浅埋深厚基岩综放工作面覆岩结构及矿压显现规律研究

任晓东

(国家电投新疆能源化工集团 四棵树煤炭有限公司，新疆 乌苏 833019)

综采放顶煤工艺是一种技术成熟、安全可靠的采煤工艺，在我国各矿区应用广泛。不同赋存条件下采用综放工艺，其覆岩结构及矿压显现规律差异较大[1，2]，采用同一种矿压理论往往导致矿压显现剧烈、压架等事故，严重威胁综放工作面安全[3，4]。许家林等[5]对浅埋煤层的覆岩结构特征进行了分类，并对各类结构失稳特征进行了研究。杨达明等[6]通过建立浅埋深近水平煤层覆岩压力拱结构模型描述其覆岩结构破坏形态。卢鑫等[7]对薄基岩浅埋煤层覆岩结构及矿压显现规律进行了研究。周勇等[8]研究了覆岩结构中载荷的传递特征，并以此作为矿压显现的演变判据。郝海金[9]、许家林等[10]大采高工作面覆岩结构及支架合理工作阻力进行了研究。于斌[11]建立了特厚煤层综放工作面覆岩结构演化模型，并提出了强矿压控制技术。缪协兴等[12]对厚关键层覆岩结构的矿压显现规律进行了研究。

上述研究取得了丰硕的成果，但对浅埋深厚基岩特厚煤层综放工作面覆岩垮落形态及支架受力特征鲜有报道。本文以四棵树煤炭有限公司七号平峒A5201综放工作面为工程背景，对浅埋深厚基岩特厚煤层综放工作面覆岩结构特征及矿压显现规律进行研究。

1 工程概况

1.1 工作面位置关系

乌苏四棵树煤炭有限公司七号平峒位于新疆乌苏市，现回采A5煤层，厚度11m，埋深约88m。A5201工作面位于采区边角地段，东侧、北侧均为井田边界，与南侧混合平硐之间为30m宽隔离煤柱，西侧为采空区，隔离煤柱宽度为30m。工作面倾向长116m，走向长330m，采用综合机械化放顶煤采煤方法。工作面位置关系如图1所示。

图1 A5201回采工作面布置图

1.2 覆岩强度特征

煤层埋藏深度较浅，上覆岩层分布简单，仅有三层：表土层、粉砂质泥岩及泥质粉砂岩，其厚度及岩性描述见表1。

表1 煤层顶板岩性特征

煤层直接上覆岩层为37.6m厚的泥质粉砂岩，为分析该巨厚岩层对综放工作面回采的影响，在现场典型地点取样并通过实验室试验对其物理力学性质进行了测试。得出该岩层抗压强度为61.8MPa，抗剪强度为1.88MPa，法向抗拉强度为2MPa，切向抗拉强度为0.52MPa，密度为2452kg/m3。

2 综放工作面覆岩运移规律

2.1 基本顶初次垮落步距计算

由于煤层埋深较浅，工作面煤层采出后，覆岩内只存在冒落带和裂隙带，煤层直接上覆顶板为巨厚坚硬岩层顶板，是控制工作面矿压显现的关键层，也是工作面的基本顶。煤层回采出后形成的空间越大，基本顶暴露时间越长，基本顶越容易产生块状垮落。初次来压时，建立如图2所示基本顶力学模型，高度h1位置为中性轴。

图2 基本顶初次来压力学模型

取长度dx、高度h1的微元体，岩块受到上覆岩层均布载荷影响产生弯曲变形，微元体横截面上受到近似平行于x轴的拉应力，当该拉应力大于岩体最大抗拉强度时，微元体与周边产生裂隙，形成分离，基本顶断裂垮落。该拉应力的计算公式为：

其中，弯矩M计算公式为：

惯性矩Iz的计算公式为：

式中，q为覆岩载荷，MPa/m；Q为岩块自重载荷，MPa/m；b为岩梁单位宽度，取1m。

当基本顶内拉应力大于水平方向极限抗拉强度时发生初次破断，计算得出(x+dx)≥21.5m，即基本顶的初次来压步距为21.5m。

在y轴方向上，当分离后的微元体在h1高度范围内所受重力大于抗拉强度时，微元体与上层岩体分离，形成冒落带内的散碎体。根据实验室岩石力学测试结果可知，基本顶法向抗拉强度仅为切向抗拉强度的1/4，表现出明显的各向异性，因此需要判别基本顶是整层断裂还是分层垮落，其判别公式为：

γh1≥σt

(4)

