劉英杰，馮忠居，李 鵬，王曉謀

(1.長安大學 公路學院，陜西 西安 710064；2.神華神東煤炭集團 生產(chǎn)管理部，陜西 榆林 719315；3.神華神東煤炭集團 技術研究院，陜西 榆林 719315)

0 引言

近年來，國內(nèi)外專家學者對采動覆巖運動規(guī)律、巖層關鍵層的影響開展了大量的研究工作。錢鳴高結合大量的生產(chǎn)實踐，通過深入研究提出了“砌體梁”力學假說，能夠清晰的說明在煤層回采后上部覆巖發(fā)生破斷，各破斷塊體間的受力情況，解釋了綜采工作面采場壓力的顯現(xiàn)情況[1-4]；部分專家學者以“砌體梁”理論為基礎，經(jīng)過不斷的研究提出了“巖層控制的關鍵層理論”，將采場壓力、覆巖運移規(guī)律以及地表沉陷等相結合，關鍵層理論更好的說明了在采動影響后的覆巖破斷的運移規(guī)律[5-9]；左建平等提出了充分采動覆巖整體移動的“類雙曲線”模型，認為巖層“類雙曲線”的焦點位于主關鍵層位置[10]；夏小剛等提出，煤層開采后根據(jù)上覆巖層“四帶”劃分，彎曲下沉帶主要受下部最近一層關鍵層的移動變形影響，而下沉的移動軌跡是橢圓形態(tài)的拋物面[11]；陳超指出，不同頂板巖性對關鍵層的移動也存在一定影響，充填開采的回采方式能夠有效減少關鍵層的移動量，從而可有效控制地表沉陷變形[12]。此外，關鍵層理論還有助于地表生態(tài)修復，通過關鍵層移動規(guī)律預測地表沉陷和裂縫，提前采取相應措施，保護地表植被覆蓋[13-14]。以上這些成果多側(cè)重于在關鍵層結構完整的情況下進行回采，研究覆巖冒落對綜采工作面的影響規(guī)律，但對近淺埋煤層地表溝谷導致關鍵層缺失，進而影響綜采工作面壓力顯現(xiàn)研究甚少?；诖?，筆者以實體工程為依托，研究溝谷地形下關鍵層缺失對礦山壓力的影響，為特殊開采條件下綜采面安全回采提供參考。

1 工作面概況

1.1 工作面基本情況

活雞兔井田范圍受自然環(huán)境影響，地表成溝谷地貌，特別是1-2煤三盤區(qū)21304及其相鄰工作面沖溝發(fā)育較為典型，由一條主溝橫貫整個三盤區(qū)，并由主溝成發(fā)射狀分支成5條支溝，沖溝最大落差為69.9 m，傾角范圍為25°～40°。1-2煤與1-2上煤層間距7～30 m，平均煤厚4.6 m，煤層傾角0°～6°，埋深41～198 m，工作面采用一次采全高后退式開采。1-2煤21304工作面，寬度為240 m，走向長度為3 320.04 m，研究區(qū)域在回采期間發(fā)生過2次礦壓顯現(xiàn)劇烈的情況。

圖1 活雞兔井1-2煤三盤區(qū)井上下對照Fig.1 Surface-underground contrast plan of No.3 panel 1-2 coal of Huojitu Coal Mine

通過對工作面礦壓觀測資料與動載礦壓現(xiàn)象分析可得，過溝谷地形時的動載礦壓主要發(fā)生在上坡段及上坡段的坡頂處，而在過溝谷下坡段和非溝谷地形的平直段，一般不易發(fā)生動載礦壓顯現(xiàn)。表1所示的不同地形區(qū)段工作面礦壓觀測結果也驗證了上述結論。

1.2 工作面礦壓顯現(xiàn)情況

研究區(qū)域在回采期間共出現(xiàn)了2次動載礦壓顯現(xiàn)劇烈的情況。當工作面回采至1 875 m時發(fā)生第1次動載礦壓，對應地貌特征為沖溝上坡段的中間位置，支架壓力數(shù)據(jù)為9 874～1 103 kN，在工作面中部35～80號支架煤壁片幫嚴重，片幫最大達到2 m，39～59號支架范圍內(nèi)出現(xiàn)大范圍冒頂，冒頂高度為1～2 m，工作面94%的安全閥開啟，對應地表出現(xiàn)1條明顯裂縫，且出現(xiàn)1.1 m的臺階，裂縫寬度為0.2～1.1 m。當工作面回采至1 947 m時發(fā)生第2次動載礦壓，對應地貌特征為沖溝坡頂，支架壓力數(shù)據(jù)范圍在1 245～1 463 kN，工作面中部44～70號支架煤壁片幫嚴重，57～60號支架冒頂達2.4 m，地表與第1次動載礦壓發(fā)生位置相比裂縫的寬度和長度明顯增加，最寬處達4 m，長度約19 m，最大臺階高度為2.3 m。動載礦壓發(fā)生位置如圖2所示。

