上覆硬厚岩层破断运动及断顶控制

蒋金泉，代 进，王 普，张林良

（山东科技大学 矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地，山东 泰安 271002）

1 引 言

煤层上覆岩层赋存有坚硬、厚度较大的硬厚岩层的煤矿占30%左右，如岩浆岩、厚层较坚硬的砂岩或砾岩等。硬厚岩层条件下，工作面覆岩运动、覆岩结构及矿压显现特征将发生显著变异，硬厚岩层起着重要的控制作用，硬厚岩层下部出现离层空间[1-2]，大面积断裂失稳易形成顶板动载等灾害[3-4]，也可能形成飓风和冲击地压[5-6]；煤层群开采条件下，易沟通上部老采空区，而上部采空区的有害气体、积水、隐形火区等贯通到下部工作面，可能形成瓦斯、透水、火灾等安全隐患。顶板深孔爆破可降低工作面支架动载及冲击地压危险[7-10]。采空区下工作面硬厚覆岩的破断运动、结构与裂隙发育状态及其控制问题需要进一步深入研究。

针对汝箕沟煤矿采空区下工作面硬厚覆岩条件，采用现场实测、数值模拟、理论分析及现场试验等方法，本次研究了上覆硬厚岩层运动、破断裂隙发育特征和矿压显现特征，试验了硬厚岩层开切眼深孔爆破断顶技术，可为硬厚覆岩工作面灾害防治提供依据。

2 覆岩硬厚岩层赋存状态

神华宁煤贺兰山煤田汝箕沟煤矿主要含煤地层为下侏罗统延安组，含多层石英厚层粗砂岩、煤层及粉砂岩等。主采二1 煤层、二2 煤层和三煤层二1煤层的平均厚度为6 m，已经全部开采，属于上部老采空区。二2 煤层平均厚度为8.5 m，缓倾斜赋存，结构较复杂，含2 层夹矸。二2 煤层与上部二1 煤层采空区的层间距为60 m 左右。

图1 119 钻孔柱状图Fig.1 119 drilling histogram

二2煤层采用走向长壁倾斜分层综合机械化开采。3213(1)工作面煤层厚7.5～10.7 m，倾角为8°～12°，平均为9°，与上部二1 煤层8310 和8510老采空区的层间距61.5 m，工作面119 钻孔柱状见图1。二2 煤层直接顶板为粉砂岩，层理发育，易离层冒落，普氏系数f=4～6；上覆岩层存在较厚的坚硬岩层，厚16.88 m 及6.2 m 的粗砂岩，厚15.25 m的粗砂岩，f=8～12。二1煤层采空区上部为14.2 m 的厚层状粗砂岩，二2 煤层直接底为厚2.3 m的粉砂岩、细砂岩，层理发育，较坚硬；老底为厚8.13 m 的细砂岩、中砂岩，层理发育，致密坚硬。厚层粗砂岩含石英，致密坚硬，完整性好，较难垮落。

3213(1)工作面平面图见图 2。工作面标高1 958～2 008 m，地面标高2 381～2 179 m，工作面北东邻接F16 断层，北西紧靠3229 采空区，南东无采掘活动。工作面倾斜长220 m，基本支架为ZZP5600/17/35 型。

图2 3213(1)工作面平面图Fig.2 Plan of working face 3213(1)

3 硬厚岩层破断运动及动压显现

3.1 硬厚岩层大面积破断运动及支架动载

3213（1）工作面上覆岩层中有2 层硬厚、完整的粗砂岩，其厚度分别为16.88 m 和15.25 m，与煤层的层间距分别为11.84 m 和42.8 m，前者将成为覆岩主关键层，对顶板运动及矿压显现起着主导作用。根据电子显微镜扫描和物相X 射线衍射图谱分析，粗砂岩的主要成分为石英及长石，其次为方解石和石膏等，泥质含量极少。如图3 所示，不同层位的粗砂岩在微观结构上都是致密完整的。

