許延春，趙 霖，任志祥，郝憲杰，張二蒙

( 1. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)( 北京 ) 能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083；2. 焦作煤業(yè)集團(tuán)趙固( 新鄉(xiāng) )能源有限責(zé)任公司，河南 焦作 454002 )

我國(guó)淮北、兗州、大屯、焦作等煤田具有新近系、第四系厚松散地層、薄基巖的地質(zhì)條件。多數(shù)礦區(qū)由于厚松散層下部的含水砂礫層屬于弱富水性，因此留設(shè)防砂安全煤( 巖 )柱( 簡(jiǎn)稱“防砂煤柱” )。在近松散含水層下留設(shè)防砂煤柱開采，雖然采出了大量的煤炭資源，但同時(shí)，如果形成了特殊的松散層、基巖巖體結(jié)構(gòu)組合，則煤層上方可能出現(xiàn)松散地層高壓水體結(jié)構(gòu)，增大了工作面出現(xiàn)突水潰砂災(zāi)害的危險(xiǎn)性[1]，并且在工作面潰水潰砂的同時(shí)常常伴隨有礦壓顯現(xiàn)劇烈以及壓架等事故。

煤礦發(fā)生突水潰砂的機(jī)理復(fù)雜，并且伴隨著復(fù)雜的巖層運(yùn)動(dòng)，我國(guó)學(xué)者對(duì)煤礦突水潰砂機(jī)理及其工作面支架阻力變化進(jìn)行了許多研究，并取得了一定進(jìn)展?！督ㄖ?、水體、鐵路及主要井巷壓煤與開采規(guī)范》( 2017年 )對(duì)于水體下安全煤( 巖 )柱的留設(shè)原則與方法做出了相關(guān)規(guī)定。武強(qiáng)[2]等通過(guò)對(duì)松散含水層和開采條件進(jìn)行“三圖雙評(píng)價(jià)”法，依據(jù)富水性分區(qū)結(jié)果將留設(shè)防水煤巖柱變?yōu)榉郎懊簬r柱，提高煤層開采上限，解放防水煤柱儲(chǔ)量；方新秋[3-4]等通過(guò)對(duì)薄基巖厚松散層煤層的上覆巖層運(yùn)動(dòng)規(guī)律及控制機(jī)理進(jìn)行研究，表明上覆巖層的穩(wěn)定性主要取決于基巖厚度和松散層厚度以及力學(xué)性質(zhì)；隋旺華[5-6]等通過(guò)研究近松散層開采孔隙水壓力變化及其對(duì)水砂突涌的前兆意義，得出孔隙水壓力變化幅度、變化時(shí)間與煤層開采引起的頂板運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)，并且通過(guò)水砂突涌的水力坡度試驗(yàn)，得出了涌砂量隨裂隙尺寸及含水層壓力增加而增加；許延 春[7-9]等通過(guò)相似模擬試驗(yàn)及理論分析，研究在淺部工作面露頭區(qū)合理留設(shè)安全保護(hù)煤( 巖 )柱，并針對(duì)高水壓作用對(duì)防砂煤柱保護(hù)層的損害提出水壓作用下安全煤( 巖 )柱的留設(shè)公式；許家林[10-11]等通過(guò)實(shí)測(cè)與試驗(yàn)?zāi)M研究近松散層承壓水層下薄基巖工作面發(fā)生的壓架事故，得出由于松散承壓含水層與薄基巖的特殊條件導(dǎo)致覆巖關(guān)鍵層發(fā)生復(fù)合破斷，造成巖體的平衡結(jié)構(gòu)滑落失穩(wěn)，工作面發(fā)生壓架；王曉振[12-13]等通過(guò)實(shí)測(cè)研究松散含水層水位變化與頂板來(lái)壓的聯(lián)動(dòng)效應(yīng)，研究結(jié)果表明水位降幅和降速與頂板來(lái)壓的劇烈程度密切相關(guān)，水位下降幅度越大，下降速度越快，頂板來(lái)壓越劇烈，并通過(guò)數(shù)值模擬和相似材料模擬試驗(yàn)，得出松散承壓含水層下開采時(shí)，基巖的厚度對(duì)于工作面發(fā)生突水壓架有重要影響；郝憲杰[14]等通過(guò)分析祁東煤礦7114工作面實(shí)際條件，確定高承壓松散含水層下支架合理工作阻力，并通過(guò)數(shù)值模擬進(jìn)行驗(yàn)證。

