李根威，賀全智，賈寶利

（1.呂梁學院，山西離石 033000；2.山西柳林下山卯煤礦，山西柳林 033300）

離柳礦區(qū)采空區(qū)下堅硬太灰?guī)r頂板礦壓顯現規(guī)律

李根威1，賀全智1，賈寶利2

（1.呂梁學院，山西離石 033000；2.山西柳林下山卯煤礦，山西柳林 033300）

以離柳礦區(qū)太原組灰?guī)r頂板為工程背景，通過對礦區(qū)內太原組灰?guī)r賦存條件、巖石物理力學性能的研究，建立兩個礦區(qū)灰?guī)r頂板結構模型，利用關鍵層理論，判斷開采過程中灰?guī)r頂板的運動規(guī)律。比較礦區(qū)回采工作面礦壓顯現規(guī)律與計算結果，歸納出頂板正常來壓和異常來壓規(guī)律。研究表明，L1灰?guī)r作為直接頂垮落，初次來壓步距28.6～35.8m，周期來壓步距8.3～11.4m，周來壓期間礦壓顯現不劇烈；灰?guī)r組巖層同時斷裂時工作面礦壓顯現劇烈，容易壓死支架，確保L1灰?guī)r及時冒落和防止L4灰?guī)r斷裂位置前移是控制頂板穩(wěn)定的關鍵。

離柳礦區(qū)；太灰?guī)r；關鍵層；來壓步距；壓架

離柳礦區(qū)位于鄂爾多斯聚煤盆地東緣的河東煤田中段，山西組和太原組為其主要含煤地層，目前山西組煤層基本開采殆盡，逐步向太原組煤層開拓。國內學者針對大同、沁水等煤田厚層堅硬頂板破斷后力學結構[1-3]、堅硬厚層頂板群結構破斷特征[4-6]進行了大量的研究，建立了多套力學分析和計算公式，基本上能夠完整描述堅硬頂板破斷和運動規(guī)律，但是存在公式參數多、難定量、計算復雜的情況，對河東煤田太灰?guī)r頂板礦壓規(guī)律研究尚未見諸。本文選取離柳礦區(qū)4座具有代表性的礦井為研究對象，利用關鍵層理論和現場實測的礦壓顯現規(guī)律，分析歸納離柳礦區(qū)太灰?guī)r頂板礦壓顯現規(guī)律。

1 太灰?guī)r頂板賦存特征和其力學性能

太原組巖性為灰-灰白色石灰?guī)r，深灰色泥巖、砂質泥巖間夾4-6層煤層，自下而上發(fā)育的L1、L2、L3、L4、L5石灰?guī)r（L1、L2、L3局部區(qū)域合并），泥巖、煤層和砂巖夾在堅硬灰?guī)r之中，形成典型的“硬-軟”組合地層。

根據對四礦鉆孔地質資料分析對比，L1灰?guī)r下方為穩(wěn)定可采煤層，離石礦區(qū)為10號煤，平均厚度6.42m，與上方采空區(qū)層間距平均為47.5m；柳林礦區(qū)為8號煤層，平均厚度2.63m，與上方采空區(qū)層間距平均為61m?；?guī)r礦物組分穩(wěn)定，節(jié)理裂隙不發(fā)育，性脆。離石礦區(qū)平均抗壓強度87.5 MPa，平均抗拉強度2.63 MPa，柳林礦區(qū)平均抗壓強度47 MPa，平均抗拉強度6.47 MPa。

2工作面頂板運動規(guī)律

2.1工作面頂板破斷形式

太原組灰?guī)r為靠近煤層的數組堅硬厚巖層，灰?guī)r間夾層厚度小、強度低，變形和移動都會受到對方的影響，產生明顯的剛度和強度增加現象，灰?guī)r之間的這種復合效應增大頂板的破斷步距，且當各層灰?guī)r同時破斷時，必然增大工作面的礦壓顯現強度，利用關鍵層理論建立頂板破斷模型，分析頂板破斷規(guī)律。

