崔木煤矿特厚煤层综放开采覆岩破断结构分析

王之永，李正杰，李　根，王　涛，王振栋

(1.陕西永陇能源开发建设有限责任公司 崔木煤矿，陕西 宝鸡 721000；2.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013)



崔木煤矿特厚煤层综放开采覆岩破断结构分析

王之永1，李正杰2，李根1，王涛1，王振栋1

(1.陕西永陇能源开发建设有限责任公司 崔木煤矿，陕西 宝鸡 721000；2.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013)

[摘要]为了探究崔木煤矿综放开采出水压架的机理，以该矿两个综放工作面为研究对象，通过综放工作面覆岩关键层理论分析以及来压出水耦合关系，得出了覆岩中存在“两个亚关键层，一个主关键层”、工作面来压大小周期特征、洛河组底部离层蓄水空间发育以及来压、水位变化和出水的时间耦合关系等结论，得到特厚煤层综放开采的覆岩破断结构，并根据来压大小周期分别构建了覆岩破断的力学分析模型，力学解析得出了对应状态下综放支架工作阻力的理论计算公式。通过工作面矿压显现特征及覆岩破坏发育特征的实测分析，验证了覆岩结构分析的正确性，为工作面压架防治提供理论基础和依据。

[关键词]特厚煤层；综放开采；覆岩破断结构；力学关系

1矿井概况

崔木煤矿位于陕西省麟游县境内，属于永陇矿区，开采侏罗系中统延安组3号煤层，该矿区地质条件、开采环境复杂。3号煤层之上地层主要包含洛河组、安定组、直罗组以及延安组，岩性以砂岩、泥岩为主，根据岩石取样及实验室物理力学性质测试结果，各岩层岩石单轴抗压强度基本在30～40MPa之间。洛河组为巨厚(主要)含水层，平均层厚达308.5m，渗透系数为0.012145～0.03354m/d，富水性弱。3号煤层位于延安组中下部，在崔木井田范围内距离洛河组底部164.4～182.6m，煤层厚度大，平均16.89m，赋存稳定，倾角为1～14°，平均倾角6°。

崔木煤矿首采21301综放工作面共发生11起出水事件，其中出水压架3起，造成140副支架被压死，导致停产60d；21302综放开采过程中发生8起出水事件，出水压架事故高达4起，导致220副支架被压死，生产停滞90d。鉴于首采工作面压架事故，针对21302综放面制定了一系列出水压架防治措施，但并未有效控制住压架难题，其根本原因在于对综放开采覆岩结构形式及其运动破坏规律认识不清。因此，针对该矿井巨厚含水层下综放开采，研究其覆岩结构形式及运动破坏规律，对于认识工作面来压出水规律、压架防治、保证工作面安全高效生产意义重大且十分迫切。

2综放开采覆岩关键层分析与来压出水耦合关系

2.1覆岩关键层分析

依据覆岩关键层理论，将对岩体局部(或直至地表的全部岩体)的运动起控制作用的坚硬岩层称为亚关键层(主关键层)。关键层理论在矿山压力、岩层移动、地表沉陷等领域均有着重要应用[1-5]。关键层的判别公式[6]为：

(1)

式中，hi，γi，Ei分别表示第i层岩层厚度、容重及弹性模量。

应用关键层判别公式，结合崔木煤矿各岩层物理力学性质，计算得出该矿综放工作面覆岩关键层分布情况[7]，如表1所示。

表1　崔木煤矿综放开采覆岩关键层层位分析

由表1可知，3号煤层上方位于延安组内厚度为19.3m的砂质泥岩为关键层Ⅰ，也是3号煤层的基本顶，该关键层垮落时其上方13.9m泥岩、14.7m粗粒砂岩随之垮落，即基本顶控制着47.9m厚的岩层。亚关键层Ⅱ为厚度77.8m的“砂质泥岩—含砾砂岩—粗粒砂岩”等组合岩层，以砂质泥岩为主，该关键层控制的岩层厚度为127.9m，到达洛河组含水层位置。主关键层位于洛河组，以含砾砂岩为主，硬度大，难以变形破坏，而其下部软弱岩层沉降速度快，预计开采将导致洛河组下部形成离层蓄水空间。

垮落岩层充满采空区所要求的厚度计算公式为[8]：

(2)