綜上所述，現(xiàn)有研究成果未研究討論厚松散層薄基巖等特殊地質(zhì)條件下形成的承壓防砂煤( 巖 )柱下工作面礦壓顯現(xiàn)劇烈的原理，解釋支架阻力異常增大的原因，以及這種條件下支架阻力的計(jì)算方法。本文通過(guò)分析防砂煤柱承壓異常的機(jī)理，研究工作面上覆巖層關(guān)鍵層破斷方式，水砂降低摩擦因數(shù)以及松散含水層“高水壓核”結(jié)構(gòu)采動(dòng)泄漏對(duì)支架阻力產(chǎn)生的影響，得出工作面支架阻力增大的原因和計(jì)算方法，并通過(guò)某礦11071工作面計(jì)算驗(yàn)證，得出工作面支架阻力異常增大程度。

1 承壓防砂煤( 巖 )柱結(jié)構(gòu)原理

新近系、第四系厚松散地層為多層含、隔水層水平交互沉積。當(dāng)厚松散層下部含水砂礫層為弱富水性時(shí)，符合留設(shè)防砂煤柱的條件，允許導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育至富水性弱的砂礫層，但不允許垮落帶發(fā)育至含水砂礫層，以免出現(xiàn)潰砂事故。多數(shù)情況下薄松散層的含水砂礫層水壓低( 低于1 MPa )，或者厚松散層下部含水砂礫層水壓被采動(dòng)逐步疏降，防砂煤( 巖 )柱承壓合理，出現(xiàn)潰砂事故的可能性低。但是，若基巖界面局部出現(xiàn)傾斜或突起時(shí)，基巖面可能會(huì)揭露或者接近新的水平積淀的薄層含水砂礫層。由于地質(zhì)探測(cè)未查明，防砂煤( 巖 )柱尺寸過(guò)小，并且該含水層的水壓不會(huì)被前期其他位置的工作面開采疏降，從而保持有高水壓，形成“高水壓核”結(jié)構(gòu)，在工作面上方形成高水壓“天窗區(qū)”，從而造成防砂煤( 巖 )柱承壓異常。當(dāng)工作面采動(dòng)致使導(dǎo)水裂縫導(dǎo)通該高水壓含水層時(shí)，工作面出現(xiàn)突水，并且常常伴隨壓架事故和頂板管理困難。

例如，某礦主采的二1煤層被第四系、新近系巨厚松散層覆蓋，其下部有薄層含水砂礫層，留設(shè)防砂煤柱。通過(guò)對(duì)其薄基巖巖層構(gòu)造進(jìn)行研究分析，得到薄基巖區(qū)松散層剖面圖，如圖1所示。松散層下部有多層近水平沉積的薄砂礫層，由于基巖界面結(jié)構(gòu)傾斜，形成薄基巖面逐步接近松散層底部含水層的楔形區(qū)域( 圖1中的圓圈 )，由于此處透鏡狀的含水夾層以前未受采動(dòng)疏降，安全煤柱尺寸留設(shè)不足，因此保持有高水壓形成的“高水壓核”結(jié)構(gòu)，在工作面上方有條帶狀的高壓含水層“天窗區(qū)”，造成防砂煤柱承壓過(guò)高。在采動(dòng)影響下，“高水壓核”結(jié)構(gòu)一旦發(fā)生泄露，工作面易出現(xiàn)潰水潰 砂[8]。圖1圈內(nèi)的11151與11191工作面的基本頂初次來(lái)壓步距為15 m，周期來(lái)壓步距為8.5 m，圈外的11131以及11211工作面基本頂初次來(lái)壓步距為22 m，周期來(lái)壓步距為9.5 m，在具有“高水壓核”區(qū)域的礦壓顯現(xiàn)明顯，支護(hù)阻力加大。因此需要研究承壓防砂煤柱情況下，高水壓以及潰水潰砂影響下支架阻力的計(jì)算公式，以保障工作面的安全生產(chǎn)。

