孤島綜放工作面覆巖結構分析及礦壓特征研究

王陳真

（山西潞安集團蒲縣黑龍煤業有限公司 ，山西 蒲縣 041200）

0 引 言

回采工作面上覆巖層結構特征及運動規律一直是人們較為關注的問題，其中孤島工作面的覆巖結構及礦壓規律又與非孤島工作面之間存在較大的差距，孤島工作面上覆巖層的斷裂高度與離層現象會明顯增大[1]，由于孤島工作面在回采時經常會遇到頂底板變形下沉量大、煤壁片幫、工作面支架壓力大的現象[2]，故國內外學者在孤島工作面圍巖控制方面展開了大量研究，如柏建彪、張金亮等[3]通過對頂板的賦存狀況、采空區側向應力場以及采空區側煤體進行分析研究，提出通過合理布置巷道、錨桿錨索支護配合注漿加固提高圍巖承載能力等方面控制孤島綜放工作面的圍巖變形；賈靖、王洪軍等[4]通過觀測結果得出孤島工作面的來壓特征，提出孤島綜放面應采用無煤柱或小煤柱掘進來避開應力集中。本文主要通過對孤島工作面上覆巖層結構進行分析得出老頂的初次及周期來壓步距表達式，并對3205孤島綜放面進行礦壓實測分析，得出3205孤島綜放面的礦壓顯現規律。

1 工程概況

某礦3205工作面為孤島工作面，其北部為3207采空區，南部為3203采空區，3205工作面所采煤層為3#煤，平均厚度4.7m，平均傾角為6°，工作面采用綜采放頂煤工藝，3205工作面直接頂為4.5m的黑色泥巖，基本頂為4.5m的中粒砂巖，直接底為1.2m的砂質泥巖，老底為1.6m的灰色細砂巖，3205工作面運輸巷與回風巷兩側均留設有6m的保護煤柱。3205工作面位置示意圖如圖1所示。

圖1 3205工作面位置示意圖

2 孤島工作面覆巖結構特征分析

2.1 孤島工作面應力分布特征

由于孤島工作面兩側均為采空區，圍巖結構較為特殊，兩側采空區無法形成自承結構致使覆巖應力向實體煤側轉移，從而致使孤島工作面上覆巖層在回采前已經發生斷裂，從剖面圖上觀察覆巖結構時成T型結構，可將孤島工作面覆巖視為T型結構，通過T型結構的受力及破壞特征分析孤島工作面覆巖的受力狀態。

孤島工作面覆巖結構可簡化為兩端固支的梁結構，假設工作面覆巖一共有n層，從下至上依次為1，2，…，m，如圖 2 所示，各巖層的體積力為 γi，厚度為 hi，彈性模量為 Ei。

圖2 巖層荷載計算圖

根據關鍵理論與組合梁原理[5]能夠得出第n層覆巖對第一層形成的荷載為：

根據現有理論研究，工作面在回采期間上覆巖層的運動主要分為三個部分：①當層間拉應力超過頂板自身極限抗拉強度時，頂板會產生離層；②當層內拉應力超過頂板極限抗拉強度時，頂板會產生斷裂；③隨著工作面回采工作的推進，頂板巖梁會從斷裂轉化為垮落，且垮落高度一般遠遠大于三倍的巖層厚度。

根據以上分析，運用巖石力學理論分析上覆巖層的斷裂條件，將第r層巖層在破斷之前視為兩端固支的梁的力學模型，如圖3所示，圖中q為上覆均布荷載，h為巖層厚度，l為巖梁的跨度。

圖3 巖層梁結構模型

根據彈性力學知識能夠解得各向應力的表達式[6]如下所示：

當x=0，y=h或x=l，y=h時，即固支梁的下邊界處拉應力為：

當下邊界受到的拉應力σx超過巖層的極限抗拉強度[στ]時，便會使得兩端固支巖層產生破斷，則能夠得出巖層固支狀態下發生破壞的極限跨距Lj的表達式如下：

根據式（4）可知當工作面的推進長度達到Lj時，上覆巖層便會發生初次破斷，Lj即為老頂的初次斷裂步距。

當工作面上覆老頂斷裂后，可把工作面覆巖視為受均布荷載的懸臂梁，其力學模型如圖4所示。

圖4 懸臂梁力學模型

根據彈性力學知識能夠得出懸臂梁各向應力的表達式：

把 x=l，y=h/2 帶入式（5）得出 σx的表達式，當 σx達到巖層的極限抗拉強度[στ]時，此時上覆巖層便會發生斷裂，此時斷裂跨度LY即為老頂的周期來壓步距，表達式為：

當孤島工作面受到兩側采空區的影響程度不一致時，將上覆巖層視為非對稱T型結構，當兩側采空區對孤島工作面的影響程度相同時上覆巖層結構視為對稱T型結構，根據3205孤島工作面的具體情況，其兩側均為大面積的采空區，同時覆巖均在不同程度上存在斷裂現象，故可將3205孤島工作面覆巖視為對稱T型短臂結構。

