高强度开采条件下上行开采顶板运动规律研究

何尚森，孙 闯

（1.中国煤炭工业协会 咨询中心，北京 100013；2.煤炭科学研究总院 矿山大数据研究院，北京 100013；3.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013）

0 引 言

我国煤炭资源储量丰富，分布广泛[1]。由于不同地区地质条件差异巨大，煤炭赋存的区域性差异显著，影响开采方式的选择[2-6]。按照煤层开采的先后顺序，可以区分为下行开采、上行开采和上下煤层同时开采3 种方式，其中下行开采更符合煤层层间关系，具有初期投入少，可按顺序探明煤层的优势[7-10]。位于我国西部地区的煤炭普遍具有围岩较为坚硬、煤层分布密集的特点，由于过去开展的地质勘探不够精细，部分矿区存在已开采煤层上方仍有可采煤层的情况，或由于开采技术制约、冲击地压风险、经济效益等因素影响而选择优先开采了下部煤层，继而采用上行开采方式组织上部煤层的生产[10-13]。

在采用上行开采方式生产时，有时下部煤层并非完全处于采空状态，因此上部煤层开采时，工作面可能需要经历上行开采和非上行开采之间的切换[14-15]。根据工作面和下部采空区的位置关系，可将开采过程细分为3 个阶段：进采空区上方前—位于采空区上方—出采空区上方后。处于不同开采阶段的工作面生产条件差异巨大，在进入下一开采阶段前工作面需要预先做好充分的生产调整，而目前针对上部煤层在不同阶段间转换的研究较少。本文结合实际工程背景，采用相似模拟和数值模拟相结合的方式，研究上行开采工作面从非上行开采过渡到上行开采的判别特征及顶板结构演化规律，为上行开采时工作面所处开采阶段的判断提供依据。

1 概 况

新疆龟兹矿井可采煤层5 层，其中A6-1 和A6 煤层埋深较近，属于近距离煤层。由于开采条件和开采技术等原因限制，该矿优先开采位于下部的A6 煤层部分区域。A6 煤层平均厚度为4.7 m，上部基本顶主要为石英砂岩，直接顶为2.5 m 厚的叶片粉状砂岩，岩层结构相对稳定，开采区域工作面采用大采高一次采全高方式开采，生产强度大，对煤层顶板产生较大的破坏。

对在完成下部A6 煤层的A601～A603 工作面开采并待围岩结构稳定后，需要开始对上部A6-1煤层的开采，两煤层间距为14～19 m，平均间距17 m，中间岩层为砾岩、粗砂岩、中砂岩，其中中砂岩约占层间厚度的78%，经过测定，中砂岩平均单轴抗压强度为91.1 MPa，为极坚硬岩层。A6-1 煤层厚度为3.2～7.5 m，厚度变化较小，平均为5.0 m，煤层倾角10°，采用大采高综放开采方式生产，由于上部煤层工作面并非完全位于采空区上方，再开采过程中需要经历不同开采环境的过渡转换，开采难度较大。

2 上部煤层工作面推进全过程相似模拟试验研究

2.1 相似模拟方案

为探究上行开采工作面位于不同阶段时的顶板运动规律，以A6-103 工作面为工程背景，进行相似模拟试验研究。试验基于实际工程条件并做出适当简化，设计相似比为1∶150，容重比为0.6，将上行开采工作面推进全过程按3 个不同阶段设计3组试验，按照试验方案首先开挖模型的下部煤层，待模型稳定后开采上部煤层，3 组试验的方案如图1 所示。图1（a）为试验方案1，研究上部煤层工作面处于“进采空区上方前”阶段时的顶板运动规律；图1（b）为试验方案2，研究上部煤层工作面“位于采空区上方”阶段时的顶板运动规律；图1（c）为试验方案3，研究上部煤层工作面处于“出采空区上方后”阶段时的顶板运动规律。

图1 三组相似模拟试验开挖示意Fig.1 Excavation schematic diagram of three sets of similar simulation tests

2.2 “进采空区上方前”阶段顶板结构演化规律

图2 为试验方案1 的相似模型，在完成下部煤层开挖后，已开挖煤层采空区上方形成稳定的垮落区域，上部煤层从距离下部采空区水平距离80 m处开挖，逐步向靠近采空区的方向推进。由图3 可以看出，在工作面推进12、36 和48 m 时，工作面上方厚度为2 m 的泥岩随工作面向前推进逐步发生垮落，而泥岩以上的区域未发生明显变化，顶板结构相对稳定；当工作面推进72 m 时，泥岩上部岩层发生明显弯曲，顶底板间距缩小但未接触，顶板仍没有发生破断，工作面底板也未出现明显的底鼓现象。整体而言，在未进入采空区上方时，上部煤层工作面顶板变化均匀，未受到前方采空区域的影响，工作面上方覆岩移动规律与一般方式布置的工作面相比无明显差异。

图2 “进采空区上方前”阶段相似模拟模型Fig.2 Similar simulation model during the stage of"before entering the goaf"

图3 “进采空区上方前”阶段顶板结构演化Fig.3 Roof structure evolution of during the stage of"before entering the goaf"

