特厚煤层覆岩力学性能及“两带”高度影响分析

李 杰

（中煤大同能源有限责任公司，山西 大同 037001）

山西大同矿区存在双系煤层开采，上部侏罗系11 煤、14 煤开采导致的覆岩破坏可能与下部3-5#煤层（厚度可达15 m 以上）开采形成的导水裂隙带贯穿，为下部厚煤层综放开采带来矿山压力控制、防治水等难题。研究中煤塔山煤矿3-5#煤层特厚煤层综放开采覆岩破坏规律，对指导3-5#煤层安全开采具有重要意义。

1 工程概况

中煤塔山煤矿位于大同市云冈区口泉乡上窝寨村西，行政区划隶属大同市云冈区口泉乡管辖，隶属中煤资源发展集团公司，属生产矿井。塔山煤矿设计产能300 万t/a。矿井井田面积8.146 km2，地质条件简单，水文类型中等，属于低瓦斯矿井。现开采的30515 工作面为本煤层第4 个工作面，位于矿井井田北翼，对应地表为低山丘陵、沟谷、冲沟及黄土台地覆盖。地形南东部相对较高，北西部较低。30515 工作面东部为实煤区，南部有3-5#煤层1045 辅运、胶带、回风三条大巷，西部隔10 m 煤柱为30501 工作面采空区，北部隔矿界（煤柱）与同煤白洞井田相邻。30515工作面走向长1 961.54 m，倾斜长度160 m。30515 工作面布置在2 号层10201和10215 工作面采空区下方，层间距平均4.53 m，为“一进一回”两巷布置。工作面采用单一走向长壁后退式综合机械化低位放顶煤采煤法。

2 覆岩结构及其物理力学性质

2.1 覆岩结构

中煤塔山煤矿2#煤层覆岩综合柱状如表1。

表1 2#煤层覆岩综合柱状

由表1 可以看出，中煤塔山煤矿3-5#和2#煤层覆岩以砂岩为主，主要为细砂岩、中砂岩、粗砂岩和砾石层，夹杂部分泥岩层。覆岩中砂砾岩层比例大（＞80%），泥岩厚度比例小。

2.2 岩石力学试验

2.2.1 单轴抗压试验

岩石单轴抗压试验使用WAN-008600KN 微机控制电液伺服万能试验机[1-4]，将中煤塔山煤矿采前孔所取岩块加工成标准试件进行试验。试样单轴压缩试验如图2。

由图1 可以看出，砂岩在承受较大的载荷，积蓄足够的能量后，多沿一个或两个交叉的主破坏面发生滑动破碎，常伴随“砰”的声响，岩块破碎程度大。测试结果见表2。

图1 单轴压缩试验试验前后对比图

表2 岩石单轴压缩试验计算表

2.2.2 单轴抗拉试验

通过巴西劈裂进行岩块标准试件（Φ50 mm×25 mm）的抗拉强度测定。测试结果见表3。

表3 岩石试件单轴抗拉试验计算表

2.2.3 抗剪强度试验

使用屏显万能实验机、变角剪切试件夹具套（20°、30°、35°、40°）开展试验[5]。岩石抗剪强度试验计算结果见表4。

表4 岩石抗剪强度试验计算表

2.3 结果分析

由单轴抗压、抗拉、抗剪试验可知，覆岩中细砂岩、粗砂岩单向抗压强度为72.79～111.99 MPa，单向抗拉强度为5.75～11.33 MPa，抗剪强度为10.31～36.65 MPa，泊松比为0.14～0.26，细砂岩内聚力为9.45 MPa，内摩擦角为32.81°。参照试验结果，可知覆岩属坚硬岩类，稳定性好。

3 煤层顶板关键层

如采场上覆岩体中有m层岩层，从下至上n（n≤m）层同步变形。每层岩层的厚度为di（i= 1，2，3……m），密度为ρi（i= 1，2，3……m）。

由于有n层岩层能同步变形，考虑到层状岩体中层面上的抗剪切力较弱，则由梁理论可知：

式中，Mi（i= 1，2，3……n）为第i层岩层的弯矩；Ei（i= 1，2，3……n）为第i层岩层的弹性模量；Ii（i=1，2，3……n）为第i层岩层的惯性矩[5]。

