淺埋深雙關鍵層結構采場礦壓規(guī)律研究

彭 帥 魏英楠 常坤林

(中國礦業(yè)大學(北京)資源與安全工程學院，北京市海淀區(qū)， 100083)

★ 煤炭科技·開拓與開采 ★

淺埋深雙關鍵層結構采場礦壓規(guī)律研究

彭 帥 魏英楠 常坤林

(中國礦業(yè)大學(北京)資源與安全工程學院，北京市海淀區(qū)， 100083)

采用現(xiàn)場礦壓觀測、理論分析方法對錦界煤礦31109工作面的礦壓顯現(xiàn)特征及來壓機理進行研究。研究結果表明工作面存在大小周期來壓現(xiàn)象,小周期來壓荷載多集中在工作面中部，大周期來壓時工作面大部分支架均處于來壓狀態(tài)；主、亞關鍵層周期破斷距分別為10.1 m、18.2 m，破斷后均不形成砌體梁鉸接結構；主關鍵層斷裂巖塊以懸臂梁向后下方回轉下沉，一方面使得亞關鍵層在煤壁上方提前破斷滑落，造成工作面大范圍劇烈來壓顯現(xiàn)，另一方面會使得亞關鍵層在斷裂線處受到損傷，此后造成工作面小范圍緩和來壓顯現(xiàn)。

淺埋煤層 綜采工作面 主亞關鍵層 周期來壓 礦壓顯現(xiàn)

淺埋煤層廣泛分布于我國西北地區(qū)，具有埋深淺、基巖薄和表土層厚的賦存特點，回采引起的工作面礦壓顯現(xiàn)與普通煤層不同，往往表現(xiàn)為工作面頂板臺階下沉、支架壓死等劇烈動壓現(xiàn)象。對于淺埋基巖較厚的煤層，其承載結構發(fā)生變化不再為單一關鍵層，工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律必然不同于典型淺埋煤層，因而其礦壓規(guī)律具有特殊性。錦界煤礦31109工作面埋深88.8～124.5 m，上覆基巖賦存主、亞兩層關鍵層，工作面來壓步距不穩(wěn)定，礦壓顯現(xiàn)劇烈。對此，本文以錦界煤礦31109工作面生產(chǎn)地質條件為工程背景，采用現(xiàn)場實測和理論分析方法對31109工作面礦壓數(shù)據(jù)及頂板運移特征進行研究，總結出淺埋深雙關鍵層結構采場的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律并探討了其來壓機理。

1 工程概況

錦界煤礦位于陜西省榆林市神木縣境內(nèi)，為榆神礦區(qū)二期規(guī)劃區(qū)內(nèi)的特大型礦井，目前主采3-1煤層，礦井設計生產(chǎn)能力10.0 Mt/a。31109工作面所采3-1煤層工作面位于一盤區(qū)集中輔運大巷北側，呈南北布置，走向長5710.6 m，傾向長276.5 m，埋深88.8～124.5 m，為淺埋煤層工作面。工作面煤層結構簡單，整體呈寬緩的單斜構造，煤層平均厚度3.2 m，平均傾角1°，煤體容重為1.29 t/m3，普氏硬度系數(shù)為3～4。31109工作面上覆基巖厚度約31 m，頂板巖性主要為粉砂巖、細砂巖、中砂巖和粗砂巖，之上為黃土及風積沙表土層，直接底為厚度較小的泥巖和粉砂巖。煤層頂?shù)装甯鲙r層及物理力學參數(shù)分布如表1所示。

表1 31109工作面煤巖層及物理力學參數(shù)

31109工作面采用長壁綜采一次采全高采煤法，頂板全部垮落處理采空區(qū)，選用162架ZY12000/20/40D型掩護式支架支護頂板。液壓支架的主要技術參數(shù)為支護范圍2000～4000 mm，相鄰支架中心距1750 mm，工作阻力12000 kN，支護強度2.32～2.61 MPa，初撐力25.2 MPa。

2 工作面礦壓觀測方案

為掌握31109工作面上覆巖層橫縱向演化發(fā)展規(guī)律及采場圍巖與支架相互作用關系，對工作面不同推進時期進行礦壓觀測。通過分析支架和采場圍巖的響應特征，得出工作面周期來壓強度和步距及沿工作面傾向支架載荷的分布特點，從而為淺埋工作面礦壓顯現(xiàn)特征及頂板活動規(guī)律的研究提供現(xiàn)場數(shù)據(jù)。

