近距離煤層復(fù)合關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)破斷形式對工作面礦壓的影響研究

楊光榮 李建華

（神華集團(tuán)包頭礦業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市，014030）

我國賦存有大量埋深在150 m 以內(nèi)的淺部煤田，如神府、東勝、靈武、黃陵等，其中最典型的是神府、東勝煤田。這些煤層賦存最典型的特點(diǎn)是埋深淺、基巖頂板較薄、表土覆蓋層較厚。然而在生產(chǎn)實(shí)踐中，淺埋煤層礦壓顯現(xiàn)程度并沒有因?yàn)槁裆顪\而減小，反而在很多工作面出現(xiàn)了臺階下沉、支架壓毀的現(xiàn)象，因此，礦壓顯現(xiàn)規(guī)律表現(xiàn)出與一般工作面不同的特點(diǎn)。為此，本文通過對淺埋深薄基巖煤層群開采工作面煤層群間亞關(guān)鍵層的破斷形式進(jìn)行分析，并結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)資料進(jìn)行數(shù)值模擬，對淺埋深薄基巖煤層群開采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)地研究。

1 工程背景

李家壕煤礦位于鄂爾多斯市東勝區(qū)東南，井田南北長約9km，東西寬約8km，面積約67.65 km2。李家壕煤礦現(xiàn)主采煤層為2-2煤層和3-1煤層，煤層間距10～40m，變化較大。2-2煤層可采厚度0.80～4.75m，平均2.02m。該煤層結(jié)構(gòu)較簡單，含0～2層夾矸，層位較穩(wěn)定，厚度變化較大，在井田的南部較厚。3-1煤層位于2-2煤層下部，可采厚度0.80～7.05m，平均3.86m，該煤層結(jié)構(gòu)簡單，含1 層夾矸，夾矸位于煤層下部，夾矸厚度為0.25 m，層位較穩(wěn)定，厚度變化不大，在南部較厚。煤層柱狀圖如圖1所示。

圖1 煤層柱狀圖

2 理論分析

復(fù)合關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)是指淺埋深薄基巖煤層群開采時(shí)煤層間巖體存在兩層或者兩層以上硬巖層，該硬巖層力學(xué)性質(zhì)較強(qiáng)、厚度較大并足以形成巖塊間鉸接結(jié)構(gòu)。由于上煤層已經(jīng)采空，主關(guān)鍵層破斷后形成大型巖塊，亞關(guān)鍵層厚度、強(qiáng)度及亞關(guān)鍵層間的間距決定其能承受的最大載荷，使其破斷規(guī)律特別復(fù)雜，影響下煤層開采過程中礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，圖2為淺埋薄基巖上下層同采煤層間復(fù)合關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 淺埋薄基巖上下層同采煤層間復(fù)合關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)

淺埋深薄基巖煤層群開采時(shí)，其上覆巖層之上的硬巖層為主關(guān)鍵層。兩煤層協(xié)調(diào)開采時(shí)，煤層間的幾層硬巖層會(huì)成為下煤層推進(jìn)過程中的亞關(guān)鍵層群。在上煤層采空后，由于上煤層采動(dòng)影響，主關(guān)鍵層的大部分硬巖都已破斷，形成了大型塊體結(jié)構(gòu)，整個(gè)巖層失去了完整性。在下煤層回采過程中，煤層間的亞關(guān)鍵層群可能會(huì)成為二次采動(dòng)影響下的主關(guān)鍵層，即下煤層覆巖中的亞關(guān)鍵層群巖塊破斷時(shí)的結(jié)構(gòu)會(huì)影響下煤層工作面推進(jìn)過程中的礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律。

3 數(shù)值模擬

3.1 UDEC模型的建立

根據(jù)李家壕煤礦地質(zhì)資料，構(gòu)建長200 m 的水平二維平面UDEC 數(shù)值模型，在模型上部施加大約5 MPa的豎向應(yīng)力作為其上部巖層自重載荷，模型前后側(cè)面施加側(cè)壓系數(shù)為1的荷載，同時(shí)側(cè)邊界施加水平約束，底邊界施加水平及垂直約束。施加參數(shù)后地應(yīng)力平衡時(shí)圍巖本構(gòu)關(guān)系力學(xué)模型中采用莫爾-庫侖模型。建立由14層煤巖層組成的數(shù)值模型，2-2煤層和3-1煤層為可采煤層，煤層間距為10～40 m，隨賦存情況而變化，當(dāng)煤層間距大約為20～40m 時(shí)，煤層間存在兩層關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)位于3-1煤層上方6m 和11m 處。

