大采高工作面复合关键层破断模式与矿压显现机理研究

褚建伟 张基伟

(1. 呼伦贝尔学院采矿工程系，内蒙古自治区呼伦贝尔市，021008；2. 北京中煤矿山工程有限公司，北京市朝阳区，100013)

大采高工作面复合关键层破断模式与矿压显现机理研究

褚建伟1张基伟2

(1. 呼伦贝尔学院采矿工程系，内蒙古自治区呼伦贝尔市，021008；2. 北京中煤矿山工程有限公司，北京市朝阳区，100013)

针对大采高工作面矿压控制难题，利用相似模拟方法对覆岩破断特征与矿压显现机理进行研究，分析了覆岩运移特征与声发射监测信息，提出异步及同步断裂关键层破断模式，建立了相应的上覆岩层复合关键层结构模型和覆岩破断的力学条件，总结上覆岩层移动变形和破断随时间和空间的变化规律，得出关键层同步断裂是造成大采高工作面开采矿压显现强的根本原因。

大采高工作面 覆岩破断特征 相似模拟 矿压显现

据统计，我国厚煤层储量占煤炭资源总储量的45%，大采高综放开采技术是针对厚煤层的安全高效回采方法。相比于普通综放采煤法，该方法具有采出率高、巷道布置优化、煤炭资源回收率高等优势。但是采高的增大与推进速度的加快会导致工作面覆岩垮落方式改变、煤壁片帮严重、支架不稳定等问题，制约大采高采煤方法的应用，威胁工作面安全高效的回采，阻碍了大采高开采技术的发展。一些学者针对大采高采场围岩控制理论进行了细致研究，但是大采高开采过程中覆岩结构时空运移的变异性以及覆岩破断机理仍然是目前亟待解决的问题。本文以晋城寺河矿综采工作面为工程背景，根据该矿地质条件构建相似材料模型试验台，研究大采高覆岩破断特征。基于关键层理论，采用弹性基础梁理论分析方法，建立复合关键层在不同断裂模式下的力学模型和破断准则。借助声发射测试方法对开采过程中岩层移动产生的微小破裂发出的声信号进行监测，揭示关键层破断过程中声发射信号的变化规律，寻找大采高工作面开采过程中强矿压显现的根本原因，从而为大采高开采技术推广和安全保障提供技术支撑。

1 工程背景

寺河矿主采煤层为2号煤，倾角小于11.5°，煤层平均厚度6.2 m，走向长2811 m，倾向长276 m，煤层顶板为II类，裂隙较发育。基本顶由粗砂岩组成，厚度16 m，水平层理，较坚硬。上覆岩层由中粒砂岩和粉砂岩组成，厚度为35.4 m，泥质胶结，岩石坚硬，稳定性较好。在走向长壁回采过程中，往往会出现矿压显现强度大、冒顶、片帮等现象。

2 相似模拟模型建立

2.1 模型铺设

以寺河矿综采工作面地质条件为背景铺设相似模拟试验模型。平面应变实验架的尺寸为5.0 m×0.2 m×1.5 m。根据地层分布情况确定几何相似比为1∶100，容重相似比为1∶1.61，应力相似比为1∶161，时间相似比为1∶10。经计算得到各分层所需要的材料，如表1所示。

表1 相似模拟材料配比

2.2 监测方案

相似材料模型自左端30 cm处每隔10 cm向右开采至模型右端30 cm处，预计共模拟开采430 cm，实际开采430 m。开采过程中利用经纬仪进行位移监测，分析大采高工作面回采期间的覆岩运移过程。设计模拟ZY10000/28/62D支架，此支架工作阻力10000 kN(39.8 MPa)，初撑力7912 kN(31.5 MPa)，将支架与压力监测仪连接，监测覆岩运移过程中的支架压力变化规律。在煤层下面铺装有压力盒，可以监测工作面回采过程中超前支承压力变化特征。声发射测点布置如图1所示，煤层上方埋设4个声发射传感器，逆时针编号依次为1#、2#、3#、4#，声发射装置安装共需要挖18个孔，图中孔位为声发射测点布置位置，2#～4#测点观测超前100 m范围内基本顶附近的信号，1#测点监测上覆岩层的关键层破断过程声信号变化。随着工作面的推进，传感器不断向前转移，保证监测范围为100 m。

