近距離煤層塊體結構頂板破斷規律研究

程健新

（新疆邢美礦業有限公司，新疆 巴音郭楞 841000）

0 引言

淺埋近距離煤層群重復采動覆巖破壞以及裂隙演化相比于單一煤層開采更加復雜，且復雜程度與近距離煤層數呈正相關，使得井工開采面臨著許多的技術難題[1-4]。而近距離煤層群覆巖結構又直接影響著覆巖破壞特征，因此近距離煤層群覆巖結構及失穩特征成為了目前眾多學者研究的主題，同時研究也取得了較大進展。劉長友等[5-7]建立了近距離煤層群多采空區頂板群結構失穩模型，并采用威爾多參數分布函數得出了頂板群結構失穩的影響因素，同時揭示了間隔巖層巖性結構對臺階錯動的影響機理；楊國樞等[8]對近距離煤層群二次開采時的頂板結構特征、活動規律以及礦壓顯現規律進行了研究，發現下部煤層采場覆巖在重復采動影響下將會形成“垮落帶疊加”結構；張春雷[9]針對近距離煤層上行開采時覆巖破壞特征進行了研究，發現上煤層開采完畢后覆巖破碎，難以形成結構，且覆巖離層高度的增加幅度較小；張百勝等[10]運用散體以及塊體理論，對近距離煤層下層煤工作面下位直接頂巖層結構穩定性進行了力學分析；黃慶享等[11,12]通過對淺埋近距離煤層進行礦壓監測首次發現了雙關鍵層以及大小周期來壓現象。

相關研究表明近距離煤層開采時，結合相鄰煤層之間巖層通過巖性以及其他物理力學性質可被視作塊體結構[13-15]。因此本文以貴州盤江礦區為工作背景，結合理論分析與數值模擬對近距離煤層在塊體結構頂板條件下覆巖破壞規律進行研究，以期為相似工程條件下提供理論依據。

1 近距離煤層頂板結構

相關學者將近距離煤層頂板根據上述破斷垮落類型以及煤層間夾層特點分為：散體結構、塊體結構以及板式結構。

當相鄰煤層之間無基本頂結構，或者煤層層間距小于4 m，巖性大多為泥巖等強度較低，沒有承載能力的頂板被稱為散體結構頂板。此類頂板在上部煤層推進過程中由于結構完整性較差，表現為隨采隨落，回采過程中礦壓顯現較小。

當相鄰煤層層間距為4～7 m，巖性多為粉砂巖或砂質泥巖的頂板時，夾層將具有一定的強度以及承載能力，在上部煤層回采過程中多呈塊體狀發生破斷、失穩，此時對下部煤層開采會造成一定影響，此類頂板被稱為塊體結構頂板。破斷形式具體如圖1所示，隨著煤壁的繼續推進發生周期性破斷、回轉。采高較小時形成“砌體梁”穩定結構，采高較大時形成“懸臂梁”結構。

當相鄰煤層層間距達到7 m以上，夾層巖性多為石灰巖、細砂巖、粉砂巖等高強度頂板時，具有較高強度與承載能力，此類頂板被稱為板式結構頂板。下部煤層覆巖完整性較好，圍巖強度高，但是由于頂板強度大，極限跨距大，因此工作面初次來壓時來壓現象較為劇烈，同樣對工作面安全生產造成了較大影響。

結合近距離煤層頂板結構劃分可知此時16號煤層工作面上覆巖層屬于塊體結構頂板。巖性柱狀圖如圖1所示：

圖1 巖性柱狀圖

在確定16號煤層工作面覆巖為塊體頂板前提下，相鄰煤層之間是否存在強度較高、厚度較大的巖層同樣對工作面頂板周期來壓劇烈程度有著直接影響，因此也成為了近距離煤層重復采動下工作面礦壓顯現的重要因素，掌握其物理性質及其運動規律能夠更好地改善采場圍巖應力條件。煤層間巖層結構如圖2、圖3所示：

