离柳矿区采空区下坚硬太灰岩顶板矿压显现规律

李根威，贺全智，贾宝利

（1.吕梁学院，山西离石 033000；2.山西柳林下山卯煤矿，山西柳林 033300）

离柳矿区采空区下坚硬太灰岩顶板矿压显现规律

李根威1，贺全智1，贾宝利2

（1.吕梁学院，山西离石 033000；2.山西柳林下山卯煤矿，山西柳林 033300）

以离柳矿区太原组灰岩顶板为工程背景，通过对矿区内太原组灰岩赋存条件、岩石物理力学性能的研究，建立两个矿区灰岩顶板结构模型，利用关键层理论，判断开采过程中灰岩顶板的运动规律。比较矿区回采工作面矿压显现规律与计算结果，归纳出顶板正常来压和异常来压规律。研究表明，L1灰岩作为直接顶垮落，初次来压步距28.6～35.8m，周期来压步距8.3～11.4m，周来压期间矿压显现不剧烈；灰岩组岩层同时断裂时工作面矿压显现剧烈，容易压死支架，确保L1灰岩及时冒落和防止L4灰岩断裂位置前移是控制顶板稳定的关键。

离柳矿区；太灰岩；关键层；来压步距；压架

离柳矿区位于鄂尔多斯聚煤盆地东缘的河东煤田中段，山西组和太原组为其主要含煤地层，目前山西组煤层基本开采殆尽，逐步向太原组煤层开拓。国内学者针对大同、沁水等煤田厚层坚硬顶板破断后力学结构[1-3]、坚硬厚层顶板群结构破断特征[4-6]进行了大量的研究，建立了多套力学分析和计算公式，基本上能够完整描述坚硬顶板破断和运动规律，但是存在公式参数多、难定量、计算复杂的情况，对河东煤田太灰岩顶板矿压规律研究尚未见诸。本文选取离柳矿区4座具有代表性的矿井为研究对象，利用关键层理论和现场实测的矿压显现规律，分析归纳离柳矿区太灰岩顶板矿压显现规律。

1 太灰岩顶板赋存特征和其力学性能

太原组岩性为灰-灰白色石灰岩，深灰色泥岩、砂质泥岩间夹4-6层煤层，自下而上发育的L1、L2、L3、L4、L5石灰岩（L1、L2、L3局部区域合并），泥岩、煤层和砂岩夹在坚硬灰岩之中，形成典型的“硬-软”组合地层。

根据对四矿钻孔地质资料分析对比，L1灰岩下方为稳定可采煤层，离石矿区为10号煤，平均厚度6.42m，与上方采空区层间距平均为47.5m；柳林矿区为8号煤层，平均厚度2.63m，与上方采空区层间距平均为61m。灰岩矿物组分稳定，节理裂隙不发育，性脆。离石矿区平均抗压强度87.5 MPa，平均抗拉强度2.63 MPa，柳林矿区平均抗压强度47 MPa，平均抗拉强度6.47 MPa。

2工作面顶板运动规律

2.1工作面顶板破断形式

太原组灰岩为靠近煤层的数组坚硬厚岩层，灰岩间夹层厚度小、强度低，变形和移动都会受到对方的影响，产生明显的刚度和强度增加现象，灰岩之间的这种复合效应增大顶板的破断步距，且当各层灰岩同时破断时，必然增大工作面的矿压显现强度，利用关键层理论建立顶板破断模型，分析顶板破断规律。

1）太灰岩赋存结构模型。太原组灰岩由5层组成，假设类别相同的的岩层容重、弹性模量大致相似，按照煤层到采空区距离的不同，将太灰岩赋存结构归纳为两种类型，离石矿区模型，厚度47.5m，见图1-a；柳林矿区模型，厚度为61m，见图1-b。

2）关键层刚度判别。根据关键层理论[7-8]，关键层上的载荷计算公式为：

式中：qn丨m为第m层岩石对n层岩层的载荷，kN；En为第n层岩石弹性模量，MPa；hn为第n层岩石的厚度，m；γi为第i层岩石的容重，kN；hi为第i层岩石的厚度，m；Ei为第i层岩石的弹性模量，MPa。

如果第m+1层载荷小于第m层，即：

则第m+1层为坚硬层，之后计算第m+2岩层对m+1层岩石的载荷，否则计算第m+2层岩石对第n层的载荷。关键层判别计算如表1、表2所示。

据表1计算结果，L1和L4灰岩是太原组煤层开采中起控制作用的关键岩层。柳林矿区L1灰岩垮落后，其上23.3m的岩层将伴随垮落；L4灰岩垮落后，其上38.92m的岩层将伴随垮落，如果L5灰岩厚度超过7m，其上23.37m的岩层将受控于L5灰岩，L4关键层控制厚度将缩小至15.5m。离石矿区L1灰岩垮落后，其上23.01m的岩层将伴随垮落；L4灰岩垮落后，其上25.72m的岩层将伴随垮落。

