多坚硬层覆岩结构条件下采场异常矿压形成机理探析

( 徐州矿务集团有限公司 生产技术部，江苏 徐州 221006)

多坚硬层覆岩结构条件下采场异常矿压形成机理探析

顾新泽

(徐州矿务集团有限公司生产技术部，江苏徐州221006)

以徐州矿务集团有限公司垞城煤矿22109工作面压架事故为背景，基于砌体梁、关键层、“S-R”稳定性理论，综合分析了4起采场异常矿压显现特征，通过采场覆岩空间结构对比，覆岩运动规律计算验证，揭示了多坚硬层结构覆岩条件下采场“双滑落失稳矿压异常显现”机理，明确了多坚硬层覆岩结构条件下采场异常矿压预测与技术控制方向。

多坚硬层；覆岩结构；采场；异常矿压；亚关键层

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

1 采场异常矿压致灾事故概况

1.1 采场地质赋存

徐州矿务集团有限公司(简称“徐矿集团”)垞城煤矿22109工作面位于-750m水平北一延深采区，标高-650～-720m；开采二叠系下石盒子组2煤，厚0.9～2.3m，平均1.9m，煤层倾角平均28°；基本顶砂岩裂隙发育不均，多以静水量为主，表现为滴淋水，水力联系较差；根据采场煤层综合柱状图，该面直接底为砂质泥岩，厚1.32m，覆岩从下往上为“软硬软硬”结构(如表1)。

表1 22109采场覆岩结构

1.2 工作面概况

22109工作面平均走向长1465m，平均倾斜长157.5m。该面两巷为矩形断面，采用锚网梁索支护。工作面选用ZF3200/16/24B型放顶煤支架作综采支架使用，共106架，并按从下向上的顺序编号；支架工作阻力3200kN，支护强度0.54～0.58MPa，中心距为1.50m，移架步距为0.6m。

1.3 工作面压架事故

2010年7月1日，该面自切眼起运输巷推进835m，材料巷推进800m；当日夜班1：10左右，采煤机上行割煤，追机移架，第14～28号支架前煤壁开始出现片帮、淋水，顶板发出断裂声，支架安全阀开启，下缩明显；早班12：50，15～25号支架压死，40～103号支架下缩0.2～0.5m。

来压使工作面内 9～39号支架前煤壁片帮达到了0.2～2.5m，1～8号、15～25号支架前顶板冒落0.8～3.6m； 13架液压支架立柱不同程度压坏(如图1)，集中在14～28号支架，胶管损坏231根，安全阀等液压件损坏68只；工作面8号、9号架处出现淋水，涌水量约0.4～0.5m3/h，并逐渐增大，水温36.1℃；7月2日，7号、11号、39号、45号支架处合计涌水量18m3/h，3日后涌水量稳定在8～10m3/h。

图 1 22109工作面被压支架立柱折断

2 异常矿压形成机理探析

2010-2013年，徐矿集团所属矿井发生综采(放)工作面支架被压灾害事故，除22109工作面外还有夹河煤矿2447综采工作面、郭家河煤矿1303和1304里综放工作面。从现场原因上分析，4起压架事故均是由采场异常矿压导致的。

国内外采场异常矿压，由于采场条件不同，显现的现象、特征和机理不尽相同，但归纳内在原因，徐矿集团4起采场压架事故为同类性质异常矿压所致。

2.1 异常矿压采场覆岩结构

采场异常矿压是采场围岩运动的特殊显现形式，其内在原因必然与围岩尤其上覆岩层结构直接关联，因此，分析异常矿压显现机理必然要分析覆岩结构。通过比较，与矿压常规显现采场不同，徐矿集团4起异常矿压采场相同本质特征是采动覆岩均存在2层或以上坚硬岩层。

根据关键层判别方法可知：22019采场采动覆岩下位亚关键层为7.39m砂岩，上位亚关键层为5.91m砂岩，两层亚关键层相距13.79m，其间所夹软弱岩层为砂泥岩。

若h1，h2依次为采场覆岩中从下向上第1层和2层覆岩厚度， ∑h2为硬岩间的软弱岩层厚度，根据关键层的复合效应可知：如∑h2/h1≤2.2，且h2/h1≥0.5+1.5∑h2/h1，则相邻硬岩层产生复合效应，反之则为非复合效应关键层。对22109采场覆岩，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采场采动覆岩中上位亚关键层5.91m砂岩，与下位亚关键层7.39m砂岩，不产生复合效应，上下位亚关键层分步距断裂。

推算判别结果：与矿压常规显现采场不同，徐矿集团4个异常矿压采场采动覆岩中均存在两组亚关键层或复合亚关键层，其中郭家河煤矿1303和1304里综放采场采动覆岩中有4层坚硬岩层，下位3层相邻的坚硬岩同步断裂形成复合关键层；4个采场上下位两组亚关键层或复合关键层间均不产生复合效应，即异常矿压采场采动覆岩中存在非复合效应双亚关键层或复合关键层。

