堅硬頂板工作面臨近采空區強礦壓顯現機理研究

張文軍

（同煤集團 同家梁礦，山西 大同 037003）

工作面在賦存有堅硬頂板的條件下，工作面礦壓顯現更為強烈，嚴重會引起沖擊地壓。工作面開采過程中，堅硬頂板破斷會引起工作面沖擊顯現。同時，堅硬頂板也會引起臨近采空區側向大面積懸頂，增加了沿空巷道的礦壓顯現強度[1-4]。本文以同家梁礦為例，采用理論分析和數值模擬方法，研究采空區側向懸頂下的圍巖應力分布特征，為回采巷道的穩定和工作面的安全開采提供理論指導。

1 工作面概況

同家梁礦開采石炭二疊系3～5#煤層，目前開采北一盤區煤炭資源，正在開采北一盤區的8103工作面，北一盤區已經有6個工作面回采完畢。各工作面頂板存在多層厚度大于10m的堅硬巖層，相鄰工作面間留有45m或38m的區段煤柱。由于煤層采放高度大，頂板堅硬，導致采空區頂板未充分垮落，形成懸臂梁結構。臨空巷道及區段煤柱處于較高的應力狀態，臨空巷道礦壓顯現強烈。巷道底鼓嚴重，底鼓量0.4～1.5m，；巷道頂板下沉明顯，局部區域頂板鋼帶變形，錨桿被拉斷。

2 采空區側向懸臂理論分析

（1）側向懸臂長度的確定

基本頂初次破斷采空側頂板懸臂長度為：

式中：

d0-頂板側向懸臂距離,m；

a-工作面初次來壓步距,m；

b-工作面長度,m。

根據板的屈服線分析法，認為板的斷裂跨度d0與工作面長度b和基本頂的來壓步距a相關，以同家梁礦8103工作面為例，結合現場觀測數據，可知初次來壓步距為84.8m，周期來壓平均步距為30m，工作面長度為200m，分別代入公式（1）和（2）可得：8103工作面基本頂初次來壓后，頂板側向懸臂長度為57.6m，周期來壓后，頂板側向懸臂長度為30.4m。

（2）側向懸臂厚度的確定

懸臂的厚度h即為基本頂巖層的厚度。同家梁礦8103工作面煤層上方頂板為13.4m的粗粒砂巖，巖性堅硬，確定8103工作面的基本頂厚度為13.4m。

生1：中國館的下半部分是四個完全相同的長方體，上半部分是一個由6個面組成的圖形，其中相對的兩個底面是正方形，上面的正方形大，下面的正方形小，其余4個側面都是相同的梯形．

（3）側向懸臂壓力計算

設煤體極限平衡區寬度為x0，其計算公式為：

式中：

λ-側壓系數；

m-煤壁高度，m；

φ0-煤層與頂底板巖層交界面的內摩擦角，°；

C0-煤層與頂底板巖層交界面粘聚力，MPa；

k-應力集中系數；

γ-巖層容重，kg/m3；

H-煤層埋深，m；

px-煤幫的支護強度，MPa。

由大量現場觀測經驗可知x0一般為2～10m，根據同家梁礦8103工作面的實際參數：側壓系數1.4，煤壁高度3.9m，煤層與頂底板巖層交界面的內摩擦角40°，煤層與頂底板巖層交界面粘聚力0.6MPa，應力集中系數2，巖層容重2500kg/m3，煤層埋深450m，煤幫的支護強度0MPa。代入公式（3）計算可得x0=4.6m。

由于區段煤柱長度為38m，側向懸臂距離為30.4m，極限平衡區寬度僅為4.6m范圍較小，可以看做均布載荷，建立如圖1所示的力學模型。

由力矩平衡原理可知：

式中：

q-巖層所受的力，Pa；

l-巖層懸臂長度，m；

S-頂板受力面積，m2；

h-頂板巖層的厚度，m；

γ-巖層容重，kg/m3。

圖1 力學模型示意圖

根據同家梁礦8103工作面實際情況，結合上述懸臂長度和厚度計算可知，頂板周期破斷后側向懸臂長度l為30.4m，厚度h為13.4m，基本頂巖層平均容重γ為25.3kN/m3，煤柱高度18.6m，極限平衡區長度與懸臂沿工作面推進方向長度相同為30m，頂板受力面積S為456m2，代入公式（4）計算即可得到頂板側向懸臂對煤柱施加的額外應力為5.01MPa。根據同家梁礦以往地應力測量數據可知，在未受到開采擾動時，原始垂直應力約為14MPa，采空側向懸臂使煤柱受力增加5.01MPa，應力水平提高了34.7%，這是造成臨空巷道礦壓顯現劇烈、巷道變形嚴重的重要原因之一。

3 采空區側向支承壓力分布規律

圖2和圖3給出了8103工作面開采后側向支承壓力分布情況。由圖可知，8103工作面側向支承壓力的影響范圍超過了5102巷，達到80m；工作面側向支承壓力峰值為39MPa，位于煤柱內10m處；煤柱和臨空巷道處于較高的應力狀態，沒有明顯的應力降低區，煤柱應力整體達到30MPa；煤柱內2～10m范圍為應力高值區，應力達到30～39MPa；臨空巷道的回采側應力峰值為26MPa，巷道的煤柱側應力峰值為32.5MPa。

圖2 8103工作面側向垂直應力分布

圖3 8103工作面側向支承壓力分布曲線

4 結論

（1）老頂巖層斷裂后不能完全垮落，可在區段煤柱采空側形成約30m長的側向懸臂，對區段煤柱額外施加5.01MPa的應力，在原始應力狀態下增加了34.7%，造成臨空巷道和煤柱處于較高應力狀態。

（2）根據8103工作面側向支承壓力分布情況，確定石炭系綜放工作面側向支承壓力的影響范圍達到80m，臨空巷道處于側向支承壓力升高區內。

（3）工作面的開采擾動，誘發鄰近的采空區覆巖再次運動和破壞，在工作面和臨近采空區覆巖運動的共同作用下，臨空巷道和煤柱處于較高的應力狀態，圍巖應力更容易超過其圍巖支護體系的承載極限，從而增加強礦壓發生的可能性。