山丘地形下近浅埋煤层综采面静动载叠加的矿压显现特征研究*

王延生，张　勋，徐庆生

(1. 辽宁工程技术大学 矿业学院，辽宁 阜新 123000；2. 喜马塘煤矿有限公司，云南 昭通 657206)

0　引言

神东矿区浅埋及近浅埋煤层地表地形复杂，常见低山丘陵地形。工程实践证明，曾有多个工作面在过山丘地形时发生过煤壁片帮、架前漏顶等不同程度的矿压显现。目前关于山丘地形及近浅埋工作面矿压显现的相关研究有：黄庆享[1]通过现场监测分析得出浅埋煤层顶板破断的主要特征为切落式破断和台阶下沉；朱卫兵[2]建立了浅埋工作面关键层破断块体结构力学模型，得出滑落失稳是砌体梁结构的主要失稳形式；范钢伟、张东升等[3]采用模拟实验得到浅埋煤层开采时，工作面覆岩将与地表同步垮落；任艳芳、齐庆新等[4]利用相似模拟实验研究得到浅埋工作面关键层周期性破断后裂隙贯通地表是工作面来压的主要原因；刘国磊、樊克恭等[5]通过理论分析指出山地浅埋煤层开采时，覆岩产生较大水平位移导致关键层岩块滑落失稳是工作面发生强矿压的原因；郑磊[6]根据物理模拟得出山地地形工作面覆岩活动异常区裂隙贯通地表并形成多边铰接块，块体结构的平衡状态决定工作面矿压显现程度；朱恒忠等[7]通过相似模拟试验指出山地浅埋工作面在向沟推进时矿压显现较小，而背沟推进时矿压显现剧烈且来压步距小；田小松等[8]通过建立山丘地形采煤面地表变形预测模型得到山丘地形工作面地表裂缝宽度值；王延生等[9]指出山丘地形综采面应力增高系数与山丘高度和采高成正比，与山丘坡角成反比；王旭峰、张东升等[9-10]通过理论分析得到浅埋工作面在冲沟下回采时，坡体的回转对工作面产生附加应力，背沟回采比向沟回采时应力增加值小，矿压显现较弱；李建伟等[11]通过理论分析指出沟谷地形浅埋工作面的地表冲沟作用造成关键层部分缺失，部分缺失的关键层失稳时工作面发生动载矿压。

综上，关于山丘地形浅埋工作面矿压显现的研究已取得一定成果。但也存在些许不足，如未能揭示山丘静载传递与关键块体失稳动载对近浅埋工作面矿压显现的叠加作用，以及山丘坡体内不同岩层赋存状态的不同矿压发生机制。因此，开展山丘地形近浅埋工作面静动载叠加作用下的矿压发生机理研究具有重要意义。

1　工程概况

上湾矿12203工作面和12206工作面采1-2#煤层，地表均为低山丘陵地形，图1为工作面地质剖面图。由工程实践知，两工作面在过山丘地形时均发生过不同程度的强矿压显现，但强矿压发生位置却不同。12203工作面在山丘上坡段回采过程中矿压显现较缓和，而下坡段强矿压显现频繁，周期来压步距小，平均11.3 m，并常有顶板架后切落现象发生；12206工作面在山丘上坡初、上坡顶和下坡初动载矿压强烈，而在下坡段后期矿压显现缓和。表1为12203工作面和12206工作面地质及开采技术参数与来压特征统计数据。

图1　沿工作面走向中心线工作面地质剖面Fig.1　The geological profiles of the working faces along the center of the faces

表1　工作面地质及开采技术参数与来压特征

由表1和图1知，两工作面开采技术参数及地表山丘形态基本相同，但工作面地表松散层厚度差异较大，且工作面矿压显现情况差异较大。

通过对两工作面地质钻孔分析及关键层位置判别得知，12203工作面上覆山丘坡体中表土层厚29.1 m，深部为胶结沙土，坡体中无关键层；而12206工作面山丘表土层薄，仅6.5 m，深部为胶结土石，在山丘坡体中存在砂岩，为山丘段工作面的主关键层。两工作面山丘坡体下方煤岩层岩性参数基本相同。煤层直接顶为厚约4.3 m的泥岩和粗砂岩，基本顶为厚约8.9 m细粒砂岩。基本顶上约40 m处有一厚约10 m的细粒砂岩，为高位关键层。

