西部鄂尔多斯矿区强矿压显现及顶板运动规律_高学鹏.pdf

收稿日期2020-04-05 基金项目国家自然科学基金项目 （编号 51704181） ， 国家自然科学基金面上项目 （编号 51874190） ， 山东省自然科学基金项目 （编号 ZR2019QEE026） ， 山东省泰山学者工程专项经费资助项目 （编号 ts201511026） 。 作者简介高学鹏 （1994） ， 男， 硕士研究生。通讯作者于凤海 （1986） ， 男， 副教授， 硕士研究生导师。 总第 528 期 2020 年第 6 期 金属矿山 METAL MINE 西部鄂尔多斯矿区强矿压显现及顶板运动规律 高学鹏 1， 2 于凤海 1， 2 任强 3 张闯 3 张远志 3 罗波远 31 （1. 矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室， 山东 青岛 266590； 2. 矿业工程国家级实验教学示范中心， 山东 青岛 266590； 3. 鄂尔多斯市昊华红庆梁矿业有限公司， 内蒙古 鄂尔多斯 014300） 摘要矿山压力显现研究对于围岩控制与动力灾害防治必不可少。为研究西部鄂尔多斯矿区矿压显现及 顶板运动规律， 基于红庆梁矿现场调研， 分析了强矿压显现演化规律及其原因， 建立了 “软岩基本顶砾岩关键层” 的覆岩结构及相应的计算模型。基于采空区矸石压缩变形理论， 确定了下部垮落岩体对砾岩层的支承荷载参数并 推导了砾岩层破断步距表达式。研究结果表明 受上覆硬厚砾岩层运动影响， 300～340 m推采范围为工作面强矿压 显现区域， 支架大面积泄液与煤壁大面积片帮为强矿压主要显现形式， 最大片帮深度达1.5 m。采空区垮落岩体对 砾岩层有一定的支承作用， 影响砾岩层的弯曲下沉及其破断步距， 在此条件下的砾岩层运动过程可分为3个阶段， 分别为未触矸阶段、 持续弯曲下沉阶段、 砾岩层破断阶段。模型计算的砾岩层破断步距为306.9 m， 现场验证为320 m。上述研究可为相似地质条件下的超前支护设计和矿压显现控制提供参考。 关键词强矿压顶板下沉矸石压缩弱胶结岩层岩层运动 中图分类号TD325文献标志码A文章编号1001-1250 （2020） -06-191-07 DOI10.19614/ki.jsks.202006030 Strata Movement Law and Strong Ground Behavior in Western Ordos Coalfield Gao Xuepeng1， 2Yu Fenghai1， 2Ren Qiang3Zhang Chuang3Zhang Yuanzhi3Luo Boyuan32 （1. State Key Laboratory of Mining Disaster Prevention and Control Co-founded by Shandong Province and the Ministry of Science and Technology， Qingdao 266590， China； 2. National Demonstration Center for Experimental Mining Engineering Education， Qingdao 266590， China； 3. Ordos Haohua Hongqingliang Mining Co.， Ltd.， Ordos 014300， China） AbstractTo understand the ground behavior is essential for surrounding rock control and dynamic disaster preven⁃ tion，the evolution law and causes of strong ground behavior in wester Ordos Coalfield are researched through in-situ investi⁃ gation in Hongqingliang Coal Mine． Then，the overlying strata structure of“soft main roof conglomerate key strata”is es⁃ tablished as well as the corresponding analytical