2.3 “位于采空区上方”阶段顶板结构演化规律

图4 为试验方案2 的相似模型，下部煤层开挖170 m 后顶板岩层发生垮落，上部煤层工作面开切眼设置在下部煤层采空区左端垂线上。由图5（a）可知，当上行工作面推进12 m 时，工作面尚未进入下部煤层开挖形成的垮落区，采空区未发生明显的弯曲变形；当工作面继续向前推进，上部煤层工作面进入原有垮落区域，由于岩层本身已发生破坏，稳定性较差，顶板随工作面推进而逐步垮落，由图5（b）可知，在推进至72 m 时，工作面上方岩层发生整体失稳，从原有采空区裂隙处断裂，出现大范围的垮落，老顶尚未破断，但已经出现断裂裂隙，工作面后方顶板形成典型的组合悬臂梁结构；工作面继续向前推进，顶板破断范围持续扩大，如图5（c）所示，当推进至144 m 时，工作面上方悬臂梁结构发生断裂，基本顶破断形成了“铰接岩梁”结构，工作面底板原有裂隙受到上部垮落块体的压实作用，出现一定程度的闭合；如图5（d）所示，当继续推进至276 m 时，工作面已离开采空区上方区域，此时工作面顶板结构相对稳定，未发生整体变形破断，而在工作面后方，原有破坏范围内未发生完全断裂的顶板此时已全部垮落，覆岩裂隙充分发育，对比上部工作面未开挖和工作面开挖276 m 时的覆岩结构，可以发现在上部工作面开挖之后，原有破坏区域的破坏程度大幅增加，破环范围也存在一定程度的增大。总体而言，上部煤层工作面在进入采空区上方后，推进不同距离时顶板破断的长度也不同，但均比进入采空区上方前大幅缩短。同时，上部岩层断裂形态主要以近乎垂直的纵向断裂为主，而一般工作面开采引起的顶板岩层断裂以斜纵断裂线为主。

图4 “位于采空区上方”阶段相似模拟模型Fig.4 Similar simulation model during the stage of"located above the goaf"

图5 “位于采空区上方”阶段顶板结构演化Fig.5 Roof structure evolution during the stage of"above the goaf"

2.4 “出采空区上方后”阶段顶板结构演化规律

如图6 所示，为试验方案3 的相似模型，下部煤层开挖125 m 待模型稳定后，从采空区右端垂线位置开挖上部煤层。从图7 中可知，上部煤层工作面推进12 m 时，工作面顶板结构相对稳定，未随工作面推进而发生明显垮落情况，工作面上方顶板形成大组合悬臂结构，悬臂结构的末端与下部煤层开挖形成的裂隙基本重合；继续推进至36 m 时，工作面上方原有的悬臂结构发生破断，部分岩层切落失稳，出现新的岩层断裂线，使原有裂隙区域大幅增加，但此时工作面上方岩层还未出现整体性失稳；当推进至60 m 时，工作面上方岩层已发生整体失稳，新形成的岩层断裂线进一步向外、向上扩展，已与原有裂隙区域顶部贯通；当推进至120 m时，虽然新形成断裂线继续扩大，但岩层破断的程度降低，工作面上方岩层未出现整体性切落，分析易知，工作面后方已破断岩层对新形成的破断结构产生了水平挤压作用，使新破断的岩层能够形成“铰接岩梁”结构，裂隙发育程度较低。当上部工作面继续向前推进，工作面上方顶板将不再发生整体失稳，与一般开采工作面没有显著差异。

图6 “出采空区上方后”阶段相似模拟模型Fig.6 Similar simulation model during the stage of"after exiting the goaf"

图7 上部煤层工作面出上行开采区时顶板结构Fig.7 Roof structure of upper coal seam after exiting the goaf

3 结 论

（1）上部煤层工作面在未进入采空区上方之前，工作面顶板结构演化规律与一般工作面无明显差异，但在工作面位于接近采空区的位置时，顶底板产生的破坏范围和程度均出现一定幅度的增大。

（2）当上部煤层工作面进入采空区上方区域，由于此区域内岩层结构已发生过垮落破坏，稳定性较差，受到上行工作面的采动影响，原有裂隙进一步扩大，部分区域顶板发生整体失稳垮落。尤其在刚进入采空区上方时，基本垮落步距大幅减小，顶板岩层破坏严重，裂隙极度发育。

（3）当上部煤层工作面离开采空区上方区域，工作面围岩稳定性再次发生显著变化，在刚出采空区域时，工作面上方顶板形成“大组合悬臂梁”结构，悬臂梁结构上方岩层未发生明显破坏，而随着工作面不断向前推进，悬臂梁结构破断垮落，其上方岩层也随之发生切落破坏，原有的破坏区域发生大幅扩大。当工作面继续向前推进，工作面顶板结构变化逐渐减小并趋于稳定，与一般工作面无明显差异。

（4）在实际生产中，由于工作面在开采过程中需中需要在不同围岩稳定性环境中过渡，需要在过渡转换期间采取适当措施，提高工作面围岩稳定性，保障生产安全。