公烏素礦1604工作面覆巖關鍵層的判定及分析

徐國華 ，張金山 ，馬 猛，3，吳國良

(1.神華集團 烏海公烏素礦業有限責任公司，內蒙古 烏海 016035；2.內蒙古科技大學 礦業工程學院，內蒙古 包頭 014010；3.鄭州煤炭工業(集團) 有限責任公司，河南 鄭州 450042)

直接頂上方存在厚度不等、強度不同的多層巖層，其中一層至數層硬巖層在采場上覆巖層活動中起主要的控制作用，將對采場上覆巖層局部或直至地表的全部巖層起控制作用的巖層稱為關鍵層，前者稱為亞關鍵層，后者稱為主關鍵層［1］。準確地確定關鍵層的位置，進而初步掌握頂板的破斷運移規律，為現場采取有力的支護措施提供充分的理論保障，對工作面的頂板管理與礦井安全生產都有著重要的意義。為此，本文結合公烏素礦1604 超長綜放工作面上覆巖層的實際情況，通過巖石力學試驗得出公烏素礦1604 超長綜放工作面上覆巖層的物理力學參數，采用關鍵層理論計算的方式對其上覆巖層關鍵層的位置及破斷距離進行判定分析。

1 工作面上覆巖層中關鍵層的判別條件

1)剛度條件。

第n+1 層巖層若是關鍵層其必須滿足:

式中:

q1/n+1—計算到第n+1 層時，第一層關鍵層所承受的載荷，kPa;

q1/n—計算到第n 層時，第一層關鍵層所承受的載荷，kPa。

2)強度條件。

假設第n+1 層位為關鍵層，則第n+1 層的破斷距為ln+1，第一層的破斷距為l1，其關鍵層判別強度條件為:

式中:

ln+1—第n+1 層巖層的破斷距，m;

l1—第1 層巖層的破斷距，m。

如果滿足上式，則第一層為亞關鍵層;如果ln+1不能滿足上式的判別條件，則應將第n +l 層巖層所控制的全部巖層作為載荷，作用到第n 層巖層上部，計算第n 層巖層的破斷距。

2 關鍵層判別分析

公烏素礦16#煤層上覆巖層主要有細粒砂巖、砂質泥巖、泥巖、石灰巖、中粒砂巖，粗粒砂巖組成，上覆巖層結構及巖層力學參數見表1。

表1 上覆巖層層位關系及其物理力學參數

2.1 關鍵層的剛度條件驗算

結合公烏素礦1604 超長綜放工作面上覆巖層之間的層位關系及各層位巖石的物理參數，從直接頂開始，根據以下公式依次計算第n 層巖層對第m 層巖層的載荷(n ＞m):

式中:

qm/n—第n 層對第m 層的載荷，kPa;

Em—第m 層彈性模量，MPa;

hm、hi—第m、i 層的厚度，m;

γi—第i 層的巖石容重，kN/m3。

如果公式計算第n+1 層巖層載荷小于第n 層載荷，即第n +1 層為堅硬巖層，相反，需繼續計算第n+2層對第n 層的載荷。

1)從下向上逐層計算各層上覆巖層對C2層的載荷分別為:

由以上結果可知，C2巖層載荷為211.1 kPa，上覆4 層載荷層(2.2 m 砂質泥巖C3、1 m 石灰巖C4、1.97 m 泥巖C5、1.92 m 砂質泥巖C6)。得出;C7巖層為硬巖層。

2)同理可以計算出C7上覆巖層的載荷，分別為:

q7/9=156.14 kPa、q7/10=182.2 kPa、q7/11=62.7 kPa

由此得出:C7上覆巖層的載荷量為182.2 kPa，上覆3 層巖層(分別為3.4 m 砂質泥巖C8、1.69 m 泥巖C9、1.8 m 砂質泥巖C10)，推斷;C11巖層為硬巖層。

3)計算C11上覆巖層的載荷，分別為:

得出C11巖層上覆巖層載荷量為174.9 kPa，C13巖層為硬巖層。

綜合上述結果，考慮到C11巖層與C13巖層之間為2.45 m 砂質泥巖，而且石灰巖與細粒砂巖力學參數相似，依據復合關鍵層的判別幾何特征:a)兩層堅硬巖層中的巖性基本相同，它們之間的軟弱夾層與之有明顯區別;b)無論堅硬巖層還是軟弱夾層，它們的厚度為無量級差別［2］，推斷C11、C12、C13可能為復合關鍵層。依據錢鳴高院士提出的相鄰硬巖層產生復合效應的判定準則:

式中:

h1—第一層堅硬巖層厚度，m;

h2—第二層堅硬巖層厚度，m;

∑h2—兩堅硬巖層之間的距離，m。

C11巖層厚度為4.5 m，C13巖層厚度為5.7 m，兩層之間的距離為2.45 m C12砂質泥巖，代入(4)、(5)式中。

驗證公式(4):

1.27≈1.31 (符合此條件)

驗證公式(5):

0.54 ≤2.2 (符合此條件)

所以，將C11、C12與C13作為復合關鍵層處理，將這3 層巖層按1 層計算即:

由此得出，C11～13巖層的載荷為407.9 kPa，上覆2 層巖層(分別為厚1.22 m 12#煤C14、5.97 m 砂質泥巖C15)。推斷:C16巖層為硬巖層。

4)由表1 可知，C16、C17與C18巖性相似，在上覆巖層中可能同時出現協調變形、破斷的現象，可認為C16、C17與C18為一組復合關鍵層，同理3)可視為關鍵層中的一種組合效應，其上部載荷量計算為:

由此得出:C16～18巖層的載荷為547.8 kPa。

綜上所述，C2為第一硬巖層、C7為第二硬巖層、C11～13復合巖層為第三硬巖層、C16～18復合巖層為第四硬巖層。

2.2 關鍵層的強度條件驗算

關鍵層的判別確定在滿足剛度條件的同時，也必須滿足關鍵層判定的強度條件，一般條件下關鍵層的強度條件用其巖層的破斷距來進行驗證表示。工作面上覆堅硬巖層破斷距采用兩端固支梁計算。則第k 層硬巖層的破斷距可以表示為:

式中:

hk—第k 層硬巖層的厚度，m

σtk—第k 層硬巖層的抗拉強度，MPa;

qk—第k 層硬巖層承受的載荷，kN。

假設第n、m為兩層堅硬巖層(n ＞m)，如果Ln＞Lm＞Ll，則第n 層為主關鍵層，第m 層、第1 層為亞關鍵層。如果Lm＞Ln＞Ll，則第n 層堅硬巖層載荷應加到第m 層上，重新計算第m 層破斷距，然后再與第1層比較，其中破斷距最長者為主關鍵層，其次為亞關鍵層，第n 層不是關鍵層［3］。

根據以上計算公式分別計算出C2、C7、C11～13、C16～18的破斷距為:

根據破斷距分析，C11－13復合巖層的破斷距＜C16～18的破斷距，則C11－13為亞關鍵層，C16～18為主關鍵層。1604 綜放工作面上覆巖層硬巖層分布及關鍵層特征見表2。

表2 工作面上覆巖層硬巖層分布及關鍵層特征

續表2

3 結論

本文主要依據中國工程院錢鳴高院士在《礦山壓力與巖層控制》一書中有關確定關鍵層的相關理論，對公烏素礦1604 超長綜放工作面上覆巖層中各個巖層結構進行理論分析，得出了上覆巖層中，關鍵層的位置及關鍵層的破斷距。其結果為:公烏素礦1604 超長綜放工作面上覆巖層中主要有主、亞關鍵層各一個，其中距直接頂20.75 m，厚12.65 m的復合巖層為亞關鍵層。距直接頂40.59 m，厚13.2 m以細粒砂巖為主的復合巖層為主關鍵層。

亞關鍵層的破斷與垮落將會導致其上覆巖層部分或者局部巖層發生協同性的破斷垮落，但相對于亞關鍵層來說垮落或離層程度較弱;主關鍵層的破斷、垮落將導致其全部上覆巖層發生破斷、離層或者下沉。對工作面上覆巖層及其工作面的礦壓來說主關鍵層的破斷垮落影響要大于亞關鍵層破斷所帶來的影響。

［1］錢鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制［M］.徐州:中國礦業大學出版社，2003:174－176.

［2］孫振武，繆協興，茅獻彪.采場覆層復合關鍵層的判別條件［J］.礦山壓力與頂板管理，2005(4):76－83.

［3］韓俊效.寺河礦大采高長工作面礦壓顯現規律研究［D］.焦作:河南理工大學，2011:56.