回采工作面上覆岩层矿压作用特征研究

袁 小 镇

（西山煤电集团镇城底矿，山西 古交 030200）

0 引 言

在煤矿回采过程中，对上覆关键层是坚硬岩层的处理及研究至关重要[1]。因为其层位可能较多且破断运移波及范围较广，工作面矿压会由于不同层位坚硬岩层的破断而产生不同的变化规律，破断后所形成的上覆岩层结构特征也会有所不同，进而导致在工作间回采期间由于其处理不当而导致液压支架压死、工作面片帮、巷道底鼓等严重阻碍安全生产的情况发生[2-3]。为了深入研究工作面上覆岩层破坏规律及其矿压作用特征，本文通过内部岩层移动监测、工作面支架阻力监测、钻孔窥视等手段以山西新景矿煤业综采工作面为工程背景，对其工作面上覆各岩层进行实测研究，并分析上覆岩层破坏的矿压区别及其作用，以及对上覆岩层破断运移规律进行跟踪掌握。

1 工程概况

山西新景矿煤业3213 综采工作面位于525 水平，地面标高977m～1078m，工作面标高451m～522m，埋藏深度为450m～490m。回采工作面长度为230m，走向长度约为1533m，面积约为351880m2，工作面上覆岩层多为坚硬岩层。

从工作面液压支架支撑阻力多次超载，导致安全阀开启的现象来看，工作面在回采期间出现了多次的强压显现。在超前工作面25m 范围内，回采巷道顶板最大下沉量达到了0.4m，底鼓量达到了0.7m，且伴随着单体液压支柱严重破坏的现象。

由工作面矿压统计可知，来压较为强烈时候是在工作面回采初期180m 范围内，可以看出，在超前工作面25m 范围内，单体液压支柱严重损害，回采巷道变形严重，工作面液压支架支撑阻力较大，并出现安全阀开启现象。随着工作面回采的进行，在开采后期，超前压力影响范围明显减小，由25m 变为7m，伴随着回采巷道的变形以及单体液压支柱的损坏都相应减小。由此可以得出，工作面上覆岩层破坏后主要对工作面回采前期造成的影响较大，对回采后期影响较小。

2 工作面上覆岩层破坏规律及矿压作用特征

2.1 基于钻孔窥视法对岩层破坏规律的研究

在工作面中部布置钻孔，布置钻孔处煤层埋深为443m。通过钻孔窥视仪器对工作面上覆岩层的裂隙发育，岩层垮落等特征进行实时监测并进行记录。

在工作面距离钻孔30m 时开始进行观测，一直到工作面上覆岩层不在发生破断现象时停止观测。具体观测方案如表1 所示。在经过长达3 个月左右的观测，得到了工作面上覆坚硬岩层垮落曲线图，如图1 所示。

表1 观测方案

由图1 可以看出，随着回采工作面的不断推进，上覆岩层破断高度表现为台阶式升高，图中曲线每一处的升高，都代表着岩层的破断以及垮落高度的进一步发展。第一平段表示为工作面在钻孔前方，由工作面回采至钻孔处时，平段长度为9.2m，岩层垮落高度大约为30m；第二平段表示为当回采工作面回采到钻孔后方25～40m 时，平段长度为28.1m，岩层垮落高度为110m；当工作面回采至钻孔后方60m 处时，平段长度为33.5m，此时岩层垮落高度上升到了185m；当工作面回采至钻孔后方95m处时，平段长度为50.8m，岩层垮落高度已高达225m。由此可以看出，随着回采工作面不断推进，各个平段长度随之增加，岩层垮落高度也不断增大，说明随着工作面上覆关键岩层层位的升高，岩层的垮落步距及垮落高度随之增大。

图1 垮落高度曲线

由上述分析结果可知，在煤层开采后，上覆岩层发生垮落，且随着岩层层位的升高，垮落步距及垮落高度不断增大。但是对于不同层位岩层的断裂垮落对工作面矿压的作用影响并不能得出明确的对应关系，所以有必要对其进行进一步的实测分析。

