多煤层开采上覆关键层位置的研究

赵午红

（吕梁市煤炭职工培训中心，山西 吕梁 033000）

多煤层开采上覆关键层位置的研究

赵午红

（吕梁市煤炭职工培训中心，山西 吕梁 033000）

根据多煤层开采中上覆关键层的位置确定的重要影响，在高瓦斯煤层群的开采中，研究了关键层还可确定上下邻近层中高低位瓦斯富集区的位置。基于阳泉矿区南庄煤矿的地质条件，采用理论计算和数值模拟结合的方式，确定了上覆关键层的位置，通过现场测试验证，取得良好的效果。

上覆岩层；关键层；数值模拟

开采临近煤层后，上覆岩层采动裂隙场演化及分布规律是研究采场顶板以及地表下沉的重要理论，相关理论涉及采动覆岩“竖三带”[1]、关键层[2-3]，以及上覆岩层采动裂隙分布的地质实测。

阳泉矿区井田面积约12.59 km2，生产能力200万t/a。含煤地层主要由石灰系上统太原组和二迭系下统山西组构成，可采煤层和局部可采煤层为山西组3号、6号和太原组12号、15号煤层，其中3号、6号煤层已回采完毕，目前只采12号、15号煤层。井田内各煤层均赋存有瓦斯，而上覆岩层中有三层石灰岩储气层。开采12号煤层时，其瓦斯大多来自本煤层和采动影响卸压的邻近煤层，开采15号煤层时，其瓦斯主要是上邻近层的侵入。

1 上覆岩层中关键层的确定理论

1.1 地质实测

根据以往经验和现场钻孔实测，关键层一般是相对于其岩层来说，厚度较厚、强度较高、破断时会导致局部的同步垮落等规律的各层。这不仅是寻找关键层的重要依据，也是证明关键层存在的判据。从南庄煤矿（部分）煤层柱状图，见图1。距12号煤层6 m的细砂岩，10.16 m的石灰岩，14.89 m的中砂岩，35.26 m的中砂岩，69.58 m的细砂岩都可能所在的层位为关键层。

1.2 采动上覆岩层“竖三带”分布理论

刘天泉院士[4]等经过大量现场实测和深入理论研究，自上而下分别定义：弯曲下沉带、裂隙带和垮落带。a.垮落带位于开采煤层的上部，可能是伪顶，也可能不存在伪顶，它的特征为厚度较小，随采随落，并逐渐向上发展，直到开采空间被垮落的伪顶或部分直接顶填满为止。垮落带内岩层破断后呈不规则垮落，岩块之间空隙多，连通性好，竖向穿层裂隙非常发育，是瓦斯流动的通道和聚集的场所。b.裂隙带位于垮落带之上，它会发生周期性的破裂和断落，能够作为承载结构承载部分上覆岩层，裂隙带的下部主要是由离层裂隙和竖向穿层裂隙构成，上部主要裂隙为离层裂隙发育。c.弯曲下沉带处于裂隙带上部直至地表的岩层，如果埋深较深时，弯曲下沉值较小，产生的离层裂隙较少，主要是在强度不同的软硬岩石交界处产生。

对于缓倾斜煤层，计算垮落带、裂隙带发育高度的经验公式，如表1所示[5]。

1.3 关键层理论

实践表明，采场上覆岩层活动中有一层至数层坚硬且较厚的岩层起主要的承载作用，这层岩石称为关键层。基本顶是采场上覆岩层中的下位关键层，但不是唯一的关键层。采场上覆岩层中的关键层特征，一般为相对致密且硬度较大的且有一定的承载结构的岩层或者岩层群[6]。

假设采场上方共有m层岩层，并且把第一层岩层即为第一层关键层（编号为I）。各岩层的厚度为hi（i=1，2，…，m），体积力为γi（i=1，2，…，m），弹性模量为Ei（i=1，2，…，m）。其中关键层I所控制的岩层达n层（n

式中：Q为组合梁截面上的总剪切力，kN；M为组合梁截面上的总弯矩，N·m；Qi为第i层岩层截面上的剪切力，kN；Mi为第i层岩层截面上的弯矩，N·m。

但每个岩层梁由于其物理参数的不同，在其自覆载荷的作用下形成的曲率是不同的，根据材料力学可知曲率ki与弯矩Mi的关系为：

式中：ki为第i层岩层的自重曲率；Ei为第i层岩层的弹性模量，MPa；Ji为第i层岩层的惯性矩，m4。

由于各个岩层整体的上下移动，在此形成一个组合，上下层的曲率或半径必然趋于一致，即：

则各岩层的弯矩将重新分配，即：

代入式（2）得：即

式中：（q1）n为计算到第n层岩层时，关键层I所受集中荷载强度，kN/m2；hi为第i层岩层的厚度，m；γi为第i层岩层的体积力。

根据上述研究可知，关键层在变形过程中，会与上覆岩层保持相同的步调，起承载结构作用；同样其下部岩层会由下部的关键层所承担。第一层岩层为第一关键层，其控制范围达到第n层，则第n+1层成为第二关键层必然满足[7]：

