薄基岩采场覆岩运动规律及压架防治技术研究

张 冯，张华磊，涂 敏

(1.安徽理工大学 煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大学 矿业工程学院，安徽 淮南 232001)

松散含水层下部煤炭资源具有埋藏浅，开采成本低等优点，是华东新、老矿井持续增产稳产的主要资源，但我国已经发生数十起在该松散水层下采煤压架致灾事故，并且综采工作面压架致灾呈现增多趋势[1]。国内外学者对工作面压架问题开展了大量的研究，文献[2-7]研究了松散承压含水层的载荷传递机制、分析了导致压架事故的内在原因；文献[8-10]通过现场液压支架压力监测分析得到单一关键层是造成超大采高工作面矿压显现剧烈的主要原因；文献[11]通过相似模拟与数值模拟相结合的方式，得到关键层结构失稳是造成工作面液压支架产生压架事故的原因；文献[12]运用理论分析的方法，研究了工作面压架机理，得到了水压冲击作用下工作面支架阻力的计算公式；文献[13]通过研究含水层的水位和关键层之间的关系，从而形成了一种防止压架突水的预警方法；文献[14]通过对在重复采动条件下对覆岩破坏的影响因素规律的研究提出了对含水层“释压开采”的方法，从而避免了突水事故的发生；文献[15]通过对发生突水压架事故的覆岩结构分析研究，提出了开采之前对危险范围预测分析的方法。文献[16，17]采用多种手段研究了煤层开采过程中导水裂隙带的空间发育规律，得出了导水裂隙带的预测方法，进而提出了顶板突水防治措施。

综上所述，许多专家学者深入研究了工作面突水压架事故的内在机理，而关于防治措施的研究相对较少。基于此，本文顾北矿1512(3)工作面为工程背景，采用物理相似模拟和数值模拟相结合的方法，对单承载层和双承载层覆岩的运动规律进行综合对比分析，探讨不同覆岩承载结构下工作面液压支架的受力特点，进而提出了对应的防治措施，研究结果成功应用于工程实践。

1 工程背景

以顾北矿1512(3)工作面为具体工程背景，该工作面地质条件较为复杂，主采煤层为13-1煤层，其煤层埋深约为475m，煤层平均厚度约为5.4m，岩层柱状如图1所示。

图1 岩层柱状图

工作面为巨厚新生界松散层下开采厚煤层的综采工作面，综合工作面回采巷道掘进期间巷道水文地质调查及该面物探、钻探资料，1512(3)工作面13-1煤层顶板砂岩富水性不均一，局部存在相对富水区，工作面在顶板砂岩富水区及构造发育段回采期间，工作面内易出现顶板淋水或较大涌水现象。

2 相似模拟试验

2.1 模型的建立

以顾北矿1512(3)工作面为研究对象，本次实验设计了单承载层与双承载层两个实验模型，通过分析不同覆岩结构下的煤层开采过程，研究顶板运动规律及覆岩裂隙的发育特征。物理相似模拟实验台的长、宽、高分别采用2m×0.2m×1.3m，相似模拟试验的几何相似比为1∶100，试验选用河沙作为岩层骨料，石灰石膏粉作为骨料胶结物，以厌水性云母粉作为层间节理，用水砂带模拟含水层，水砂带两侧连接水压均衡系统以模拟含水层的流动补给特性。岩层相关力学参数和材料配比见表1。

表1 各岩层物理模型力学参数表

2.2 物理模拟试验结果分析

采场覆岩中有单承载层以及双承载层，随着煤层开采时的采场覆岩垮落的特点如图2、图3所示。

单承载层覆岩运动规律如图2所示，当工作面推进到30m时，工作面直接顶发生初次垮落，直接顶上方有着明显的裂隙发育。当工作面向前推进至75m时，在单承载层出现破断并发生垮落之后，采空区上覆岩层呈现整体的弯曲下沉状态，岩层破断位置形成铰接结构，在承载层破断处产生的离层量减小，随着工作面的推移逐渐被压实，此时说明含水层已将上覆岩层的荷载传递给了下部岩层。

当工作面向前推进至115m时，采场覆岩未形成较为稳定的支撑结构，上覆岩层垮落下沉的范围进一步增大，承载层进一步弯曲下沉，最终发生了破断，含水层及上部松散岩层发生整体性下沉，受上覆荷载的作用，岩层之间产生的裂隙逐渐闭合，前期垮落的岩块被再次压实。当工作面向前推进至150m时，由于上覆岩层整体性的弯曲下沉，岩层纵向裂隙向上持续发育，在回采工作面推进结束后，此时裂隙发育高度为66m。

双承载层结构覆岩运动规律如图3所示，当工作面推进30m时，直接顶上方覆岩发生初次垮落，覆岩裂隙开始发育；当工作面向前推进至75m时，下部承载层区域裂隙发育，离层现象明显。随工作面向前推进，上部承载层发生弯曲变形，当工作面向前推进至115m时，上部承载层发生破断，工作面后方前期垮落产生的覆岩裂隙将进一步被压实；

当工作面向前推进至150m时，上部承载层再次破断，由于上部承载层破断回转形成了铰接悬臂梁结构，阻断了荷载传递路径，纵向裂隙发育基本趋于稳定状态，此时岩层裂隙发育高度为52m。

