特厚煤层综放开采载荷传递及内、外应力场形成机制

何 团，魏亚星，张学亮，孙梦田

(1.河北工程大学，河北 邯郸 056038；2.北京天地玛珂电液控制系统有限公司，北京 100013)

特厚煤层综放开采侧向支承压力的形成与巷道沿空侧覆岩结构具有紧密的相关关系，巷道沿空侧覆岩结构变化的时间效应对应侧向支承压力的时效特征，巷道沿空侧覆岩结构的空间分布形态对应侧向支承压力的分区特征[1-5]。

与中厚及厚煤层分层开采相比，特厚煤层综放开采厚度大，覆岩活动范围增大，顶板垮落高度成倍增加，顶煤放出后短时间内煤矸不可能充填满采空区，巷道沿空侧覆岩长期运动，最终自下而上地形成垮落带、裂缝带、弯曲下沉带。将垮落带及裂缝带覆岩统称为低位覆岩，弯曲下沉带覆岩统称为高位覆岩，实际上，侧向支承压力由低位覆岩产生的载荷及高位未破断覆岩产生的载荷共同决定。这种载荷传递机制的典型特征是在采空区侧向煤体中产生内、外应力场，即：由低位覆岩载荷所控制的内应力场，与高位覆岩载荷相联系的外应力场。内、外应力场具有典型特征：内、外应力场形成的条件为同时存在破断及非破断覆岩；内、外应力场是伴生关系，二者同时存在又此消彼长，在同一开采地质条件下，内应力场范围及应力幅值的增大，将导致外应力场范围及应力幅值的降低；内、外应力场形成过程是时间的函数。在采动影响阶段，覆岩破断进程启动，此时覆岩破断高度较低，侧向支承压力峰值位置靠近煤壁，侧向支承压力动态调整，煤壁向里依次形成应力松弛区(破碎区)、塑性区、弹性区，该阶段侧向支承压力受控于煤壁的变形、屈服过程。采动影响稳定后，覆岩剧烈活动期结束，内、外应力场形成，该阶段侧向支承压力受控于与巷道沿空侧覆岩结构密切相关的垮落带、裂缝带及弯曲下沉带覆岩高度、基岩移动角、岩层破断角等因素。

1 特厚煤层综放开采侧向支承压力计算及区段煤柱留设

1.1 芦子沟矿3107特厚煤层综放工作面概况

芦子沟矿3107工作面，埋深350m左右，工作面长度150m，走向长度1200m，采用综放一次开采2号、3号、5号复合特厚煤层，煤层总厚度可达25m，采用全部垮落法管理顶板。3107工作面南部紧邻3106采空区，北侧为实体煤。3107工作面总体呈南西倾向的单斜构造，地质构造中等偏复杂，倾角1°～5°。工作面钻孔岩层结构见表1。

1.2 巷道沿空侧覆岩结构特征

结合芦子沟矿3107工作面煤层地质赋存条件，建立3DEC数值计算模型，模型长×宽×高为400m×150m×275m，模拟工作面长度150m，采用本构关系为Mohr-Coulumb模型，模型物理力学参数见表2。模型边界采用固定边约束，左右、前后边界水平方向固定，底边界固定垂直位移，顶面为自由面，模型顶部施加130m岩层等效均布载荷，建立的数值计算模型如图1所示。

表1 钻孔岩层结构

图1 3DEC数值计算模型

岩性容重/(kN·m-3)弹性模量/GPa抗压强度/MPa抗拉强度/MPa内摩擦角/(°)泊松比黏聚力/MPa黏土12.50.00324.200.37 330.430.12长石砂岩23.121.225.421.70430.2718.35粉砂质泥岩24.214.3 29.342.10420.2814.14泥岩23.28.126.631.80350.258.54粉砂岩24.112.543.522.80270.3815.21砂岩23.710.939.122.30380.3112.28煤12.12.6524.710.64 340.164.32

工作面开挖完成后，形成的巷道沿空侧覆岩结构如图2所示。可以看出，3107特厚煤层综放工作面开采覆岩破断高度较大，低位裂缝带与高位裂缝带间存在明显界限，巷道沿空侧覆岩整体破断形态呈“三角形”。垮落带破断覆岩(距煤层顶部0～80m)形成“悬臂梁”结构，低位裂缝带下位破断覆岩(距煤层顶部80～100m)形成“铰接岩梁”结构，低位裂缝带上位破断覆岩(距煤层顶部100～130m)形成多块铰接的“砌体梁”结构，高位裂缝带破断覆岩(距煤层顶部130～200m)形成“悬臂梁”结构，更上位为弯曲下沉带岩层。

