浅埋综采工作面顶板岩层等步切落特征分析

李正杰，于海湧

(1.煤炭科学研究总院开采设计研究分院，北京100013;2.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013)

长期以来，矿山压力理论在埋深较大综采工作面条件下得到了长足和充分地发展，所建立的砌体梁、悬臂梁、关键层和压力拱理论均得到了公认并被接受，对我国综采发展做出了巨大贡献。然而近年来，我国大规模煤炭开采开始转移到了内蒙、陕北和新疆地区，2012年该区域的煤炭产量约占全国煤炭产量的三分之一，且开采强度越来越大，该区域最大的开采特征就是煤层属于埋藏浅、基岩薄、厚风积沙赋存条件，因此非常有必要在传统矿压理论的基础上，深入研究浅埋综采工作面顶板岩层垮落特征及来压规律。

1 浅埋煤层顶板岩层垮落特征

通常认为浅埋工作面顶板体现单一主关键层结构特征，来压具有明显动载现象［1］，上覆岩层在运动过程中不能形成完整“三带”，不能形成稳定承载结构［2－4］。其共同特点是随着工作面推进，顶板呈现周期性台阶下沉，且直接切落至地表。据统计，在鄂尔多斯矿区支架被压死的综采工作面均是顶板切落形式。

图1是神东公司榆家梁煤矿44305工作面对应地表特征及对矿压监测数据分析后得到的周期来压步距曲线，44305工作面煤层厚度为1.7～2.0m，上覆基岩厚度约12～38m，松散层厚度约30m，工作面长度为300.5m，推进长度为2298.1m，图中各支架压力记录仪沿工作面共分为3个测站，分别位于44305工作面的中上部45，46号支架 (对应记录仪编号1，2)、中部60，61，92，93号支架(对应记录仪编号3，4，5，6)和中下部132，133号支架 (对应记录仪编号7，8)。从初采到末采期间沿工作面走向根据地表地势差异分析3个时期矿压监测数据，各时期对应的地表特征如图1(a)所示。由于第Ⅰ时期与第Ⅱ，Ⅲ时期对应地表地势差异较大，表现出明显不同的周期来压步距特征，但在同一时期内，工作面的周期来压步距基本等长，如图1(b)所示。

图1 榆家梁煤矿地表特征及周期来压步距

图2分别是采用CDW－60型支架压力记录仪和KJ216A/B型矿压在线监测系统实际得到的神东公司石圪台22上204－1综采工作面、纳林庙一号井316－2上04综采工作面和纳林庙二号井621－05综采工作面在整个回采期间的平均周期来压步距曲线图，图中各支架压力记录仪均按每10架支架布置1台，编号由小到大分别对应于工作面中下部(机头)、中部和中上部 (机尾)位置，各矿综采工作面的地质条件稳定，平均周期来压步距在开采过程中大致相同。

图2 各矿周期来压步距

鄂尔多斯公沟煤矿4107综采工作面回采4号煤层，赋存稳定，近水平分布，埋深20～94m，煤层平均厚度3.04m，顶板为6.02m灰色细砂岩、砂质泥岩，所选支架为ZY6400/17/35型掩护式液压支架。2013年7月周期来压时工作面顶板沿煤壁整体切落，对应地表出现明显台阶下沉，支架安全阀大面积开启，中部数部支架被压死，支架侧护板与刮板输送机电缆槽挤压受损严重，不得不升井维修。根据地面在线矿压监测系统平台显示，中部支架立柱压力普遍位于警戒值。

由此可见，浅埋、薄基岩、厚风积沙工作面顶板垮落以切落破坏形式为主，在开采过程中具有明显的等距离周期来压规律，以此推论，浅埋工作面顶板岩层普遍具有“等距”切落特征。

2 滑动切落体力学模型建立

浅埋薄基岩采场初次来压后，随着工作面向前推进，采场基岩层形成宏观“悬臂”结构，此结构与上一来压过程产生的破断面接触广泛且紧密，回转下沉空间非常有限，因此，“悬臂”破断过程中拉应力破坏不占主导地位。由于松散层承载能力弱，其重量将均匀作用于基岩层上部，加之基岩层自身重量，导致宏观“悬臂”结构最终的剪切破断。顶板周期性发生整体切落式破断后，宏观“悬臂”结构随工作面推进重新形成、扩大，使得这一剪切破断过程是必然发生的。

浅埋深薄基岩采场顶板岩层具有不同于较大埋深覆岩在拉应力作用下，发生断裂破坏形成各式假说结构力学形式，其顶板岩层主要承受垂直剪切力，当外界剪切力大于岩层最大抗剪强度时，顶板岩层发生切落式破坏，破坏范围直接波及至地表，切落结构具有整体性且非承载体，在此将其称为切落体结构，其不同于常规的砌体梁、悬臂梁和压力拱结构体保护工作面，而是将上覆载荷直接传递给支架，因此顶板岩层在发生切落破坏时，支架承受着整个切落体的重量和其上的风积沙重量。

