近距離厚煤層開采的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究

申 超

（中煤平朔集團公司，山西 朔州 036006）

0 引言

我國是一個煤炭資源儲量非常豐富的國家，其中厚煤層（煤層厚度大于等于3.5 m）的儲量約占全部煤炭儲量的一半，生產(chǎn)的煤炭總量也占全國產(chǎn)量的一半，遠高于世界平均水平的15%。綜放開采技術在科研工作者的長期研究下，取得了很多豐碩的成果，使得綜放開采技術得到了大面積的推廣和應用。但是綜放開采仍存在各種各樣的問題，如“堅硬頂板條件下放頂煤”“硬煤條件下放頂煤”“煤層含夾矸”等條件下綜放開采的安全保障技術，都有待進一步研究，其中堅硬頂板條件下的綜放開釆也是重要研究課題[1]。為了解決此類技術難題，必須研究堅硬頂板條件下的礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律，許多專家學者都對此進行了研究和探討，許家林等人將對采場上覆巖層小范圍或者直到地表大范圍巖層運動起主要控制作用的巖層稱為關鍵層，并在關鍵層理論提出后，給出了判定是否為關鍵層的方法，闡述了關鍵層在上覆巖層中的作用機制；錢鳴高、廖協(xié)興等[2]利用薄板模型與塑性力學理論分析頂板狀態(tài)，認為老頂初次來壓前后的破斷形式分別為O-X型和半X型破壞；王家臣[3]等研究了頂板邊界在不同條件支撐下的位移應力解析解；王平等在分析計算兩對邊簡支、兩對邊固支彈性矩形薄板的解時引入了水平應力。基于彈性基礎梁理論，蔣金泉等揭示了高位硬厚巖層彈性基礎邊界下破斷規(guī)律的演化特征；潘岳、顧士坦[4]基于Winkler彈性地基基礎，又引入軟化地基，得出在埋深200 m～300 m范圍內(nèi)，軟化地基給予煤壁處頂板的地基反力為全彈性地基的4倍，并求得在煤壁前面的最大彎矩。盡管針對近距離厚煤層堅硬頂板條件下的礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律進行了有效的研究，但是由于煤礦地質(zhì)條件的不同，一套支護理論和設備無法滿足所有煤礦支護的需求，必須針對不同的地質(zhì)條件進行分析研究，基于近距離厚煤層開采的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的特點，制定出合理的支護方案，保障煤礦井下巷道的安全開采。

該文以中煤平朔集團井工三礦39201工作面的開采為工程背景，該文結合上述幾種堅硬頂板條件下的礦壓研究理論，采用了力學分析和現(xiàn)場檢測相結合的方法，分析了綜放工作面上覆堅硬頂板的破斷情況，研究了堅硬頂板條件下工作面的初次來壓、周期來壓情況和來壓強度等礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。該研究能為支架選型設計及其支護、開采工藝的選擇優(yōu)化等問題提供了理論依據(jù)。

1 綜放面堅硬頂板的力學屬性分析

1.1 上層工作面底板破壞深度力學分析

1.1.1 力學模型的建立

井工三礦39201工作面處于已開采結束的34201工作面下方，由于34201工作面的采動影響，對39201工作面的上覆巖層造成了破壞，因此若研究39201工作面上覆巖層的移動和破壞規(guī)律，首先要分析34201工作面開采對其底板的破壞深度。已知4煤層與9煤層之間平均距離約為45 m。根據(jù)34201工作面、39201工作面之間的層位關系，建立34201工作面煤層底板破壞力學模型。通過該礦34201工作面現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)，工作面超前支承壓力峰值在其前方15 m左右，力學破壞深度影響角度取63°，可以計算出底板破壞深度為29.4 m，求得堅硬頂板未破壞深度為15.6 m[5]。

圖1基本頂彈性地基梁力學模型

2 堅硬頂板極限垮距的力學分析和計算

保護層未采基本頂初次來壓步距的分析和計算。堅硬頂板在初次來壓破斷前，可將基本頂巖梁假設為兩端由彈性基礎支撐的連續(xù)介質(zhì)巖梁，如果基本頂上面沒有大承載能力的巖層，則上覆巖層的重量會由基本頂承載并最終將荷載傳到基本頂兩側(cè)的支撐點，即煤壁和煤柱上[6]。由于模型具有對稱性，根據(jù)如圖1所示的結構進行力學分析。

