特厚煤層充分采動覆巖下沉規律研究

王君， 朱衛兵， 謝建林

(1.中國礦業大學 礦業工程學院， 江蘇 徐州 221116；2.中國礦業大學 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室， 江蘇 徐州 221116)

0 引言

大同礦區是典型的堅硬頂板賦存礦區，目前主采的石炭系煤層厚度為14～20 m，綜放開采一次采出厚度大，引起的覆巖破斷范圍廣，大空間采場上覆堅硬巖層破斷運動導致采場礦壓顯現強烈，如晉能控股集團同忻煤礦、塔山煤礦等特大型煤礦出現綜放工作面液壓支架行程大幅下縮、臨空巷道頂底板變形超過2 m、超前支護單體折損劈裂等現象。這些強礦壓顯現在盤區首采工作面開采時較為緩和，而在臨空工作面充分采動時的生產實踐中卻極為嚴峻，表明開采范圍在其中扮演了至關重要的角色。

許多專家學者針對不同充分采動程度的覆巖運移規律開展了卓有成效的工作。于斌等[1-2]研究了特厚煤層開采覆巖結構類型，提出了高位關鍵層“橫O-X”破斷“三角板”結構運動影響特厚煤層采場強礦壓的理念。馮國瑞等[3]采用數值模擬方法研究了煌斑巖侵入特厚煤層頂板對覆巖垮落破壞及下沉特征的影響。柴敬等[4]采用BOTDA分布式光纖有效監測了三維立體模型中的覆巖變形破壞范圍及離層寬度。晏濤等[5]應用數字散斑技術物理模擬研究了煤層群開采覆巖運移規律。王寧等[6]基于微震監測系統分析了切頂卸壓自成巷工作面的頂板周期來壓特征。伍永平等[7]采用相似材料模擬、理論分析和現場試驗等方法，研究了大傾角近距離煤層開采覆巖運移及頂板破壞特征。張升等[8]綜合物理模擬、數值模擬及概率積分法，研究了固體充填開采充實率協同控制覆巖運移規律。王玉濤等[9]、婁高中等[10]、王朋飛等[11]研究了非充分采動條件下覆巖裂隙場分布、導水裂縫帶高度及采空區與煤巖柱的耦合作用關系。郭文兵等[12-13]基于理論分析和數值模擬研究，給出了高強度長壁開采時覆巖破壞充分采動程度的定義、判別方法及適用條件。左建平等[14]基于Hoek-Brown強度準則和最大剪應力準則，建立了充分采動覆巖“類雙曲線”移動力學模型，推導了地表沉陷范圍的理論計算公式，并分析了覆巖破壞移動機理。

本文結合同忻煤礦地質開采條件，采用采動覆巖內部巖移無線遠程監測、鉆孔電視窺視和物理模擬方法，研究了特厚煤層充分采動條件下覆巖下沉規律，為類似開采條件下的采場強礦壓控制提供了理論基礎。

1 試驗工作面基本情況

同忻煤礦8203綜放工作面為石炭系3-5號特厚煤層二盤區首采工作面。根據該工作面內部巖移孔Y4及鉆孔電視窺視孔Y2實測結果，發現石炭系與侏羅系煤層之間的各關鍵層破斷運動對采場礦壓顯現程度影響較大[15]。8202工作面為緊鄰8203工作面的接續工作面， 8202工作面走向推進長度約為2 017 m，傾向寬度為200 m，煤層平均厚度為15.26 m，傾角為1～2°，采用單一走向后退式綜合機械化低位放頂煤開采方式，液壓支架型號為ZF15000/27.5/42，采高為3.9 m，放煤厚度為11.36 m，采放比為1∶2.91。

為了掌握特厚煤層充分采動條件下覆巖下沉規律，在8202工作面地表布置了3個內部巖移孔(ZK1，ZK2，ZK3)和2個鉆孔電視窺視孔(D4，D5)，如圖1所示。

圖1 工作面觀測鉆孔及巖移測點布置Fig.1 Layout of observation boreholes and strata movement measuring points on working faces

考慮到2個工作面傾向累計寬度已達500 m，而煤層平均埋深約為490 m，且主采的石炭系煤層頂板160 m之上的侏羅系煤層已采完多層煤層，認為基本達到充分采動條件。

