基于關(guān)鍵層理論的8m大采高工作面礦壓規(guī)律研究

馮酉森，陸 浩，焦 斌，李 偉

(神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司 補(bǔ)連塔煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209)

神東礦區(qū)煤炭地質(zhì)儲(chǔ)量巨大，煤層穩(wěn)定，地質(zhì)結(jié)構(gòu)簡單，煤層厚度大[1]，為特厚煤層一次采全高創(chuàng)造了條件[2]，現(xiàn)補(bǔ)連塔煤礦第四個(gè)8m特大采高綜采工作面已正式回采，多名學(xué)者對大采高綜采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行了卓有成效的研究[3-9]，但多集中于綜采面礦壓顯規(guī)律的宏觀總結(jié)，將礦壓規(guī)律與煤層上覆巖層進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析較少。8m特大采高綜采工作面在回采過程中，周期來壓步距、動(dòng)載系數(shù)、來壓持續(xù)距離差異明顯，尤其在過特殊區(qū)域時(shí)，提前對礦壓顯現(xiàn)進(jìn)行預(yù)測預(yù)報(bào)尤為重要，現(xiàn)有的礦壓規(guī)律總結(jié)并不能夠滿足現(xiàn)場實(shí)際需要。

煤系巖層由上部層狀巖體組成，由于各巖層的巖石力學(xué)性質(zhì)、厚度差異明顯，從而在控制采場上部巖層運(yùn)動(dòng)中所起的作用不同，關(guān)鍵層控制采場上覆巖層局部或直至地表的全部巖層活動(dòng)[10-13]，該理論在工程實(shí)踐中已得到證明[14，15]。本文將基于關(guān)鍵層理論對8m特大采高綜采面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行深入分析，總結(jié)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律與關(guān)鍵層之間的關(guān)系。

1 關(guān)鍵層判別方法

覆巖關(guān)鍵層判別分為三個(gè)步驟：一是根據(jù)覆巖巖層物理力學(xué)性質(zhì)、厚度等參數(shù)，利用組合梁理論判斷堅(jiān)硬巖層；二是根據(jù)巖層梁式破斷計(jì)算其極限跨距；三是對堅(jiān)硬巖層的極限跨距進(jìn)行分析，確定煤層上方覆巖中主關(guān)鍵層、亞關(guān)鍵層的位置及相關(guān)參數(shù)[16]。

1.1 堅(jiān)硬巖層判斷

基本頂初次來壓后，隨綜采工作面回采，煤層上覆基巖經(jīng)過破斷、運(yùn)動(dòng)，周而復(fù)始的出現(xiàn)“穩(wěn)定—失穩(wěn)—穩(wěn)定”過程，根據(jù)關(guān)鍵層定義，關(guān)鍵層之間非同步協(xié)調(diào)變形，關(guān)鍵層上部控制巖層與關(guān)鍵層同步變形，如圖1所示。

圖1 巖層載荷計(jì)算

假設(shè)第1層為堅(jiān)硬巖層，則第n層巖層對第1層巖層的載荷為：

式中，q(n)1為第n層對第1層堅(jiān)硬巖層的荷載，MPa；Ei為第i層巖層彈性模量，GPa；hi為第i層巖層厚度，m；Vi為第i層巖層體積力，MN/m3。

假設(shè)第n+1層為另一堅(jiān)硬巖層，由于其巖層撓度小于下層巖層，故n+1層堅(jiān)硬巖層不隨下部巖層同步變形，那么就存在：

q(n+1)1

(2)

將式(2)代入式(1)，即得堅(jiān)硬巖層的判斷公式：

由煤層上方第1層巖層開始計(jì)算，滿足式(3)即為第2層堅(jiān)硬巖層，以此類推，得到煤層上覆堅(jiān)硬巖層的位置，以及該巖層起控制作用的相對軟巖位置。

1.2 堅(jiān)硬巖層極限跨距判斷

為方便計(jì)算，以兩端固支梁模型作為參考依據(jù)，判斷各堅(jiān)硬巖層的極限破斷距，則：

式中，Lk為第k層堅(jiān)硬巖層極限跨距，m；hk為第k層堅(jiān)硬巖層厚度，m；Rk為第k層堅(jiān)硬巖層極限抗拉強(qiáng)度，MPa；qk為第k層堅(jiān)硬巖層載荷，MPa。

根據(jù)關(guān)鍵層定義可知：關(guān)鍵層所受載荷為本層堅(jiān)硬巖層與其控制的上部相對軟巖的重力之和，所以，式(4)中qk可根據(jù)式(1)進(jìn)行計(jì)算。

