李 磊，雷照源，马龙涛

(陕西黄陵二号煤矿有限公司，陕西 延安 727307)

0 引言

为了满足由新时代下国内主要矛盾的转化对能源的大量需求，煤炭资源开采已经向深部迈进。深部开采中地质结构复杂，应力传播发生明显变化，给煤炭开采带来了巨大的挑战[1-3]。自重应力随埋深的增加而增大，覆岩赋存特点及运动规律则决定了采动应力的分布特征。尤其在覆岩结构变化大、采场范围变大等条件下，更易造成工作面动力灾害发生。同一盘区下开采的工作面一般以沿空开采为主。工作面回采前的静应力不但受到本工作面范围内覆岩的影响外，同时受到已采相邻工作面覆岩的影响，导致工作面两巷底鼓量大、工作面掉矸片帮。因此，聚焦深部大采高采场进行沿空采场覆岩运动规律的研究具有现实必要性。

为解决深部条件下的安全高效生产遇到的实践问题，众多专家学者通过地质条件调查、理论分析、数值计算、现场检测等，确定了极限深度范围和深部开采的临界点[4-5]；较为系统的研究了深部“三高一扰动”的复杂力学环境及工程灾害演化特点[6-7]，深部岩石大变形、拱形式的卸荷破坏区特点[8-9]，阐明不同类型的动静组合加载力学机制[10-11]，深度研究了对岩石力学行为的影响和动力失稳的能量特征与判别标准[12-13]。随着开采尺度加大所形成的大空间结构，工作面以沿空开采的模式进行重复更迭。在沿空开采、煤柱留设及赋存条件下，顶板高位结构破断回转、应力集中更复杂，采场矿压显现更强烈。

借鉴前人研究经验及成果，以陕西黄陵二号井四盘区大采高工作面为背景，根据深部大采高采场特性，进行沿空采场覆岩运动及矿压分布规律的研究，为深部大采高采场的“安全-高效-科学”开采提供依据。

1 工程背景

1.1 煤层赋存概况

陕西黄陵二号煤矿位于黄陇矿区中部，是黄陇矿区主力生产矿井，生产能力为8.0 Mt/a。矿井初期普查勘探结果，四盘区开采范围内的2号煤层倾角一般1°～5°，煤层属稳定-较稳定煤层；盘区内地表标高+1 157～+1 364 m，井下标高+711～+732 m，平均埋深约620 m。煤层柱状图如图1所示，煤层赋存特征，煤层上覆岩层依次为细砂岩、粉砂岩相互交替叠加，覆岩上部有183.7 m的中砂岩，围岩特征见表1。

表1 煤层顶底板特性

图1 煤层柱状图

1.2 生产布局

二号煤矿四盘区为单翼开采，依次回采414、416、418这3个工作面，各工作面走向长度2 632 m，倾斜长度约300 m，平均采高分别为4.0 m、6.0 m、6.0 m。工作面留设的安保煤柱为40 m；进、回风巷道尺寸分别为4.6 m×3.8 m、5.4 m×3.6 m。选用长壁后退式一次采全高的采煤法。416、418工作面选用ZYT12000/28/63D的支架，共计175台。

416工作面开采稳定后产生的侧向支撑直接影响418工作面在开采初期的静应力和覆岩运动情况。受深部大采高采场的影响，扰动下的岩层得到较大的活动空间。随着开采的加剧，在深部、大采高采场、沿空等条件下，覆岩内部裂隙发育、裂隙演化程度高，造成顶板突然失稳，形成强矿压。

2 模型建立

工作面类型分别为首采、沿空开采、孤岛开采。沿空开采下不同埋深的岩层作用工作面围岩的力，是引发工作面动力灾害的根本原因。覆岩运动自下往上的运动依次为垮落层Mk(Ⅰ)、加载层Mj(Ⅱ)、远场层My(Ⅲ)，如图2所示。

图2 采场更迭演化示意

根据岩层赋存特点，建立如图3所示的FLAC3D三维数值模型。模型尺寸为1 500 m×550 m×570 m，四周及底部固定，工作面模拟至平均地表。模型设计三个工作面，边界煤柱分别为200 m、320 m，工作面安保煤柱35 m；根据深部“三层”对模型进行划分，采用Mohr-Coulomb计算准则，围岩力学参数见表2。

图3 数值计算模型

表2 围岩力学参数

依次开挖模拟414、416、418工作面，分析深部大采高沿空采场覆岩运动规律。沿计算模型Y方向260 m取切片，分析受工作面不断更迭下覆岩运动规律。

3 覆岩运动规律分析

3.1 416工作面开采特征

416工作面回采达到稳定后，覆岩整体的塑性破坏如图4所示。受414工作面影响，416工作面形成“拱”结构偏向工作面后端；不断向上演化。工作面两端及其覆岩以剪切破坏为主；工作面上部岩层及My层160 m处为屈服破坏；工作面两端的覆岩演化边界约60°。