3 3205孤島工作面礦壓實測及分析

3.1 礦壓觀測方案及頂板來壓判斷依據

為進一步準確的掌握3205工作面及回采巷道的礦壓規律，沿著工作面長度方向布置3個測區，10個測站；其中 14#、28#、42# 為上部Ⅰ測區，56#、70#、84#、98# 為中部Ⅱ測區，112#、126#、140# 為下部Ⅲ測區，具體測點位置及測區范圍如圖5所示。

圖5 測點布置位置示意圖

本次運用YHY60(B)礦用性數字壓力計在3205孤島工作面回采期間對綜采支架工作阻力進行測量，通過對礦壓觀測數據分析老頂的初次來壓步距L0以及周期來壓步距L1，初次來壓步距及周期來壓步距可通過以下步驟進行確定：（1）以觀測循環、日期以及工作面推進的長度為橫坐標，液壓支架的工作阻力為縱坐標繪制關系曲線，若曲線中存在有規律變化的峰值存在時，即代表存在老頂來壓現象；（2）初步判斷出老頂具有來壓現象后通過計算礦壓數據的平均值與方差來具體確定老頂來壓的峰值與步距。運用液壓支架的工作阻力判斷初次來壓與周期來壓時主要依據如下公式：

式中pτ'為支架的加權阻力；pτ為觀測期間全部支架支護阻力的加權平均值；δp為支護阻力的均方差。

對于頂板來壓強度的判定可通過動載系數k來衡量，動載系數的表達式為：

式中：k為動載系數；pm為頂板未來壓時支護的平均阻力；pc為頂板來壓時支護阻力的平均值；

3.2 3205孤島工作面回采期間礦壓規律分析

通過對3205孤島工作面回采時進行一個月的持續觀測得出的數據進行具體分析，并根據支架時間加權阻力加上均方差作為老頂來壓的判據px，為全面的反應工作面的礦壓規律對28#、70#、126#支架進行具體分析，28#、126#反應工作面兩端頭的礦壓情況，70#反應工作面中部的礦壓情況。

1）28#支架工作阻力分布曲線如圖6所示，由測得的支架工作阻力數據能夠得出支架的時間加權阻力為18.7，支架阻力的均方差為11.3，帶入式（7）能夠得出老頂來壓的判據為30.0MPa，結合28#支架工作阻力的分布曲線能夠老頂初次來壓步距為20.2m，監測期間周期來壓3次，周期來壓的平均步距為9.9m，頂板在來壓時的平均支護阻力為25.0MPa，未來壓時的平均支護阻力為14.3MPa，帶入式（8）能夠得出動載系數k為1.74。

圖6 28#支架工作阻力分布曲線

2）126#支架工作阻力分布曲線如圖7所示，同樣根據測得支架工作阻力的數據能得出時間的加權阻力為18.1MPa，均方差為11.1，頂板在未來壓時的平均支護阻力為14.1MPa，來壓時的平均支護阻力為24.6MPa，根據以上數據結合式（7）與式（8）能夠得出老頂來壓的判據為29.2MPa，，據此能夠得出126#支架的初次來壓步距為20.9m，30天內周期來壓為3次，周期來壓的平均步距為10m，動載系數k平均為1.75。

圖7126 #支架工作阻力分布曲線

3）70#支架工作阻力分布曲線如圖8所示，根據測得數據能夠得出支架時間加權阻力為15.6MPa，均方差為10.5，頂板在來壓時支架的平均支護阻力為21.8MPa，未來壓時的平均支護阻力為13.8MPa，根據上述數據帶入公式并結合支架工作阻力分布曲線能夠得出70#支架的初次來壓步距為23.5m，30天內的周期來壓次數為3次，平均周期來壓步距為10m，動載系數k為1.61。

圖8 70#支架工作阻力分布曲線

綜合上述分析得出在工作面回采期間，老頂在初次來壓后，隨著回采工作面的繼續推進裂隙帶巖層形成的結構將不斷的經歷相似的周期性的穩定—失穩—再穩定的變化過程，對28#、126#支架工作阻力具體分析得出3205孤島工作面端頭處平均初次來壓步距為20.5m，在來壓期間支架受到的最大工作阻力為30.3MPa；對70#支架的具體分析得出工作面中部的初次來壓步距為23.5m，在來壓期間支架工作阻力的最大值為30.4MPa，故在頂板來壓時工作面中部的來壓強度小于工作面兩端頭的來壓強度，并且端頭的來壓步距比中部的來壓步距要短，所以回采期間需要注意對工作面端頭的支護及管理工作。

4 結論

1）通過對3205孤島工作面上覆巖層的結構分析得出老頂初次來壓步距與周期來壓步距的計算表達式，并判斷出3205孤島工作面上覆巖層屬于短臂“T”型結構，工作面的周期來壓步距會較短，周期來壓會比較頻繁。

2）在工作面回采工作面推進期間，通過對觀測數據處理得出老頂來壓的判據，結合支架工作阻力曲線圖進行分析得出老頂的初次來壓步距在20～24m范圍，周期來壓步距在9.5m～10m范圍內。

3）根據分析3205孤島工作面端頭與中部的支架工作阻力曲線圖得出工作面兩端頭的來壓強度大于中部，端頭來壓步距比工作面中部短，故在回采期間應注意加強工作面兩端頭的圍巖控制。