厚黏土层对薄基岩工作面矿压规律的影响

邓鹏海，郭良银，张文科，刘 昂，游家梁，李 朋

(1.中国矿业大学(北京) 资源与安全工程学院，北京 100083；2.山东黄金矿业股份有限公司 新城金矿，山东 莱州 261438)

厚黏土层对薄基岩工作面矿压规律的影响

邓鹏海1，郭良银2，张文科1，刘 昂1，游家梁1，李 朋1

(1.中国矿业大学(北京) 资源与安全工程学院，北京 100083；2.山东黄金矿业股份有限公司 新城金矿，山东 莱州 261438)

薄基岩厚黏土层煤层开采时具有与普通薄基岩厚松散层工作面不一样的矿压显现规律，基于赵固二矿的具体地质条件通过UDEC4.0模拟研究了当基岩厚度为0m，30m和60m时工作面初次来压步距、周期来压步距、支承压力分布和上覆顶板岩层垮落形态等，通过模拟得知，黏土层顶板有较小的来压步距，能缓和工作面煤壁前方的支承压力，并能与薄基岩共同成拱或独立成拱用以承担上覆岩层的重量，且厚黏土层以弯曲下沉为主，对于防止地表水侵入工作面也是有利的。

厚黏土层；薄基岩；矿压显现规律；UDEC数值模拟；顶板垮落形态

在我国西北部某些矿区(如神东等)都存在着大量的薄基岩厚松散层浅埋煤层，其工作面矿压显现的基本特点是工作面顶板台阶下沉明显，上覆岩层为滑落失稳；顶板岩层运动直接波及至地表，上“三带”分布不明显，呈“两带”分布等[1-3]。而在我国中原某些矿区，存在着部分埋深大、基岩薄、上覆黏土层厚的煤层，实践表明，开采这些煤层时其工作面矿压显现规律与薄基岩厚松散层浅埋煤层工作面矿压显现规律差异性较大，主要体现在顶板台阶下沉不明显，来压正常，地表无明显的沉降变形，究其原因主要是由于埋深较大和上覆厚度大、强度较大的黏土层的影响[4-5]。目前对如此巨厚的黏土层顶板垮落特征的研究尚不深入，在实际煤矿开采过程中没有成熟的经验可供借鉴。本文基于赵固二矿的具体地质条件，通过UDEC4.0数值模拟研究了较大埋深下上覆厚黏土层对薄基岩工作面矿压显现的影响。

1 地质概况

赵固二矿位于中原地区的河南省新乡市，矿井开采深度在650m以上，主采煤层为二1煤层，倾角多在6°以内，属于近水平煤层开采，平均厚度6.3m，顶板基岩厚度变化频繁，有的地方基岩较厚，有的地方基岩较薄，厚度变化范围为37～79m。基本顶为强度大的灰岩和砂岩，有的区域有厚度较小的泥岩夹层，对开采影响不大，基岩上部黏土层和风化带的平均厚度分别达到528m和85 m，属于薄基岩厚黏土层煤层开采。该矿11050工作面沿走向推进，倾斜布置，工作面长183m，进行大采高一次采全厚开采，开采高度6.0m，采用全部垮落法管理顶板。

2 黏土层力学性质分析

本矿赋存厚度达500m以上的黏土层渗透性很差，垂直渗透系数都在10-7以下，且不少层段为液性指数IL<0的坚硬黏土，这种黏土一般具有较大的容许承载力，抗剪强度大，成拱性较好，且有较大的塑性变形，与基岩共同形成或独自形成顶板承载拱结构，承担上覆岩层的重量和缓和工作面支架的应力，对防止冒顶、防溃砂(地表水)和保护支架都是有利的[6]。

3 数值模拟模型的建立

为研究该矿上覆厚黏土层的存在对工作面矿压显现规律的影响，采用离散元模拟软件UDEC4.0建立数值模型，其计算模型如图1所示。

图1 数值模拟计算模型

根据该矿的基岩厚度为37～79m的地质条件，模拟基岩厚度为0m，30m和60m时研究顶板的初次来压步距、周期来压步距、支承压力分布规律和顶板垮落形态等。采用基岩厚度为0m主要是考虑在极端情况下，顶板全部为黏土层时围岩所能破坏的最大高度、支承压力分布规律及其黏土层的垮落破坏形态。模型尺寸为长×高=180m×100m，埋深取650m，其余上部约550m岩层载荷采用σ=γH的方式加载，水平侧压系数取λ=1.0。模型老底留12m，开采煤层高度6m，左右两侧至少留40m煤体用以观测支承压力的分布规律。模拟岩层的物理力学参数如表1所示。