3.2 復(fù)合亞關(guān)鍵層同步結(jié)構(gòu)

3-1煤層開采階段：如圖3 （a）所示，煤層工作面在推進(jìn)至約18 m 時(shí)直接頂粉砂巖發(fā)生垮落，直接頂破壞后充填采空區(qū)，下亞關(guān)鍵層關(guān)鍵塊出現(xiàn)了下滑，形成三鉸拱形態(tài)，產(chǎn)生明顯的斷裂變形，但未失穩(wěn)，沒有發(fā)生明顯來壓。上亞關(guān)鍵層未出現(xiàn)明顯變形，主關(guān)鍵層未受影響。直接頂初次垮落后直接頂出現(xiàn)較大位移，由于下亞關(guān)鍵層形成三鉸拱結(jié)構(gòu)，其上覆巖層未出現(xiàn)明顯位移。

圖3 頂板來壓垮落形態(tài)

如圖3 （b）所示，當(dāng)工作面推進(jìn)至30m 左右時(shí)，由于亞關(guān)鍵層群形成的三鉸拱結(jié)構(gòu)超過自身承載極限而發(fā)生失穩(wěn)，兩個(gè)亞關(guān)鍵層同步同位置發(fā)生斷裂失穩(wěn)，出現(xiàn)臺階且整體切落下沉，導(dǎo)致工作面初次來壓，主關(guān)鍵層有少量下滑但未出現(xiàn)明顯失穩(wěn)。老頂初次來壓時(shí)，直接頂和亞關(guān)鍵層群都出現(xiàn)較大位移，工作面后方老頂完全沒有形成結(jié)構(gòu)，位移量較大且與采高相等，達(dá)3.5m，主關(guān)鍵層位移量不大，說明此時(shí)主關(guān)鍵層還未失穩(wěn)，隨著工作面推進(jìn)會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。

如圖3 （c）所示，當(dāng)工作面推進(jìn)至40 m 時(shí)，亞關(guān)鍵層群巖塊形成三鉸拱結(jié)構(gòu)再次出現(xiàn)下滑失穩(wěn)，此時(shí)，主關(guān)鍵層破斷的巖塊也出現(xiàn)了三鉸拱失穩(wěn)來壓的現(xiàn)象，工作面支架承受的壓力比初次來壓大，主關(guān)鍵層失穩(wěn)對礦壓顯現(xiàn)有較大影響。此次老頂周期來壓在工作面后方出現(xiàn)了老頂及上覆巖層全部切落，黑色部分為上覆巖層切落線。

隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，工作面上覆巖層發(fā)生周期性來壓，亞關(guān)鍵層群周期性失穩(wěn)使其上覆巖層出現(xiàn)直至地表的整體切落壓實(shí)。直接頂垮落并未對上亞關(guān)鍵層造成明顯擾動(dòng)，老頂初次來壓和周期來壓都是兩個(gè)亞關(guān)鍵層同步失穩(wěn)，形成 “亞關(guān)鍵層群失穩(wěn)—主關(guān)鍵層失穩(wěn)—后方覆巖整體切落壓實(shí)”運(yùn)動(dòng)，周期來壓步距平均約為10m。

3.3 復(fù)合亞關(guān)鍵層不同步結(jié)構(gòu)

3-1煤層開采階段：如圖4 （a）所示，煤層工作面在推進(jìn)至約18 m 時(shí)直接頂粉砂巖發(fā)生垮落，直接頂破壞后充填采空區(qū)，亞關(guān)鍵層群關(guān)鍵塊出現(xiàn)嚴(yán)重的下滑，形成三鉸拱形態(tài)，產(chǎn)生明顯的斷裂變形，但未完全失穩(wěn)，來壓不明顯。上亞關(guān)鍵層未出現(xiàn)明顯變形，但出現(xiàn)滑落現(xiàn)象，主關(guān)鍵未受影響。

如圖4 （b）所示，當(dāng)工作面推進(jìn)至30m 左右時(shí)，由于下亞關(guān)鍵層形成的三鉸拱結(jié)構(gòu)超過自身承載極限而發(fā)生失穩(wěn)，上亞關(guān)鍵層在工作面后上方下亞關(guān)鍵層出現(xiàn)失穩(wěn)的位置仍處于三鉸拱平衡，這就是亞關(guān)鍵層群失穩(wěn)不同步現(xiàn)象。工作面上方覆巖出現(xiàn)臺階且整體下沉，導(dǎo)致工作面初次來壓，主關(guān)鍵層有少量回轉(zhuǎn)但未出現(xiàn)明顯失穩(wěn)。

