( 徐州礦務(wù)集團(tuán)有限公司 生產(chǎn)技術(shù)部，江蘇 徐州 221006)

多堅(jiān)硬層覆巖結(jié)構(gòu)條件下采場異常礦壓形成機(jī)理探析

顧新澤

(徐州礦務(wù)集團(tuán)有限公司生產(chǎn)技術(shù)部，江蘇徐州221006)

以徐州礦務(wù)集團(tuán)有限公司垞城煤礦22109工作面壓架事故為背景，基于砌體梁、關(guān)鍵層、“S-R”穩(wěn)定性理論，綜合分析了4起采場異常礦壓顯現(xiàn)特征，通過采場覆巖空間結(jié)構(gòu)對(duì)比，覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律計(jì)算驗(yàn)證，揭示了多堅(jiān)硬層結(jié)構(gòu)覆巖條件下采場“雙滑落失穩(wěn)礦壓異常顯現(xiàn)”機(jī)理，明確了多堅(jiān)硬層覆巖結(jié)構(gòu)條件下采場異常礦壓預(yù)測與技術(shù)控制方向。

多堅(jiān)硬層；覆巖結(jié)構(gòu)；采場；異常礦壓；亞關(guān)鍵層

Analysis of Abnormal Underground Pressure of Mining Field under Multiple Hard Strata

1 采場異常礦壓致災(zāi)事故概況

1.1 采場地質(zhì)賦存

徐州礦務(wù)集團(tuán)有限公司(簡稱“徐礦集團(tuán)”)垞城煤礦22109工作面位于-750m水平北一延深采區(qū)，標(biāo)高-650～-720m；開采二疊系下石盒子組2煤，厚0.9～2.3m，平均1.9m，煤層傾角平均28°；基本頂砂巖裂隙發(fā)育不均，多以靜水量為主，表現(xiàn)為滴淋水，水力聯(lián)系較差；根據(jù)采場煤層綜合柱狀圖，該面直接底為砂質(zhì)泥巖，厚1.32m，覆巖從下往上為“軟硬軟硬”結(jié)構(gòu)(如表1)。

表1 22109采場覆巖結(jié)構(gòu)

1.2 工作面概況

22109工作面平均走向長1465m，平均傾斜長157.5m。該面兩巷為矩形斷面，采用錨網(wǎng)梁索支護(hù)。工作面選用ZF3200/16/24B型放頂煤支架作綜采支架使用，共106架，并按從下向上的順序編號(hào)；支架工作阻力3200kN，支護(hù)強(qiáng)度0.54～0.58MPa，中心距為1.50m，移架步距為0.6m。

1.3 工作面壓架事故

2010年7月1日，該面自切眼起運(yùn)輸巷推進(jìn)835m，材料巷推進(jìn)800m；當(dāng)日夜班1：10左右，采煤機(jī)上行割煤，追機(jī)移架，第14～28號(hào)支架前煤壁開始出現(xiàn)片幫、淋水，頂板發(fā)出斷裂聲，支架安全閥開啟，下縮明顯；早班12：50，15～25號(hào)支架壓死，40～103號(hào)支架下縮0.2～0.5m。

來壓使工作面內(nèi) 9～39號(hào)支架前煤壁片幫達(dá)到了0.2～2.5m，1～8號(hào)、15～25號(hào)支架前頂板冒落0.8～3.6m； 13架液壓支架立柱不同程度壓壞(如圖1)，集中在14～28號(hào)支架，膠管損壞231根，安全閥等液壓件損壞68只；工作面8號(hào)、9號(hào)架處出現(xiàn)淋水，涌水量約0.4～0.5m3/h，并逐漸增大，水溫36.1℃；7月2日，7號(hào)、11號(hào)、39號(hào)、45號(hào)支架處合計(jì)涌水量18m3/h，3日后涌水量穩(wěn)定在8～10m3/h。

圖 1 22109工作面被壓支架立柱折斷

2 異常礦壓形成機(jī)理探析

2010-2013年，徐礦集團(tuán)所屬礦井發(fā)生綜采(放)工作面支架被壓災(zāi)害事故，除22109工作面外還有夾河煤礦2447綜采工作面、郭家河煤礦1303和1304里綜放工作面。從現(xiàn)場原因上分析，4起壓架事故均是由采場異常礦壓導(dǎo)致的。

國內(nèi)外采場異常礦壓，由于采場條件不同，顯現(xiàn)的現(xiàn)象、特征和機(jī)理不盡相同，但歸納內(nèi)在原因，徐礦集團(tuán)4起采場壓架事故為同類性質(zhì)異常礦壓所致。