图1 声发射测点布置图

3 大采高工作面关键层复合破断模式特征

3.1 覆岩运移特征

工作面覆岩破坏相似模拟情况如图2所示。由图2可以看出，从模型左端30 cm处开始模拟工作面推进，当模拟工作面推进至90 m时，关键层1出现断裂，60 m处顶部下沉近3 m。工作面推进至150 m时，层面间出现了明显的离层，关键层2达到极限跨距开始破断。初次垮落之后，随着工作面的推进，两个关键层将按各自的周期来压步距开始垮落，此时为两个关键层复合破断的起点。关键层2破断后，在工作面附近逐渐形成铰接岩梁，阻碍了关键层1的正常垮落。支架后部约10 m范围内基本顶悬空，导致工作面推进至200 m后关键层1来压步距离散性较大，两个关键层复合破断步距离散性大。

试验测量结果显示，关键层1的周期来压步距一般为25 m，关键层2来压步距一般为40 m。当工作面推进到190 m、250 m、330 m、400 m时，关键层1和关键层2的垮落位置接近重合，为同步下沉。当工作面推进到220 m、285 m、300 m、350 m、380 m时，关键层1和关键层2的垮落位置不同，为异步下沉。

3.2 大采高工作面关键层复合断裂模式

根据上述试验结果分析，寺河矿上覆岩层的岩体结构主要是由关键层1和关键层2两个坚硬岩层组成。可以将上覆岩层划分为两组，每个分组中的软岩层可视为坚硬岩层上部的荷载，并随坚硬岩层运动而运动。本文提出复合顶板的同步、异步断裂模式。

模式1：关键层1断裂，关键层2未断裂，两个关键层之间产生离层，工作面支架只承受关键层1的荷载，关键层2的荷载将直接作用在工作面煤壁上，如图3(a)所示。

模式2：两个关键层同时达到断步距而同步断裂，此时工作面支架承受两个关键层垮落顶板的重量，工作面产生明显来压，如图3(b)所示。

图3 复合关键层破断模式

3.2.1 大采高工作面关键层异步断裂模式

当关键层1断裂时，关键层1和关键层2之间产生离层，出现异步断裂，以关键层1的断裂面和煤壁为边界，建立力学模型如图4所示。以关键层1的断裂面和煤壁为边界，建立一端固支、一端简支的力学模型。

图4 力学模型1

根据弯曲梁理论可得到关键层1的挠度曲线为：

(1)

式中：y1——关键层1的挠度，m；

q1——关键层1的上覆岩层荷载，MPa；

x——水平方向取值，m；

E1——关键层1的弹性模量，GPa；

I1——截面惯矩，m；

L1——工作面推进距离，m。

因此可以得到关键层1的上覆岩层应力为：

(2)

式中：σ1——关键层1的上覆岩层应力，MPa；

W1z——关键层1的截面模量，mm3。

3.2.2 大采高工作面关键层同步断裂模式

当关键层2断裂时，以关键层2的断裂面和煤壁处为两个边界，两层细砂岩间弹簧连接，弹簧的弹性系数取Winkler地基弹性系数，建立力学模型如图5所示。

图5 力学模型2

根据弯曲梁理论，可知关键层2的最大应力方程为：

(3)

式中：σ2——关键层2的上覆岩层应力，MPa；

E2——关键层2的弹性模量，GPa；

I2——关键层2的惯性矩，m4；

E0——地基的弹性模量，GPa；

h0——垫层厚度，m；

c1——常数；

W2z——关键层2的截面模量，mm3。

常数c1可由下式计算：

(5)

式中：L2—同步破断模式下推进步距，m；

q2——同步破断模式下上覆岩层荷载，MPa。

当L1和L2同时满足σ2max≥[σ2t]和σ1max≥[σ1t]，两层关键层将同步断裂。将=2790 kg/m3，E1=11 GPa，E2=11 GPa，W1z=42.6 mm3，W2z=42.6 mm3，[σ1t]=1.29 MPa，[σ2t]=1.29 MPa，k=20，E0=4.8 GPa带入式(4)中，可得两个关键层将同时断裂的周期断裂步距为79.6 m，与相似材料模拟试验结果相近。