calculation model． Based on the theory of gangue compression and dea⁃ tion in goaf，the supporting load parameters of the lower collapsed rock mass to the conglomerate layer are determined and the expression of the fracture step distance of the conglomerate layer is derived． The results show that under impact by the movement of the overlying hard and thick gravel layer，the stoping range from 300 m to 340 m experiences the strong ground behavior in the mining face． Large area drainage of support and large area of coal wall spalling are the main s of strong mine pressure， with the maximum spalling depth up to 1．5 m． The caved rock also supports the conglomerate strata， affecting the bending and sagging process． The evolution process of the conglomerate strata can be divided into three stages，i．e． un⁃ touching gangue stage，continuous deation stage and conglomerate breaking stage． The theoretically calculated caving span of conglomerate strata is 306．9 m，and the field investigation is 320 m． The results can provide a reference for advanced support design and ground pressure control under weakly cemented strata condition． KeywordsStrong ground pressure， Roof bedding， Gangue compression， Weakly cemented strata， Strata movement Series No． 528 June 2020 鄂尔多斯盆地是典型弱胶结含煤地层分布地 区， 盆地内部主要以浅埋深矿井为主 ［1-3］。随着部分 矿井开采深度逐渐增大， 开采煤层顶板条件更加复 杂， 矿压显现也与浅埋深煤层差别较大。当软岩顶 191 ChaoXing 金属矿山2020年第6期总第528期 板上部存在一层强度较大的岩层时， 往往作为主控 岩层存在， 承担较大上覆岩层压力， 其运动容易导致 采场出现强矿压显现。诸多学者对采场覆岩结构进 行了大量研究， 钱鸣高院士等 ［4-5］提出了关键层理论 和砌体梁理论， 宋振骐院士等 ［6］建立了传递岩梁运动 理论体系， 朱卫兵等 ［7］对大空间采场远场关键层破断 结构进行了探讨， 于斌等 ［8］建立了 “三角板” 结构力学 模型分析了远场关键层对工作面强矿压显现的影 响， 冯强等 ［9］基于弹性地基梁分析了坚硬顶板岩梁的 变形与内力， 霍丙杰等 ［10］以远场高位结构失稳条件 为核心对坚硬顶板厚煤层采场进行来压强度分机预 测研究。与东部矿井相比， 西部矿井采场覆岩运动 也表现出一些不同特征。弱胶结岩石普遍具有胶结 性差、 强度低、 易崩解等特性， 矸石冒落形成的块体 较小， 初始碎胀系数较大 ［11-12］。黄庆享等［13］将直接顶 分为充分充填型和一般充填型两类， 孙利辉等 ［14］通 过矸石固结压缩试验得到了弱胶结岩石冒落、 充填、 压实、 固结规律， 结果表明冒落充填体变形对覆岩运 动及矿压显现具有重要影响。