基本頂對巖梁影響荷載即q的計算公式：

計算39201工作面堅硬頂板的初次垮落步距：

式中：σ取中砂巖抗拉強度10 MPa。

h—彈性地基的厚度為層間距45 m。

q—基本頂對巖梁影響荷載。

由此可知，保護層未開采前堅硬頂板初次垮落時，初次垮落步距為52 m。

基本頂周期來壓步距的分析和計算。堅硬頂板初次斷裂后，隨著工作面的向前推進，巖梁一端由彈性基礎支撐，另一端懸在采空區(qū)之上。隨著工作面的不斷向前推進，堅硬頂板會周期性地斷裂破壞。據(jù)此建立相應的力學模型，如圖1所示。

當堅硬頂板初次來壓后，懸在采空區(qū)的巖梁M1=0，根據(jù)初次來壓的力學分析，可得堅硬頂板周期來壓模型撓曲線微分方程，計算出堅硬頂板周期來壓時的極限垮距[7]：

保護層開采后基本頂?shù)臉O限垮落步距計算。堅硬頂板未受到破壞的厚度為15.6 m，根據(jù)式（1），可求得保護層開采后堅硬頂板的初次來壓步距為18 m。根據(jù)式（2），堅硬頂板的周期來壓步距為9 m。開采保護層后，39201工作面堅硬頂板的初次垮落步距由開采保護層前的52 m變?yōu)?8 m；周期來壓步距由之前的26 m變?yōu)? m，堅硬頂板受到了弱化，有利于工作面的支護管理，保障了工作面安全。

3 現(xiàn)場礦壓實測分析

該次支架壓力的分析數(shù)據(jù)來源于中煤平朔集團井工三礦39201堅硬頂板綜放工作面，監(jiān)測時間從工作面初采2019年4月8日～6月28日，共82 d，工作面推進距離73 m。根據(jù)觀測期間工作面支架工作阻力的變化情況，確定39201工作面綜放階段堅硬頂板初次來壓步距、周期來壓步距以及來壓強度。分析堅硬頂板初次來壓步距和周期來壓步距時，沿輔運巷到運輸巷方向?qū)⒐ぷ髅娣譃樯稀⒅?、?個測區(qū)，每個測區(qū)以各支架的阻力變化為基本依據(jù)，同時結合煤壁片幫、安全閥開啟等情況。

從工作面上、中、下部不同推進距離下支架工作阻力的數(shù)據(jù)可知，直接頂初次垮落步距為：工作面上部堅硬頂板初次來壓步距為6 m，下部堅硬頂板初次來壓步距為21.6 m，中部堅硬頂板初次來壓步距為19.1 m，整個39201工作面平均初次來壓步距為15.56 m，前文理論計算所得的堅硬頂板初次來壓步距為18 m，有一定誤差，但在誤差允許范圍內(nèi)；在整個觀測期內(nèi)，共觀測到6次周期來壓，其中工作面下部堅硬頂板平均周期來壓步距為7 m，工作面中部堅硬頂板平均周期來壓步距為10.8 m，工作面上部堅硬頂板平均周期來壓步距為10.5 m，整個39110工作面上覆堅硬頂板平均周期來壓步距為9.43 m，前文理論計算所得的堅硬頂板周期來壓步距為9 m，與理論分析所得的周期來壓步距非常吻合。綜上所述，根據(jù)液壓支架觀測數(shù)據(jù)確定，39201工作面基本頂初次來壓步距平均值為15.56 m，周期來壓步距平均值為9.43 m。

4 結論

該文采用力學分析和現(xiàn)場監(jiān)測相結合的方法對堅硬頂板條件下綜放開采的礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律進行了研究，利用土力學中地基的計算方法，通過力學分析計算得出開采4煤對底板的破壞深度，其破壞深度為29.4 m，堅硬頂板未破壞深度為15.6 m。

根據(jù)彈性基礎支撐的巖梁模型理論，計算開采保護層后堅硬頂板的初次垮落步距為18 m，破斷位置在巖梁中部，周期垮落步距為9 m。

根據(jù)液壓支架的大量實測數(shù)據(jù)，分析得到保護層開采后堅硬頂板的初次來壓步距大約為15.56 m，周期來壓步距大約為9.43 m，為支架選型設計及其支護、開采工藝的選擇優(yōu)化等問題提供了理論依據(jù)。研究成果對于后續(xù)工作面的開采也具有重要的指導意義，同時對于堅硬頂板厚煤層開采技術難題具有一定的參考價值。