式中，M为采放高度，取10m；Kp为岩石碎涨系数，一般取1.1～1.3，崔木煤矿岩层属于松软-中硬，取1.2。

通过计算，垮落矸石充满采空区所需岩层厚度为Σh=50m，而3号煤层直接顶厚度8m，顶煤残余厚度1m，基本顶及上方随动层厚度47.9m，三者厚度之和超过50m。因此，基本顶垮落能够充满采空区。

2.2工作面来压出水耦合关系分析

崔木煤矿21303工作面大周期来压后反复出水，来压、水位变化与出水具有明显规律性，根据作者以往的研究结论，在时间上表现为“来压—水位下降—出水—水位稳定—出水结束—压力正常—水位升高”的周期性变化。由于覆岩存在不同层位的关键层，其破断步距的差异将导致工作面出现来压大小周期现象；大周期来压形成了主纵向导水裂隙，导通洛河组底部离层空间，后续小周期则形成下方导水裂隙，控制着工作面出水。随着基本顶岩层的周期性破断失稳，下方导水裂隙则反复开启、闭合，导致工作面发生反复出水，直至工作面远离主纵向导水裂隙，出水结束[9]。

3特厚煤层综放开采覆岩结构及与支架力学关系

3.1综放开采覆岩结构分析

根据前文分析，影响崔木煤矿综放开采的上覆岩层主要是亚关键层Ⅰ(基本顶)和亚关键层Ⅱ，前者控制小周期来压，后者控制大周期来压。亚关键层Ⅱ破断失稳迫使下方岩层的同步失稳，动静载荷施加于支架，是工作面发生出水压架的内因。洛河组主关键层厚度大且坚硬，能够稳定存在，其下方由于岩层不均衡沉降形成离层空间。据此可建立特厚煤层综放开采覆岩破断结构示意图，见图1。

图1　综放开采覆岩破断结构示意

3.2特厚煤层综放覆岩结构与支架力学关系

根据前文建立的特厚煤层综放开采覆岩破断结构，按照来压大小周期可分别构建覆岩结构力学分析模型。

3.2.1小周期来压时覆岩结构与支架力学关系

特厚煤层综放开采顶煤及直接顶为传递顶板变形压力的“似刚性体”[10-11]，该煤岩层对于支架受力来讲是给定载荷岩层，而基本顶岩层的形变压力则通过“似刚性体”传递于支架，这部分岩层称为给定变形岩层。基于“组合悬臂梁—铰接岩梁”结构理论[11-12]可建立小周期来压时覆岩破断模型(图2)，支架所受压力构成包括顶煤、直接顶的载荷以及基本顶的形变载荷。

图2　小周期来压时的“组合悬臂梁—铰接岩梁”结构模型

图3为顶煤和直接顶组合悬臂梁力学分析模型。

图3　顶煤+直接顶组合悬臂梁力学分析

对于顶煤和直接顶，运用力学平衡关系：

ΣMoj=0(j=0，1，2，…，i)

(3)

针对每一层展开公式得：

(4)

式中，Qz为支架所受压力，N；Pj为直接顶岩块自重，N；hj，lj为直接顶岩块厚度和岩块长度，m；α为岩层断裂角，(°)；c为支架合力作用点距煤壁的距离，m；Ri为基本顶岩层的附加载荷，N；xi为上破断岩块对下岩块的作用力到回转点的距离，m。

分析顶板大结构时，将直接顶看作一整体，忽略岩层内部相互作用力，则公式(4)简化为：

(5)

图4为基本顶铰接岩梁力学分析模型。

图4　基本顶铰接岩梁力学分析

对于基本顶关键块A和B，有如下关系：

(6)

(7)

小周期来压时将A，B岩块看作是等长等厚岩块，令基本顶岩块重量PA=PB=P=pi+1，L=li+1，H=hi+1，并将公式(7)代入公式(5)中，得特厚煤层综放开采支架工作阻力理论表达式为：

(8)

3.2.2大周期来压时覆岩结构与支架力学关系

随着工作面推进，基本顶周期性垮断充填采空区，对上位关键层起到软垫层作用。采空区岩块在自重和时间作用下，会进一步压缩空间，上位关键层因此具备弯曲变形的空间条件。当上位关键层达到一定的跨度和挠度时，会发生与基本顶相似的破断特征，并迫使下方岩层同步破断，造成工作面大面积来压。根据工作面现场观测，上位关键层破断步距远远大于基本顶周期来压步距，且走向和倾向方向上来压范围、来压程度都要大很多，这与上位关键层厚度大，强度高，且后方具有软支撑有直接关系。

