近距離煤層復合關鍵層結構破斷形式對工作面礦壓的影響研究

楊光榮 李建華

（神華集團包頭礦業有限責任公司，內蒙古自治區包頭市，014030）

我國賦存有大量埋深在150 m 以內的淺部煤田，如神府、東勝、靈武、黃陵等，其中最典型的是神府、東勝煤田。這些煤層賦存最典型的特點是埋深淺、基巖頂板較薄、表土覆蓋層較厚。然而在生產實踐中，淺埋煤層礦壓顯現程度并沒有因為埋深淺而減小，反而在很多工作面出現了臺階下沉、支架壓毀的現象，因此，礦壓顯現規律表現出與一般工作面不同的特點。為此，本文通過對淺埋深薄基巖煤層群開采工作面煤層群間亞關鍵層的破斷形式進行分析，并結合現場地質資料進行數值模擬，對淺埋深薄基巖煤層群開采工作面礦壓顯現規律進行系統地研究。

1 工程背景

李家壕煤礦位于鄂爾多斯市東勝區東南，井田南北長約9km，東西寬約8km，面積約67.65 km2。李家壕煤礦現主采煤層為2-2煤層和3-1煤層，煤層間距10～40m，變化較大。2-2煤層可采厚度0.80～4.75m，平均2.02m。該煤層結構較簡單，含0～2層夾矸，層位較穩定，厚度變化較大，在井田的南部較厚。3-1煤層位于2-2煤層下部，可采厚度0.80～7.05m，平均3.86m，該煤層結構簡單，含1 層夾矸，夾矸位于煤層下部，夾矸厚度為0.25 m，層位較穩定，厚度變化不大，在南部較厚。煤層柱狀圖如圖1所示。

圖1 煤層柱狀圖

2 理論分析

復合關鍵層結構是指淺埋深薄基巖煤層群開采時煤層間巖體存在兩層或者兩層以上硬巖層，該硬巖層力學性質較強、厚度較大并足以形成巖塊間鉸接結構。由于上煤層已經采空，主關鍵層破斷后形成大型巖塊，亞關鍵層厚度、強度及亞關鍵層間的間距決定其能承受的最大載荷，使其破斷規律特別復雜，影響下煤層開采過程中礦壓顯現規律，圖2為淺埋薄基巖上下層同采煤層間復合關鍵層結構示意圖。

圖2 淺埋薄基巖上下層同采煤層間復合關鍵層結構

淺埋深薄基巖煤層群開采時，其上覆巖層之上的硬巖層為主關鍵層。兩煤層協調開采時，煤層間的幾層硬巖層會成為下煤層推進過程中的亞關鍵層群。在上煤層采空后，由于上煤層采動影響，主關鍵層的大部分硬巖都已破斷，形成了大型塊體結構，整個巖層失去了完整性。在下煤層回采過程中，煤層間的亞關鍵層群可能會成為二次采動影響下的主關鍵層，即下煤層覆巖中的亞關鍵層群巖塊破斷時的結構會影響下煤層工作面推進過程中的礦山壓力顯現規律。

3 數值模擬

3.1 UDEC模型的建立

根據李家壕煤礦地質資料，構建長200 m 的水平二維平面UDEC 數值模型，在模型上部施加大約5 MPa的豎向應力作為其上部巖層自重載荷，模型前后側面施加側壓系數為1的荷載，同時側邊界施加水平約束，底邊界施加水平及垂直約束。施加參數后地應力平衡時圍巖本構關系力學模型中采用莫爾-庫侖模型。建立由14層煤巖層組成的數值模型，2-2煤層和3-1煤層為可采煤層，煤層間距為10～40 m，隨賦存情況而變化，當煤層間距大約為20～40m 時，煤層間存在兩層關鍵層結構位于3-1煤層上方6m 和11m 處。

3.2 復合亞關鍵層同步結構

3-1煤層開采階段：如圖3 （a）所示，煤層工作面在推進至約18 m 時直接頂粉砂巖發生垮落，直接頂破壞后充填采空區，下亞關鍵層關鍵塊出現了下滑，形成三鉸拱形態，產生明顯的斷裂變形，但未失穩，沒有發生明顯來壓。上亞關鍵層未出現明顯變形，主關鍵層未受影響。直接頂初次垮落后直接頂出現較大位移，由于下亞關鍵層形成三鉸拱結構，其上覆巖層未出現明顯位移。

圖3 頂板來壓垮落形態

如圖3 （b）所示，當工作面推進至30m 左右時，由于亞關鍵層群形成的三鉸拱結構超過自身承載極限而發生失穩，兩個亞關鍵層同步同位置發生斷裂失穩，出現臺階且整體切落下沉，導致工作面初次來壓，主關鍵層有少量下滑但未出現明顯失穩。老頂初次來壓時，直接頂和亞關鍵層群都出現較大位移，工作面后方老頂完全沒有形成結構，位移量較大且與采高相等，達3.5m，主關鍵層位移量不大，說明此時主關鍵層還未失穩，隨著工作面推進會出現失穩現象。

