错层位关键层稳定性研究

宋 平，李世超，赵景礼，樊志刚，李海亚

(中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院，北京100083)

错层位采煤法是由中国矿业大学(北京)赵景礼教授提出的，并获得了国家发明专利。错层位采煤法改变了传统的巷道布置，将工作面进风巷和回风巷呈立体化布置，接续工作面进风巷布置在上一工作面的采空区下方[1]，具体布置如图1所示。

1-区段进风巷； 2-上区段回风平巷；3-丢失的三角煤柱；4-下区段运输巷；5-区段回风巷图1 错层位巷道布置图

错层位采煤法上覆岩层是如何运动的呢？与传统巷道布置又有什么差别呢？目前对此研究比较少。随着人们对采场上覆岩层运动规律的不断深入研究，发现关键层在破断前后以某种力学结构对上覆岩层的变形和破坏中起主要控制作用[2]，研究上覆岩层的运动规律就要对采场上方关键层进行研究，从而将问题转化为对其关键层的研究。

1 错层位关键层理论分析

关键层上部或全部岩层的变形是同步协调的，上部岩层的载荷由该关键层承担。假设采场上方共有n层岩层，自采场上方第1层岩层起至上方第m(m≤ n)层岩层变形是同步协调的，则第1层岩层上承受的载荷集度为式(1)。

(1)

式中：Ei(i=1，2，…，m)为第i层岩层的弹性模量；hi(i=1,2，…，m)为第i层岩层的厚度。m+1层岩层要成为关键层须满足刚度条件(式(2))。

q1(x)|m+1

(2)

山西某矿工作面上覆岩层实际情况如表1所示，通过式(1)、式(2)确定该矿首采工作面开采结束后，工作面上方20m处的粉砂岩2为关键层，上覆各岩层对该层的作用载荷：q1=173.7kPa，(q2)1=237.1kPa，(q3)1=258kPa，(q4)1=141.4kPa，(q4)1<(q3)1。粉砂岩2对上覆岩层起控制作用，粉砂岩2所受载荷为258kPa。

表1 山西某矿上覆岩层岩性参数

由于工作面的采高较大，破碎的矸石无法完全充填满采空区，首采工作面还未断裂的关键层四边由实体岩层支撑，其力学模型可以简化为四边固支板结构[3]。四边固支板的弯矩见式(3)。

(3)

式中：q为坚硬岩层载荷；a，b分别为采场上覆岩层悬露的几何边界值；λ=b/a。随着接续工作面的不断推进，关键层的跨度随之不断增加，当关键层跨度达到某一临界值时，关键层上的正应力大于等于其抗拉极限强度时，即σmax≥[σ]时，关键层开始断裂。其中σmax=Mmax/Wmax，Wz=b’h2/6，式中，b’，h分别为截面宽度与高度，b’取单位宽度。关键层开始断裂的极限跨距如式(4)所示。

(4)

式中：h1，h2分别为关键层厚度及其承载上覆岩层厚度。

由式(1)～(4)计算得出式(5)。

(5)

结合该矿实际条件得出粉砂岩2关键层保持稳定的极限跨距为b≤78m。

与传统巷道布置相比，错层位巷道布置由于取消了区段煤柱，接续工作面巷道布置属于完全沿空巷道布置形式，与传统留小煤柱沿空巷道布置形式有区别，进风巷道是在上一工作面采空区冒落矸石已稳定状态下开掘的，接续工作面顶板初次垮落前为三边固支状态，初次垮落后为工作面前方和工作面回风巷一侧为实体煤的两边固支，两边简支板结构。

工作面上覆岩层断裂步距与简支边数成反比，且与λ有关，如图2所示，当λ≤0.3时，首采和接续工作面上覆岩层的垮落步距基本相同，当λ>0.3时，接续工作面上覆岩层的极限跨距小于首采工作面上覆岩层的极限跨距[4]。

图2 系数λ对极限跨距的影响

当工作面推进到某一临界值时，关键层的跨度达到临界值，关键层将会断裂垮落，不再发挥关键层的作用，岩层将继续向上发展寻求新的平衡，直到上覆某一岩层对其活动起控制作用为止，这种状况周而复始，与传统工作面相比，错层位首采工作面和接续工作面的顶板连成一个整体，工作面之间的关键层呈现单一超长关键层特点[5]。

2 错层位关键层FLAC3D数值模拟

在对错层位上覆岩层进行理论分析后，现对其进行FLAC3D数值模拟分析，山西某矿煤层埋藏深度400m，3#煤层厚度为6m，煤层为近水平煤层，平均倾角为5°。煤层层理明显，节理、裂隙发育，煤质较好。工作面采用综放开采，采高为3.0m，采放比为1∶1，工作面采用错层位巷道布置。实验模拟分析以3#煤错层位综放工作面作为研究对象，模型模拟的煤层距离地面约400m，模拟各岩层参数如表2所示。

