賀奎 何青松

摘 要：本文針對鄂爾多斯地區(qū)典型近淺埋煤層的實(shí)際地質(zhì)情況，在現(xiàn)場礦壓實(shí)測的基礎(chǔ)上，結(jié)合理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場實(shí)測研究方法，對近淺埋煤層大采高工作面礦壓規(guī)律進(jìn)行研究。研究發(fā)現(xiàn)：該近淺埋煤層工作面上覆巖層中存在兩個關(guān)鍵層，這兩個關(guān)鍵層之間的相互作用對礦山壓力顯現(xiàn)起到關(guān)鍵作用。近淺埋采場來壓歷時較短且動載明顯，采場周期來壓步距和來壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)非均勻性周期變化。

關(guān)鍵詞：近淺埋煤層；綜采；礦壓顯現(xiàn)；數(shù)值模擬；雙關(guān)鍵層

中圖分類號：TD323 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）07-0076-03

Practical Measure Research on Strata-pressure Appearance of

Long-wall Working Face in Near Shallow Seam

HE Kui HE Qingsong

（China Coal Technology and Engineering Group Chongqing Research Institute，Chongqing 400039）

Abstract： Aiming at the real geological conditions of the typical near shallow coal seam in Ordos region，the minings pressure behavior and the motion characteristic of its overlying rock strata of the near shallow coal seam with high mining height was studied by means of theoretical analysis， numerical simulation and field monitoring data analysis. This study showed that there were two key-stratas above the longwall working face in typical near shallow coal seam， and the interactions between the two key strata played a major role in the strata behaviors. There are obvious strata behaviors in near shallow face which have shorter duration and violent dynamic loading phenomenon and the periodic caving span and weighting intensity working face have a periodic change.

Keywords： near shallow seam；fully-mechanized mining；strata behavior；numerical simulation；double-key strata

能源安全是國家經(jīng)濟(jì)安全的基本支撐，煤炭工業(yè)是關(guān)系國家經(jīng)濟(jì)命脈和能源安全的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)[1，2]。在中國各省預(yù)測地質(zhì)儲量中，僅西部地區(qū)新疆、內(nèi)蒙古、陜西和陜西4省（區(qū)）的儲量就占全國煤炭資源總儲量的79.56%[3]。其中，有相當(dāng)一部分煤田主要開采距地表較淺的煤層，最典型的是神府和東勝煤田，是我國目前已探明儲量最大的煤田[4，5]。

通常情況下，將具有淺埋深、基巖薄和上覆厚松散層賦存特征的煤層稱為淺埋煤層[4]。礦壓顯現(xiàn)規(guī)律是綜采關(guān)鍵技術(shù)的主要組成部分，特別是在淺埋深、大采高條件下，有時礦壓顯現(xiàn)劇烈、頂板來壓強(qiáng)度大[6]，若不加以有效控制，則會嚴(yán)重影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行。因此，掌握近淺埋工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，是進(jìn)行近淺埋煤層頂板控制的基礎(chǔ)和安全開采的前提[7-9]。

1 工程概況和關(guān)鍵層判斷

本次研究選取鄂爾多斯地區(qū)東勝煤田范圍內(nèi)比較有代表性的近淺埋煤層長壁開采礦井，該礦222201工作面為22采區(qū)首采工作面，四周及上下煤層尚未開采，工作面埋深為139m，回采長度為1 463m，傾斜長度240m，煤厚6.8m，傾角0°～5°，屬近水平煤層，工作面采用ZY11000/28/63D型支撐掩護(hù)式支架，綜合機(jī)械化走向長壁后退式一次采全高采煤法回采，全部垮落法管理頂板。

結(jié)合關(guān)鍵層位置判斷方法和判斷公式進(jìn)行實(shí)例分析，可知第1層巖層及老頂為222201工作面的亞關(guān)鍵層，第3層至第5層組合成的復(fù)合巖層為222201工作面的復(fù)合主關(guān)鍵層，經(jīng)計(jì)算得出：222201工作面亞關(guān)鍵層的初次破斷距為26.4m；主關(guān)鍵層的初次破斷距為50.8m。222201工作面覆巖分布及關(guān)鍵層位置見表1。

在一些文獻(xiàn)中，關(guān)鍵巖層的周期來壓步距常常按照其懸臂式折斷來計(jì)算[4]，可得出關(guān)鍵巖層的周期破斷距大體上相當(dāng)于其極限破斷距的0.41倍。因此，可以通過理論計(jì)算預(yù)測222201工作面的周期來壓情況：工作面周期來壓步距為10.8、11.6、10.8、11.6m等，且工作面每隔22.4m，主亞關(guān)鍵層同時破斷，將造成工作面出現(xiàn)一次較強(qiáng)的來壓顯現(xiàn)。

2 工作面來壓規(guī)律數(shù)值模擬

以222201工作面地質(zhì)條件為背景，通過FLAC3D軟件建立三維解析模型，模擬工作面推進(jìn)過程中來壓規(guī)律。模型沿走向長200m，沿傾斜寬310m，模型高度為148m，共劃分有99 200個單元，共105 903個結(jié)點(diǎn)，采用Mohr-Coulomb判斷準(zhǔn)則。圖1為推進(jìn)期間工作面中部沿走向的塑性圖。