工作面开采过程中，当两巷的推进距离平均达到65 m时，硬厚主关键层发生了大面积初次来压。根据KJ-377 型综采支架工作阻力监测系统自动监测，初次来压期间工作面23#、43#、73#、93#、113#、123#支架出现超压（32 MPa）报警，部分支架压力超过36 MPa，甚至达到45 MPa。来压期间大范围的支架出现了报警现象，报警次数最多，持续时间最长，支架工作压力最高。工作面顶板下部悬露岩层突然下沉运动，对支架造成强烈动压，且作用时间长，影响范围大。

根据监测分析及现场观测，工作面主关键层第1～5 次周期来压步距为29.9～36.6 m，平均为34.2 m。周期来压期间，工作面下部部分支架出现了超压报警现象，最大压力达到40.5 MPa。工作面中部支架压力变化大，报警次数多，持续时间长。工作面上部仅少部分支架出现报警，最大压力为34.5 MPa。顶板稳定阶段支架工作压力基本在24 MPa 左右，只有极少部分支架超过28 MPa。

硬厚岩层大面积破断运动的支架动载系数大，初次来压期间最大动载系数达到1.875，周期来压期间最大动载系数为1.438～1.688。由此可见，完整性好、厚度较大岩层在采空区上方不能及时垮落，来压步距大，大面积破断运动形成了工作面的强烈动载，甚至导致安全阀、油缸及支架结构的损坏，威胁工作面安全生产。

图3 粗砂岩电子显微镜扫描图谱Fig.3 Electron microscope scanning maps of gritstone

3.2 硬厚岩层破断裂隙沟通上部采空区

二2煤层上覆岩层主要为粗砂岩、中细砂岩及砾岩等，基本顶及其以上的岩层普遍比较坚硬，完整性好。根据覆岩断裂带高度的经验计算方法[11]，3213(1)工作面坚硬覆岩条件下断裂带最大高度为

式中：HL为断裂带最大高度（m）；∑M为开采高度（3 m）。

按照经验计算，工作面覆岩断裂带高度仅为30.1～41.3 m。工作面与上方采空区的层间距为61.5 m，计算得到的断裂带高度远小于层间距，断裂带顶部与上方采空区之间还有20～30 m 的保护岩柱高度，覆岩断裂带不会与上方采空区沟通。

汝箕沟煤矿为高瓦斯、煤与瓦斯突出矿井，煤层易自，部分采空区常年发火。二1煤层采空区是多年开采遗留的老采空区，存在着大量的隐形火区，含有大量有害气体。与3213（1）工作面相邻的3212（1）工作面回采期间，当风巷推进117 m、机巷推进108 m时，工作面上覆硬厚岩层大面积初次来压，导通了上方二1 煤层采空区，上方采空区内的火源下沉引 工作面采空区瓦斯及煤炭，导致3212（1）工作面发火，并封闭3个多月，可见硬厚岩层大面积破断失稳所形成的破断裂隙容易沟通上方采空区。

3213(1)工作面上方存在二1 煤层8620 采空区发火区。当工作面风巷推进237 m、机巷推进222 m时，工作面推进距离与工作面长度接近，处于“见方易垮”阶段，覆岩运动发育高度扩大，岩层错动比较强烈，覆岩裂隙沟通了上方采空区，导致工作面76#支架后尾梁上方发现明火。可见，厚层坚硬岩层控制着工作面覆岩运动与裂隙发育高度，大面积破断失稳导致了破断裂隙高度的显著扩大，厚层坚硬岩层条件下覆岩断裂带高度明显超过了经验计算值。

4 采空区下工作面硬厚岩层结构特征

为分析硬厚覆岩的结构与裂隙发育特征，以二2煤层上覆硬厚覆岩条件为背景，采用UDEC2D离散元方法进行数值模拟[12]。如图4 所示，模型尺寸为400 m×300 m，上煤层距上部边界150 m，上煤层厚度6 m，下煤层厚9 m，顶分层开采厚3 m，底板岩层厚75 m。模型上部边界均布载荷为10.8 MPa，左右边界及底部边界采用位移控制。模型岩层力学参数见表1。采用摩尔-库仑塑性屈服准则作为计算判据。根据矿井实际，上部二1煤层先行开采，二1煤层工作面处于采空区下方。

