吕 可， 王金安

(北京科技大学土木与资源工程学院∥金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室， 北京100083)

我国煤层的赋存有相当大的部分以群组形式存在，其中，间距较小的深埋煤层开采难度极大，已引起学界高度重视[1]. 一方面，随着煤层开采的逐渐加深，应力分布受构造影响更加复杂[2-5]，给工作面的来压时间、强度等变化带来很大的不确定性；另一方面，在近距离煤层开采过程中，上下两煤层工作面之间的影响是相互的[6-8]. 特别是当煤层间距较小时，下部煤层开采前顶板的完整程度已受上部煤层开采损伤的影响[9]，采动应力通过层间岩层向深部传递，下部煤层煤体应力分布所受影响更大[10-11]，因此探究深井近距离条件下的矿山应力分布规律，对于合理安排工作面位置、选择适当的卸压方法、设计和优化巷道的支护方案等具有重要意义.

覆岩结构的空间演化是矿山应力分布的决定因素. 关键层相关理论认为，受硬岩断裂后形成的块体的影响，压力、地表沉降也可能随工作面开采发生跳跃式变化[12]. 针对这类涉及到结构与应力演化的问题，为了更准确、直观地反映出结果，国内外学者通常利用相似材料模拟[13-15]、数值模拟[16-17]方法进行研究. 然而，目前的研究往往缺乏以覆岩结构形态为基础的科学划分方法. 同时，近场结构与远场结构的相互影响关系也未能得到充分研究.

本文结合甘肃海石湾煤矿深井煤层开采的工程背景，首先利用相似材料模拟实验直观地模拟回采过程，分析覆岩结构的运动规律. 然后从覆岩结构的空间演化入手，引入近场结构与远场结构的概念. 最后结合实验数据与力学计算，分析在近距离煤层开采过程中不同阶段对矿压的影响权重,为深井近距离煤层的矿压防治、岩层控制提供了依据.

1 覆岩结构特征及其力学性质

1.1 近距离煤层回采期间的覆岩结构特征

海石湾井田位于兰州市西北的甘、青两省交界处，目前该矿的主采煤层为煤二层和油A层. 煤二层平均埋深为685 m，具有东厚西薄，南北呈条带状的分布规律，平均厚度为19.61 m. 油A层位于煤二层之上19～30 m处，平均埋深为666 m，厚度较稳定，平均厚度为5 m. 可见主采煤层为典型的深井近距离煤层. 利用各岩(煤)层的力学参数，根据关键层的相关理论计算方法[18]，推导出上覆岩层中关键层的层位及其破断参数如表1所示，并计算出模型的力学参数. 基于本文前期研究[13-15]的方法搭建了相似材料模拟实验模型. 模型的尺寸比例为1∶200. 模拟岩层高度为308 m，对应的现实区域位于距地面552～860 m范围内，横向宽度为840 m.

根据海石湾煤矿现场的实际开采进度，确定实验模型中工作面的开挖顺序，设置初始采空区、实验模型初始状态、关键层位置、各工作面的位置代号及其开采步骤如图1所示.

表1 各关键层(组)的基本参数Table 1 The basic parameters of each key layer (group)

图1 各工作面的位置代号及其开采步骤

文献[19]开展了相似材料的模拟实验，发现了近距离煤层回采期间的覆岩结构特点： 上煤层回采以回采宽度140 m为界，在此之前主关键层未发生明显的弯曲下沉，在此之后主关键层及其所控制岩层出现了大范围的下沉，沉降范围达到了地表. 在下煤层回采期间，一方面,回采过程中的采高加大造成了下煤层基本顶以悬臂梁而非砌体梁方式断裂，临近该区域的亚关键层出现块体碎裂;另一方面，这些关键层/块体的状态呈一定的跳跃式变化，即回采作用造成的覆岩结构变化是自下而上逐级传播的. 只有在下部的关键层运动积累到一定程度后，其上部的关键层结构才会发生变化，并继续积累、向上传递. 同时，纵观整个下煤层的回采过程还发现：上煤层开采形成的覆岩结构对于下煤层开采期间的覆岩结构演化起到了重要的“框架”作用——上煤层回采期间在亚关键层二中发生破断，形成了关键块体，在下煤层回采期间，原有的断裂基本维持或略有增加，并在此基础上发生了运动.

1.2 覆岩关键层导致的支承压力增量

相关研究[20-21]认为，受工作面采高以及与煤层距离等因素的影响，各关键层以及受其控制而共同变形的上覆岩层在回采过程中可能属于导水裂隙带或弯曲变形带，当关键层距开采煤层高度小于7～10倍的采高时，该关键层与其上覆岩层将出现贯通的破断裂缝[20]. 结合前文实验结果，可对近距离煤层的覆岩结构进行层组划分，并建立模型，即：亚关键层一及其控制岩层组成了裂隙带层组一；亚关键层二及其控制岩层组成了裂隙带层组二；主关键层及其上覆岩层组成了弯曲下沉带. 该模型下覆岩的分组状况及不同层组产生的支承压力如图2A所示.