图2 巷道沿空侧覆岩结构特征

1.3 侧向支承压力计算模型构建

依托形成的特厚煤层综放开采巷道沿空侧覆岩结构，构建巷道沿空侧覆岩载荷传递模型，如图3所示，α为基岩移动角；β为岩层破断角；H1为垮落带高度；H2为裂缝带高度；H3为弯曲下沉带高度；H为煤层埋深。特厚煤层综放开采侧向支承压力σ由侧向煤体上覆岩层自重应力σγ与巷道沿空侧覆岩传递过来的附加应力增量σ1组成，即[1-3]

σ=σγ+σ1

(1)

其中，

(2)

σ1=ΣΔσi

(3)

式中，Δσi(i=1～n)为第i层巷道沿空侧覆岩在侧向煤体中产生的附加应力增量；n为巷道沿空侧覆岩层数。将巷道沿空侧覆岩在侧向煤体中产生的附加应力增量Δσi叠加，即可得到侧向煤体附加应力σ1。

工作面开采过后，应力重新分布，采空区两侧煤体上覆岩层大部分仍为弹性体，按弹性体近似计算，巷道沿空侧悬臂块体产生的附加载荷Δq在承载岩层表面以均布载荷形式分布，其计算结果对工程仍然具有理论指导意义，如图4所示。未形成铰接结构的悬臂块体，产生的附加载荷为Δqi=Qi/Li；形成“铰接岩梁”结构的悬臂块体产生的附加载荷为Δqi=(P+Qi)/Li。其中，Qi为悬臂块体在采空区悬露部分所承担的上覆软弱岩层重量及自重之和；Li为悬臂块体基岩移动线至采空区边缘煤壁的水平距离；P为铰接岩块对悬臂块体产生的作用反力。

弯曲下沉带岩层以两端“固支梁”的形式存在，通过两端固支点以集中力的形式向下覆煤岩层传递载荷。弯曲下沉带范围内岩层在固支点处产生的集中力Fi为

Fi=(Hicotα+L/2)hiγg

(4)

式中，Fi为弯曲下沉带岩层在支点处产生的集中力；L为工作面长度；hi为岩层厚度；Hi为岩层距煤层底板的距离；γ为煤岩层容重；g为重力加速度。

弯曲下沉带岩层在裂缝带顶部产生的挠曲变形载荷qi为[12]

qi=kmωx

(5)

其中，

(6)

(7)

式中,km为采空区侧向煤体支承力系刚度，它由顶板岩层、煤层、底板岩层的厚度和弹性模量决定；ha，Ea分别为直接底板表层的厚度和弹性模量；hv，Ev分别为煤层的厚度和弹性模量；hb，Eb分别为顶板的厚度和弹性模量；Li为未破断坚硬岩梁的跨度；q为坚硬岩梁承受的载荷；xi为顶板位置；E为“固支梁”的弹性模量;I为“固支梁”的惯性矩。

第i层悬臂块体附加载荷向侧向煤体M点处附加应力传递模型如图5所示，其中，θ为极角，H为岩层距煤层底板的垂直距离，得到第i层悬臂块体向M点传递附加应力Δσi/M为

(8)

建立平面问题的极坐标解答力学模型，计算“固支梁”固支点集中力在下覆煤岩层中产生的应力分量，如图6所示，得到“固支梁”固支点集中力在下覆煤岩层中产生的应力分量式为

(9)

图3 巷道沿空侧覆岩载荷传递模型

图4 巷道沿空侧覆岩形成的附加载荷示意

图5 应力求解模型

图6 固支点集中力在下覆煤岩层中产生的应力增量计算模型

1.4 侧向支承压力分布理论计算

只要采空区有自由空间，顶板就可能冒落，垮落带高度Mz1可通过公式计算。

(10)

式中，KA为岩层垮落后的碎胀系数，取1.3；SA为未垮落岩层在触矸处的沉降量，取3m；h为采厚，取25m。

经计算，得到垮落带高度为73.33m。

特厚煤层综放开采覆岩破坏高度随采厚的增加快速增大，特别是中硬覆岩的破坏高度和增长速率明显大于软弱覆岩条件，裂缝带高度Mz2可通过公式计算：

(11)

