西部鄂爾多斯礦區強礦壓顯現及頂板運動規律

高學鵬 于鳳海 任 強 張 闖 張遠志 羅波遠

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

鄂爾多斯盆地是典型弱膠結含煤地層分布地區，盆地內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雜，礦壓顯現也與淺埋深煤層差別較大。當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，承擔較大上覆巖層壓力，其運動容易導致采場出現強礦壓顯現。諸多學者對采場覆巖結構進行了大量研究，錢鳴高院士等［4-5］提出了關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，朱衛兵等［7］對大空間采場遠場關鍵層破斷結構進行了探討，于斌等［8］建立了“三角板”結構力學模型分析了遠場關鍵層對工作面強礦壓顯現的影響，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力，霍丙杰等［10］以遠場高位結構失穩條件為核心對堅硬頂板厚煤層采場進行來壓強度分機預測研究。與東部礦井相比，西部礦井采場覆巖運動也表現出一些不同特征。弱膠結巖石普遍具有膠結性差、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］通過矸石固結壓縮試驗得到了弱膠結巖石冒落、充填、壓實、固結規律，結果表明冒落充填體變形對覆巖運動及礦壓顯現具有重要影響。劉建功等［15］研究結果表明，當采空區密實充填率達到一定條件時，頂板不會產生斷裂，僅發生彎曲變形，形成連續的曲形梁。

紅慶梁煤礦11301首采工作面在前期推采中出現煤壁嚴重片幫和大面積支架泄液等強礦壓顯現，嚴重影響工作面回采進度，其礦壓顯現規律總結與覆巖結構研究成為必不可少的工作。因此，以工作面地質及開采條件為背景，以綜采液壓支架壓力分析為依據，總結推采過程中工作面礦壓顯現規律，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提供指導與借鑒。

1 工程地質概況

紅慶梁煤礦3-1煤層屬于侏羅紀中下統延安組煤層，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軟巖，主要由泥巖、砂質泥巖和礫巖層組成。弱膠結巖石具有原生裂隙多、膠結性差、易崩解等特征，與中東部地區同類巖石相比，受荷載破碎后初始碎脹程度顯著較高。根據巖石室內試驗結果，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內均為弱膠結軟巖，上部礫巖層巖石強度相對較高，且巖層厚度大，屬于高位頂板。

2 工作面強礦壓顯現演化規律

2.1 支架工作阻力演化規律

利用工作面KJ216頂板在線監測系統，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，支架循環末阻力變化曲線如圖2所示，由圖可知，300～340 m推采范圍內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果見表1，240～300 m范圍內頂板周期來壓整體較為規律，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，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，頂板來壓時易發生安全閥開啟泄液［16］，工作阻力曲線呈現出鋸齒狀波動，且現場工作面內部存在大面積支架泄壓現象。

2.2 煤壁片幫演化規律

11301首采工作面前期推采過程中礦壓顯現以煤壁片幫為主，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范圍內煤壁片幫呈現出形成時間短、深度大、范圍大等特點，直接導致工作面回采速度降低一半。根據檢修班調研，每日生產結束后的第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，具有層裂結構體破壞特征［17］；片幫深度多集中在0.3～1.0 m范圍內，最嚴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，且主要表現為個別支架前方煤壁片幫，無大范圍連續片幫。

2.3 強礦壓顯現原因分析

通過11301首采工作面煤壁片幫以及支架工作阻力變化可知，工作面強礦壓顯現是區域性的和特殊性的，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，礦壓顯現顯著增強。按照經驗，采場直接頂一般為采高的2～3倍，基本頂為采高的5～6倍。根據巖層柱狀分布，距煤層頂板0～9.5 m的砂質泥巖與細砂巖為直接頂，距煤層頂板9.5～24.7 m的砂質泥巖為基本頂。采場強礦壓顯現往往來自于上部主控巖層運動或失穩［18-19］。正常推采階段內，工作面周期來壓規律性明顯，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中的頂板主控巖層。由于礫巖層厚度較大且巖石強度高于上下部巖層，當其發生破斷時，上部細砂巖等較軟巖層隨動，導致上覆較大頂板荷載向采場內部傳遞，出現強礦壓顯現，如圖5所示。