图2 关键层破断影响下的支承压力及计算模型

工作面的回采过程，可被认为是支承压力不断向工作面的前方或侧向煤壁集中的过程(图2B)，在此过程中，煤壁及其下部各煤层的支承压力将发生持续变化.

对于裂隙带层组，其下方形成的支承压力增量σi为

σi=2αe-αix[Picosαix-αiM(cosαix-sinαix)]，

(1)

对于弯曲下沉带内的关键层，可视为无限长的弹性基础梁. 将梁上方荷载等效为均布荷载q，将其下方岩体视为Winkler弹性介质，则可通过计算梁的挠曲求得其下方的支承压力增量：

(2)

2 覆岩结构演化及相应矿山压力分布

实验及理论推导结果显示，近距离煤层的回采对随后的覆岩结构及压力分布影响显著. 文献[19]主要研究工作面大范围完整回采后的覆岩结构及其对巷道变形破坏的影响，而本文更关注近距离煤层中回采宽度的逐渐扩大造成的关键层断裂下沉及矿山压力分布变化规律. 依据覆岩结构演化过程中关键层的破断情况，将回采过程划分为不同阶段，分别分析上下煤层中的矿压分布.

2.1 上煤层回采期间的矿山压力分布规律

依据覆岩主关键层破断状况将上煤层回采过程划分为前后2个阶段：在前期回采宽度为0～80 m时亚关键层一未发生断裂，回采宽度为80～140 m时亚关键层一发生周期性断裂；在后期发生了亚关键层二及主关键层的破断，对应的回采宽度为140～330 m. 分别利用前述力学计算方法与相似模拟实验中的应变片压力测试，探究各阶段内的矿压分布规律. 各层组的基本计算参数见表1.

在上煤层回采初始阶段，对工作面前方矿压的提升起直接作用的是上煤层的基本顶. 基本顶未断裂时，回采造成的离层扩大将影响本层组边界块体的长度Li；在基本顶发生断裂后，其周期性断裂影响了本层组Y1的块体运动状态系数Ki与其上层组Y2的块体长度，最终导致亚关键层二的断裂. 分别计算主关键层断裂前若干回采宽度时两层组的附加载荷与弯矩参数，依次求出7种不同回采宽度下各层组产生的支承压力增量，进而确定其峰值与宽度. 采用半无限弹性体中三角形带状载荷形成的垂直应力计算方法，得到上煤层回采前期本煤层顶板支承压力增量的分布(图3A).

图3 上煤层回采前期本煤层顶板支承压力的增量分布

在主关键层未破断的上煤层回采前期，近场的关键层结构，即亚关键层一对于工作面应力集中影响最为显著(图3B). 具体表现为从回采开始到亚关键层一断裂之前，工作面前方顶板应力集中的程度与范围均不断提高，并在亚关键层一断裂时达到最大. 主要原因是该结构的悬空长度不断增加，将大量的载荷传递到了煤壁上方. 亚关键层一在初次断裂后(80 m)，其块体状态发生突变，部分载荷转向了采空区，因而煤壁受压减小. 随后，近场结构的作用趋于稳定，亚关键层二的中场结构开始发挥作用. 该结构伴随回采宽度增加也向煤壁传递了更多的载荷，因此在亚关键层二初次断裂时(135 m)，上煤层顶板应力的集中程度再次达到一个极大值，同样在亚关键层二初次断裂后明显下降. 然而，无论是来压强度还是波动程度，近场结构相比于中场结构对煤层顶板压力的影响显然更大. 可以认为，在上煤层回采前期，对矿山支承压力起主要作用的是以煤层基本顶为代表的近场结构.

在上煤层回采后期，亚关键层一、二持续发生周期性断裂. 此时，主关键层也发生了破断与弯曲下沉. 在该阶段依次选取145、175、235、260、325 m共5个回采宽度，分别计算顶板的来压分布，理论计算结果如图4A所示.

在主关键层破断后的上煤层回采后期(图4B)，工作面前方矿压的集中现象与前期的情况明显不同. 一方面，矿压增量的幅度显著提高；另一方面，矿压增量曲线的形态与峰值不再随回采宽度的推进产生剧烈变化. 可以认为，在主关键层破断之后，主关键层及其上覆岩层等远场结构开始对煤层矿压产生主导作用. 深部开采给主关键层带来的高载荷进一步强化了其对应力分布的影响. 为了体现在此期间近场结构与远场结构对矿压影响的差异，可分别对比图4A中回采宽度为145、175 m的曲线和235、260 m的曲线. 其中，每组曲线在不同回采宽度下均具有相同的主关键层破断长度，但后者均比前者多了1次亚关键层一、二的周期性断裂. 不难看出这种差异并未对矿压集中曲线的整体形态与极值产生明显影响，即主关键层在未发生下一周期破断之前，矿压集中曲线将不会伴随回采进程而显著迁移. 同理，当主关键层发生周期破断时，矿压的分布将随之发生跳跃式变化，使特定位置处的矿压产生剧烈变化.

