基于关键层理论的8m大采高工作面矿压规律研究

冯酉森，陆 浩，焦 斌，李 伟

(神东煤炭集团有限责任公司 补连塔煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 017209)

神东矿区煤炭地质储量巨大，煤层稳定，地质结构简单，煤层厚度大[1]，为特厚煤层一次采全高创造了条件[2]，现补连塔煤矿第四个8m特大采高综采工作面已正式回采，多名学者对大采高综采工作面矿压显现规律进行了卓有成效的研究[3-9]，但多集中于综采面矿压显规律的宏观总结，将矿压规律与煤层上覆岩层进行关联分析较少。8m特大采高综采工作面在回采过程中，周期来压步距、动载系数、来压持续距离差异明显，尤其在过特殊区域时，提前对矿压显现进行预测预报尤为重要，现有的矿压规律总结并不能够满足现场实际需要。

煤系岩层由上部层状岩体组成，由于各岩层的岩石力学性质、厚度差异明显，从而在控制采场上部岩层运动中所起的作用不同，关键层控制采场上覆岩层局部或直至地表的全部岩层活动[10-13]，该理论在工程实践中已得到证明[14，15]。本文将基于关键层理论对8m特大采高综采面矿压显现规律进行深入分析，总结矿压显现规律与关键层之间的关系。

1 关键层判别方法

覆岩关键层判别分为三个步骤：一是根据覆岩岩层物理力学性质、厚度等参数，利用组合梁理论判断坚硬岩层；二是根据岩层梁式破断计算其极限跨距；三是对坚硬岩层的极限跨距进行分析，确定煤层上方覆岩中主关键层、亚关键层的位置及相关参数[16]。

1.1 坚硬岩层判断

基本顶初次来压后，随综采工作面回采，煤层上覆基岩经过破断、运动，周而复始的出现“稳定—失稳—稳定”过程，根据关键层定义，关键层之间非同步协调变形，关键层上部控制岩层与关键层同步变形，如图1所示。

图1 岩层载荷计算

假设第1层为坚硬岩层，则第n层岩层对第1层岩层的载荷为：

式中，q(n)1为第n层对第1层坚硬岩层的荷载，MPa；Ei为第i层岩层弹性模量，GPa；hi为第i层岩层厚度，m；Vi为第i层岩层体积力，MN/m3。

假设第n+1层为另一坚硬岩层，由于其岩层挠度小于下层岩层，故n+1层坚硬岩层不随下部岩层同步变形，那么就存在：

q(n+1)1

(2)

将式(2)代入式(1)，即得坚硬岩层的判断公式：

由煤层上方第1层岩层开始计算，满足式(3)即为第2层坚硬岩层，以此类推，得到煤层上覆坚硬岩层的位置，以及该岩层起控制作用的相对软岩位置。

1.2 坚硬岩层极限跨距判断

为方便计算，以两端固支梁模型作为参考依据，判断各坚硬岩层的极限破断距，则：

式中，Lk为第k层坚硬岩层极限跨距，m；hk为第k层坚硬岩层厚度，m；Rk为第k层坚硬岩层极限抗拉强度，MPa；qk为第k层坚硬岩层载荷，MPa。

根据关键层定义可知：关键层所受载荷为本层坚硬岩层与其控制的上部相对软岩的重力之和，所以，式(4)中qk可根据式(1)进行计算。

由于表土层弹性模量为0，则煤层上覆岩层中的距离地表最近的坚硬岩层所受的载荷为：

式中，q0为距离表土层最近坚硬岩层所受的载荷，MPa；E0为距离表土层最近坚硬岩层弹性模量，GPa；h0为距离表土层最近坚硬岩层厚度，m；h为表土层厚度，m；V0为距离表土层最近坚硬岩层的体积力，MN/m3；V为表土层体积力，MN/m3；m为距离表土层最近坚硬岩层控制的软岩层数(除表土层)；hj、Vj、Ej分别为距离表土层最近坚硬岩层控制的各层软岩厚度、体积力、弹性模量，单位分别为m、MN/m3、GPa。

1.3 关键层位置判定

关键层位置判定依据见式(6)：

Lk

(6)

如果Lk>Lk+1，需要将第k+1坚硬岩层所受载荷作用于第k层坚硬岩层上，再次算出第k层坚硬岩层极限跨距，当重新计算后Lk

2 8m特大采高综采工作面基本情况

补连塔煤矿12514综采工作面位于12煤五盘区，是第四个8m特大采高综采工作面，采面长度327.7m，推采长度3088.8m，可采储量895.21万t。该综采面一次采全高，采取垮落法处理采空区。煤层厚度4.4～8.8m，平均厚度7.26m，煤层倾角1°～3°，煤层稳定，地质条件简单，松散层厚度4～13m，上覆基岩厚度240～280m。12514综采工作面煤岩层综合情况见表1。