由于该关键层破断前后都与垮落岩石相互作用，相当于底部具有弹性支撑，符合弹性地基梁特征。因此，针对基本顶上方关键层破断特点建立如图5所示的弹性长梁结构模型，由于与基本顶破断步距相差较大，可将该结构看作半无限长梁或单铰接梁。

图5　大周期来压时的“组合悬臂梁—弹性长梁”结构模型

图6(a)为弹性长梁力学分析模型。由于上位关键层本身能够形成自承结构，其重量并非全部施加于下位岩层，实质上该结构主要通过弹性地基对下方岩层传递施加形变载荷，进而影响工作面支架的受力。为便于计算，可视垮落块体B以及后方采空区垮落空间压缩量近似相同，关键块A上下岩体压缩量简化为线性变化关系，在铰接点处压缩量为零，如图6(b)所示。

图6　大周期来压时弹性长梁力学结构及变形分析

分析弹性长梁对下方垮落岩层的压缩量关系，满足以下关系式：

(9)

设关键块A上下岩层(包括底板、支架、直接顶、基本顶及其间的软弱岩层等组合体)的抗压缩刚度为Kj，则弹性长梁对下方弹性基础的作用力P(x)满足下列关系式：

(10)

由于弹性长梁的断裂、回转下沉，通过弹性基础力的传递作用，迫使下方岩层(包括基本顶)同步破断，因此，可将弹性长梁下部岩层看作组合悬臂梁结构，弹性长梁视为单铰接岩梁结构，仍符合“组合悬臂梁—铰接岩梁”结构。此时公式(5)变为下式：

(11)

式中，R上为弹性长梁对控顶区范围岩层的作用力，kN；x上为弹性长梁与控顶区岩层作用力位置到坐标原点的距离，m；n为顶煤至弹性长梁下方岩层数。

分析公式(10)，控顶区范围内弹性长梁下方岩层受到线性变化的作用力，呈三角形分布。根据材料力学知识，得

(12)

将公式(12)代入公式(11)中，得出大周期来压时支架工作阻力计算公式：

(13)

上式中各字母含义同前。至此，从理论角度得出大小周期来压时覆岩与支架的力学关系。

4覆岩结构分析实践验证

4.1综放开采矿压显现特征分析

崔木煤矿21303工作面倾向长度200m，走向长度850m，采高3.5m，放煤高度约5m，日推进8刀，选用ZF15000/21/38型支撑掩护式支架；现采21305工作面两侧为实体煤，倾斜长度150m，走向长度1280m，采高3.5m，放煤高度约8m，支架为ZF16000/21/38型掩护式支架。两工作面每隔4副支架安装1部在线式支架压力记录仪实时监测压力变化。

通过对21303工作面、21305工作面长期的矿压观测发现，崔木煤矿综放开采具有明显的大小周期来压特性，其来压步距情况如图7所示。

图7　崔木煤矿综放开采大小周期来压步距分析

由图7可知，21303工作面小周期来压步距平均15.5m，来压持续刀数平均6.5刀；大周期来压步距平均176m，来压持续刀数15刀。21305工作面小周期来压步距平均16m，来压持续刀数平均5.5刀；大周期来压步距平均133m，来压持续刀数14刀。

大小周期来压规律的差异性表明，引发大周期压力显现的内因是基本顶岩层之上存在的覆岩关键层破断失稳。这验证了覆岩关键层分析结论以及覆岩结构模型的正确性。

4.2覆岩破坏发育特征实测分析

图8　井下电视窥视采空区上覆岩层裂隙发育情况

X305-1泄水孔距离21305切眼150m，走向位于见方位置，倾向位于工作面中部，针对该泄水孔进行钻孔井下窥视，以观察覆岩破坏发育情况。测试时工作面已推过泄水孔位置63m，泄水孔钻深为487m，已钻出洛河组进入安定组岩层5m，测试结果见图8。由图8可知，在洛河组底部纵、横向裂隙大量发育，浆液在测试孔内漏失，临近的21303工作面G5长观孔水位同步出现缓慢下降。由此表明，导水裂缝带已发育至洛河组底部，在洛河组与安定组交界处离层空间发育。这同样验证了覆岩结构分析的正确性。

5结论

(1)崔木煤矿特厚煤层综放开采覆岩中存在着亚关键层Ⅰ(基本顶)、亚关键层Ⅱ以及主关键层，主关键层下方由于岩层不均衡沉降能够形成离层储水空间，并分析了工作面来压出水的时间耦合关系。

(2)基本顶控制小周期来压，亚关键层Ⅱ控制大周期来压，亚关键层Ⅱ破断失稳迫使下方岩层的同步失稳是工作面发生出水压架的内因。分别针对大小周期来压建立覆岩破断结构力学模型，并理论解析得出了不同来压形式下支架合理工作阻力的计算公式。

(3)通过矿压显现特征和覆岩破坏发育特征两方面的现场实测，验证了覆岩结构分析的正确性。

[参考文献]

[1]许家林，连国明，朱卫兵，等.深部开采覆岩关键层对地表沉陷的影响[J].煤炭学报，2007，32(7)：687-690.