3 高位礫巖層結構模型

3.1 礫巖層彎曲下沉撓度空間

根據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區域內。考慮到直接頂與基本頂為典型弱膠結軟巖，受荷載破碎后初始碎脹程度較高，冒落帶內矸石高度較大，礫巖層破斷結構中需要考慮下部基本頂對其的支承作用。

假設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，則礫巖層與采空區內基本頂之間的撓度空間h0可按式（1）計算，結果為0.75 m。考慮到工作面的大尺度回采空間，礫巖層在采空區內不可避免地發生彎曲下沉并觸矸。

式中，h為采高，3.6 m；KA1為直接頂碎漲系數，取1.30；KA2為基本頂碎漲系數，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，則根據礫巖層運動狀態，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，觸矸并持續彎曲下沉階段。如圖7所示，此階段內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，矸石持續壓縮，礫巖層破斷。根據矸石壓縮理論，松散狀態矸石會在自重以及頂板壓力下被緩慢壓縮，根據相關文獻［14］，冒落后的弱膠結巖石在0～2個月內壓縮量最大，矸石碎漲系數減少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，當礫巖層端部彎矩達到極限值時，礫巖層發生破斷。

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。由結構力學知識可知，該梁最大彎矩位于兩側固定端位置，即礫巖層在工作面煤壁上方位置處承受極限彎矩，最先發生破斷。

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

荷載q2單獨作用在固支端產生的彎矩為

假設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，且二者成正比關系，令ζ=b/l。，則ζ為固定常數，式（3）變為

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

由強度破壞準則可知，礫巖層破斷時滿足：

式中，W為梁的抗彎截面系數，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，根據垮落巖體碎脹系數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，矸石所受應力與其應變成近似指數函數關系，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ζ=b/l，并作為固定常數參與計算。

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

式中，k為巖體當前碎脹系數。

4 現場驗證

4.1 模型計算結果

根據11301首采工作面工程地質情況，結合本工作面礦壓顯現規律，礫巖層抗拉強度?。郐襱］=2.1 MPa；采空區垮落巖石初始碎脹系數為1.3，當前碎脹系數取k=1.2，并求得荷載q2為0.858 MPa；根據礫巖層下沉與垮落巖石壓縮量之間的關系，求得b0=0.56l，因此ζ=b/l=0.187；根據容重與巖層厚度計算荷載q1=γh=0.864 MPa。將相關參數代入式（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，超前順槽內首次出現嚴重的整體性圍巖破壞，具體表現為巷道煤體片幫、頂板下沉以及嚴重底鼓。結合工作面內部礦壓顯現，可推斷礫巖層實際破斷步距為320 m處。該位置處，超前順槽礦壓顯現如下：如圖11所示，11301回風順槽開采幫在超前7～12 m位置玻璃鋼錨桿發生破斷，煤塊向外拋出，形成嚴重片幫，片幫深度為1.7 m。頂板有頻繁的煤炮聲，超前0～10 m范圍內煤柱幫側存在顯著頂板下沉，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范圍內存在底鼓，超前0～30 m范圍內，巷道底鼓嚴重。

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位置吻合度較好，且與根據超前礦壓顯現確定的礫巖層破斷位置較為接近。證明了礫巖層運動是導致強礦壓顯現的主要原因，礫巖層運動過程及破斷步距的推導，可對11301工作面強礦壓期間采場及超前順槽支護設計提供依據，為高位頂板大周期礦壓顯現提供預報。

5 結論

（1）推采范圍300～340 m為工作面強礦壓顯現區域，主要表現為煤壁嚴重片幫、支架大面積泄液、底鼓等。強礦壓顯現期間，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+礫巖層主控巖梁構成了采場覆巖結構。直接頂與基本頂為典型弱膠結軟巖，巖體碎脹程度較高，冒落帶內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可分為3個階段，分別為：未觸矸階段、持續彎曲下沉階段、巖層破斷階段。

（3）建立了“軟巖基本頂+礫巖關鍵層”的上覆巖層結構及相應的力學計算模型。理論計算的礫巖層破斷步距為306.9 m，現場驗證為320 m，結果可為弱膠結地層條件下的超前支護設計和礦壓控制提供參考。