复杂地表下空区下伏采场围岩控制研究

闫 东 东

（山西西山煤电股份有限公司西曲矿，山西 古交 030200）

0 引 言

我国华北西北地区煤层均赋存深度较浅，相较于西北地区煤炭资源开发历史，华北各个矿区的浅埋煤层开发较早，至今，除去少部分矿井之外，大多数矿井均已进入下组煤的开采阶段。华北地区由于地处黄土高原，地表由于长时间的水流冲刷与风化效应，华北各个矿井地表地貌沟壑纵横，冲沟地貌比较普遍。随着黄庆享教授等[1][2]关于浅埋煤层覆岩“台阶岩梁”以及“双关键层”理论的提出，浅埋条件下液压支架工作阻力以及采场围岩稳定性控制均得到了成熟运用，但其支架工作阻力中，关于载荷因子k 的引入，带有较为明显的随机性与不确定性，无法准确地推导出支架上覆岩层的载荷。朱卫兵教授[3]就浅埋复杂地貌下的支架“向沟”、“背沟”阶段的工作阻力变化，进行了深入研究，认为支架“背沟”段工作阻力极剧上升，这在诸多矿井的工作实践中，得到了充分验证。但是就浅埋复杂地表下的空区下采场围岩控制特别是液压支架工作阻力的确定鲜少研究，笔者尝试从材料力学角度对这一问题进行初步解释，以期对该覆岩条件下的工作面工作阻力进行确定。

本文依托西曲矿生产实际，结合综采采场底板破坏理论，对浅埋复采地貌下空区下采场顶板结构进行了初步分析，并结合“普氏矿压”理论，提出了工作面液压支架顶梁上方的“应力卸荷拱”理论，认为该“卸荷拱”起到了保护工作面液压支架的作用，而液压支架只需要承担“卸荷拱”内部岩石重量。并据此计算工作面液压支架工作阻力，在西曲矿28301 工作面成功运用。

1 工程概况

西曲矿28301 工作面主采8# 煤，平均煤厚4.2m。 地 面 标 高 1193～1307m， 工 作 面 标 高1044～1124m，最大埋深263m，最小埋深109m，工作面走向长度895m，倾向长度220m，地表地貌沟壑分布密集，见图1，工作面井上位于长港村东南部，刷刷港村西北部，王马市村西南部。上覆4#煤采空区，4#煤层采高为2.5m，工作面平均长度200m，采用综合机械化采煤法，全部垮落法管理顶板，同时由于4#煤煤质较好，已对4#煤的区段煤柱进行了回收，两层煤间距20～50m，平均30m，两煤层之间为泥岩与炭质泥岩互层。28301 工作面范围内矿井J-1 号钻孔及两顺槽揭露煤层结构情况，工作面范围内煤层厚度稳定，局部有1～2 层块状夹矸，煤层普氏系数为0.5～0.8，工作面顶底板厚度与岩性见表1。矿井坑透CT 显示，除上覆4#煤采空区外，工作面范围内未出现无线电波异常区，说明该范围内无明显地质构造，无断层与陷落柱揭露，工作面范围内地质条件与水文地质情况简单。

表1 煤层顶底板特性表

图1 28301 工作面地表地貌

2 岩石力学实验

在28301 工作面回风顺槽巷道围岩较为完整段，选取合适位置钻取煤岩样，并在实验室加工为标准试件后，进行煤岩样的力强度测试，如图2 所示。岩石力学参数见表2。

图2 实验室岩石力学实验图

表2 岩石物理、力学性质试验成果表

3 28301 工作面覆岩结构

西曲矿28301 工作面上覆4#煤层在2006 年采空，由于4#煤层埋藏深度浅，受到采动影响后，覆岩裂隙发育至地表。在地表形成错综复杂的地表裂缝，局部较为严重槽型塌陷，同时由于黄土地貌较为复杂，槽型塌陷在边坡位置形成采动滑坡灾害。28301工作面地表裂隙最大落差1.1m，最大宽度1.3m，最大塌陷坑呈长7m、宽3m 的矩形分布，最大深度0.8m。[4]