4 大采高工作面声发射信号特征与灾变机理

利用声发射对大采高工作面推进过程中覆岩关键层同步、异步破断过程所产生的弹性波进行监测。当覆岩出现裂隙时，声发射能率较小；当覆岩出现破断的情况时，声发射能率则会突然增大并且持续时间较短。

试验过程中共出现16次周期来压现象，来压过程中1#～4#测点的声发射最大能率如图6所示。由图6可以看出，工作面初次来压时，关键层1发生第一次断裂，2#探头的最大能率达到5000 mv·μs/s，其他探头能率值较小，表明基本顶初次来压的影响范围靠近断裂区域，且能量释放较大。工作面推进至150 m时，关键层2第一次断裂，2#探头的最大能率达到 2750 mv·μs/s，其他探头能率值较小，表明关键层2断裂的影响范围靠近断裂区域，且能量释放较大。由此可知，异步断裂的能量释放影响范围相对较小，最大能率值相对较低。

工作面推进至194 m处，关键层1、关键层2同步断裂，1#～3#探头的能率值普遍增大，最大可达4600 mv·μs/s，可见关键层同步断裂造成工作面来压显现影响范围增大，释放能量增加。工作面推进至250 m、330 m、400 m时最大能率值普遍较大，超前影响范围均超过50 m，周期来压剧烈。由此可知，大采高工作面关键层同步断裂是造成大采高工作面开采矿压显现强的根本原因。

图6 来压期间声发射最大能率

5 结论

本文通过对晋城寺河矿综采工作面相似材料模拟，得出以下结论：

(1)根据相似材料模拟覆岩运移特征，提出关键层同步断裂与异步断裂的破断模式。试验发现工作面推进到190 m、250 m、330 m、400 m时关键层发生同步断裂，其他周期来压时发生关键层异步断裂。

(2)针对关键层同步断裂与异步断裂的破断模式，建立两种复合顶板的力学模型。采用弹性基础梁理论求解出关键层同步、异步断裂步距的解析解。

(3)结合理论分析与声发射监测得出，当两个关键层同步断裂时造成工作面来压显现影响范围增大，周期来压剧烈。关键层同步断裂是造成大采高工作面开采强矿压显现的根本原因。

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Studyonfailuremodeandminingpressurebehaviormechanismofcompositekeystratainlargeminingheightworkface

Zhu Jianwei1， Zhang Jiwei2

(1. Department of Mining Engineering， Institute of Hulun Buir， Hulun Buir， Inner Mongolia 021008， China; 2. Beijing China Coal Mine Engineering Co.， Ltd.， Chaoyang， Beijing 100013， China)

Aiming at mining pressure control problem of large mining height work face， the overlying strata failure characteristics and mining pressure mechanism was studied by similarity simulation method. The overlying strata movement characteristics and acoustic emission monitoring information were analyzed. Synchronous and asynchronous key strata breaking mode were proposed， and the corresponding structural model of overlying composite key strata and mechanical condition of overlying rock strata failure were established. The regular pattern of movement deformation and failure of the key strata was obtained varying with time and space. It was concluded that synchronous key strata breaking was the basic cause of strong mining pressure appearance in work face with large mining height.

large mining height work face， overlying strata failure characteristic， similarity simulation， mining pressure appearance

TD353

A

国家重点研发计划(2016YFC0600904)

褚建伟，张基伟. 大采高工作面复合关键层破断模式与矿压显现机理研究 [J]. 中国煤炭，2017，43(11)：55-59.

Zhu Jianwei， Zhang Jiwei. Study on rupture modes of compound key strata and mine pressure mechanism of large height mining work face [J]. China Coal，2017，43(11)：55-59.

褚建伟(1982-)，男，黑龙江甘南人，硕士，讲师，主要从事采矿工程、矿压控制方面的研究。

(责任编辑 陶 赛)