2.2 非复合效应双亚关键层破断步距

计算22109采场覆岩下位亚关键层初次破断步距：

实测初次来压步距为37.7m，周期来压步距为15.30m，计算和实测基本相近；同理计算出该采场上位亚关键层初次来压步距为28.41m，周期来压步距为11.60m。计算其他3个异常矿压采场覆岩中各亚关键层破断步距均没有相同值。

2.3 双亚关键层破断岩块结构平衡

采动覆岩中非复合效应双亚关键层破断后形成复式砌体梁结构，依据“S-R”稳定性理论分析，垞城矿22109采场下位亚关键层破断岩块结构平衡状况计算如下：

式中，Lz1为亚关键层周期破断步距，m；h1为亚关键层厚度，m；S为破断岩块回转下沉量， m；M为采出高度， m；Q为亚关键层岩块重量与载荷，kN/m；θ为破断岩块回转角，(°)；φ为岩块间摩擦角，(°)。

计算说明“煤壁-支架-采空区垮落矸石”支撑体系必须在下位亚关键层破断岩梁下至少形成F=6463.02kN/m的影响力，下位破断块才不会发生滑落失稳。

代入亚关键层参数计算，4个异常矿压采场中：1303采场覆岩中下位亚关键层F值为负，破断后能自身取得平衡；其余亚关键层F值均为正，破断后在支撑体系影响力作用下保持平衡。

2.4 非复合效应复式砌体梁失稳机理

(1)由于破断步距不同，在采场推进过程中，采动覆岩中双亚关键层破断线的相对位置会交替出现3种情形：上位超前下位、上位滞后下位、双亚关键层破断线同位。

(2)根据探测资料和异常矿压显现特征分析，异常矿压显现时，采动覆岩中上下亚关键层破断线同在支架上方，即复式砌体梁破断线同位，如图2。破断线同位时，岩块A′结构平衡所需支撑力由下位岩块A的前端承担；岩块A结构平衡所需支撑力由支撑体系承担，但支撑体系中煤壁的影响力已经减弱或消失，支架支撑力P在岩梁前端的影响力P1和矸石支撑力R矸1起主作用，此状态支架承受载荷最大。

图2 采场覆岩中双亚关键层砌体梁受力状态

(3)支架上方非复合效应双亚关键层破断线同位时，砌体梁结构平衡极不稳定，在诱发因素作用下会导致实际支撑影响力下降或平衡结构所需支撑力增加，此时有一亚关键层破断块失稳滑落，则另一亚关键层破断岩块平衡状态随之打破，双亚关键层破断块将可能全部滑落失稳，即发生连锁滑落失稳，从而形成采场异常矿压，导致顶板切落和支架被压，这就是徐矿集团近年来采场“矿压异常显现”的机理，简称 “双滑落失稳矿压异常显现”机理。

(4)复式砌体梁连锁滑落失稳影响会继续向上伸展，失稳后的双破断块随支架下沉瞬间离合，结构体上覆岩层突然形成较大面积悬露，弯矩短暂时间内增长，达到强度极限时将形成断裂，并产生断裂声，导通含水层伴生渗水事故。

3 异常矿压显现力源估算

3.1 失稳岩梁受力状态

砌体梁结构失稳后，破断岩块间的铰接平衡力减弱或消失，顶板切落，煤壁失去对结构平衡体支撑作用，支架承受失稳载荷为：

P=wb∑hiγi+Nb∑Qi

式中，P为岩梁失稳后支架载荷，kN/架；W，b分别为采场控顶距、支架中心距，m； ∑h1γi为直接加载在支架上方的软岩或顶煤载荷，kN； ∑Qi为i层亚关键层破断岩块重量及其随降层载荷之和，kN/m；N为载荷比例系数。

(1)若失稳时矸石充满填实采空区，支架与冒落矸石按对应失稳体的长度比例分担载荷(图3(a))，所以N=w/Lzi或N=w/Lci，Lzi，Lci分别为亚关键层周期和初次破断步距(从下向上，i=1为第1层，i=2为第2层)；

(2)若失稳时采空区矸石冒落不充分，从转矩平衡角度分析，支架承担载荷为失稳体一半的重量(最危险状态) (图3(b))，即N=0.50。

图3 砌体梁失稳后的两种受力状态

3.2 支架承担失稳载荷量估算

采空区冒落矸石上方剩余的空间为：

Δs=M-∑hi(kp-1)

式中，Δs为采空区冒落矸石上方剩余的空间，m；M为采出高度， m；Kp为冒落岩石碎胀系数；∑hi为直接加载在支架上方的软岩或顶煤厚度，m。

22109采场取Kp=1.30，计算出Δs=-2.2m；负数说明冒落矸石能充满填实采空区，则支架与冒落矸石按对应的滑落失稳体长度比例承担载荷，采场控顶距越大，支架承担失稳岩块的长度和载荷比例越大，反之则越小，所以有：

N=w/Lz1=3.95/15.30=0.26

上下位破断块同步滑落失稳时，支架载荷估算为：

P双=Wb∑hiγi+Nb∑Qi=3.95×1.5×17.22×

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

此失稳压力是支架工作阻力3200kN/架的2倍多，与同理计算的单一岩梁失稳力源相比，双失稳力源超出单一失稳力源2974.53 kN/架。因此，一般支架难以承受如此大的压力，必然造成压垮支架事故。