圖1 薄基巖松散層剖面 Fig. 1 Section of loose bed of thin bedrock

2 覆巖破斷方式及其對(duì)工作面支架作用力

2.1 覆巖破斷方式

煤層開采后，關(guān)鍵層對(duì)上覆巖層運(yùn)動(dòng)起主要的控制作用。由于基巖結(jié)構(gòu)不同，上覆巖層會(huì)形成一層或者多層關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)，也會(huì)存在一層關(guān)鍵層單一破斷與多層關(guān)鍵層復(fù)合破斷。由于留設(shè)防砂煤柱，基巖厚度一般小于10倍采厚。上覆巖層多數(shù)為一層關(guān)鍵層單一破斷。當(dāng)采厚較大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)多層關(guān)鍵層復(fù)合破斷，因此，需對(duì)頂板關(guān)鍵層的支撐力P1按照關(guān)鍵層不同的破斷方式進(jìn)行計(jì)算。

按照關(guān)鍵層理論[15]，令( qn)1為第n層巖層對(duì)第1層所傳遞的載荷，( qn+1)1則為第n+1層所傳遞的載荷，當(dāng)頂板組合梁巖層中有( qn+1)1＜( qn)1時(shí)，第1層硬巖與第n+1層巖層為可能關(guān)鍵層，控制上部巖層的同步破斷與下沉。又設(shè)Li( i=1，2，…，n )為第i層巖層的極限跨距，且當(dāng)Ln+1＜L1時(shí)，頂板巖層中僅第1層硬巖為關(guān)鍵層，即頂板為單一關(guān)鍵層巖層；當(dāng)Ln+1＞L1時(shí)，則頂板巖層至少有2層關(guān)鍵層。

按照基本頂巖梁上的載荷計(jì)算方法，組合梁中第n層巖層對(duì)第1層所傳遞載荷( qn)1為

式中，iE 為第i層巖層彈性模量，MPa；ih 為第i層巖層厚度，m；iγ 為第i層巖層容重，MN/m3，i=1，2，…，n。

通過(guò)判斷上覆巖層的關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)，可以分別從單一關(guān)鍵層破斷與復(fù)合關(guān)鍵層破斷進(jìn)行巖層對(duì)支架作用力的計(jì)算。

2.1.1 單一關(guān)鍵層破斷支撐力

上覆巖層發(fā)生單一關(guān)鍵層破斷時(shí)，基本頂巖層破斷的模型如圖2所示。

圖2 單一關(guān)鍵層破斷模型 Fig. 2 Mechanical model of single breakage

取破斷巖塊進(jìn)行受力分析，如圖3所示，依照其受力分析，巖塊達(dá)到受力平衡，得到破斷巖塊的支撐力[15]為

按照基本頂?shù)幕涫Х€(wěn)平衡結(jié)構(gòu)，則

式中，T為巖塊平衡結(jié)構(gòu)中的水平推力；Q為基本頂巖塊的質(zhì)量及其上覆載荷；Li0為懸露巖塊的長(zhǎng)度，相當(dāng)于基本頂巖塊的垮落步距；Qi0為懸露巖塊的質(zhì)量及載荷，相當(dāng)于基本頂巖塊的質(zhì)量；H為基本頂巖層的厚度；δ為基本頂巖塊的下沉量；φ為巖塊的內(nèi)摩擦角；θ為巖塊的回轉(zhuǎn)角。

圖3 單一關(guān)鍵層破斷受力分析示意 Fig. 3 Schematic diagram of single breakage force analysis

2.1.2 關(guān)鍵層復(fù)合破斷支撐力

當(dāng)工作面上覆巖層發(fā)生失穩(wěn)，其關(guān)鍵層破斷方式為復(fù)合破斷時(shí)與單一關(guān)鍵層破斷有明顯區(qū)別，發(fā)生復(fù)合破斷時(shí)支架工作阻力計(jì)算模型如圖4所示。

通過(guò)對(duì)復(fù)合破斷巖體進(jìn)行受力分析，得出復(fù)合破斷巖層的支撐力1P′。對(duì)工作面上覆復(fù)合關(guān)鍵層進(jìn)行受力分析，如圖5所示。圖5中G為發(fā)生復(fù)合破斷巖體的質(zhì)量及其載荷；T為巖塊的水平推力；f為在水平推力作用下巖塊間產(chǎn)生的摩擦力。按照對(duì)回轉(zhuǎn)巖塊的分析[15]，水平推力的作用點(diǎn)取a/2處，Δ可近似取l sinα，a=h－l sinα。