[2]侯忠杰.组合关键层理论的应用研究及其参数确定[J].煤炭学报，2001，26(6)：611-615.

[3]张杰.浅埋煤层中的关键层运动与导水裂隙发展[J].湖南科技大学学报(自然科学版)，2010，25(4)：25-28.

[4]缪协兴，钱鸣高.超长综放工作面覆岩关键层破断特征及对采场矿压的影响[J].岩石力学与工程学报，2003，22(1)：45-47.

[5]贺虎，窦林名，龚思园，等.覆岩关键层运动诱发冲击的规律研究[J].岩土工程学报，2010，32(8)：1260-1265.

[6]许家林，钱鸣高.覆岩关键层位置的判别方法[J].中国矿业大学学报，2000，29(5)：463-467.

[7]刘前进，霍永金，娄金福.富水顶板综放工作面出水规律与高位关键层破断特征分析[J].中国煤炭，2015，41(1)：39-43.

[8]钱鸣高，刘听成.矿山压力及其控制[M].北京：煤炭工业出版社，2009.

[9]林青，李正杰，王涛，等.富水顶板特厚煤层综放开采出水压架成因及防治[J].煤矿开采，2015，20(3)：106-109.

[10]闫少宏.综放开采矿压显现规律与支架—围岩关系新认识[J].煤炭科学技术，2013，41(9)：96-99.

[11]于雷，闫少宏，刘全明.特厚煤层综放开采支架工作阻力的确定[J].煤炭学报，2012，37(5)：737-742.

[12]闫少宏，尹希文，徐红杰，等.大采高综采顶板短悬臂梁—铰接岩梁结构与支架工作阻力的确定[J].煤炭学报，2011，36(11)：1816-1820.

[13]史元伟.采煤工作面围岩控制原理和技术[M].徐州：中国矿业大学出版社，2003.

[责任编辑：潘俊锋]

Analysis of Overburden Broken Structure of Fully Mechanized Top Coal Caving with Extremely Thick Coal Seam of Cuimu Coal Mine

WANG Zhi-yong1，LI Zheng-jie2，LI Gen1，WANG Tao1，WANG Zhen-dong1

(1.Cuimu Colliery，Shaan’xi Yonglong Energy Development & Construction Co.，Ltd.，Baoji 721000，China；2.Coal Mining & Designing Department,Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 00013，China)

Abstract：In order to study mechanism of pressurizing of hydraulic support that induced by flow water in fully mechanized top coal caving of Cuimu coal mine，took two fully mechanized top coal working faces as studying objects.The following results was concluded，which included‘two secondary key stratum，one principal key stratum’ existed in overburden，period characters of working face pressure，separation water space developed in Luohe Formation bottom and pressure，coupling relation between water level fluctuation and water flow time and so on.Overlying strata broken structure of fully mechanized top coal caving with extremely thick coal seam was confirmed，mechanics analysis model of overlying strata broken was conducted based on different pressures period，and then formula of support working resistance of top coal caving in corresponding state was conducted out.The accurately of overlying strata structure analysis was validated according filed testing.It provided theory foundation and reasons for pressurizing of support prevention.

Keywords：extremely thick coal seam；fully mechanized caving；overlying strata broken structure；mechanics relation

[中图分类号]TD823.4 93

[文献标识码]A

[文章编号]1006-6225(2016)01-0084-05

[作者简介]王之永(1972-)，男，安徽宿州人，崔木煤矿副矿长，主要从事煤矿安全开采及技术管理工作。

[基金项目]国家自然科学基金青年科学基金项目(51504136)；中国煤炭科工集团科技创新基金重点项目(2013ZD002-05)

[收稿日期]2015-07-02

矿山压力与灾害控制

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.01.023

[引用格式]王之永，李正杰，李根，等.崔木煤矿特厚煤层综放开采覆岩破断结构分析[J].煤矿开采，2016，21(1)：84-88，76.