孤岛综放工作面覆岩结构分析及矿压特征研究

王陈真

（山西潞安集团蒲县黑龙煤业有限公司 ，山西 蒲县 041200）

0 引 言

回采工作面上覆岩层结构特征及运动规律一直是人们较为关注的问题，其中孤岛工作面的覆岩结构及矿压规律又与非孤岛工作面之间存在较大的差距，孤岛工作面上覆岩层的断裂高度与离层现象会明显增大[1]，由于孤岛工作面在回采时经常会遇到顶底板变形下沉量大、煤壁片帮、工作面支架压力大的现象[2]，故国内外学者在孤岛工作面围岩控制方面展开了大量研究，如柏建彪、张金亮等[3]通过对顶板的赋存状况、采空区侧向应力场以及采空区侧煤体进行分析研究，提出通过合理布置巷道、锚杆锚索支护配合注浆加固提高围岩承载能力等方面控制孤岛综放工作面的围岩变形；贾靖、王洪军等[4]通过观测结果得出孤岛工作面的来压特征，提出孤岛综放面应采用无煤柱或小煤柱掘进来避开应力集中。本文主要通过对孤岛工作面上覆岩层结构进行分析得出老顶的初次及周期来压步距表达式，并对3205孤岛综放面进行矿压实测分析，得出3205孤岛综放面的矿压显现规律。

1 工程概况

某矿3205工作面为孤岛工作面，其北部为3207采空区，南部为3203采空区，3205工作面所采煤层为3#煤，平均厚度4.7m，平均倾角为6°，工作面采用综采放顶煤工艺，3205工作面直接顶为4.5m的黑色泥岩，基本顶为4.5m的中粒砂岩，直接底为1.2m的砂质泥岩，老底为1.6m的灰色细砂岩，3205工作面运输巷与回风巷两侧均留设有6m的保护煤柱。3205工作面位置示意图如图1所示。

图1 3205工作面位置示意图

2 孤岛工作面覆岩结构特征分析

2.1 孤岛工作面应力分布特征

由于孤岛工作面两侧均为采空区，围岩结构较为特殊，两侧采空区无法形成自承结构致使覆岩应力向实体煤侧转移，从而致使孤岛工作面上覆岩层在回采前已经发生断裂，从剖面图上观察覆岩结构时成T型结构，可将孤岛工作面覆岩视为T型结构，通过T型结构的受力及破坏特征分析孤岛工作面覆岩的受力状态。

孤岛工作面覆岩结构可简化为两端固支的梁结构，假设工作面覆岩一共有n层，从下至上依次为1，2，…，m，如图 2 所示，各岩层的体积力为 γi，厚度为 hi，弹性模量为 Ei。

图2 岩层荷载计算图

根据关键理论与组合梁原理[5]能够得出第n层覆岩对第一层形成的荷载为：

根据现有理论研究，工作面在回采期间上覆岩层的运动主要分为三个部分：①当层间拉应力超过顶板自身极限抗拉强度时，顶板会产生离层；②当层内拉应力超过顶板极限抗拉强度时，顶板会产生断裂；③随着工作面回采工作的推进，顶板岩梁会从断裂转化为垮落，且垮落高度一般远远大于三倍的岩层厚度。

根据以上分析，运用岩石力学理论分析上覆岩层的断裂条件，将第r层岩层在破断之前视为两端固支的梁的力学模型，如图3所示，图中q为上覆均布荷载，h为岩层厚度，l为岩梁的跨度。

图3 岩层梁结构模型

根据弹性力学知识能够解得各向应力的表达式[6]如下所示：

当x=0，y=h或x=l，y=h时，即固支梁的下边界处拉应力为：

当下边界受到的拉应力σx超过岩层的极限抗拉强度[στ]时，便会使得两端固支岩层产生破断，则能够得出岩层固支状态下发生破坏的极限跨距Lj的表达式如下：

根据式（4）可知当工作面的推进长度达到Lj时，上覆岩层便会发生初次破断，Lj即为老顶的初次断裂步距。

当工作面上覆老顶断裂后，可把工作面覆岩视为受均布荷载的悬臂梁，其力学模型如图4所示。

图4 悬臂梁力学模型

根据弹性力学知识能够得出悬臂梁各向应力的表达式：

把 x=l，y=h/2 带入式（5）得出 σx的表达式，当 σx达到岩层的极限抗拉强度[στ]时，此时上覆岩层便会发生断裂，此时断裂跨度LY即为老顶的周期来压步距，表达式为：

当孤岛工作面受到两侧采空区的影响程度不一致时，将上覆岩层视为非对称T型结构，当两侧采空区对孤岛工作面的影响程度相同时上覆岩层结构视为对称T型结构，根据3205孤岛工作面的具体情况，其两侧均为大面积的采空区，同时覆岩均在不同程度上存在断裂现象，故可将3205孤岛工作面覆岩视为对称T型短臂结构。

