離柳礦區(qū)采空區(qū)下堅(jiān)硬太灰?guī)r頂板礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

李根威，賀全智，賈寶利

（1.呂梁學(xué)院，山西離石 033000；2.山西柳林下山卯煤礦，山西柳林 033300）

離柳礦區(qū)采空區(qū)下堅(jiān)硬太灰?guī)r頂板礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

李根威1，賀全智1，賈寶利2

（1.呂梁學(xué)院，山西離石 033000；2.山西柳林下山卯煤礦，山西柳林 033300）

以離柳礦區(qū)太原組灰?guī)r頂板為工程背景，通過(guò)對(duì)礦區(qū)內(nèi)太原組灰?guī)r賦存條件、巖石物理力學(xué)性能的研究，建立兩個(gè)礦區(qū)灰?guī)r頂板結(jié)構(gòu)模型，利用關(guān)鍵層理論，判斷開采過(guò)程中灰?guī)r頂板的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。比較礦區(qū)回采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律與計(jì)算結(jié)果，歸納出頂板正常來(lái)壓和異常來(lái)壓規(guī)律。研究表明，L1灰?guī)r作為直接頂垮落，初次來(lái)壓步距28.6～35.8m，周期來(lái)壓步距8.3～11.4m，周來(lái)壓期間礦壓顯現(xiàn)不劇烈；灰?guī)r組巖層同時(shí)斷裂時(shí)工作面礦壓顯現(xiàn)劇烈，容易壓死支架，確保L1灰?guī)r及時(shí)冒落和防止L4灰?guī)r斷裂位置前移是控制頂板穩(wěn)定的關(guān)鍵。

離柳礦區(qū)；太灰?guī)r；關(guān)鍵層；來(lái)壓步距；壓架

離柳礦區(qū)位于鄂爾多斯聚煤盆地東緣的河?xùn)|煤田中段，山西組和太原組為其主要含煤地層，目前山西組煤層基本開采殆盡，逐步向太原組煤層開拓。國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)大同、沁水等煤田厚層堅(jiān)硬頂板破斷后力學(xué)結(jié)構(gòu)[1-3]、堅(jiān)硬厚層頂板群結(jié)構(gòu)破斷特征[4-6]進(jìn)行了大量的研究，建立了多套力學(xué)分析和計(jì)算公式，基本上能夠完整描述堅(jiān)硬頂板破斷和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，但是存在公式參數(shù)多、難定量、計(jì)算復(fù)雜的情況，對(duì)河?xùn)|煤田太灰?guī)r頂板礦壓規(guī)律研究尚未見諸。本文選取離柳礦區(qū)4座具有代表性的礦井為研究對(duì)象，利用關(guān)鍵層理論和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，分析歸納離柳礦區(qū)太灰?guī)r頂板礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。

1 太灰?guī)r頂板賦存特征和其力學(xué)性能

太原組巖性為灰-灰白色石灰?guī)r，深灰色泥巖、砂質(zhì)泥巖間夾4-6層煤層，自下而上發(fā)育的L1、L2、L3、L4、L5石灰?guī)r（L1、L2、L3局部區(qū)域合并），泥巖、煤層和砂巖夾在堅(jiān)硬灰?guī)r之中，形成典型的“硬-軟”組合地層。

根據(jù)對(duì)四礦鉆孔地質(zhì)資料分析對(duì)比，L1灰?guī)r下方為穩(wěn)定可采煤層，離石礦區(qū)為10號(hào)煤，平均厚度6.42m，與上方采空區(qū)層間距平均為47.5m；柳林礦區(qū)為8號(hào)煤層，平均厚度2.63m，與上方采空區(qū)層間距平均為61m?；?guī)r礦物組分穩(wěn)定，節(jié)理裂隙不發(fā)育，性脆。離石礦區(qū)平均抗壓強(qiáng)度87.5 MPa，平均抗拉強(qiáng)度2.63 MPa，柳林礦區(qū)平均抗壓強(qiáng)度47 MPa，平均抗拉強(qiáng)度6.47 MPa。

2工作面頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律

2.1工作面頂板破斷形式

太原組灰?guī)r為靠近煤層的數(shù)組堅(jiān)硬厚巖層，灰?guī)r間夾層厚度小、強(qiáng)度低，變形和移動(dòng)都會(huì)受到對(duì)方的影響，產(chǎn)生明顯的剛度和強(qiáng)度增加現(xiàn)象，灰?guī)r之間的這種復(fù)合效應(yīng)增大頂板的破斷步距，且當(dāng)各層灰?guī)r同時(shí)破斷時(shí)，必然增大工作面的礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度，利用關(guān)鍵層理論建立頂板破斷模型，分析頂板破斷規(guī)律。

