特厚煤层充分采动覆岩下沉规律研究

王君， 朱卫兵， 谢建林

(1.中国矿业大学 矿业工程学院， 江苏 徐州 221116；2.中国矿业大学 煤炭资源与安全开采国家重点实验室， 江苏 徐州 221116)

0 引言

大同矿区是典型的坚硬顶板赋存矿区，目前主采的石炭系煤层厚度为14～20 m，综放开采一次采出厚度大，引起的覆岩破断范围广，大空间采场上覆坚硬岩层破断运动导致采场矿压显现强烈，如晋能控股集团同忻煤矿、塔山煤矿等特大型煤矿出现综放工作面液压支架行程大幅下缩、临空巷道顶底板变形超过2 m、超前支护单体折损劈裂等现象。这些强矿压显现在盘区首采工作面开采时较为缓和，而在临空工作面充分采动时的生产实践中却极为严峻，表明开采范围在其中扮演了至关重要的角色。

许多专家学者针对不同充分采动程度的覆岩运移规律开展了卓有成效的工作。于斌等[1-2]研究了特厚煤层开采覆岩结构类型，提出了高位关键层“横O-X”破断“三角板”结构运动影响特厚煤层采场强矿压的理念。冯国瑞等[3]采用数值模拟方法研究了煌斑岩侵入特厚煤层顶板对覆岩垮落破坏及下沉特征的影响。柴敬等[4]采用BOTDA分布式光纤有效监测了三维立体模型中的覆岩变形破坏范围及离层宽度。晏涛等[5]应用数字散斑技术物理模拟研究了煤层群开采覆岩运移规律。王宁等[6]基于微震监测系统分析了切顶卸压自成巷工作面的顶板周期来压特征。伍永平等[7]采用相似材料模拟、理论分析和现场试验等方法，研究了大倾角近距离煤层开采覆岩运移及顶板破坏特征。张升等[8]综合物理模拟、数值模拟及概率积分法，研究了固体充填开采充实率协同控制覆岩运移规律。王玉涛等[9]、娄高中等[10]、王朋飞等[11]研究了非充分采动条件下覆岩裂隙场分布、导水裂缝带高度及采空区与煤岩柱的耦合作用关系。郭文兵等[12-13]基于理论分析和数值模拟研究，给出了高强度长壁开采时覆岩破坏充分采动程度的定义、判别方法及适用条件。左建平等[14]基于Hoek-Brown强度准则和最大剪应力准则，建立了充分采动覆岩“类双曲线”移动力学模型，推导了地表沉陷范围的理论计算公式，并分析了覆岩破坏移动机理。

本文结合同忻煤矿地质开采条件，采用采动覆岩内部岩移无线远程监测、钻孔电视窥视和物理模拟方法，研究了特厚煤层充分采动条件下覆岩下沉规律，为类似开采条件下的采场强矿压控制提供了理论基础。

1 试验工作面基本情况

同忻煤矿8203综放工作面为石炭系3-5号特厚煤层二盘区首采工作面。根据该工作面内部岩移孔Y4及钻孔电视窥视孔Y2实测结果，发现石炭系与侏罗系煤层之间的各关键层破断运动对采场矿压显现程度影响较大[15]。8202工作面为紧邻8203工作面的接续工作面， 8202工作面走向推进长度约为2 017 m，倾向宽度为200 m，煤层平均厚度为15.26 m，倾角为1～2°，采用单一走向后退式综合机械化低位放顶煤开采方式，液压支架型号为ZF15000/27.5/42，采高为3.9 m，放煤厚度为11.36 m，采放比为1∶2.91。

为了掌握特厚煤层充分采动条件下覆岩下沉规律，在8202工作面地表布置了3个内部岩移孔(ZK1，ZK2，ZK3)和2个钻孔电视窥视孔(D4，D5)，如图1所示。

图1 工作面观测钻孔及岩移测点布置Fig.1 Layout of observation boreholes and strata movement measuring points on working faces

