復雜不穩(wěn)定煤巖綜放開采不規(guī)則來壓頂板垮斷機理研究

郎 琦

1煤炭科學技術研究院有限公司 北京 100013

2煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室 北京 100013

3北京市煤礦安全工程技術研究中心 北京 100013

受采動應力場影響，煤層開采后將引起上覆巖層移動、斷裂與跨落[1-2]。對于復雜不穩(wěn)定煤巖開采來壓規(guī)律和頂板垮斷機理，由于區(qū)域條件差異，因素復雜多變，無法建立統(tǒng)一模型，研究者少。復雜不穩(wěn)定煤巖開采現(xiàn)場實測數據變化大，規(guī)律不易總結，需頂板垮斷機理解釋和指導。當前，大型礦區(qū)正在綜放開采煤巖較復雜的石炭系[3-4]，研究復雜不穩(wěn)定煤巖綜放開采頂板垮斷機理具有理論和現(xiàn)實意義。

筆者以同發(fā)東周窯礦復雜不穩(wěn)定煤巖綜放開采實測不規(guī)則礦壓規(guī)律為切入點，通過理論分析，提出了該礦復雜不穩(wěn)定煤巖綜放開采頂板垮斷機理，從理論上解釋了該區(qū)特殊礦壓規(guī)律，對復雜不穩(wěn)定煤巖頂板垮斷機理進行了探索，可為類似礦井提供借鑒，具有一定現(xiàn)實和理論意義。

1 復雜不穩(wěn)定煤巖結構

以同發(fā)東周窯礦 8100 綜放面為研究對象。該礦采用頂板全部垮落法，“一刀一放”多輪間隔放煤，機采高度為 3.2 m，循環(huán)進度為 0.8 m。

1.1 復雜不穩(wěn)定煤層結構

(1)純煤層 厚度為 5.8～7.9 m，厚度不穩(wěn)定。

(2)夾矸煤層 3～9 層泥巖夾石，層數不穩(wěn)定；單層夾石厚度為 0.1～2.5 m，厚度不穩(wěn)定。

(3)巖石侵入煤層 局部被煌斑巖侵入，嚴重時侵入長度占工作面的 60%，最厚達 3 m。

1.2 復雜不穩(wěn)定頂板結構

(1)直接頂 泥巖，厚度為 1.67～6.94 m，厚度不穩(wěn)定，分區(qū)厚度差別大，平均厚度為 5.03 m，較厚。

(2)基本頂 中粗砂巖，厚度為 12.9～26.7 m，厚度不穩(wěn)定，分區(qū)厚度差別大，平均厚度為 19.8 m，較厚。

2 現(xiàn)場實測分析

采用頂板監(jiān)測系統(tǒng)連續(xù)記錄支架工作阻力，設 9個監(jiān)測站，以各監(jiān)測站每天加權平均工作阻力、加權平均循環(huán)末阻力的平均值與其各自均方差之和作為來壓判據[5-6]。以 38 號支架處的 2 號站為例，每天平均工作阻力和循環(huán)末工作阻力、來壓判據如圖 1 所示。

圖1 2 號監(jiān)測站來壓曲線Fig.1 Pressure curve of monitoring station 2

筆者根據各次來壓強度劃分為小來壓和大來壓，分別用垂直橫軸的細豎線和粗豎線表示，用動壓系數[7]表示強度，由來壓位置得出步距。分別統(tǒng)計了開始監(jiān)測階段各監(jiān)測站大來壓動壓系數和大、小來壓的步距，如表 1、2 所列。

表1 大來壓初次來壓與周期來壓動壓系數統(tǒng)計Tab.1 Statistics of first occurrence of large pressure and dynamic pressure coefficient of periodical pressure

表2 各監(jiān)測站大、小來壓步距統(tǒng)計Tab.2 Statistics of step distance of large and slight pressure of various monitoring stations m

根據監(jiān)測結果分析可知，各站來壓次數、各次來壓強度、步距相差較大。

(1)小來壓 平均初次來壓步距為 37 m，周期來壓步距為 7～37 m，平均周期來壓步距為 18 m。

(2)大來壓 平均初次來壓步距為 97 m，平均初次來壓動壓系數為 1.673；周期來壓步距范圍為 30～83 m，平均周期來壓步距為 44 m，平均周期來壓動壓系數為 1.508；初次來壓動壓系數范圍為 1.38～2.10，周期來壓動壓系數范圍為 1.1～2.0。

3 理論計算與分析

3.1 理論計算

經典理論把頂板初次和周期垮斷分別看作固支和懸臂巖梁 (直接頂薄時自然垮落)，初次垮斷步距L0和周期垮斷步距L1分別為[6-8]

