王陳真

（山西潞安集團(tuán)蒲縣黑龍煤業(yè)有限公司 ，山西 蒲縣 041200）

0 引 言

回采工作面上覆巖層結(jié)構(gòu)特征及運(yùn)動(dòng)規(guī)律一直是人們較為關(guān)注的問(wèn)題，其中孤島工作面的覆巖結(jié)構(gòu)及礦壓規(guī)律又與非孤島工作面之間存在較大的差距，孤島工作面上覆巖層的斷裂高度與離層現(xiàn)象會(huì)明顯增大[1]，由于孤島工作面在回采時(shí)經(jīng)常會(huì)遇到頂?shù)装遄冃蜗鲁亮看?、煤壁片幫、工作面支架壓力大的現(xiàn)象[2]，故國(guó)內(nèi)外學(xué)者在孤島工作面圍巖控制方面展開(kāi)了大量研究，如柏建彪、張金亮等[3]通過(guò)對(duì)頂板的賦存狀況、采空區(qū)側(cè)向應(yīng)力場(chǎng)以及采空區(qū)側(cè)煤體進(jìn)行分析研究，提出通過(guò)合理布置巷道、錨桿錨索支護(hù)配合注漿加固提高圍巖承載能力等方面控制孤島綜放工作面的圍巖變形；賈靖、王洪軍等[4]通過(guò)觀測(cè)結(jié)果得出孤島工作面的來(lái)壓特征，提出孤島綜放面應(yīng)采用無(wú)煤柱或小煤柱掘進(jìn)來(lái)避開(kāi)應(yīng)力集中。本文主要通過(guò)對(duì)孤島工作面上覆巖層結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析得出老頂?shù)某醮渭爸芷趤?lái)壓步距表達(dá)式，并對(duì)3205孤島綜放面進(jìn)行礦壓實(shí)測(cè)分析，得出3205孤島綜放面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。

1 工程概況

某礦3205工作面為孤島工作面，其北部為3207采空區(qū)，南部為3203采空區(qū)，3205工作面所采煤層為3#煤，平均厚度4.7m，平均傾角為6°，工作面采用綜采放頂煤工藝，3205工作面直接頂為4.5m的黑色泥巖，基本頂為4.5m的中粒砂巖，直接底為1.2m的砂質(zhì)泥巖，老底為1.6m的灰色細(xì)砂巖，3205工作面運(yùn)輸巷與回風(fēng)巷兩側(cè)均留設(shè)有6m的保護(hù)煤柱。3205工作面位置示意圖如圖1所示。

圖1 3205工作面位置示意圖

2 孤島工作面覆巖結(jié)構(gòu)特征分析

2.1 孤島工作面應(yīng)力分布特征

由于孤島工作面兩側(cè)均為采空區(qū)，圍巖結(jié)構(gòu)較為特殊，兩側(cè)采空區(qū)無(wú)法形成自承結(jié)構(gòu)致使覆巖應(yīng)力向?qū)嶓w煤側(cè)轉(zhuǎn)移，從而致使孤島工作面上覆巖層在回采前已經(jīng)發(fā)生斷裂，從剖面圖上觀察覆巖結(jié)構(gòu)時(shí)成T型結(jié)構(gòu)，可將孤島工作面覆巖視為T型結(jié)構(gòu)，通過(guò)T型結(jié)構(gòu)的受力及破壞特征分析孤島工作面覆巖的受力狀態(tài)。

孤島工作面覆巖結(jié)構(gòu)可簡(jiǎn)化為兩端固支的梁結(jié)構(gòu)，假設(shè)工作面覆巖一共有n層，從下至上依次為1，2，…，m，如圖 2 所示，各巖層的體積力為 γi，厚度為 hi，彈性模量為 Ei。

圖2 巖層荷載計(jì)算圖

根據(jù)關(guān)鍵理論與組合梁原理[5]能夠得出第n層覆巖對(duì)第一層形成的荷載為：

根據(jù)現(xiàn)有理論研究，工作面在回采期間上覆巖層的運(yùn)動(dòng)主要分為三個(gè)部分：①當(dāng)層間拉應(yīng)力超過(guò)頂板自身極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，頂板會(huì)產(chǎn)生離層；②當(dāng)層內(nèi)拉應(yīng)力超過(guò)頂板極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，頂板會(huì)產(chǎn)生斷裂；③隨著工作面回采工作的推進(jìn)，頂板巖梁會(huì)從斷裂轉(zhuǎn)化為垮落，且垮落高度一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于三倍的巖層厚度。

根據(jù)以上分析，運(yùn)用巖石力學(xué)理論分析上覆巖層的斷裂條件，將第r層巖層在破斷之前視為兩端固支的梁的力學(xué)模型，如圖3所示，圖中q為上覆均布荷載，h為巖層厚度，l為巖梁的跨度。

圖3 巖層梁結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)彈性力學(xué)知識(shí)能夠解得各向應(yīng)力的表達(dá)式[6]如下所示：

