近距离煤层块体结构顶板破断规律研究

程健新

（新疆邢美矿业有限公司，新疆 巴音郭楞 841000）

0 引言

浅埋近距离煤层群重复采动覆岩破坏以及裂隙演化相比于单一煤层开采更加复杂，且复杂程度与近距离煤层数呈正相关，使得井工开采面临着许多的技术难题[1-4]。而近距离煤层群覆岩结构又直接影响着覆岩破坏特征，因此近距离煤层群覆岩结构及失稳特征成为了目前众多学者研究的主题，同时研究也取得了较大进展。刘长友等[5-7]建立了近距离煤层群多采空区顶板群结构失稳模型，并采用威尔多参数分布函数得出了顶板群结构失稳的影响因素，同时揭示了间隔岩层岩性结构对台阶错动的影响机理；杨国枢等[8]对近距离煤层群二次开采时的顶板结构特征、活动规律以及矿压显现规律进行了研究，发现下部煤层采场覆岩在重复采动影响下将会形成“垮落带叠加”结构；张春雷[9]针对近距离煤层上行开采时覆岩破坏特征进行了研究，发现上煤层开采完毕后覆岩破碎，难以形成结构，且覆岩离层高度的增加幅度较小；张百胜等[10]运用散体以及块体理论，对近距离煤层下层煤工作面下位直接顶岩层结构稳定性进行了力学分析；黄庆享等[11,12]通过对浅埋近距离煤层进行矿压监测首次发现了双关键层以及大小周期来压现象。

相关研究表明近距离煤层开采时，结合相邻煤层之间岩层通过岩性以及其他物理力学性质可被视作块体结构[13-15]。因此本文以贵州盘江矿区为工作背景，结合理论分析与数值模拟对近距离煤层在块体结构顶板条件下覆岩破坏规律进行研究，以期为相似工程条件下提供理论依据。

1 近距离煤层顶板结构

相关学者将近距离煤层顶板根据上述破断垮落类型以及煤层间夹层特点分为：散体结构、块体结构以及板式结构。

当相邻煤层之间无基本顶结构，或者煤层层间距小于4 m，岩性大多为泥岩等强度较低，没有承载能力的顶板被称为散体结构顶板。此类顶板在上部煤层推进过程中由于结构完整性较差，表现为随采随落，回采过程中矿压显现较小。

当相邻煤层层间距为4～7 m，岩性多为粉砂岩或砂质泥岩的顶板时，夹层将具有一定的强度以及承载能力，在上部煤层回采过程中多呈块体状发生破断、失稳，此时对下部煤层开采会造成一定影响，此类顶板被称为块体结构顶板。破断形式具体如图1所示，随着煤壁的继续推进发生周期性破断、回转。采高较小时形成“砌体梁”稳定结构，采高较大时形成“悬臂梁”结构。

当相邻煤层层间距达到7 m以上，夹层岩性多为石灰岩、细砂岩、粉砂岩等高强度顶板时，具有较高强度与承载能力，此类顶板被称为板式结构顶板。下部煤层覆岩完整性较好，围岩强度高，但是由于顶板强度大，极限跨距大，因此工作面初次来压时来压现象较为剧烈，同样对工作面安全生产造成了较大影响。

结合近距离煤层顶板结构划分可知此时16号煤层工作面上覆岩层属于块体结构顶板。岩性柱状图如图1所示：

图1 岩性柱状图

在确定16号煤层工作面覆岩为块体顶板前提下，相邻煤层之间是否存在强度较高、厚度较大的岩层同样对工作面顶板周期来压剧烈程度有着直接影响，因此也成为了近距离煤层重复采动下工作面矿压显现的重要因素，掌握其物理性质及其运动规律能够更好地改善采场围岩应力条件。煤层间岩层结构如图2、图3所示：