表1 BK50钻孔煤岩层综合情况及覆岩关键层判别结果

3 8m特大采高综采面关键层判断

根据关键层判别方法，结合8m特大采高综采面地质资料，经过式(1)、式(2)、式(3)计算，确定4、8、16、20、22、25号岩层为坚硬岩层，计算得坚硬岩层极限破断距分别为21.21m、20.42m、33.71m、26.27m、48.23m、54.08m，具体见表1，其中L4>L8，L16>L20，根据关键层位置判断原则，将坚硬岩层8承受的载荷加到坚硬岩层4上，经过计算L4及先垮落步距小于L8，说明坚硬岩层4破断受控于坚硬岩层8，当坚硬岩层8破断后，其载荷作用于坚硬岩层4，从而导致坚硬岩层4破断，取L4=L8=20.42m，同理坚硬岩层L16=L20=26.27m。因此，经过演算，存在4层关键层，第4层、16层、22层为亚关键层，第25层为主关键层，直接顶厚度7.77m。

在煤炭开采过程中，随下部回采作业，导致上覆岩层运动，根据关键层理论，上部岩层分段断裂，从而形成综采工作面周期来压，将各关键层周期来压步距按悬臂梁式折断进行计算，而各关键层周期来压步距与极限垮落步距存在以下关系：

式中，Lk周为第k层关键层周期来压步距，m。

经计算得L1周=8.66m，L2周=10.72m，L3周=19.69m，L4周=22.07m。

现根据所判别出的各关键层周期来压步距，对工作面500m范围内来压步距进行预判，除去老顶初次来压，两次周期来压步距小于4m时，现场表现为两次周期来压无明显间隔，视为一次周期来压，则补连塔煤矿8m特大采高综采面周期来压步距预测结果见表2，其中，周期来压步距平均值为9.15m。

表2 补连塔煤矿8m特大采高综采面周期来压步距预测表

通过表2可知，周期来压步距存在大、小之分，且随工作面推进，由于上部关键层极限跨距不同，导致部分相邻周期来压步距短，工作面现场表现为持续带压，或同一综采面推进度下，上覆两层关键层复合破断，导致周期来压强度大、煤壁片帮、顶板破碎严重、立柱下沉量大等强矿压显现。

4 8m特大采高综采面矿压规律

在A月监测周期内，综采面推进288m，共发生周期来压24次，周期来步距6.0～18m，平均来压步距10.6m，动载系数1.28～1.51，平均1.36，来压强度较强烈，来压持续长度2.4～9.6m，平均4.88m，如图2所示。来压期间综采面中部支架载荷最大，机尾段次之，机头段最小。综采面周期来压步距差异明显，存在大、小周期来压步距现象，大、小周期来压无明显规律，部分周期来压时工作面带压距离长，现场顶板破碎、梁端距较大(1.5～2m)，可能受上部多层关键层先后折断影响，相邻周期来压之间步距小，导致相邻周期来压之间没有明显区分。

图2 8m特大采高综采面A月周期来压曲线

在B月监测周期内，工作面推进325m，共发生周期来压31次，周期来步距2.7～15.3m，平均来压步距6.9m，动载系数1.26～1.5，平均1.33，来压强度较强烈，来压持续长度1.8～9.9m，平均4.01m，如图3所示，来压期间综采面中部支架载荷最大，机尾段次之，机头段最小。综采面周期来压步距差异明显，存在大、小周期来压步距现象，大、小周期来压无明显规律，部分周期来压时综采面带压距离长，带压支架呈散点状分布，可能受上部多层关键层先后折断影响。

图3 8m特大采高综采面B月周期来压曲线

根据关键层理论计算预测500m范围内，综采面共出现48次周期来压，平均周期来压步距9.15m，其中L<5m、5m≤L<10m、10m≤L<15m、15m≤L占比分别12.5%、52.08%、31.25%、4.17%；通过综采面实际矿压数据分析，综采面共推进613m，出现55次周期来压，平均周期来压步距8.5m，平均动载系数1.34，来压强度较强烈，其中L<5m、5m≤L<10m、10m≤L<15m、15m≤L分别占比16.38%、54.55%、23.64%、5.45%，周期来压步距预测值与实际值相差0.65m，各周期来压步距区段占比基本相同，其中5～15m占比达到78%以上。

5 结 论

1)基于关键层理论，确定8m特大采高综采面上覆基岩存在4层关键层，并确定其层位，在此基础上分析预测综采面推进500m范围内平均周期来压步距为9.15m，并确定各周期来压步距区段占比。

2)根据现场实际情况，8m特大采高综采面周期来压步距差异明显，存在大、小周期来压现象，大、小周期来压之间没有明显规律，周期来压步距2.7～18m，平均8.5m，随综采面推采，上覆关键层极限跨距不同，先后折断，部分周期来压之间没有明显区分，存在关键层复合破断的情况，工作面带压距离长，顶板管控困难。

3)综采面采高大，直接顶垮落后活动空间大，关键层折断对支架冲击较大，周期来压期间动载系数1.26～1.51，平均1.34，来压强度较强烈。

4)通过关键层极限跨距分析与现场实际周期来压步距对比，预测周期来压步距9.15m，实际周期来压步距8.5m，周期来压步距L<5m、5m≤L<10m、10m≤L<15m、15m≤L的占比基本与现场实际周期来压步距区段占比相吻合，通过关键层极限跨距可对工作面周期来压步距进行初步预测，指导现场工作。

5)关键层理论周期来压步距与现场实际周期来压步距吻合度高，需要进一步分析综采面周期来压强度、步距、带压距离与对应关键层破断层位之间的关系，从而提高预测预报精度，确保安全、高效回采。