根据两工作面山丘坡体的地质岩性参数不同，将12203和12206工作面分别定义为沙土型山丘工作面和土石型山丘工作面。岩层的不同赋存状态导致了工作面矿压显现程度及作用机理的差异性。图2为沿工作面走向作剖面，工作面关键层赋存情况及强矿压发生位置示意图。

图2　不同岩层赋存山丘地形及工作面强矿压发生位置Fig.2　Hilly terrain of different strata occurrence and locations of panel high pressure

2　山丘地形静载应力传递规律

根据地质资料，12203和12206工作面地表山丘形态大致相同，山丘垂高约65 m，坡角23°～35°，山丘顶部平直部分长约20 m，山丘沿工作面走向长约220 m。根据工作面上覆山丘地形特征，将山丘简化为棱台模型，沿工作面走向作坡体剖面，得到山丘静载应力传递力学模型如图3所示。

图3　山丘静载力学模型Fig.3　Mechanics model of hill static load

由土力学原理知，在地基表面作用有集中压力P时，P对平面内任意点产生的垂直应力σy，水平应力σx和剪切应力τx y分别为:

(1)

(2)

(3)

式中:r=x2+y2；x为任意点距P的水平距离，m；y为任意点距P的垂直距离，m。

由上述3式及图3，当下部煤岩体承受变集度分布力时，由dp=qdx，通过叠加原理可得山丘静载向下部煤岩体传递的应力情况。AB，BC，CD段载荷在M点产生的垂直应力总和为:

(4)

其中:

同理，M点的水平应力和剪切应力分别为：

(5)

(6)

根据工作面上覆山丘地形参数，经式(4)～(6)计算得山丘载荷向煤层传递的应力如图4所示。由图得：山丘静载向煤层传递的垂直应力呈钟形分布，位于山丘中心正下方的煤层承受的垂直应力最大，为0.93 MPa，是原岩垂直应力的19.6%，山丘中心两侧180 m范围内受到的传递应力均大于平均值0.49 MPa。传递的水平应力和剪切应力均较小，最大值分别为0.26和0.29 MPa。

图4　山丘静载传递到工作面的集中应力Fig.4　Centralized stress of working face transmitted by hill

3　工作面静动载叠加矿压显现特征

3.1　沙土型山丘静动载叠加矿压显现特征

现场监测显示，12203沙土型山丘工作面在过山丘下坡段比上坡段矿压显现更为强烈，工作面主关键层破断后裂隙直通地表。由于山丘坡体临空面的存在，坡体断裂块受重力作用，具有沿坡面下倾的趋势。断裂块在山丘上坡段和下坡段不同的倾斜回转方向是造成两者矿压显现差异性的主要原因。

当工作面在山丘上坡段回采时，坡体断裂块逆上坡面向工作面采空区方向倾斜倒转，上覆载荷主要作用在支架后方的采空区内，矿压显现缓和。但由于在上坡顶山丘静载应力达到最大值0.93 MPa，高静载与动载叠加，工作面矿压显现仍较强烈。

当工作面在山丘下坡段回采时(图5)，坡体断裂块顺下坡面向工作面煤壁方向倾斜滑移，将载荷直接作用在煤壁和支架上，造成严重的煤壁片帮、架前漏顶，动载矿压强烈。尤其在下坡初受山丘高静载作用，矿压显现尤为剧烈。

