复杂地表下空区下伏采场围岩控制研究_闫东东.pdf

煤矿现代化2020 年第 2 期总第 155 期 0引言 我国华北西北地区煤层均赋存深度较浅， 相较于 西北地区煤炭资源开发历史， 华北各个矿区的浅埋煤 层开发较早， 至今， 除去少部分矿井之外， 大多数矿井 均已进入下组煤的开采阶段。 华北地区由于地处黄土 高原， 地表由于长时间的水流冲刷与风化效应， 华北 各个矿井地表地貌沟壑纵横， 冲沟地貌比较普遍。随 着黄庆享教授等[1][2]关于浅埋煤层覆岩 “台阶岩梁” 以 及 “双关键层” 理论的提出， 浅埋条件下液压支架工作 阻力以及采场围岩稳定性控制均得到了成熟运用， 但 其支架工作阻力中， 关于载荷因子 k 的引入， 带有较 为明显的随机性与不确定性， 无法准确地推导出支架 上覆岩层的载荷。朱卫兵教授[3]就浅埋复杂地貌下的 支架 “向沟” 、“背沟” 阶段的工作阻力变化， 进行了深 入研究， 认为支架 “背沟” 段工作阻力极剧上升， 这在 诸多矿井的工作实践中， 得到了充分验证。但是就浅 埋复杂地表下的空区下采场围岩控制特别是液压支 架工作阻力的确定鲜少研究， 笔者尝试从材料力学角 度对这一问题进行初步解释， 以期对该覆岩条件下的 工作面工作阻力进行确定。 本文依托西曲矿生产实际， 结合综采采场底板破 坏理论， 对浅埋复采地貌下空区下采场顶板结构进行 了初步分析， 并结合 “普氏矿压” 理论， 提出了工作面 液压支架顶梁上方的 “应力卸荷拱” 理论， 认为该 “卸 荷拱” 起到了保护工作面液压支架的作用， 而液压支 架只需要承担 “卸荷拱” 内部岩石重量。 并据此计算工 作面液压支架工作阻力， 在西曲矿 28301 工作面成功 运用。 1工程概况 西曲矿 28301 工作面主采 8 煤，平均煤厚 4.2m。 地 面 标 高 1193～1307m， 工 作 面 标 高 1044～1124m， 最大埋深 263m， 最小埋深 109m， 工作 面走向长度 895m， 倾向长度 220m， 地表地貌沟壑分 布密集， 见图 1， 工作面井上位于长港村东南部， 刷刷 港村西北部， 王马市村西南部。上覆 4 煤采空区， 4 煤层采高为 2.5m， 工作面平均长度 200m， 采用综合 机械化采煤法， 全部垮落法管理顶板， 同时由于 4 煤 煤质较好， 已对 4 煤的区段煤柱进行了回收， 两层煤 复杂地表下空区下伏采场围岩控制研究 闫 东 东 （山西西山煤电股份有限公司西曲矿 ，山西 古交 030200 ） 摘要 本文依托西曲矿生产实际， 采用现场调研的方法， 对 28301 工作面生产条件以及地表破坏状 态进行了统计分析， 结合理论计算的方法， 对浅埋复采地貌下空区下采场顶板结构进行了初步分析， 并结合 “普氏矿压” 理论， 提出了工作面液压支架顶梁上方的 “应力卸荷拱” 理论。 据此计算工作面液压 支架工作阻力， 在西曲矿 28301 工作面成功运用。 关键词 工作阻力 ； 覆岩结构 ； “应力卸荷拱” 中图分类号 TD353文献标识码文章编号 1009- 0797 （2020 ） 02- 0024- 03 Study on Surrounding Rock Control of Underlying Stope in Goaf under Complex Surface YAN Dongdong （Shanxi Xishan Coal and Power Co., Ltd..Xiqu Mine , Shanxi Gujiao 030200 ） Abstract Based on the production practice of Xiqu Mine and the of field investigation, this paper makes statistical analysis on the production conditions and surface damage state of28301 working face. Combined with the oftheoretical calculation, this paper makes a preliminary analysis on the roof structure of the stope belowthe goaf