坚硬顶板工作面临近采空区强矿压显现机理研究

张文军

（同煤集团 同家梁矿，山西 大同 037003）

工作面在赋存有坚硬顶板的条件下，工作面矿压显现更为强烈，严重会引起冲击地压。工作面开采过程中，坚硬顶板破断会引起工作面冲击显现。同时，坚硬顶板也会引起临近采空区侧向大面积悬顶，增加了沿空巷道的矿压显现强度[1-4]。本文以同家梁矿为例，采用理论分析和数值模拟方法，研究采空区侧向悬顶下的围岩应力分布特征，为回采巷道的稳定和工作面的安全开采提供理论指导。

1 工作面概况

同家梁矿开采石炭二叠系3～5#煤层，目前开采北一盘区煤炭资源，正在开采北一盘区的8103工作面，北一盘区已经有6个工作面回采完毕。各工作面顶板存在多层厚度大于10m的坚硬岩层，相邻工作面间留有45m或38m的区段煤柱。由于煤层采放高度大，顶板坚硬，导致采空区顶板未充分垮落，形成悬臂梁结构。临空巷道及区段煤柱处于较高的应力状态，临空巷道矿压显现强烈。巷道底鼓严重，底鼓量0.4～1.5m，；巷道顶板下沉明显，局部区域顶板钢带变形，锚杆被拉断。

2 采空区侧向悬臂理论分析

（1）侧向悬臂长度的确定

基本顶初次破断采空侧顶板悬臂长度为：

式中：

d0-顶板侧向悬臂距离,m；

a-工作面初次来压步距,m；

b-工作面长度,m。

根据板的屈服线分析法，认为板的断裂跨度d0与工作面长度b和基本顶的来压步距a相关，以同家梁矿8103工作面为例，结合现场观测数据，可知初次来压步距为84.8m，周期来压平均步距为30m，工作面长度为200m，分别代入公式（1）和（2）可得：8103工作面基本顶初次来压后，顶板侧向悬臂长度为57.6m，周期来压后，顶板侧向悬臂长度为30.4m。

（2）侧向悬臂厚度的确定

悬臂的厚度h即为基本顶岩层的厚度。同家梁矿8103工作面煤层上方顶板为13.4m的粗粒砂岩，岩性坚硬，确定8103工作面的基本顶厚度为13.4m。

生1：中国馆的下半部分是四个完全相同的长方体，上半部分是一个由6个面组成的图形，其中相对的两个底面是正方形，上面的正方形大，下面的正方形小，其余4个侧面都是相同的梯形．

（3）侧向悬臂压力计算

设煤体极限平衡区宽度为x0，其计算公式为：

式中：

λ-侧压系数；

m-煤壁高度，m；

φ0-煤层与顶底板岩层交界面的内摩擦角，°；

C0-煤层与顶底板岩层交界面粘聚力，MPa；

k-应力集中系数；

γ-岩层容重，kg/m3；

H-煤层埋深，m；

px-煤帮的支护强度，MPa。

由大量现场观测经验可知x0一般为2～10m，根据同家梁矿8103工作面的实际参数：侧压系数1.4，煤壁高度3.9m，煤层与顶底板岩层交界面的内摩擦角40°，煤层与顶底板岩层交界面粘聚力0.6MPa，应力集中系数2，岩层容重2500kg/m3，煤层埋深450m，煤帮的支护强度0MPa。代入公式（3）计算可得x0=4.6m。

由于区段煤柱长度为38m，侧向悬臂距离为30.4m，极限平衡区宽度仅为4.6m范围较小，可以看做均布载荷，建立如图1所示的力学模型。

由力矩平衡原理可知：

式中：

q-岩层所受的力，Pa；

l-岩层悬臂长度，m；

S-顶板受力面积，m2；

h-顶板岩层的厚度，m；

γ-岩层容重，kg/m3。

图1 力学模型示意图

根据同家梁矿8103工作面实际情况，结合上述悬臂长度和厚度计算可知，顶板周期破断后侧向悬臂长度l为30.4m，厚度h为13.4m，基本顶岩层平均容重γ为25.3kN/m3，煤柱高度18.6m，极限平衡区长度与悬臂沿工作面推进方向长度相同为30m，顶板受力面积S为456m2，代入公式（4）计算即可得到顶板侧向悬臂对煤柱施加的额外应力为5.01MPa。根据同家梁矿以往地应力测量数据可知，在未受到开采扰动时，原始垂直应力约为14MPa，采空侧向悬臂使煤柱受力增加5.01MPa，应力水平提高了34.7%，这是造成临空巷道矿压显现剧烈、巷道变形严重的重要原因之一。

3 采空区侧向支承压力分布规律

图2和图3给出了8103工作面开采后侧向支承压力分布情况。由图可知，8103工作面侧向支承压力的影响范围超过了5102巷，达到80m；工作面侧向支承压力峰值为39MPa，位于煤柱内10m处；煤柱和临空巷道处于较高的应力状态，没有明显的应力降低区，煤柱应力整体达到30MPa；煤柱内2～10m范围为应力高值区，应力达到30～39MPa；临空巷道的回采侧应力峰值为26MPa，巷道的煤柱侧应力峰值为32.5MPa。

图2 8103工作面侧向垂直应力分布

图3 8103工作面侧向支承压力分布曲线

4 结论

（1）老顶岩层断裂后不能完全垮落，可在区段煤柱采空侧形成约30m长的侧向悬臂，对区段煤柱额外施加5.01MPa的应力，在原始应力状态下增加了34.7%，造成临空巷道和煤柱处于较高应力状态。

（2）根据8103工作面侧向支承压力分布情况，确定石炭系综放工作面侧向支承压力的影响范围达到80m，临空巷道处于侧向支承压力升高区内。

（3）工作面的开采扰动，诱发邻近的采空区覆岩再次运动和破坏，在工作面和临近采空区覆岩运动的共同作用下，临空巷道和煤柱处于较高的应力状态，围岩应力更容易超过其围岩支护体系的承载极限，从而增加强矿压发生的可能性。