2.1 異常礦壓采場覆巖結(jié)構(gòu)

采場異常礦壓是采場圍巖運(yùn)動(dòng)的特殊顯現(xiàn)形式，其內(nèi)在原因必然與圍巖尤其上覆巖層結(jié)構(gòu)直接關(guān)聯(lián)，因此，分析異常礦壓顯現(xiàn)機(jī)理必然要分析覆巖結(jié)構(gòu)。通過比較，與礦壓常規(guī)顯現(xiàn)采場不同，徐礦集團(tuán)4起異常礦壓采場相同本質(zhì)特征是采動(dòng)覆巖均存在2層或以上堅(jiān)硬巖層。

根據(jù)關(guān)鍵層判別方法可知：22019采場采動(dòng)覆巖下位亞關(guān)鍵層為7.39m砂巖，上位亞關(guān)鍵層為5.91m砂巖，兩層亞關(guān)鍵層相距13.79m，其間所夾軟弱巖層為砂泥巖。

若h1，h2依次為采場覆巖中從下向上第1層和2層覆巖厚度， ∑h2為硬巖間的軟弱巖層厚度，根據(jù)關(guān)鍵層的復(fù)合效應(yīng)可知：如∑h2/h1≤2.2，且h2/h1≥0.5+1.5∑h2/h1，則相鄰硬巖層產(chǎn)生復(fù)合效應(yīng)，反之則為非復(fù)合效應(yīng)關(guān)鍵層。對(duì)22109采場覆巖，由于：

∑h2/h1=13.79/7.39=1.87<2.2

且h2/h1=5.91/7.39=0.80

0.5+1.5∑h2/h1=0.5+1.5×1.87=3.31

即h2/h1<0.5+1.5∑h2/h1。

所以， 22109采場采動(dòng)覆巖中上位亞關(guān)鍵層5.91m砂巖，與下位亞關(guān)鍵層7.39m砂巖，不產(chǎn)生復(fù)合效應(yīng)，上下位亞關(guān)鍵層分步距斷裂。

推算判別結(jié)果：與礦壓常規(guī)顯現(xiàn)采場不同，徐礦集團(tuán)4個(gè)異常礦壓采場采動(dòng)覆巖中均存在兩組亞關(guān)鍵層或復(fù)合亞關(guān)鍵層，其中郭家河煤礦1303和1304里綜放采場采動(dòng)覆巖中有4層堅(jiān)硬巖層，下位3層相鄰的堅(jiān)硬巖同步斷裂形成復(fù)合關(guān)鍵層；4個(gè)采場上下位兩組亞關(guān)鍵層或復(fù)合關(guān)鍵層間均不產(chǎn)生復(fù)合效應(yīng)，即異常礦壓采場采動(dòng)覆巖中存在非復(fù)合效應(yīng)雙亞關(guān)鍵層或復(fù)合關(guān)鍵層。

2.2 非復(fù)合效應(yīng)雙亞關(guān)鍵層破斷步距

計(jì)算22109采場覆巖下位亞關(guān)鍵層初次破斷步距：

實(shí)測初次來壓步距為37.7m，周期來壓步距為15.30m，計(jì)算和實(shí)測基本相近；同理計(jì)算出該采場上位亞關(guān)鍵層初次來壓步距為28.41m，周期來壓步距為11.60m。計(jì)算其他3個(gè)異常礦壓采場覆巖中各亞關(guān)鍵層破斷步距均沒有相同值。

2.3 雙亞關(guān)鍵層破斷巖塊結(jié)構(gòu)平衡

采動(dòng)覆巖中非復(fù)合效應(yīng)雙亞關(guān)鍵層破斷后形成復(fù)式砌體梁結(jié)構(gòu)，依據(jù)“S-R”穩(wěn)定性理論分析，垞城礦22109采場下位亞關(guān)鍵層破斷巖塊結(jié)構(gòu)平衡狀況計(jì)算如下：

式中，Lz1為亞關(guān)鍵層周期破斷步距，m；h1為亞關(guān)鍵層厚度，m；S為破斷巖塊回轉(zhuǎn)下沉量， m；M為采出高度， m；Q為亞關(guān)鍵層巖塊重量與載荷，kN/m；θ為破斷巖塊回轉(zhuǎn)角，(°)；φ為巖塊間摩擦角，(°)。

