风积沙厚度对浅埋煤层大采高工作面矿压显现的影响

 王翰钊，李守国，段鹏飞，贾宝山，刘昭，耿晓伟

（1辽宁工程技术大学安全科学与工程学院，辽宁阜新123000；

 2矿山热动力灾害与防治教育部重点实验室，辽宁阜新123000；

 3煤科集团沈阳研究院有限公司煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁抚顺，113122；

 4神华集团神府东胜煤炭公司，陕西神木719315）

摘要：针对神东矿区大柳塔煤矿52304工作面通过风积沙较厚区域时强烈的矿压显现现象，通过理论分析与物理相似模型以及现场测试等方法，建立工作面过风积沙区域时的力学模型，分析风积沙厚度对大采高工作面矿压显现规律的影响，对风积沙厚度对工作面关键层力学稳定性做出分析，并通过数值模拟对影响性进行研究。研究结果表明：风积沙厚度较大的开采区域，作用在覆岩主关键层结构上的载荷较大，造成主关键层破断块体的结构回转变形失稳，造成工作面矿压显现极强烈；大采高和风积沙厚度较大条件下距煤层较远的主关键层破断运动也会对工作面矿压显现产生影响，且采高、厚风积沙因素缺少其中一个时，主关键层均不会对工作面矿压产生明显影响。

关键词：近浅埋煤层；矿压显现；风积沙厚度；力学分析

0  引言

 随着我国能源战略中心向西部转移，西部浅埋煤层开采引起广泛关注。西部浅埋煤层主要以神东矿区为主，该矿区大部分属于浅埋煤层。浅埋煤层的基本顶岩结构为单一关键层结构，煤层矿压来压明显，载荷层厚度大，工作面上覆岩层不存在“三带”。浅埋煤层的独特地质构造使得矿压显现剧烈。神东矿区煤层浅埋深、基岩薄，同时上覆厚松散层。神东煤炭的大柳塔煤矿上覆基岩上以厚风积沙为主。这使得开采过程中溃砂事故极易发生，以风积沙为主的上覆厚松散沙层成为工作面矿压来压的主要影响因素。相关研究表明，厚风积沙对工作面覆岩的压力作用，使得顶板岩层弯曲、破断甚至垮落。基岩厚度对矿压显现有密切关系。基于关键层理论，张志强等从沟深的角度，分析当承压较大时关键层遭到破坏及工作面矿压显现受到明显影响。基于对关键层的认识，当泥沙混合比降低时，对煤系覆岩下沉产生明显扩大影响。笔者结合大柳塔煤矿52304工作面实际生产情况，对大采高工作面过露天矿风积沙厚度增厚时的矿压显现的影响规律进行研究。

1  工作面开采条件

 大柳塔煤矿是神东煤炭集团所属的年产两千万吨的特大型现代化高产高效矿井，位于陕西省神木县境内。52304工作面是大柳塔井5-2煤三盘区，煤层厚度6.6~7.3 m，平均6. 94 m，煤层结构简单，直接顶为砂质泥岩、泥岩为主，厚度为0 N1. 85 m，基本顶以粉砂岩为主，厚度为5.2~ 28.3 m，部分区域风化层厚很大。52304工作面沿煤层走向推进，属于走向长壁综采工作面，采用倾斜长壁全部垮落、一次采全高的采煤方法。工作面走向推进长度4 547.6 m，在初采期呈现“刀把面”的布置形式。其中，52304 -1面宽147.5 m，总推进长度148.7 m；52304 -2面宽301 m，总推进长度4 389.1 m。

2  工作面过地表风积沙区域矿压显现测试

 52304工作面过地表风积沙区域时，曾出现了强烈的矿压显现，分别为1月10日、2月15日、3月29日，对应推进距分别为736、1 000以及1527 m。来压期间，煤壁片帮及端面漏顶现象严重。支架区域片帮深度普遍在1 m以上，有时甚至可达2~3 m。从来压第二刀开始，液压支架活柱下缩量开始急剧增加，甚至出现10min之内，活柱下缩达I m以上的动载现象，随着顶板不断下沉，液压支架移架后支护空间的高度不断下降，而采煤机的最小通过高度要在5.5 m以上，部分区域采煤机几乎无法通过。

3风积沙厚度对主关键层结构稳定性力学分析

  普通采高条件下一般仅工作面上方第一层关键层控制着工作面的矿压显现，而在大采高条件下工作面上方第一层关键层可能进入垮落带，而更上位的关键层形成铰接结构，并且对工作面矿压也产生影响，即大采高条件下，对工作面矿压产生影响的覆岩关键层可能不止一层。52304工作面属于大采高综采面。由于一次采出空间的大幅增加，顶板垮落的高度也将增加，导致对工作面矿压显现产生影响的覆岩范围也大幅增大。在地表厚风积沙这种较大的载荷作用下，处于上位的主关键层破断结构也有可能会对工作面矿压产生影响，因此，下面将从风积沙厚度增加对主关键层结构稳定性影响的角度，分析上述强烈矿压显现的机理。

3.1  风积沙厚度对主关键层结构稳定性影响研究

当主关键层承受的载荷很大时，破断的主关键层块体很有可能无法形成稳定的“砌体梁”结构而出现失稳，52304工作面风积沙厚度较大区域覆岩主关键层破断块体的力学模型如图1所示。

