西部鄂爾多斯礦區(qū)強礦壓顯現(xiàn)及頂板運動規(guī)律

高學(xué)鵬 于鳳海 任 強 張 闖 張遠志 羅波遠

（1.礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國家重點實驗室，山東青島 266590；2.礦業(yè)工程國家級實驗教學(xué)示范中心，山東青島 266590；3.鄂爾多斯市昊華紅慶梁礦業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 014300）

鄂爾多斯盆地是典型弱膠結(jié)含煤地層分布地區(qū)，盆地內(nèi)部主要以淺埋深礦井為主［1-3］。隨著部分礦井開采深度逐漸增大，開采煤層頂板條件更加復(fù)雜，礦壓顯現(xiàn)也與淺埋深煤層差別較大。當(dāng)軟巖頂板上部存在一層強度較大的巖層時，往往作為主控巖層存在，承擔(dān)較大上覆巖層壓力，其運動容易導(dǎo)致采場出現(xiàn)強礦壓顯現(xiàn)。諸多學(xué)者對采場覆巖結(jié)構(gòu)進行了大量研究，錢鳴高院士等［4-5］提出了關(guān)鍵層理論和砌體梁理論，宋振騏院士等［6］建立了傳遞巖梁運動理論體系，朱衛(wèi)兵等［7］對大空間采場遠場關(guān)鍵層破斷結(jié)構(gòu)進行了探討，于斌等［8］建立了“三角板”結(jié)構(gòu)力學(xué)模型分析了遠場關(guān)鍵層對工作面強礦壓顯現(xiàn)的影響，馮強等［9］基于彈性地基梁分析了堅硬頂板巖梁的變形與內(nèi)力，霍丙杰等［10］以遠場高位結(jié)構(gòu)失穩(wěn)條件為核心對堅硬頂板厚煤層采場進行來壓強度分機預(yù)測研究。與東部礦井相比，西部礦井采場覆巖運動也表現(xiàn)出一些不同特征。弱膠結(jié)巖石普遍具有膠結(jié)性差、強度低、易崩解等特性，矸石冒落形成的塊體較小，初始碎脹系數(shù)較大［11-12］。黃慶享等［13］將直接頂分為充分充填型和一般充填型兩類，孫利輝等［14］通過矸石固結(jié)壓縮試驗得到了弱膠結(jié)巖石冒落、充填、壓實、固結(jié)規(guī)律，結(jié)果表明冒落充填體變形對覆巖運動及礦壓顯現(xiàn)具有重要影響。劉建功等［15］研究結(jié)果表明，當(dāng)采空區(qū)密實充填率達到一定條件時，頂板不會產(chǎn)生斷裂，僅發(fā)生彎曲變形，形成連續(xù)的曲形梁。

紅慶梁煤礦11301首采工作面在前期推采中出現(xiàn)煤壁嚴(yán)重片幫和大面積支架泄液等強礦壓顯現(xiàn)，嚴(yán)重影響工作面回采進度，其礦壓顯現(xiàn)規(guī)律總結(jié)與覆巖結(jié)構(gòu)研究成為必不可少的工作。因此，以工作面地質(zhì)及開采條件為背景，以綜采液壓支架壓力分析為依據(jù)，總結(jié)推采過程中工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，建立高位礫巖層破斷運動模型，為11301首采工作面及周邊相似礦井安全高效生產(chǎn)提供指導(dǎo)與借鑒。

1 工程地質(zhì)概況

紅慶梁煤礦3-1煤層屬于侏羅紀(jì)中下統(tǒng)延安組煤層，埋深458～538 m，厚度為2.96～6.50 m。11301首采工作面走向長度3 873 m，斜長300 m。巷道為雙巷布置，本工作面順槽與臨近順槽間隔20 m煤柱。切眼位置附近頂板巖層分布情況如圖1所示，工作面煤層頂板為典型弱膠結(jié)軟巖，主要由泥巖、砂質(zhì)泥巖和礫巖層組成。弱膠結(jié)巖石具有原生裂隙多、膠結(jié)性差、易崩解等特征，與中東部地區(qū)同類巖石相比，受荷載破碎后初始碎脹程度顯著較高。根據(jù)巖石室內(nèi)試驗結(jié)果，泥巖厚度為1.4～12.6 m，抗壓強度為15.53 MPa，抗拉強度1.43 MPa；砂質(zhì)泥巖厚度為0～18.4 m，抗壓強度為16.21 MPa，抗拉強度1.29 MPa。3-1煤頂板0～24.7 m內(nèi)均為弱膠結(jié)軟巖，上部礫巖層巖石強度相對較高，且?guī)r層厚度大，屬于高位頂板。