1）太灰?guī)r賦存結(jié)構(gòu)模型。太原組灰?guī)r由5層組成，假設(shè)類別相同的的巖層容重、彈性模量大致相似，按照煤層到采空區(qū)距離的不同，將太灰?guī)r賦存結(jié)構(gòu)歸納為兩種類型，離石礦區(qū)模型，厚度47.5m，見圖1-a；柳林礦區(qū)模型，厚度為61m，見圖1-b。

2）關(guān)鍵層剛度判別。根據(jù)關(guān)鍵層理論[7-8]，關(guān)鍵層上的載荷計(jì)算公式為：

式中：qn丨m為第m層巖石對(duì)n層巖層的載荷，kN；En為第n層巖石彈性模量，MPa；hn為第n層巖石的厚度，m；γi為第i層巖石的容重，kN；hi為第i層巖石的厚度，m；Ei為第i層巖石的彈性模量，MPa。

如果第m+1層載荷小于第m層，即：

則第m+1層為堅(jiān)硬層，之后計(jì)算第m+2巖層對(duì)m+1層巖石的載荷，否則計(jì)算第m+2層巖石對(duì)第n層的載荷。關(guān)鍵層判別計(jì)算如表1、表2所示。

據(jù)表1計(jì)算結(jié)果，L1和L4灰?guī)r是太原組煤層開采中起控制作用的關(guān)鍵巖層。柳林礦區(qū)L1灰?guī)r垮落后，其上23.3m的巖層將伴隨垮落；L4灰?guī)r垮落后，其上38.92m的巖層將伴隨垮落，如果L5灰?guī)r厚度超過(guò)7m，其上23.37m的巖層將受控于L5灰?guī)r，L4關(guān)鍵層控制厚度將縮小至15.5m。離石礦區(qū)L1灰?guī)r垮落后，其上23.01m的巖層將伴隨垮落；L4灰?guī)r垮落后，其上25.72m的巖層將伴隨垮落。

3）關(guān)鍵層強(qiáng)度判別。假設(shè)第m、n都是關(guān)鍵層，它的破斷距為lm，第n層的破斷距為ln，則主關(guān)鍵層的強(qiáng)度判別條件為：

此時(shí)第m層為關(guān)鍵層，否則應(yīng)將第n層巖石所控制的全部巖層作為載荷作用到第n層上，重新計(jì)算第n層巖層的破斷距。關(guān)鍵層的破斷距采用兩端固支梁的極限破斷距，計(jì)算公式為：

式中：lm為第m層巖層極限斷裂步距，m；hm為第m層巖層厚度，m；σt為第m層巖層的抗拉強(qiáng)度，MPa；qm為作用于第m層巖層上的載荷，MPa。

將關(guān)鍵層力學(xué)參數(shù)帶入公式，可以得出柳林礦區(qū)L1、L4灰?guī)r極限斷裂步距為35.3m和26.5m，L1為主關(guān)鍵層，離石礦區(qū)為21.4m和17.7m，L1為主關(guān)鍵層。

4）離柳礦區(qū)太灰?guī)r堅(jiān)硬頂板破斷規(guī)律。綜合關(guān)鍵層剛度和斷裂步距計(jì)算結(jié)果，太原組煤層L1、L4灰?guī)r層是關(guān)鍵層頂板。考慮到太原組上方山西組煤層已經(jīng)開采，可近似的將山西組導(dǎo)水裂隙看做上覆巖層對(duì)關(guān)鍵層的載荷。

柳林礦區(qū)在L5灰?guī)r厚度小于7m時(shí)，主關(guān)鍵層L1破斷后，上覆巖層依次斷裂。L1灰?guī)r直接位于開采煤層上方，工作面從開切眼開始，L1灰?guī)r的首次破斷以拉伸破斷為主，破斷后受其控制的軟弱巖層也將同步垮落，可認(rèn)為是直接頂?shù)某醮慰迓洌琇1灰?guī)r及其上覆軟弱層總厚度為超過(guò)23m，巖石的初始碎脹系數(shù)取1.2～1.3，冒落厚度增加4.6～6.9m，柳林礦區(qū)8號(hào)煤開采厚度2.8m，冒落后的直接頂完全能夠充實(shí)采空區(qū)，因此，柳林礦區(qū)L4灰?guī)r受采空區(qū)矸石提前支承，工作面前方支承壓力較小，礦壓顯現(xiàn)不明顯。初次來(lái)壓后，L1灰?guī)r及其控制層隨采隨垮，L4灰?guī)r成為基本頂周期性斷裂，工作面周期來(lái)壓礦壓顯現(xiàn)不明顯。