如图1，第一岩块在采空区的下沉量W1与关键层下方岩层总厚度∑h、工作面采高以及关键层下方岩层的松散系数K。有关，即：

 砌体梁结构关键块体的失稳形式有两种，即滑落失稳及回转变形失稳。

3.2滑落失稳分析

在A点此结构的剪切力最大，防止A点出现滑落失稳，需要满足的条件为：

 根据工作面柱状，主关键层埋深88 m，风积沙厚度按60 m，主关键层及上覆基岩按30 m计算，风积沙容重按1.8 kg/m3，基岩按2.2 kg/m3，得g=1. 74 MP。因此，可知在风积沙较厚区域主关键层破断块体会出现回转变形失稳。

 通过对52304工作面覆岩主关键层结构的稳定性分析可知，在风积沙较厚条件下工作面主关键层断块体长度变小，有可能出现结构滑落失稳，而由于风积沙作用使得主关键层承受的载荷大，在回转过程中会出现岩块铰接处挤碎而回转变形失稳，从而造成工作面矿压显现极强烈。力学分析结果与实测工作面在风积沙厚度较大区域矿压显现强烈一致。

4  风积沙厚度对主关键层结构稳定性数值模拟．

4.1  数值模拟模型的建立

本文采用UDEC3.1进行模拟研究。模型以52304工作面开采地质条件特征为原型，进行简化处理，计算模型为沿煤层走向的剖面。模型走向长240 m，高度100 m，其中煤层厚度为7m，下位亚关键层厚度为4m，主关键层厚度为8m，主关键层距工作面70 m，达到10倍采高，主关键层上部留9m基岩。数值模拟模型示意如图2所示。

材料本构关系在本模型中采用mohr-coulomb弹塑性模型，其中的剪切模量G和体积模量K可通过下式得到：

 式中：E为弹性模量；u为泊松比。

数值模拟中各岩层岩性参数的取值参考了该矿区相同岩层岩性的综合取值。数值模拟中各岩层力学参数如表1所示。

模型中煤层的直接顶按照2 m分层2m宽度对齐划块，符合直接顶随采随垮的性质。主关键层破断步距为18 m，亚关键层厚度12 m，两关键层之间软岩按照75。岩层破断角划分节理，4m分层4m宽度划块；主关键层上松散层按照3m分层3m宽度划块。模型的结构单元划分图见图3。

 模拟计算中的边界条件采用了位移边界条件约束，其中底边界和左右边界均采用零位移边界条件，即固定模型的左右及底边界，模型上边界为自由边界。模型中部基岩及上覆松散层以载荷形式加载，大小为1MP。考虑到开采边界的影响，煤层开挖侧留设50 m的边界保护煤柱，每次开挖的步距为4m，一共开挖150 m。

4.2  模拟实验结果与分析

 根据模拟风积沙厚度即基岩上覆载荷的不同，设置两个实验模型进行对比分析：实验组地表厚风积沙，即在基岩顶界面施加均布载荷；对比组地表无风积沙，即对基岩顶界面不施加任何载荷。以此模拟不同风积沙厚度条件下，覆岩主关键层结构的稳定性及其对工作面矿压的影响。

4.2.1  地表厚风积沙对主关键层影响分析

模拟结果通过分析受采动影响主关键层与亚关键层破断块体运动特征以及工作面支架活柱下缩量变化来判断主关键层对工作面矿压的影响程度，如图4所示。

 由图4(a)可知，在较大载荷的作用下，主关键层结构失稳，虽然主关键层距工作面较远，力仍传递至下方岩层，进而传递至工作面支架，但是亚关键层破断线与主关键层破断线的连线未与岩层破断线一致，此时，主关键层对工作面矿压显现有影响但不明显。而从图4(b)可以明显看出，主关键层失稳后，当亚关键层破断线与主关键层破断线的连线大致与岩层破断线相同时，工作面矿压显现受到主关键层与亚关键层共同影响，支架活柱下缩量较大，矿压显现强烈。

模型中支架的活柱下缩量进行统计，结果如图5所示。

 由图5可以看出，推进距94、118、130 m处支架活柱下缩量较大，结合模拟的覆岩破坏运动情况知，这三次主关键层失稳块体对工作面矿压影响较大，而推进距82、106、142 m处主关键层也对工作面矿压有影响但是影响较小。

4.2.2地表无风积沙时主关键层载荷分析

模型开挖步距同样为4m，共开挖150 m。模拟结果显示，覆岩破坏范围可以发展到主关键层下方，但是由于主关键层上覆载荷小破断步距大，主关键层能较好的铰接，不会对工作面矿压产生影响。模型开挖118 m覆岩破断运动情况如图6所示，工作面支架活柱下缩量变化曲线如图7所示。

5结论

 1)揭示了当风积沙厚度增大时工作面矿压显现的规律，52304工作面为大采高开采，覆岩破坏运动范围较大，造成处于上位的关键层破断结构的回转运动也会对工作面的矿压显现产生影响；而在风积沙厚度较大的开采区域，由于作用在覆岩主关键层结构上的载荷较大，造成主关键层破断块体的结构回转运动也对工作面的矿压产生了影响，是52304工作面在地表厚风积沙区域开采矿压强烈的根本原因。

  2)通过数值模拟软件运算验证了风积沙厚度增加造成覆岩主关键层结构回转运动对工作面矿压产生影响的机理。结果表明，在7m采高和风积沙厚度较大条件下距煤层较远的主关键层破断运动也会对工作面矿压显现产生影响，造成矿压显现强烈。且若采高、厚风积沙因素缺少其中一个，主关键层均不会对工作面矿压产生明显影响；则采高及地表风积沙厚度的增加是引起工作面矿压强烈的共同原因。