厚煤層高強度綜放開采覆巖結構及礦壓顯現特征研究

劉 捷

(山西大同大學煤炭工程學院，山西省大同市，037003)

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厚煤層高強度綜放開采覆巖結構及礦壓顯現特征研究

劉 捷

(山西大同大學煤炭工程學院，山西省大同市，037003)

為掌握厚煤層高強度綜放開采覆巖結構及礦壓顯現特征，以長平礦2308工作面為工程背景，運用理論分析、數值模擬、現場監測等方法對其覆巖結構和礦壓顯現特征進行研究。結果表明，2308工作面的礦壓顯現規律主要由主關鍵層和亞關鍵層共同控制，分別在頂板下位形成短組合懸臂梁結構，上位形成鉸接巖梁結構；下位短組合懸臂梁+上位鉸接巖梁結構是造成工作面存在大小周期來壓的直接原因。

厚煤層 短組合懸臂梁 鉸接巖梁 周期來壓

隨著對綜合機械化開采的深入研究，我國厚煤層開采逐漸采用綜采放頂煤一次采全高、大采高綜采的開采方法。與分層開采相比，綜采一次采全高具有工作面推進速度快、日產量高、資源采出率高、資源開采強度大的優點，但這種開采方式造成頂板活動空間增加，使工作面礦壓顯現規律和頂板結構特征呈明顯變化。研究厚煤層綜放工作面的礦壓顯現規律對預防頂板事故、減少人員傷亡具有重要作用。有學者認為，頂板結構以懸臂梁+鉸接巖梁的形式存在，但這些研究成果實際應用和驗證較少，有必要在這些研究成果的基礎上繼續深入研究和驗證。為了實現工作面的安全高效開采，本文以長平礦2308工作面為背景，為此類礦井頂板災害事故防治提供參考。

2308回采工作面走向長度為1133.5 m，傾斜長度為175 m。東部為丹河保護煤柱，西部為柳村村莊保護煤柱，北部為Ⅲ2309綜放工作面，南部為柳村河保護煤柱。工作面設計平均采高為5.04 m。老頂為泥巖，厚度為10.55 m，具有垂直層面的裂隙充填。直接頂為砂質泥巖，厚度為5.22 m。直接底為泥巖，厚度為0.7 m，薄層狀，水平裂隙發育。巖層具體狀況見表1。

表1 長平礦2308工作面巖層具體情況

1 工作面頂板破斷距及頂板結構分析

在采場上部存在對局部或全部覆巖存在控制作用的巖層，此巖層為關鍵層。關鍵層的判別需要滿足變形判別條件和強度判別條件。

(1)變形條件。該巖層的變形值即撓度小于下部巖層的變形值，使得兩部分巖層有一定范圍的離層，判別表達式為:

式中：q1/n+1——第n+1層荷載，MPa；

Ei——第i層彈性模量，MPa；

hi——第i層巖層厚度，m；

γi——第i層巖層容重，kN/m3。

(2)強度條件。假設第n+1層為關鍵層，則該巖層的破斷距ln+1必須大于第一層的破斷距離l1。

由于工作面前方、后方、左邊、右邊的保護煤柱寬度均大于40m，因此將2308工作面簡化為固支梁。則第i層的破斷距計算公式為:

(4)

式中：li——第i層巖層的破斷距，m；

σti——第i層巖層抗拉強度，MPa。

假設第a、b、c巖層為自下而上的堅硬巖層，如果Lc>Lb>La，則第c層位為關鍵層，第b層為亞關鍵層；如果Lb>Lc>La，將第c層荷載加到第b層上面，再計算破斷距，破斷距大的是關鍵層，其次是亞關鍵層，第c層不是關鍵層，只是作為堅硬巖層存在。經計算，得到長平礦2308工作面上部共有兩個關鍵層，結果見表2。

表2 關鍵層破斷特征

長平礦雖然存在兩個關鍵層，但由于采出厚度增大，頂板活動空間增大，亞關鍵層距離煤層較近，活動空間較大，采空區矸石不能對頂板起到有效的支撐作用，亞關鍵層很難以鉸接巖梁結構的形式存在。本文認為亞關鍵層及其控制的部分巖層，在破斷前以組合懸臂梁的結構形式存在，破斷后作為垮落矸石有規則的垮落，成為垮落帶的組成部分；主關鍵層離煤層較遠，其破斷后回轉空間不大，不會發生滑落失穩，將以鉸接巖梁結構的形式存在。

在工作面推進過程中，亞關鍵層首先破斷，其控制的上部層位，即亞關鍵層至主關鍵層之間的層位也隨之破斷，造成工作面較小的來壓現象。隨著工作面繼續推進，達到上位主關鍵層的破斷距，主關鍵層破斷，隨著壓力的增大，下位亞關鍵層也隨著破斷，造成工作面的大周期來壓現象。根據主關鍵層和亞關鍵層破斷距分析可知，在一個大的周期來壓內，可能存在數次的小來壓現象，下位短組合懸臂梁+上位鉸接巖梁結構是造成2308工作面來壓不穩定的重要原因。