計(jì)算說明“煤壁-支架-采空區(qū)垮落矸石”支撐體系必須在下位亞關(guān)鍵層破斷巖梁下至少形成F=6463.02kN/m的影響力，下位破斷塊才不會(huì)發(fā)生滑落失穩(wěn)。

代入亞關(guān)鍵層參數(shù)計(jì)算，4個(gè)異常礦壓采場中：1303采場覆巖中下位亞關(guān)鍵層F值為負(fù)，破斷后能自身取得平衡；其余亞關(guān)鍵層F值均為正，破斷后在支撐體系影響力作用下保持平衡。

2.4 非復(fù)合效應(yīng)復(fù)式砌體梁失穩(wěn)機(jī)理

(1)由于破斷步距不同，在采場推進(jìn)過程中，采動(dòng)覆巖中雙亞關(guān)鍵層破斷線的相對(duì)位置會(huì)交替出現(xiàn)3種情形：上位超前下位、上位滯后下位、雙亞關(guān)鍵層破斷線同位。

(2)根據(jù)探測資料和異常礦壓顯現(xiàn)特征分析，異常礦壓顯現(xiàn)時(shí)，采動(dòng)覆巖中上下亞關(guān)鍵層破斷線同在支架上方，即復(fù)式砌體梁破斷線同位，如圖2。破斷線同位時(shí)，巖塊A′結(jié)構(gòu)平衡所需支撐力由下位巖塊A的前端承擔(dān)；巖塊A結(jié)構(gòu)平衡所需支撐力由支撐體系承擔(dān)，但支撐體系中煤壁的影響力已經(jīng)減弱或消失，支架支撐力P在巖梁前端的影響力P1和矸石支撐力R矸1起主作用，此狀態(tài)支架承受載荷最大。

圖2 采場覆巖中雙亞關(guān)鍵層砌體梁受力狀態(tài)

(3)支架上方非復(fù)合效應(yīng)雙亞關(guān)鍵層破斷線同位時(shí)，砌體梁結(jié)構(gòu)平衡極不穩(wěn)定，在誘發(fā)因素作用下會(huì)導(dǎo)致實(shí)際支撐影響力下降或平衡結(jié)構(gòu)所需支撐力增加，此時(shí)有一亞關(guān)鍵層破斷塊失穩(wěn)滑落，則另一亞關(guān)鍵層破斷巖塊平衡狀態(tài)隨之打破，雙亞關(guān)鍵層破斷塊將可能全部滑落失穩(wěn)，即發(fā)生連鎖滑落失穩(wěn)，從而形成采場異常礦壓，導(dǎo)致頂板切落和支架被壓，這就是徐礦集團(tuán)近年來采場“礦壓異常顯現(xiàn)”的機(jī)理，簡稱 “雙滑落失穩(wěn)礦壓異常顯現(xiàn)”機(jī)理。

(4)復(fù)式砌體梁連鎖滑落失穩(wěn)影響會(huì)繼續(xù)向上伸展，失穩(wěn)后的雙破斷塊隨支架下沉瞬間離合，結(jié)構(gòu)體上覆巖層突然形成較大面積懸露，彎矩短暫時(shí)間內(nèi)增長，達(dá)到強(qiáng)度極限時(shí)將形成斷裂，并產(chǎn)生斷裂聲，導(dǎo)通含水層伴生滲水事故。

3 異常礦壓顯現(xiàn)力源估算

3.1 失穩(wěn)巖梁受力狀態(tài)

砌體梁結(jié)構(gòu)失穩(wěn)后，破斷巖塊間的鉸接平衡力減弱或消失，頂板切落，煤壁失去對(duì)結(jié)構(gòu)平衡體支撐作用，支架承受失穩(wěn)載荷為：

P=wb∑hiγi+Nb∑Qi

式中，P為巖梁失穩(wěn)后支架載荷，kN/架；W，b分別為采場控頂距、支架中心距，m； ∑h1γi為直接加載在支架上方的軟巖或頂煤載荷，kN； ∑Qi為i層亞關(guān)鍵層破斷巖塊重量及其隨降層載荷之和，kN/m；N為載荷比例系數(shù)。

(1)若失穩(wěn)時(shí)矸石充滿填實(shí)采空區(qū)，支架與冒落矸石按對(duì)應(yīng)失穩(wěn)體的長度比例分擔(dān)載荷(圖3(a))，所以N=w/Lzi或N=w/Lci，Lzi，Lci分別為亞關(guān)鍵層周期和初次破斷步距(從下向上，i=1為第1層，i=2為第2層)；

