張文軍

（同煤集團(tuán) 同家梁礦，山西 大同 037003）

工作面在賦存有堅硬頂板的條件下，工作面礦壓顯現(xiàn)更為強(qiáng)烈，嚴(yán)重會引起沖擊地壓。工作面開采過程中，堅硬頂板破斷會引起工作面沖擊顯現(xiàn)。同時，堅硬頂板也會引起臨近采空區(qū)側(cè)向大面積懸頂，增加了沿空巷道的礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度[1-4]。本文以同家梁礦為例，采用理論分析和數(shù)值模擬方法，研究采空區(qū)側(cè)向懸頂下的圍巖應(yīng)力分布特征，為回采巷道的穩(wěn)定和工作面的安全開采提供理論指導(dǎo)。

1 工作面概況

同家梁礦開采石炭二疊系3～5#煤層，目前開采北一盤區(qū)煤炭資源，正在開采北一盤區(qū)的8103工作面，北一盤區(qū)已經(jīng)有6個工作面回采完畢。各工作面頂板存在多層厚度大于10m的堅硬巖層，相鄰工作面間留有45m或38m的區(qū)段煤柱。由于煤層采放高度大，頂板堅硬，導(dǎo)致采空區(qū)頂板未充分垮落，形成懸臂梁結(jié)構(gòu)。臨空巷道及區(qū)段煤柱處于較高的應(yīng)力狀態(tài)，臨空巷道礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈。巷道底鼓嚴(yán)重，底鼓量0.4～1.5m，；巷道頂板下沉明顯，局部區(qū)域頂板鋼帶變形，錨桿被拉斷。

2 采空區(qū)側(cè)向懸臂理論分析

（1）側(cè)向懸臂長度的確定

基本頂初次破斷采空側(cè)頂板懸臂長度為：

式中：

d0-頂板側(cè)向懸臂距離,m；

a-工作面初次來壓步距,m；

b-工作面長度,m。

根據(jù)板的屈服線分析法，認(rèn)為板的斷裂跨度d0與工作面長度b和基本頂?shù)膩韷翰骄郺相關(guān)，以同家梁礦8103工作面為例，結(jié)合現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)，可知初次來壓步距為84.8m，周期來壓平均步距為30m，工作面長度為200m，分別代入公式（1）和（2）可得：8103工作面基本頂初次來壓后，頂板側(cè)向懸臂長度為57.6m，周期來壓后，頂板側(cè)向懸臂長度為30.4m。

（2）側(cè)向懸臂厚度的確定

懸臂的厚度h即為基本頂巖層的厚度。同家梁礦8103工作面煤層上方頂板為13.4m的粗粒砂巖，巖性堅硬，確定8103工作面的基本頂厚度為13.4m。

生1：中國館的下半部分是四個完全相同的長方體，上半部分是一個由6個面組成的圖形，其中相對的兩個底面是正方形，上面的正方形大，下面的正方形小，其余4個側(cè)面都是相同的梯形．

（3）側(cè)向懸臂壓力計算

設(shè)煤體極限平衡區(qū)寬度為x0，其計算公式為：

式中：

λ-側(cè)壓系數(shù)；

m-煤壁高度，m；

φ0-煤層與頂?shù)装鍘r層交界面的內(nèi)摩擦角，°；

C0-煤層與頂?shù)装鍘r層交界面粘聚力，MPa；

k-應(yīng)力集中系數(shù)；

γ-巖層容重，kg/m3；

H-煤層埋深，m；

px-煤幫的支護(hù)強(qiáng)度，MPa。

由大量現(xiàn)場觀測經(jīng)驗可知x0一般為2～10m，根據(jù)同家梁礦8103工作面的實際參數(shù)：側(cè)壓系數(shù)1.4，煤壁高度3.9m，煤層與頂?shù)装鍘r層交界面的內(nèi)摩擦角40°，煤層與頂?shù)装鍘r層交界面粘聚力0.6MPa，應(yīng)力集中系數(shù)2，巖層容重2500kg/m3，煤層埋深450m，煤幫的支護(hù)強(qiáng)度0MPa。代入公式（3）計算可得x0=4.6m。