當(dāng)L5灰?guī)r厚度超過(guò)7m后，L4成為主關(guān)鍵層不伴隨L1巖層的斷裂而斷裂。初次來(lái)壓后，L1灰?guī)r及其控制軟巖層將隨采隨垮，L4、L5形成復(fù)合關(guān)鍵層基本頂，周期來(lái)壓步距受其控制。實(shí)際回采中如果L4灰?guī)r變薄和L1灰?guī)r變厚同時(shí)出現(xiàn)，容易出現(xiàn)L1灰?guī)r不能及時(shí)垮落，關(guān)鍵層同時(shí)斷裂，礦壓顯現(xiàn)將十分劇烈。

離石礦區(qū)由于灰?guī)r頂板抗拉強(qiáng)度較低，灰?guī)r頂板斷裂步距較小，L1灰?guī)r初次斷裂后，上覆太原組巖層依次斷裂，礦壓顯現(xiàn)不明顯。初次來(lái)壓后，L1灰?guī)r轉(zhuǎn)化為直接頂隨采隨冒，10號(hào)煤開采厚度6.8m，冒落后充填不實(shí)，對(duì)L4灰?guī)r支承力較小，壓力向工作面煤壁前方轉(zhuǎn)移，形成懸臂梁結(jié)構(gòu)，老頂周期來(lái)壓步距較小，礦壓顯現(xiàn)不劇烈。當(dāng)出現(xiàn)L4灰?guī)r不能及時(shí)垮落，工作面礦壓顯現(xiàn)將變得十分劇烈。

2.2工作面頂板的來(lái)壓步距

1）直接頂、老頂?shù)某醮蝸?lái)來(lái)壓步距。根據(jù)材料力學(xué)理論，當(dāng)時(shí)σmax＝Rt，即巖層在該處的正應(yīng)力達(dá)到該處的抗拉強(qiáng)度極限，巖層將在該處斷裂，其極限跨距公式[9-10]為：

式中：q為老頂承受的載荷，kN；Rt為老頂巖層的抗拉強(qiáng)度，MPa；h為老頂厚度，m。

根據(jù)工作面上覆巖層賦存條件，認(rèn)為L(zhǎng)1灰?guī)r頂板主要承受其上太原組頂板和已采山西組煤層導(dǎo)水裂隙帶范圍內(nèi)巖層的載荷，導(dǎo)水裂隙帶載荷按400 kN取值，將相關(guān)參數(shù)帶入公式可得柳林礦區(qū)直接頂初次垮落步距為19.6m，老頂初次來(lái)壓步距為26.5m；離石礦區(qū)直接頂初次垮落步距為12.8m，老頂初次來(lái)壓步距為17.7m。

2）老頂?shù)闹芷趤?lái)壓步距。周期來(lái)壓步距采用懸臂梁極限跨距的計(jì)算方法：

帶入相關(guān)數(shù)據(jù)可得離石礦區(qū)老頂周期來(lái)壓步距為7.2m，柳林礦區(qū)為10.8m。實(shí)際回采過(guò)程中，工作面支架初撐力、切眼支護(hù)等的存在對(duì)直接頂、老頂?shù)某醮慰迓洳骄嘤绊戄^大，初次垮落步距應(yīng)當(dāng)考慮切眼的距離和支架的有效支護(hù)距離。

3 工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析

3.1 正常礦壓分析

選擇柳林礦區(qū)下山峁煤礦8103回采工作面和離石礦區(qū)賈家溝煤礦10102回采工作面作為礦壓監(jiān)測(cè)對(duì)象，觀測(cè)工作面開采期間礦壓顯現(xiàn)。根據(jù)對(duì)工作面支架阻力、頂?shù)装逡平恳约肮ぷ髅婷罕谄瑤秃筒煽諈^(qū)頂板垮落情況，來(lái)確定工作面老頂?shù)谝淮蝸?lái)壓步距、周期來(lái)壓步距。工作面來(lái)壓步距如表3所示。

離柳礦區(qū)工作面直接頂和老頂?shù)某醮慰迓洳骄啾扔?jì)算結(jié)果明顯較大，周期來(lái)壓步距基本與計(jì)算結(jié)果相近。L1灰?guī)r在未斷裂之前，各巖層之間存在關(guān)鍵層復(fù)合效應(yīng)，整體破斷距較大，初次來(lái)壓后，復(fù)合效應(yīng)變?nèi)鹾椭С休d邊界條件發(fā)生變化，來(lái)壓步距明顯減小。

3.2 異常礦壓分析

下山峁煤礦8103回采工作面末采時(shí)，提前在工作面前方開挖4.8m的撤架通道，在工作面回采到距離撤架通道10.3m時(shí)，工作面20～70號(hào)支架安全閥先后開啟，在不到2 h的時(shí)間內(nèi)全部壓死，出現(xiàn)頂梁變形、前立柱缸套壓裂，撤架通道頂板下沉240mm，工作面煤壁壓突等現(xiàn)象。支架型號(hào)為ZY17/34/6000，壓架前采高2.4m，與平均采高2.8m減少0.4m，L1灰?guī)r變厚，工作面頂板平均下沉量達(dá)到0.7m，未發(fā)現(xiàn)明顯的臺(tái)階下沉。后期采用撤架通道打木垛和單體柱支護(hù)，爆破起底挪架方式緩慢推進(jìn)，推進(jìn)8m后，支架壓力顯著減小，搬家期間工作面頂板下沉量基本穩(wěn)定。