當(dāng)x=0，y=h或x=l，y=h時(shí)，即固支梁的下邊界處拉應(yīng)力為：

當(dāng)下邊界受到的拉應(yīng)力σx超過(guò)巖層的極限抗拉強(qiáng)度[στ]時(shí)，便會(huì)使得兩端固支巖層產(chǎn)生破斷，則能夠得出巖層固支狀態(tài)下發(fā)生破壞的極限跨距Lj的表達(dá)式如下：

根據(jù)式（4）可知當(dāng)工作面的推進(jìn)長(zhǎng)度達(dá)到Lj時(shí)，上覆巖層便會(huì)發(fā)生初次破斷，Lj即為老頂?shù)某醮螖嗔巡骄唷?/p>

當(dāng)工作面上覆老頂斷裂后，可把工作面覆巖視為受均布荷載的懸臂梁，其力學(xué)模型如圖4所示。

圖4 懸臂梁力學(xué)模型

根據(jù)彈性力學(xué)知識(shí)能夠得出懸臂梁各向應(yīng)力的表達(dá)式：

把 x=l，y=h/2 帶入式（5）得出 σx的表達(dá)式，當(dāng) σx達(dá)到巖層的極限抗拉強(qiáng)度[στ]時(shí)，此時(shí)上覆巖層便會(huì)發(fā)生斷裂，此時(shí)斷裂跨度LY即為老頂?shù)闹芷趤?lái)壓步距，表達(dá)式為：

當(dāng)孤島工作面受到兩側(cè)采空區(qū)的影響程度不一致時(shí)，將上覆巖層視為非對(duì)稱T型結(jié)構(gòu)，當(dāng)兩側(cè)采空區(qū)對(duì)孤島工作面的影響程度相同時(shí)上覆巖層結(jié)構(gòu)視為對(duì)稱T型結(jié)構(gòu)，根據(jù)3205孤島工作面的具體情況，其兩側(cè)均為大面積的采空區(qū)，同時(shí)覆巖均在不同程度上存在斷裂現(xiàn)象，故可將3205孤島工作面覆巖視為對(duì)稱T型短臂結(jié)構(gòu)。

3 3205孤島工作面礦壓實(shí)測(cè)及分析

3.1 礦壓觀測(cè)方案及頂板來(lái)壓判斷依據(jù)

為進(jìn)一步準(zhǔn)確的掌握3205工作面及回采巷道的礦壓規(guī)律，沿著工作面長(zhǎng)度方向布置3個(gè)測(cè)區(qū)，10個(gè)測(cè)站；其中 14#、28#、42# 為上部Ⅰ測(cè)區(qū)，56#、70#、84#、98# 為中部Ⅱ測(cè)區(qū)，112#、126#、140# 為下部Ⅲ測(cè)區(qū)，具體測(cè)點(diǎn)位置及測(cè)區(qū)范圍如圖5所示。

圖5 測(cè)點(diǎn)布置位置示意圖

本次運(yùn)用YHY60(B)礦用性數(shù)字壓力計(jì)在3205孤島工作面回采期間對(duì)綜采支架工作阻力進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)對(duì)礦壓觀測(cè)數(shù)據(jù)分析老頂?shù)某醮蝸?lái)壓步距L0以及周期來(lái)壓步距L1，初次來(lái)壓步距及周期來(lái)壓步距可通過(guò)以下步驟進(jìn)行確定：（1）以觀測(cè)循環(huán)、日期以及工作面推進(jìn)的長(zhǎng)度為橫坐標(biāo)，液壓支架的工作阻力為縱坐標(biāo)繪制關(guān)系曲線，若曲線中存在有規(guī)律變化的峰值存在時(shí)，即代表存在老頂來(lái)壓現(xiàn)象；（2）初步判斷出老頂具有來(lái)壓現(xiàn)象后通過(guò)計(jì)算礦壓數(shù)據(jù)的平均值與方差來(lái)具體確定老頂來(lái)壓的峰值與步距。運(yùn)用液壓支架的工作阻力判斷初次來(lái)壓與周期來(lái)壓時(shí)主要依據(jù)如下公式：

式中pτ'為支架的加權(quán)阻力；pτ為觀測(cè)期間全部支架支護(hù)阻力的加權(quán)平均值；δp為支護(hù)阻力的均方差。

對(duì)于頂板來(lái)壓強(qiáng)度的判定可通過(guò)動(dòng)載系數(shù)k來(lái)衡量，動(dòng)載系數(shù)的表達(dá)式為：

式中：k為動(dòng)載系數(shù)；pm為頂板未來(lái)壓時(shí)支護(hù)的平均阻力；pc為頂板來(lái)壓時(shí)支護(hù)阻力的平均值；