表1 不同地形區(qū)段工作面來壓特征Table 1 Working face of different terrain area to press feature

圖2 動載礦壓發(fā)生位置Fig.2 Dynamic strata pressure appearance site

研究區(qū)域2次動載礦壓顯現(xiàn)劇烈均為工作面中部壓力較大，兩端頭相對較小，根據(jù)實測結果，工作面在背坡開采段來壓平均步距為19.7 m，來壓平均持續(xù)長度為1.4 m；在向坡開采段來壓平均步距為18.9 m，來壓平均持續(xù)長度1.6 m。因此，背坡開采和向坡開采相比來壓平均步距較大，平均持續(xù)長度相對較小，工作面壓力情況如圖3所示。

圖3 向坡段工作面壓力曲線Figure 3 Up slope of pressure curve of working face

2 關鍵層失穩(wěn)機理分析

根據(jù)上述礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，本文主要針對綜采工作面在溝谷地形下向坡開采時，分析關鍵層缺失對綜采工作面壓力的影響。

2.1 關鍵層的判斷

對于1-2煤三盤區(qū)關鍵層的判別，主要是利用該盤區(qū)現(xiàn)有的鉆孔柱狀圖，同時結合專用計算機軟件進行判定(KSPB)，其中的246鉆孔、H65鉆孔的關鍵層判定結果如圖4所示[15]。根據(jù)現(xiàn)有鉆孔柱狀圖和地面實測標高分析得出，該盤區(qū)主關鍵層一般位于谷底之上，因此，在沖溝底部覆巖內(nèi)無主關鍵層，具體情況見表2。

圖4 三盤區(qū)覆巖主關鍵層判定結果Fig.4 Key strata of overlying strata of No.3 panel

表2 21304綜采工作面覆巖主關鍵層缺失統(tǒng)計Table 2 Missing statistics of main key strata in overlying strata of 21304 mechanized mining

根據(jù)研究區(qū)域主關鍵層判斷結果得出，其1-2上煤層在開采過程中上部有2層關鍵層，而1-2煤與1-2上煤層之間僅有1層關鍵層，由于1-2上煤已開采完畢，該煤層上部關鍵層因采動影響發(fā)生了破斷，因此，在1-2煤開采過程中僅剩1層關鍵層，存在于1-2上和1-2煤之間，其類型屬已采單一關鍵層。

2.2 覆巖主關鍵層結構失穩(wěn)致災機理

根據(jù)上述情況分析可知，研究區(qū)域上部煤層開采后關鍵層失穩(wěn)破斷，該煤層與上部煤層間僅存在1層關鍵層，由于地表地貌影響其工作面上部為沖溝發(fā)育地形，在沖溝底部1-2煤與1-2上煤層間的關鍵層出現(xiàn)缺失情況，由此在回采過程中過沖溝后連續(xù)2次出現(xiàn)采場礦壓顯現(xiàn)劇烈的情況，導致工作面出現(xiàn)大面積冒頂和片幫。沖溝發(fā)育段與最初開采時的平直段相比采場來壓步距相對縮短，壓力影響范圍增加，根據(jù)“S-R”穩(wěn)定理論的失穩(wěn)條件計算。

滑動穩(wěn)定條件下：

(1)

轉(zhuǎn)動變形穩(wěn)定條件下：

(2)

式中：h和h1分別為結構層及荷載層厚度，m；σc為巖層單向抗壓強度，MPa；θ1為回轉(zhuǎn)變形角，(°) ；i為巖塊的厚長比，即i=h/l；tanφ為巖塊間的摩擦系數(shù)，取0.3。