可解得：

其组合梁弯矩为：

对于第1 层梁来说，由式（2）代入式（3），结合梁的受力微分原理可得：

根据2#煤层覆岩综合柱状（表1）及力学试验结果整理2#煤顶板覆岩柱状及力学参数计算关键层。根据关键层的定义和变形特征，第n+1 层成为第二层关键层必然满足：

按照上式确定出的硬岩层还必须满足关键层的强度条件，即满足下层硬岩层的破断距小于上层硬岩层的破断距，即，

以地层数据为准，将各岩层参数代入上述公式，计算关键层结果汇总于表5。

表5 各岩层载荷和极限跨距汇总表

经计算，岩层中的第5、6、10、14、18 为计算关键层，但由于14#煤层已采空，上覆岩层已经垮落或破坏，其上方关键层已不再起主导控制作用。综合研究判断2#煤与14#煤之间的第14 层（细砂岩，厚度14.85 m，埋深309.5 m）为主关键层，第18层（粗砂岩，厚度25.05 m，埋深481.15 m）为亚关键层。主关键层可能对3-5#煤层开采的导水裂隙带向上发育产生影响，主关键层岩梁在其上位岩层的自重应力作用下发生弯曲下沉，下部倾伏岩层对上位关键层岩梁起到支托作用，该支托作用可减缓其上位岩层的弯曲下沉，防止关键层的破断，减小导水裂隙带高度。下部倾伏岩层也可以增大关键层初次垮落的极限跨距，导水裂隙带高度减小。亚关键层对3-5#煤层开采的垮落带发育造成影响。亚关键层下部岩层已发生破断，抗弯刚度较小，亚关键层的破断与否造成了其顶部边界应力条件的改变。亚关键层断裂后，使上位岩层的重力作用传递给了下位岩层，对下位岩层具有压实作用。上部岩层对下部导水裂隙带和垮落带岩体提供了一个压力增量，加快了关键层下部岩体的压实。垮落带岩体垮落后填满采空区，岩体内存在着较大的可被压缩消除的残余应变，随着上覆岩层的下沉，垮落带岩体不断被压实，垮落带高度不断降低。

根据煤矿提供数据，30515 工作面开采后的实测垮落带高度为134.6 m（垮采比7.32），导水裂隙带高度为257.9 m（裂采比14.02），导水裂隙带沟通上覆侏罗系14#煤采空区，可以看出，坚硬覆岩导致3-5#煤层开采导水裂隙带高度发育更高。极近距离煤层重复开采相当于采厚叠加，采厚的增加使得30515 工作面开采导水裂隙带高度增加。

4 结论

（1）由单轴抗压、抗拉、抗剪和点载荷试验可知，覆岩中细砂岩、粗砂岩单项抗压强度为72.79～111.99 MPa，单向抗拉强度为5.75～11.33 MPa，抗剪强度为10.31～36.65 MPa，泊松比为0.14～0.26，细砂岩内聚力为9.45 MPa，内摩擦角为32.81°。覆岩力学强度高，属坚硬岩类，稳定性好。

（2）2#号煤与14#煤之间的第14 层（细砂岩，厚度14.85 m，埋深309.5 m）为主关键层，第18层（粗砂岩，厚度25.05 m，埋深481.15 m）为亚关键层。关键层一般厚度大、强度高，其支撑作用可对导水裂隙带产生抑制作用，同时对下部岩层具有压实作用。主关键层对30515 工作面的导水裂隙带有抑制作用，亚关键层对垮落带的发育有抑制作用。

（3）坚硬覆岩及巨厚煤层一次采全厚工作面覆岩破坏高度大、离散型大；极近距离煤层重复开采使得30515 工作面开采导水裂隙带高度增加。