刘建功等 ［15］研究结果 表明， 当采空区密实充填率达到一定条件时， 顶板不 会产生断裂， 仅发生弯曲变形， 形成连续的曲形梁。 红庆梁煤矿11301首采工作面在前期推采中出 现煤壁严重片帮和大面积支架泄液等强矿压显现， 严重影响工作面回采进度， 其矿压显现规律总结与 覆岩结构研究成为必不可少的工作。因此， 以工作 面地质及开采条件为背景， 以综采液压支架压力分 析为依据， 总结推采过程中工作面矿压显现规律， 建 立高位砾岩层破断运动模型， 为11301首采工作面及 周边相似矿井安全高效生产提供指导与借鉴。 1工程地质概况 红庆梁煤矿3-1煤层属于侏罗纪中下统延安组 煤层， 埋深458～538 m， 厚度为2.96～6.50 m。11301首 采工作面走向长度3 873 m， 斜长300 m。巷道为双巷 布置， 本工作面顺槽与临近顺槽间隔20 m煤柱。切 眼位置附近顶板岩层分布情况如图1所示， 工作面煤 层顶板为典型弱胶结软岩， 主要由泥岩、 砂质泥岩和 砾岩层组成。弱胶结岩石具有原生裂隙多、 胶结性 差、 易崩解等特征， 与中东部地区同类岩石相比， 受 荷载破碎后初始碎胀程度显著较高。根据岩石室内 试验结果， 泥岩厚度为1.4～12.6 m， 抗压强度为15.53 MPa， 抗拉强度1.43 MPa； 砂质泥岩厚度为0～18.4 m， 抗压强度为16.21 MPa， 抗拉强度1.29 MPa。3-1煤顶 板0～24.7 m内均为弱胶结软岩， 上部砾岩层岩石强 度相对较高， 且岩层厚度大， 属于高位顶板。 2工作面强矿压显现演化规律 2. 1支架工作阻力演化规律 利用工作面KJ216顶板在线监测系统， 分别在工 作面中部及上下两端头各选取2个液压支架进行工 作阻力监测， 支架额定工作阻力为13 000 kN， 额定初 撑力为7 000 kN。以工作面中部80支架为例， 支架 循环末阻力变化曲线如图 2 所示， 由图可知， 300～ 340 m推采范围内支架工作阻力明显高于240～300 m 推采范围。 所选取的 6 个支架工作阻力分析结果见表 1， 192 ChaoXing 2020年第6期高学鹏等 西部鄂尔多斯矿区强矿压显现及顶板运动规律 240～300 m范围内顶板周期来压整体较为规律， 平均 周期来压步距为14.7 m， 平均周期来压强度为12 595 kN； 300～340 m推采范围内， 顶板周期来压步距减小 为11.5 m， 平均来压强度则增加为12 905 kN， 最大值 达到13 213 kN。 图3为强矿压显现期间工作面整体支架压力频 度分布随时间变化曲线。由图3可知工作面支架压 力整体呈现出先增大后减小趋势， 且工作面中部支 架受力大于两端支架受力。由于支架为恒阻支架， 顶板来压时易发生安全阀开启泄液 ［16］， 工作阻力曲 线呈现出锯齿状波动， 且现场工作面内部存在大面 积支架泄压现象。 2. 2煤壁片帮演化规律 11301首采工作面前期推采过程中矿压显现以 煤壁片帮为主， 如图4所示， 工作面推采至300～340 m 时存在大范围严重片帮， 反映上覆顶板岩层压力增 加。与240～300 m推采范围相比， 300～340 m范围内 煤壁片帮呈现出形成时间短、 深度大、 范围大等特 点， 直接导致工作面回采速度降低一半。根据检修 班调研， 每日生产结束后的第0～2 h为片帮形成的集 中时间， 比180～300 m范围提前至少1 h； 片帮位于煤 壁正中部， 呈倒V形凹陷状， 具有层裂结构体破坏特 征 ［17］； 片帮深度多集中在0.3～1.0 m范围内， 最严重时 局部片帮深度可达1.5 m。而180～300 m范围片帮深 度主要集中在0～0.5 m范围内， 且主要表现为个别支 架前方煤壁片帮， 无大范围连续片帮。 2. 3强矿压显现原因分析 通过11301首采工作面煤壁片帮以及支架工作 阻力变化可知， 工作面强矿压显现是区域性的和特 殊性的， 在顶板岩层条件和工作面支护条件不变的 情况下， 工作面推采至300～340 m范围内， 矿压显现 显著增强。按照经验， 采场直接顶一般为采高的2～3 倍， 基本顶为采高的5～6倍。根据岩层柱状分布， 距 煤层顶板0～9.5 m的砂质泥岩与细砂岩为直接顶， 距 煤层顶板9.5～24.7 m的砂质泥岩为基本顶。采场强 矿压显现往往来自于上部主控岩层运动或失稳 ［18-19］。 