唐口煤矿采空区覆岩运动规律及采动应力分布特征

杨 洋 崔保阁 王 冲

（山东唐口煤业有限公司，山东 济宁 272055）

近年来，我国煤矿开采深度、规模及产量持续增加，采煤工作面覆岩受采掘扰动作用日益严重[1-3]。随着采煤工作面的推进，上覆岩层运动破坏的范围不断扩大。上覆岩层的运移规律和结构状态，对于边界煤柱留设、保护地面建筑、离层瓦斯抽放、井下工作面安全回采等具有重要的实际意义。而从理论上掌握上覆岩层的破坏规律，对于指导开采实践具有重要的作用。当采场上覆岩层存在坚硬岩层时，极易形成空间覆岩大结构，大结构的稳定与失稳关系到覆岩空间结构的演化、裂隙发育及工作面动力灾害的发生[4-5]。因此，研究采场上覆岩层运移及覆岩结构，对揭示动力灾害发生发展过程及有针对性防治动力灾害具有重要意义。

本文以唐口煤矿530 采区及相关工作面为背景，采用现场监测、数值模拟、理论计算相结合的研究手段深入研究采空区覆岩运动规律，确定5307 工作面超前应力及侧向应力范围，并设计相关回采巷道支护参数，为类似条件下煤层安全开采提供理论指导。

1 采空区上覆岩层破断演化规律研究

1.1 工程地质条件

530 采区地面东部边界位于胡营村东侧，南部边界位于胡东村南侧，西部边界位于侯庄以东950 m，北部位于京杭运河大桥西南350 m 处。该采区井下位于南部大巷以西，北至130 采区边界，南至630 采区边界，西至F14 断层附近。采区南北长约3.0 km，东西宽2.2 km，采区面积约3.76 km2。3上煤层厚4.62～5.21 m，平均厚4.94 m。采区煤层倾角较缓，一般2°～9°左右。地面标高+34.2～+42.5 m，井下标高-880～-970 m，埋深915～1010 m。

1.2 530 采区上覆岩层关键层判定

选取T17-6 钻孔对530 采区的岩层进行关键层判别，根据关键层判别的刚度和强度条件计算的关键层判别结果见表1。

表1 530 采区岩层分析表（T17-6 钻孔）

1.3 覆岩运动监测数据分析

根据地表沉陷观测数据，530 采区5307 工作面附近布设1 条测线，共11 个测点。起始测点（J1）位于5308 工作面切眼附近，与5308 工作面走向方向反向布置。

该条测线监测时间跨度为2020 年10 月1 日—2021 年3 月8 日，根据各测点监测到的地表岩移数据，可得地表下沉量及下沉速率变化如图1。

由图1（a）可知，在回采作业之前，地下结构保持稳定状态，地表无下沉。从最上方曲线到最下方曲线，同一测点的下沉量在不断增大，其中以2020 年11 月20 日、12 月16 日的下沉量最大。在初期回采阶段，底层初始平衡被破坏，上方地层结构来不及适应采动影响，其在较短时间内快速下沉以达到新的平衡，故初期回采对地表沉降影响最为显著。取同一时间的各测点数据进行分析可知：测点J1～J11 的位置与5307 工作面的距离不断增加，受采空区的影响不断减小，因此其下沉量也呈不断减小趋势。

由图1（b）可知，下沉速率曲线整体呈先上升后下降的趋势，初期监测阶段的下沉速率始终处于较大范围，在2020 年12 月16 日下沉速率达到最大值，超过6.0 mm/d，与前文分析一致；平均下沉速率约为5.24 mm/d，下沉速率还是较大，下沉速率曲线在下滑阶段，前期曲线较陡，后期曲线平稳下降，说明随着时间的推移，地表下沉量在逐渐减小，最后会达到缓慢下沉阶段。

根据前文分析，随时间推进，地表下沉最后会进入稳定下沉阶段，以下沉速率小于1.67 mm/d 作为地表稳定沉降判定依据，对下沉速率与时间进行拟合，拟合结果如图1（c）。由图可知，R2=0.558 6，拟合度较好。以下沉速率1.67 mm/d 代入拟合关系式，反算求得地表岩移稳沉时间为194 d。

图1 5307 工作面地表下沉量及下沉速率变化

2 采动应力分布特征研究

2.1 模型建立

为了全面、系统地反映530 采区工作面回采过程中采动应力分布特征，以530 采区工作面地质和开采技术条件为背景，建立FLAC3D三维计算模型进行数值模拟。模型沿走向长2050 m，沿倾斜宽1260 m，模型高度为262 m。模型的四周边界和底部各施加约束，使之位移为0，顶部为自由边界。

本次模拟主要研究530 采区工作面回采过程中回采区域的应力分布情况，首先将依据现场实际开采顺序开挖模拟5307 周围工作面回采后的应力状态，然后模拟5307 工作面在回采过程中的采动应力分布特征。