3）关键层强度判别。假设第m、n都是关键层，它的破断距为lm，第n层的破断距为ln，则主关键层的强度判别条件为：

此时第m层为关键层，否则应将第n层岩石所控制的全部岩层作为载荷作用到第n层上，重新计算第n层岩层的破断距。关键层的破断距采用两端固支梁的极限破断距，计算公式为：

式中：lm为第m层岩层极限断裂步距，m；hm为第m层岩层厚度，m；σt为第m层岩层的抗拉强度，MPa；qm为作用于第m层岩层上的载荷，MPa。

将关键层力学参数带入公式，可以得出柳林矿区L1、L4灰岩极限断裂步距为35.3m和26.5m，L1为主关键层，离石矿区为21.4m和17.7m，L1为主关键层。

4）离柳矿区太灰岩坚硬顶板破断规律。综合关键层刚度和断裂步距计算结果，太原组煤层L1、L4灰岩层是关键层顶板。考虑到太原组上方山西组煤层已经开采，可近似的将山西组导水裂隙看做上覆岩层对关键层的载荷。

柳林矿区在L5灰岩厚度小于7m时，主关键层L1破断后，上覆岩层依次断裂。L1灰岩直接位于开采煤层上方，工作面从开切眼开始，L1灰岩的首次破断以拉伸破断为主，破断后受其控制的软弱岩层也将同步垮落，可认为是直接顶的初次垮落，L1灰岩及其上覆软弱层总厚度为超过23m，岩石的初始碎胀系数取1.2～1.3，冒落厚度增加4.6～6.9m，柳林矿区8号煤开采厚度2.8m，冒落后的直接顶完全能够充实采空区，因此，柳林矿区L4灰岩受采空区矸石提前支承，工作面前方支承压力较小，矿压显现不明显。初次来压后，L1灰岩及其控制层随采随垮，L4灰岩成为基本顶周期性断裂，工作面周期来压矿压显现不明显。

当L5灰岩厚度超过7m后，L4成为主关键层不伴随L1岩层的断裂而断裂。初次来压后，L1灰岩及其控制软岩层将随采随垮，L4、L5形成复合关键层基本顶，周期来压步距受其控制。实际回采中如果L4灰岩变薄和L1灰岩变厚同时出现，容易出现L1灰岩不能及时垮落，关键层同时断裂，矿压显现将十分剧烈。

离石矿区由于灰岩顶板抗拉强度较低，灰岩顶板断裂步距较小，L1灰岩初次断裂后，上覆太原组岩层依次断裂，矿压显现不明显。初次来压后，L1灰岩转化为直接顶随采随冒，10号煤开采厚度6.8m，冒落后充填不实，对L4灰岩支承力较小，压力向工作面煤壁前方转移，形成悬臂梁结构，老顶周期来压步距较小，矿压显现不剧烈。当出现L4灰岩不能及时垮落，工作面矿压显现将变得十分剧烈。

2.2工作面顶板的来压步距

1）直接顶、老顶的初次来来压步距。根据材料力学理论，当时σmax＝Rt，即岩层在该处的正应力达到该处的抗拉强度极限，岩层将在该处断裂，其极限跨距公式[9-10]为：

式中：q为老顶承受的载荷，kN；Rt为老顶岩层的抗拉强度，MPa；h为老顶厚度，m。

根据工作面上覆岩层赋存条件，认为L1灰岩顶板主要承受其上太原组顶板和已采山西组煤层导水裂隙带范围内岩层的载荷，导水裂隙带载荷按400 kN取值，将相关参数带入公式可得柳林矿区直接顶初次垮落步距为19.6m，老顶初次来压步距为26.5m；离石矿区直接顶初次垮落步距为12.8m，老顶初次来压步距为17.7m。

2）老顶的周期来压步距。周期来压步距采用悬臂梁极限跨距的计算方法：

带入相关数据可得离石矿区老顶周期来压步距为7.2m，柳林矿区为10.8m。实际回采过程中，工作面支架初撑力、切眼支护等的存在对直接顶、老顶的初次垮落步距影响较大，初次垮落步距应当考虑切眼的距离和支架的有效支护距离。

3 工作面矿压显现规律现场实测分析

3.1 正常矿压分析

选择柳林矿区下山峁煤矿8103回采工作面和离石矿区贾家沟煤矿10102回采工作面作为矿压监测对象，观测工作面开采期间矿压显现。根据对工作面支架阻力、顶底板移近量以及工作面煤壁片帮和采空区顶板垮落情况，来确定工作面老顶第一次来压步距、周期来压步距。工作面来压步距如表3所示。