1）太灰?guī)r賦存結構模型。太原組灰?guī)r由5層組成，假設類別相同的的巖層容重、彈性模量大致相似，按照煤層到采空區(qū)距離的不同，將太灰?guī)r賦存結構歸納為兩種類型，離石礦區(qū)模型，厚度47.5m，見圖1-a；柳林礦區(qū)模型，厚度為61m，見圖1-b。

2）關鍵層剛度判別。根據關鍵層理論[7-8]，關鍵層上的載荷計算公式為：

式中：qn丨m為第m層巖石對n層巖層的載荷，kN；En為第n層巖石彈性模量，MPa；hn為第n層巖石的厚度，m；γi為第i層巖石的容重，kN；hi為第i層巖石的厚度，m；Ei為第i層巖石的彈性模量，MPa。

如果第m+1層載荷小于第m層，即：

則第m+1層為堅硬層，之后計算第m+2巖層對m+1層巖石的載荷，否則計算第m+2層巖石對第n層的載荷。關鍵層判別計算如表1、表2所示。

據表1計算結果，L1和L4灰?guī)r是太原組煤層開采中起控制作用的關鍵巖層。柳林礦區(qū)L1灰?guī)r垮落后，其上23.3m的巖層將伴隨垮落；L4灰?guī)r垮落后，其上38.92m的巖層將伴隨垮落，如果L5灰?guī)r厚度超過7m，其上23.37m的巖層將受控于L5灰?guī)r，L4關鍵層控制厚度將縮小至15.5m。離石礦區(qū)L1灰?guī)r垮落后，其上23.01m的巖層將伴隨垮落；L4灰?guī)r垮落后，其上25.72m的巖層將伴隨垮落。

3）關鍵層強度判別。假設第m、n都是關鍵層，它的破斷距為lm，第n層的破斷距為ln，則主關鍵層的強度判別條件為：

此時第m層為關鍵層，否則應將第n層巖石所控制的全部巖層作為載荷作用到第n層上，重新計算第n層巖層的破斷距。關鍵層的破斷距采用兩端固支梁的極限破斷距，計算公式為：

式中：lm為第m層巖層極限斷裂步距，m；hm為第m層巖層厚度，m；σt為第m層巖層的抗拉強度，MPa；qm為作用于第m層巖層上的載荷，MPa。

將關鍵層力學參數帶入公式，可以得出柳林礦區(qū)L1、L4灰?guī)r極限斷裂步距為35.3m和26.5m，L1為主關鍵層，離石礦區(qū)為21.4m和17.7m，L1為主關鍵層。

4）離柳礦區(qū)太灰?guī)r堅硬頂板破斷規(guī)律。綜合關鍵層剛度和斷裂步距計算結果，太原組煤層L1、L4灰?guī)r層是關鍵層頂板。考慮到太原組上方山西組煤層已經開采，可近似的將山西組導水裂隙看做上覆巖層對關鍵層的載荷。

柳林礦區(qū)在L5灰?guī)r厚度小于7m時，主關鍵層L1破斷后，上覆巖層依次斷裂。L1灰?guī)r直接位于開采煤層上方，工作面從開切眼開始，L1灰?guī)r的首次破斷以拉伸破斷為主，破斷后受其控制的軟弱巖層也將同步垮落，可認為是直接頂的初次垮落，L1灰?guī)r及其上覆軟弱層總厚度為超過23m，巖石的初始碎脹系數取1.2～1.3，冒落厚度增加4.6～6.9m，柳林礦區(qū)8號煤開采厚度2.8m，冒落后的直接頂完全能夠充實采空區(qū)，因此，柳林礦區(qū)L4灰?guī)r受采空區(qū)矸石提前支承，工作面前方支承壓力較小，礦壓顯現不明顯。初次來壓后，L1灰?guī)r及其控制層隨采隨垮，L4灰?guī)r成為基本頂周期性斷裂，工作面周期來壓礦壓顯現不明顯。

