大采高工作面覆岩空间结构变化矿压显现规律研究

路洋波，王元杰，董亚东，陈法兵

(1.中煤科工开采研究院有限公司，北京 100013；2.伊化矿业资源有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 017318)

随着工作面的推进，受开采条件影响，工作面上覆岩层呈现出不同的结构特征。在进入深部开采后，工作面矿压显现主要受关键岩层运动影响较大，其中基本顶上方岩层状况与相邻工作面的采动情况决定了关键岩层的运动情况，使得工作面覆岩以空间结构的形式影响采场矿压的显现[1-5]。因此研究工作面覆岩空间结构变化特征及其对采场强矿压显现影响，对顶板管理和巷道支护设计具有重要意义。

国内外诸多学者对不同开采条件下覆岩空间结构进行了大量研究。钱鸣高建立了关键层理论，建立了关键层位的力学模型，为覆岩结构的构成、运移和失稳提供了理论依据[6，7]；姜福兴[8]提出了采场覆岩空间结构概念，按照工作面采动边界条件，将工作面覆岩空间结构分为“θ”型、“O”型、“S”型和“C”型4种类型。王存文等[9]根据力学分析，研究了“S”型覆岩空间结构的岩层组成、运动规律、应力分布特征，探索了基于覆岩空间结构理论的冲击地压预测方法。史红等[10-12]基于微地震监测和覆岩空间结构理论，分析了“S”型覆岩空间结构的形成，研究了“S”型覆岩空间结构的冲击地压危险区分布规律。

母杜柴登煤矿3-1煤层开采期间，矿压显现具有超前支承压力影响范围大、邻空巷道矿压显现明显等特点。为了确定母杜柴登煤矿3-1煤层采场覆岩结构特征及其演化规律，解释母杜柴登煤矿3-1煤层工作面矿压现象的产生机制，基于理论计算，微震监测以及应力在线监测等方法，研究不同开采条件下工作面覆岩空间结构变化对矿压显现的影响。以期对相似条件下采场矿压显现规律研究、顶板管理和巷道支护设计提供指导。

1 工程概况

母杜柴登煤矿现开采3-1煤层，其中3-1煤层倾角为0°～3°为近水平煤层，煤层厚度平均为5.5m，采用大采高一次采全厚长壁采煤开采方法。其中30202工作面倾向长度268m，30202工作面一侧为30201工作面采空区，采空区宽度为241m，一侧为实体煤。30202工作面与30201采空区间留有19m宽的保护煤柱；30202工作面切眼距30201工作面切眼为301m，因此30202工作面在开采过程中会经历“一面采空”和“两面采空”等不同边界条件，并经历“一面采空”到“两面采空”边界条件转变过程。工作面位置关系如图1所示。

图1 30202工作面位置

2 工作面覆岩空间结构变化及微震活动规律

覆岩空间结构是指工作面上方的包含基本顶及基本顶以上直至地表的岩层总和[10]。随工作面不断的推进，覆岩空间结构中下部的坚硬岩层发生断裂，带动其上软弱岩层回转下沉，形成下位岩梁。随着工作面不断推进，岩梁跨度和覆岩空间结构不断增加并向高位发展，在覆岩空间结构中下部有破断跨度不等的岩梁形成为铰接结构，上部为缓沉结构；在覆岩空间结构外部为岩梁破断点外未产生运动的岩层。对于30202工作面会先后经历“一面为自身采空区，三面为实体煤”到“两面为采空区，两面为实体煤”的边界条件，如图2所示。依据矿山压力和覆岩空间结构理论，30202覆岩空间结构相应的会经历“O”型、“O-S”型到“S”型覆岩结构转换和稳定的过程。

图2 工作面覆岩结构位置

2.1 “O”型覆岩空间结构及微震活动规律

30202工作面切眼距30201工作面切眼301m，因此30202工作面先经历一面采空的边界条件，回采过后覆岩形成的空间结构称之为“O”型结构[8，13]。此阶段30202工作面四周为实体煤，随着工作面的推进，30202采空区的演变可以看成是由两个相等长边不变，短边不断增加的矩形变化发展过程，如图3所示，随着工作面的推进，在剖面上，工作面上覆岩层破坏高度不断的发育，依据文献[14，15]可知，在工作面见方前，采场上方破裂岩层形成结构的最大高度约为连续开采范围短边宽度的一半，当推进长度与工作面倾斜长度相等时，采场上方覆岩结构发育到最大值，此时工作面上覆岩层破坏形态为“拱壳”形，此时工作面来压剧烈，也即见方位置。因此30202工作面推进到切眼前方268m左右时，矿压显现明显；此阶段的矿压特征主要表现在“O”型覆岩空间结构的形成过程，即基本顶的初次来压和周期来压[16]。

图3 “O”型覆岩空间结构模型

截至2018年5月29日30202工作面累计推进267.5m，进入一次见方阶段。为了分析此期间微震事件空间分布，选择2018年5月20日至2018年5月29日期间的微震事件样本进行分析，微震事件平面分布如图4所示。图4中黄色震源代表102J事件，图4中蓝色震源代表103J事件，图4中粉色震源代表104J事件。并对此阶段微震事件进行统计，见表1。