2.2 各工作面回采后采区应力变化情况

由图2 可知，5301 工作面回采后，采空区边缘一定范围内应力集中程度高，随着向岩体内部不断延伸，应力不断降低，最后处于平稳状态，此时围岩体不受采动应力影响；5302 工作面回采结束，5303 工作面在回采中前期，由于某些原因，工作面进行缩面布置，在缩面处应力明显增大，这是因工作面前方支承压力分布不均，应力快速向缩面处转移所致。而后续回采由于距采空区有一定距离，工作面之间的应力集中程度相对较低，近似与原岩应力相等；工作面回采结束后，两相邻工作面之间由于侧向支承压力叠加作用导致应力集中程度显著提高。

图2 5301、5302、5303 工作面回采后应力分布状态

由图3 可知，5304 工作面回采后，采空区边缘一定范围内应力集中程度高，与5303 采空区之前区域宽度明显高于其他相邻工作面宽度，但应力集中程度并未随着煤柱宽度的增大而显著减小，故留设煤柱的宽度尽量以小煤柱为主，以降低冲击危险性；5305 工作面回采结束，两工作面之间应力集中程度高，这是由于两个工作面开采，侧向支承压力叠加作用的结果。工作面回采结束后，两相邻工作面之间由于侧向支承压力叠加作用导致应力集中程度显著提高。由于两工作面之间煤柱留设宽度较大，超出侧向支承压力影响范围，侧向支承压力叠加效应并不明显，冲击危险性较低，但在各采空区的侧向支承压力影响范围内，应力集中水平依旧很高，需多加防范。

图3 5304、5305、5306 工作面回采后应力分布状态

图4 为5307 工作面回采100 m、200 m、300 m、400 m、500 m 时整个530 采区的应力分布状况。由图可知，5307 工作面在上述各阶段回采过程中与5307 工作面之间区域处始终处于较高应力集中状态，初步分析认为原因包括两个：

图4 5307 工作面回采100～500 m 期间应力分布状态

（1）两工作面侧向支承压力叠加影响；

（2）回采作业的开采扰动。

2.3 工作面超前应力分布范围

为研究工作面采动超前应力分布范围，以530采区典型工作面5307 回采过程作为研究对象，通过模拟分析，得到5307 工作面各回采阶段（工作面开挖50 m、100 m、150 m、200 m、250 m、300 m、350 m）工作面前方的垂直应力分布情况，如图5（a）所示。由图可知，无论是哪一个回采阶段，工作面超前应力的整体趋势均为先迅速升高后降低，并随着超前距离的增大，超前应力的降低速率在减小直至为零。其中在超前距离为20～25 m 时，超前应力达到峰值，说明采动影响范围的峰值位置大致为超前距离20～25 m 范围内。根据超前应力—距离曲线走势，在超前距离100 m 左右，各条超前应力曲线基本重合，整体趋于平稳状态，说明此时该区域受采动影响很小或基本不受采动影响。基于此，确定超前应力影响范围为100 m。

2.4 工作面侧向应力分布范围

以5307 工作面回采各个阶段的侧向支承压力作为研究对象，研究工作面采动侧向支承压力影响范围。如图5（b）所示，工作面在各回采阶段的侧向支承压力随距工作面距离增加整体呈先增大后降低的趋势，其中前期侧向支承压力线性增加，在距工作面距离为18 m 左右达到峰值，说明工作面采动侧向支承压力的峰值位置为距工作面距离18 m 处。在应力达到峰值后，应力降低，且降低速率逐渐平缓，在距工作面距离为70～80 m 范围时，各条应力曲线应力基本保持平稳变化，各应力曲线应力值波动小，可认为侧向压力基本无变化，也即此时侧向支承压力不再受工作面采动影响，由此确定工作面采动侧向支承压力的影响范围为距工作面70～80 m。

图5 工作面超前应力及侧向应力分布曲线

3 结论

（1）通过关键层刚度和强度条件，计算出530采区关键层分布情况，理论分析了唐口煤矿530 采区不同工作面开采后采空区覆岩空间结构演化特征，基于530 采区地表下沉监测数据，侧面验证了530 采区覆岩结构演化理论分析结果的合理性。分析结果显示，530 采区上覆100 m 范围内岩层不存在巨厚岩层，采区工作面开采后，覆岩破断、下沉、运动充分，符合常规岩层运动形式，整体上不存在大范围悬顶的可能性。

（2）通过分析岩移观测数据，以地表下沉速率为1.67 mm/d 作为地表是否稳沉的临界值，推测530 采区地表稳沉时间不小于194 d。

（3）数值模拟结果显示，530 采区超前压力影响范围约为100 m，侧向支承压力影响范围为70～80 m。