2 工作面強礦壓顯現(xiàn)演化規(guī)律

2.1 支架工作阻力演化規(guī)律

利用工作面KJ216頂板在線監(jiān)測系統(tǒng)，分別在工作面中部及上下兩端頭各選取2個液壓支架進行工作阻力監(jiān)測，支架額定工作阻力為13 000 kN，額定初撐力為7 000 kN。以工作面中部80#支架為例，支架循環(huán)末阻力變化曲線如圖2所示，由圖可知，300～340 m推采范圍內(nèi)支架工作阻力明顯高于240～300 m推采范圍。

所選取的6個支架工作阻力分析結(jié)果見表1，240～300 m范圍內(nèi)頂板周期來壓整體較為規(guī)律，平均周期來壓步距為14.7 m，平均周期來壓強度為12 595 kN；300～340 m推采范圍內(nèi)，頂板周期來壓步距減小為11.5 m，平均來壓強度則增加為12 905 kN，最大值達到13 213 kN。

圖3為強礦壓顯現(xiàn)期間工作面整體支架壓力頻度分布隨時間變化曲線。由圖3可知工作面支架壓力整體呈現(xiàn)出先增大后減小趨勢，且工作面中部支架受力大于兩端支架受力。由于支架為恒阻支架，頂板來壓時易發(fā)生安全閥開啟泄液［16］，工作阻力曲線呈現(xiàn)出鋸齒狀波動，且現(xiàn)場工作面內(nèi)部存在大面積支架泄壓現(xiàn)象。

2.2 煤壁片幫演化規(guī)律

11301首采工作面前期推采過程中礦壓顯現(xiàn)以煤壁片幫為主，如圖4所示，工作面推采至300～340 m時存在大范圍嚴(yán)重片幫，反映上覆頂板巖層壓力增加。與240～300 m推采范圍相比，300～340 m范圍內(nèi)煤壁片幫呈現(xiàn)出形成時間短、深度大、范圍大等特點，直接導(dǎo)致工作面回采速度降低一半。根據(jù)檢修班調(diào)研，每日生產(chǎn)結(jié)束后的第0～2 h為片幫形成的集中時間，比180～300 m范圍提前至少1 h；片幫位于煤壁正中部，呈倒V形凹陷狀，具有層裂結(jié)構(gòu)體破壞特征［17］；片幫深度多集中在0.3～1.0 m范圍內(nèi)，最嚴(yán)重時局部片幫深度可達1.5 m。而180～300 m范圍片幫深度主要集中在0～0.5 m范圍內(nèi)，且主要表現(xiàn)為個別支架前方煤壁片幫，無大范圍連續(xù)片幫。

2.3 強礦壓顯現(xiàn)原因分析

通過11301首采工作面煤壁片幫以及支架工作阻力變化可知，工作面強礦壓顯現(xiàn)是區(qū)域性的和特殊性的，在頂板巖層條件和工作面支護條件不變的情況下，工作面推采至300～340 m范圍內(nèi)，礦壓顯現(xiàn)顯著增強。按照經(jīng)驗，采場直接頂一般為采高的2～3倍，基本頂為采高的5～6倍。根據(jù)巖層柱狀分布，距煤層頂板0～9.5 m的砂質(zhì)泥巖與細砂巖為直接頂，距煤層頂板9.5～24.7 m的砂質(zhì)泥巖為基本頂。采場強礦壓顯現(xiàn)往往來自于上部主控巖層運動或失穩(wěn)［18-19］。正常推采階段內(nèi)，工作面周期來壓規(guī)律性明顯，且無支架大面積泄液與工作面大面積片幫，基本頂不是強礦壓顯現(xiàn)中的頂板主控巖層。由于礫巖層厚度較大且?guī)r石強度高于上下部巖層，當(dāng)其發(fā)生破斷時，上部細砂巖等較軟巖層隨動，導(dǎo)致上覆較大頂板荷載向采場內(nèi)部傳遞，出現(xiàn)強礦壓顯現(xiàn)，如圖5所示。

3 高位礫巖層結(jié)構(gòu)模型

3.1 礫巖層彎曲下沉撓度空間

根據(jù)礫巖層厚度及工作面開采斜長等幾何特征，采用巖梁模型將其進行簡化，并假定礫巖層破斷位置位于工作面強礦壓顯現(xiàn)區(qū)域內(nèi)。考慮到直接頂與基本頂為典型弱膠結(jié)軟巖，受荷載破碎后初始碎脹程度較高，冒落帶內(nèi)矸石高度較大，礫巖層破斷結(jié)構(gòu)中需要考慮下部基本頂對其的支承作用。