式中：（q1）n＞为计算到第n层时，第一层岩层所承受的上覆岩层的载荷强度；（q1）n+1为计算到第n+1层时，第一层岩层承受的上覆岩层的载荷强度。

按照式（9），计算上覆岩层对第一关键层的载荷，直到到（q1）n＞（q1）n+1时，则认为第一关键层的载荷集度是（q1）n，则可以认为关键层为第一层岩层，控制着第一层岩层到第n层岩层的移动和变形。使用这样的理论和方法，依次计算第n+1层岩层的载荷集度，确定上面各个关键层，并确定主关键层的位置。由于相邻岩层组合的变形不协调或者产生的变形值不同，因此关键层与其下岩层之间会产生离层。

2 12号煤层工作面的地质概况

太原组12号煤层厚度平均1.22 m，最大厚度1.4 m，倾角约5°～7°，平均6°，赋存稳定，透气性系数1.70～6.92 m2/(MPa2·d)。上覆岩层的抗压强度在40 MPa以上，因此其上覆岩层的岩性为坚硬。由表1可知，当上覆岩层为坚硬岩层时，垮落带最大发育范围：

按计算公式一计算裂隙带最大发育范围：

按计算公式二计算裂隙带最大发育范围：

式中：M为煤层采高。通过计算可知，垮落带最高发育至11号煤层底板，裂隙带最高发育至8号煤层底板，岩性为中砂岩。

根据式（9）、（10）、计算分析可知，12号煤层上覆岩层中对岩层控制起作用的关键层有三层：a.关键层I：岩性为细砂岩，厚度为3.80m，与12号煤层的垂距为6.01 m；b.关键层II：岩性为中砂岩，厚度为13.38 m，与12号煤层垂距为14.89 m；c.关键层III：岩性为中砂岩，厚度为15.93 m，与12号煤层垂距为35.26 m。在这三层关键层中，关键层III为主关键层控制着关键层以上直至地表的岩层；关键层I、关键层II为亚关键层，共同控制着各自范围内的岩层，保持与其一致的位移。

3 数值模拟中关键层的下沉规律

图2为工作面回采中关键层II的下沉曲线，图3为工作面回采中关键层III的下沉曲线。

1）当工作面回采至60 m时，关键层II发生明显的下沉，下沉范围为沿走向方向距开切眼0～55m处，最大下沉量0.15 m。同时9号煤层底板泥岩也开始出现明显的下沉，下沉范围为沿走向方向距开切眼0～50 m处，下沉量0.1 m。当工作面回采70 m时，关键层II的下沉范围是沿走向方向距开切眼0～65 m处，最大下沉量为0.33 m，此时9号煤层底板泥岩的下沉范围是沿走向方向距开切眼0～55 m处，最大下沉量为0.33 m。综上说明，关键层II下沉后，其上的泥岩同步下沉。

2）当工作面回采80 m时，关键层III出现明显下沉，下沉范围为沿走向方向距开切眼0～85 m处，

最大下沉量0.27 m，同时8号煤层顶板泥岩也出现明显的下沉，下沉范围为沿走向方向距开切眼0～ 85 m处，最大下沉量为0.18 m。当工作面回采90 m时，关键层III的下沉范围是沿走向方向距开切眼0～95 m处，最大下沉量为0.57 m，此时8号煤层顶板泥岩的下沉范围是沿走向方向距开切眼0～95 m处，最大下沉量0.5 m。综上说明关键层III下沉后，其上的泥岩同步下沉。

4 结束语

1）采用理论公式算得，与12号煤层垂距6.01 m的细砂岩所在层位为I主关键层；与12号煤层垂距为14.89 m的中砂岩所在层位为II为亚关键层；与12号煤层垂距35.26 m的中砂岩所在层位为III亚关键层。

2）通过数值模拟分析，II、III亚关键层上覆岩层与其保持一致的运动趋势，符合关键层的基本理论。

3）得到的关键层可以对多煤层的采动影响分析提供技术依据。

[1]缪协兴，茅献彪，钱鸣高.采动覆岩中关键层的复合效应分析[J].矿山压力与顶板管理，1999，3(4)：19-25．

[2]张铁岗，朱银昌.煤矿安全工程设计[M].北京:煤炭工业出版社，1995．

[3]刘天泉.矿山岩体采动影响与控制工程学及其应用[J].煤炭学报，1995，20(1)：1-5．

[4]钱鸣高，缪协兴，许家林.岩层控制中的关键层理论研究[J].煤炭学报，1999，21(3)：225-230．

[5]国家煤炭工业局制定.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程[M].北京：煤炭工业出版社，2000．

[6]许家林，钱鸣高.覆岩关键层位置的判别方法[J].中国矿业大学学报，2000，29(3)：463-467．

[7]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，2003：84-91．

On Position of Overlying Key Strata in Multi-seam Mining

ZHAO Wuhong
(Lvliang Coal Staff Training Center,Lvliang 033000,China)

Position determination of overlying key strata is very influential.In the mining among high-gas coal seam group,the key strata could determine the position of gas enrichment region of adjacent upper and lower seams.Based on the geological condition of Nanzhuang Mine,theoretical calculation and numerical simulation are combined to locate the overlying key strata.Its field test shows that the study has achieved ideal effects.

overlying strata;key strata;numerical simulation

TD325

A

1672-5050（2015）01-0031-04

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.01.011

（编辑：刘新光）

2014-10-07

赵午红(1979-)，女，吕梁离石人，硕士，工程师，从事矿山开采技术研究工作。