圖4 關(guān)鍵層復(fù)合破斷模型 Fig. 4 Mechanical model of compound breakage

圖5 破斷巖塊受力分析示意 Fig. 5 Schematic diagram of compound breakage force analysis

按照?qǐng)D5的平衡結(jié)構(gòu)，取 ∑ M0=0，則

其中

式( 4 )的解為 式中，i為發(fā)生復(fù)合破斷巖塊的塊度；tan φ為巖塊間的摩擦因數(shù)；l為關(guān)鍵層初次破斷的步距；h = li；Y為總體巖塊產(chǎn)生的阻力系數(shù)。

當(dāng)式( 5 )中回轉(zhuǎn)角θ與摩擦因數(shù)tan φ一定時(shí)，阻力系數(shù)Y隨著塊度i的增長(zhǎng)而加大，但其對(duì)于支架總體 載 荷 的影響不大。Y的取值中對(duì)支架載荷產(chǎn)生明顯影響的是巖塊之間的摩擦因數(shù)。

2.2 工作面支架阻力計(jì)算方法

在具有厚松散層薄基巖結(jié)構(gòu)的煤層中，工作面所承載的載荷P包含對(duì)基巖關(guān)鍵層的支撐力P1以及支架對(duì)直接頂?shù)闹瘟Z，即

其中，直接頂破碎所形成的載荷PZ認(rèn)為是支架所支撐的直接頂?shù)娜抠|(zhì)量，即

式中， h∑ 為直接頂厚度；γ 為直接頂巖層容重；L為直接頂懸頂距。

在上述2種不同斷裂方式的關(guān)鍵層破斷支撐力計(jì)算中都存在上覆載荷，并且上覆載荷是造成關(guān)鍵層失穩(wěn)的主要因素。上覆載荷為關(guān)鍵層上覆巖層載荷和松散層的載荷。厚松散層在煤層開采后會(huì)形成類似“拱”狀結(jié)構(gòu)，對(duì)下部傳遞的載荷存在一定傳遞系數(shù)KS[16-18]，傳遞系數(shù)的取值與松散層的結(jié)構(gòu)相關(guān)，一般小于0.1。關(guān)鍵層上部基巖對(duì)其平衡結(jié)構(gòu)的載荷傳遞作用與松散層存在差別，其傳遞系數(shù)KJ與松散層傳遞系數(shù)KS有差別。例如，某礦區(qū)薄基巖工作面上覆巖層經(jīng)過(guò)分析計(jì)算，其上部巖層對(duì)下部關(guān)鍵層存在載荷傳遞，傳遞系數(shù)為0.24～0.30[19]，則總結(jié)關(guān)鍵層上部載荷公式為

式中，ZQ 為上覆巖層的質(zhì)量；sih 為不同土層的厚度；jih 為不同巖層的厚度；siγ 為不同土層的容重；jiγ 為不同巖層的容重。

3 “高水壓核”對(duì)工作面支架載荷的影響

3.1 水砂對(duì)關(guān)鍵層平衡結(jié)構(gòu)摩擦因數(shù)的影響

留設(shè)防砂煤柱時(shí)，允許導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育到工作面上方的“高水壓核”含水砂礫層。在高壓水的作用下由風(fēng)化泥巖構(gòu)成的防砂煤柱保護(hù)層易發(fā)生裂縫擴(kuò)展而失穩(wěn)[8]。“高水壓核”中的高壓水砂順著裂縫快速進(jìn)入巖石平衡結(jié)構(gòu)，水砂的存在對(duì)巖石間的摩擦因數(shù)產(chǎn)生影響。文獻(xiàn)[20]通過(guò)對(duì)巖體光滑面與斷裂面的摩擦試驗(yàn)，研究了水砂在不同狀態(tài)下對(duì)巖石間摩擦因數(shù)的具體影響，詳細(xì)數(shù)據(jù)見表1和表2。

表1 巖石光滑面摩擦試驗(yàn)?zāi)Σ烈驍?shù)對(duì)比[15] Table 1 Friction coefficient comparison table for friction test on smooth surface of rock[15]