表1 岩层力学参数

4 模拟结果与分析

4.1 初次来压步距和周期来压步距模拟结果分析

当基岩厚度分别为0m，30m和60m时其初次来压步距和周期来压步距如表2所示。

表2 模拟来压步距结果

由表2可以看出，当顶板全部为黏土层时，其初次来压步距和周期来压步距均较小，这是由于在顶板初次垮落之前，岩梁是作为一个固定梁存在的，分别固定在煤壁侧和采空区侧煤(岩)体上，若岩梁在该处的正应力达到该处的抗拉强度极限，岩层将在该处拉裂破断，其极限跨距LIT为：

(1)

式中，h为岩梁厚度，m；RT为岩梁抗压强度；MPa；q为岩梁所受的均布载荷，MPa。

顶板初次来压前，岩梁的跨距主要取决于承载岩梁的厚度h、单轴抗压强度RT和所承受的载荷q，在承载层厚度和上覆载荷相同的情况下，顶板为强度较小的黏土层更容易拉断，初次来压步距偏小；当初次来压之后，强度较小的黏土层无明显的周期来压现象，随工作面的推进而弯曲下沉，其原因将在4.3(1)中得到说明。

4.2 支承压力分布规律分析

当基岩厚度分别为0m，30m和60m时工作面经历一次周期来压后支承压力分布情况如图2，图中数字代表应力集中系数，字母为该区域编号。

图2 不同基岩厚度支承压力分布

通过图2可以看出，当顶板全部为黏土层时，其超前支承压力峰值为原岩应力的2.0倍，距离工作面约25m；当顶板基岩厚度为30m时，其超前支承压力峰值为原岩应力的2.5倍，距离工作面约25m；当顶板基岩厚度为60m时，其超前支承压力峰值为原岩应力的3.5倍，距离工作面约35m。这种应力集中是由于顶梁的前脚拱作用于前方煤体形成的，当直接顶上覆有巨厚的软弱黏土层时，可以缓和工作面超前支承压力峰值，其影响范围也相对较小，这对于回采巷道的维护是有利的[7]。

4.3 顶板岩层垮落形态分析

从图2中可以看出，当煤层顶板基岩厚度为0m，30m和60m时，在工作面前方顶板岩层均出现了不同程度的应力集中，如表3所示。

从图2中同样可以看出，处于工作面的支架只承受A3，B3，C3区域已与顶板分离冒落的岩石的重量，而更上方的顶板由于存在“砌体梁”结构其应力并未直接作用于工作面支架上，主要是靠位于工作面前方的前拱脚起承担作用的，但这种“砌体梁”由于顶板岩层组成的不同而呈现不同的形态，如图3所示，其示意图见图4。

表3 不同基岩厚度顶板支承压力分布情况

图3 不同基岩厚度顶板局部放大图

图4 不同基岩厚度的上覆岩层成拱结构

从表3和图3、图4可以看出，顶板岩层组成不一样会导致不同的支承压力分布和顶板岩层垮落形态。

(1)能承受较大塑性变形的黏土层顶板只在A1区域出现一次应力集中，其集中系数也较小，为1.2，且其塑性变形区域与工作面的推进平行，这说明其悬臂作用差，不能承受巨大的上覆岩层压力，而是靠变形来承担这种压力，但由于其允许较大的塑性变形而不至于断裂造成大的应力集中，岩层主要体现整体弯曲下沉，这也是基岩厚度为0m顶板无明显周期来压现象的原因。在采空区侧已下沉的岩层和工作面前方煤体未弯曲下沉的岩层依靠黏土层的塑性变形保持了黏土层的完整性，并用以承担小量的集中应力，上覆岩层的冒顶带和裂缝带不明显，这对于防止溃水、溃砂是及其有利的，这体现出了厚黏土层的独立成拱作用并保护工作面的支架。