图4 5.25～5.29期间30202工作面微震事件分布

表1 一次见方阶段微震事件统计表

在此期间共监测到728个微震事件样本，日均72.8个微震事件，其中微震事件能量主要集中在101J及102J，其中101J～102J能量的震动次数占总数的89%。104J微震事件共计13个，微震事件频次和微震事件能量明显高于工作面一次见方之前的微震事件活动。分析为在进入30202工作面“见方”阶段，由于工作面“见方效应”，采场的支承压力达到最大值，工作面应力集中现象强烈导致。

综合分析得出，工作面在经历“O”型覆岩结构阶段，尤其在进入工作面一次见方阶段，随然工作面微震事件中较大能量事件频次有所增加，但工作面附近微震活动规律总体以低能量的微震事件占相对多数，表明此阶段回采过程工作面上覆岩层结构发育较稳定，发生强矿压的危险性较小。

2.2 “O-S”型覆岩空间结构及其微震活动规律

当30202工作面推进至30201工作面切眼位置前后时，此阶段30202工作面的边界条件将由一面采空转变到两面采空，覆岩运动复杂，将此过程的覆岩空间结构称为“O-S”型。在“O-S”型覆岩空间结构期间，基于工作面边界条件的转变，30202工作面所受应力将由单一的走向支承压力转变为走向支承压力、采空区倾向支承压力叠加影响；因此，在30202工作面靠近30201工作面切眼位置时，30202工作面超前应力集中系数将明显增加，基本顶与直接顶可能会发生较大离层现象。

截至2018年6月3日30202工作面累计推进304m，开始进入两面采空阶段。针对2018年5月30日至2018年6月3日期间的微震监测数据进行分析，在此期间监测到有效微震事件数总计444个，日均88.8个。微震事件空间分布如图5所示，事件能量分级统计见表2。

通过对图5及表2分析可得，受覆岩结构演化影响，此阶段微震事件日平均个数较“O”型覆岩空间结构期间增加了22.2%。能量等级为103J～104J的微震事件个数所占比例较上一阶段明显增加；微震事件在空间分布上由于受端头三角煤及30201采空区侧向应力影响，大能量微震事件分布表现出由30202工作面中部向回风巷煤柱侧转移，并发生了2次105J大能量事件。

图5 工作面在一面采空到两面采空转变阶段微震事件空间分布

表2 转变阶段微震事件统计表

分析其原因，主要为此阶段随着工作面的推进，30202工作面顶板活动开始与30201工作面采空区出现联结发育，加之上一阶段“见方”位置顶板高应力积聚共同作用使得较高的能量事件发生并开始向30202工作面回风侧发出现转移，使得30202工作面回风巷侧及端头三角煤处发生强矿压的危险性增加。

2.3 “S”型覆岩空间结构及其微震活动规律

“S”型覆岩空间结构不同于“O”型覆岩空间结构，对于两面采空的工作面，工作面一面为上区段回采后的采空区，另一面为本工作面的采空区，基本顶及其上位岩层组成的“S”型覆岩空间结构的各岩梁一端架在采空区矸石上，另一端架在工作面煤壁和侧向实体煤上方；其在平面上主要表现出非对称性，靠近沿空巷道一侧是“S”型覆岩空间结构主要分布区域，由于受覆岩空间结构侧向支承应力影响，在采空一侧巷道附近产生应力集中区[17]。进入非对称开采阶段后2018年7月23日至2018年7月29日期间的微震事件分布如图6所示。

图6 工作面两面采空阶段微震事件分布

由图6可知，在该阶段随着工作面的推进，小能量微震事件主要集中在30202工作面回风巷侧附近，30202工作面的覆岩空间结构在回风巷附近岩层运动活跃，小能量微震事件多为正常的岩层破裂，说明运动岩层为覆岩空间结构的下位岩层，岩层运动范围小。而在30201工作面采空区内也出现大量的微震事件，表明尽管30201工作面下位岩层已经回转下沉，由于随着30202工作面的回采，30201工作面内未回转下沉的高位岩梁与30202工作面的高位岩梁产生连动，使得30201工作面上覆岩层运动增大。其中高位岩梁的断裂失稳是30201工作面产生微震事件的围岩条件，而破裂区域之外靠近实体煤的应力集中则是发生微震事件的应力条件。

3 覆岩空间结构应力场分析

3.1 “O”型覆岩空间结构应力场分析

30202工作面在进入非对称开采阶段前，处于一面采空边界条件，此时工作面所受应力场主要为工作面走向超前应力。为了获得30202工作面在此阶段走向应力分布情况，以及30202工作面内煤体应力走向变化规律及变化特征。在回风巷和运输巷煤体内布置了KJ615型钻孔应力计，应力孔深度为40m，在打钻安装应力感应探头时，并未出现喷孔现象，因此探头采集的数据可以视为有效数据，煤体内应力观测结果如图7所示，煤体应力变化特征见表3。