3.2 3205孤島工作面回采期間礦壓規(guī)律分析

通過(guò)對(duì)3205孤島工作面回采時(shí)進(jìn)行一個(gè)月的持續(xù)觀測(cè)得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行具體分析，并根據(jù)支架時(shí)間加權(quán)阻力加上均方差作為老頂來(lái)壓的判據(jù)px，為全面的反應(yīng)工作面的礦壓規(guī)律對(duì)28#、70#、126#支架進(jìn)行具體分析，28#、126#反應(yīng)工作面兩端頭的礦壓情況，70#反應(yīng)工作面中部的礦壓情況。

1）28#支架工作阻力分布曲線如圖6所示，由測(cè)得的支架工作阻力數(shù)據(jù)能夠得出支架的時(shí)間加權(quán)阻力為18.7，支架阻力的均方差為11.3，帶入式（7）能夠得出老頂來(lái)壓的判據(jù)為30.0MPa，結(jié)合28#支架工作阻力的分布曲線能夠老頂初次來(lái)壓步距為20.2m，監(jiān)測(cè)期間周期來(lái)壓3次，周期來(lái)壓的平均步距為9.9m，頂板在來(lái)壓時(shí)的平均支護(hù)阻力為25.0MPa，未來(lái)壓時(shí)的平均支護(hù)阻力為14.3MPa，帶入式（8）能夠得出動(dòng)載系數(shù)k為1.74。

圖6 28#支架工作阻力分布曲線

2）126#支架工作阻力分布曲線如圖7所示，同樣根據(jù)測(cè)得支架工作阻力的數(shù)據(jù)能得出時(shí)間的加權(quán)阻力為18.1MPa，均方差為11.1，頂板在未來(lái)壓時(shí)的平均支護(hù)阻力為14.1MPa，來(lái)壓時(shí)的平均支護(hù)阻力為24.6MPa，根據(jù)以上數(shù)據(jù)結(jié)合式（7）與式（8）能夠得出老頂來(lái)壓的判據(jù)為29.2MPa，，據(jù)此能夠得出126#支架的初次來(lái)壓步距為20.9m，30天內(nèi)周期來(lái)壓為3次，周期來(lái)壓的平均步距為10m，動(dòng)載系數(shù)k平均為1.75。

圖7126 #支架工作阻力分布曲線

3）70#支架工作阻力分布曲線如圖8所示，根據(jù)測(cè)得數(shù)據(jù)能夠得出支架時(shí)間加權(quán)阻力為15.6MPa，均方差為10.5，頂板在來(lái)壓時(shí)支架的平均支護(hù)阻力為21.8MPa，未來(lái)壓時(shí)的平均支護(hù)阻力為13.8MPa，根據(jù)上述數(shù)據(jù)帶入公式并結(jié)合支架工作阻力分布曲線能夠得出70#支架的初次來(lái)壓步距為23.5m，30天內(nèi)的周期來(lái)壓次數(shù)為3次，平均周期來(lái)壓步距為10m，動(dòng)載系數(shù)k為1.61。

圖8 70#支架工作阻力分布曲線

綜合上述分析得出在工作面回采期間，老頂在初次來(lái)壓后，隨著回采工作面的繼續(xù)推進(jìn)裂隙帶巖層形成的結(jié)構(gòu)將不斷的經(jīng)歷相似的周期性的穩(wěn)定—失穩(wěn)—再穩(wěn)定的變化過(guò)程，對(duì)28#、126#支架工作阻力具體分析得出3205孤島工作面端頭處平均初次來(lái)壓步距為20.5m，在來(lái)壓期間支架受到的最大工作阻力為30.3MPa；對(duì)70#支架的具體分析得出工作面中部的初次來(lái)壓步距為23.5m，在來(lái)壓期間支架工作阻力的最大值為30.4MPa，故在頂板來(lái)壓時(shí)工作面中部的來(lái)壓強(qiáng)度小于工作面兩端頭的來(lái)壓強(qiáng)度，并且端頭的來(lái)壓步距比中部的來(lái)壓步距要短，所以回采期間需要注意對(duì)工作面端頭的支護(hù)及管理工作。

4 結(jié)論

1）通過(guò)對(duì)3205孤島工作面上覆巖層的結(jié)構(gòu)分析得出老頂初次來(lái)壓步距與周期來(lái)壓步距的計(jì)算表達(dá)式，并判斷出3205孤島工作面上覆巖層屬于短臂“T”型結(jié)構(gòu)，工作面的周期來(lái)壓步距會(huì)較短，周期來(lái)壓會(huì)比較頻繁。

2）在工作面回采工作面推進(jìn)期間，通過(guò)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)處理得出老頂來(lái)壓的判據(jù)，結(jié)合支架工作阻力曲線圖進(jìn)行分析得出老頂?shù)某醮蝸?lái)壓步距在20～24m范圍，周期來(lái)壓步距在9.5m～10m范圍內(nèi)。

3）根據(jù)分析3205孤島工作面端頭與中部的支架工作阻力曲線圖得出工作面兩端頭的來(lái)壓強(qiáng)度大于中部，端頭來(lái)壓步距比工作面中部短，故在回采期間應(yīng)注意加強(qiáng)工作面兩端頭的圍巖控制。