浅埋深双关键层结构采场矿压规律研究

彭 帅 魏英楠 常坤林

(中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院，北京市海淀区， 100083)

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浅埋深双关键层结构采场矿压规律研究

彭 帅 魏英楠 常坤林

(中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院，北京市海淀区， 100083)

采用现场矿压观测、理论分析方法对锦界煤矿31109工作面的矿压显现特征及来压机理进行研究。研究结果表明工作面存在大小周期来压现象,小周期来压荷载多集中在工作面中部，大周期来压时工作面大部分支架均处于来压状态；主、亚关键层周期破断距分别为10.1 m、18.2 m，破断后均不形成砌体梁铰接结构；主关键层断裂岩块以悬臂梁向后下方回转下沉，一方面使得亚关键层在煤壁上方提前破断滑落，造成工作面大范围剧烈来压显现，另一方面会使得亚关键层在断裂线处受到损伤，此后造成工作面小范围缓和来压显现。

浅埋煤层 综采工作面 主亚关键层 周期来压 矿压显现

浅埋煤层广泛分布于我国西北地区，具有埋深浅、基岩薄和表土层厚的赋存特点，回采引起的工作面矿压显现与普通煤层不同，往往表现为工作面顶板台阶下沉、支架压死等剧烈动压现象。对于浅埋基岩较厚的煤层，其承载结构发生变化不再为单一关键层，工作面矿压显现规律必然不同于典型浅埋煤层，因而其矿压规律具有特殊性。锦界煤矿31109工作面埋深88.8～124.5 m，上覆基岩赋存主、亚两层关键层，工作面来压步距不稳定，矿压显现剧烈。对此，本文以锦界煤矿31109工作面生产地质条件为工程背景，采用现场实测和理论分析方法对31109工作面矿压数据及顶板运移特征进行研究，总结出浅埋深双关键层结构采场的矿压显现规律并探讨了其来压机理。

1 工程概况

锦界煤矿位于陕西省榆林市神木县境内，为榆神矿区二期规划区内的特大型矿井，目前主采3-1煤层，矿井设计生产能力10.0 Mt/a。31109工作面所采3-1煤层工作面位于一盘区集中辅运大巷北侧，呈南北布置，走向长5710.6 m，倾向长276.5 m，埋深88.8～124.5 m，为浅埋煤层工作面。工作面煤层结构简单，整体呈宽缓的单斜构造，煤层平均厚度3.2 m，平均倾角1°，煤体容重为1.29 t/m3，普氏硬度系数为3～4。31109工作面上覆基岩厚度约31 m，顶板岩性主要为粉砂岩、细砂岩、中砂岩和粗砂岩，之上为黄土及风积沙表土层，直接底为厚度较小的泥岩和粉砂岩。煤层顶底板各岩层及物理力学参数分布如表1所示。

表1 31109工作面煤岩层及物理力学参数

31109工作面采用长壁综采一次采全高采煤法，顶板全部垮落处理采空区，选用162架ZY12000/20/40D型掩护式支架支护顶板。液压支架的主要技术参数为支护范围2000～4000 mm，相邻支架中心距1750 mm，工作阻力12000 kN，支护强度2.32～2.61 MPa，初撑力25.2 MPa。

2 工作面矿压观测方案

为掌握31109工作面上覆岩层横纵向演化发展规律及采场围岩与支架相互作用关系，对工作面不同推进时期进行矿压观测。通过分析支架和采场围岩的响应特征，得出工作面周期来压强度和步距及沿工作面倾向支架载荷的分布特点，从而为浅埋工作面矿压显现特征及顶板活动规律的研究提供现场数据。

在31109工作面162架液压支架上每隔10架布置一个测点，即将测点布置在10#、20#、30#…160#支架上，工作面共布置了16个测点。从工作面切眼开采时进行矿压观测，一直观测到工作面与回撤通道贯通结束为止。31109综采工作面矿压观测点分布如图1所示。在掩护式液压支架左右立柱上安有压力传感器，压力传感器可时时记录支架的初撑力和最大工作阻力，另外，还要观测周期来压期间顶板宏观动态即顶板的漏冒状况，统计记录顶板支护质量的量化指标包括液压支架立柱工作阻力、支架活柱下缩量、周期来压期间工作面及两条巷道的矿压显现情况。

图1 31109综采工作面矿压观测测点分布图

3 工作面矿压显现规律分析

31109工作面截止2014年2月1日已推进1129 m，初次来压步距为62 m，因采空区垮落充分、充填程度严实，初次来压强度并不十分剧烈。2014年1月各测站测得支架工作阻力随推进距离变化的关系见图2。