under the Shallow- buried duplicate mining land. Combining with the theory of “Pus rock pressure“, the paper puts forward the “stress relief arch“ above the roof beam of hydraulic support in working face. Theory. Based on this, the working resistance of hydraulic support in working face is calculated and successfully applied in 28301 working face ofXiqu Coal Mine. Keywords Workingresistance; Overburden structure; “Stress unloadingarch“ 24 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 2 期总第 155 期 间距 20～50m， 平均 30m， 两煤层之间为泥岩与炭质泥 岩互层。28301 工作面范围内矿井 J- 1 号钻孔及两顺 槽揭露煤层结构情况， 工作面范围内煤层厚度稳定， 局部有 1～2 层块状夹矸，煤层普氏系数为 0.5～0.8， 工作面顶底板厚度与岩性见表 1。矿井坑透 CT 显 示， 除上覆 4 煤采空区外， 工作面范围内未出现无 线电波异常区， 说明该范围内无明显地质构造， 无断 层与陷落柱揭露，工作面范围内地质条件与水文地 质情况简单。 表 1煤层顶底板特性表 图 128301 工作面地表地貌 2岩石力学实验 在 28301 工作面回风顺槽巷道围岩较为完整段， 选取合适位置钻取煤岩样， 并在实验室加工为标准试 件后， 进行煤岩样的力强度测试， 如图 2 所示。 岩石力 学参数见表 2。 （a ）岩石力学试件（b）抗拉实验 （c ）抗压实验（d）抗剪实验 图 2实验室岩石力学实验图 表 2岩石物理、 力学性质试验成果表 328301 工作面覆岩结构 西曲矿 28301 工作面上覆 4 煤层在 2006 年采 空， 由于 4 煤层埋藏深度浅， 受到采动影响后， 覆岩 裂隙发育至地表。在地表形成错综复杂的地表裂缝， 局部较为严重槽型塌陷，同时由于黄土地貌较为复 杂，槽型塌陷在边坡位置形成采动滑坡灾害。28301 工作面地表裂隙最大落差 1.1m， 最大宽度 1.3m， 最大 塌陷坑呈长 7m、 宽 3m的矩形分布， 最大深度 0.8m。 [4] 图 328301 工作面回采时覆岩结构 综合上文统计西曲矿地表在 4 煤采动后，覆岩 垮落直达地表， 可见 4 煤覆岩全部垮落， 不能形成稳 定的承载结构， 见图 2。 上覆岩层垮落带较厚， 则可以 起到较为突出的 “垫层” 作用， 有效吸收上覆已断裂的 关键大块体突然失稳所产生的冲击能量， 可以有效保 护 8 煤层工作面回采时不受冲击载荷作用。 同时， 该 “垫层” 有着平衡载荷的作用， 在对上覆复杂地表产生 的严重不均匀载荷， 进行重平衡， 经过平衡后载荷可 视为平均载荷。 44 煤底板破坏深度 由于两煤层之间为平均厚度达 30m 的泥岩与炭 质泥岩互层， 上覆 4 煤层工作面在回采过程中， 受到 工作面回采采动应力的影响， 4 煤层工作面底板已 经大规模破坏， 底板破坏深度计算见式 （1 ） [5]。 hκ0.00911H0.044α-0.3113f7.9291lnL/24（1 ） 式中 h 为 4 煤层工作面底板破坏深度， m； κ 为 重复采动系数， 由于 4 进行了煤柱回收作业， 该处取 1.5； H 为 4 煤层盖山厚度，取最大深度 243 m； α 为 4 煤层最大倾角，取 5m； f 为 4 煤层底板普氏系 数， 取 1.6； L为 4 煤层工作面平均长度， 200m； 代入数据可得， 4 煤层最大底板破坏深度为 28.125m，同时， 4 与 8 煤工作面最大间距为 30m， 顶底板 名称 岩石名称 厚度 （m ） 岩 性特征 老顶炭质泥岩1.25黑色炭质泥岩， 含植物化石。 直接顶泥岩3.85深灰色泥岩， 裂隙发育， 富含植物化石。 