2 采動覆巖內部巖移無線遠程監測

采用采動覆巖內部巖移無線遠程監測系統(圖2)[16-17]獲取特厚煤層開采覆巖下沉位移數據。該系統主要包括高精度磁電編碼器、數據本地采集器、逆向棘輪錨爪、高強度鋼絲繩、大容量蓄電池等。位移數據通過GPRS無線模塊進行遠程傳輸，可實現基于B/S結構的數據遠程訪問與存儲。

圖2 采動覆巖內部巖移無線遠程監測系統布置Fig.2 Layout of wireless remote monitoring system for internal strata movement of overlying strata under mining condition

系統中的逆向棘輪錨爪在下放至指定覆巖關鍵層位置后進行釋放，錨爪固定于鉆孔孔壁。高強度鋼絲繩一端與錨爪相連，另一端與鋼絲繩回縮張緊結構相連。該回縮張緊結構的機械回縮力略大于鋼絲繩重力，由此保證孔中各錨爪測點的鋼絲繩處于繃緊狀態。在該狀態下，巖層破斷運動通過鋼絲繩的機械傳導作用即可被數據本地采集器精確捕捉，實現巖層破斷移動數據的實時采集，且數據采集分辨率達0.01 mm，為精準掌握煤礦采動覆巖運移規律提供了有效的實測手段。

3 充分采動覆巖下沉實測分析

根據8202工作面地面鉆孔柱狀關鍵層位置判別結果可知：3-5煤層埋深為501 m，第1層亞關鍵層為厚9.5 m的粉砂巖，對應深度為-465.38～-455.88 m；第2層亞關鍵層為厚12.96 m的粉砂巖，對應深度為-449.78～-436.82 m；第3層硬巖層為厚14.1 m的粗砂巖，對應深度為-434.75～-420.65 m；石炭系與侏羅系煤層間主關鍵層為厚39.15 m的粗砂巖，對應深度為-397.05～-357.90 m；套管深度約為-320 m。據此確定各內部巖移孔實際測點布置位置，見表1。

8202工作面充分采動時，內部巖移孔ZK1內4個測點處下沉位移曲線如圖3所示?？煽闯觯寒?202工作面推過ZK1孔61 m時，其內部4個測點處開始出現下沉變化；當工作面推過ZK1孔93 m時，出現鋼絲繩錯斷現象，此時測點1—4處下沉最大值分別為4 686，4 218，3 515，2 929 mm；各測點處下沉位移走勢基本趨于一致，表明8202工作面充分采動后的覆巖運動出現聯動下沉現象。內部巖移孔ZK2，ZK3中測點處下沉趨勢與ZK1基本相似。

表1 內部巖移孔測點布置位置Table 1 Layout positions of internal strata movement measuring points in boreholes

圖3 內部巖移孔ZK1內各測點處下沉位移曲線Fig.3 Subsidence displacement curves of each measuring point in internal strata movement borehole ZK1

8202工作面鉆孔電視窺視孔D5因超前100 m時出現層間高位巖層錯動，導致鉆孔電視探頭無法正常下放。鉆孔電視窺視孔D4位于工作面中部，高位關鍵層雖然超前出現錯動，但位移量不大，鉆孔電視探頭能正常下放進行觀測。D4孔累計觀測23次，觀測時間跨度2個月，連續觀測推進長度近200 m，主要集中在工作面超前鉆孔60 m至推過鉆孔65 m期間。5月19日，當工作面推過D4孔25.8 m時，孔深-436.0 m處巖層錯動量過大，導致鉆孔電視探頭無法下放，此時孔深-414.818，-389.912，-385.829 m處孔壁陸續出現新裂隙，如圖4(a)所示。5月20日，當工作面推過D4孔29.4 m時，孔深-400.525 m處巖層出現錯動，導致探頭無法下放，如圖4(b)所示。實測D4孔孔壁錯堵孔位置變化曲線如圖4(c)所示，可看出：工作面距鉆孔-20～+60 m時為該區域巖層運動活躍期，巖層破斷運動導致鉆孔堵孔、錯動位置不斷變化；在8202工作面推過D4孔17.2 m之前，D4孔內部錯動位置自上而下發育，之后才發生自下而上正常的錯動、離層和垮落。D4孔觀測結果表明，孔壁在超前工作面時就出現了不同程度的變形破壞現象，采場覆巖變形破壞呈現階段性臺階躍升特征，鉆孔堵孔位置與雙系煤層之間的關鍵層位置具有一致的對應關系，即堵孔位置均出現于覆巖關鍵層及其上下界面，表明關鍵層在巖層運動中起主控作用，且在充分采動時覆巖出現聯動下沉現象。