圖2 煤層間有基本頂結構

圖3 煤層間無基本頂結構

2 近距離煤層下位工作面頂板穩定性分析

松河一礦位于貴州省盤江礦區，礦井地質構造復雜，斷層、褶皺分布較多。該礦某塊段15、16號為可采煤層，兩煤層平均厚度分別為2.5、2.0 m，兩煤層間距為6.0 m,該礦煤層開采屬于近距離煤層群開采。15號與16號煤層之間存在一層4 m厚，堅硬不易破壞的細砂巖層，可視為存在基本頂，因此16號煤層覆巖結構為基本頂作為直接頂的塊體結構。

針對極近距離煤層下層煤采場覆巖的結構特征建立“塊體”結構力學模型[10]如圖4所示，圖中A類塊體（x≤L/2），B類塊體（x＞L/2）。

圖4 “塊體”結構力學模型

A、B類塊體發生破斷失穩時所需要的豎向載荷集度qy為：

式中：H為塊體厚度；x為從坐標原點到任意橫截面距離；θ為塊體兩邊夾角；L為塊體沿x軸長度，a為塊體邊長；δt為巖石單軸抗拉強度。

由式1可知A類塊體破斷時所需的豎向載荷集度大于B類塊體，說明A類塊體較B類穩定性更強，相同應力條件下，B類塊體發生失穩的概率大于A類塊體，B類塊體失穩破壞后，A類塊體受壓增大發生破斷。因此近距離煤層塊體結構頂板失穩動態過程為：C失穩--B失穩--A受壓增大--A失穩--塊體結構失穩--頂板垮落。

3 數值模型建立

以松河一礦地質條件作為工程背景，利用3DEC模擬近距離煤層群開采中下位煤層頂板為塊體結構時，工作面圍巖破壞情況。根據工作面開采情況建立長150 m、寬100 m、高42 m的模型，模擬推進60 m，工作面長度為150 m。計算中塊體本構關系采用彈塑性摩爾-庫侖準則，節理本構關系采用節理面接觸-庫侖滑移模型，模型豎直方向上邊界為自由邊界，兩側邊界進行水平方向的位移約束；底部與兩側邊界進行位移約束；假定巖體初始應力主要由巖層自重以及構造應力引起，因此在模型上部邊界施加8 MPa的垂直應力。數值模型如圖5所示，煤巖體物理力學參數見表1。

圖5 數值模型

表1 巖層物理力學參數

4 塊體結構頂板破斷規律

隨著工作面的推進，直接頂逐漸達到極限跨距而發生垮落，對于16號煤層工作面來說，細砂巖巖層由于強度較大，不易垮落而可視為基本頂，此時利用3DEC軟件模擬16號煤層推進不同距離塊體結構頂板破壞下沉情況如圖6所示：

圖6 頂板垂直位移云圖

由圖6可看出，當工作面開挖10 m時，直接頂下部發生小范圍垮落，但塊體結構頂板上部分依舊存在承載能力，此時由于15號煤層底板為泥巖，底鼓現象較為嚴重。隨著工作面的繼續推進，直接頂垮落范圍增大，直至20 m時，直接頂大面積垮落，形成工作面初次來壓，來壓強度較小。此時15號煤層采空區進一步壓實，泥巖底板隨采空區一同下沉。在之后工作面持續推進過程中，頂板下沉量不斷加大，但是下沉速度逐漸減小。當直接頂位移持續增大直至壓實采空區時，開切眼后方5 m范圍內發生較大下沉，最大值為0.27 m，停采線前方2 m有0.1 m的下沉。縱觀16號煤層開采過程中，塊體頂板動態垮落過程與理論分析吻合，即C失穩--B失穩--A受壓增大--A失穩--塊體結構失穩--頂板垮落。且在頂板垮落過程中，塊體結構頂板具備一定的承載能力。

5 采場頂板控制

5.1 采用合適的液壓支架

為保證16號煤層工作面安全高效生產，必須選用安全系數高，支護效果好、適應性強的液壓支架。特此進行液壓支架選型如下：

1）支架支護強度。支架支護強度可由公式（1）進行計算[16,17]:

式中：P為支架支護強度，kN/m2；n1為增載系數，取2；R為細砂巖容重，取27 kN/m3；Σh為支架支護頂板厚度，8 m，可由Σh=M/（K-1）計算；M為工作面采高，取16號煤層平均厚度2 m;K為碎脹系數，取1.25。

代入公式（1）有：P=2×27×8=432 kN/m2

2）支架工作阻力。支架工作阻力可由公式（2）進行計算[18,19]:

式中：Q為支架工作阻力，kN；P為支架支護強度，取計算結果432 kN/m2；B為端面距，取0.3 m；L為頂梁長度，取3.795 m；B為支架中心距，取1.5 m；n2為支架效率，取0.98。

代入公式（2）有：

根據上述計算結果，采用ZY3800/15/33型支掩式液壓支架可有效支護16號煤層工作面頂板，此類型液壓支架工作阻力3 800 kN＞2 734.16 kN，可滿足工作面安全高效生產要求。

3）底板比壓驗算。底板比壓驗算可由公式（3）進行計算：

式中：Pd為支架底座作用于底板上的壓強，MPa；R1為所選支架工作阻力，取3 800 kN；L1為支架底座長度，取1.9 m；B為支架中心距，取1.5 m。

16號煤層工作面直接底為粉砂巖，抗壓強度為215 MPa。因此，通過底板比壓驗算，該型支架可滿足現場使用要求。根據工作面長度，共安設該型支架125個。ZY3800/15/33型液壓支架主要技術參數如表2所示。

5.2 采用液壓支架電液控制系統

16號煤層工作面液壓支架可配備ZDYZ型電液控制系統如圖7所示。該系統主要適用于大中型煤礦綜采工作面液壓支架的支護和移動，可在高瓦斯、煤塵爆炸危險環境中使用。該系統不需配置服務器、不需安裝順槽控制中心便可獨立運行，各支架控制器之間通過現場總線進行通信，達到彼此交換數據、相互控制的目的。通過與支架控制一樣的現場總線，便可與巷道控制中心聯網，構成與刮板輸送機、皮帶輸送機、轉載機、破碎機、采煤機、泵站等井下設備的聯動功能，實現整個工作面的綜合自動化采煤。系統還可與地面監控中心進行數據傳輸，實現各工作面、各礦井采煤過程的聯網監控，井上遠程監控中心能實時獲取井下各支架的數據，顯示各支架的動作流程，各支架所有閥門的接通和關閉狀態，各支架的立柱壓力、推桿行程和采煤機的位置。可大大增加工作面開采的智能化以及安全性。

表2 ZY3800/2015/33D型液壓支架主要技術參數

圖7 ZDYZ液壓支架電液控制系統

5.3 注漿加固

當16煤層工作面推進過程中遇到頂板破碎帶的時候，可采用注漿加固的方式提高頂板整體性，從而達到頂板的加固效果。注漿材料可選用雙組分高分子聚亞胺脂材料-馬麗散，2種組通過注漿方式注入頂板破碎帶，自身發生快速反應將破碎的巖塊粘結在一起，提高破碎頂板整體性。注漿加固效果好壞主要取決于注漿壓力、孔位以及封孔位置等因素，是提高工作面頂板和完整性的最有效手段。

5.4 輔助措施

加強井下監測系統，通過工作面壓力的實時監測以掌握工作面實際來壓步距，在來壓前提前采取措施手段對頂板進行加固，必要情況下也可對工作面煤壁進行加固。對液壓支架工作阻力、支護仰角、俯角等進行實時檢測，確保液壓支架以最好的工作狀態參與生產。同時工作面推進速度的適當加快也可以一定程度上減少頂板的變形量。及時支護以及打開護幫板可確保支架對頂板實時支護，預防頂板垮落與煤壁片幫，從而提高煤壁對頂板的支撐作用。

6 結論

1）近距離煤層群下部煤層的覆巖結構可分為有基本頂與無基本頂2種情況，無基本頂結構時采場直接頂上方均為散體結構，有基本頂時，采高較小、較大時分別會形成“砌體梁”以及“懸臂梁”結構。

2）塊體結構頂板動態垮落過程為C失穩--B失穩--A受壓增大--A失穩--塊體結構失穩--頂板垮落。

3）16號煤層工作面初次來壓步距為20 m，塊體頂板具有一定承載能力，加上15號煤層采空區卸壓作用使得16號煤層工作面來壓程度較小。

4）16號煤層工作面采用ZY3800/2015/33D型液壓支架搭配ZDYZ型電液控制系統，以及配合注漿加固等頂板控制措施可有效對采場圍巖穩定性進行加固。