近淺埋煤層覆巖關(guān)鍵層對綜采工作面壓力的影響分析*

劉英杰，馮忠居，李 鵬，王曉謀

(1.長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064；2.神華神東煤炭集團 生產(chǎn)管理部，陜西 榆林 719315；3.神華神東煤炭集團 技術(shù)研究院，陜西 榆林 719315)

0 引言

近年來，國內(nèi)外專家學(xué)者對采動覆巖運動規(guī)律、巖層關(guān)鍵層的影響開展了大量的研究工作。錢鳴高結(jié)合大量的生產(chǎn)實踐，通過深入研究提出了“砌體梁”力學(xué)假說，能夠清晰的說明在煤層回采后上部覆巖發(fā)生破斷，各破斷塊體間的受力情況，解釋了綜采工作面采場壓力的顯現(xiàn)情況[1-4]；部分專家學(xué)者以“砌體梁”理論為基礎(chǔ)，經(jīng)過不斷的研究提出了“巖層控制的關(guān)鍵層理論”，將采場壓力、覆巖運移規(guī)律以及地表沉陷等相結(jié)合，關(guān)鍵層理論更好的說明了在采動影響后的覆巖破斷的運移規(guī)律[5-9]；左建平等提出了充分采動覆巖整體移動的“類雙曲線”模型，認為巖層“類雙曲線”的焦點位于主關(guān)鍵層位置[10]；夏小剛等提出，煤層開采后根據(jù)上覆巖層“四帶”劃分，彎曲下沉帶主要受下部最近一層關(guān)鍵層的移動變形影響，而下沉的移動軌跡是橢圓形態(tài)的拋物面[11]；陳超指出，不同頂板巖性對關(guān)鍵層的移動也存在一定影響，充填開采的回采方式能夠有效減少關(guān)鍵層的移動量，從而可有效控制地表沉陷變形[12]。此外，關(guān)鍵層理論還有助于地表生態(tài)修復(fù)，通過關(guān)鍵層移動規(guī)律預(yù)測地表沉陷和裂縫，提前采取相應(yīng)措施，保護地表植被覆蓋[13-14]。以上這些成果多側(cè)重于在關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)完整的情況下進行回采，研究覆巖冒落對綜采工作面的影響規(guī)律，但對近淺埋煤層地表溝谷導(dǎo)致關(guān)鍵層缺失，進而影響綜采工作面壓力顯現(xiàn)研究甚少?；诖耍P者以實體工程為依托，研究溝谷地形下關(guān)鍵層缺失對礦山壓力的影響，為特殊開采條件下綜采面安全回采提供參考。

1 工作面概況

1.1 工作面基本情況

活雞兔井田范圍受自然環(huán)境影響，地表成溝谷地貌，特別是1-2煤三盤區(qū)21304及其相鄰工作面沖溝發(fā)育較為典型，由一條主溝橫貫整個三盤區(qū)，并由主溝成發(fā)射狀分支成5條支溝，沖溝最大落差為69.9 m，傾角范圍為25°～40°。1-2煤與1-2上煤層間距7～30 m，平均煤厚4.6 m，煤層傾角0°～6°，埋深41～198 m，工作面采用一次采全高后退式開采。1-2煤21304工作面，寬度為240 m，走向長度為3 320.04 m，研究區(qū)域在回采期間發(fā)生過2次礦壓顯現(xiàn)劇烈的情況。

圖1 活雞兔井1-2煤三盤區(qū)井上下對照Fig.1 Surface-underground contrast plan of No.3 panel 1-2 coal of Huojitu Coal Mine

通過對工作面礦壓觀測資料與動載礦壓現(xiàn)象分析可得，過溝谷地形時的動載礦壓主要發(fā)生在上坡段及上坡段的坡頂處，而在過溝谷下坡段和非溝谷地形的平直段，一般不易發(fā)生動載礦壓顯現(xiàn)。表1所示的不同地形區(qū)段工作面礦壓觀測結(jié)果也驗證了上述結(jié)論。

