。

郭家河煤矿1305大采高综放工作面便面临这一问题，该面上覆基本顶及近距离亚关键层均对矿压显现产生影响。回采期间，毗邻1303采空区的回风巷端头断面收缩率达到60%以上，顶底板最大移近量达到3m，两帮最大移近量达到1.8m，刷帮、卧底、加强支护等工序严重制约了工作面正常生产。因此，研究特厚煤层近距离关键层综放开采条件下的侧方覆岩空间结构运动规律、区段煤柱应力分布状况以及合理宽度等内容，对于指导两巷围岩控制、确保工作面安全高效开采具有十分重要的意义。

1工程概况

1.11305工作面开采概况

郭家河煤矿1305工作面主采3号煤层，平均埋深550m，煤层平均厚度15.9m，煤层倾角在6°以下。工作面长度235m，区段煤柱宽度20m，采用综采放顶煤采煤法，采高4m，放煤高度11.9m，采放比接近1∶3。工作面综合地质柱状如图1所示。

图1　1305工作面综合柱状

1305工作面位于I盘区东翼，于2014年4月投入生产，超前1305工作面切眼600m，北侧毗邻1303采空区，其中1303工作面于2013年初采完，两工作面均采用单巷布置。

1.2临空巷道实测分析

1305工作面推进至600m后，进入1303采空区侧向支承压力影响范围，为观测巷道实际变形状况，在1305工作面回风巷布设了36个测点，相邻测点间距10m，设在距离1305切眼420～780 m的位置，如图2所示。

图2　工作面位置及测点布置示意

采用“十字交叉法”对顶底板移近量和两帮相对移近量进行监测，每日观测1次。图3是距1303开切眼不同距离测点的巷道表面位移最终变化量。

图3　巷道表面位移量曲线

由图3可知，随着工作面不断向前推进，测点距1303采空区距离越小，巷道表面位移量越大，表明巷道受侧方1303采空区影响越严重，其中，顶底板移近量最大达到近3000mm，两帮移近量达到近1800mm。图4～图5为17号(采空区外)和29号(采空区内)两测点巷道高度绝对值与顶底板相对移近速度随工作面推进距离的变化曲线。

图4　巷道高度随工作面推进距离变化曲线

图5　顶底板移近速度随工作面推进距离变化曲线

由图4～图5可知，随着工作面推进，29号测点的巷高绝对值始终明显小于17号测点，顶底板移近速度增长也更快，说明侧方采空区对本区段巷道影响显著。当工作面推进至侧方采空区影响范围内时，巷道端头至超前20m范围内，巷高绝对值不足800mm，超前60m范围内，顶底板移近速度随工作面推进明显加快，最大值达到近200mm/d。

图6为1305工作面进入侧方采空区影响范围前后，区段煤柱内3m处钻孔窥视结果。对比可知，进入采空区侧方影响范围后，煤柱内部围岩裂隙充分发育，破碎程度明显高于进入采空区前。此外，进入采空区侧方影响范围后，现场局部地段开始出现坠包、冒顶现象，巷道收敛变形特别严重，生产中不得不采取卧底、刷帮、加强支护等措施，增加了作业工序和工人劳动强度，减缓了工作面推进速度，严重阻碍了工作面高产高效。

图6　进入采空区前后煤柱内部3m处破碎情况

2侧向覆岩空间结构分析

2.1覆岩空间结构分析

当特厚煤层放顶煤开采存在近距离亚关键层，且本工作面一侧巷道毗邻侧方采空区的特殊条件下，该巷道受上覆岩层空间结构稳定性的影响极为敏感[7-8]。从郭家河煤矿3号煤层围岩力学性质、应力环境及开采情况来分析，1305回风巷是一类特殊的回采巷道。本区段工作面的回采导致上覆岩层垮落，基本顶来压形成“O-X”破断[9]，走向方向形成砌体梁结构，工作面端头破断形成弧形三角块[10]，弧形三角块断裂在煤壁内部、旋转下沉，它的运动状态及稳定性直接影响下方煤体及巷道围岩的应力和变形，如图7，图8所示。

图7　沿空巷道覆岩结构运动

图8　沿空巷道上覆岩体结构平面关系

如图7所示，侧方工作面回采后形成采空区，基本顶岩层及亚关键层在侧向煤体内断裂，并发生回转或弯曲下沉，直至在采空侧形成的岩块A、岩块B、岩块C组成的铰接结构，该结构的稳定性与釆空区充满程度及基本顶岩层的断裂参数密切相关。

随着本区段工作面继续推进，特厚煤层一次性采出致使采空区冒落空间较大，当近距离亚关键层破断，其自身及上覆软弱随动层产生的载荷P，通过顶板及顶煤与巷道发生作用，致使工作面回采产生的超前支承压力与采空区侧向支承压力叠加，从而形成如图7所示的平面断裂结构。

图8中，岩体A为1303工作面上方的基本顶岩层，块体B，C分别为本工作面采空侧的弧三角块、采场中的断裂块。显然，块体B对侧向上覆岩体结构稳定尤为重要。

2.2岩块B参数计算

关键块B主要包括3个基本尺寸：块体沿工作面推进方向的长度L1、基本顶岩层在侧向的断裂跨度L2和块体的厚度h，以及块体在煤体中的断裂位置X这4个参数。

2.2.1L1的确定

关键块B沿工作面推进方向长度为L1即为岩层走向破断步距，根据矿压理论便可得到：

(1)

式中，h为亚关键层厚度，取11.9m；Rt为亚关键层抗拉强度，取7MPa；q为基本单位面积承受的载荷，根据上覆岩层对其载荷计算为0.12MN/m2。

2.2.2L2的确定

L2与工作面长度S和走向断裂步距有关。L2通过公式(2)计算得到：

(2)