在1-2上煤層回采過程中，由于上覆巖層存在2個關鍵層，在關鍵層破斷后能夠形成穩(wěn)定的砌體梁結構；而在1-2煤層回采時該結構屬于已采單一關鍵層，在平直段時由于上部煤層關鍵層破斷后形成穩(wěn)定的砌體梁結構。因此，該段回采也能夠形成較為穩(wěn)定的砌體梁結構。在背坡開采階段，由于工作面推采方向前端為沖溝谷底，當關鍵層破斷后，塊體發(fā)生扭轉(zhuǎn)后受到不破斷塊體水平壓力的作用，塊體間豎向摩擦力增大使其形成較穩(wěn)定的砌體梁結構，所以在背坡開采時采場壓力基本正常，未發(fā)生冒頂事故。在向坡開采階段，由于地表構造及關鍵層缺失等原因影響，在回采時上部關鍵層破斷后巖體產(chǎn)生了較大的回轉(zhuǎn)變形，使1-2上煤層已穩(wěn)定的砌體梁結構的塊體失穩(wěn)，將荷載傳遞到下部的單一關鍵層，最終導致該工作面出現(xiàn)了2次動載礦壓顯現(xiàn)劇烈的情況。塊體回轉(zhuǎn)變形情況，見圖5和圖6。

圖5 1-2上煤層和1-2煤層背坡回采過程中關鍵層破斷情況Fig.5 The breaking of the key strata in the mining of down slope of the 1-2 up and 1-2 coal seam

圖6 1-2上煤層和1-2煤層向坡回采過程中關鍵層破斷情況Fig.6 The breaking of the key strata in the mining of up slope of the 1-2 up and 1-2 coal seam

上述現(xiàn)象可以根據(jù)“砌體梁”結構平衡條件得到進一步的說明。防止關鍵層破斷塊體間出現(xiàn)滑落失穩(wěn)時的結構平衡要求為：

T·tan(φ-θ)>(R)0-0

(3)

式中：T為結構塊體的水平推力，kN；φ為巖塊間的摩擦角，(°)；θ為破斷面與垂直面的夾角，(°)；(R)0-0為下位巖層對上位巖層的阻力及塊間的剪切力，kN。

由圖3-5可見，由于過溝谷地形上坡段的主關鍵層缺失側(cè)向水平擠壓力，式(3)中的水平推力T為0，顯然無法滿足，表明主關鍵層結構易出現(xiàn)滑落失穩(wěn)。此時，滑落失穩(wěn)的主關鍵層將作為下部單一關鍵層的載荷，導致下部單一關鍵層因承擔載荷太大而不能滿足“砌體梁”結構的S-R穩(wěn)定判據(jù)，而易出現(xiàn)滑落失穩(wěn)。

2.3 覆巖關鍵層失穩(wěn)出現(xiàn)動載礦壓機理的相似模擬試驗過程

2.3.1 室內(nèi)相似模擬試驗的方案設計

為了對上述1-2煤層單一主關鍵層斷裂后滑落而產(chǎn)生動載礦壓理論進行驗證，采取了1∶100的室內(nèi)相似模擬試驗進行研究，其中模型土體的容重相似比采用0.71，應力相似比采用1∶150，推采的時間比采用1∶10，其模型土體的主要參數(shù)采用鉆孔號為246的取樣結果進行配比，具體物理力學參數(shù)，如表3所示。

由于21304工作面2次來壓顯現(xiàn)劇烈的情況均出現(xiàn)在1-2煤層向坡開采階段，因此，本次試驗結合實際情況模擬1-2煤上部已采單一關鍵層開采的情況，所有方案均采用同一模型參數(shù)。具體方案如下：

方案一：模擬1-2上煤層開采上部關鍵層缺失與未缺失情況的回采。

方案二：利用方案一1-2上煤層已采后的模型，繼續(xù)模擬1-2煤層上部煤層開采后覆巖關鍵層破壞情況。

物理模型尺寸為長1 300 mm，高700 mm，2個煤層的層間距為110 mm，坡角為45°，具體參數(shù)，如表4所示。實際模擬時自1-2煤層至地表布置4排測點，每排測點中心點間距100 mm，每列間距20 mm。

