公烏素礦1604工作面覆巖關(guān)鍵層的判定及分析

徐國華 ，張金山 ，馬 猛，3，吳國良

(1.神華集團 烏海公烏素礦業(yè)有限責任公司，內(nèi)蒙古 烏海 016035；2.內(nèi)蒙古科技大學 礦業(yè)工程學院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；3.鄭州煤炭工業(yè)(集團) 有限責任公司，河南 鄭州 450042)

直接頂上方存在厚度不等、強度不同的多層巖層，其中一層至數(shù)層硬巖層在采場上覆巖層活動中起主要的控制作用，將對采場上覆巖層局部或直至地表的全部巖層起控制作用的巖層稱為關(guān)鍵層，前者稱為亞關(guān)鍵層，后者稱為主關(guān)鍵層［1］。準確地確定關(guān)鍵層的位置，進而初步掌握頂板的破斷運移規(guī)律，為現(xiàn)場采取有力的支護措施提供充分的理論保障，對工作面的頂板管理與礦井安全生產(chǎn)都有著重要的意義。為此，本文結(jié)合公烏素礦1604 超長綜放工作面上覆巖層的實際情況，通過巖石力學試驗得出公烏素礦1604 超長綜放工作面上覆巖層的物理力學參數(shù)，采用關(guān)鍵層理論計算的方式對其上覆巖層關(guān)鍵層的位置及破斷距離進行判定分析。

1 工作面上覆巖層中關(guān)鍵層的判別條件

1)剛度條件。

第n+1 層巖層若是關(guān)鍵層其必須滿足:

式中:

q1/n+1—計算到第n+1 層時，第一層關(guān)鍵層所承受的載荷，kPa;

q1/n—計算到第n 層時，第一層關(guān)鍵層所承受的載荷，kPa。

2)強度條件。

假設(shè)第n+1 層位為關(guān)鍵層，則第n+1 層的破斷距為ln+1，第一層的破斷距為l1，其關(guān)鍵層判別強度條件為:

式中:

ln+1—第n+1 層巖層的破斷距，m;

l1—第1 層巖層的破斷距，m。

如果滿足上式，則第一層為亞關(guān)鍵層;如果ln+1不能滿足上式的判別條件，則應(yīng)將第n +l 層巖層所控制的全部巖層作為載荷，作用到第n 層巖層上部，計算第n 層巖層的破斷距。

2 關(guān)鍵層判別分析

公烏素礦16#煤層上覆巖層主要有細粒砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖、石灰?guī)r、中粒砂巖，粗粒砂巖組成，上覆巖層結(jié)構(gòu)及巖層力學參數(shù)見表1。

表1 上覆巖層層位關(guān)系及其物理力學參數(shù)

2.1 關(guān)鍵層的剛度條件驗算

結(jié)合公烏素礦1604 超長綜放工作面上覆巖層之間的層位關(guān)系及各層位巖石的物理參數(shù)，從直接頂開始，根據(jù)以下公式依次計算第n 層巖層對第m 層巖層的載荷(n ＞m):

式中:

qm/n—第n 層對第m 層的載荷，kPa;

Em—第m 層彈性模量，MPa;

hm、hi—第m、i 層的厚度，m;

γi—第i 層的巖石容重，kN/m3。

如果公式計算第n+1 層巖層載荷小于第n 層載荷，即第n +1 層為堅硬巖層，相反，需繼續(xù)計算第n+2層對第n 層的載荷。

1)從下向上逐層計算各層上覆巖層對C2層的載荷分別為:

由以上結(jié)果可知，C2巖層載荷為211.1 kPa，上覆4 層載荷層(2.2 m 砂質(zhì)泥巖C3、1 m 石灰?guī)rC4、1.97 m 泥巖C5、1.92 m 砂質(zhì)泥巖C6)。得出;C7巖層為硬巖層。

2)同理可以計算出C7上覆巖層的載荷，分別為:

q7/9=156.14 kPa、q7/10=182.2 kPa、q7/11=62.7 kPa

由此得出:C7上覆巖層的載荷量為182.2 kPa，上覆3 層巖層(分別為3.4 m 砂質(zhì)泥巖C8、1.69 m 泥巖C9、1.8 m 砂質(zhì)泥巖C10)，推斷;C11巖層為硬巖層。

3)計算C11上覆巖層的載荷，分別為:

得出C11巖層上覆巖層載荷量為174.9 kPa，C13巖層為硬巖層。

綜合上述結(jié)果，考慮到C11巖層與C13巖層之間為2.45 m 砂質(zhì)泥巖，而且石灰?guī)r與細粒砂巖力學參數(shù)相似，依據(jù)復(fù)合關(guān)鍵層的判別幾何特征:a)兩層堅硬巖層中的巖性基本相同，它們之間的軟弱夾層與之有明顯區(qū)別;b)無論堅硬巖層還是軟弱夾層，它們的厚度為無量級差別［2］，推斷C11、C12、C13可能為復(fù)合關(guān)鍵層。依據(jù)錢鳴高院士提出的相鄰硬巖層產(chǎn)生復(fù)合效應(yīng)的判定準則:

式中:

h1—第一層堅硬巖層厚度，m;

h2—第二層堅硬巖層厚度，m;

∑h2—兩堅硬巖層之間的距離，m。

C11巖層厚度為4.5 m，C13巖層厚度為5.7 m，兩層之間的距離為2.45 m C12砂質(zhì)泥巖，代入(4)、(5)式中。

驗證公式(4):

1.27≈1.31 (符合此條件)

驗證公式(5):

0.54 ≤2.2 (符合此條件)

所以，將C11、C12與C13作為復(fù)合關(guān)鍵層處理，將這3 層巖層按1 層計算即:

由此得出，C11～13巖層的載荷為407.9 kPa，上覆2 層巖層(分別為厚1.22 m 12#煤C14、5.97 m 砂質(zhì)泥巖C15)。推斷:C16巖層為硬巖層。

4)由表1 可知，C16、C17與C18巖性相似，在上覆巖層中可能同時出現(xiàn)協(xié)調(diào)變形、破斷的現(xiàn)象，可認為C16、C17與C18為一組復(fù)合關(guān)鍵層，同理3)可視為關(guān)鍵層中的一種組合效應(yīng)，其上部載荷量計算為:

由此得出:C16～18巖層的載荷為547.8 kPa。

綜上所述，C2為第一硬巖層、C7為第二硬巖層、C11～13復(fù)合巖層為第三硬巖層、C16～18復(fù)合巖層為第四硬巖層。

2.2 關(guān)鍵層的強度條件驗算

關(guān)鍵層的判別確定在滿足剛度條件的同時，也必須滿足關(guān)鍵層判定的強度條件，一般條件下關(guān)鍵層的強度條件用其巖層的破斷距來進行驗證表示。工作面上覆堅硬巖層破斷距采用兩端固支梁計算。則第k 層硬巖層的破斷距可以表示為:

式中:

hk—第k 層硬巖層的厚度，m

σtk—第k 層硬巖層的抗拉強度，MPa;

qk—第k 層硬巖層承受的載荷，kN。

假設(shè)第n、m為兩層堅硬巖層(n ＞m)，如果Ln＞Lm＞Ll，則第n 層為主關(guān)鍵層，第m 層、第1 層為亞關(guān)鍵層。如果Lm＞Ln＞Ll，則第n 層堅硬巖層載荷應(yīng)加到第m 層上，重新計算第m 層破斷距，然后再與第1層比較，其中破斷距最長者為主關(guān)鍵層，其次為亞關(guān)鍵層，第n 層不是關(guān)鍵層［3］。

根據(jù)以上計算公式分別計算出C2、C7、C11～13、C16～18的破斷距為:

根據(jù)破斷距分析，C11－13復(fù)合巖層的破斷距＜C16～18的破斷距，則C11－13為亞關(guān)鍵層，C16～18為主關(guān)鍵層。1604 綜放工作面上覆巖層硬巖層分布及關(guān)鍵層特征見表2。

表2 工作面上覆巖層硬巖層分布及關(guān)鍵層特征

續(xù)表2

3 結(jié)論

本文主要依據(jù)中國工程院錢鳴高院士在《礦山壓力與巖層控制》一書中有關(guān)確定關(guān)鍵層的相關(guān)理論，對公烏素礦1604 超長綜放工作面上覆巖層中各個巖層結(jié)構(gòu)進行理論分析，得出了上覆巖層中，關(guān)鍵層的位置及關(guān)鍵層的破斷距。其結(jié)果為:公烏素礦1604 超長綜放工作面上覆巖層中主要有主、亞關(guān)鍵層各一個，其中距直接頂20.75 m，厚12.65 m的復(fù)合巖層為亞關(guān)鍵層。距直接頂40.59 m，厚13.2 m以細粒砂巖為主的復(fù)合巖層為主關(guān)鍵層。

亞關(guān)鍵層的破斷與垮落將會導(dǎo)致其上覆巖層部分或者局部巖層發(fā)生協(xié)同性的破斷垮落，但相對于亞關(guān)鍵層來說垮落或離層程度較弱;主關(guān)鍵層的破斷、垮落將導(dǎo)致其全部上覆巖層發(fā)生破斷、離層或者下沉。對工作面上覆巖層及其工作面的礦壓來說主關(guān)鍵層的破斷垮落影響要大于亞關(guān)鍵層破斷所帶來的影響。

［1］錢鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制［M］.徐州:中國礦業(yè)大學出版社，2003:174－176.

［2］孫振武，繆協(xié)興，茅獻彪.采場覆層復(fù)合關(guān)鍵層的判別條件［J］.礦山壓力與頂板管理，2005(4):76－83.

［3］韓俊效.寺河礦大采高長工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究［D］.焦作:河南理工大學，2011:56.