分析認(rèn)為，撤架通道的開掘，導(dǎo)致灰?guī)r組頂板支承邊界條件發(fā)生改變，L1、L4灰?guī)r斷裂線前移，老頂出現(xiàn)整體斷裂，整體下沉，導(dǎo)致直接頂垮落不充分，支承無(wú)力，壓力向支架和前方煤體轉(zhuǎn)移，直到采空區(qū)頂板觸矸受力后有所緩解，后期對(duì)前方撤架通道加強(qiáng)支護(hù)，起到切頂作用。由此可見，控制灰?guī)r組頂板的及時(shí)冒落和防止斷裂位置前移，是確?；夭晒ぷ髅骓敯灏踩那疤?。

4 結(jié)論

1）河?xùn)|煤田離柳礦區(qū)太原組L1、L4灰?guī)r是開采期間其控制作用的關(guān)鍵層頂板，L1灰?guī)r為主關(guān)鍵層；受灰?guī)r厚度變化影響，當(dāng)L5灰?guī)r厚超過(guò)7m時(shí)，柳林礦區(qū)主關(guān)鍵層為L(zhǎng)5灰?guī)r。

2）實(shí)測(cè)礦壓顯示，離柳礦區(qū)直接頂?shù)目迓洳骄酁?8.9～22.05m，基本定的初次來(lái)壓步距為28.6～ 35.8m，老頂?shù)闹芷趤?lái)壓步距為8.3～11.4m。

3）關(guān)鍵層之間的復(fù)合層是影響初次來(lái)壓步距較大的原因，初次來(lái)壓后，L1灰?guī)r轉(zhuǎn)化為直接頂隨采隨冒，與L4灰?guī)r之間的關(guān)鍵層復(fù)合效應(yīng)減弱，基本頂?shù)淖冃魏褪Х€(wěn)定受控于L4灰?guī)r，周期來(lái)壓步距減小。

4）柳林礦區(qū)采空區(qū)落落帶矸石冒落充分，能夠有效支承L4灰?guī)r，L4灰?guī)r變形速度緩慢，礦壓顯現(xiàn)不劇烈。

5）離石礦區(qū)L1灰?guī)r冒落后不能完全支承L4灰?guī)r，但由于L4灰?guī)r抗拉強(qiáng)度較低，容易被拉斷，來(lái)壓步距較小，礦壓顯現(xiàn)不劇烈。

6）當(dāng)L1灰?guī)r不能及時(shí)垮落和厚度變大時(shí)，容易出現(xiàn)灰?guī)r組巖層的同時(shí)斷裂，工作面礦壓顯現(xiàn)比較劇烈。

7）確保L1灰?guī)r及時(shí)冒落和防止L4灰?guī)r斷裂位置前移是控制頂板穩(wěn)定的關(guān)鍵，支架初撐力必須能夠切斷L1灰?guī)r關(guān)鍵層控制范圍內(nèi)的巖層。

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Mine Pressure Behavior of Hard Taiyuan Group Limestone Roof under Goaf in Liliu Mine

LI Genwei1,HE Quanzhi1,JIA Baoli2
(1.Lvliang University,Lishi 033000,China; 2.Liulin Xiashanmao Mine,Liulin 033300,China)

Taking Taiyuan group limestone roof as an engineering background in Liliumine,on the analysis of occurrence,rock physical andmechanical performance of the Taiyuan group limestone,the structuremodels of limestone roof in twomines were established.The theory of key stratum was used to determine themovement rule of limestone roof in themining.Mine pressure behavior and calculation were compared tosumup the normal and abnormal weighting.The results showthat,as direct roof collapses,the first weighting interval of L1limestone is 28.6～35.8meters,periodical weighting interval is 8.3～11.4meters.the strata behavior is not obvious in the process of the periodical weighting.The strata behavior is severe when the limestone strata break at the same time and the support is liable to crash.Therefore,it is essential to ensure the prompt collapse of the L1limestone and to prevent the breaking position of L4limestone frommovingforward.

Liliumining area;Taiyuan group limestone;key stratum;weighting interval;support crashing

TD353

A

1672-5050（2015）05-0032-05

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.05.012

（編輯：樊敏）

2015-06-08

呂梁市科技局項(xiàng)目（GY-2012074-2）

李根威（1983-），男，山西柳林人，碩士研究生，助教，工程師，研究方向：礦山壓力與巖層控制、煤礦安全技術(shù)等。