當L5灰?guī)r厚度超過7m后，L4成為主關鍵層不伴隨L1巖層的斷裂而斷裂。初次來壓后，L1灰?guī)r及其控制軟巖層將隨采隨垮，L4、L5形成復合關鍵層基本頂，周期來壓步距受其控制。實際回采中如果L4灰?guī)r變薄和L1灰?guī)r變厚同時出現，容易出現L1灰?guī)r不能及時垮落，關鍵層同時斷裂，礦壓顯現將十分劇烈。

離石礦區(qū)由于灰?guī)r頂板抗拉強度較低，灰?guī)r頂板斷裂步距較小，L1灰?guī)r初次斷裂后，上覆太原組巖層依次斷裂，礦壓顯現不明顯。初次來壓后，L1灰?guī)r轉化為直接頂隨采隨冒，10號煤開采厚度6.8m，冒落后充填不實，對L4灰?guī)r支承力較小，壓力向工作面煤壁前方轉移，形成懸臂梁結構，老頂周期來壓步距較小，礦壓顯現不劇烈。當出現L4灰?guī)r不能及時垮落，工作面礦壓顯現將變得十分劇烈。

2.2工作面頂板的來壓步距

1）直接頂、老頂的初次來來壓步距。根據材料力學理論，當時σmax＝Rt，即巖層在該處的正應力達到該處的抗拉強度極限，巖層將在該處斷裂，其極限跨距公式[9-10]為：

式中：q為老頂承受的載荷，kN；Rt為老頂巖層的抗拉強度，MPa；h為老頂厚度，m。

根據工作面上覆巖層賦存條件，認為L1灰?guī)r頂板主要承受其上太原組頂板和已采山西組煤層導水裂隙帶范圍內巖層的載荷，導水裂隙帶載荷按400 kN取值，將相關參數帶入公式可得柳林礦區(qū)直接頂初次垮落步距為19.6m，老頂初次來壓步距為26.5m；離石礦區(qū)直接頂初次垮落步距為12.8m，老頂初次來壓步距為17.7m。

2）老頂的周期來壓步距。周期來壓步距采用懸臂梁極限跨距的計算方法：

帶入相關數據可得離石礦區(qū)老頂周期來壓步距為7.2m，柳林礦區(qū)為10.8m。實際回采過程中，工作面支架初撐力、切眼支護等的存在對直接頂、老頂的初次垮落步距影響較大，初次垮落步距應當考慮切眼的距離和支架的有效支護距離。

3 工作面礦壓顯現規(guī)律現場實測分析

3.1 正常礦壓分析

選擇柳林礦區(qū)下山峁煤礦8103回采工作面和離石礦區(qū)賈家溝煤礦10102回采工作面作為礦壓監(jiān)測對象，觀測工作面開采期間礦壓顯現。根據對工作面支架阻力、頂底板移近量以及工作面煤壁片幫和采空區(qū)頂板垮落情況，來確定工作面老頂第一次來壓步距、周期來壓步距。工作面來壓步距如表3所示。

離柳礦區(qū)工作面直接頂和老頂的初次垮落步距比計算結果明顯較大，周期來壓步距基本與計算結果相近。L1灰?guī)r在未斷裂之前，各巖層之間存在關鍵層復合效應，整體破斷距較大，初次來壓后，復合效應變弱和支承載邊界條件發(fā)生變化，來壓步距明顯減小。

3.2 異常礦壓分析

下山峁煤礦8103回采工作面末采時，提前在工作面前方開挖4.8m的撤架通道，在工作面回采到距離撤架通道10.3m時，工作面20～70號支架安全閥先后開啟，在不到2 h的時間內全部壓死，出現頂梁變形、前立柱缸套壓裂，撤架通道頂板下沉240mm，工作面煤壁壓突等現象。支架型號為ZY17/34/6000，壓架前采高2.4m，與平均采高2.8m減少0.4m，L1灰?guī)r變厚，工作面頂板平均下沉量達到0.7m，未發(fā)現明顯的臺階下沉。后期采用撤架通道打木垛和單體柱支護，爆破起底挪架方式緩慢推進，推進8m后，支架壓力顯著減小，搬家期間工作面頂板下沉量基本穩(wěn)定。