(2)若失穩(wěn)時(shí)采空區(qū)矸石冒落不充分，從轉(zhuǎn)矩平衡角度分析，支架承擔(dān)載荷為失穩(wěn)體一半的重量(最危險(xiǎn)狀態(tài)) (圖3(b))，即N=0.50。

圖3 砌體梁失穩(wěn)后的兩種受力狀態(tài)

3.2 支架承擔(dān)失穩(wěn)載荷量估算

采空區(qū)冒落矸石上方剩余的空間為：

Δs=M-∑hi(kp-1)

式中，Δs為采空區(qū)冒落矸石上方剩余的空間，m；M為采出高度， m；Kp為冒落巖石碎脹系數(shù)；∑hi為直接加載在支架上方的軟巖或頂煤厚度，m。

22109采場取Kp=1.30，計(jì)算出Δs=-2.2m；負(fù)數(shù)說明冒落矸石能充滿填實(shí)采空區(qū)，則支架與冒落矸石按對(duì)應(yīng)的滑落失穩(wěn)體長度比例承擔(dān)載荷，采場控頂距越大，支架承擔(dān)失穩(wěn)巖塊的長度和載荷比例越大，反之則越小，所以有：

N=w/Lz1=3.95/15.30=0.26

上下位破斷塊同步滑落失穩(wěn)時(shí)，支架載荷估算為：

P雙=Wb∑hiγi+Nb∑Qi=3.95×1.5×17.22×

25 +0.26×1.5×(8101.35+7627)=8684.77(kN/架)

此失穩(wěn)壓力是支架工作阻力3200kN/架的2倍多，與同理計(jì)算的單一巖梁失穩(wěn)力源相比，雙失穩(wěn)力源超出單一失穩(wěn)力源2974.53 kN/架。因此，一般支架難以承受如此大的壓力，必然造成壓垮支架事故。

計(jì)算郭家河1304里綜放采場下位巖梁單一失穩(wěn)力源只有12457kN/架，而該采場選用支架工作阻力為15000kN，支護(hù)強(qiáng)度1.38～1.39MPa；從計(jì)算數(shù)值上看，單一失穩(wěn)力源不足以造成壓架事故。

非復(fù)合效應(yīng)雙亞關(guān)鍵層雙砌體巖梁失穩(wěn)力源超出單一砌體巖梁失穩(wěn)力源和支架工作阻力，形成數(shù)倍于常規(guī)礦壓的異常礦壓，這就是支架被壓損和高工作阻力支架壓架事故的原因。

4 異常礦壓機(jī)理解析

4.1 異常礦壓顯現(xiàn)條件

多堅(jiān)硬層覆巖結(jié)構(gòu)采場異常礦壓異常顯現(xiàn)是復(fù)式砌體梁滑落失穩(wěn)引起的，失穩(wěn)的內(nèi)在原因是非復(fù)合效應(yīng)雙亞關(guān)鍵層破斷線同位；破斷線同位會(huì)周期性出現(xiàn)，并會(huì)有礦壓顯現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)象。

但破斷線同位未必出現(xiàn)雙滑落失穩(wěn)，由現(xiàn)場觀測和理論分析可知，滑落失穩(wěn)只有在外在誘發(fā)因素作用下才會(huì)發(fā)生，如遇構(gòu)造、覆巖富水、采厚大、支護(hù)強(qiáng)度低、采空區(qū)冒落不充分、生產(chǎn)工序不當(dāng)?shù)取?/p>

4.2 雙滑落失穩(wěn)機(jī)理特征

多堅(jiān)硬層覆巖結(jié)構(gòu)條件下，采場“雙滑落失穩(wěn)礦壓異常顯現(xiàn)”機(jī)理與其他異常礦壓顯現(xiàn)機(jī)理不同在于：

(1)引發(fā)礦壓顯現(xiàn)的主體不同 其他采場引發(fā)礦壓強(qiáng)烈或異常顯現(xiàn)的主體分別有覆巖中薄基巖厚松散層、單一厚關(guān)鍵層、主關(guān)鍵層或復(fù)合效應(yīng)關(guān)鍵層等；而徐礦集團(tuán)4起異常礦壓的引發(fā)主體是采動(dòng)覆巖中非復(fù)合效應(yīng)雙亞關(guān)鍵層。