图3 28301 工作面回采时覆岩结构

综合上文统计西曲矿地表在4#煤采动后，覆岩垮落直达地表，可见4#煤覆岩全部垮落，不能形成稳定的承载结构，见图2。上覆岩层垮落带较厚，则可以起到较为突出的“垫层”作用，有效吸收上覆已断裂的关键大块体突然失稳所产生的冲击能量，可以有效保护8#煤层工作面回采时不受冲击载荷作用。同时，该“垫层”有着平衡载荷的作用，在对上覆复杂地表产生的严重不均匀载荷，进行重平衡，经过平衡后载荷可视为平均载荷。

4 4#煤底板破坏深度

由于两煤层之间为平均厚度达30m 的泥岩与炭质泥岩互层，上覆4#煤层工作面在回采过程中，受到工作面回采采动应力的影响，4#煤层工作面底板已经大规模破坏，底板破坏深度计算见式（1）[5]。

式中：h 为4#煤层工作面底板破坏深度，m；κ 为重复采动系数，由于4#进行了煤柱回收作业，该处取1.5；H 为4#煤层盖山厚度，取最大深度243 m；α 为4#煤层最大倾角，取5°m；f 为4#煤层底板普氏系数，取1.6；L 为4#煤层工作面平均长度，200m；

代入数据可得，4# 煤层最大底板破坏深度为28.125m，同时，4#与8#煤工作面最大间距为30m，则可认为4#煤层与8#煤层之间的稳定岩层，只有8#煤上覆1.785m 厚的泥岩与炭质泥岩互层。

5 28301 工作面支架工作阻力确定

由表2 可知，8#上方岩层强度较弱，在工作面回采过程中，受到工作面超前支承压力的影响，上覆1.785m 厚的泥岩与炭质泥岩互层会成散体状态。

结合前文所述，则工作面回采工程中，其上覆岩层均为散体状态，结合“普氏矿压”理论，则可认为在工作面液压支架顶梁上方形成了一定高度的“应力卸荷拱”，该“卸荷拱”起到了保护工作面液压支架的作用，而液压支架只需要承担“卸荷拱”内部岩石重量即可，则建立如下理论模型。

图4 28301 工作面顶板“卸荷拱”示意图

“应力卸荷拱”高度可按下式计算：

式中：h 为“应力卸荷拱”高度，m；a 为液压支架顶梁宽度之半，取2.7m；f 为散体覆岩普氏系数，取0.08[6]。

带入计算可得，工作面液压支架顶梁上方，“应力卸荷拱”高度为33.75m。则可认为，工作面液压支架最大只需承担高度为33.75m 的散体重量，则支架载荷可按下式计算：

式中：q 为工作面支架载荷，MPa；H 为“应力卸荷拱”高度，取33.75m；γ 为散体覆岩平均容重，取18kN/m3[6]。

带入计算可知，工作面支架载荷为0.61MPa。则工作面液压支架工作阻力可按下式计算：

式中：P 为工作面阻力，kN；q 为工作面支架载荷，0.61MPa；B 为液压支架中心距，取1.5m；L 为工作面最大控顶距，5.4m。

带入数据计算可知，工作面液压支架工作阻力为4941kN。

西曲矿现有ZY5600 支架故满足28301 工作面使用要求。

截止目前，28301 工作面已安全回采6 个月，有效验证了“应力卸荷拱”理论的正确性。

6 结 论

1） 结合综采采场底板破坏理论，计算可知28301 工作面上覆顶板已破碎厚度为28.125m，在28301 工作面回采时，顶板全部破坏为散体状态。

2）由于上覆岩层载荷为平均载荷，建立了基于“普氏矿压”理论的“应力卸荷拱”理论。计算得该拱高度为33.75m。

3）依据“应力卸荷拱”理论计算工作面液压支架工作阻力为4941kN，并在西曲矿28301 工作面成功运用。