由于表土層彈性模量為0，則煤層上覆巖層中的距離地表最近的堅(jiān)硬巖層所受的載荷為：

式中，q0為距離表土層最近堅(jiān)硬巖層所受的載荷，MPa；E0為距離表土層最近堅(jiān)硬巖層彈性模量，GPa；h0為距離表土層最近堅(jiān)硬巖層厚度，m；h為表土層厚度，m；V0為距離表土層最近堅(jiān)硬巖層的體積力，MN/m3；V為表土層體積力，MN/m3；m為距離表土層最近堅(jiān)硬巖層控制的軟巖層數(shù)(除表土層)；hj、Vj、Ej分別為距離表土層最近堅(jiān)硬巖層控制的各層軟巖厚度、體積力、彈性模量，單位分別為m、MN/m3、GPa。

1.3 關(guān)鍵層位置判定

關(guān)鍵層位置判定依據(jù)見式(6)：

Lk

(6)

如果Lk>Lk+1，需要將第k+1堅(jiān)硬巖層所受載荷作用于第k層堅(jiān)硬巖層上，再次算出第k層堅(jiān)硬巖層極限跨距，當(dāng)重新計(jì)算后Lk

2 8m特大采高綜采工作面基本情況

補(bǔ)連塔煤礦12514綜采工作面位于12煤五盤區(qū)，是第四個(gè)8m特大采高綜采工作面，采面長度327.7m，推采長度3088.8m，可采儲(chǔ)量895.21萬t。該綜采面一次采全高，采取垮落法處理采空區(qū)。煤層厚度4.4～8.8m，平均厚度7.26m，煤層傾角1°～3°，煤層穩(wěn)定，地質(zhì)條件簡單，松散層厚度4～13m，上覆基巖厚度240～280m。12514綜采工作面煤巖層綜合情況見表1。

表1 BK50鉆孔煤巖層綜合情況及覆巖關(guān)鍵層判別結(jié)果

3 8m特大采高綜采面關(guān)鍵層判斷

根據(jù)關(guān)鍵層判別方法，結(jié)合8m特大采高綜采面地質(zhì)資料，經(jīng)過式(1)、式(2)、式(3)計(jì)算，確定4、8、16、20、22、25號(hào)巖層為堅(jiān)硬巖層，計(jì)算得堅(jiān)硬巖層極限破斷距分別為21.21m、20.42m、33.71m、26.27m、48.23m、54.08m，具體見表1，其中L4>L8，L16>L20，根據(jù)關(guān)鍵層位置判斷原則，將堅(jiān)硬巖層8承受的載荷加到堅(jiān)硬巖層4上，經(jīng)過計(jì)算L4及先垮落步距小于L8，說明堅(jiān)硬巖層4破斷受控于堅(jiān)硬巖層8，當(dāng)堅(jiān)硬巖層8破斷后，其載荷作用于堅(jiān)硬巖層4，從而導(dǎo)致堅(jiān)硬巖層4破斷，取L4=L8=20.42m，同理堅(jiān)硬巖層L16=L20=26.27m。因此，經(jīng)過演算，存在4層關(guān)鍵層，第4層、16層、22層為亞關(guān)鍵層，第25層為主關(guān)鍵層，直接頂厚度7.77m。

在煤炭開采過程中，隨下部回采作業(yè)，導(dǎo)致上覆巖層運(yùn)動(dòng)，根據(jù)關(guān)鍵層理論，上部巖層分段斷裂，從而形成綜采工作面周期來壓，將各關(guān)鍵層周期來壓步距按懸臂梁式折斷進(jìn)行計(jì)算，而各關(guān)鍵層周期來壓步距與極限垮落步距存在以下關(guān)系：

式中，Lk周為第k層關(guān)鍵層周期來壓步距，m。

經(jīng)計(jì)算得L1周=8.66m，L2周=10.72m，L3周=19.69m，L4周=22.07m。

現(xiàn)根據(jù)所判別出的各關(guān)鍵層周期來壓步距，對工作面500m范圍內(nèi)來壓步距進(jìn)行預(yù)判，除去老頂初次來壓，兩次周期來壓步距小于4m時(shí)，現(xiàn)場表現(xiàn)為兩次周期來壓無明顯間隔，視為一次周期來壓，則補(bǔ)連塔煤礦8m特大采高綜采面周期來壓步距預(yù)測結(jié)果見表2，其中，周期來壓步距平均值為9.15m。

表2 補(bǔ)連塔煤礦8m特大采高綜采面周期來壓步距預(yù)測表

通過表2可知，周期來壓步距存在大、小之分，且隨工作面推進(jìn)，由于上部關(guān)鍵層極限跨距不同，導(dǎo)致部分相鄰周期來壓步距短，工作面現(xiàn)場表現(xiàn)為持續(xù)帶壓，或同一綜采面推進(jìn)度下，上覆兩層關(guān)鍵層復(fù)合破斷，導(dǎo)致周期來壓強(qiáng)度大、煤壁片幫、頂板破碎嚴(yán)重、立柱下沉量大等強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)。