(2)礦壓顯現(xiàn)成因不同 其他采場礦壓強(qiáng)烈或異常顯現(xiàn)的成因有覆巖厚松散層沉降、單一厚關(guān)鍵層失穩(wěn)、主關(guān)鍵層斷裂或失穩(wěn)、多關(guān)鍵層破斷的復(fù)合效應(yīng)等幾種情形；而徐礦集團(tuán)4起異常礦壓顯現(xiàn)的成因是采動(dòng)覆巖中非復(fù)合效應(yīng)復(fù)式砌體梁連鎖滑落失穩(wěn)。

(3)解釋的現(xiàn)象不同 其他異常礦壓機(jī)理解釋了采場礦壓常規(guī)、非均勻性顯現(xiàn)和特例礦壓強(qiáng)烈顯現(xiàn)現(xiàn)象；“雙滑落失穩(wěn)”機(jī)理解釋了礦壓異常顯現(xiàn)的偶然性、高工作阻力支架仍然發(fā)生壓架事故和伴生滲水的原因。

5 結(jié)論

(1)多堅(jiān)硬層覆巖結(jié)構(gòu)條件下采場異常礦壓致災(zāi)事故是由覆巖內(nèi)在運(yùn)動(dòng)和外在因素誘發(fā)共同作用導(dǎo)致的。

(2)徐礦集團(tuán)4起異常礦壓采場相同本質(zhì)特征是采動(dòng)覆巖中存在由多堅(jiān)硬層構(gòu)成的非復(fù)合效應(yīng)雙亞關(guān)鍵層。

(3)非復(fù)合效應(yīng)雙亞關(guān)鍵層破斷巖塊在破斷線同位狀態(tài)下，受誘發(fā)因素作用發(fā)生雙滑落連鎖滑落失穩(wěn)形成異常礦壓，力源超出單一巖梁失穩(wěn)力源3000 kN/架左右，這就是徐礦集團(tuán)4起采場異常礦壓形成機(jī)理。

(4)引起采場異常礦壓的機(jī)理不同，異常礦壓預(yù)測方法和控制技術(shù)也不同；必須基于礦壓異常顯現(xiàn)機(jī)理和誘發(fā)因素分析，針對(duì)性地采取預(yù)測方法和技術(shù)控制對(duì)策，才能可靠有效地治理采場異常礦壓災(zāi)害。

[1]徐 剛.基于實(shí)測數(shù)據(jù)的非堅(jiān)硬頂板綜采工作面大面積來壓原因分析 [J].煤礦開采，2014，19(2)：98-100.

[2]錢鳴高，繆協(xié)興，許家林.巖層控制的關(guān)鍵層理論 [M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2003.

[3]陳炎光，錢鳴高.中國煤礦采場圍巖控制 [M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1994.

[4]宋振騏.實(shí)用礦山壓力控制[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1988.

[5]龔紅鵬，李建偉，陳寶寶.近距離煤層群開采覆巖結(jié)構(gòu)及圍巖穩(wěn)定性研究[J].煤礦開采，2013，18(5)：90-92.

[6]鄭富洋.極堅(jiān)硬頂板強(qiáng)制預(yù)裂原理及工程實(shí)踐研究 [J].煤礦開采，2013，18(3)：92-96.

[7]茅獻(xiàn)彪，繆協(xié)興，錢鳴高.采動(dòng)覆巖中關(guān)鍵層的復(fù)合效應(yīng)分析 [J].礦山壓力與頂板管理，1994(S1)：19-21，25.

[8]陳榮華，浦 海，繆協(xié)興，等.相鄰亞關(guān)鍵層破斷對(duì)采場來壓的影響分析[J].煤炭學(xué)報(bào)，2004，23(3).

[9]姜福興，宋振騏，宋 揚(yáng).老頂?shù)幕窘Y(jié)構(gòu)形式[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),1993(3):366-379.

[10]錢鳴高.采場上覆巖層的平衡條件[J].中國礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，1981(2)：31-41.

[11]錢鳴高，李鴻昌.采場上覆巖層活動(dòng)規(guī)律及其對(duì)礦山壓力的影響[J].煤炭學(xué)報(bào)，1982(2)：1-12.

[12]史 紅，姜福興，李連祥.構(gòu)造帶綜放工作面支架異常壓力機(jī)理探討[J].巖土力學(xué)，2006(10).

[責(zé)任編輯：鄒正立]

2014-08-20

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.06.027

顧新澤(1962-)，男，江蘇東臺(tái)人，采礦高級(jí)工程師，主要從事煤礦生產(chǎn)技術(shù)與管理工作。

顧新澤.多堅(jiān)硬層覆巖結(jié)構(gòu)條件下采場異常礦壓形成機(jī)理探析[J].煤礦開采，2014，19(6)：103-106.

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