式中：h為頂厚；Rt為抗拉強度；q為單位長頂重；γ為容重。

對于直接頂，Rt=2.5 MPa，γ=26 kN/m3；對于基本頂，Rt=7 MPa，γ=24 kN/m3，計算得頂板垮斷步距如表 3、4 所列。

表3 直接頂垮斷步距統(tǒng)計Tab.3 Statistics of step distance of direct roof caving m

表4 基本頂垮斷步距統(tǒng)計Tab.4 Statistics of step distance of basic roof caving m

3.2 理論與實測對比分析

實測小來壓和大來壓平均初次來壓步距、最大和最小初次來壓步距、平均周期來壓步距、最小周期來壓步距，分別與理論計算值接近或相差不大。

實測小來壓和大來壓最大周期來壓步距、各次周期來壓步距，分別與理論計算值相差較大。

由此看出，在簡單地質條件下，理論計算頂板垮斷步距與實測各來壓步距相差不大，各監(jiān)測站實測來壓次數、強度和步距變化不大，可用平均值代表工作面來壓特征；在復雜地質條件下，理論計算頂板平均周期垮斷步距與實測各次周期來壓步距相差較大，理論計算頂板最大周期垮斷步距比實測最大周期來壓步距小得多，各監(jiān)測站來壓次數、來壓強度和步距相差較大。

4 頂板垮斷機理及類型劃分

根據以上監(jiān)測結果和理論分析，筆者將復雜不穩(wěn)定頂煤垮落方式劃分為 8 個類型，如圖 2 所示。

(1)Ⅰ型 基本頂較薄-直接頂較薄-頂煤無厚巖型?；卷攽冶哿菏綉翼敇O限斷裂。大來壓步距和強度較小。

圖2 復雜不穩(wěn)定頂煤垮落方式類型Fig.2 Complex unstable roof coal caving types

(2)Ⅱ 型 基本頂較薄-直接頂較薄-頂煤有厚巖型。頂煤厚巖對頂板有限支撐，基本頂斷裂略微加長。大來壓步距和強度略有增大。

(3)Ⅲ 型 基本頂較薄-直接頂較厚-頂煤無厚巖型。上位直接頂小懸板，對基本頂支撐，基本頂斷裂略微加長。大來壓步距和強度略有增大。

(4)Ⅳ 型 基本頂較薄-直接頂較厚-頂煤有厚巖型。頂煤骨架-厚直接頂三階組合支撐結構，對基本頂支撐，基本頂斷裂加長。大來壓步距和強度增大。

(5)Ⅴ 型 基本頂較厚-直接頂較薄-頂煤無厚巖型?；卷敺謱訑嗔眩?、上位基本頂形成 2 個長度不同階梯狀懸頂結構，上位基本頂斷裂有所加長。產生 2 次大來壓，下位步距和強度較小，上位步距和強度適當加大。

(6)Ⅵ 型 基本頂較厚-直接頂較薄-頂煤有厚巖型。頂煤厚巖對頂板支撐，基本頂分層斷裂，形成下、上位 2 個長度不同階梯狀懸頂結構，下、上位基本頂斷裂略微加長。產生 2 次大來壓，下位步距和強度適當加大，上位步距和強度明顯增大。

(7)Ⅶ 型 基本頂較厚-直接頂較厚-頂煤無厚巖型。上位直接頂小懸板，對基本頂支撐，基本頂分層斷裂，形成下、上位 2 個長度不同階梯狀懸頂結構，下、上位基本頂斷裂略微加長。產生 2 次大來壓，下位步距和強度適當加大，上位步距和強度明顯增大。

(8)Ⅷ 型 基本頂較厚-直接頂較厚-頂煤有厚巖型。頂煤骨架-厚直接頂三階組合支撐結構對基本頂支撐，基本頂分層斷裂，形成下、上位 2 個長度不同階梯狀懸頂結構。以上 2 個結構組成頂煤骨架-厚直接頂-下上位基本頂 5 階組合支撐結構，下、上位基本頂斷裂大大加長。產生 2 次大來壓，步距和強度均大大增加。

5 結論

(1)根據來壓強度和頂板斷裂分析，劃分了大、小來壓，直接頂垮落引起小來壓，基本頂斷裂引起大來壓。

(2)復雜不穩(wěn)定煤巖綜放開采來壓不規(guī)則。根據監(jiān)測數據和來壓分析，提出了 8 種頂板斷裂類型，8種斷裂類型步距相差較大，造成各監(jiān)測站大來壓次數、各次大來壓步距與強度相差較大。

(3)復雜不穩(wěn)定煤巖綜放，用平均值作標準預報礦壓，與實際差距大。因此，要在實測基礎上，在垮斷機理指導下，綜合分析各區(qū)特征、各次來壓位置及時間，才能對各區(qū)分類進行準確預報。