在不影响计算结果的前提下对模型进行简化，简化后模型的尺寸为长×宽×高为314m×150m×86.5m，计算模型共划分226080个单元，240877个节点。

表2 岩层参数表

2.1 首采工作面

错层位首采工作面与传统工作面相类似，工作面开挖后引起上覆岩层断裂垮落，图3为首采工作面推进30m上覆岩层垂直位移分布云图，上覆岩层垮落形态为拱形，随着工作面的不断推进，上覆岩层的活动将不断向上发展，直至该工作面关键层对上覆岩层的活动起控制作用为止。

错层位首采工作面开采完后，上覆岩层的应力分布云图如图4所示，首采工作面两端产生应力集中，应力集中系数3，首采工作面回风巷下方为应力降低区，从图5可以看出，首采工作面进风巷下方应力降低40%以上，错层位接续工作面进风巷布置在该处，只承受部分断裂岩石的载荷，有利于巷道掘进和维护。

图3 首采工作面推进30m上覆岩层垂直位移分布云图

图4 首采工作面开采完上覆岩层垂直应力分布云图

图5 首采工作面开采完上覆岩层垂直应力

2.2 接续工作面

随着接续工作面的不断开采，工作面悬露的边界不断增加，上覆岩层悬露跨距达到某一临界值时，上覆岩层断裂垮落，与首采工作面相比，接续工作面上覆岩层由三边固支，一边简支发展为两边固支，两边简支板结构。沿工作面倾向布置测线，接续工作面上覆岩层的垂直应力如图6所示，从图6中可以看出上覆岩层各自垮落步距。

图6 沿工作面倾向上覆岩层垂直应力

表3为错层位首采和接续工作面上覆岩层垮落步距，接续工作面上覆岩层的跨距小于等于首采工作面上覆岩层跨距，且与工作面开采边界有关，这与理论分析相符合。

表3 错层位工作面岩层垮落步距

在接续工作面推进45～50m时，首采工作面上的关键层的跨度超过其临界值，关键层开始断裂垮落，不再发挥关键层的作用，岩层活动将继续向上发展，寻求新的关键层，直到上覆中砂岩对其上覆岩层起控制作用为止。

从图7中可以看出由于错层位巷道布置取消了区段煤柱，首采工作面和接续工作面的顶板将连成一个整体，错层位两工作面之间关键层变为单一超长工作面关键层。

接续工作面开采完后沿工作面走向上覆岩层的应力如图8所示，首采和接续工作面上覆应力相差不大，两工作面公共关键层支撑着上覆岩层重量。

在两个工作面上方布置测线，上覆岩层下沉情况如图所示，从图9可以看出，由于首采和接续工作面搭接处上方岩层的垮落，两工作面变为单一超长工作面，引起上覆较大范围岩层的运动，错层位上覆岩层越往上运动，岩层下沉的不均匀性逐渐减小，达到地表时，下沉是缓慢均匀的。

图7 推进60m首采和接续工作面上覆岩层应力分布云图

图8 工作面开采结束首采和接续工作面上覆岩层应力

图9 接续工作面开采完后上覆岩层下沉图

3 结论

错层位首采工作面上覆岩层运动与传统开采方法相类似，由于将接续工作面进风巷布置在上一工作面采空区下方，取消了区段煤柱，在开采接续工作面时，接续工作面上覆岩层运动有些特殊。

1)接续工作面上覆岩层由四边固支板结构变为三边固支，一边简支板结构，上覆岩层的垮落步距较首采工作面的小，且与工作面悬露几何值有关。

2)错层位首采工作面上覆岩层的垮落形态为拱形，首采工作面上覆关键层控制着上覆岩层的活动；首采工作面开采完之后，错层位接续工作面进风巷布置在上一工作面采空区下方，处于应力降低区，有利于巷道掘进和维护。

3)错层位首采和接续工作面的顶板连成一个整体，随着接续工作面不断开采，首采和接续工作面之间的公共关键层位置不断升高，直至地表，表现为单一超长工作面关键层的特点，引起上覆岩层较大范围内的移动。

4)错层位两个工作面上覆岩层的运动越往地表下沉越缓慢均匀，与传统工作面相比，错层位巷道布置工作面地表的下沉是缓慢均匀。

[1] 赵景礼.厚煤层全高开采新论[M].北京：煤炭工业出版社，2004.

[2] 钱鸣高,缪协兴,许家林.岩层控制中的关键层理论[J].煤炭学报,1996,21(3):225-230.

[3] 付宝连.弯曲薄板功的互等新理论[M].北京:科学出版社,2003.

[4] 钱鸣高,石平五.矿山压力与岩层控制[M].徐州:中国矿业大学出版社,2003.

[5] 王志强,赵景礼，张宝优，等.错层位巷道布置放顶煤开采关键层的稳定特征[J].煤炭学报，2008,33(9):961-965.