图5　下坡段岩层运动形态Fig.5　Movement shape of the rock in downhill section

为分析沙土型山丘工作面强矿压发生机制，建立图6所示的下坡段基本顶关键块体结构力学模型。图中q0，q1，q2为坡体载荷；hi为块体埋深；W1，W2为块体B和C的下沉量，W1=l1sinθ1，W2=l1sinθ1+l2sinθ2；θ1，θ2为块体B和C的回转角；a=0.5(h-l1sinθ1)为岩块铰接点距其端点的距离；T为岩块所受的水平推力，可取T在B块和C块的作用点位置均为0.5a处，分别记为点B和点C；Q1，Q2分别为铰接点B和C处的剪力；R2为C块体下部岩层对其的支撑力；B块和C块在O点铰接；h为关键层厚度；l1，l2分别为岩块B和C的长度。

图6　下坡段基本顶破断结构模型Fig.6　Broken structure model of key stratum in downhill section

对图6中的B点取矩，由∑MB=0得：

(7)

由∑Mo=0得：

(8)

由∑Y=0得：

(9)

取C块下部支撑力等于其上覆载荷，有：

(10)

联立式(7)～(10)，并取关键块体长度相等，可得:

(11)

设山丘坡角为α，关键层覆岩容重为γ，则

q1=q0+γltanα，q2=q0+2γltanα

(12)

(13)

(14)

由式(9)、(10)和(14)得：

(15)

由工程实践知，山丘地形浅埋工作面回采过程中顶板易发生架后切落而造成工作面动载矿压显现，即关键块体B易滑落失稳。为保证结构稳定而不发生滑落失稳，B块受力应满足:

Ttanφ≥Q1

(16)

式中：tanφ为关键块体间的摩擦系数。将式(13)和(15)代入式(16)得：

上式即为块体B不发生滑落失稳的力学条件。式中可取tanφ为0.3，γ=23 kN/m3，θ1为3°左右；由12203工作面下坡段来压步距知，l为6.8～17 m；随工作面在山丘下坡段的推进位置不同和不同的山丘坡角α，关键块体B上覆载荷q0的取值不同。

经计算，防止工作面下坡段结构失稳的块体断裂度应满足：i≤0.22。但根据地质资料知h=8.9 m，且l为6.8～17 m，则实际块体断裂度i′=(0.52～1.31)>0.22，显然岩块结构难以保持稳定，若无合理的支护控制措施，必然发生滑落失稳，造成工作面动载矿压显现。

3.2　土石型山丘工作面静动载叠加矿压显现特征

3.2.1上坡初动载矿压显现特征

当工作面回采至山丘上坡初时，未破断的山丘段主关键层可简化为如图7(a)所示的悬臂梁结构。主关键层初次破断后，由于山丘坡体临空面的存在，导致初次破断的岩块缺少侧向挤压力的作用而滑落失稳，并在断裂面处产生较大竖向错断位移。失稳的主关键层破断块体结构将其承载载荷传递于下部煤岩层，造成下位关键层块体结构滑落失稳，进而导致工作面动载矿压显现。图7(b)为上坡初主关键层初次破断后岩层的运动形态。

图7　上坡初岩层结构运动模型Fig.7　Strata structure movement model of uphill beginning

由于关键层先、后破断的岩块承受的山丘静载应力始终处于不均衡状态，促使关键块体间的竖向错断距增大，块体间仅形成弱铰接结构。

3.2.2上坡顶静动载叠加矿压发生机制

当工作面在山丘上坡顶下方回采时，山丘静载达到最大值0.93 MPa。当弱铰接的关键块体结构达到其临界承载能力时，极易发生滑落失稳，进而导致工作面发生由静载激发的动载矿压显现，这也是12206工作面回采至上坡顶下方时再次发生强矿压显现的根本原因。为分析工作面回采至山丘上坡顶时的矿压发生机制，建立如图8所示的基本顶“砌体梁”结构力学模型。

图8　基本顶破断块体结构力学模型Fig.8　Structure mechanic model of basic roof broken block

在平衡条件下，由结构中受力关系可得：

根据实践经验，非山丘地形的工作面基本顶破断后，两相邻岩块的斜率近似相等。则要求“砌体梁”结构平衡时所需的水平推力为：

然而，对于土石型山丘地形工作面，山丘坡体中主关键层在上坡初初次破断后的动载矿压使得关键块体间竖向错断位移较大，即有η4>η3>η2>η1，故(η1-η2)+(η3-η4)<0。则要求结构平衡时所需的水平推力为:

显然T′>T，即山丘地形工作面基本顶砌体梁结构更易失稳。

3.2.3下坡段工作面矿压显现分析

当工作面推进至下坡初时，呈弱咬合的关键层破断块体结构受到山丘高静载作用，使工作面再次发生由静载激发的动载矿压显现。在之后的下坡段回采过程中，山丘静载作用逐渐减小，岩块间咬合作用不断加强，竖向错断距逐步得到修正，故一般不再发生强矿压显现。

4　山丘地形矿压演化规律数值模拟

采用FLAC3D进行山丘地形矿压演化规律数值计算。根据12203和12206工作面地质及开采条件等确定模型尺寸，模型长480 m，宽400 m，高233 m。模型宽度方向为工作面长度方向，模型长度方向为工作面走向。模拟12203工作面长300 m，12206工作面长310 m，两工作面采高均为6 m，推进长度均为380 m。由于煤层倾角较小，本模型按水平煤层计算，山丘简化为规则的棱台模型。在模型侧面设置水平位移约束，底面设置垂直位移约束，模型上部为自由面。按地质资料对煤岩层参数赋值，表2为各主要岩层及其物理力学参数。由于模型上部已达地表，故不再施加外载荷。

表2　各主要岩层及其物理力学参数

根据模拟结果，沿工作面走向中心线作剖面得工作面在不同推进位置的垂直应力云图，其中图9为12206工作面在上坡顶和12203工作面在下坡初的垂直应力云图，图10为两工作面在不同推进位置的超前支承压力应力增高系数变化曲线。

图9　山丘地形沿工作面走向垂直应力云图Fig.9　Distribution of vertical stress along the panel trend under the hill

图10　工作面不同回采位置的应力增高系数Fig.10　Stress increasing coefficient of different locations

由图10知：当工作面地表为平直地形时，应力增高系数较小，基本稳定在2.3左右；当工作面在上坡段推进过程中，土石型山丘工作面应力增高系数大于沙土型山丘工作面，尤其是在上坡初和上坡顶位置，其中在上坡顶达到最大值3.17，可见在山丘上坡段土石型山丘工作面矿压显现更为强烈；当工作面在下坡段回采时，沙土型山丘工作面应力增高系数明显大于土石型山丘工作面，尤其是在下坡初阶段，其中在下坡初达到最大值3.4，可见在山丘下坡段沙土型山丘工作面矿压显现更为强烈。

5　结论

1)根据神东矿区浅埋煤层地表山丘地形的岩层赋存状态，可将山丘地形可分为坡体中无关键层的沙土型山丘和有关键层的土石型山丘。山丘静载向工作面传递的垂直应力呈钟形分布，山丘高静载易激发呈弱铰接结构的关键块体结构失稳。山丘地形工作面在山丘坡体中的覆岩岩性及组成结构的不同是导致沙土型山丘工作面和土石型山丘工作面矿压显现差异的主要原因。

2)山丘坡体的倾斜回转运动是沙土型山丘工作面发生强矿压显现的主导因素，坡体倾斜回转运动方向与工作面推进方向之间的关系决定了工作面在上、下坡段矿压显现的程度。在上坡段，山丘坡体逆工作面推进方向向采空区倾斜倒转，矿压显现较弱；在下坡段，山丘坡体顺工作面推进方向向煤壁倾斜滑移，工作面动载矿压强烈。

3)土石型山丘工作面的矿压显现主要受坡体中关键层运动状态的控制。坡体临空面的存在导致关键层初次断裂的岩块缺少侧向挤压力的作用而滑落失稳是工作面在上坡初动载矿压的发生机制。山丘高静载应力与上坡初动载后效的叠加作用是上坡顶和下坡初发生强矿压显现的根本原因。

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