在31109工作面162架液壓支架上每隔10架布置一個測點，即將測點布置在10#、20#、30#…160#支架上，工作面共布置了16個測點。從工作面切眼開采時進行礦壓觀測，一直觀測到工作面與回撤通道貫通結束為止。31109綜采工作面礦壓觀測點分布如圖1所示。在掩護式液壓支架左右立柱上安有壓力傳感器，壓力傳感器可時時記錄支架的初撐力和最大工作阻力，另外，還要觀測周期來壓期間頂板宏觀動態(tài)即頂板的漏冒狀況，統(tǒng)計記錄頂板支護質量的量化指標包括液壓支架立柱工作阻力、支架活柱下縮量、周期來壓期間工作面及兩條巷道的礦壓顯現(xiàn)情況。

圖1 31109綜采工作面礦壓觀測測點分布圖

3 工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律分析

31109工作面截止2014年2月1日已推進1129 m，初次來壓步距為62 m，因采空區(qū)垮落充分、充填程度嚴實，初次來壓強度并不十分劇烈。2014年1月各測站測得支架工作阻力隨推進距離變化的關系見圖2。

(1) 支架工作阻力沿工作面走向的變化規(guī)律。通過對來壓數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析認為，工作面出現(xiàn)大小周期來壓現(xiàn)象，1月份工作面推進440 m，周期來壓48次，大小周期來壓各占24次，大周期來壓步距約為10 m，小周期來壓步距約為8 m；工作面壓力正常時推進距離為4～7 m，周期來壓時工作面持續(xù)推進距離為5～8 m；工作面正常推進時支架載荷在約28 MPa，周期來壓時支架平均載荷為35～45 MPa，周期來壓動載系數(shù)為1.25～1.61。

圖2 工作面支架工作阻力與推進度的關系

圖3 大小周期來壓時沿工作面傾向的支架工作阻力

(2)支架工作阻力沿工作面傾向的變化規(guī)律。工作面出現(xiàn)大小周期來壓時，支架工作阻力沿工作面傾向的變化規(guī)律如圖2和圖3所示，圖中顯示在工作面出現(xiàn)小周期來壓時，來壓多集中在工作面中部，即工作面60#～100#支架處于來壓狀態(tài)，支架最大載荷可達42 MPa，礦壓顯現(xiàn)比較明顯；大周期來壓時，工作面30#～130#支架均處于來壓狀態(tài)，支架最大載荷可達50 MPa，工作面礦壓顯現(xiàn)劇烈。

(3)工作面礦壓顯現(xiàn)的宏觀特征。通過現(xiàn)場觀測可知，小周期來壓時立柱下縮量不大，工作面的采高基本上能夠保持，大周期來壓時，立柱下縮量在10 mm左右，工作面采高有明顯降低，并且頂板也較難控制；小周期來壓過程中，工作面來壓范圍主要集中在中部，安全閥開啟很少，大周期來壓過程中工作面來壓范圍較廣，安全閥開啟的比較多；在來壓期間，工作面局部出現(xiàn)漏頂、片幫等現(xiàn)象，造成支架前梁與頂板接觸不實。

4 工作面周期來壓機理分析

4.1 主亞關鍵層破斷步距及結構形態(tài)

工作面大小周期來壓現(xiàn)象是由于上覆主亞關鍵層破斷運動引起的，其來壓顯現(xiàn)規(guī)律必然與關鍵層結構形態(tài)及破斷巖塊運動特征密切相關。31109工作面上覆主關鍵層為10.6 m的中粒砂巖，亞關鍵層為7.8 m的粉砂巖，直接頂2.7 m，煤層3.2 m。

根據(jù)梁式破斷理論，關鍵層周期破斷時的極限跨距Lz為：

(1)

由組合梁理論，可計算關鍵層上覆巖層載荷qn：

(2)