(2)当黏土层下存在30m的薄基岩时，下部的基岩在工作面前方约8m处产生断裂，断裂处由于岩梁的相互咬合产生了应力集中，集中系数较大，为2.5；越往上，其断裂位置越接近工作面，直至距离煤层上部约30m处基岩最顶部断裂位置已处于工作面后方约11m处，此时30m基岩全部断裂，并在断裂处相互咬合形成应力集中，上覆的厚黏土层弯曲下沉，与相邻的基岩紧密接触一起承担上覆岩层的重量并保护工作面的支架。

(3)当基岩厚度达到60m时，下部基岩在工作面前方约8m处产生断裂并相互咬合，形成应力集中，集中系数为3.0，随着基岩上移，在距离煤层垂直约40m处的断裂位置已距离煤壁后方约14m，此处应力集中系数为2.5，并与上覆基岩存在明显的离层现象，认为上覆基岩层为此煤层开采的关键层，上覆黏土层随关键层的运动而运动，对采场支架的维护作用不明显，由下部的基岩独立成拱，用以保护工作面的支架。

5 结论

(1)赵固二矿存在的巨厚的黏土层能缓和工作面超前支承压力，应力峰值较小，这对于回采巷道的维护是有利的；且由于厚黏土层的存在其初次来压步距和周期来压步距均减小许多，甚至当顶板全部为黏土层时，无明显的周期来压现象，顶板随工作面的推进而弯曲下沉，如此巨厚的黏土层不产生裂隙破坏，而是整体弯曲下沉，对防溃水、溃砂是有利的。

(2)塑性变形较大的黏土层可独立成拱，或与薄基岩共同成拱用以承担上覆岩层的重量，用以保护工作面支架，支架仅承受下部少量冒落岩石的重量，这种结构对保护支架有利。

[1]张 杰，侯忠杰.厚土层浅埋煤层覆岩移动破坏规律研究[J].采矿与安全工程学报，2007，24(1)：56-59.

[2]侯忠杰.浅埋煤层关键层研究[J].煤炭学报，1999，24(4)359-363.

[3]黄庆享.浅埋煤层长壁开采顶板结构及岩层控制研究[M].徐州：中国矿业大学出版社，2000.

[4]方新秋，黄汉富，金 桃，等.厚表土薄基岩煤层开采覆岩运动规律[J].岩石力学与工程学报，2008，27(S1).

[5]韩贵雷，韩立军，王延宁，等.厚层复合石灰岩顶板垮落特性试验研究[J].采矿与安全工程学报，2007，24(1).

[6 ]尉 瑞，马 震，张 亮，等.坚硬黏土层对薄基岩综放工作面矿压显现的影响[J].煤矿安全，2012，43(2).

[7]颜治国，戴 俊.隧道钢拱架支护的失稳破坏分析与对策[J].西安科技大学学报，2012，32(3)：348-352.

[责任编辑：潘俊锋]

InfluenceofThickClayStratumonUndergroundPressureofMiningFaceunderThinBasementRock

DENG Peng-hai1, GUO Liang-yin2, ZHANG Wen-ke1, LIU Ang1, YOU Jia-liang1, LI Peng1

(1.Resources & Safety Engineering School, China University of Mining & Technology (Beijing), Beijing 100083, China； 2.Xincheng Gold Mine of Shandng Gold Group,Laizhou 261438,China)

There was different underground pressure rule in mining under thin basement rock, thick clay stratum and under ordinary thin basement rock and thick loose bed.On the basis of geological condition of Zhaogu 2nd Mine, applying UDEC to simulating first roof caving pace, periodical weighting pace, abutment pressure distribution and roof caving form when basement rock thickness was 0m, 30m and 60m.Result showed that weighting pace of clay stratum roof was small, and could relax abutment pressure in front of mining face and formed arch itself or with thin basement rock to bear weight of surrounding rock.Thick clay stratum mainly took on bending and subsidence deformation characteristic, which was favorable for preventing ground water entering mining face.

thin basement rock;thick clay stratum;underground pressure behavior; UDEC numerical simulation; roof caving form

2013-12-09

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.04.030

邓鹏海(1990-)，男，江西赣州人，在读硕士研究生，研究方向为充填采矿和矿山压力及其控制。

邓鹏海，郭良银，张文科，等.厚黏土层对薄基岩工作面矿压规律的影响[J].煤矿开采，2014，19(4)：100-102.

TD323

A

1006-6225(2014)04-0100-03