图2 煤层间有基本顶结构

图3 煤层间无基本顶结构

2 近距离煤层下位工作面顶板稳定性分析

松河一矿位于贵州省盘江矿区，矿井地质构造复杂，断层、褶皱分布较多。该矿某块段15、16号为可采煤层，两煤层平均厚度分别为2.5、2.0 m，两煤层间距为6.0 m,该矿煤层开采属于近距离煤层群开采。15号与16号煤层之间存在一层4 m厚，坚硬不易破坏的细砂岩层，可视为存在基本顶，因此16号煤层覆岩结构为基本顶作为直接顶的块体结构。

针对极近距离煤层下层煤采场覆岩的结构特征建立“块体”结构力学模型[10]如图4所示，图中A类块体（x≤L/2），B类块体（x＞L/2）。

图4 “块体”结构力学模型

A、B类块体发生破断失稳时所需要的竖向载荷集度qy为：

式中：H为块体厚度；x为从坐标原点到任意横截面距离；θ为块体两边夹角；L为块体沿x轴长度，a为块体边长；δt为岩石单轴抗拉强度。

由式1可知A类块体破断时所需的竖向载荷集度大于B类块体，说明A类块体较B类稳定性更强，相同应力条件下，B类块体发生失稳的概率大于A类块体，B类块体失稳破坏后，A类块体受压增大发生破断。因此近距离煤层块体结构顶板失稳动态过程为：C失稳--B失稳--A受压增大--A失稳--块体结构失稳--顶板垮落。

3 数值模型建立

以松河一矿地质条件作为工程背景，利用3DEC模拟近距离煤层群开采中下位煤层顶板为块体结构时，工作面围岩破坏情况。根据工作面开采情况建立长150 m、宽100 m、高42 m的模型，模拟推进60 m，工作面长度为150 m。计算中块体本构关系采用弹塑性摩尔-库仑准则，节理本构关系采用节理面接触-库仑滑移模型，模型竖直方向上边界为自由边界，两侧边界进行水平方向的位移约束；底部与两侧边界进行位移约束；假定岩体初始应力主要由岩层自重以及构造应力引起，因此在模型上部边界施加8 MPa的垂直应力。数值模型如图5所示，煤岩体物理力学参数见表1。

图5 数值模型

表1 岩层物理力学参数

4 块体结构顶板破断规律

随着工作面的推进，直接顶逐渐达到极限跨距而发生垮落，对于16号煤层工作面来说，细砂岩岩层由于强度较大，不易垮落而可视为基本顶，此时利用3DEC软件模拟16号煤层推进不同距离块体结构顶板破坏下沉情况如图6所示：

图6 顶板垂直位移云图

由图6可看出，当工作面开挖10 m时，直接顶下部发生小范围垮落，但块体结构顶板上部分依旧存在承载能力，此时由于15号煤层底板为泥岩，底鼓现象较为严重。随着工作面的继续推进，直接顶垮落范围增大，直至20 m时，直接顶大面积垮落，形成工作面初次来压，来压强度较小。此时15号煤层采空区进一步压实，泥岩底板随采空区一同下沉。在之后工作面持续推进过程中，顶板下沉量不断加大，但是下沉速度逐渐减小。当直接顶位移持续增大直至压实采空区时，开切眼后方5 m范围内发生较大下沉，最大值为0.27 m，停采线前方2 m有0.1 m的下沉。纵观16号煤层开采过程中，块体顶板动态垮落过程与理论分析吻合，即C失稳--B失稳--A受压增大--A失稳--块体结构失稳--顶板垮落。且在顶板垮落过程中，块体结构顶板具备一定的承载能力。

5 采场顶板控制

5.1 采用合适的液压支架

为保证16号煤层工作面安全高效生产，必须选用安全系数高，支护效果好、适应性强的液压支架。特此进行液压支架选型如下：

1）支架支护强度。支架支护强度可由公式（1）进行计算[16,17]:

式中：P为支架支护强度，kN/m2；n1为增载系数，取2；R为细砂岩容重，取27 kN/m3；Σh为支架支护顶板厚度，8 m，可由Σh=M/（K-1）计算；M为工作面采高，取16号煤层平均厚度2 m;K为碎胀系数，取1.25。

代入公式（1）有：P=2×27×8=432 kN/m2

2）支架工作阻力。支架工作阻力可由公式（2）进行计算[18,19]:

式中：Q为支架工作阻力，kN；P为支架支护强度，取计算结果432 kN/m2；B为端面距，取0.3 m；L为顶梁长度，取3.795 m；B为支架中心距，取1.5 m；n2为支架效率，取0.98。

代入公式（2）有：

根据上述计算结果，采用ZY3800/15/33型支掩式液压支架可有效支护16号煤层工作面顶板，此类型液压支架工作阻力3 800 kN＞2 734.16 kN，可满足工作面安全高效生产要求。

3）底板比压验算。底板比压验算可由公式（3）进行计算：

式中：Pd为支架底座作用于底板上的压强，MPa；R1为所选支架工作阻力，取3 800 kN；L1为支架底座长度，取1.9 m；B为支架中心距，取1.5 m。

16号煤层工作面直接底为粉砂岩，抗压强度为215 MPa。因此，通过底板比压验算，该型支架可满足现场使用要求。根据工作面长度，共安设该型支架125个。ZY3800/15/33型液压支架主要技术参数如表2所示。

5.2 采用液压支架电液控制系统

16号煤层工作面液压支架可配备ZDYZ型电液控制系统如图7所示。该系统主要适用于大中型煤矿综采工作面液压支架的支护和移动，可在高瓦斯、煤尘爆炸危险环境中使用。该系统不需配置服务器、不需安装顺槽控制中心便可独立运行，各支架控制器之间通过现场总线进行通信，达到彼此交换数据、相互控制的目的。通过与支架控制一样的现场总线，便可与巷道控制中心联网，构成与刮板输送机、皮带输送机、转载机、破碎机、采煤机、泵站等井下设备的联动功能，实现整个工作面的综合自动化采煤。系统还可与地面监控中心进行数据传输，实现各工作面、各矿井采煤过程的联网监控，井上远程监控中心能实时获取井下各支架的数据，显示各支架的动作流程，各支架所有阀门的接通和关闭状态，各支架的立柱压力、推杆行程和采煤机的位置。可大大增加工作面开采的智能化以及安全性。

表2 ZY3800/2015/33D型液压支架主要技术参数

图7 ZDYZ液压支架电液控制系统

5.3 注浆加固

当16煤层工作面推进过程中遇到顶板破碎带的时候，可采用注浆加固的方式提高顶板整体性，从而达到顶板的加固效果。注浆材料可选用双组分高分子聚亚胺脂材料-马丽散，2种组通过注浆方式注入顶板破碎带，自身发生快速反应将破碎的岩块粘结在一起，提高破碎顶板整体性。注浆加固效果好坏主要取决于注浆压力、孔位以及封孔位置等因素，是提高工作面顶板和完整性的最有效手段。

5.4 辅助措施

加强井下监测系统，通过工作面压力的实时监测以掌握工作面实际来压步距，在来压前提前采取措施手段对顶板进行加固，必要情况下也可对工作面煤壁进行加固。对液压支架工作阻力、支护仰角、俯角等进行实时检测，确保液压支架以最好的工作状态参与生产。同时工作面推进速度的适当加快也可以一定程度上减少顶板的变形量。及时支护以及打开护帮板可确保支架对顶板实时支护，预防顶板垮落与煤壁片帮，从而提高煤壁对顶板的支撑作用。

6 结论

1）近距离煤层群下部煤层的覆岩结构可分为有基本顶与无基本顶2种情况，无基本顶结构时采场直接顶上方均为散体结构，有基本顶时，采高较小、较大时分别会形成“砌体梁”以及“悬臂梁”结构。

2）块体结构顶板动态垮落过程为C失稳--B失稳--A受压增大--A失稳--块体结构失稳--顶板垮落。

3）16号煤层工作面初次来压步距为20 m，块体顶板具有一定承载能力，加上15号煤层采空区卸压作用使得16号煤层工作面来压程度较小。

4）16号煤层工作面采用ZY3800/2015/33D型液压支架搭配ZDYZ型电液控制系统，以及配合注浆加固等顶板控制措施可有效对采场围岩稳定性进行加固。