由表1可知，巖石光滑試驗(yàn)面摩擦試驗(yàn)中，在水和濕砂條件下摩擦面的摩擦因數(shù)出現(xiàn)下降，幅度為-3.5%～-5.1%。由表2可知，在更符合實(shí)際情況的巖石斷裂面摩擦試驗(yàn)中，水和濕砂條件下摩擦面的摩擦因數(shù)出現(xiàn)下降，幅度為-6.3%～-19.1%。因此可以得出，在水砂涌入工作面上覆巖層平衡結(jié)構(gòu)中后，巖石中摩擦因數(shù)降低，從而使式( 2 )與式( 5 )中與摩擦相關(guān)的tan φ值變小，上覆巖層結(jié)構(gòu)更易出現(xiàn)滑落失穩(wěn)，造成工作面頂板結(jié)構(gòu)變脆弱，工作面來(lái)壓更頻繁，來(lái)壓強(qiáng)度更強(qiáng)烈，因此需要支架更大的支撐力。

3.2 “高水壓核”高壓水的作用影響

上方存在“高水壓核”的工作面在發(fā)生突水潰砂事故時(shí)，該工作面礦壓顯現(xiàn)劇烈，常造成壓架事故發(fā)生。在突水潰砂停止后，工作面頂板壓力又顯著減弱。為此建立考慮高壓水作用情況下的支架阻力計(jì)算模型，如圖6所示。

圖6 突水潰砂模型示意 Fig. 6 Schematic diagram of water inrush and sand inrush

根據(jù)《建筑物、水體、鐵路以及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采》規(guī)范，在留設(shè)防砂煤柱的工作面，允許導(dǎo)水裂縫帶至弱富水性含水層。隨著工作面向前推進(jìn)，導(dǎo)致導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育至承壓的弱富水性的松散含水層，造成“高水壓核”的泄露。高壓水沖擊黏土層和風(fēng)化泥巖，并沿導(dǎo)水裂縫帶形成潰水潰砂通道，沖擊工作面頂板。在突水潰砂過(guò)程中，由于基巖薄并且“高水壓核”含水層距離工作面較近，高壓水直接順導(dǎo)水裂縫沖擊工作面頂板，并產(chǎn)生動(dòng)載荷。

由圖6的突水潰砂模型可知，在分析計(jì)算發(fā)生沖擊載荷的過(guò)程中，作以下假定：① 由于水壓小于基巖巖體強(qiáng)度，因此可以忽略計(jì)算由于水壓沖擊造成巖體的破壞與變形，巖體與支架服從胡克定律，可進(jìn)行彈性計(jì)算；② 在沖擊過(guò)程中產(chǎn)生的聲、熱等能量損耗較小，可以忽略不計(jì)；③ 在產(chǎn)生沖擊的過(guò)程中，實(shí)際上覆承壓水的水壓會(huì)逐漸減小，因此在計(jì)算工作面支架承受的最大載荷時(shí)，選取含水層原始水壓和工作面最大出水量。

利用機(jī)械能守恒定理，工作面在未發(fā)生突水潰砂時(shí)的機(jī)械能與發(fā)生突水潰砂之后的機(jī)械能守恒，即

式中，0KE 為初動(dòng)能；HE 為承壓水水頭能量；PE 為勢(shì)能；KE 為末動(dòng)能；V 為支架與直接頂增加的應(yīng)變能； lλ 為沿途能量損失，其中，λ 為沿途能量損失系數(shù)，l 為路徑長(zhǎng)度；m為流失水體的質(zhì)量；g為重力加速度，取9.8 m/s2；H為水頭。

在發(fā)生突水潰砂災(zāi)害前后，水砂的速度均為零，故其動(dòng)能為零，因此動(dòng)能不存在變化，可將式( 9 )整理為

因?yàn)椴牧戏暮硕?，其增加的?yīng)變能V等于通過(guò)沖擊力F對(duì)支架的下縮量x所做功，即

整理式( 11 )和( 12 )，即可得出沖擊力公式：

綜上，工作面在發(fā)生突水潰砂時(shí)，由于水壓造成的沖擊增大了載荷，其支架阻力P′為

綜上，在承壓型防砂煤柱工作面中，當(dāng)“高水壓核”含水層發(fā)生泄漏后，由于水砂混合物進(jìn)入平衡結(jié)構(gòu)造成巖石摩擦因數(shù)降低，以及高壓水沖擊工作面頂板，導(dǎo)致工作面頂板壓力在采動(dòng)壓力增加的條件下再次增大，易超過(guò)支架的設(shè)計(jì)工作阻力，造成壓架事故和頂板管理困難。