图4 数值模拟模型Fig.4 Numerical simulation model

如图5(a)所示，工作面推进90 m时，硬厚覆岩的下部岩层两端及中部出现拉伸破坏单元，发生大跨度破断失稳运移，下部岩层运动后上方出现了明显的离层空间，离层带高20.2 m；中部岩层处于大面积悬空状态，并在两端出现一些拉伸破坏单元。如图5(b)所示，工作面推进140 m时，硬厚覆岩的中部岩层随着悬空面积的扩大，两端拉破裂进一步发展，并产生一定的弯曲沉降。如图5(c)所示，工作面推进170 m时，硬厚覆岩的中部岩层两端产生屈服破裂，中部产生拉破裂，并发生大跨度破断失稳运移，其下方的离层空间闭合，上方出现了明显的离层空间，离层带高度由20.2 m 上升到36.7 m，上部岩层两端及中部出现屈服破裂及拉伸破坏单元，并出现一定的弯曲变形。如图5(d)所示，工作面推进200 m时，硬厚覆岩的上部岩层两端及中部出现拉破裂，发生破断失稳运移，两煤层之间的离层空间全部闭合。

表1 模型岩层力学参数Table 1 Mechanical parameters of model rock

图5 硬厚覆岩层结构状态Fig.5 Hard and thick overlying strata structure

由图5 及表2 可见，在硬厚岩层条件下，随着开采面积的扩大，覆岩破断裂隙不断向上发展，在开切眼上部和工作面上部及采空区中部形成主破断裂隙带，上部岩层破断时将沟通上方采空区。各组坚硬岩层之间，由于赋存高度及破断失稳步距的不同，呈现离层空间的扩展及闭合过程。坚硬岩层呈现大面积悬空、大步距失稳运动、主破断裂隙向上扩展，导致了工作面支架的强烈动载，主裂隙带与上方采空区的沟通。

表2 覆岩裂隙发育特征Table 2 Development characteristics of overburden rock fracture

5 工作面开切眼深孔爆破断顶

汝箕沟煤矿工作面硬厚覆岩来压步距大，支架动载高，易造成支架损坏；覆岩破断主裂隙带高度大，容易与上方采空区贯通，给工作面开采带来安全隐患。因此，在二2 煤层102216 工作面进行了深孔爆破断顶及降低采高的现场试验，以达到缩小初次来压步距、减缓支架动载、降低主裂隙带高度的目的。

5.1 硬厚岩层破断步距的反演预测

利用已有工作面的实际破断步距，采用薄板步距计算式反演计算粗砂岩的等效抗拉强度，再依据新开采工作面顶板粗砂岩厚度及工作面长度，计算预测其破断步距，具有可靠性。

102216 工作面位于3213（1）工作面南东，工作面长250 m，直接顶为粉砂岩，泥质胶结，厚4.4～10 m，平均厚7.03 m。第1 层基本顶厚13.5 m，第2 层基本顶厚36.7 m，基本顶为石英粗砂岩（含砾石），硅质胶结。

以相近的3213（1）工作面实际来压步距为基础，预测102216 工作面硬厚岩层的破断步距。根据四边固支的薄板理论分析[11]，硬厚岩层初次破断步距计算式为

式中：a为初次破断步距；lm为工作面推进无限长的极限跨距；h为硬厚岩层厚度；σs为抗拉强度；q为硬厚岩层荷载 γh ；μ为泊松比；b为工作面长度。

由式（2）得到

3213（1）工作面b=220 m，h=16.88 m，a=65 m，硬厚粗砂岩γ=26 kN/m3，μ=0.23。由式（3）反演计算得到粗砂岩的等效抗拉强度σs=3.06 MPa。

102216 工作面长度b=250 m，第1 层粗砂岩h=13.5m，第2 层粗砂岩h=36.7 m，由式（2）第一式计算得到2 层粗砂岩的极限稳定跨距 lm分别为59.5、98.1 m，由式（2）第二式计算得到初次破断步距a 分别为59.6、100.9 m。

5.2 开切眼深孔断顶爆破技术

102216 工作面煤层厚度平均为8.5 m，采用分层综采，基本支架选用ZZP5600/17/35 型，适应采高2.3～3.2 m。为降低硬厚覆岩运动的矿压显现程度，将顶分层采高降低为2.3 m，从而减小覆岩运移的空间和幅度。