图7 “O”型覆岩空间结构内工作面前方煤体测点应力曲线

表3 煤体应力变化特征

工作面前方支承应力区域主要分为应力降低区、应力增高区及应力不变区。由图7和表3可得：在工作面走向方向，工作面前方0～8m左右范围内为应力降低区，此范围内由于煤岩体裂隙的扩展，弹性能的释放导致应力降低；在工作面前方8～40m范围内为应力增高区，由于超前支承应力的影响，此范围内弹性能积聚，应力集中系数明显增加；作面前方40m范围外支承应力逐渐降低为原岩应力区。对于回风巷侧在距工作面前方11m左右处时，超前支承应力达到最大值；对于运输巷侧，在工作面前方19m左右处时，超前支承应力达到最大值；因此，30202工作面上端应力峰值距工作面的距离与工作面下端应力峰值距工作面的距离基本相等，且工作面回风巷侧与运输巷侧最大煤体应力基本相等。表明30202工作面上下两端处于应力匀称阶段，此阶段30202工作面超前支承应力峰值位置在距工作面前方11～19m的范围内。

通过对超前应力分布和微震事件能量及空间分布来看，此阶段工作面超前支承应力影响范围较小，微震事件主要为小能量事件，其顶板活动主要表现在初期来压和周期来压方面，因此回采过程中发生冲击的危险性较小。

3.2 “S”型覆岩空间结构应力场分析

30202工作面进入“S”型覆岩空间结构阶段后，根据上述分析其应力场主要受超前应力和回风巷侧侧向支承压力影响。通过引入“载荷三带”模型，建立30202工作面在回采过程中的侧向支承压力估算模型，如图8所示[18]。

图8 侧向支承压力估算模型

在倾向方向，根据“载荷三带”高度和应力计算公式，取岩层容重γ=25kN/m3，岩层移动角70°。计算得到，“ILZ”带最大厚度M1=55m，“DLZ”带最大厚度M2=65.5m，“SLZ”带最大厚度M3=509.5m。“ILZ”带影响范围L1=20.1m，应力峰值为σImax=7.2MPa(不叠加自重应力和“DLZ”带岩层结构传递应力)；“DLZ”带影响范围DLZ”带影响范围LD=(M1+M2)/tanα=44m，应力峰值为：

因此30202工作面在受30201工作面采空区侧向应力影响，在不考虑垂直应力影响的下，倾向方向应力最大值为56.1MPa。

通过计算可得，30202工作面回风巷侧受到30201工作面采空区的影响产生侧向压力，使得回风巷侧所受应力远远高于运输巷侧；走向方向超前支承应力影响范围也明显增加。30202工作面走向支承应力和30201采空区倾向应力的叠加影响是决定30202回风巷侧是否发生强矿压的应力条件；30201工作面内未回转下沉的高位岩梁与30202工作面的高位岩梁产生连动，形成高位、跨度大的岩梁失稳，是发生强矿压的围岩条件。

随工作面推进。覆岩空间结构不断向高位发展，30201工作面的高位岩梁断裂运动，使30202回风巷受到上覆岩层持续的高压作用，厚硬岩层容易在高应力条件下突然断裂形成破坏性的强矿压。因此30202工作面回风巷侧受工作面超前支承应力，临近采空区覆岩倾向支承压力以及煤柱应力叠加影响是发生强矿压危险区。

4 结 论

1)在不同开采条件下，依据工作面所经历的不同的采空边界条件，可将覆岩空间结构分为“O”型、“O-S”型和“S”型。工作面在“一面采空”条件下，此时覆岩空间结构主要为“O”型，此阶段在走向方向主要受超前支承应力影响，支承应力峰值位置在距工作面前方11～19m的范围内，其矿压特征主要表现为初次来压和周期来压，造成微震事件主要分布在30202工作面中部微震事件，回采过程中发生强矿压的危险性较小。

2)工作面在经历“一面采空”到“两面采空”边界条件转变过程中，即工作面覆岩空间结构主要为“O-S”型，此阶段工作面所受应力将由单一的走向支承压力转变为走向支承压力和倾向支承压力叠加影响；根据覆岩空间结构分析及微震活动空间分布，其临近已采工作面采空区侧及其端头煤区域发生强矿压的危险性较上一阶段明显增加。

3)在“两面采空”条件下，即工作面覆岩空间结构主要为“S”型，此阶段工作面走向超前支承应力影响范围在工作面前方210m左右，倾向支承应力影响范围为距煤壁44m左右，最大应力值为56.1MPa；在上覆岩层持续的高压作用下，30201工作面内未回转下沉的高位岩梁与30202工作面的高位岩梁产生连动，形成高位、跨度大的岩梁失稳，造成工作面回风巷侧受工作面超前支承应力、临近采空区覆岩倾向支承压力及煤柱应力叠加影响是发生强矿压危险区域。