式中：Lz——關鍵層周期破斷時的極限跨距，m；

q——關鍵層上覆巖層載荷，Pa；

h——關鍵層厚度，m；

RT——關鍵層極限抗拉強度，MPa；

En——關鍵層上覆第n層巖性載荷層的彈性模量，GPa；

hn——第n層巖性載荷層厚度，m；

γn——巖層容重，kN/m3；

qnmax——表土層下最上方巖層的載荷，Pa；

γ0——表土層容重，取16 kN/m3；

h0——表土層厚度，取67 m；

n——從關鍵層起之上的載荷巖層數(shù)，第1層為關鍵層本身。

對于亞關鍵層：n=1時，亞關鍵層承擔自重，將表1中相關數(shù)據(jù)代入式(2)，得q1=195 kPa。

n=2時，亞關鍵層承擔自身及載荷層1的組合荷載，將表1中相關數(shù)據(jù)代入式(2)，得q2=268.49 kPa。

n=3時，亞關鍵層承擔自身、載荷層1和主關鍵層的組合荷載，將表1中相關數(shù)據(jù)代入式(2)，得q3=208.06 kPa。

計算顯示，q1

將h1、RT1和q2分別為7.8 m、4.4 MPa和268.49 kPa代入式(1)，最終可得亞關鍵層周期來壓步距Lz1=18.2 m。

同理，對于主關鍵層：n=1時，主關鍵層承擔自重q1=254.4 kPa。

n=2時，主關鍵層承擔自身及載荷層2的組合荷載q2=335.26 kPa。

計算顯示，q1

將h2、RT2和q分別為10.6 m、3.8 MPa和1407.26 kPa代入式(1)，最終可得Lz2=10.1 m。

“砌體梁”結構的穩(wěn)定性與斷裂巖塊的巖性、長度、厚度及回轉角相關。31109工作面直接頂及層間軟巖厚度較小，因巖石碎脹性其擴展空間有限，造成關鍵層破斷巖塊相對回轉下沉量大，繼而影響關鍵層“砌體梁”結構形態(tài)。為確定31109工作面上方主亞關鍵層能否形成砌體梁結構，可由下式來判定。

(3)

式中： tanφ——巖塊間的摩擦系數(shù)，一般可取0.3；

m——煤層厚度，取3.2 m；

∑h——關鍵層下部直接頂厚度，對于主亞關鍵層分別取15.8 m、2.7 m；

Kp——直接頂垮落巖塊碎脹系數(shù)，一般可取1.15～1.3。

將表1中主亞關鍵層的工程地質參數(shù)分別帶入式(3)，通過計算均不滿足該式，即31109工作面主亞關鍵層破斷后均不形成“砌體梁”鉸接結構。主關鍵層由于承載上覆巖土層全部重量，使得其破斷步距較小，而斷裂巖塊的塊度直接影響到巖塊間穩(wěn)定結構的形成；而亞關鍵層在達到極限破斷步距前，處在主關鍵層承載保護作用下，又因巖層較高的抗拉強度使得其斷裂步距較大，但由于下部直接頂相對較薄，斷裂巖塊回轉下沉量大，超過了形成“砌體梁”結構的極限下沉量。因此，主亞關鍵層斷裂后巖塊則以“懸臂梁”結構存在。

4.2 工作面礦壓顯現(xiàn)的大小周期性分析

淺埋工作面礦壓顯現(xiàn)的大小周期性主要取決于主亞關鍵層周期破斷距之間的關系，而工作面礦壓顯現(xiàn)程度直接受關鍵層破斷后的結構形態(tài)影響。對于“砌體梁”結構，其依然可以承載部分覆巖載荷從而減少傳遞到支架上的力，工作面礦壓顯現(xiàn)程度相對緩和，而“懸臂梁”結構直接以自重荷載作用到工作面支架，工作面礦壓顯現(xiàn)程度相對劇烈，且較大的回轉下沉空間會增加來壓的持續(xù)長度。

隨著煤層不斷采出，31109工作面直接頂隨之垮落，上覆亞關鍵以“懸臂梁”形式懸空，理論破斷距為18.2 m，如圖4所示。

圖4 31109工作面覆巖周期垮落模型

31109工作面上覆主關鍵破斷距為10.1 m，破斷后的巖塊以“懸臂梁”向后下方回轉下沉，傳遞的巨大載荷一方面使得亞關鍵層在煤壁上方提前破斷滑落，造成工作面大范圍、劇烈來壓顯現(xiàn)，另一方面會使得亞關鍵層在斷裂線處產(chǎn)生裂紋并擴展。隨著工作面繼續(xù)推進，主關鍵層仍穩(wěn)定承載，而亞關鍵層因在斷裂線處受到損傷而破斷滑落，從而造成工作面小范圍、緩和來壓顯現(xiàn)。如此周期破斷下去，造成31109工作面采場來壓的非均勻性變化，周期來壓強度呈強、弱、強、弱…的現(xiàn)象。