(1) 支架工作阻力沿工作面走向的变化规律。通过对来压数据统计分析认为，工作面出现大小周期来压现象，1月份工作面推进440 m，周期来压48次，大小周期来压各占24次，大周期来压步距约为10 m，小周期来压步距约为8 m；工作面压力正常时推进距离为4～7 m，周期来压时工作面持续推进距离为5～8 m；工作面正常推进时支架载荷在约28 MPa，周期来压时支架平均载荷为35～45 MPa，周期来压动载系数为1.25～1.61。

图2 工作面支架工作阻力与推进度的关系

图3 大小周期来压时沿工作面倾向的支架工作阻力

(2)支架工作阻力沿工作面倾向的变化规律。工作面出现大小周期来压时，支架工作阻力沿工作面倾向的变化规律如图2和图3所示，图中显示在工作面出现小周期来压时，来压多集中在工作面中部，即工作面60#～100#支架处于来压状态，支架最大载荷可达42 MPa，矿压显现比较明显；大周期来压时，工作面30#～130#支架均处于来压状态，支架最大载荷可达50 MPa，工作面矿压显现剧烈。

(3)工作面矿压显现的宏观特征。通过现场观测可知，小周期来压时立柱下缩量不大，工作面的采高基本上能够保持，大周期来压时，立柱下缩量在10 mm左右，工作面采高有明显降低，并且顶板也较难控制；小周期来压过程中，工作面来压范围主要集中在中部，安全阀开启很少，大周期来压过程中工作面来压范围较广，安全阀开启的比较多；在来压期间，工作面局部出现漏顶、片帮等现象，造成支架前梁与顶板接触不实。

4 工作面周期来压机理分析

4.1 主亚关键层破断步距及结构形态

工作面大小周期来压现象是由于上覆主亚关键层破断运动引起的，其来压显现规律必然与关键层结构形态及破断岩块运动特征密切相关。31109工作面上覆主关键层为10.6 m的中粒砂岩，亚关键层为7.8 m的粉砂岩，直接顶2.7 m，煤层3.2 m。

根据梁式破断理论，关键层周期破断时的极限跨距Lz为：

(1)

由组合梁理论，可计算关键层上覆岩层载荷qn：

(2)

式中：Lz——关键层周期破断时的极限跨距，m；

q——关键层上覆岩层载荷，Pa；

h——关键层厚度，m；

RT——关键层极限抗拉强度，MPa；

En——关键层上覆第n层岩性载荷层的弹性模量，GPa；

hn——第n层岩性载荷层厚度，m；

γn——岩层容重，kN/m3；

qnmax——表土层下最上方岩层的载荷，Pa；

γ0——表土层容重，取16 kN/m3；

h0——表土层厚度，取67 m；

n——从关键层起之上的载荷岩层数，第1层为关键层本身。

对于亚关键层：n=1时，亚关键层承担自重，将表1中相关数据代入式(2)，得q1=195 kPa。

n=2时，亚关键层承担自身及载荷层1的组合荷载，将表1中相关数据代入式(2)，得q2=268.49 kPa。

n=3时，亚关键层承担自身、载荷层1和主关键层的组合荷载，将表1中相关数据代入式(2)，得q3=208.06 kPa。

计算显示，q1

将h1、RT1和q2分别为7.8 m、4.4 MPa和268.49 kPa代入式(1)，最终可得亚关键层周期来压步距Lz1=18.2 m。

同理，对于主关键层：n=1时，主关键层承担自重q1=254.4 kPa。

n=2时，主关键层承担自身及载荷层2的组合荷载q2=335.26 kPa。

计算显示，q1

将h2、RT2和q分别为10.6 m、3.8 MPa和1407.26 kPa代入式(1)，最终可得Lz2=10.1 m。

“砌体梁”结构的稳定性与断裂岩块的岩性、长度、厚度及回转角相关。31109工作面直接顶及层间软岩厚度较小，因岩石碎胀性其扩展空间有限，造成关键层破断岩块相对回转下沉量大，继而影响关键层“砌体梁”结构形态。为确定31109工作面上方主亚关键层能否形成砌体梁结构，可由下式来判定。

(3)