考虑到2个工作面倾向累计宽度已达500 m，而煤层平均埋深约为490 m，且主采的石炭系煤层顶板160 m之上的侏罗系煤层已采完多层煤层，认为基本达到充分采动条件。

2 采动覆岩内部岩移无线远程监测

采用采动覆岩内部岩移无线远程监测系统(图2)[16-17]获取特厚煤层开采覆岩下沉位移数据。该系统主要包括高精度磁电编码器、数据本地采集器、逆向棘轮锚爪、高强度钢丝绳、大容量蓄电池等。位移数据通过GPRS无线模块进行远程传输，可实现基于B/S结构的数据远程访问与存储。

图2 采动覆岩内部岩移无线远程监测系统布置Fig.2 Layout of wireless remote monitoring system for internal strata movement of overlying strata under mining condition

系统中的逆向棘轮锚爪在下放至指定覆岩关键层位置后进行释放，锚爪固定于钻孔孔壁。高强度钢丝绳一端与锚爪相连，另一端与钢丝绳回缩张紧结构相连。该回缩张紧结构的机械回缩力略大于钢丝绳重力，由此保证孔中各锚爪测点的钢丝绳处于绷紧状态。在该状态下，岩层破断运动通过钢丝绳的机械传导作用即可被数据本地采集器精确捕捉，实现岩层破断移动数据的实时采集，且数据采集分辨率达0.01 mm，为精准掌握煤矿采动覆岩运移规律提供了有效的实测手段。

3 充分采动覆岩下沉实测分析

根据8202工作面地面钻孔柱状关键层位置判别结果可知：3-5煤层埋深为501 m，第1层亚关键层为厚9.5 m的粉砂岩，对应深度为-465.38～-455.88 m；第2层亚关键层为厚12.96 m的粉砂岩，对应深度为-449.78～-436.82 m；第3层硬岩层为厚14.1 m的粗砂岩，对应深度为-434.75～-420.65 m；石炭系与侏罗系煤层间主关键层为厚39.15 m的粗砂岩，对应深度为-397.05～-357.90 m；套管深度约为-320 m。据此确定各内部岩移孔实际测点布置位置，见表1。

8202工作面充分采动时，内部岩移孔ZK1内4个测点处下沉位移曲线如图3所示。可看出：当8202工作面推过ZK1孔61 m时，其内部4个测点处开始出现下沉变化；当工作面推过ZK1孔93 m时，出现钢丝绳错断现象，此时测点1—4处下沉最大值分别为4 686，4 218，3 515，2 929 mm；各测点处下沉位移走势基本趋于一致，表明8202工作面充分采动后的覆岩运动出现联动下沉现象。内部岩移孔ZK2，ZK3中测点处下沉趋势与ZK1基本相似。

表1 内部岩移孔测点布置位置Table 1 Layout positions of internal strata movement measuring points in boreholes

图3 内部岩移孔ZK1内各测点处下沉位移曲线Fig.3 Subsidence displacement curves of each measuring point in internal strata movement borehole ZK1

8202工作面钻孔电视窥视孔D5因超前100 m时出现层间高位岩层错动，导致钻孔电视探头无法正常下放。钻孔电视窥视孔D4位于工作面中部，高位关键层虽然超前出现错动，但位移量不大，钻孔电视探头能正常下放进行观测。D4孔累计观测23次，观测时间跨度2个月，连续观测推进长度近200 m，主要集中在工作面超前钻孔60 m至推过钻孔65 m期间。5月19日，当工作面推过D4孔25.8 m时，孔深-436.0 m处岩层错动量过大，导致钻孔电视探头无法下放，此时孔深-414.818，-389.912，-385.829 m处孔壁陆续出现新裂隙，如图4(a)所示。5月20日，当工作面推过D4孔29.4 m时，孔深-400.525 m处岩层出现错动，导致探头无法下放，如图4(b)所示。实测D4孔孔壁错堵孔位置变化曲线如图4(c)所示，可看出：工作面距钻孔-20～+60 m时为该区域岩层运动活跃期，岩层破断运动导致钻孔堵孔、错动位置不断变化；在8202工作面推过D4孔17.2 m之前，D4孔内部错动位置自上而下发育，之后才发生自下而上正常的错动、离层和垮落。D4孔观测结果表明，孔壁在超前工作面时就出现了不同程度的变形破坏现象，采场覆岩变形破坏呈现阶段性台阶跃升特征，钻孔堵孔位置与双系煤层之间的关键层位置具有一致的对应关系，即堵孔位置均出现于覆岩关键层及其上下界面，表明关键层在岩层运动中起主控作用，且在充分采动时覆岩出现联动下沉现象。

