厚煤层高强度综放开采覆岩结构及矿压显现特征研究

刘 捷

(山西大同大学煤炭工程学院，山西省大同市，037003)



厚煤层高强度综放开采覆岩结构及矿压显现特征研究

刘 捷

(山西大同大学煤炭工程学院，山西省大同市，037003)

为掌握厚煤层高强度综放开采覆岩结构及矿压显现特征，以长平矿2308工作面为工程背景，运用理论分析、数值模拟、现场监测等方法对其覆岩结构和矿压显现特征进行研究。结果表明，2308工作面的矿压显现规律主要由主关键层和亚关键层共同控制，分别在顶板下位形成短组合悬臂梁结构，上位形成铰接岩梁结构；下位短组合悬臂梁+上位铰接岩梁结构是造成工作面存在大小周期来压的直接原因。

厚煤层 短组合悬臂梁 铰接岩梁 周期来压

随着对综合机械化开采的深入研究，我国厚煤层开采逐渐采用综采放顶煤一次采全高、大采高综采的开采方法。与分层开采相比，综采一次采全高具有工作面推进速度快、日产量高、资源采出率高、资源开采强度大的优点，但这种开采方式造成顶板活动空间增加，使工作面矿压显现规律和顶板结构特征呈明显变化。研究厚煤层综放工作面的矿压显现规律对预防顶板事故、减少人员伤亡具有重要作用。有学者认为，顶板结构以悬臂梁+铰接岩梁的形式存在，但这些研究成果实际应用和验证较少，有必要在这些研究成果的基础上继续深入研究和验证。为了实现工作面的安全高效开采，本文以长平矿2308工作面为背景，为此类矿井顶板灾害事故防治提供参考。

2308回采工作面走向长度为1133.5 m，倾斜长度为175 m。东部为丹河保护煤柱，西部为柳村村庄保护煤柱，北部为Ⅲ2309综放工作面，南部为柳村河保护煤柱。工作面设计平均采高为5.04 m。老顶为泥岩，厚度为10.55 m，具有垂直层面的裂隙充填。直接顶为砂质泥岩，厚度为5.22 m。直接底为泥岩，厚度为0.7 m，薄层状，水平裂隙发育。岩层具体状况见表1。

表1 长平矿2308工作面岩层具体情况

1 工作面顶板破断距及顶板结构分析

在采场上部存在对局部或全部覆岩存在控制作用的岩层，此岩层为关键层。关键层的判别需要满足变形判别条件和强度判别条件。

(1)变形条件。该岩层的变形值即挠度小于下部岩层的变形值，使得两部分岩层有一定范围的离层，判别表达式为:

式中：q1/n+1——第n+1层荷载，MPa；

Ei——第i层弹性模量，MPa；

hi——第i层岩层厚度，m；

γi——第i层岩层容重，kN/m3。

(2)强度条件。假设第n+1层为关键层，则该岩层的破断距ln+1必须大于第一层的破断距离l1。

由于工作面前方、后方、左边、右边的保护煤柱宽度均大于40m，因此将2308工作面简化为固支梁。则第i层的破断距计算公式为:

(4)

式中：li——第i层岩层的破断距，m；

σti——第i层岩层抗拉强度，MPa。

假设第a、b、c岩层为自下而上的坚硬岩层，如果Lc>Lb>La，则第c层位为关键层，第b层为亚关键层；如果Lb>Lc>La，将第c层荷载加到第b层上面，再计算破断距，破断距大的是关键层，其次是亚关键层，第c层不是关键层，只是作为坚硬岩层存在。经计算，得到长平矿2308工作面上部共有两个关键层，结果见表2。

表2 关键层破断特征

长平矿虽然存在两个关键层，但由于采出厚度增大，顶板活动空间增大，亚关键层距离煤层较近，活动空间较大，采空区矸石不能对顶板起到有效的支撑作用，亚关键层很难以铰接岩梁结构的形式存在。本文认为亚关键层及其控制的部分岩层，在破断前以组合悬臂梁的结构形式存在，破断后作为垮落矸石有规则的垮落，成为垮落带的组成部分；主关键层离煤层较远，其破断后回转空间不大，不会发生滑落失稳，将以铰接岩梁结构的形式存在。

在工作面推进过程中，亚关键层首先破断，其控制的上部层位，即亚关键层至主关键层之间的层位也随之破断，造成工作面较小的来压现象。随着工作面继续推进，达到上位主关键层的破断距，主关键层破断，随着压力的增大，下位亚关键层也随着破断，造成工作面的大周期来压现象。根据主关键层和亚关键层破断距分析可知，在一个大的周期来压内，可能存在数次的小来压现象，下位短组合悬臂梁+上位铰接岩梁结构是造成2308工作面来压不稳定的重要原因。