4 應(yīng)用實(shí)例

4.1 工作面基本情況

某礦11071工作面所采煤層為二1煤，煤層平均厚度6.1 m，傾角0.2°～6°，平均2.1°，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作面上方松散層厚度為482～500 m。工作面傾斜長(zhǎng)度為206.9 m，可采走向長(zhǎng)度1 230～1 260 m。整個(gè)采區(qū)采用斜分層走向長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化采煤方法，采高3.5 m，全部垮落法管理頂板，工作面采用ZF8600/20/38型液壓支架，支架額定工作阻力為8 600 kN，支護(hù)強(qiáng)度為1.315 MPa。上部含水層水壓約為4.5 MPa，工作面留設(shè)防砂安全煤( 巖 )柱，其最小基巖厚度為27 m。工作面頂板的物理性質(zhì)及巖層分布見表3。

表3 11071工作面頂板巖層物理性質(zhì)及巖層分布 Table 3 Physical properties and distribution of rock strata in the 11071 working face

11071工作面在開采期間的礦壓觀測(cè)結(jié)果顯示，直接頂初次垮落步距平均為8 m，基本頂初次來(lái)壓步距為18～20 m，平均為18.9 m，基本頂周期來(lái)壓步距平均為9.5 m。工作面礦壓顯現(xiàn)頻繁，頂板穩(wěn)定性差，架前允許裸露面積較小，架前漏頂現(xiàn)象較為普遍，局部冒頂高達(dá)1.5 m，工作面生產(chǎn)條件較差。工作面在開采過(guò)程中出現(xiàn)潰水現(xiàn)象，潰水量最大達(dá)到120 m3/h，并且部分支架被壓死。在突水潰砂事故中，初始工作面壓力明顯增大，突水潰砂后頂板壓力明顯減小。

頂板探查鉆孔探測(cè)結(jié)果顯示工作面上方松散層下部有薄層含水砂層，該含水層以透鏡體的形態(tài)存在于煤層上方，并且上、下黏土層與風(fēng)化泥巖使其構(gòu)成楔形密封高水壓結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致含水砂層在密封條件下保持高水壓，工作面安全煤柱形成承壓防砂煤柱。工作面采動(dòng)后形成的導(dǎo)水裂縫帶直接發(fā)育含水砂層，則水和砂粒通過(guò)導(dǎo)水通道快速?zèng)_擊工作面，釋放高壓水。

4.2 工作面支架阻力計(jì)算

( 1 ) 不考慮突水潰砂情況的支架阻力

通過(guò)分析表3中的巖層數(shù)據(jù)，煤層上部1.97 m泥巖為直接頂，18.35 m厚的中粒砂巖為基本頂。將表3中的巖層數(shù)據(jù)代入式( 1 )，判斷是否存在復(fù)合關(guān)鍵層，經(jīng)計(jì)算得出不存在( qn+1)1＜( qn)1，即在11071工作面上方只存在18.35 m中粒砂巖的單一關(guān)鍵層，工作面支架阻力按照單一關(guān)鍵層破斷計(jì)算。

根據(jù)工作面資料，基本頂周期來(lái)壓平均步距為9.5 m，即懸露巖塊Li0長(zhǎng)度為9.5 m，摩擦因數(shù)tan （φ - θ） = 0. 8，工作面開采厚度為3.5 m，泥巖的碎脹系數(shù)為1.3，計(jì)算得基本頂下沉厚度為2.91 m。

代入式( 8 )計(jì)算基本頂上覆載荷。根據(jù)松散層和土層結(jié)構(gòu)，松散層載荷傳遞系數(shù)取0.05，基巖層載荷傳遞系數(shù)取0.30，計(jì)算得基本頂上部載荷Qs為465.7 kN/m2；Qj為159.8 kN/m2。