理论计算得到裂隙带发育高度为240.97m。

根据数值模拟结果，得到煤层上方岩层垮落角约为75°。按照采空区覆岩垮落角75°计算，裂缝带发育高度达到煤层上方280m岩层附近。

综合理论计算及数值模拟结果，得到裂缝带平均发育高度为260.485m。由此可确定3107特厚煤层综放工作面垮落带高度为73.33m，裂缝带发育范围为73.33～260.45m，弯曲下沉带范围为260.45～350m，在垮落带和裂缝带内覆岩活动是剧烈的。同时经过地表移动观测，得到基岩移动角为α=81°。

设定计算初始条件为：应力集中系数K=2.5；采厚M=25m；采深H=350m；侧压系数A=0.5；摩擦系数f=0.3；煤层与岩石界面摩擦角φ0=38°，煤层与岩石界面黏聚力C0=0.693MPa。γ煤=14×103N/m3，γ岩层=25×103N/m3，岩层破断角β=75°，基岩移动角α=81°。理论计算得到3106采空区侧向支承压力分布曲线，如图7所示。可以看出：工作面开采动压影响阶段，侧向支承压力峰值位置距离采空区14m，支承压力影响范围为34m。动压稳定后，内应力场峰值位置距离采空区16m，内应力场峰值为23MPa；外应力场峰值位置距离采空区44m，外应力场峰值为34MPa。

图7 侧向支承压力分布曲线

1.5 特厚煤层综放开采侧向支承压力分区特征

特厚煤层综放开采侧向支承压力中存在内、外应力场。中厚及厚煤层分层开采，形成的内应力场范围较小，并且内应力场的应力幅值相对较低，内应力场整体处于低应力状态，沿空侧巷道的布置方式可以选择沿空留巷、小煤柱留设方式(将沿空侧巷道布置在内应力场范围内)，大煤柱留设方式(将沿空侧巷道布置在原岩应力区范围内)。特厚煤层综放工作面开采厚度大，覆岩破断高度相应增大，形成的内应力场范围和应力幅值相应增大，内应力场中也将出现高应力集中区。

垮落带高度、裂缝带高度，弯曲下沉带高度、基岩移动角、岩层破断角是内、外应力场的主控影响因素，建立的侧向支承压力计算公式也是以该5因素为主要变量，采深和采厚都是通过改变这些因素来影响内、外应力场。特厚煤层综放开采形成的垮落带及裂缝带高度相应增大，其对采空区侧向煤体传递的附加载荷增多，这是特厚煤层综放开采内应力场范围及应力幅值增大的主因。基于芦子沟矿特厚煤层(25m)综放开采侧向支承压力计算实例及理论分析，提出特厚煤层综放开采侧向支承压力分区特征：自采空区边缘向里依次划分为内应力稳定区(A)、内应力集中区(B)、中间稳定区(C)、外应力集中区(D)、原岩应力区(E)，如图8所示，图中1，2，3表示沿空侧巷掘进位置。

图8 沿空侧巷道的合理布置位置

可以将沿空侧巷道布置在内应力稳定区(A)、中间稳定区(C)、原岩应力区(E)，特厚煤层综放开采动压显现强烈，不适宜沿空留巷，同时特厚煤层综放开采侧向支承压力影响范围大(60～130m)，将沿空侧巷道布置在E区将浪费大量的煤炭资源。综合考虑特厚煤层综放开采煤炭资源采出率及沿空侧巷道动压显现特点，沿空侧巷道适宜布置在内应力稳定区(A)或中间稳定区(C)范围内，但若布置在内应力稳定区(A)，沿空侧巷道留设初期将经受采空区侧向煤体应力调整期间强动压显现，容易导致沿空侧巷道大变形破坏，因此应把握合适的掘巷时机。

1.6 3107特厚煤层综放工作面区段煤柱合理留设宽度确定

区段煤柱煤体多受断层切割作用，且相邻采空区瓦斯及有毒有害气体富集，小煤柱留设条件下，煤柱中可能存在贯通裂隙，存在安全隐患。特厚煤层综放开采区段煤柱受二次采动影响强烈，小煤柱留设条件下，沿空侧巷道围岩应力水平较高，动压影响下小煤柱失稳风险加剧。同时基于下山开采防治采空区积水考虑，区段煤柱应具有良好的隔水性能。结合3107工作面现场水文、地质条件，以及采动应力特征，确定3107特厚煤层综放工作面采用大煤柱留设方式。依据侧向支承压力理论计算结果，采空区侧向25～34m范围内煤体应力幅值较低，加上沿空侧巷道宽度4.8m，确定3107特厚煤层综放工作面区段煤柱留设宽度为30m。