1.2 工作面礦壓顯現(xiàn)情況

研究區(qū)域在回采期間共出現(xiàn)了2次動載礦壓顯現(xiàn)劇烈的情況。當工作面回采至1 875 m時發(fā)生第1次動載礦壓，對應(yīng)地貌特征為沖溝上坡段的中間位置，支架壓力數(shù)據(jù)為9 874～1 103 kN，在工作面中部35～80號支架煤壁片幫嚴重，片幫最大達到2 m，39～59號支架范圍內(nèi)出現(xiàn)大范圍冒頂，冒頂高度為1～2 m，工作面94%的安全閥開啟，對應(yīng)地表出現(xiàn)1條明顯裂縫，且出現(xiàn)1.1 m的臺階，裂縫寬度為0.2～1.1 m。當工作面回采至1 947 m時發(fā)生第2次動載礦壓，對應(yīng)地貌特征為沖溝坡頂，支架壓力數(shù)據(jù)范圍在1 245～1 463 kN，工作面中部44～70號支架煤壁片幫嚴重，57～60號支架冒頂達2.4 m，地表與第1次動載礦壓發(fā)生位置相比裂縫的寬度和長度明顯增加，最寬處達4 m，長度約19 m，最大臺階高度為2.3 m。動載礦壓發(fā)生位置如圖2所示。

表1 不同地形區(qū)段工作面來壓特征Table 1 Working face of different terrain area to press feature

圖2 動載礦壓發(fā)生位置Fig.2 Dynamic strata pressure appearance site

研究區(qū)域2次動載礦壓顯現(xiàn)劇烈均為工作面中部壓力較大，兩端頭相對較小，根據(jù)實測結(jié)果，工作面在背坡開采段來壓平均步距為19.7 m，來壓平均持續(xù)長度為1.4 m；在向坡開采段來壓平均步距為18.9 m，來壓平均持續(xù)長度1.6 m。因此，背坡開采和向坡開采相比來壓平均步距較大，平均持續(xù)長度相對較小，工作面壓力情況如圖3所示。

圖3 向坡段工作面壓力曲線Figure 3 Up slope of pressure curve of working face

2 關(guān)鍵層失穩(wěn)機理分析

根據(jù)上述礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，本文主要針對綜采工作面在溝谷地形下向坡開采時，分析關(guān)鍵層缺失對綜采工作面壓力的影響。

2.1 關(guān)鍵層的判斷

對于1-2煤三盤區(qū)關(guān)鍵層的判別，主要是利用該盤區(qū)現(xiàn)有的鉆孔柱狀圖，同時結(jié)合專用計算機軟件進行判定(KSPB)，其中的246鉆孔、H65鉆孔的關(guān)鍵層判定結(jié)果如圖4所示[15]。根據(jù)現(xiàn)有鉆孔柱狀圖和地面實測標高分析得出，該盤區(qū)主關(guān)鍵層一般位于谷底之上，因此，在沖溝底部覆巖內(nèi)無主關(guān)鍵層，具體情況見表2。

圖4 三盤區(qū)覆巖主關(guān)鍵層判定結(jié)果Fig.4 Key strata of overlying strata of No.3 panel

表2 21304綜采工作面覆巖主關(guān)鍵層缺失統(tǒng)計Table 2 Missing statistics of main key strata in overlying strata of 21304 mechanized mining

根據(jù)研究區(qū)域主關(guān)鍵層判斷結(jié)果得出，其1-2上煤層在開采過程中上部有2層關(guān)鍵層，而1-2煤與1-2上煤層之間僅有1層關(guān)鍵層，由于1-2上煤已開采完畢，該煤層上部關(guān)鍵層因采動影響發(fā)生了破斷，因此，在1-2煤開采過程中僅剩1層關(guān)鍵層，存在于1-2上和1-2煤之間，其類型屬已采單一關(guān)鍵層。