通过物理相似模拟实验得到，当采场覆岩为单承载层时，随回采工作面的推进，采空区上覆岩层受自身重力与工作面卸压共同作用，煤层上方直接顶出现垮落，随着回采工作面继续推进，承载层由弯曲下沉转化为破断状态，上部载荷直接作用于承载层，工作面上方早期形成的砌体梁结构在上部岩层荷载的作用下再次发生破断，岩层的铰接结构发生破坏，如图2(d)所示，荷载将直接传递到液压支架，随工作面推进将产生突水压架的隐患。

当采场覆岩为双承载层时，上部承载层发生破断回转但并未随其下方岩层发生整体下沉，而是在工作面上方形成稳定的砌体梁结构，将应力传递到工作面后方，如图3(d)所示，此时液压支架只需承担砌体梁下部垮落岩体的荷载，大大减小工作面液压支架的受力，降低了压架的风险。

3 数值模拟分析

3.1 模型建立

为直观清晰反应采场覆岩的运动规律及裂隙发育特征，本次数值模拟采用3DEC离散元软件，本构模型选用Mohr-Coulomb模型，为消除模型边界对计算结果的影响，所建立的模型两侧各留80m煤柱。根据顾北矿1512(3)工作面地质条件，分别建立单承载层和双承载层的开采模型进行建模计算分析。模型尺寸长为300m，宽为10m，高为115m，计算时四周和下边界施加了固定约束，上表面为自由约束。

3.2 数值计算结果分析

采场覆岩分别为单承载层和双承载层时，随工作面推进，覆岩运动规律及裂隙发育特征如图4、图5所示。

由图4可知，当采场覆岩为单承载层时，工作面回采至30m时，直接顶发生初次破断，覆岩裂隙向上发育；当工作面回采至60m时，在上部荷载与覆岩自重作用下，覆岩整体向下部运动，由于风氧化带岩层岩性较差，抗剪强度低，未能在采场上方形成承载结构；当工作面回采至80m时，覆岩再次周期破断，在上覆松散岩层及水压的作用下，基本顶大幅度下沉，矿压显现剧烈，工作面前方的覆岩裂隙向上发育充分，工作面有突水压架的风险。

由图5可知，当采场覆岩为双承载层时，工作面回采至35m时，基本顶发生初次破断；当工作面回采至60m时，基本顶发生周期破断回转下沉，与上部岩层间形成横向离层裂隙，破断覆岩在上部形成铰接的承载结构，覆岩运动与单承载层的运移特征有明显不同，此时液压支架只需承载下部垮落的岩体；当工作面回采至80m时，覆岩发生再次周期破断，裂隙向上发育但工作面前方裂隙发育不如单承载层明显。

图5 双承载层采场覆岩运动规律

综上所述，当薄基岩煤层采场覆岩内存在多个承载层时，可以有效承担上部岩层荷载及水压，工作面前方的裂隙发育明显减少，降低了工作面突水的风险。基于实验结果和数值模拟分析，考虑对顾北1512(3)工作面顶板风氧化带进行注浆加固，构建一个上部承载层来降低工作面突水压架的风险。

4 工业性试验

4.1 注浆加固方案

针对顾北矿1512(3)工作面顶板风氧化带，采用预注浆技术进行加固，注浆范围为整个风氧化带岩层，注浆孔布置如图6所示。注浆材料选用硅酸盐水泥配置的水泥浆液，水灰比控制6∶1～0.75∶11，考虑风氧化带岩层的成层状况、注浆方法、注浆材料等因素影响，注浆压力设置10MPa。

图6 注浆钻孔布置

4.2 注浆效果分析

采用钻芯法和钻孔观察法进行注浆效果分析，对注浆前后岩石取芯实验，结果表明：风氧化带岩层经过注浆加固，岩芯的抗剪强度、粘聚力均值提高了40%，注浆对风氧化带岩层强度的提高有显著的效果。采用YSZ(B)型岩层探测记录仪对风氧化带进行钻孔窥视，注浆后风氧化带被浆液填充，钻孔孔壁较为平整，能观察到水泥浆液凝固的迹线，说明浆液能在风氧化带岩层内有效扩散。

4.3 工作面矿压显现规律

通过对矿压监测数据的筛选和处理，得到工作面液压支架工作阻力等值线如图7所示。由图7可知：工作面初次来压步距在35m左右，周期来压平均步距为15m，当工作面回采至70m和120m时出现2次明显的大周期来压，说明采场上覆岩层存在高位承载层，从侧面也验证了注浆加固取得了良好的效果。

图7 工作面液压支架工作阻力等值线

5 结 论

1)由相似模拟实验与数值模拟结果可看出，随着工作面推进，单承载层由于受含水层的影响，在承载层破断后，含水层上方的松散层荷载透过含水层迅速传递到采空区，容易造成回采工作面的压架事故；当回采工作面上方为双承载层承载结构时，处于上位的承载层与下方承载层破断形成砌体梁结构，将上部传递的载荷转移远离工作面处，减小压架机率。

2)采用风氧化带注浆加固技术，岩层的抗剪强度、黏聚力等均值可以提高40%，说明采用注浆加固可以有效改善岩层强度。

3)通过对风氧化带岩层进行整体注浆加固之后，工作面顶板出现了大小周期来压现象，说明加固后在回采工作面的上方形成了有效地承载结构；注浆后初次来压及周期来压步距较未注浆加固时增大，表明了风氧化带岩层进行注浆加固后可以起到承载作用，保证了工作面的安全开采。