由表2可知，工作面的小周期来压步距为13m，大周期来压步距为23.3m。小周期来压步距的2倍大于一次周期来压步距，因此2308工作面在一个周期来压范围内存在一个小周期来压。具体来说，工作面推进过程中，在一个周期来压范围内，下位短悬臂梁破断并垮落形成小周期来压，然后上位铰接岩梁结构发生破断，导致再次形成的短悬臂梁也随之发生破断，形成大周期来压。

2 覆岩结构特征数值模拟研究

为了验证2308工作面下位形成了短组合悬臂梁结构，上位形成了铰接岩梁结构，利用UDEC数值模拟软件，依照2308工作面综合柱状图，建立了数值模拟模型。模型尺寸为500m×170m，模拟开采步距为20m。

图1 短组合悬臂梁+铰接岩梁结构示意图

工作面推进140m时顶板形成的垮落结构如图1所示。由图1可知，顶板下位形成明显的短悬臂梁结构，其初始悬臂结构起始层位为亚关键层部位；下位的悬臂结构长度并不完全一致，而是由下到上逐渐变大；上位铰接岩梁结构明显。综上所述，2308工作面的顶板结构为下部短组合悬臂+上位铰接岩梁结构。工作面开采过程中，悬臂结构垮落，形成小周期来压，达到一定长度后主关键层破断，也使悬臂结构破断，形成大的周期来压，此结果与基于关键层理论分析得出2308工作面的顶板结构一致。

3 工作面矿压显现特征

为进一步验证理论分析和数值模拟结果，对工作面支架工作阻力进行观测，以证实覆岩结构以下位短组合悬臂梁+上位铰接岩梁直接导致了工作面存在大小周期来压现象。根据工作面2条支架载荷测线观测数据的P-L变化曲线分析老顶周期来压过程，分别如图2和图3所示。监测期间，工作面推进100m左右，平均经历4次大周期来压，检测结果见表3。

图2 50#支架工作阻力随工作面推进距离变化曲线

图3 65#支架工作阻力随工作面推进距离变化曲线

由图2、图3和表3可知，工作面存在明显的周期来压现象。对于50#支架，在一个大周期来压范围内，存在一个明显的小周期来压现象，其大周期来压平均步距为21.5m，小周期来压平均步距为11m；对于65#支架，在一个大周期来压范围内，同样存在一个明显的小周期来压现象，其大周期来压平均步距为25m，小周期来压平均步距为13.6m。50#和65#支架工作阻力的变化现象表明，下位短组合悬臂梁破断并垮落，造成小周期来压，随着工作面继续推进，主关键层断裂，但回转空间不大，形成上位铰接岩梁。该结构发生一定回转，同时造成下位短组合悬臂梁破断并垮落，最终作用于支架上部形成大的周期来压。

表3 历次周期来压步距分析表

4 结论

(1)理论分析表明，控制2308综放工作面的矿压显现规律的岩层为主关键层和亚关键层，主关键层破断距为23m,亚关键层破断距为13m，分别在采场下位形成了短组合悬臂梁结构，上位形成了铰接岩梁结构，该结构是造成工作面存在大小周期来压的直接原因；2308工作面在一个大周期来压过程中，存在一个小周期来压过程。

(2)数值模拟研究表明，2308工作面顶板结构为短组合悬臂+铰接岩梁结构。

(3)液压支架工作阻力在线监测表明，工作面存在大小周期来压现象，大周期来压平均步距为21.5m，小周期来压步距为11m左右，在一个大周期来压过程中，存在一个小周期来压，理论分析结果具有一定的准确性。

(4)数值模拟、现场实测、理论分析均表明，2308工作面顶板结构为短组合悬臂+铰接岩梁结构。

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(责任编辑 陶 赛)

Research on roof structure and mining pressure characteristics of thick coal seam of high intensity full-mechanized caving mining

Liu Jie

(School of Coal Engineering, Shanxi Datong University, Datong, Shanxi 037003, China)

In order to understand overlying strata behavior laws and roof structure of fully mechanized mining face in thick coal seam, using field observation, theoretical analysis and numerical simulation, taking 2308 work face of Changping Mine as project background, studied the roof structure and mining pressure characteristics. The results showed that the main key strata and inferior key strata controlled strata behavior laws, the structure of short cantilever-articulated rock beam was formed at lower level of roof and hinge beam structure was formed at upper level. This combination of structures was believed to have caused strengthened and weak periodic weighting.

thick coal seam, short cantilever beam structure, hinge structure, periodic weighting

国家自然科学基金(51504136)

刘捷 . 厚煤层高强度综放开采覆岩结构及矿压显现特征研究[J] . 中国煤炭，2017,43(6)：72-75.LiuJie.ResearchonRoofstructureandminingpressurecharacteristicsofthickcoalseamofhighintensityfull-mechanizedcavingmining[J] .ChinaCoal，2017,43(6)：72-75.

TD

A

刘捷(1980-)，男，山西大同人，硕士，讲师，主要从事矿山压力与岩层控制方面的研究。