坚硬顶板综放工作面来压特征分析研究

张 博

(西山煤电集团公司 技术中心，山西 太原 030200)

坚硬顶板综放工作面来压特征分析研究

张 博

(西山煤电集团公司 技术中心，山西 太原 030200)

基于8935综放工作面的地质条件和开采情况，综合采用理论分析、现场实测等方法，系统研究了坚硬顶板条件下综放工作面的顶板来压以及来压显现特征。研究结果表明：8935工作面基本顶初次来压步距为77.21m，周期来压步距为 17.6～21.1m，周期来压时动压系数为1.31. 该研究方法及结果对类似条件下工作面来压特征的研究具有一定的参考价值。

坚硬顶板；综放工作面；矿压特征；来压步距

煤矿开采过程中，煤层坚硬顶板在回采初期极易因顶板不垮落、不断裂而出现大面积悬顶。随着工作面的推进，大面积顶板突然垮落，一方面会冲击破坏支架，另一方面会挤出采空区的CO和CH4等有害气体，造成工作面的瓦斯超限，甚至引发煤与瓦斯突出、瓦斯爆炸等事故。若采用放顶煤开采，还会造成顶煤严重破碎，进而引起支架不接顶、移架较难以及工作面漏风等一系列问题。因此，研究坚硬顶板综放工作面来压特征成为综放工作面开采过程中的关键问题。

1 试验工作面概况

本文研究的试验工作面为8935工作面，大致呈单斜构造，北西高，南东低，局部呈一小向斜构造。开采11#和12#煤层，煤层厚4.9～9.0m，平均7.5m；煤层结构简单，煤层倾角1°～8°，平均2.4°；煤层赋存稳定。采用综放开采。直接顶为灰白细砂岩，主要成分为石英和长石，较坚硬，泥质胶结，底部渐变为粉砂岩。基本顶与煤层之间的距离为27.67～39.59m. 基本顶岩石由灰白色粗砂岩-深灰色砂质页岩组成。底板为灰色细砂岩和砂质页岩互层。底板中还含有一些类似石英、云母等矿物，相较而言比较结实，厚度也在2.5～5m.

工作面长300m，顺槽5935巷走向长1 457.35m，2935巷走向长1 506.44m. 该工作面东部邻近8937工作面(未掘)，西部邻近8933工作面(已采)，南部与11#煤层903轨道、皮带及回风大巷相接，北部是云冈矿的边界和忻州窑矿的保护煤柱。煤层埋深 300～350m. 开采后地面部分地方出现裂缝。

2 理论分析

2.1 “关键层”理论

在煤层上方存在多种厚度和强度都不一样的岩层，当开采煤层时，上面顶板主要起作用的则是其中的一层或几层，通常比较厚，这就是关键层。同时，这种岩层一旦断裂，就会使上覆岩层产生整体运动。

关键层的存在对于开采十分重要，因此，其位置的确定也很重要。一般情况下，随着工作面的推进，顶板垮落，必然会影响关键层岩层的运动和破断。在其变形过程中，上面的岩层也会变形，但是其下方的岩层变形则不一致。这就是关键层的作用，所以需要对其进行判别。

2.2 初次断裂步距分析

根据组合梁原理，上覆岩层载荷可由式(1)、式(2)进行计算。

qn=γnhn

(1)

(2)

式中：(qm)n指考虑第m层岩层作用到第n层岩层，此时作用到该层岩层的载荷，其中，m>n，γ指岩层的体积力，qn指第n层岩层本身作用力，h指岩层的厚度，E指弹性模量。代入相关参数计算其结果为：(q10)8<(q9)8，说明第8层岩层不受第10层岩层的影响，所以，确定第10层细砂岩为第4层硬岩层。

计算上覆岩层的破断距，采用固支梁计算方法，并采用式(3)进行计算：

(3)

式中：

hk—第k层硬岩层的厚度，m；

qk—第k层硬岩层所承受的载荷，kN；

σlk—第k层硬岩层的抗拉强度，MPa.

根据关键层理论，假设第n、m为两层坚硬岩层(n>m)，如果Ln>Lm>L1，则第n层为主关键层，第m层、第1层为亚关键层。通常采用叠加的方式计算，再分别进行对比，直至确定主、亚关键层。

根据以上计算公式，分别计算得出第1层的破断距是28.06 m，第2层为38.78 m，第8层是43.62 m，第10层是144.07 m.

2.3 基本顶初次来压步距分析

由于沿走向悬露的跨距远小于回采工作面沿倾斜方向的长度，因此，按照固定梁的定义，可以在工作面初采时期，把基本顶看作固定梁，两端分别为工作面煤壁和边界煤柱支撑。

因此，该处最大拉应力为：

(4)

当σmax=RT时，此时岩层破断，原因则是岩石此处的抗拉强度小于所受正应力拉裂。因此，这种梁断裂时的极限跨距为：

(5)

式中：

L—初次断裂步距，m；

RT—岩梁的抗拉强度，MPa；

h—岩梁厚度，m；

q—岩梁及其上覆岩体的均布载荷，MPa.