2.2 覆巖主關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)致災(zāi)機理

根據(jù)上述情況分析可知，研究區(qū)域上部煤層開采后關(guān)鍵層失穩(wěn)破斷，該煤層與上部煤層間僅存在1層關(guān)鍵層，由于地表地貌影響其工作面上部為沖溝發(fā)育地形，在沖溝底部1-2煤與1-2上煤層間的關(guān)鍵層出現(xiàn)缺失情況，由此在回采過程中過沖溝后連續(xù)2次出現(xiàn)采場礦壓顯現(xiàn)劇烈的情況，導(dǎo)致工作面出現(xiàn)大面積冒頂和片幫。沖溝發(fā)育段與最初開采時的平直段相比采場來壓步距相對縮短，壓力影響范圍增加，根據(jù)“S-R”穩(wěn)定理論的失穩(wěn)條件計算。

滑動穩(wěn)定條件下：

(1)

轉(zhuǎn)動變形穩(wěn)定條件下：

(2)

式中：h和h1分別為結(jié)構(gòu)層及荷載層厚度，m；σc為巖層單向抗壓強度，MPa；θ1為回轉(zhuǎn)變形角，(°) ；i為巖塊的厚長比，即i=h/l；tanφ為巖塊間的摩擦系數(shù)，取0.3。

在1-2上煤層回采過程中，由于上覆巖層存在2個關(guān)鍵層，在關(guān)鍵層破斷后能夠形成穩(wěn)定的砌體梁結(jié)構(gòu)；而在1-2煤層回采時該結(jié)構(gòu)屬于已采單一關(guān)鍵層，在平直段時由于上部煤層關(guān)鍵層破斷后形成穩(wěn)定的砌體梁結(jié)構(gòu)。因此，該段回采也能夠形成較為穩(wěn)定的砌體梁結(jié)構(gòu)。在背坡開采階段，由于工作面推采方向前端為沖溝谷底，當關(guān)鍵層破斷后，塊體發(fā)生扭轉(zhuǎn)后受到不破斷塊體水平壓力的作用，塊體間豎向摩擦力增大使其形成較穩(wěn)定的砌體梁結(jié)構(gòu)，所以在背坡開采時采場壓力基本正常，未發(fā)生冒頂事故。在向坡開采階段，由于地表構(gòu)造及關(guān)鍵層缺失等原因影響，在回采時上部關(guān)鍵層破斷后巖體產(chǎn)生了較大的回轉(zhuǎn)變形，使1-2上煤層已穩(wěn)定的砌體梁結(jié)構(gòu)的塊體失穩(wěn)，將荷載傳遞到下部的單一關(guān)鍵層，最終導(dǎo)致該工作面出現(xiàn)了2次動載礦壓顯現(xiàn)劇烈的情況。塊體回轉(zhuǎn)變形情況，見圖5和圖6。

圖5 1-2上煤層和1-2煤層背坡回采過程中關(guān)鍵層破斷情況Fig.5 The breaking of the key strata in the mining of down slope of the 1-2 up and 1-2 coal seam

圖6 1-2上煤層和1-2煤層向坡回采過程中關(guān)鍵層破斷情況Fig.6 The breaking of the key strata in the mining of up slope of the 1-2 up and 1-2 coal seam

上述現(xiàn)象可以根據(jù)“砌體梁”結(jié)構(gòu)平衡條件得到進一步的說明。防止關(guān)鍵層破斷塊體間出現(xiàn)滑落失穩(wěn)時的結(jié)構(gòu)平衡要求為：

T·tan(φ-θ)>(R)0-0

(3)

式中：T為結(jié)構(gòu)塊體的水平推力，kN；φ為巖塊間的摩擦角，(°)；θ為破斷面與垂直面的夾角，(°)；(R)0-0為下位巖層對上位巖層的阻力及塊間的剪切力，kN。

由圖3-5可見，由于過溝谷地形上坡段的主關(guān)鍵層缺失側(cè)向水平擠壓力，式(3)中的水平推力T為0，顯然無法滿足，表明主關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)易出現(xiàn)滑落失穩(wěn)。此時，滑落失穩(wěn)的主關(guān)鍵層將作為下部單一關(guān)鍵層的載荷，導(dǎo)致下部單一關(guān)鍵層因承擔載荷太大而不能滿足“砌體梁”結(jié)構(gòu)的S-R穩(wěn)定判據(jù)，而易出現(xiàn)滑落失穩(wěn)。