圖4 頂板來壓過程

如圖4 （c）所示，當(dāng)工作面推進(jìn)至40 m 時(shí)，亞關(guān)鍵層群同時(shí)破斷結(jié)構(gòu)的巖塊發(fā)生失穩(wěn)形成周期來壓，而此模型推進(jìn)至40 m 時(shí)仍未發(fā)生周期來壓，兩個(gè)關(guān)鍵層同時(shí)處于穩(wěn)定的三鉸拱結(jié)構(gòu)形態(tài)。

如圖4 （d）所示，當(dāng)工作面推進(jìn)至45 m 時(shí)，兩個(gè)亞關(guān)鍵層形成三鉸拱結(jié)構(gòu)再次出現(xiàn)下滑失穩(wěn)，主關(guān)鍵層破斷的巖塊也出現(xiàn)了三鉸拱失穩(wěn)來壓的現(xiàn)象，此次周期來壓非常明顯，對工作面支架影響很大，老頂周期來壓在工作面后方出現(xiàn)了老頂及上覆巖層全部切落。

如圖4 （e）所示，當(dāng)工作面推進(jìn)至80 m 時(shí)，此模型兩個(gè)亞關(guān)鍵層出現(xiàn)同時(shí)失穩(wěn)，而失穩(wěn)位置仍有8m 左右錯(cuò)距。

如圖4 （f）所示，當(dāng)工作面推進(jìn)至95 m 時(shí)，下亞關(guān)鍵層形成三鉸拱結(jié)構(gòu)出現(xiàn)下滑失穩(wěn)，上亞關(guān)鍵層仍處于三鉸拱平衡狀態(tài)，主關(guān)鍵層破斷的巖塊也出現(xiàn)了三鉸拱失穩(wěn)來壓的現(xiàn)象，此次周期來壓比較明顯，此次老頂周期來壓在工作面后方出現(xiàn)了大面積上覆巖層切落現(xiàn)象。

3.4 模擬結(jié)果對比

模型平衡開挖前在位于頂部基巖2m 內(nèi)埋設(shè)1條測線，共40 個(gè)測點(diǎn)，記錄工作面從20 m 至100m推進(jìn)過程中工作面上方豎直方向的應(yīng)力變化。2種模型在不同推進(jìn)距離條件下豎直方向的應(yīng)力分布如圖5所示。

由圖5 可知3-1 煤層上覆巖層同步破斷時(shí)，工作面推進(jìn)至30 m、40 m、50 m、60 m、72 m、82m 以及94m 時(shí)分別發(fā)生周期來壓，周期來壓步距10m 左右，來壓強(qiáng)度比較均勻；而當(dāng)上覆巖層非同步破斷時(shí)，工作面推進(jìn)至30m、45m、80m和95m 時(shí)分別發(fā)生周期性來壓，來壓步距和來壓強(qiáng)度都不等，無規(guī)律性，覆巖垮落形態(tài)不規(guī)則，兩個(gè)亞關(guān)鍵層失穩(wěn)不一定同時(shí)失穩(wěn)，偶爾同時(shí)失穩(wěn)時(shí)失穩(wěn)位置存在一定錯(cuò)距。

圖5 2種模型來壓與推進(jìn)距離的關(guān)系

4 結(jié)論

綜上所述，當(dāng)煤層群開采時(shí)煤層間存在兩個(gè)巖性相似且距離較近的兩個(gè)關(guān)鍵層，煤層間存在復(fù)合關(guān)鍵層同步斷裂結(jié)構(gòu)，初次來壓步距為3 0m左右，周期來壓步距為10～11m 左右，礦壓顯現(xiàn)比較規(guī)律；當(dāng)兩個(gè)亞關(guān)鍵層巖性差異較大時(shí)，關(guān)鍵層群破斷位置、時(shí)間不同，主關(guān)鍵層破斷規(guī)律受亞關(guān)鍵層影響，工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律受3個(gè)關(guān)鍵層破斷的綜合影響，導(dǎo)致該模型下工作面礦壓顯現(xiàn)無規(guī)律性，周期來壓步距忽大忽小，周期來壓強(qiáng)度也大小不一。

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