從圖1可以看出，隨著工作面的推進(jìn)，直接頂懸露的長度會逐漸地增加，頂板的塑性破壞也隨之增大。當(dāng)工作面推進(jìn)30m時，基本頂在上覆載荷的作用下發(fā)生斷裂，工作面初次來壓。當(dāng)工作面推過40m后，梁結(jié)構(gòu)變?yōu)閼冶凼匠袚?dān)上覆巖層的載荷，再次破壞，形成周期來壓，垮落矸石充填到采空區(qū)。

3 工作面來壓顯現(xiàn)觀測

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，本次分析選取觀測期間支架每循環(huán)末阻力平均值加上支架一倍循環(huán)末阻力平均值的均方差作為工作面壓判據(jù)[9-11]。圖2為工作面中部支架循環(huán)末阻力與其對應(yīng)的來壓判據(jù)關(guān)系圖。工作面具體來壓步距情況統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。由觀測結(jié)果可以看出，自工作面生產(chǎn)之日起，到初次來壓前，工作面礦壓變化不明顯，支架載荷較小，頂板活動不劇烈；工作面初次來壓期間，支架工作阻力較高、來壓持續(xù)時間較長，平均初次來壓步距為26.0m，工作面中部來壓顯現(xiàn)（聲響、片幫）比較明顯；來壓期間，部分支架的工作阻力接近甚至超過了額定工作阻力；工作面周期來壓步距為9.5～12.1m，周期來壓的強(qiáng)度和持續(xù)時間要比初次來壓小，但來壓顯現(xiàn)依然很明顯。

工作面的來壓強(qiáng)度通常用動載系數(shù)K來衡量，是評價頂板周期來壓劇烈程度的重要指標(biāo)之一，礦壓觀測前期歷次周期來壓時支架載荷及動載系數(shù)統(tǒng)計(jì)如表3所示。

分析表3可以看出：工作面開采非來壓期間支架工作阻力平均值為6 031.43kN，為支架額定工作阻力的54.83%；來壓期間支架工作阻力平均值為9 494.04kN，為支架額定工作阻力的86.31%；工作面周期來壓時平均最大工作阻力為11 661.59kN，為支架額定工作阻力（11 000kN）的106.01%，但持續(xù)時間較短。工作面周期來壓動載系數(shù)最小值為1.42，最大值為1.67，平均為1.57，數(shù)值較大，支架動載明顯?，F(xiàn)場實(shí)測結(jié)果也驗(yàn)證了理論計(jì)算和數(shù)值模擬結(jié)果。

4 結(jié)論

①根據(jù)理論計(jì)算得出222201近淺埋煤層工作面上覆基巖中存在兩組關(guān)鍵層，亞關(guān)鍵層的初次破斷距為26.38m；主關(guān)鍵層的初次破斷距為50.84m，且工作面每隔22.38m，主亞關(guān)鍵層同時破斷，將造成工作面出現(xiàn)一次較強(qiáng)的來壓顯現(xiàn)。

②數(shù)值模擬結(jié)果顯示：當(dāng)工作面推進(jìn)30m時，工作面發(fā)生初次來壓；當(dāng)工作面推進(jìn)50m時，主關(guān)鍵層梁結(jié)構(gòu)變?yōu)閼冶凼匠袚?dān)上覆巖層的載荷再次破壞。

③通過現(xiàn)場實(shí)測得出222203近淺埋工作面如下礦壓規(guī)律：初次來壓步距25.9m，周期末壓步距為10～12m，來壓期間動載顯現(xiàn)明顯，且來壓強(qiáng)度和來壓步距均存在非均勻性大小周期變化，實(shí)測結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果近似，說明研究結(jié)果能為現(xiàn)場提供較精確的理論預(yù)測結(jié)果，用以指導(dǎo)現(xiàn)場生產(chǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]國家煤礦安全監(jiān)察局.全國煤礦安全狀況調(diào)查與安全規(guī)劃研究報(bào)告[R].北京：國家煤礦安全監(jiān)察局，2001.

[2]佚名.能源中長期發(fā)展規(guī)劃綱要草案原則通過[J].中國能源，2004（7）：24.

[3]黃慶享.淺埋煤層長壁開采頂板結(jié)構(gòu)及巖層控制研究[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2000.

[4]錢鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2003.

[5]黃慶享.淺埋煤層的礦壓特征與淺埋煤層定義[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2002（8）：1174-1177.

[6]趙光緒，孫中光，鄭芳菲.近淺埋煤層大采高綜采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究[J].能源與環(huán)保，2017（5）：175-178.

[7]劉江，任艷芳.淺埋深長壁工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律實(shí)測分析[J].煤礦安全，2010（2）：93-96.

[8]黃慶享，劉文崗，田銀素.近淺埋煤層大采高礦壓顯現(xiàn)規(guī)律實(shí)測研究[J].礦山壓力與頂板管理，2003（3）：58-59.

[9]劉文崗.淺埋大采高綜采工作面礦壓顯現(xiàn)特征及頂板災(zāi)害機(jī)理分析[J].煤礦開采，2011（5）：73-75.

[10]孫中光.大采高綜采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及支架適應(yīng)性研究[J].煤炭工程，2014（2）：85-88.

[11]楊利剛，張剛洲，孫中光.近淺埋煤層雙關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)對工作面來壓影響研究[J].山東煤炭科技，2015（1）：17-19.