图4 416工作面回采特征

分别提取深部“三层”对应的应力分布特征，分析“Mk、Mj、My”各类岩层的应力分布情况，如图5～7所示。随着岩层的垮落，“Mk”之前承载的力向煤层方向发生转移，并且煤层聚集了大量的能量。侧向应力峰值距工作面约40 m，工作面末端相对扰动应力较大、储能较高，如图5所示。“Mj”的原岩应力和扰动应力均小于“Mk”。随着“Mk”层的垮落后“Mj”岩层失去支撑，在自重和“My”的作用下，发生挠曲变形。95 m、185 m细砂岩的原岩应力分别约为9.8 MPa、7.5 MPa，支承应力边界分别约为10.29 MPa和7.875 MPa。

图5 “Mk”粉砂岩扰动应力分布特征

受采动影响，如图6所示。95 m处细砂岩两工作面靠煤柱侧约30 m处进入应力释放最低区；185 m处细砂岩卸压区应力值均大于0 MPa。深部大采高工作面扰动应力的变化特征见表3，95 m处的细砂岩受“Mk”层的垮落影响明显剧烈。

图6 “Mj”扰动应力分布特征

表3 扰动应力变化特征

“My”相对其他岩层的厚度大、稳定性高。此处原岩应力约为3.9 MPa，支承应力边界约为4.095 MPa。煤层采出后的岩层由下向上受到扰动，如图7所示。“My”中砂岩呈现缓“V”型分布特征，扰动范围在4.6～1.55 MPa，相差3.05 MPa。由此表明，“My”层将自重平均作用在“Mj”层上，并具有稳定性；同时有效遏制应力传递，阻止地表运动。

图7 “My”砂岩扰动应力分布特征

3.2 418工作面开采特征

随着盘区开采范围增大，覆岩运动进一步加剧。418工作面回采达到稳定后，其开采特征与工作面416相似，覆岩整体的塑性破坏如图8所示。工作面更迭加剧，覆岩整体呈现对称的“拱”形塑性破坏，现工作面及已开采煤层两端依旧是以剪切破坏为主。418工作面开采稳定后，414、416、418工作面覆岩分别向工作面更迭方向、工作面中部、工作面末端运动，整个覆岩扰动更剧烈；工作面两端的覆岩演化边界约60°。“Mk、Mj、My”的运动方式与416工作面开采后相似。

图8 418工作面回采特征

418工作面开采稳定后，应力峰值大于40 MPa；工作面中部约240 m范围内均处于卸压区。工作面上部185 m扰动应力整体呈现“凹”型的对称分布，从工作面215～1 135 m处于卸压区，应力值基本在0 MPa附近。“My”层的扰动应力分布完全起到调控下部岩层运动和保证工作面应力释放位置的保障。

4 现场验证

4.1 钻孔窥视检测

现场选用YZT-Ⅱ型岩层钻孔探测仪，在418工作面上隅角前方5 m处垂直向上进行探测，有效探测高度35 m。分别截取探测深度1 m、5 m、10 m、15 m、23 m、30 m处的图像，如图9所示。顶板10 m范围内裂隙发育，顶板岩层较为破碎，15 m、23 m处出现小离层和贯通裂隙现象，30 m处岩层裂隙继续向上部演化。由此可知：受煤层开采扰动，顶板运动剧烈，直接为工作面来压提供力源；在“Mj”岩层的作用下，加剧顶板裂隙向上演化，作用在“Mk”层上，造成工作面动力灾害发生。

图9 工作面顶板扰动情况

4.2 支架压力检测

支架利用SAC液压电液控系统自动监测工作面推进过程中支架的工况。支架初撑力设定为27.5 MPa。分别统计416工作面1～2月和418工作面1月的支架工作阻力。受414工作面影响，416工作面1～2月工作面压力分布如图10所示。

图10 416工作面矿压分布概况

416工作面来压范围主要在工作面中部位置(45#～100#)，其中70#～90#为持续来压位置，压力值在43.6～52.1 MPa；持续的推采35 d后，115#～132#出现压力集中现象，压力值在41.7～47.8 MPa。压力分布位置：中部>机尾>机头。受416工作面大采高采空区影响，418工作面在持续的推采过程中，支架工作阻力如图11所示。明显可以看出工作面整体压力较大，主要集中在55#～155#之间，其中110#～155#(1区)、55#～100#(2区)，工作面出现整体来压现象。工作面压力分布位置：机尾>中部>机头；机尾处的压力大且较为连续。7#～12#来压时间较长，压力值在45.3～55.7 MPa。

图11 418工作面压力分布概况

由此可知，“Mk”层是给工作面提供正常来压的力源；“Mj”控制工作面“Mk”层挠曲程度，调控应力分布情况，造成工作面强矿压。

5 结论

(1)通过对工作面覆岩赋存条件分析，根据各岩层的空间位置、层厚及其矿压作用特征等，确定深部“三层”的判别方法及高度的确定。

(2)沿空开采形成的大空间，造成工作面形成“拱”结构向工作面中后部偏移；此过程中覆岩的不断向上演化并与其余工作面形成的“拱”结构融合，最终形成对称的“拱”结构。

(3)工作面倾向压力分布，“Mk”为工作面来压提供力源；“Mj”控制工作面“Mk”层挠曲变形程度，改变工作面应力释放向中-后位置偏移；“My”保证工作面应力释放的位置。经过现场监测，418大采高工作面的扰动范围及扰动应力值均大于416工作面；整个工作面压力释放的位置变化为机尾>中部>机头。