伪顶泥岩0.60深灰色泥岩， 层面有铁矿薄膜， 含植物化石。 直接底中粒砂岩2.08灰白色中砂岩， 成分以石英为主， 分选中等。 老底炭质泥岩0.70黑色炭质泥岩， 夹煤层与炭质泥岩混在一块。 采样点岩性抗压强度/MPa抗拉强度/MPa内磨擦角/ 8 煤老顶泥岩 16.71.73028′ 8 煤 煤12.21.472936′ 8 煤直接底中粒砂岩 50.04.783340′ 25 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 2 期总第 155 期 则可认为 4 煤层与 8 煤层之间的稳定岩层，只有 8 煤上覆 1.785m厚的泥岩与炭质泥岩互层。 528301 工作面支架工作阻力确定 由表 2 可知， 8 上方岩层强度较弱， 在工作面回 采过程中，受到工作面超前支承压力的影响，上覆 1.785m厚的泥岩与炭质泥岩互层会成散体状态。 结合前文所述， 则工作面回采工程中， 其上覆岩 层均为散体状态， 结合 “普氏矿压” 理论， 则可认为在 工作面液压支架顶梁上方形成了一定高度的 “应力卸 荷拱” ， 该 “卸荷拱” 起到了保护工作面液压支架的作 用， 而液压支架只需要承担 “卸荷拱” 内部岩石重量即 可， 则建立如下理论模型。 图 428301 工作面顶板 “卸荷拱” 示意图 “应力卸荷拱” 高度可按下式计算 h a f （2 ） 式中 h 为 “应力卸荷拱” 高度， m； a 为液压支架 顶梁宽度之半，取 2.7m； f 为散体覆岩普氏系数， 取 0.08[6]。 带入计算可得， 工作面液压支架顶梁上方，“应力 卸荷拱” 高度为 33.75m。则可认为， 工作面液压支架 最大只需承担高度为 33.75m的散体重量，则支架载 荷可按下式计算 qHγ （3 ） 式中 q 为工作面支架载荷， MPa； H 为“应力卸 荷拱”高度，取 33.75m； γ 为散体覆岩平均容重， 取 18kN/m3[6]。 带入计算可知， 工作面支架载荷为 0.61MPa。则 工作面液压支架工作阻力可按下式计算 PqBL（4 ） 式中P 为工作面阻力， kN； q 为工作面支架载 荷， 0.61MPa； B 为液压支架中心距， 取 1.5m； L 为工作 面最大控顶距， 5.4m。 带入数据计算可知， 工作面液压支架工作阻力为 4941kN。 西曲矿现有 ZY5600 支架故满足 28301 工作面 使用要求。 截止目前， 28301 工作面已安全回采 6 个月， 有 效验证了 “应力卸荷拱” 理论的正确性。 6结论 1 ） 结合综采采场底板破坏理论，计算可知 28301 工作面上覆顶板已破碎厚度为 28.125m， 在 28301 工作面回采时， 顶板全部破坏为散体状态。 2 ） 由于上覆岩层载荷为平均载荷，建立了基于 “普氏矿压” 理论的 “应力卸荷拱” 理论。 计算得该拱高 度为 33.75m。 3 ） 依据 “应力卸荷拱” 理论计算工作面液压支架 工作阻力为 4941kN，并在西曲矿 28301 工作面成功 运用。 参考文献 [1] 黄克军,黄庆享,王苏健,邓增社,赵萌烨.浅埋煤层群采场 周期来压顶板结构及支架载荷 [J]. 煤炭学报,2018,43 （10） 2687- 2693. [2] 黄庆享,黄克军,赵萌烨.浅埋煤层群大采高采场初次来压 顶板结构及支架载荷研究 [J]. 采矿与安全工程学报, 2018,35 （05） 940- 944. [3] 朱卫兵. 浅埋近距离煤层重复采动关键层结构失稳机理 研究[D].中国矿业大学,2010. [4] 王惠亮.浅谈西曲矿采空塌陷地表裂缝的分布特征[J].采 矿技术,2006 （03） 358- 359. [5] 王健. 综采面煤层底板破坏深度的研究 [A]. 中国煤炭学 会矿井地质专业委员会. 中国煤炭学会矿井地质专业委 员会 2008 年学术论坛文集[C].中国煤炭学会矿井地质专 业委员会,20085. [6] 王仲伦. 大采高综采采场矿压显现规律与支架工作阻力 数值模拟研究[D].太原理工大学,2018. 作者简介 闫东东 （1991- ） ， 男， 汉族， 山西省古交市人， 大学本科， 2014 年毕业于辽宁石油化工大学顺华能源学院，采煤助理 工程师。 （收稿日期 2019- 5- 8 ） 26 ChaoXing