2.3 覆巖關(guān)鍵層失穩(wěn)出現(xiàn)動載礦壓機理的相似模擬試驗過程

2.3.1 室內(nèi)相似模擬試驗的方案設(shè)計

為了對上述1-2煤層單一主關(guān)鍵層斷裂后滑落而產(chǎn)生動載礦壓理論進行驗證，采取了1∶100的室內(nèi)相似模擬試驗進行研究，其中模型土體的容重相似比采用0.71，應(yīng)力相似比采用1∶150，推采的時間比采用1∶10，其模型土體的主要參數(shù)采用鉆孔號為246的取樣結(jié)果進行配比，具體物理力學(xué)參數(shù)，如表3所示。

由于21304工作面2次來壓顯現(xiàn)劇烈的情況均出現(xiàn)在1-2煤層向坡開采階段，因此，本次試驗結(jié)合實際情況模擬1-2煤上部已采單一關(guān)鍵層開采的情況，所有方案均采用同一模型參數(shù)。具體方案如下：

方案一：模擬1-2上煤層開采上部關(guān)鍵層缺失與未缺失情況的回采。

方案二：利用方案一1-2上煤層已采后的模型，繼續(xù)模擬1-2煤層上部煤層開采后覆巖關(guān)鍵層破壞情況。

物理模型尺寸為長1 300 mm，高700 mm，2個煤層的層間距為110 mm，坡角為45°，具體參數(shù)，如表4所示。實際模擬時自1-2煤層至地表布置4排測點，每排測點中心點間距100 mm，每列間距20 mm。

表4 室內(nèi)物理模型的具體參數(shù)Table 4 Specific parameters of indoor physical model

2.3.2 室內(nèi)相似模擬試驗結(jié)果分析

根據(jù)室內(nèi)物理試驗結(jié)果,分析可知1-2上煤和1-2煤回采主關(guān)鍵層缺失與未缺失回采情況，如圖7所示。在回采到80.3 m時，上覆煤層的關(guān)鍵層缺失，1-2上煤層回采時，1-2上煤層因主關(guān)鍵層發(fā)生了破斷后，塊體之間無橫向壓力作用，豎向摩擦力降低，最終主關(guān)鍵層塊體失去了穩(wěn)定性而產(chǎn)生滑落，導(dǎo)致1-2上煤層在回采過程中發(fā)生了動載礦壓現(xiàn)象，見圖7(a)和(c)。1-2煤層在回采過程中由于上部煤層開采后主關(guān)鍵層出現(xiàn)了滑落失穩(wěn)，該煤層開采屬上部已采單一關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)，由于上部煤層失穩(wěn)滑落后所有荷載均作用在下部單一關(guān)鍵層之上。因此，在回采過程中采場壓力增大，出現(xiàn)工作面切頂現(xiàn)象。由圖7的(b)和(d)可知，當1-2上煤層開采后由于上部關(guān)鍵層完好，在回采過程中關(guān)鍵層破斷后塊體之間相互擠壓，形成豎向摩擦力，使其形成穩(wěn)定的砌體梁結(jié)構(gòu)，所以荷載主要作用在前方煤體及后部的采空區(qū)中，在較大程度上減少了荷載向下部煤層的作用。因此，1-2煤在回采過程中未出現(xiàn)動載礦壓現(xiàn)象。試驗數(shù)據(jù)如表5所示。

圖7 1-2上煤和1-2煤回采主關(guān)鍵層缺失與未缺失回采情況對比Fig.7 Comparison of main key strata absence and non-absence recovery situation of coal 1-2up and coal 1-2