5 結論

(1)31109工作面上覆巖層賦存主亞關鍵層結構，隨煤層不斷采出工作面出現(xiàn)大小周期來壓現(xiàn)象，大周期來壓步距約為10 m，小周期來壓步距約為8 m，壓動載系數(shù)為1.25～1.61。

(2)淺埋深雙關鍵層結構采場來壓時，小周期來壓荷載多集中在工作面中部，來壓較為明顯；大周期來壓時工作面大部分支架均處于來壓狀態(tài)，礦壓顯現(xiàn)劇烈。

(3)31109工作面上覆主、亞關鍵層周期破斷距分別為10.1 m、18.2 m，破斷后均不形成“砌體梁”鉸接結構。

(4)主關鍵層斷裂巖塊以“懸臂梁”向后下方回轉下沉，一方面使得亞關鍵層在煤壁上方提前破斷滑落，另一方面會使得亞關鍵層在斷裂線處產(chǎn)生裂紋并擴展。

[1] 黃慶享. 淺埋煤層的礦壓特征與淺埋煤層定義[J]. 巖石力學與工程學報, 2002 (8)[2] 方新秋, 黃漢富, 金桃等. 厚表土薄基巖煤層開采覆巖運動規(guī)律[J]. 巖石力學與工程學報, 2008 (S1)

[3] 王方田, 陳芳, 白慶升等. 淺埋房式采空區(qū)下煤層長壁綜采礦壓規(guī)律研究[J]. 中國煤炭, 2012 (5)

[4] 李福勝, 張勇, 許力峰. 基載比對薄基巖厚表土煤層工作面礦壓的影響[J]. 煤炭學報, 2013 (10)

[5] 陳夢, 朱衛(wèi)兵, 溫嘉輝等. 淺埋近距離煤層間距對工作面來壓特征的影響研究[J]. 中國煤炭, 2016 (2)

[6] 黃慶享, 張沛, 董愛菊. 淺埋煤層地表厚砂土層“拱梁”結構模型研究[J]. 巖土力學, 2009 (9)

[7] 錢鳴高, 石平五, 許家林. 礦山壓力與巖層控制[M]. 徐州: 中國礦業(yè)大學出版社, 2010

[8] 許家林, 錢鳴高. 覆巖關鍵層位置的判別方法[J]. 中國礦業(yè)大學學報, 2000 (5) [9] 錢鳴高, 繆協(xié)興, 何富連.采場“砌體梁”結構的關鍵塊分析[J]. 煤炭學報, 1994 (6)

(責任編輯 張毅玲)

Research on the law of underground pressure of shallow working face with double key strata structure

Peng Shuai, Wei Yingnan, Chang Kunlin

(College of Resources and Safety Engineering, China University of Mining and Technology, Beijing, Haidian, Beijing 100083, China)

The characteristics of strata behaviors and weighting mechanism in 31109 working face of Jinjie Coal Mine were analyzed by field mine pressure measurement and theoretical analysis method. The results showed that there were weak periodic weighting and strong periodic weighting phenomenon, the weak periodic weighting loads mostly concentrated in the central section of working face, and the most of the hydraulic supports were under pressure when the strong periodic pressure happened; the periodic step length of main key strata was about 10.1 m and that of sub key strata was about 18.2 m, neither of the main or sub key strata could form articulated structure of voussoir beam; the breaking rocks of the main key strata sank back in the form of cantilever, which on one hand made the sub key strata fracture in advance above coal seam and caused a wide range of intense strata behaviors, on the other hand made the sub key strata damage along the fracture line and caused weak strata behaviors to a limited extent.

shallow seam, fully mechanized working face, main and sub key strata, periodic weighting, strata behaviors

彭帥，魏英楠，常坤林.淺埋深雙關鍵層結構采場礦壓規(guī)律研究[J].中國煤炭，2017,43(2):68-72. Peng Shuai, Wei Yingnan, Chang Kunlin.Research on the law of underground pressure of shallow working face with double key strata structure[J].China Coal，2017，43(2): 68-72.

TD323

A

彭帥(1993-)，男，山東臨沂人，碩士研究生，主要研究方向為礦山壓力與控制。