3 3205孤岛工作面矿压实测及分析

3.1 矿压观测方案及顶板来压判断依据

为进一步准确的掌握3205工作面及回采巷道的矿压规律，沿着工作面长度方向布置3个测区，10个测站；其中 14#、28#、42# 为上部Ⅰ测区，56#、70#、84#、98# 为中部Ⅱ测区，112#、126#、140# 为下部Ⅲ测区，具体测点位置及测区范围如图5所示。

图5 测点布置位置示意图

本次运用YHY60(B)矿用性数字压力计在3205孤岛工作面回采期间对综采支架工作阻力进行测量，通过对矿压观测数据分析老顶的初次来压步距L0以及周期来压步距L1，初次来压步距及周期来压步距可通过以下步骤进行确定：（1）以观测循环、日期以及工作面推进的长度为横坐标，液压支架的工作阻力为纵坐标绘制关系曲线，若曲线中存在有规律变化的峰值存在时，即代表存在老顶来压现象；（2）初步判断出老顶具有来压现象后通过计算矿压数据的平均值与方差来具体确定老顶来压的峰值与步距。运用液压支架的工作阻力判断初次来压与周期来压时主要依据如下公式：

式中pτ'为支架的加权阻力；pτ为观测期间全部支架支护阻力的加权平均值；δp为支护阻力的均方差。

对于顶板来压强度的判定可通过动载系数k来衡量，动载系数的表达式为：

式中：k为动载系数；pm为顶板未来压时支护的平均阻力；pc为顶板来压时支护阻力的平均值；

3.2 3205孤岛工作面回采期间矿压规律分析

通过对3205孤岛工作面回采时进行一个月的持续观测得出的数据进行具体分析，并根据支架时间加权阻力加上均方差作为老顶来压的判据px，为全面的反应工作面的矿压规律对28#、70#、126#支架进行具体分析，28#、126#反应工作面两端头的矿压情况，70#反应工作面中部的矿压情况。

1）28#支架工作阻力分布曲线如图6所示，由测得的支架工作阻力数据能够得出支架的时间加权阻力为18.7，支架阻力的均方差为11.3，带入式（7）能够得出老顶来压的判据为30.0MPa，结合28#支架工作阻力的分布曲线能够老顶初次来压步距为20.2m，监测期间周期来压3次，周期来压的平均步距为9.9m，顶板在来压时的平均支护阻力为25.0MPa，未来压时的平均支护阻力为14.3MPa，带入式（8）能够得出动载系数k为1.74。

图6 28#支架工作阻力分布曲线

2）126#支架工作阻力分布曲线如图7所示，同样根据测得支架工作阻力的数据能得出时间的加权阻力为18.1MPa，均方差为11.1，顶板在未来压时的平均支护阻力为14.1MPa，来压时的平均支护阻力为24.6MPa，根据以上数据结合式（7）与式（8）能够得出老顶来压的判据为29.2MPa，，据此能够得出126#支架的初次来压步距为20.9m，30天内周期来压为3次，周期来压的平均步距为10m，动载系数k平均为1.75。

图7126 #支架工作阻力分布曲线

3）70#支架工作阻力分布曲线如图8所示，根据测得数据能够得出支架时间加权阻力为15.6MPa，均方差为10.5，顶板在来压时支架的平均支护阻力为21.8MPa，未来压时的平均支护阻力为13.8MPa，根据上述数据带入公式并结合支架工作阻力分布曲线能够得出70#支架的初次来压步距为23.5m，30天内的周期来压次数为3次，平均周期来压步距为10m，动载系数k为1.61。

图8 70#支架工作阻力分布曲线

综合上述分析得出在工作面回采期间，老顶在初次来压后，随着回采工作面的继续推进裂隙带岩层形成的结构将不断的经历相似的周期性的稳定—失稳—再稳定的变化过程，对28#、126#支架工作阻力具体分析得出3205孤岛工作面端头处平均初次来压步距为20.5m，在来压期间支架受到的最大工作阻力为30.3MPa；对70#支架的具体分析得出工作面中部的初次来压步距为23.5m，在来压期间支架工作阻力的最大值为30.4MPa，故在顶板来压时工作面中部的来压强度小于工作面两端头的来压强度，并且端头的来压步距比中部的来压步距要短，所以回采期间需要注意对工作面端头的支护及管理工作。

4 结论

1）通过对3205孤岛工作面上覆岩层的结构分析得出老顶初次来压步距与周期来压步距的计算表达式，并判断出3205孤岛工作面上覆岩层属于短臂“T”型结构，工作面的周期来压步距会较短，周期来压会比较频繁。

2）在工作面回采工作面推进期间，通过对观测数据处理得出老顶来压的判据，结合支架工作阻力曲线图进行分析得出老顶的初次来压步距在20～24m范围，周期来压步距在9.5m～10m范围内。

3）根据分析3205孤岛工作面端头与中部的支架工作阻力曲线图得出工作面两端头的来压强度大于中部，端头来压步距比工作面中部短，故在回采期间应注意加强工作面两端头的围岩控制。