表4 室內(nèi)物理模型的具體參數(shù)Table 4 Specific parameters of indoor physical model

2.3.2 室內(nèi)相似模擬試驗結果分析

根據(jù)室內(nèi)物理試驗結果,分析可知1-2上煤和1-2煤回采主關鍵層缺失與未缺失回采情況，如圖7所示。在回采到80.3 m時，上覆煤層的關鍵層缺失，1-2上煤層回采時，1-2上煤層因主關鍵層發(fā)生了破斷后，塊體之間無橫向壓力作用，豎向摩擦力降低，最終主關鍵層塊體失去了穩(wěn)定性而產(chǎn)生滑落，導致1-2上煤層在回采過程中發(fā)生了動載礦壓現(xiàn)象，見圖7(a)和(c)。1-2煤層在回采過程中由于上部煤層開采后主關鍵層出現(xiàn)了滑落失穩(wěn)，該煤層開采屬上部已采單一關鍵層結構，由于上部煤層失穩(wěn)滑落后所有荷載均作用在下部單一關鍵層之上。因此，在回采過程中采場壓力增大，出現(xiàn)工作面切頂現(xiàn)象。由圖7的(b)和(d)可知，當1-2上煤層開采后由于上部關鍵層完好，在回采過程中關鍵層破斷后塊體之間相互擠壓，形成豎向摩擦力，使其形成穩(wěn)定的砌體梁結構，所以荷載主要作用在前方煤體及后部的采空區(qū)中，在較大程度上減少了荷載向下部煤層的作用。因此，1-2煤在回采過程中未出現(xiàn)動載礦壓現(xiàn)象。試驗數(shù)據(jù)如表5所示。

圖7 1-2上煤和1-2煤回采主關鍵層缺失與未缺失回采情況對比Fig.7 Comparison of main key strata absence and non-absence recovery situation of coal 1-2up and coal 1-2

1-2煤上部關鍵層的穩(wěn)定性主要取決于上部煤層開采活動后其覆巖主關鍵層產(chǎn)生破斷所形成的砌體梁結構的穩(wěn)定性。如果1-2上煤層開采后其關鍵層破斷后，由于各斷裂巖塊之間排列整齊，相互回轉(zhuǎn)時能夠形成擠壓作用，產(chǎn)生相互的摩擦力。因此，在一定的條件下能夠形成類似梁實際為半拱形的穩(wěn)定結構。如果上部煤層覆巖破斷后其巖塊之間相互回轉(zhuǎn)、擠壓所產(chǎn)生的摩擦力不足以支撐其形成穩(wěn)定的砌體梁結構，下部煤層在回采后由于上部已采煤層覆巖結構的影響易出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，直接導致綜采工作面產(chǎn)生動載礦壓。

表5 主關鍵層缺失與未缺失對采場壓力的影響指標Table 5 The effect of missing and not missing on the stress of the main key stratum

2.4 覆巖關鍵層失穩(wěn)出現(xiàn)動載礦壓機理的數(shù)值模擬試驗結果

2.4.1 數(shù)值模擬試驗的方案設計

數(shù)值模擬試驗與相似模擬試驗相似，主要是模擬上坡段主關鍵層缺失情況下采場礦壓的變化。模型長度為350 m，高度為105 m，溝深為42 m，根據(jù)動載礦壓發(fā)生位置的實際情況上、下坡腳選為45°，水平煤層回采，回采進度為每次5 m，方向自坡腳開始，2層煤的控頂距均為5 m，1-2上煤的支護強度為1 MPa，1-2煤的支護強度為1.5 MPa，計算模型如圖8所示，具體參數(shù)詳見表6。

圖8 數(shù)值計算模型Fig.8 Numerical model calculation

表6 數(shù)值模型巖層參數(shù)Table 6 Numerical model of rock strata parameters

選取非溝谷地段為基準面值為0 m，低于基準面的地表距離基準面高度為負值，在模擬方案中選取上下每層工作面在地面平直段、溝谷下坡段、溝底和上坡段礦壓顯現(xiàn)數(shù)據(jù)比較數(shù)值，工作面動載礦壓顯現(xiàn)程度，主要采用指標為大周期來壓時工作面支架的支柱下縮量、地面臺階高度和地表裂縫寬度。圍巖破壞采用摩爾-庫侖屈服準則。

2.4.2 數(shù)值模擬試驗結果分析

1)1-2上煤層開采

工作面在過非溝谷地段、溝谷下坡段和溝底期間，工作面礦壓正常，來壓顯現(xiàn)都較小，地面臺階高度最大1.5 m，裂縫寬度最大0.05 m。主要是工作面上方關鍵層結構塊體都保持穩(wěn)定狀態(tài)。

當工作面推進到240 m進入溝谷上坡段期間，工作面來壓強烈，出現(xiàn)動載礦壓現(xiàn)象。最大地面臺階高度量0.67 m，裂縫寬度0.04 m。分析原因是破斷主關鍵層塊體由于缺少水平應力結構穩(wěn)定性較差，塊體破斷后易產(chǎn)生滑落失穩(wěn)，導致工作面產(chǎn)生動載礦壓。來壓顯現(xiàn)情況如圖9所示。