8935工作面基本顶为厚度8.2m的粉砂岩，抗拉强度10.33MPa. 通过计算，基本顶与上覆岩层的均布载荷为0.29MPa，工作面开切眼宽8m，故8935工作面基本顶初次来压步距为77.21m.

3 工程实践

8935工作面内共有108架支架。在综采工作面10号架、55号架和98号架等3台支架处各布置1台YHY60(B)d型应力连续监测分机，用于监测回采工作面在推进过程中顶板的来压情况。工作面测点的布置情况见图1.采用YHY60(B)d矿用数字压力计、圆图记录仪和FCH32/0.2矿用数据采集器等仪器连续观测工作面综采支架支柱压力，确定工作面的来压强度及来压步距。

图1 工作面矿压监测测点布置平面图

3.1 来压强度

8935工作面头部测区11#液压支架、中部测区55#液压支架以及尾部测区97#液压支架的大部分割煤循环的平均循环末阻力分别为29MPa、38MPa和34MPa. 可见，工作面来压强度顺序依次为：工作面中部、尾部和头部。

8935工作面在生产过程中尾巷表现出的矿压显现非常强烈，并伴随有数次冲击，并且尾巷超前工作面30～50m，巷道两帮有严重的炸帮现象。一般而言，当开采煤层为近水平煤层时，工作面头部和尾部的来压强度应该基本一致。产生异常的原因是由于工作面尾部临近8933工作面采空区，受到8933工作面采空区基本顶运动的影响，矿压显现强烈。

3.2 来压步距

分析基本顶来压步距可以根据YHY60(B)d应力监测得到的数据。8935工作面直接顶垮落步距为18.3～20.6m，直接顶初次垮落的影响范围为1.29m；基本顶初次垮落步距43.9～80.4m；基本顶周期来压步距17.8～21.1m，基本顶周期来压的影响范围为21.9m. 工作面不同区域基本顶初次垮落与周期来压的顺序为：先是工作面头部、其次工作面尾部、最后工作面中部。通过对动压系数分析表明，直接顶初次垮落时动压系数为1.6，动压系数最大，来压强度最大；基本顶初次垮落时动压系数为1.23，强度较小；基本顶周期来压时的动压系数为1.31，基本顶周期来压强度较基本顶初次来压稍大一些，但差别不大。

4 结 论

结合理论计算分析可知：8935工作面基本顶初次来压步距为77.21m，周期来压步距为17.6～21.1m，周期来压时动压系数为1.31.

工作面实测结果显示：8935工作面直接顶垮落步距为18.3～20.6m；基本顶初次垮落步距43.9～80.4m；基本顶周期来压步距17.8～21.1m. 工作面不同区域基本顶初次垮落与周期来压的顺序为：先是工作面头部、其次工作面尾部、最后工作面中部。

理论计算结果与现场实测结果相近。

[1] 史 红.综采放顶煤采场厚层坚硬顶板稳定性分析及应用[D].青岛：山东科技大学，2005:5-8.

[2] 靳钟铭,徐林生.煤矿坚硬顶板控制[M].北京:煤炭工业出版社,1994:32-50.

[3] 朱德仁,钱鸣高,徐林生.坚硬顶板来压控制的探讨[J].煤炭学报,1991(2):11-21.

[4] 王金安,尚新春,刘 红,等.采空区坚硬顶板破断机理与灾变塌陷研究[J].煤炭学报,2008(08):850-855.

[5] 王金安,李大钟,尚新春.采空区坚硬顶板流变破断力学分析[J].北京科技大学学报,2011(02):142-148.

[6] 袁晓龙,傅菊根,赵士兵.谢桥矿坚硬顶板破断规律研究[J].煤矿开采,2014(01):91-94.

[7] 徐明初,武腾飞,张 亮.坚硬顶板下采动覆岩破断规律研究[J].煤炭技术,2015(04):92-94.

[8] 于 斌,刘长友,杨敬轩,等.坚硬厚层顶板的破断失稳及其控制研究[J].中国矿业大学学报,2013(03):342-348.

Study on Pressure Characteristics of Fully Mechanized Caving Face in Hard Roof

ZHANG Bo

Based on the geological conditions and mining conditions of No.8935 fully mechanized top coal caving mining face, the roof pressure and pressure characteristics of fully mechanized top-coal caving face under hard roof conditions are systematically studied by means of theoretical analysis and field measurement. The results show that the first pressure step of the 8935 working face is 77.21 m, the cycle pressure step is 17.6～21.1 m, the dynamic pressure coefficient is 1.31. The study of the pressure characteristics and its achievement have valuable meaning for reference in coalmines with similar working conditions.

Hard roof; Fully mechanized caving face; Rock pressure feature; Pressure step

2016-08-17

张 博(1988—)，男，山西长治人，2012年毕业于辽宁工程大学，助理工程师，主要从事煤矿技术管理工作

(E-mail)tyzhangbo1988@163.com

TD322+

B

1672-0652(2016)10-0013-03