计算郭家河1304里综放采场下位岩梁单一失稳力源只有12457kN/架，而该采场选用支架工作阻力为15000kN，支护强度1.38～1.39MPa；从计算数值上看，单一失稳力源不足以造成压架事故。

非复合效应双亚关键层双砌体岩梁失稳力源超出单一砌体岩梁失稳力源和支架工作阻力，形成数倍于常规矿压的异常矿压，这就是支架被压损和高工作阻力支架压架事故的原因。

4 异常矿压机理解析

4.1 异常矿压显现条件

多坚硬层覆岩结构采场异常矿压异常显现是复式砌体梁滑落失稳引起的，失稳的内在原因是非复合效应双亚关键层破断线同位；破断线同位会周期性出现，并会有矿压显现增强现象。

但破断线同位未必出现双滑落失稳，由现场观测和理论分析可知，滑落失稳只有在外在诱发因素作用下才会发生，如遇构造、覆岩富水、采厚大、支护强度低、采空区冒落不充分、生产工序不当等。

4.2 双滑落失稳机理特征

多坚硬层覆岩结构条件下，采场“双滑落失稳矿压异常显现”机理与其他异常矿压显现机理不同在于：

(1)引发矿压显现的主体不同 其他采场引发矿压强烈或异常显现的主体分别有覆岩中薄基岩厚松散层、单一厚关键层、主关键层或复合效应关键层等；而徐矿集团4起异常矿压的引发主体是采动覆岩中非复合效应双亚关键层。

(2)矿压显现成因不同 其他采场矿压强烈或异常显现的成因有覆岩厚松散层沉降、单一厚关键层失稳、主关键层断裂或失稳、多关键层破断的复合效应等几种情形；而徐矿集团4起异常矿压显现的成因是采动覆岩中非复合效应复式砌体梁连锁滑落失稳。

(3)解释的现象不同 其他异常矿压机理解释了采场矿压常规、非均匀性显现和特例矿压强烈显现现象；“双滑落失稳”机理解释了矿压异常显现的偶然性、高工作阻力支架仍然发生压架事故和伴生渗水的原因。

5 结论

(1)多坚硬层覆岩结构条件下采场异常矿压致灾事故是由覆岩内在运动和外在因素诱发共同作用导致的。

(2)徐矿集团4起异常矿压采场相同本质特征是采动覆岩中存在由多坚硬层构成的非复合效应双亚关键层。

(3)非复合效应双亚关键层破断岩块在破断线同位状态下，受诱发因素作用发生双滑落连锁滑落失稳形成异常矿压，力源超出单一岩梁失稳力源3000 kN/架左右，这就是徐矿集团4起采场异常矿压形成机理。

(4)引起采场异常矿压的机理不同，异常矿压预测方法和控制技术也不同；必须基于矿压异常显现机理和诱发因素分析，针对性地采取预测方法和技术控制对策，才能可靠有效地治理采场异常矿压灾害。

[1]徐 刚.基于实测数据的非坚硬顶板综采工作面大面积来压原因分析 [J].煤矿开采，2014，19(2)：98-100.

[2]钱鸣高，缪协兴，许家林.岩层控制的关键层理论 [M].徐州：中国矿业大学出版社，2003.

[3]陈炎光，钱鸣高.中国煤矿采场围岩控制 [M].徐州：中国矿业大学出版社，1994.

[4]宋振骐.实用矿山压力控制[M].徐州:中国矿业大学出版社，1988.

[5]龚红鹏，李建伟，陈宝宝.近距离煤层群开采覆岩结构及围岩稳定性研究[J].煤矿开采，2013，18(5)：90-92.

[6]郑富洋.极坚硬顶板强制预裂原理及工程实践研究 [J].煤矿开采，2013，18(3)：92-96.

[7]茅献彪，缪协兴，钱鸣高.采动覆岩中关键层的复合效应分析 [J].矿山压力与顶板管理，1994(S1)：19-21，25.

[8]陈荣华，浦 海，缪协兴，等.相邻亚关键层破断对采场来压的影响分析[J].煤炭学报，2004，23(3).

[9]姜福兴，宋振骐，宋 扬.老顶的基本结构形式[J].岩石力学与工程学报,1993(3):366-379.

[10]钱鸣高.采场上覆岩层的平衡条件[J].中国矿业学院学报，1981(2)：31-41.

[11]钱鸣高，李鸿昌.采场上覆岩层活动规律及其对矿山压力的影响[J].煤炭学报，1982(2)：1-12.

[12]史 红，姜福兴，李连祥.构造带综放工作面支架异常压力机理探讨[J].岩土力学，2006(10).

[责任编辑：邹正立]

2014-08-20

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

顾新泽(1962-)，男，江苏东台人，采矿高级工程师，主要从事煤矿生产技术与管理工作。

顾新泽.多坚硬层覆岩结构条件下采场异常矿压形成机理探析[J].煤矿开采，2014，19(6)：103-106.

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1006-6225(2014)06-0103-04