4 8m特大采高綜采面礦壓規(guī)律

在A月監(jiān)測周期內(nèi)，綜采面推進(jìn)288m，共發(fā)生周期來壓24次，周期來步距6.0～18m，平均來壓步距10.6m，動(dòng)載系數(shù)1.28～1.51，平均1.36，來壓強(qiáng)度較強(qiáng)烈，來壓持續(xù)長度2.4～9.6m，平均4.88m，如圖2所示。來壓期間綜采面中部支架載荷最大，機(jī)尾段次之，機(jī)頭段最小。綜采面周期來壓步距差異明顯，存在大、小周期來壓步距現(xiàn)象，大、小周期來壓無明顯規(guī)律，部分周期來壓時(shí)工作面帶壓距離長，現(xiàn)場頂板破碎、梁端距較大(1.5～2m)，可能受上部多層關(guān)鍵層先后折斷影響，相鄰周期來壓之間步距小，導(dǎo)致相鄰周期來壓之間沒有明顯區(qū)分。

圖2 8m特大采高綜采面A月周期來壓曲線

在B月監(jiān)測周期內(nèi)，工作面推進(jìn)325m，共發(fā)生周期來壓31次，周期來步距2.7～15.3m，平均來壓步距6.9m，動(dòng)載系數(shù)1.26～1.5，平均1.33，來壓強(qiáng)度較強(qiáng)烈，來壓持續(xù)長度1.8～9.9m，平均4.01m，如圖3所示，來壓期間綜采面中部支架載荷最大，機(jī)尾段次之，機(jī)頭段最小。綜采面周期來壓步距差異明顯，存在大、小周期來壓步距現(xiàn)象，大、小周期來壓無明顯規(guī)律，部分周期來壓時(shí)綜采面帶壓距離長，帶壓支架呈散點(diǎn)狀分布，可能受上部多層關(guān)鍵層先后折斷影響。

圖3 8m特大采高綜采面B月周期來壓曲線

根據(jù)關(guān)鍵層理論計(jì)算預(yù)測500m范圍內(nèi)，綜采面共出現(xiàn)48次周期來壓，平均周期來壓步距9.15m，其中L<5m、5m≤L<10m、10m≤L<15m、15m≤L占比分別12.5%、52.08%、31.25%、4.17%；通過綜采面實(shí)際礦壓數(shù)據(jù)分析，綜采面共推進(jìn)613m，出現(xiàn)55次周期來壓，平均周期來壓步距8.5m，平均動(dòng)載系數(shù)1.34，來壓強(qiáng)度較強(qiáng)烈，其中L<5m、5m≤L<10m、10m≤L<15m、15m≤L分別占比16.38%、54.55%、23.64%、5.45%，周期來壓步距預(yù)測值與實(shí)際值相差0.65m，各周期來壓步距區(qū)段占比基本相同，其中5～15m占比達(dá)到78%以上。

5 結(jié) 論

1)基于關(guān)鍵層理論，確定8m特大采高綜采面上覆基巖存在4層關(guān)鍵層，并確定其層位，在此基礎(chǔ)上分析預(yù)測綜采面推進(jìn)500m范圍內(nèi)平均周期來壓步距為9.15m，并確定各周期來壓步距區(qū)段占比。

2)根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，8m特大采高綜采面周期來壓步距差異明顯，存在大、小周期來壓現(xiàn)象，大、小周期來壓之間沒有明顯規(guī)律，周期來壓步距2.7～18m，平均8.5m，隨綜采面推采，上覆關(guān)鍵層極限跨距不同，先后折斷，部分周期來壓之間沒有明顯區(qū)分，存在關(guān)鍵層復(fù)合破斷的情況，工作面帶壓距離長，頂板管控困難。

3)綜采面采高大，直接頂垮落后活動(dòng)空間大，關(guān)鍵層折斷對支架沖擊較大，周期來壓期間動(dòng)載系數(shù)1.26～1.51，平均1.34，來壓強(qiáng)度較強(qiáng)烈。

4)通過關(guān)鍵層極限跨距分析與現(xiàn)場實(shí)際周期來壓步距對比，預(yù)測周期來壓步距9.15m，實(shí)際周期來壓步距8.5m，周期來壓步距L<5m、5m≤L<10m、10m≤L<15m、15m≤L的占比基本與現(xiàn)場實(shí)際周期來壓步距區(qū)段占比相吻合，通過關(guān)鍵層極限跨距可對工作面周期來壓步距進(jìn)行初步預(yù)測，指導(dǎo)現(xiàn)場工作。

5)關(guān)鍵層理論周期來壓步距與現(xiàn)場實(shí)際周期來壓步距吻合度高，需要進(jìn)一步分析綜采面周期來壓強(qiáng)度、步距、帶壓距離與對應(yīng)關(guān)鍵層破斷層位之間的關(guān)系，從而提高預(yù)測預(yù)報(bào)精度，確保安全、高效回采。