(a) 新采動裂隙

(b) 巖層錯動

(c) 孔壁錯堵孔位置變化曲線

4 充分采動覆巖破斷運移的物理模擬分析

為了進一步揭示充分采動條件下覆巖全地層聯動本質，進行一組相似材料物理模擬試驗，以期掌握充分采動時覆巖不同層位關鍵層下沉趨勢趨于一致的內在聯系。

4.1 物理模擬建模

物理模型尺寸為2.5 m×0.2 m×2 m(長×寬×高)。根據相似理論，確定幾何相似比為1∶200，密度相似比為1∶1.6，應力相似比為1∶320。煤層厚度約為14 m，上覆存在3層關鍵層，分別為距煤層28 m、厚8 m的亞關鍵層1，距煤層84 m、厚14 m的亞關鍵層2，距煤層168 m、厚20 m的主關鍵層。采前在各關鍵層內設置位移測點，采后建立4條豎向測線，如圖5所示。

圖5 物理模型及測線位置Fig.5 Physical model and observation line position

4.2 覆巖破斷運移分析

煤層采后覆巖運移狀態如圖6所示。

圖6 煤層采后覆巖運移狀態Fig.6 Overlying strata movement state after coal seam mining

根據采動過程中工作面與各條豎向測線的相對位置關系及產生的絕對位移變化，得出豎向測線1，4各測點的下沉位移曲線，如圖7所示。從圖7(a)可看出，在回采初期，工作面推過測線1約20 cm時，亞關鍵層1內的測點1-1，1-2同時出現彎曲變形，之后發生斷崖式下沉，說明亞關鍵層1及其控制的巖層已發生初次破斷，但是亞關鍵層2仍處于撓曲變形；當工作面推過測線1約45 cm時，亞關鍵層2內的測點1-3，1-4開始出現初次破斷，而主關鍵層則在工作面推過測線1約66 cm時才出現初次破斷。當主關鍵層初次破斷后，各測點的下沉位移曲線變化趨勢趨于一致。由圖7(b)進一步證實，當高位主關鍵層初次破斷后，由于各關鍵層的周期破斷步距差異不太明顯，且特厚煤層開采時，亞關鍵層2周期破斷回轉會導致亞關鍵層1出現復合破斷，而主關鍵層周期破斷回轉也會導致亞關鍵層2、亞關鍵層1出現復合破斷，導致測線4各測點的下沉位移變化趨于一致，表明充分采動條件下覆巖會存在全地層聯動現象。因此，在分析覆巖運移規律過程中要充分考慮各關鍵層的周期破斷特征及其相互作用關系。

(a) 主關鍵層初次破斷時測線1

(b) 主關鍵層周期破斷期間測線4

5 結論

(1) 在同忻煤礦開展了充分采動條件下覆巖運移的地面鉆孔原位監測活動，結果表明充分采動條件下覆巖各關鍵層的破斷下沉趨勢比較相近；結合8202工作面鉆孔電視窺視孔D4觀測結果，反映了大同礦區特厚煤層開采覆巖的變形破壞呈現階段性臺階躍升特征，孔壁錯孔位置與雙系煤層之間的關鍵層位置基本保持一致，但是因時間和空間上演化發展較快，導致覆巖下沉呈現全地層聯動現象。

(2) 物理模擬結果表明，在主關鍵層初次破斷前，各關鍵層的分組分層運動趨勢較明顯，當主關鍵層初次破斷后，受各關鍵層周期破斷長度及上下巖層復合破斷規律影響，覆巖下沉運移更易呈現全地層聯動現象。