2.2 多手段一体化实测的岩层破断矿压作用特征

以山西新景矿煤业3214 综采工作面为工程背景，3214 综采工作面与3213 综采工作面工程概况基本相同，沿3214 综采工作面推进方向上布置四个钻孔，编号为1#、2#、3#、4# 具体的监测方案如表2 所示。

1）工作面液压支架工作阻力监测。分别在综采工作面5#～115# 液压支架上每隔5 个支架布置一个测点，共布置12 个测点。

2）岩层移动监测。工作面矿压显现的主要原因是上覆关键岩层的破断，基于此关键层理论及工作面所处地质条件，在监测岩层移动钻孔内共布置4个测点，其中一个测点布置在最上层关键层的上部，编号为4#，另外3 个测点布置在工作面上覆各关键层处。其中1#测点埋深为453m，2#测点埋深为425m，3# 测点埋深为368m，4# 测点埋深为333m。从下到上每个关键层的厚度分别为11.7m、9.5m、19.1m，为使测点与岩层能够同步移动，利用爪式结构使测点固定在关键层上，在利用钢丝绳使爪式结构与地面传感器连接，来对岩层的移动进行记录。

3）钻孔窥视监测。同对3213 工作面上覆岩层破断特征监测手段一样，采用钻孔窥视仪器，连续观测360m，时间为2 个月，具体方案如表2 所示。

表2 钻孔观测方案

随着综采工作面的持续推进，4 个测点随着所在岩层的下沉而随之下沉，监测所得下沉数据变化如图2 所示，并得出如下特征。

1）从图中可以看出，岩层下沉数据整体呈现台阶式变化规律，直到最后平衡稳定。

2）当工作面回采至钻孔后8.5m 时，1#测点下沉量为205mm，说明第一关键层发生了破断下沉，当工作面回采至钻孔后12.0m 时，2#测点下沉量为322mm，此时说明第二关键层发生了破断下沉，同时第一关键层同步又下沉了60mm，表明第一关键层受到了第二关键层下沉的影响，出现二次下沉，当工作面回采至钻孔后75.5m 时，1# 与2# 测点数据不再发生变化，说明第二关键层及以下岩层已充分破断并稳定。

（3）由图可以看出，3#、4#测点下沉变化趋势基本一致，说明第三关键层上面的岩层下沉变化受第三关键层变化影响明显。当工作面回采至钻孔后28.0m 时，3#测点下沉值为165mm，表明第三关键层发生初次断裂，但下沉影响范围较小。当工作面回采至测点后88.5m 时，3#、4# 测点下沉量由280mm 增至370mm，在工作面回采至钻孔后150m处及以后，各处测点数据不再发生变化，说明各岩层下沉变化趋于稳定。

图2 岩层移动变化规律

根据岩层移动检测并结合钻孔窥视，工作面液压支架工作阻力监测数据，如图3 所示，其中图3（a）为第一二关键层破断时，（b）为第三关键层破断时，分析可知：

图3 关键层破断的支架工作阻力

根据8.16 日和8.17 日窥视观测结果，以及1#测点下沉数据，表明第一关键层发生了破断下沉，同时，根据工作面液压支架工作阻力监测数据可以看出，支架阻力升高，且来压持续5.8 个小时。8.18日后2#测点监测数据变大，同时观察钻孔窥视结果，表明第二关键层发生了破断下沉，与此同时，工作面液压支架监测的工作阻力明显升高，本次来压压力显现较大，且持续时间较长，达14 个小时，工作面49～79#液压支架工作阀开启。9.6 日时，第三关键层发生回转下沉，观察工作面液压支架工作阻力，相比于第一二关键层断裂产生的工作面来压，第三关键层的破裂来压时间更长，压力更大，来压时间可达39 个小时，且工作面35～95# 支架发生压死现象。

3 结 论

1）由钻孔窥视研究表明：工作面上方关键层在工作面回采后破断呈台阶式上升，台阶每个上升阶段，都代表关键层的断裂下沉，台阶的平段长度随工作面回采长度的增加而增加。

2）多手段一体化实测研究表明：低层位也就是距离工作面较近的关键层破断时，工作面来压较小，且持续时间较短。而当高层位关键层破断下沉时，工作面来压较大，且持续时间较长。