正常推采阶段内， 工作面周期来压规律性明显， 且无 支架大面积泄液与工作面大面积片帮， 基本顶不是 强矿压显现中的顶板主控岩层。由于砾岩层厚度较 大且岩石强度高于上下部岩层， 当其发生破断时， 上 部细砂岩等较软岩层随动， 导致上覆较大顶板荷载 向采场内部传递， 出现强矿压显现， 如图5所示。 3高位砾岩层结构模型 3. 1砾岩层弯曲下沉挠度空间 根据砾岩层厚度及工作面开采斜长等几何特 征， 采用岩梁模型将其进行简化， 并假定砾岩层破断 位置位于工作面强矿压显现区域内。考虑到直接顶 与基本顶为典型弱胶结软岩， 受荷载破碎后初始碎 胀程度较高， 冒落带内矸石高度较大， 砾岩层破断结 构中需要考虑下部基本顶对其的支承作用。 193 ChaoXing 金属矿山2020年第6期总第528期 假设直接顶完全破碎冒落， 基本顶仅开裂， 仍以 较完整的砌体块存在， 处于完全无碎胀状态， 则砾岩 层与采空区内基本顶之间的挠度空间h0可按式 （1） 计 算， 结果为 0.75 m。考虑到工作面的大尺度回采空 间， 砾岩层在采空区内不可避免地发生弯曲下沉并 触矸。 h0h- （KA1-1） mZ- （KA2-1） mE，（1） 式中， h 为采高， 3.6 m； KA1为直接顶碎涨系数， 取 1.30； KA2为基本顶碎涨系数， 取1； mZ为直接顶厚度， 9.5 m； mE为基本顶厚度， 15.2 m。 3. 2砾岩层运动过程 假设砾岩层受均布荷载q1， 下部岩层充分冒落， 且对砾岩层有一定的支承作用， 则根据砾岩层运动 状态， 可将其分为3个运动阶段。 阶段Ⅰ， 未触矸阶段。如图6所示， 此阶段位于 回采初期， 直接顶与基本顶在初采期间将冒落带充 填， 留给砾岩层岩板弯曲下沉的挠度空间为h0， 由于 回采距离较小， 砾岩层弯曲下沉量小， 砾岩层未触 矸。 阶段Ⅱ， 触矸并持续弯曲下沉阶段。如图 7 所 示， 此阶段内由于回采长度逐渐增加， 砾岩层弯曲下 沉量Δh增加， Δh＞h0时， 砾岩层触矸。触矸后砾岩层 受到下部岩层的支承作用力q2， 无法继续自由弯曲下 沉， 其弯曲下沉量开始受矸石压缩量控制。 阶段Ⅲ， 矸石持续压缩， 砾岩层破断。根据矸石 压缩理论， 松散状态矸石会在自重以及顶板压力下 被缓慢压缩， 根据相关文献 ［14］ ， 冒落后的弱胶结岩 石在0～2个月内压缩量最大， 矸石碎涨系数减少0～ 0.2。因此砾岩层弯曲下沉量Δh仍旧会通过下部矸 石压缩继续增加， 且推采长度增加， 砾岩层上部承载 的总荷载增加。如图8所示， 当砾岩层端部弯矩达到 极限值时， 砾岩层发生破断。 3. 3砾岩层破断步距 考虑到砾岩层的弯曲下沉特性及下部垮落岩体 对其支承特性， 如图9所示， 可将砾岩层受力模型等 效成上部受均布荷载q1， 下部受均布荷载q2的两端固 支梁模型， 岩层破断前， 下部冒落岩层承载大部分的 上覆岩层压力， 固支梁自身承载一小部分上覆岩层 压力。由结构力学知识可知， 该梁最大弯矩位于两 侧固定端位置， 即砾岩层在工作面煤壁上方位置处 承受极限弯矩， 最先发生破断。 根据材料力学线性叠加原理， 固支梁承受的总 弯矩为荷载q1与荷载q2分别作用时产生的弯矩线性 叠加总和。荷载q1单独作用在固支端产生的弯矩为 M1q1l2/12.（2） 荷载q2单独作用在固支端产生的弯矩为 M2q2l2（3-6b/lb3/l3） /24 .（3） 假设砾岩层受冒落岩体支承长度 b 随着工作 面推采长度 l增加而增加， 且二者成正比关系， 令 ζ b/l。 ， 则ζ为固定常数， 式 （3） 变为 M2q2l2（3-6ζζ3） /24.（4） 假设砾岩层在工作面推进至lL位置时发生破 断， 则砾岩层破断前所承载的极限弯矩为 MSM1-M2L2［2q1-q2（3-6ζζ3） ］ /24.（5） 由强度破坏准则可知， 砾岩层破断时满足 MS/W≥ ［σt］ ，（6） L2［2q1-q2（3-6ζζ3） ］ /24≤ ［σt］ W，（7） 式中， W为梁的抗弯截面系数， Wh2/6 （截面宽度默认 为1） ， m3。 因此， 砾岩层的破断步距满足 L≤2h ［σt］ 1/2/ ［2q 1-q2（3-6ζζ 3） ］1/2. （8） 由式 （8） 可知， q2与ζ为未知量。如图10所示， 根 据垮落岩体碎胀系数变化求出砾岩层下沉量Δh1， 利 用图中相似三角形原理可求出在荷载q2条件下采空 区垮落岩体对砾岩层的支承范围b0。