图4 上煤层回采后期本煤层顶板支承压力增量的分布

上煤层工作面的回采会影响近距离煤层中的下煤层矿压分布. 在上煤层回采前期，近场结构带来的矿压集中程度与范围有限，对下煤层的支承压力增强效果不显著. 在上煤层回采后期，主关键层破断带来的影响比较明显. 在相同回采宽度下，下煤层顶板与其正上方的上煤层顶板的支承压力增量分布形态相似，但程度有所减弱，其跳跃式变化的特点也与之相似.

2.2 下煤层回采期间的矿山压力分布

待上煤层回采结束并基本稳定后，依次进行下煤层下1、下2工作面的回采. 为进一步了解下煤层回采对上煤层的影响，对于下煤层回采期间上煤层上3工作面顶板的支承压力分布情况，主要利用相似模拟实验的应变片压力数据进行分析. 图5为下煤层回采期间上3工作面内各检测点的压力增量. 从总体分布来看，上煤层回采后形成的覆岩结构使得煤壁方向产生了明显的压力集中现象. 因此，在下煤层回采开始时，上煤层顶板即存在支承压力增量，其分布特点为靠近采空区处最大，沿远离采空区方向减小. 在下煤层回采初期，检测点压力增量稍有上升，但变化不大. 回采宽度达90 m时，检测点压力增量发生跳跃式变化，其分布曲线整体上移并在一定回采宽度内(如110 m)保持基本不变. 随后，当回采宽度分别达到130、170、210 m时，压力增量多次发生突变，导致分布曲线上移. 在整个下煤层的回采过程中，上煤层顶板的来压分布形态保持基本一致，但强度的提升变化具有明显的跳跃性.

图5 下煤层回采期间上煤层顶板支承压力增量的分布

Figure 5 The incremental distribution of roof support pressure in the upper coal seam during lower coal seam mining

为了更好地反映这种跳跃性，选取了上3工作面中部(即距采空区约80 m处)检测点，支承压力增量随推进宽度增加而变化的过程如图6所示，该检测点的压力增量曲线呈阶梯状分布. 总体上，压力增量存在4个较为明显的平台阶段：每个平台阶段内的应力变化不明显，但在每两个平台阶段的分界点，应力呈显著的跳跃式增长. 对比各阶段的分界点与回采宽度可发现：分界点正好对应于主关键层在下煤层回采期间的下沉. 根据前述有关压力增量来源的分析可以认为，下煤层的回采导致了相应采空区上方的主关键层下沉，并对煤壁上方的主关键层产生了压力与弯矩，导致下沉挠度增加，沿煤壁方向转移的压力增大. 主关键层每发生一次明显的弯曲下沉，这种压力与弯矩将更靠近煤壁，传递的压力也将更大. 但在亚关键层的周期断裂期间，近场关键层的影响较小，因此压力增量较为稳定，产生了平台阶段. 可以认为，在下煤层回采期间，对上煤层顶板压力的分布特点及跳跃式增长方式起主导作用的仍然是远场的主关键层结构.

图6 下煤层回采期间上煤层顶板支承压力增量的实验结果

Figure 6 The experimental result of roof support pressure in the upper coal seam during lower coal seam mining

结合前述关于不同测线的下沉变化情况可知，在下煤层回采过程中，近场位置的测线下沉现象较为明显，但与上煤层顶板内的压力变化关联性不大. 相比之下，距离回采煤层较远，位于主关键层的测线虽然下沉量和下沉范围较小，但反映了主关键层的下沉范围，其下沉量与上煤层顶板的压力增量存在近似的跳跃性.

3 结论

以甘肃海石湾煤矿深井煤层开采工程为背景，利用相似材料模拟实验模拟了回采过程，分析了覆岩结构运动规律. 结合实验数据与力学计算，探究了近距离煤层开采过程中采场矿压的发生机理与影响因素.

(1)在主关键层破断前，近场结构对矿压增加及其波动起关键作用；在主关键层破断后，远场结构对矿压分布起决定性作用，并使矿压显著增大.

(2)在上煤层回采期间形成的垮落梯形，在下煤层回采期间具有明显的“框架”作用. 关键层中形成下沉区域、块体组等在下煤层回采期间仍能对覆岩结构产生重要影响.

(3)在近距离回采的各个阶段，回采作用造成的覆岩结构变化均为自下而上逐级传播. 这使得越是处于上部的关键层，其沉降就越滞后于回采进度，尤其是主关键层的弯曲状态呈跳跃式变化. 受其影响，在主关键层破断后，近距离各煤层的矿压增长也具有跳跃式突变的特点. 此时近场结构对于矿山压力分布影响不明显，但可通过积累效果影响远场结构，从而造成压力突增.