浅埋采场顶板切落角度与其岩层物理力学性质密切相关。对于浅埋薄基岩煤层，可将其上覆基岩层看作整体组合结构，各组合岩层强度、刚度、层理、厚度等不同，其切落形式也不相同。针对剪切裂隙分割的直接顶岩层断裂回转趋向问题，煤炭科学研究总院史元伟将直接顶划分为3种类型:R2型 (断裂角α=90°)、R3型 (断裂角α＜90°)、R4型 (断裂角α＞90°)［5］。中国矿业大学曹胜根研究直接顶变形破坏特征时视直接顶为可变性体，研究得出直接顶岩层破断角与直接顶的强度和高度有关，软弱直接顶破断角远远大于坚硬直接顶破断角，直接顶越硬，破断角越小等结论［6］。鉴于此，对于厚层坚硬岩层组合，顶板破断面向后倾斜，破断角小于90°，如图3(a)所示，对于薄层松软岩层组合，顶板破断面向前倾斜，破断角大于90°如图3(c)所示，对于硬、软复合型岩层组合，则介于前述二者之间，破断面近似垂直向上，如图3 (b)所示。结合开采实践，可以将切落体形式划分为3类，即超前切落体、垂直切落体和滞后切落体，如图3所示。

3 切落体结构失稳理论分析

由图3可见，可以将切落体看作巨型岩块，每个切落体除了自重G垂直向下作用于支架上外，还要传递风积沙重力P。此外，由于岩块与岩块之间咬合和挤压，在水平力T的作用下，产生一个向上的反力抵消部分G和P的值。也正是块体之间接触摩擦力的存在，使得支架在实际中只承受部分切落体重量和风积沙重力。这一特点与常规的砌体梁、悬臂梁承担部分上覆岩层载荷一样，因此，在分析切落体对支架作用力时，最重要的因素是切落体垮落角度和切落面摩擦系数。

图3 顶板不同切落体形式

图4为典型切落体与支架相互作用受力模型，沿切落面和垂直于切落面方向按力学平衡关系计算。

图4 切落体结构受力

对于滞后切落体，有

得

再根据支架结构，由几何关系可求得支架立柱受力公式为:

同理，对于超前切落体，有

其中，

把上式带入(4)并整理得

再由几何关系得

式中，R立柱为支架立柱阻力，kN;R为沿切面方向顶板对支架作用力，kN;P为风积沙重力，kN;G为切落体自重，kN;tanφ为切落面摩擦系数;φ为岩体内摩擦角，(°);α为基岩切落角，(°); T，T'为两切落体间相互作用力，kN;β为支架顶梁与立柱夹角，(°);μ为支架支撑效率;ε为上一切落体对本切落体的作用力系数，边界条件是当α=90°时ε=0。

令α=90°，代入公式(3)或(7)，均可求出垂直切落时支架立柱受力的计算公式:

根据各切落体计算公式(3)、(7)、(8)易知，R立柱|α=90°＞R立柱|α＜90°，R立柱|α=90°＞R立柱|α＞90°，即岩层垂直切落时支架立柱受力要大于滞后切落和超前切落，垂直切落是最危险的支架受力状态，容易导致支架被压死。当α＜90°时，切落体重心远离工作面方向，支架受力作用点后移，顶梁受力不均，易造成支架的“高射炮”状态;当α＞90°，切落体重心和支架受力作用点均前移，易造成顶板岩层沿煤壁发生切落，造成支架整体被压死。因此，浅埋深薄基岩工作面支架选型时应充分考虑上覆岩层可能产生的切落体形式。

4 结论

(1)浅埋综采工作面顶板岩层具有明显的“等步”滑动切落特征，所表现出来的矿压显现特点是等距离周期来压。该切落体不同于常规工作面上覆岩层中的悬臂梁、砌体梁及压力拱等力学结构，它不再承载上覆岩层重量，而是直接传递上覆岩层载荷。

(2)滑动切落体可分3大类，超前切落体、垂直切落体和滞后切落体，垂直切落体最易导致工作面支架被压死，滞后切落体最易导致支架处于“高射炮”状态。

(3)在垂直切落体状态下，浅埋支架的最小合理工作阻力是R立柱=(G+P)/μsinβ，这也是最危险状态下的支架工作阻力理论值。

［1］黄庆享.浅埋煤层的矿压特征与浅埋煤层定义［J］.岩石力学与工程学报，2002，21(8):1174－1177.

［2］任艳芳，齐庆新.浅埋煤层长壁开采围岩应力场特征研究［J］.煤炭学报，2011(10):1612－1618.

［3］石平五，侯忠杰.神府浅埋煤层顶板破断运动规律［J］.西安矿业学院学报，1996(9):204－207.

［4］刘 江.薄基岩浅埋煤层长壁开采覆岩运动与破坏规律研究［D］.煤炭科学研究总院，2011.

［5］史元伟.液压支架与围岩力学相互作用及支架选型研究［J］.煤炭科学技术，1999(5):26－31.

［6］曹胜根.采场围岩整体力学模型及应用研究［J］.岩石力学与工程学报，1999(12).