2 基于钻孔应力实测的内、外应力场动态识别

2.1 钻孔应力计布置方案

工作面推过之后，巷道沿空侧覆岩不断向周边煤岩体传递载荷，巷道沿空侧覆岩运动及侧向支承压力的形成皆为时间的函数。为获取3106工作面回采过程中侧向支承压力动态演化规律，超前于3106工作面在煤柱内及沿空侧巷道外侧实体煤内沿工作面倾向布置KJ21型钻孔应力监测系统，共计14台KSE-Ⅱ型钻孔应力计，在线监测3106采空区倾向53m范围内煤层垂直应力的动态变化情况，KSE-Ⅱ型钻孔应力计布置方案如图9所示，监测过程中14号钻孔应力计损坏。

图9 钻孔应力计布置方案

图10 采空区侧向煤体支承压力动态演化特征

2.2 钻孔应力实测结果

提取监测期间钻孔应力计实测数据，统计汇总采空区侧向不同位置煤体垂直应力数据，发现侧向煤体具有阶段性及区间性变化特征，如图10所示。滞后工作面0～80m阶段，不同位置煤体垂直应力进一步增长，支承压力应力峰值进一步增大，支承压力峰值位置向深部煤体缓慢转移。滞后工作面80～164m阶段，0～16m范围内煤体垂直应力降低，应力峰值向深部煤体缓慢移动，并且支承压力峰值降低，更深处煤体应力逐步升高。滞后工作面164～260m阶段，0～14m范围内煤体应力基本保持稳定，14～20m范围内煤体垂直应力降低，20～30m范围内煤体应力缓慢抬升，更深处煤体应力明显增高。滞后工作面260～360m阶段，0～20m范围内煤体垂直应力基本保持稳定，20～30m范围内煤体应力略有增加。33～53m范围内煤体增高，但垂直应力增速逐渐降低。滞后工作面360m之后，侧向煤体支承压力逐渐趋于稳定。

可以看出，滞后工作面阶段，一定时间范围内，覆岩持续运动，岩层破断高度逐渐增大，内、外应力场范围及应力幅值都处于动态调整中，内、外应力场逐步形成。中厚及厚煤层分层开采，裂缝带发育高度低，与外应力场相比，内应力场影响程度及影响范围相应较低。随着煤层开采厚度增大，裂缝带发育高度逐步增大，特别是针对3107特厚煤层(25m)综放工作面煤层地质赋存条件，裂缝带发育范围甚至大于弯曲下沉带范围，内应力场的影响程度及影响范围相应大幅增大。

3 沿空侧巷道围岩变形实测

二次采动期间沿空侧巷道表面位移实测结果如图11所示。从观测结果可以看出，二次采动期间沿空侧巷道围岩变形量较大。两帮最大移近量为1020mm，煤柱侧帮最大移近量为810mm，实体煤帮最大移近量为210mm，顶板最大移近量为230mm，底板已经进行拉底。二次采动期间沿空侧巷道围岩变形量较大，局部需要拉底，补打顶、帮锚杆加强支护，但沿空侧巷道围岩变形总体可控，通风断面满足要求。

图11 二次采动期间沿空侧巷道围岩变形实测

4 结 论

以芦子沟矿特厚煤层综放工作面开采为研究背景，在分析特厚煤层综放开采巷道沿空侧覆岩结构特征的基础上，阐述了特厚煤层综放开采巷道沿空侧覆岩载荷传递机制，构建了侧向支承压力计算模型及计算公式，提出了特厚煤层综放开采侧向支承压力的分区特征，为特厚煤层综放开采沿空侧巷道布置方式的选择及煤柱宽度的确定提供了依据，得到以下结论：

(1)特厚煤层综放工作面煤层开采厚度大，覆岩破断高度相应增大，形成的内应力场范围和应力幅值相应增大，内应力场中也将出现高应力集中区，内应力场的应力分布特征同样成为沿空侧巷道布置方式选择及煤柱宽度确定的重要依据。

(2)特厚煤层综放开采侧向支承压力具有典型的分区特征，自采空区边缘向里依次划分为：内应力稳定区、内应力集中区、中间稳定区、外应力集中区、原岩应力区。沿空侧巷道适宜布置在内应力稳定区或中间稳定区范围内。