如圖3 （c）所示，當工作面推進至40 m 時，亞關鍵層群巖塊形成三鉸拱結構再次出現下滑失穩，此時，主關鍵層破斷的巖塊也出現了三鉸拱失穩來壓的現象，工作面支架承受的壓力比初次來壓大，主關鍵層失穩對礦壓顯現有較大影響。此次老頂周期來壓在工作面后方出現了老頂及上覆巖層全部切落，黑色部分為上覆巖層切落線。

隨著工作面繼續推進，工作面上覆巖層發生周期性來壓，亞關鍵層群周期性失穩使其上覆巖層出現直至地表的整體切落壓實。直接頂垮落并未對上亞關鍵層造成明顯擾動，老頂初次來壓和周期來壓都是兩個亞關鍵層同步失穩，形成 “亞關鍵層群失穩—主關鍵層失穩—后方覆巖整體切落壓實”運動，周期來壓步距平均約為10m。

3.3 復合亞關鍵層不同步結構

3-1煤層開采階段：如圖4 （a）所示，煤層工作面在推進至約18 m 時直接頂粉砂巖發生垮落，直接頂破壞后充填采空區，亞關鍵層群關鍵塊出現嚴重的下滑，形成三鉸拱形態，產生明顯的斷裂變形，但未完全失穩，來壓不明顯。上亞關鍵層未出現明顯變形，但出現滑落現象，主關鍵未受影響。

如圖4 （b）所示，當工作面推進至30m 左右時，由于下亞關鍵層形成的三鉸拱結構超過自身承載極限而發生失穩，上亞關鍵層在工作面后上方下亞關鍵層出現失穩的位置仍處于三鉸拱平衡，這就是亞關鍵層群失穩不同步現象。工作面上方覆巖出現臺階且整體下沉，導致工作面初次來壓，主關鍵層有少量回轉但未出現明顯失穩。

圖4 頂板來壓過程

如圖4 （c）所示，當工作面推進至40 m 時，亞關鍵層群同時破斷結構的巖塊發生失穩形成周期來壓，而此模型推進至40 m 時仍未發生周期來壓，兩個關鍵層同時處于穩定的三鉸拱結構形態。

如圖4 （d）所示，當工作面推進至45 m 時，兩個亞關鍵層形成三鉸拱結構再次出現下滑失穩，主關鍵層破斷的巖塊也出現了三鉸拱失穩來壓的現象，此次周期來壓非常明顯，對工作面支架影響很大，老頂周期來壓在工作面后方出現了老頂及上覆巖層全部切落。

如圖4 （e）所示，當工作面推進至80 m 時，此模型兩個亞關鍵層出現同時失穩，而失穩位置仍有8m 左右錯距。

如圖4 （f）所示，當工作面推進至95 m 時，下亞關鍵層形成三鉸拱結構出現下滑失穩，上亞關鍵層仍處于三鉸拱平衡狀態，主關鍵層破斷的巖塊也出現了三鉸拱失穩來壓的現象，此次周期來壓比較明顯，此次老頂周期來壓在工作面后方出現了大面積上覆巖層切落現象。

3.4 模擬結果對比

模型平衡開挖前在位于頂部基巖2m 內埋設1條測線，共40 個測點，記錄工作面從20 m 至100m推進過程中工作面上方豎直方向的應力變化。2種模型在不同推進距離條件下豎直方向的應力分布如圖5所示。

由圖5 可知3-1 煤層上覆巖層同步破斷時，工作面推進至30 m、40 m、50 m、60 m、72 m、82m 以及94m 時分別發生周期來壓，周期來壓步距10m 左右，來壓強度比較均勻；而當上覆巖層非同步破斷時，工作面推進至30m、45m、80m和95m 時分別發生周期性來壓，來壓步距和來壓強度都不等，無規律性，覆巖垮落形態不規則，兩個亞關鍵層失穩不一定同時失穩，偶爾同時失穩時失穩位置存在一定錯距。

圖5 2種模型來壓與推進距離的關系

4 結論

綜上所述，當煤層群開采時煤層間存在兩個巖性相似且距離較近的兩個關鍵層，煤層間存在復合關鍵層同步斷裂結構，初次來壓步距為3 0m左右，周期來壓步距為10～11m 左右，礦壓顯現比較規律；當兩個亞關鍵層巖性差異較大時，關鍵層群破斷位置、時間不同，主關鍵層破斷規律受亞關鍵層影響，工作面礦壓顯現規律受3個關鍵層破斷的綜合影響，導致該模型下工作面礦壓顯現無規律性，周期來壓步距忽大忽小，周期來壓強度也大小不一。

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