1-2煤上部關(guān)鍵層的穩(wěn)定性主要取決于上部煤層開采活動后其覆巖主關(guān)鍵層產(chǎn)生破斷所形成的砌體梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。如果1-2上煤層開采后其關(guān)鍵層破斷后，由于各斷裂巖塊之間排列整齊，相互回轉(zhuǎn)時能夠形成擠壓作用，產(chǎn)生相互的摩擦力。因此，在一定的條件下能夠形成類似梁實際為半拱形的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。如果上部煤層覆巖破斷后其巖塊之間相互回轉(zhuǎn)、擠壓所產(chǎn)生的摩擦力不足以支撐其形成穩(wěn)定的砌體梁結(jié)構(gòu)，下部煤層在回采后由于上部已采煤層覆巖結(jié)構(gòu)的影響易出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，直接導(dǎo)致綜采工作面產(chǎn)生動載礦壓。

表5 主關(guān)鍵層缺失與未缺失對采場壓力的影響指標Table 5 The effect of missing and not missing on the stress of the main key stratum

2.4 覆巖關(guān)鍵層失穩(wěn)出現(xiàn)動載礦壓機理的數(shù)值模擬試驗結(jié)果

2.4.1 數(shù)值模擬試驗的方案設(shè)計

數(shù)值模擬試驗與相似模擬試驗相似，主要是模擬上坡段主關(guān)鍵層缺失情況下采場礦壓的變化。模型長度為350 m，高度為105 m，溝深為42 m，根據(jù)動載礦壓發(fā)生位置的實際情況上、下坡腳選為45°，水平煤層回采，回采進度為每次5 m，方向自坡腳開始，2層煤的控頂距均為5 m，1-2上煤的支護強度為1 MPa，1-2煤的支護強度為1.5 MPa，計算模型如圖8所示，具體參數(shù)詳見表6。

圖8 數(shù)值計算模型Fig.8 Numerical model calculation

表6 數(shù)值模型巖層參數(shù)Table 6 Numerical model of rock strata parameters

選取非溝谷地段為基準面值為0 m，低于基準面的地表距離基準面高度為負值，在模擬方案中選取上下每層工作面在地面平直段、溝谷下坡段、溝底和上坡段礦壓顯現(xiàn)數(shù)據(jù)比較數(shù)值，工作面動載礦壓顯現(xiàn)程度，主要采用指標為大周期來壓時工作面支架的支柱下縮量、地面臺階高度和地表裂縫寬度。圍巖破壞采用摩爾-庫侖屈服準則。

2.4.2 數(shù)值模擬試驗結(jié)果分析

1)1-2上煤層開采

工作面在過非溝谷地段、溝谷下坡段和溝底期間，工作面礦壓正常，來壓顯現(xiàn)都較小，地面臺階高度最大1.5 m，裂縫寬度最大0.05 m。主要是工作面上方關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)塊體都保持穩(wěn)定狀態(tài)。

當工作面推進到240 m進入溝谷上坡段期間，工作面來壓強烈，出現(xiàn)動載礦壓現(xiàn)象。最大地面臺階高度量0.67 m，裂縫寬度0.04 m。分析原因是破斷主關(guān)鍵層塊體由于缺少水平應(yīng)力結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，塊體破斷后易產(chǎn)生滑落失穩(wěn)，導(dǎo)致工作面產(chǎn)生動載礦壓。來壓顯現(xiàn)情況如圖9所示。

圖9 1-2上煤層開采來壓Fig.9 Pressure curve of coal 1-2up

2)1-2煤層開采

工作面從非溝谷地段到溝谷下坡段和溝底地形期間，巖層運動和支架變形特征都與開采上煤層相近，上煤開采對下煤層工作面推進都影響不大，關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)塊體都保持穩(wěn)定狀態(tài)，工作面來壓正常。主要表現(xiàn)地面臺階最大高度0.33 m，裂縫寬度最大0.09 m。

工作面進入溝谷上坡段期間，當推進到240 m開采上煤層發(fā)生動載礦壓的位置時，工作面再次產(chǎn)生動載礦壓。工作面最大活柱下縮量1.3 m，地面臺階高度最大達到3.35 m，裂縫寬度2 m。分析原因主要破斷主關(guān)鍵層塊體受到二次擾動結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，再次產(chǎn)生滑落失穩(wěn)，使亞關(guān)鍵層2結(jié)構(gòu)塊體上覆巖層載荷急劇增大也出現(xiàn)滑落失穩(wěn)，從而導(dǎo)致工作面產(chǎn)生活柱急劇下縮、圍巖切頂嚴重的動載礦壓。來壓顯現(xiàn)情況如圖10所示。