式中： tanφ——岩块间的摩擦系数，一般可取0.3；

m——煤层厚度，取3.2 m；

∑h——关键层下部直接顶厚度，对于主亚关键层分别取15.8 m、2.7 m；

Kp——直接顶垮落岩块碎胀系数，一般可取1.15～1.3。

将表1中主亚关键层的工程地质参数分别带入式(3)，通过计算均不满足该式，即31109工作面主亚关键层破断后均不形成“砌体梁”铰接结构。主关键层由于承载上覆岩土层全部重量，使得其破断步距较小，而断裂岩块的块度直接影响到岩块间稳定结构的形成；而亚关键层在达到极限破断步距前，处在主关键层承载保护作用下，又因岩层较高的抗拉强度使得其断裂步距较大，但由于下部直接顶相对较薄，断裂岩块回转下沉量大，超过了形成“砌体梁”结构的极限下沉量。因此，主亚关键层断裂后岩块则以“悬臂梁”结构存在。

4.2 工作面矿压显现的大小周期性分析

浅埋工作面矿压显现的大小周期性主要取决于主亚关键层周期破断距之间的关系，而工作面矿压显现程度直接受关键层破断后的结构形态影响。对于“砌体梁”结构，其依然可以承载部分覆岩载荷从而减少传递到支架上的力，工作面矿压显现程度相对缓和，而“悬臂梁”结构直接以自重荷载作用到工作面支架，工作面矿压显现程度相对剧烈，且较大的回转下沉空间会增加来压的持续长度。

随着煤层不断采出，31109工作面直接顶随之垮落，上覆亚关键以“悬臂梁”形式悬空，理论破断距为18.2 m，如图4所示。

图4 31109工作面覆岩周期垮落模型

31109工作面上覆主关键破断距为10.1 m，破断后的岩块以“悬臂梁”向后下方回转下沉，传递的巨大载荷一方面使得亚关键层在煤壁上方提前破断滑落，造成工作面大范围、剧烈来压显现，另一方面会使得亚关键层在断裂线处产生裂纹并扩展。随着工作面继续推进，主关键层仍稳定承载，而亚关键层因在断裂线处受到损伤而破断滑落，从而造成工作面小范围、缓和来压显现。如此周期破断下去，造成31109工作面采场来压的非均匀性变化，周期来压强度呈强、弱、强、弱…的现象。

5 结论

(1)31109工作面上覆岩层赋存主亚关键层结构，随煤层不断采出工作面出现大小周期来压现象，大周期来压步距约为10 m，小周期来压步距约为8 m，压动载系数为1.25～1.61。

(2)浅埋深双关键层结构采场来压时，小周期来压荷载多集中在工作面中部，来压较为明显；大周期来压时工作面大部分支架均处于来压状态，矿压显现剧烈。

(3)31109工作面上覆主、亚关键层周期破断距分别为10.1 m、18.2 m，破断后均不形成“砌体梁”铰接结构。

(4)主关键层断裂岩块以“悬臂梁”向后下方回转下沉，一方面使得亚关键层在煤壁上方提前破断滑落，另一方面会使得亚关键层在断裂线处产生裂纹并扩展。

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(责任编辑 张毅玲)

Research on the law of underground pressure of shallow working face with double key strata structure

Peng Shuai, Wei Yingnan, Chang Kunlin

(College of Resources and Safety Engineering, China University of Mining and Technology, Beijing, Haidian, Beijing 100083, China)

The characteristics of strata behaviors and weighting mechanism in 31109 working face of Jinjie Coal Mine were analyzed by field mine pressure measurement and theoretical analysis method. The results showed that there were weak periodic weighting and strong periodic weighting phenomenon, the weak periodic weighting loads mostly concentrated in the central section of working face, and the most of the hydraulic supports were under pressure when the strong periodic pressure happened; the periodic step length of main key strata was about 10.1 m and that of sub key strata was about 18.2 m, neither of the main or sub key strata could form articulated structure of voussoir beam; the breaking rocks of the main key strata sank back in the form of cantilever, which on one hand made the sub key strata fracture in advance above coal seam and caused a wide range of intense strata behaviors, on the other hand made the sub key strata damage along the fracture line and caused weak strata behaviors to a limited extent.

shallow seam, fully mechanized working face, main and sub key strata, periodic weighting, strata behaviors

彭帅，魏英楠，常坤林.浅埋深双关键层结构采场矿压规律研究[J].中国煤炭，2017,43(2):68-72. Peng Shuai, Wei Yingnan, Chang Kunlin.Research on the law of underground pressure of shallow working face with double key strata structure[J].China Coal，2017，43(2): 68-72.

TD323

A

彭帅(1993-)，男，山东临沂人，硕士研究生，主要研究方向为矿山压力与控制。