由于區(qū)段煤柱長度為38m，側(cè)向懸臂距離為30.4m，極限平衡區(qū)寬度僅為4.6m范圍較小，可以看做均布載荷，建立如圖1所示的力學(xué)模型。

由力矩平衡原理可知：

式中：

q-巖層所受的力，Pa；

l-巖層懸臂長度，m；

S-頂板受力面積，m2；

h-頂板巖層的厚度，m；

γ-巖層容重，kg/m3。

圖1 力學(xué)模型示意圖

根據(jù)同家梁礦8103工作面實際情況，結(jié)合上述懸臂長度和厚度計算可知，頂板周期破斷后側(cè)向懸臂長度l為30.4m，厚度h為13.4m，基本頂巖層平均容重γ為25.3kN/m3，煤柱高度18.6m，極限平衡區(qū)長度與懸臂沿工作面推進(jìn)方向長度相同為30m，頂板受力面積S為456m2，代入公式（4）計算即可得到頂板側(cè)向懸臂對煤柱施加的額外應(yīng)力為5.01MPa。根據(jù)同家梁礦以往地應(yīng)力測量數(shù)據(jù)可知，在未受到開采擾動時，原始垂直應(yīng)力約為14MPa，采空側(cè)向懸臂使煤柱受力增加5.01MPa，應(yīng)力水平提高了34.7%，這是造成臨空巷道礦壓顯現(xiàn)劇烈、巷道變形嚴(yán)重的重要原因之一。

3 采空區(qū)側(cè)向支承壓力分布規(guī)律

圖2和圖3給出了8103工作面開采后側(cè)向支承壓力分布情況。由圖可知，8103工作面?zhèn)认蛑С袎毫Φ挠绊懛秶^了5102巷，達(dá)到80m；工作面?zhèn)认蛑С袎毫Ψ逯禐?9MPa，位于煤柱內(nèi)10m處；煤柱和臨空巷道處于較高的應(yīng)力狀態(tài)，沒有明顯的應(yīng)力降低區(qū)，煤柱應(yīng)力整體達(dá)到30MPa；煤柱內(nèi)2～10m范圍為應(yīng)力高值區(qū)，應(yīng)力達(dá)到30～39MPa；臨空巷道的回采側(cè)應(yīng)力峰值為26MPa，巷道的煤柱側(cè)應(yīng)力峰值為32.5MPa。

圖2 8103工作面?zhèn)认虼怪睉?yīng)力分布

圖3 8103工作面?zhèn)认蛑С袎毫Ψ植记€

4 結(jié)論

（1）老頂巖層斷裂后不能完全垮落，可在區(qū)段煤柱采空側(cè)形成約30m長的側(cè)向懸臂，對區(qū)段煤柱額外施加5.01MPa的應(yīng)力，在原始應(yīng)力狀態(tài)下增加了34.7%，造成臨空巷道和煤柱處于較高應(yīng)力狀態(tài)。

（2）根據(jù)8103工作面?zhèn)认蛑С袎毫Ψ植记闆r，確定石炭系綜放工作面?zhèn)认蛑С袎毫Φ挠绊懛秶_(dá)到80m，臨空巷道處于側(cè)向支承壓力升高區(qū)內(nèi)。

（3）工作面的開采擾動，誘發(fā)鄰近的采空區(qū)覆巖再次運動和破壞，在工作面和臨近采空區(qū)覆巖運動的共同作用下，臨空巷道和煤柱處于較高的應(yīng)力狀態(tài)，圍巖應(yīng)力更容易超過其圍巖支護(hù)體系的承載極限，從而增加強(qiáng)礦壓發(fā)生的可能性。