圖10 1-2煤層開采來壓Fig.10 Pressure curve of coal 1-2

在1-2上煤層工作面向坡推采到220 m時，由于上部覆巖關(guān)鍵層破斷后塊體間水平應(yīng)力，塊體間豎向摩擦力不足以支撐上部及自身荷載作用，導(dǎo)致工作面出現(xiàn)動載礦壓，地面臺階最高落差為0.51 m，裂縫寬度最大為0.11 m。在1-2煤層工作面向坡推采至220 m時，由于上部煤層在此處主關(guān)鍵層失穩(wěn)已出現(xiàn)過1次動載礦壓現(xiàn)象，因此，在該處由于上部未形成穩(wěn)定的砌體梁結(jié)構(gòu)上煤層開采后斷裂塊體及上部全部荷載作用在亞關(guān)鍵層2上，導(dǎo)致該關(guān)鍵層失穩(wěn)滑落，出現(xiàn)強烈的動載礦壓現(xiàn)象，地面臺階落差增大到2.2 m，地表裂縫寬度為0.26 m。

2.5 相似模擬與數(shù)值模擬試驗對比分析

根據(jù)相似模擬與數(shù)值模擬試驗的結(jié)果進行對比分析，可以得出關(guān)鍵層的缺失與否對煤層的開采至關(guān)重要，當關(guān)鍵層未缺失工作面向坡開采時，受采動影響后斷裂塊體間回轉(zhuǎn)變形量較小，塊體間橫向作用力較大，容易形成穩(wěn)定的砌體梁結(jié)構(gòu)，在上部煤層開采后形成穩(wěn)定的砌體梁結(jié)構(gòu)，下部煤層開采一般不會受到動載礦壓的影響。當關(guān)鍵層缺失工作面向坡開采時，在煤層開采后不會形成穩(wěn)定的砌體梁結(jié)構(gòu)，在工作面上部荷載逐漸增大時，容易斷裂塊體容易出現(xiàn)滑落失穩(wěn)現(xiàn)象，致使工作面出現(xiàn)動載礦壓，上部煤層開采后其荷載全部作用在下部煤層之上，因此，在下部煤層向坡開采時采場礦壓顯現(xiàn)呈不斷增大趨勢，導(dǎo)致上部塊體滑落失穩(wěn)，產(chǎn)生動載礦壓。

3 結(jié)論

1)主關(guān)鍵層未缺失時，在上部煤層回采后，由于破斷塊體間相互擠壓形成穩(wěn)定的砌體梁結(jié)構(gòu)能夠承受一定的荷載，當下部煤層開采時，在通常情況下也能夠形成良好的砌體梁結(jié)構(gòu)，確保綜采工作面在回采過程中不受動載礦壓的影響。

2)主關(guān)鍵層缺失時，上部煤層在回采后，由于破斷塊體之間回轉(zhuǎn)變形較大塊體間橫向作用力很小，不容易形成穩(wěn)定的砌體梁結(jié)構(gòu)，當下部煤層開采后，由于其上部未形成穩(wěn)定的砌體梁結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致開采后上部各巖層形成的荷載全部作用在下部煤層的關(guān)鍵層上，因此，當下部煤層的關(guān)鍵層不能夠承受上部荷載壓力時，工作面采場壓力顯現(xiàn)劇烈，出現(xiàn)動載礦壓。

3)近淺埋煤層關(guān)鍵層受地表沖溝地形的影響較大。當沖溝較深時，造成煤層的上部關(guān)鍵層缺失。工作面向坡開采時，其煤層承受的荷載逐漸增加，當增加到某一臨界值時，工作面將受到動載礦壓的影響；背坡開采時，煤層承受的荷載逐漸減小，故此背坡段不易出現(xiàn)動載礦壓影響。