由上式计算得出郭家河煤矿1305工作面亚关键层侧向断裂跨度L2=49.82m。

2.2.3断裂位置X

如图7，上覆岩层在临近采空区的触矸位置Y与B岩块侧向断裂距L2，共同决定了断裂位置X。影响覆岩触矸位置和断裂位置的因素主要有采深、原岩应力状态、采高、煤层、直接顶及基本顶的力学性质、厚度等。相关研究表明，触矸位置Y距上区段巷道在3～5m范围内，考虑到综放开采当中一般端头支架及过渡支架不放煤，致使上覆岩层B岩块触矸位置进一步向采空区深处偏移，在此取偏移量为3个支架的中心距，为1.75m×3=5.25m，因此触矸位置Y位于1303采空区距1303胶带巷约8~10m范围内。对于岩块B的侧向破断长度L2、断裂位置X、触矸位置Y、上区段巷道宽度b及区段煤柱宽度a存在如下关系：

L2=X+Y+b+a

(3)

式中，L2为亚关键层B岩块侧向破断距，计算得49.82m；X为B岩块破断位置，定义为破断点距本工作面巷道右帮距离，m；Y为B岩块触矸位置，定义为触矸点距上工作面巷道右帮距离，取10m；b为1303胶带巷宽度，取5.5m；a为区段煤柱宽度，m。

为使1305回风巷不受岩块B的影响，则其断裂位置应外错于回风巷，即X<0，得出a>34.32m。

3煤柱宽度数值模拟分析

运用FLAC3D数值模拟软件，对毗邻采空区条件下，不同推进度时，20m，25m，30m，35m区段煤柱内部应力分布状态进行分析。图9所示为毗邻采空区，巷道端头处煤柱内部应力分布。

图9　不同宽度煤柱内塑性区与应力状态分布/MPa

煤柱宽度由20m增至30m的过程中，塑性区范围急剧减小，应力峰值急剧降低，由30m增至35m过程中，煤柱内部塑性区范围无明显变化，说明30m煤柱宽度能够保持其自身的稳定性。

4结论及建议

以郭家河煤矿为研究对象，运用现场实测、理论分析、数值模拟等手段，对特厚煤层综放开采侧向覆岩失稳机制与区段煤柱宽度进行了研究，得出如下结论及建议：

(1)1305回风巷在本工作面进入侧方采空区支承压力影响范围的前后，巷道变形量及变形速度明显增加，区段煤柱内部裂隙发育及破碎程度显著增大，说明该巷受侧方采空区影响作用明显。

(2)建立了侧方沿空巷道空间围岩力学结构模型，分析表明，结构中的B岩块对其自身稳定性起关键作用，计算得到1305回风巷不受B岩块影响的必要条件是，煤柱宽度理论值大于34.32m。

(3)数值模拟表明，煤柱宽度大于30m时，煤柱内部塑性区分布范围趋于稳定，应力峰值不再增加。

(4)当煤层上覆存在近距离关键层时，建议郭家河煤矿1305工作面在临近采空区一侧适当降低一次出煤厚度，确保垮落空间尽量充实，同时对回采巷道加强支护；此外，在后续工作面布置时，考虑到数值模拟的局限性及地质条件等的多样性和复杂性，区段煤柱留设宽度不小于35m。

[参考文献]

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[5]张守宝，王志留，薛善彬，等.留顶煤厚度对大采高综采工作面断面稳定性的影响[J].煤矿安全，2015，46(3)：197-200.

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[责任编辑：王兴库]

·基础研究·

Research on Motion Law of Overlying Strata Spatial Structures Adjacent to Lateral Goaf and

the Width of Coal Pillar in Full-mechanized Caving Mining in Extremely Thick Coal Seam

DONG Zheng-kun1，FENG Yu-feng2,3，LIN Lai-bin1，ZHANG Yan1，ZHAO Shan-kun2,3，JIANG Jun-jun2,3，SHI Xiang-yuan1

(1.Guojiahe coal limited liability company，Xuzhou Mining Group，Baoji 721008，China；

2.Mine Safety Technology Branch，China Coal Research Institute Corporation Limited，Beijing 100013，China;

3.State Key Laboratory of Coal Resource High Efficient Mining & Clean Utilization(China Coal Research Institute)，Beijing 100013，China)

Abstract：Based on present situation of exploitation that the surrounding rock crushing seriously and the roadway deformation largely，in 1305 working face air return way of Guojiahe Coal Mine，varieties of methods，such as field measurement，ground pressure theory，fracture mechanics and numerical simulation are used to analysis the surrounding rocks’ crushing and deformation status before and behind lateral goaf，motion law of overlying strata spatial structures and reasonable section pillar width.Results shows that，under the influence of lateral goaf，the lateral crossheading surface deformation amount and the surrounding rocks fragmentation degrees were significantly increased，the lateral overburden spatial structures were breaking ，then the “arc triangle block” was formed，and the B rock block plays a key role.At last，to ensure the stability of roadway surrounding，the width of coal pillar section should not be less than 35m.

Key words：full-mechanized caving mining；lateral overlying strata structures；arc triangle block；coal pillar width

[作者简介]董正坤(1962-)，男，江苏盐城人，教授级高级工程师，现任徐州矿务集团郭家河煤业有限公司董事长。

[基金项目]国家自然科学基金(51304117，51404140)

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.06.002

[收稿日期]2015-05-13

[中图分类号]TD823.3；TD325.3

[文献标识码]A

[文章编号]1006-6225(2015)06-0006-04