由矸石压缩试 验曲线可知， 矸石所受应力与其应变成近似指数函 194 ChaoXing 2020年第6期高学鹏等 西部鄂尔多斯矿区强矿压显现及顶板运动规律 数关系， 为了方便计算对其进行等效处理， 等效为宽 度为bb0/3， 荷载大小为P的均布荷载， 进而求得参数 ζb/l， 并作为固定常数参与计算。 荷载 q2与采空区矸石压缩变形有关， 郭广礼 等 ［20］总结采空区破碎岩体应力与碎胀系数满足对数 函数关系kalnPb， 汪北方等 ［21］通过相似材料试验 得到西部神东矿区垮落岩体碎胀系数与应力拟合关 系式k1.184-0.24lnP。因此， 荷载q2可按式 （9） 求出。 q2exp ［ （1.184-k） /0.24］ .（9） 式中， k为岩体当前碎胀系数。 4现场验证 4. 1模型计算结果 根据11301首采工作面工程地质情况， 结合本工 作面矿压显现规律， 砾岩层抗拉强度取［σt］2.1 MPa； 采空区垮落岩石初始碎胀系数为1.3， 当前碎胀 系数取 k1.2， 并求得荷载 q2为 0.858 MPa； 根据砾岩 层下沉与垮落岩石压缩量之间的关系， 求得b00.56 l， 因此ζb/l0.187； 根据容重与岩层厚度计算荷载q1 γh0.864 MPa。将相关参数代入式 （8） 求得 11301 首采工作面砾岩破断步距为L306.9 m。 4. 2砾岩层实际破断位置 11301工作面推采至320 m位置时， 超前顺槽内 首次出现严重的整体性围岩破坏， 具体表现为巷道 煤体片帮、 顶板下沉以及严重底鼓。结合工作面内 部矿压显现， 可推断砾岩层实际破断步距为 320 m 处。该位置处， 超前顺槽矿压显现如下 如图 11所 示， 11301回风顺槽开采帮在超前7～12 m位置玻璃钢 锚杆发生破断， 煤块向外抛出， 形成严重片帮， 片帮 深度为1.7 m。顶板有频繁的煤炮声， 超前0～10 m范 围内煤柱帮侧存在显著顶板下沉， 因此局部采用单 体液压支柱加强支护， 如图12所示。 如图13和图14所示， 巷道在超前120 m范围内 存在底鼓， 超前0～30 m范围内， 巷道底鼓严重。 距离工作面不同位置处巷道底鼓量变化如图15 所示， 根据底鼓量的差异， 顶板超前支承压力影响范 围为 120 m， 对巷道影响较强烈的范围为超前 0～30 m。 模型计算的砾岩层理论破断步距与11301首采 工作面强矿压显现位置吻合度较好， 且与根据超前 195 ChaoXing 矿压显现确定的砾岩层破断位置较为接近。证明了 砾岩层运动是导致强矿压显现的主要原因， 砾岩层 运动过程及破断步距的推导， 可对11301工作面强矿 压期间采场及超前顺槽支护设计提供依据， 为高位 顶板大周期矿压显现提供预报。 5结论 （1） 推采范围 300～340 m为工作面强矿压显现 区域， 主要表现为煤壁严重片帮、 支架大面积泄液、 底鼓等。强矿压显现期间， 顶板周期来压步距减小， 支架平均工作阻力增加， 顶板来压强度增加， 最大为 13 213 kN。 （2） 软岩基本顶砾岩层主控岩梁构成了采场覆 岩结构。直接顶与基本顶为典型弱胶结软岩， 岩体 碎胀程度较高， 冒落带内垮落岩体对砾岩层有一定 的支承作用， 限制了砾岩层弯曲下沉。因此砾岩层 运动状态可分为3个阶段， 分别为 未触矸阶段、 持续 弯曲下沉阶段、 岩层破断阶段。 （3） 建立了 “软岩基本顶砾岩关键层” 的上覆岩 层结构及相应的力学计算模型。理论计算的砾岩层 破断步距为306.9 m， 现场验证为320 m， 结果可为弱 胶结地层条件下的超前支护设计和矿压控制提供参 考。 参 考 文 献 张伟， 杨富强， 蔡来生， 等．红庆梁煤矿弱胶结地层煤巷锚网 支护研究 ［J］ ．煤矿安全， 2018， 49 （10） 45-49． Zhang Wei， Yang Fuqiang， Cai Laisheng， et al．Research on support of anchor net in weak cemented coal roadway in Hongqingliang Coal Mine ［J］ ． Safety in Coal Mines， 2018， 49 （10） 45-49． 刘全明， 于雷．浅埋深综放采场覆岩结构对矿压显现规律的 影响 ［J］ ．煤炭科学技术， 2017， 45 （3） 20-25． Liu Quanming，Yu 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