开切眼深孔断顶爆破，可以将硬厚顶板的开切眼边界条件由固支边界转化为自由边界，减小初次破断步距，降低初次来压强度。

深孔断顶爆破的 眼深度根据断顶高度确定，将 眼终孔高度进入第2个硬厚岩层的一定厚度，对厚13.5 m 及36.7 m 的2个硬厚岩层进行断顶，眼间距及装 量根据预裂爆破参数计算方法进行设计[13]，眼布置参数如图6 及表3 所示。眼在开切眼直线布置，倾向打孔，水平投影与开切眼轴线平行，孔口距工作面煤壁5 m，孔口间距6 m。顶板 眼共43个，其中34个断顶 眼的垂深为27.7 m，穿过直接顶、13.5 m 的第1 硬厚岩层，进入第2 硬厚岩层的高度达到7 m 左右。在风巷一侧布置楔形 槽眼，机巷一侧布置补充 眼。

采用φ78 mm合金钢钻头施工钻孔，成孔直径φ 80 mm。采用φ 70 mm×500 mm 矿用 化炸卷，连续耦合装 方式，每孔使用2 组起爆 卷，每组起爆 卷采用2 发煤矿许用毫秒延期电雷管。眼装 量4 kg/m，装 与封孔的长度比6:4，泥筒规格φ 70 mm×270 mm。

实际施工中，28个断顶 眼装 量足、封孔质量好，其余6个 眼装 量不足，仅少数 眼存在冲孔现象，断顶的爆破效果较好。

5.3 开切眼深孔爆破断顶效果

2013年2 月12 日在开切眼实施了断顶爆破作业，2 月22 日工作面开始生产，随工作面推进经历了2 层硬厚岩层的初次来压。通过监测及宏观现象分析，3 月10 日、3 月21 日和4 月10 日发生了3次来压，见表4。

3 月10 日工作面推进37 m，下部硬厚岩层初次来压，支架压力上升到较高状态，最大值33 MPa左右。16:00～21:00，47#～79#架、15#～46#架、80#～147#架、148#架以上区域相继来压，此后支架加入低阻力状态。3 月21 日工作面推进54.5 m，下部硬厚岩层周期来压，最大值为34 MPa。10:00～14:00支架压力上升到较高状态，从工作面上部143#～172#架开始，95#～142#架、47#～63#架、64#～94#架区域相继来压。4 月10 日工作面推进73.5 m，上部硬厚岩层初次来压，16：00 支架压力普遍增高，最大值为31 MPa，并一直维持到21:30，工作面顶板同时垮落，采空区约6 000 m3气体迅速涌出，致使工作面机巷风流逆转。

图6 开切眼顶板 眼布置剖面图Fig.6 Layout profile of shot hole in open-off cut roof

表3 眼参数Table 3 Parameters of blast hole

表4 开切眼断顶效果Table 4 Effect of open-off cuts roof breaking

根据试验及监测分析，开切眼断顶爆破及降低采高后，下部硬厚岩层初次来压步距由59.6 m 缩小到37 m。上部硬厚岩层初次来压步距由100.9 m 缩小到73.5 m，有效缩短了硬厚岩层的初次来压步距，降低了支架动载，未出现发火现象，主裂隙带没有与上方采空区沟通。

6 结 论

（1）硬厚石英砂岩微观结构致密完整，呈现大面积悬空、大步距失稳运动，大面积破断运动形成了强烈的动压现象，甚至导致支架损坏、工作面风流逆转。

（2）各组坚硬岩层之间，由于赋存高度及破断失稳步距的不同，将产生明显的离层空间。硬厚覆岩的屈服破裂和弯曲拉破断在开切眼上部和工作面上部及采空区中部产生主裂隙带，并不断向上发展，断裂带高度显著扩大，大于经验计算值，主裂隙带可能与上方采空区沟通形成安全隐患。

（3）下部硬厚岩层初次来压步距由59.6 m 缩小到37 m，上部硬厚岩层由100.9 m 缩小到73.5 m，有效缩短了石英砂岩的初次来压步距，降低了支架动载，主裂隙带没有沟通上部采空区。

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