式中，γ为基本顶容重，N/m3；σt为基本顶切向抗拉强度，MPa。

则可以得出基本顶分层垮落的临界高度为21.2m，而基本顶厚度为37.6m，故在工作面回采过程中，基本顶为分层多次断裂垮落。

2.2 基本顶周期垮落步距计算

基本顶周期垮落时，力学模型如图3所示。

图3 基本顶周期来压力学模型

周期来压步距计算公式[13]为：

可得综放工作面基本顶周期来压步距为11.5m。

根据经验公式计算得出综放工作面冒落带高度为30.5m，即工作面回采过后能充满采空区所需的顶板垮落高度为30.5m。

基本顶首次分层垮落后，其厚度仅为21.2m，最大冒落高度为8.8m，位移空间大，不足以形成铰接结构，该分层的岩体以冒落碎胀变形为主，充填采空区。由于原生裂隙以及岩体受压后的再生裂隙的存在与发展，在这个范围内基本顶岩体的冒落块体较小。其后随着工作面推进，上位基本顶继续垮落，但是其剩余下沉高度仅为2.44m，根据周期来压步距11.5m计算，岩块断裂回转约12°即触矸，此高度范围域内以大的断裂块体为主。

3 相似模拟覆岩运移规律

为了验证理论分析的正确性，通过相似模拟分析工作面上覆岩层运移规律。模型原型按四棵树煤炭有限公司七号平峒A5201综放工作面煤层顶底板地质条件以及物理力学试验结果进行典型化相似材料模拟试验研究。模型的几何尺寸为长×宽×高=3000mm×400mm×1120mm，模型线比为1∶100，时间相似比为1∶12，模型采高11m，模型左右各留300mm的煤柱，从右向左开挖煤层，每隔2h开挖一次，每次开挖50mm。

3.1 来压步距统计

模拟试验共模拟了基本顶初次来压和16次周期来压，A5201综放工作面周期来压步距统计如图4所示。基本顶初次来压步距为20.3m，周期来压步距平均值为10.8m，与理论计算值基本一致。

图4 基本顶周期来压步距统计

3.2 基本顶垮落特征

为基本顶垮落局部特征如图5所示，垮落的岩块呈规则排列，下方形成冒落带内散碎体。由于垮落岩层的岩块相互叠压，其下位岩层的碎胀系数明显大于上位岩层，高低位分层的垮落形态存在明显差异，基本顶分层多次断裂垮落，垮落岩块的长度在8～9m。

图5 基本顶垮落局部特征

从切眼处开始由右侧向左侧开挖。随推进距离的增加，先后经历直接顶岩层和老顶岩层的离层、断裂和垮落过程。顶板岩层中的压力分布，在煤层底板下方10cm，煤层顶板上方15cm和36cm的顶板岩层中分别布置了3排应变片。开挖稳定后同竖向不同应变值在走向长度上的变化曲线如图6所示。

图6 分层沿走向应变变化曲线

煤层开挖稳定后，在工作面煤壁前方形成超前支承压力，采空区后方形成残余支承压力，在煤层底板尤为明显，上覆岩层分层断裂垮落且未完全压实，残余支承压力有所减小。

测点位移随工作面推进变化曲线如图7所示，同垂直方向从上到下共7个测点。采用NIKON NPL-821全钻仪对位移测点进行观测，观测线测点间的垂直距离均为10cm。

图7 测点位移随工作面推进变化曲线

随着工作面的推进，测点下沉幅度在下位岩层逐渐增大，上位岩层比较平稳。下位垮落岩层由于自由空间较大，同时受上覆岩层载荷作用，块体比较破碎，而上位破断岩层呈规则性排列，因此高低位分层的垮落形态差异比较明显。

4 工作面矿压显现规律

在A5201综放工作面上、中、下三个部位布置支架压力观测测站。在工作面推进100m长度期间，利用矿压在线监测系统得到矿压观测曲线，如图8所示。

图8 液压支架工作阻力曲线

由图8所示，工作面液压支架阻力有明显的周期规律，初次来压时，工作面推进距离分别为18m、21m、21m，10#支架靠近上工作面采空区，在叠加应力影响下较早破断；支架工作阻力平均为27.9MPa。之后随着工作面继续向前推进，液压支架随着基本顶的周期性断裂，压力升高又迅速降低，其周期来压步距平均为12.3m，验证了理论分析结果。

5 结 论

1)理论计算浅埋厚基岩条件下综放工作面来压步距值，基本顶较低的切向抗拉强度导致厚层基本顶分层垮落。

2)相似模拟研究表明工作面基本顶初次来压步距为20.3m，周期来压步距平均值为10.8m，与理论计算值基本一致；高低位分层的垮落形态存在明显差异，下位垮落块体比较破碎，上位破断岩层呈规则性排列。

3)实测矿压规律表明液压支架工作阻力有明显的周期，初次来压步距为22m，周期来压步距平均为12.3m，与理论分析结果基本一致，实现了工作面的安全高效回采。