(a) 新采动裂隙

(b) 岩层错动

(c) 孔壁错堵孔位置变化曲线

4 充分采动覆岩破断运移的物理模拟分析

为了进一步揭示充分采动条件下覆岩全地层联动本质，进行一组相似材料物理模拟试验，以期掌握充分采动时覆岩不同层位关键层下沉趋势趋于一致的内在联系。

4.1 物理模拟建模

物理模型尺寸为2.5 m×0.2 m×2 m(长×宽×高)。根据相似理论，确定几何相似比为1∶200，密度相似比为1∶1.6，应力相似比为1∶320。煤层厚度约为14 m，上覆存在3层关键层，分别为距煤层28 m、厚8 m的亚关键层1，距煤层84 m、厚14 m的亚关键层2，距煤层168 m、厚20 m的主关键层。采前在各关键层内设置位移测点，采后建立4条竖向测线，如图5所示。

图5 物理模型及测线位置Fig.5 Physical model and observation line position

4.2 覆岩破断运移分析

煤层采后覆岩运移状态如图6所示。

图6 煤层采后覆岩运移状态Fig.6 Overlying strata movement state after coal seam mining

根据采动过程中工作面与各条竖向测线的相对位置关系及产生的绝对位移变化，得出竖向测线1，4各测点的下沉位移曲线，如图7所示。从图7(a)可看出，在回采初期，工作面推过测线1约20 cm时，亚关键层1内的测点1-1，1-2同时出现弯曲变形，之后发生断崖式下沉，说明亚关键层1及其控制的岩层已发生初次破断，但是亚关键层2仍处于挠曲变形；当工作面推过测线1约45 cm时，亚关键层2内的测点1-3，1-4开始出现初次破断，而主关键层则在工作面推过测线1约66 cm时才出现初次破断。当主关键层初次破断后，各测点的下沉位移曲线变化趋势趋于一致。由图7(b)进一步证实，当高位主关键层初次破断后，由于各关键层的周期破断步距差异不太明显，且特厚煤层开采时，亚关键层2周期破断回转会导致亚关键层1出现复合破断，而主关键层周期破断回转也会导致亚关键层2、亚关键层1出现复合破断，导致测线4各测点的下沉位移变化趋于一致，表明充分采动条件下覆岩会存在全地层联动现象。因此，在分析覆岩运移规律过程中要充分考虑各关键层的周期破断特征及其相互作用关系。

(a) 主关键层初次破断时测线1

(b) 主关键层周期破断期间测线4

5 结论

(1) 在同忻煤矿开展了充分采动条件下覆岩运移的地面钻孔原位监测活动，结果表明充分采动条件下覆岩各关键层的破断下沉趋势比较相近；结合8202工作面钻孔电视窥视孔D4观测结果，反映了大同矿区特厚煤层开采覆岩的变形破坏呈现阶段性台阶跃升特征，孔壁错孔位置与双系煤层之间的关键层位置基本保持一致，但是因时间和空间上演化发展较快，导致覆岩下沉呈现全地层联动现象。

(2) 物理模拟结果表明，在主关键层初次破断前，各关键层的分组分层运动趋势较明显，当主关键层初次破断后，受各关键层周期破断长度及上下岩层复合破断规律影响，覆岩下沉运移更易呈现全地层联动现象。