假設(shè)直接頂完全破碎冒落，基本頂僅開裂，仍以較完整的砌體塊存在，處于完全無碎脹狀態(tài)，則礫巖層與采空區(qū)內(nèi)基本頂之間的撓度空間h0可按式（1）計算，結(jié)果為0.75 m。考慮到工作面的大尺度回采空間，礫巖層在采空區(qū)內(nèi)不可避免地發(fā)生彎曲下沉并觸矸。

式中，h為采高，3.6 m；KA1為直接頂碎漲系數(shù)，取1.30；KA2為基本頂碎漲系數(shù)，取1；mZ為直接頂厚度，9.5 m；mE為基本頂厚度，15.2 m。

3.2 礫巖層運動過程

假設(shè)礫巖層受均布荷載q1，下部巖層充分冒落，且對礫巖層有一定的支承作用，則根據(jù)礫巖層運動狀態(tài)，可將其分為3個運動階段。

階段Ⅰ，未觸矸階段。如圖6所示，此階段位于回采初期，直接頂與基本頂在初采期間將冒落帶充填，留給礫巖層巖板彎曲下沉的撓度空間為h0，由于回采距離較小，礫巖層彎曲下沉量小，礫巖層未觸矸。

階段Ⅱ，觸矸并持續(xù)彎曲下沉階段。如圖7所示，此階段內(nèi)由于回采長度逐漸增加，礫巖層彎曲下沉量Δh增加，Δh＞h0時，礫巖層觸矸。觸矸后礫巖層受到下部巖層的支承作用力q2，無法繼續(xù)自由彎曲下沉，其彎曲下沉量開始受矸石壓縮量控制。

階段Ⅲ，矸石持續(xù)壓縮，礫巖層破斷。根據(jù)矸石壓縮理論，松散狀態(tài)矸石會在自重以及頂板壓力下被緩慢壓縮，根據(jù)相關(guān)文獻［14］，冒落后的弱膠結(jié)巖石在0～2個月內(nèi)壓縮量最大，矸石碎漲系數(shù)減少0～0.2。因此礫巖層彎曲下沉量Δh仍舊會通過下部矸石壓縮繼續(xù)增加，且推采長度增加，礫巖層上部承載的總荷載增加。如圖8所示，當(dāng)?shù)[巖層端部彎矩達到極限值時，礫巖層發(fā)生破斷。

3.3 礫巖層破斷步距

考慮到礫巖層的彎曲下沉特性及下部垮落巖體對其支承特性，如圖9所示，可將礫巖層受力模型等效成上部受均布荷載q1，下部受均布荷載q2的兩端固支梁模型，巖層破斷前，下部冒落巖層承載大部分的上覆巖層壓力，固支梁自身承載一小部分上覆巖層壓力。由結(jié)構(gòu)力學(xué)知識可知，該梁最大彎矩位于兩側(cè)固定端位置，即礫巖層在工作面煤壁上方位置處承受極限彎矩，最先發(fā)生破斷。

根據(jù)材料力學(xué)線性疊加原理，固支梁承受的總彎矩為荷載q1與荷載q2分別作用時產(chǎn)生的彎矩線性疊加總和。荷載q1單獨作用在固支端產(chǎn)生的彎矩為

荷載q2單獨作用在固支端產(chǎn)生的彎矩為

假設(shè)礫巖層受冒落巖體支承長度b隨著工作面推采長度l增加而增加，且二者成正比關(guān)系，令ζ=b/l。，則ζ為固定常數(shù)，式（3）變?yōu)?/p>

假設(shè)礫巖層在工作面推進至l=L位置時發(fā)生破斷，則礫巖層破斷前所承載的極限彎矩為

由強度破壞準(zhǔn)則可知，礫巖層破斷時滿足：

式中，W為梁的抗彎截面系數(shù)，W=h2/6（截面寬度默認為1），m3。

因此，礫巖層的破斷步距滿足：

由式（8）可知，q2與ζ為未知量。如圖10所示，根據(jù)垮落巖體碎脹系數(shù)變化求出礫巖層下沉量Δh1，利用圖中相似三角形原理可求出在荷載q2條件下采空區(qū)垮落巖體對礫巖層的支承范圍b0。由矸石壓縮試驗曲線可知，矸石所受應(yīng)力與其應(yīng)變成近似指數(shù)函數(shù)關(guān)系，為了方便計算對其進行等效處理，等效為寬度為b=b0/3，荷載大小為P的均布荷載，進而求得參數(shù)ζ=b/l，并作為固定常數(shù)參與計算。