离柳矿区工作面直接顶和老顶的初次垮落步距比计算结果明显较大，周期来压步距基本与计算结果相近。L1灰岩在未断裂之前，各岩层之间存在关键层复合效应，整体破断距较大，初次来压后，复合效应变弱和支承载边界条件发生变化，来压步距明显减小。

3.2 异常矿压分析

下山峁煤矿8103回采工作面末采时，提前在工作面前方开挖4.8m的撤架通道，在工作面回采到距离撤架通道10.3m时，工作面20～70号支架安全阀先后开启，在不到2 h的时间内全部压死，出现顶梁变形、前立柱缸套压裂，撤架通道顶板下沉240mm，工作面煤壁压突等现象。支架型号为ZY17/34/6000，压架前采高2.4m，与平均采高2.8m减少0.4m，L1灰岩变厚，工作面顶板平均下沉量达到0.7m，未发现明显的台阶下沉。后期采用撤架通道打木垛和单体柱支护，爆破起底挪架方式缓慢推进，推进8m后，支架压力显著减小，搬家期间工作面顶板下沉量基本稳定。

分析认为，撤架通道的开掘，导致灰岩组顶板支承边界条件发生改变，L1、L4灰岩断裂线前移，老顶出现整体断裂，整体下沉，导致直接顶垮落不充分，支承无力，压力向支架和前方煤体转移，直到采空区顶板触矸受力后有所缓解，后期对前方撤架通道加强支护，起到切顶作用。由此可见，控制灰岩组顶板的及时冒落和防止断裂位置前移，是确保回采工作面顶板安全的前提。

4 结论

1）河东煤田离柳矿区太原组L1、L4灰岩是开采期间其控制作用的关键层顶板，L1灰岩为主关键层；受灰岩厚度变化影响，当L5灰岩厚超过7m时，柳林矿区主关键层为L5灰岩。

2）实测矿压显示，离柳矿区直接顶的垮落步距为18.9～22.05m，基本定的初次来压步距为28.6～ 35.8m，老顶的周期来压步距为8.3～11.4m。

3）关键层之间的复合层是影响初次来压步距较大的原因，初次来压后，L1灰岩转化为直接顶随采随冒，与L4灰岩之间的关键层复合效应减弱，基本顶的变形和失稳定受控于L4灰岩，周期来压步距减小。

4）柳林矿区采空区落落带矸石冒落充分，能够有效支承L4灰岩，L4灰岩变形速度缓慢，矿压显现不剧烈。

5）离石矿区L1灰岩冒落后不能完全支承L4灰岩，但由于L4灰岩抗拉强度较低，容易被拉断，来压步距较小，矿压显现不剧烈。

6）当L1灰岩不能及时垮落和厚度变大时，容易出现灰岩组岩层的同时断裂，工作面矿压显现比较剧烈。

7）确保L1灰岩及时冒落和防止L4灰岩断裂位置前移是控制顶板稳定的关键，支架初撑力必须能够切断L1灰岩关键层控制范围内的岩层。

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Mine Pressure Behavior of Hard Taiyuan Group Limestone Roof under Goaf in Liliu Mine

LI Genwei1,HE Quanzhi1,JIA Baoli2
(1.Lvliang University,Lishi 033000,China; 2.Liulin Xiashanmao Mine,Liulin 033300,China)

Taking Taiyuan group limestone roof as an engineering background in Liliumine,on the analysis of occurrence,rock physical andmechanical performance of the Taiyuan group limestone,the structuremodels of limestone roof in twomines were established.The theory of key stratum was used to determine themovement rule of limestone roof in themining.Mine pressure behavior and calculation were compared tosumup the normal and abnormal weighting.The results showthat,as direct roof collapses,the first weighting interval of L1limestone is 28.6～35.8meters,periodical weighting interval is 8.3～11.4meters.the strata behavior is not obvious in the process of the periodical weighting.The strata behavior is severe when the limestone strata break at the same time and the support is liable to crash.Therefore,it is essential to ensure the prompt collapse of the L1limestone and to prevent the breaking position of L4limestone frommovingforward.

Liliumining area;Taiyuan group limestone;key stratum;weighting interval;support crashing

TD353

A

1672-5050（2015）05-0032-05

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.05.012

（编辑：樊敏）

2015-06-08

吕梁市科技局项目（GY-2012074-2）

李根威（1983-），男，山西柳林人，硕士研究生，助教，工程师，研究方向：矿山压力与岩层控制、煤矿安全技术等。