分析認為，撤架通道的開掘，導致灰?guī)r組頂板支承邊界條件發(fā)生改變，L1、L4灰?guī)r斷裂線前移，老頂出現整體斷裂，整體下沉，導致直接頂垮落不充分，支承無力，壓力向支架和前方煤體轉移，直到采空區(qū)頂板觸矸受力后有所緩解，后期對前方撤架通道加強支護，起到切頂作用。由此可見，控制灰?guī)r組頂板的及時冒落和防止斷裂位置前移，是確保回采工作面頂板安全的前提。

4 結論

1）河東煤田離柳礦區(qū)太原組L1、L4灰?guī)r是開采期間其控制作用的關鍵層頂板，L1灰?guī)r為主關鍵層；受灰?guī)r厚度變化影響，當L5灰?guī)r厚超過7m時，柳林礦區(qū)主關鍵層為L5灰?guī)r。

2）實測礦壓顯示，離柳礦區(qū)直接頂的垮落步距為18.9～22.05m，基本定的初次來壓步距為28.6～ 35.8m，老頂的周期來壓步距為8.3～11.4m。

3）關鍵層之間的復合層是影響初次來壓步距較大的原因，初次來壓后，L1灰?guī)r轉化為直接頂隨采隨冒，與L4灰?guī)r之間的關鍵層復合效應減弱，基本頂的變形和失穩(wěn)定受控于L4灰?guī)r，周期來壓步距減小。

4）柳林礦區(qū)采空區(qū)落落帶矸石冒落充分，能夠有效支承L4灰?guī)r，L4灰?guī)r變形速度緩慢，礦壓顯現不劇烈。

5）離石礦區(qū)L1灰?guī)r冒落后不能完全支承L4灰?guī)r，但由于L4灰?guī)r抗拉強度較低，容易被拉斷，來壓步距較小，礦壓顯現不劇烈。

6）當L1灰?guī)r不能及時垮落和厚度變大時，容易出現灰?guī)r組巖層的同時斷裂，工作面礦壓顯現比較劇烈。

7）確保L1灰?guī)r及時冒落和防止L4灰?guī)r斷裂位置前移是控制頂板穩(wěn)定的關鍵，支架初撐力必須能夠切斷L1灰?guī)r關鍵層控制范圍內的巖層。

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Mine Pressure Behavior of Hard Taiyuan Group Limestone Roof under Goaf in Liliu Mine

LI Genwei1,HE Quanzhi1,JIA Baoli2
(1.Lvliang University,Lishi 033000,China; 2.Liulin Xiashanmao Mine,Liulin 033300,China)

Taking Taiyuan group limestone roof as an engineering background in Liliumine,on the analysis of occurrence,rock physical andmechanical performance of the Taiyuan group limestone,the structuremodels of limestone roof in twomines were established.The theory of key stratum was used to determine themovement rule of limestone roof in themining.Mine pressure behavior and calculation were compared tosumup the normal and abnormal weighting.The results showthat,as direct roof collapses,the first weighting interval of L1limestone is 28.6～35.8meters,periodical weighting interval is 8.3～11.4meters.the strata behavior is not obvious in the process of the periodical weighting.The strata behavior is severe when the limestone strata break at the same time and the support is liable to crash.Therefore,it is essential to ensure the prompt collapse of the L1limestone and to prevent the breaking position of L4limestone frommovingforward.

Liliumining area;Taiyuan group limestone;key stratum;weighting interval;support crashing

TD353

A

1672-5050（2015）05-0032-05

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.05.012

（編輯：樊敏）

2015-06-08

呂梁市科技局項目（GY-2012074-2）

李根威（1983-），男，山西柳林人，碩士研究生，助教，工程師，研究方向：礦山壓力與巖層控制、煤礦安全技術等。