荷載q2與采空區(qū)矸石壓縮變形有關(guān)，郭廣禮等［20］總結(jié)采空區(qū)破碎巖體應(yīng)力與碎脹系數(shù)滿足對數(shù)函數(shù)關(guān)系k=alnP+b，汪北方等［21］通過相似材料試驗得到西部神東礦區(qū)垮落巖體碎脹系數(shù)與應(yīng)力擬合關(guān)系式k=1.184-0.24lnP。因此，荷載q2可按式（9）求出。

式中，k為巖體當(dāng)前碎脹系數(shù)。

4 現(xiàn)場驗證

4.1 模型計算結(jié)果

根據(jù)11301首采工作面工程地質(zhì)情況，結(jié)合本工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，礫巖層抗拉強度?。郐襱］=2.1 MPa；采空區(qū)垮落巖石初始碎脹系數(shù)為1.3，當(dāng)前碎脹系數(shù)取k=1.2，并求得荷載q2為0.858 MPa；根據(jù)礫巖層下沉與垮落巖石壓縮量之間的關(guān)系，求得b0=0.56l，因此ζ=b/l=0.187；根據(jù)容重與巖層厚度計算荷載q1=γh=0.864 MPa。將相關(guān)參數(shù)代入式（8）求得11301首采工作面礫巖破斷步距為L=306.9 m。

4.2 礫巖層實際破斷位置

11301工作面推采至320 m位置時，超前順槽內(nèi)首次出現(xiàn)嚴(yán)重的整體性圍巖破壞，具體表現(xiàn)為巷道煤體片幫、頂板下沉以及嚴(yán)重底鼓。結(jié)合工作面內(nèi)部礦壓顯現(xiàn)，可推斷礫巖層實際破斷步距為320 m處。該位置處，超前順槽礦壓顯現(xiàn)如下：如圖11所示，11301回風(fēng)順槽開采幫在超前7～12 m位置玻璃鋼錨桿發(fā)生破斷，煤塊向外拋出，形成嚴(yán)重片幫，片幫深度為1.7 m。頂板有頻繁的煤炮聲，超前0～10 m范圍內(nèi)煤柱幫側(cè)存在顯著頂板下沉，因此局部采用單體液壓支柱加強支護，如圖12所示。

如圖13和圖14所示，巷道在超前120 m范圍內(nèi)存在底鼓，超前0～30 m范圍內(nèi)，巷道底鼓嚴(yán)重。

距離工作面不同位置處巷道底鼓量變化如圖15所示，根據(jù)底鼓量的差異，頂板超前支承壓力影響范圍為120 m，對巷道影響較強烈的范圍為超前0～30 m。

模型計算的礫巖層理論破斷步距與11301首采工作面強礦壓顯現(xiàn)位置吻合度較好，且與根據(jù)超前礦壓顯現(xiàn)確定的礫巖層破斷位置較為接近。證明了礫巖層運動是導(dǎo)致強礦壓顯現(xiàn)的主要原因，礫巖層運動過程及破斷步距的推導(dǎo)，可對11301工作面強礦壓期間采場及超前順槽支護設(shè)計提供依據(jù)，為高位頂板大周期礦壓顯現(xiàn)提供預(yù)報。

5 結(jié)論

（1）推采范圍300～340 m為工作面強礦壓顯現(xiàn)區(qū)域，主要表現(xiàn)為煤壁嚴(yán)重片幫、支架大面積泄液、底鼓等。強礦壓顯現(xiàn)期間，頂板周期來壓步距減小，支架平均工作阻力增加，頂板來壓強度增加，最大為13 213 kN。

（2）軟巖基本頂+礫巖層主控巖梁構(gòu)成了采場覆巖結(jié)構(gòu)。直接頂與基本頂為典型弱膠結(jié)軟巖，巖體碎脹程度較高，冒落帶內(nèi)垮落巖體對礫巖層有一定的支承作用，限制了礫巖層彎曲下沉。因此礫巖層運動狀態(tài)可分為3個階段，分別為：未觸矸階段、持續(xù)彎曲下沉階段、巖層破斷階段。

（3）建立了“軟巖基本頂+礫巖關(guān)鍵層”的上覆巖層結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的力學(xué)計算模型。理論計算的礫巖層破斷步距為306.9 m，現(xiàn)場驗證為320 m，結(jié)果可為弱膠結(jié)地層條件下的超前支護設(shè)計和礦壓控制提供參考。