圖9 1-2上煤層開采來壓Fig.9 Pressure curve of coal 1-2up

2)1-2煤層開采

工作面從非溝谷地段到溝谷下坡段和溝底地形期間，巖層運動和支架變形特征都與開采上煤層相近，上煤開采對下煤層工作面推進都影響不大，關鍵層結構塊體都保持穩(wěn)定狀態(tài)，工作面來壓正常。主要表現(xiàn)地面臺階最大高度0.33 m，裂縫寬度最大0.09 m。

工作面進入溝谷上坡段期間，當推進到240 m開采上煤層發(fā)生動載礦壓的位置時，工作面再次產(chǎn)生動載礦壓。工作面最大活柱下縮量1.3 m，地面臺階高度最大達到3.35 m，裂縫寬度2 m。分析原因主要破斷主關鍵層塊體受到二次擾動結構穩(wěn)定性較差，再次產(chǎn)生滑落失穩(wěn)，使亞關鍵層2結構塊體上覆巖層載荷急劇增大也出現(xiàn)滑落失穩(wěn)，從而導致工作面產(chǎn)生活柱急劇下縮、圍巖切頂嚴重的動載礦壓。來壓顯現(xiàn)情況如圖10所示。

圖10 1-2煤層開采來壓Fig.10 Pressure curve of coal 1-2

在1-2上煤層工作面向坡推采到220 m時，由于上部覆巖關鍵層破斷后塊體間水平應力，塊體間豎向摩擦力不足以支撐上部及自身荷載作用，導致工作面出現(xiàn)動載礦壓，地面臺階最高落差為0.51 m，裂縫寬度最大為0.11 m。在1-2煤層工作面向坡推采至220 m時，由于上部煤層在此處主關鍵層失穩(wěn)已出現(xiàn)過1次動載礦壓現(xiàn)象，因此，在該處由于上部未形成穩(wěn)定的砌體梁結構上煤層開采后斷裂塊體及上部全部荷載作用在亞關鍵層2上，導致該關鍵層失穩(wěn)滑落，出現(xiàn)強烈的動載礦壓現(xiàn)象，地面臺階落差增大到2.2 m，地表裂縫寬度為0.26 m。

2.5 相似模擬與數(shù)值模擬試驗對比分析

根據(jù)相似模擬與數(shù)值模擬試驗的結果進行對比分析，可以得出關鍵層的缺失與否對煤層的開采至關重要，當關鍵層未缺失工作面向坡開采時，受采動影響后斷裂塊體間回轉(zhuǎn)變形量較小，塊體間橫向作用力較大，容易形成穩(wěn)定的砌體梁結構，在上部煤層開采后形成穩(wěn)定的砌體梁結構，下部煤層開采一般不會受到動載礦壓的影響。當關鍵層缺失工作面向坡開采時，在煤層開采后不會形成穩(wěn)定的砌體梁結構，在工作面上部荷載逐漸增大時，容易斷裂塊體容易出現(xiàn)滑落失穩(wěn)現(xiàn)象，致使工作面出現(xiàn)動載礦壓，上部煤層開采后其荷載全部作用在下部煤層之上，因此，在下部煤層向坡開采時采場礦壓顯現(xiàn)呈不斷增大趨勢，導致上部塊體滑落失穩(wěn)，產(chǎn)生動載礦壓。

3 結論

1)主關鍵層未缺失時，在上部煤層回采后，由于破斷塊體間相互擠壓形成穩(wěn)定的砌體梁結構能夠承受一定的荷載，當下部煤層開采時，在通常情況下也能夠形成良好的砌體梁結構，確保綜采工作面在回采過程中不受動載礦壓的影響。

2)主關鍵層缺失時，上部煤層在回采后，由于破斷塊體之間回轉(zhuǎn)變形較大塊體間橫向作用力很小，不容易形成穩(wěn)定的砌體梁結構，當下部煤層開采后，由于其上部未形成穩(wěn)定的砌體梁結構，導致開采后上部各巖層形成的荷載全部作用在下部煤層的關鍵層上，因此，當下部煤層的關鍵層不能夠承受上部荷載壓力時，工作面采場壓力顯現(xiàn)劇烈，出現(xiàn)動載礦壓。

3)近淺埋煤層關鍵層受地表沖溝地形的影響較大。當沖溝較深時，造成煤層的上部關鍵層缺失。工作面向坡開采時，其煤層承受的荷載逐漸增加，當增加到某一臨界值時，工作面將受到動載礦壓的影響；背坡開采時，煤層承受的荷載逐漸減小，故此背坡段不易出現(xiàn)動載礦壓影響。