代入式( 2 )計(jì)算得支架對(duì)破斷巖塊的支撐力P1為7 597.5 kN。

直接頂?shù)闹Ъ軐挾葹?.5 m，控頂距為5 m，代入式( 7 )，計(jì)算得直接頂對(duì)支架的工作阻力PZ為384.15 kN。

則工作面支架阻力P=P1＋PZ=7 981.65 kN。

設(shè)計(jì)支架額定工作阻力8 600 kN，滿足要求。

( 2 ) “高水壓核”破裂情況下的支架阻力

當(dāng)考慮“高水壓核”破裂情況時(shí)，水砂進(jìn)入關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)。根據(jù)巖石斷裂面摩擦試驗(yàn)結(jié)果，按摩擦因數(shù)降低19.1%進(jìn)行計(jì)算，摩擦因數(shù)由0.8降低為0.647 ，由 式( 2 ) 計(jì) 算 得 到 支 架 阻 力 P1′為8 005.79 kN。對(duì)比正常情況，該因素導(dǎo)致支架阻力增加5.4%，考慮高承壓水沖擊工作面支架造成支架載荷加大。取含水層水壓為4.5 MPa，工作面最大出水量為120 m3/h。在潰水過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生沿途損失，造成能量損失，但在導(dǎo)水通道暢通的情況下，即使含水層的水不具有壓力，也能依靠自身勢(shì)能到達(dá)工作面，因此在計(jì)算過(guò)程中使其勢(shì)能與沿途損失抵消，只考慮高水壓對(duì)支架造成的沖擊載荷。

當(dāng)支架工作阻力超過(guò)額定阻力時(shí)，支架被壓縮。參考實(shí)測(cè)結(jié)果，取其壓縮量為1.0 m。

將值代入式( 13 )，得出F=1 058 kN。

最終得出在承壓型煤柱下出現(xiàn)突水潰砂事故時(shí)，11071工作面支架阻力P′=9 065 kN。

與正常情況相比，支架阻力增加13.6%。

綜上計(jì)算結(jié)果表明：當(dāng)發(fā)生突水潰砂事故時(shí)，11071工作面支架所需承受的阻力大于支架設(shè)計(jì)的最大載荷。合理解釋了工作面支架作用力明顯增加，突水事故后工作面頂板壓力明顯減小的現(xiàn)象，以及發(fā)生壓架事故的原因。

4.3 可采用的防治措施

針對(duì)承壓型防砂煤( 巖 )柱工作面，可采用以下防治措施：

( 1 ) 疏降承壓含水層。通過(guò)疏降水壓可以有效降低或者消除“高水壓核”的威脅，并且減弱高水壓對(duì)工作面支架的沖擊。

( 2 ) 增大支架的設(shè)計(jì)支護(hù)阻力。工作面支護(hù)阻力加大，可平衡工作面上覆巖層的作用力，維持工作面上覆巖層的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)在一定時(shí)間內(nèi)不失穩(wěn)。

( 3 ) 降低工作面采高。降低采高可以減少上覆巖層的運(yùn)動(dòng)空間，使破斷巖塊的回轉(zhuǎn)角減小，砌體梁結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，不易出現(xiàn)滑落失穩(wěn)。

( 4 ) 增加安全煤( 巖 )柱的厚度。增加在薄基巖區(qū)域留設(shè)的安全煤( 巖 )柱厚度，防止導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育至含水砂層，或者防止高水壓對(duì)防砂煤柱風(fēng)化泥巖保護(hù)層的破壞。

5 結(jié) 論

( 1 ) 由于基巖界面傾斜，松散層水平沉降，造成松散層底部與基巖界面處形成楔形區(qū)域。此區(qū)域工作面接近松散層下部含水砂礫層，形成薄帶狀的“天窗區(qū)”。由于上、下黏土層和風(fēng)化泥巖的隔水作用使含水層形成“高水壓核”結(jié)構(gòu)，成為承壓型防砂煤( 巖 )柱。在此結(jié)構(gòu)下工作面易發(fā)生突水潰砂和壓架事故。

( 2 ) 分析承壓型防砂煤柱工作面上覆關(guān)鍵層2種不同的破斷方式，得出工作面載荷計(jì)算方式。分析認(rèn)為由于突水潰砂事故中水砂涌入平衡結(jié)構(gòu)降低巖石間摩擦因數(shù)，“高水壓核”破裂后高壓水沖擊工作面支架，造成工作面支架載荷增大。由此建立了考慮水砂降低摩擦因數(shù)和高水壓沖擊情況下的工作面支架阻力的計(jì)算公式。

( 3 ) 以某礦11071工作面為工程實(shí)例，計(jì)算表明：正常情況下，工作面支架阻力為7 981.65 kN，設(shè)計(jì)支架額定工作阻力為8 600kN，滿足要求。當(dāng)工作面采動(dòng)“高水壓核”含水砂層時(shí)，工作面的支架阻力為9 065 kN，比正常值增加13.6%，大于設(shè)計(jì)支架額定工作阻力，從而導(dǎo)致壓架事故發(fā)生，驗(yàn)證了上述分析結(jié)論。