由表2可知，工作面的小周期來壓步距為13m，大周期來壓步距為23.3m。小周期來壓步距的2倍大于一次周期來壓步距，因此2308工作面在一個周期來壓范圍內存在一個小周期來壓。具體來說，工作面推進過程中，在一個周期來壓范圍內，下位短懸臂梁破斷并垮落形成小周期來壓，然后上位鉸接巖梁結構發生破斷，導致再次形成的短懸臂梁也隨之發生破斷，形成大周期來壓。

2 覆巖結構特征數值模擬研究

為了驗證2308工作面下位形成了短組合懸臂梁結構，上位形成了鉸接巖梁結構，利用UDEC數值模擬軟件，依照2308工作面綜合柱狀圖，建立了數值模擬模型。模型尺寸為500m×170m，模擬開采步距為20m。

圖1 短組合懸臂梁+鉸接巖梁結構示意圖

工作面推進140m時頂板形成的垮落結構如圖1所示。由圖1可知，頂板下位形成明顯的短懸臂梁結構，其初始懸臂結構起始層位為亞關鍵層部位；下位的懸臂結構長度并不完全一致，而是由下到上逐漸變大；上位鉸接巖梁結構明顯。綜上所述，2308工作面的頂板結構為下部短組合懸臂+上位鉸接巖梁結構。工作面開采過程中，懸臂結構垮落，形成小周期來壓，達到一定長度后主關鍵層破斷，也使懸臂結構破斷，形成大的周期來壓，此結果與基于關鍵層理論分析得出2308工作面的頂板結構一致。

3 工作面礦壓顯現特征

為進一步驗證理論分析和數值模擬結果，對工作面支架工作阻力進行觀測，以證實覆巖結構以下位短組合懸臂梁+上位鉸接巖梁直接導致了工作面存在大小周期來壓現象。根據工作面2條支架載荷測線觀測數據的P-L變化曲線分析老頂周期來壓過程，分別如圖2和圖3所示。監測期間，工作面推進100m左右，平均經歷4次大周期來壓，檢測結果見表3。

圖2 50#支架工作阻力隨工作面推進距離變化曲線

圖3 65#支架工作阻力隨工作面推進距離變化曲線

由圖2、圖3和表3可知，工作面存在明顯的周期來壓現象。對于50#支架，在一個大周期來壓范圍內，存在一個明顯的小周期來壓現象，其大周期來壓平均步距為21.5m，小周期來壓平均步距為11m；對于65#支架，在一個大周期來壓范圍內，同樣存在一個明顯的小周期來壓現象，其大周期來壓平均步距為25m，小周期來壓平均步距為13.6m。50#和65#支架工作阻力的變化現象表明，下位短組合懸臂梁破斷并垮落，造成小周期來壓，隨著工作面繼續推進，主關鍵層斷裂，但回轉空間不大，形成上位鉸接巖梁。該結構發生一定回轉，同時造成下位短組合懸臂梁破斷并垮落，最終作用于支架上部形成大的周期來壓。

表3 歷次周期來壓步距分析表

4 結論

(1)理論分析表明，控制2308綜放工作面的礦壓顯現規律的巖層為主關鍵層和亞關鍵層，主關鍵層破斷距為23m,亞關鍵層破斷距為13m，分別在采場下位形成了短組合懸臂梁結構，上位形成了鉸接巖梁結構，該結構是造成工作面存在大小周期來壓的直接原因；2308工作面在一個大周期來壓過程中，存在一個小周期來壓過程。

(2)數值模擬研究表明，2308工作面頂板結構為短組合懸臂+鉸接巖梁結構。

(3)液壓支架工作阻力在線監測表明，工作面存在大小周期來壓現象，大周期來壓平均步距為21.5m，小周期來壓步距為11m左右，在一個大周期來壓過程中，存在一個小周期來壓，理論分析結果具有一定的準確性。

(4)數值模擬、現場實測、理論分析均表明，2308工作面頂板結構為短組合懸臂+鉸接巖梁結構。

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(責任編輯 陶 賽)

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

國家自然科學基金(51504136)

劉捷 . 厚煤層高強度綜放開采覆巖結構及礦壓顯現特征研究[J] . 中國煤炭，2017,43(6)：72-75.LiuJie.ResearchonRoofstructureandminingpressurecharacteristicsofthickcoalseamofhighintensityfull-mechanizedcavingmining[J] .ChinaCoal，2017,43(6)：72-75.

TD

A

劉捷(1980-)，男，山西大同人，碩士，講師，主要從事礦山壓力與巖層控制方面的研究。