摘要：本文以四川达竹煤电（集团）有限责任公司小河嘴煤矿为背景，通过研究其大倾角极浅煤层的工作面煤壁破坏规律、薄煤层矿山压力显现规律及破碎区力学状态，从而确定薄煤层高档普采工作面采场顶板控制的相关要素。
关键词：极浅煤层；煤壁破坏规律；顶板控制
1工程概况
四川达竹煤电（集团）有限责任公司小河嘴煤矿主要开采薄煤层。小河嘴煤矿始建于1991年、1994年停缓建、1998年正式投产。矿井位于达县南外镇同安路410号，距达州市主城区3公里，达渝高速公路、达万铁路、210国道、达开公路均从矿区穿过，地理位置优越，交通十分方便。
达竹矿区含煤地层为三叠系须家河组，自下而上分六段，煤层主要赋存于五段和六段。小河嘴煤矿煤层主要特征为：厚度大多低于0.6m，60%煤层属急倾斜煤层，平均倾角50º。考虑到小河嘴煤矿的特点薄综合机械化开采技术无法适用于其极薄煤层（煤层厚度小于0.6m）的开采。
2薄煤层工作面煤壁破坏规律研究
2.1测试内容与方法
为了掌握达竹矿区薄煤层采煤工作面煤壁在采场矿压作用下的破坏范围、破坏程度及残余强度变化等情况，课题组于2016年3月在小河嘴煤矿20112（21）采煤工作面进行了现场测试工作。测试内容主要包括：①煤壁破坏区深度的钻孔钻屑量观测；②煤壁破坏区深度的声波测试仪监测[1]；③煤壁采动裂隙发育深度的钻孔窥视仪监测；④煤壁剥落的井下测试研究。
根据20112（21）工作面的实际情况，现场监测的实际测点布置如图1所示。
图1 测点布置示意图
2.2测试结果分析
2.2.1煤壁破坏区钻孔煤粉量监测分析
根据钻孔在不同钻进深度时的煤粉量，计算得到每钻进100 mm的煤粉量，作孔深与煤粉量（ml）曲线如图3.2。
图2 钻孔孔深与出粉量关系
综合分析上述各图形所表述的钻孔钻粉曲线，可以得到煤壁明显破坏区宽度0.7m，平均0.5m，应力峰值范围在5.5~6.5m，大多在6.0m左右。
2.2.2煤壁破坏区的声波监测分析
煤壁破坏区的声波监测共施工了6个钻孔，孔深与传播时间（超声波发射出去到反射回来被接收到）之间的关系曲线如图3.3。
图3 钻孔声波传播时间与孔深的关系曲线
大多数孔超声波传播时间在孔深1.25~1.45m左右开始有较明显的缩短，考虑钻孔前用镐去掉的100~200mm，工作面上面的煤壁松动范围为1.4~1.6m，平均1.5 m。在煤壁到孔深0.4~0.6m范围内超声波传播时间明显较长，表明煤壁的破坏范围为0.5~0.7m（加上钻孔时剥离掉的(100~200）mm。）
2.2.3煤壁采动裂隙发育状况的钻孔窥视监测分析
距煤壁1.7m 距煤壁3.2m 距煤壁5.2m
图4 钻孔壁裂纹情况
从照片看，靠近煤壁附近的钻孔孔壁总体上更破碎些，有更明显的裂纹和破裂现象，深度范围在0.3~0.6m，加上钻孔时用镐剥离掉的100~200mm，破坏范围在0.4~0.8m左右，而煤层深处孔壁则要光滑得多。
2.2.4煤壁硬薄夹矸剥落的井下测试研究
试验地点选择在20112（21）工作面上顺槽内进行，在远离工作面400m的顺槽中，沿煤层顶板用煤电钻结合风镐在煤壁中掏出长2.0m，高约0.5m，深约1.0m的矩形空间，用液压加载装置对掏出空间的煤层底部进行缓慢加载直至煤完全破坏。加载点两个，一个距煤壁0.2m，一个距煤壁0.8m。测试分两次进行。另外，还对顺槽两帮煤壁进行了抗压入测试。
试验数据见表1所示。煤体破坏时的抗压入强度可以考虑作为煤体的残余抗压入强度。在煤体未受采动影响前距煤壁200mm的剥落应力为5.79 MPa，距煤壁600mm的煤体剥落应力为27.02MPa。
图5 薄煤层开采计算模型图
壁破坏的基本规律，得出以下结论：
①有无硬夹矸对工作面煤壁破坏规律影响较小，对煤壁破坏影响也很小，但对薄煤层矿山压力影响显现。②随着煤层硬度的增大，煤壁破坏区宽度明显减小。③煤层厚度的变化对塑性破坏区范围的影响很大，随着煤层厚度的减小，煤壁破坏区宽度明显缩小。④随着煤层埋深的增加，支承压力峰值明。
表1 煤壁抗压入及残余抗压入强度试验数据
根据表1，受采动影响后在距煤壁200mm时的煤体残余强度为3.86MPa，距煤壁600mm 时的煤体残余强度为8.69MPa，巷道表面煤体残余强度1.45MPa。
3薄煤层矿山压力显现规律及破碎区力学分析
3.1薄煤层高档普采面支承压力分布与煤壁破坏规律的数值模拟
3.3.1离散元数计算方案
根据小河嘴煤矿20112(21)工作面的地质条件和地层结构，建立相应的数值计算模型，与一般工程材料相比，岩体最大特点是具有结构上的不连续性，因此岩体变形破坏是非连续的，所以采用离散单元法UDEC进行模型分析。模型的设计尺寸为：130m(长)×70m(高)。模型采空区长度共70m，包括煤层底板以上岩层50m，底板以下岩层20m，如图5所示。模型左右边界为水平位移约束，上边界为自由边界[2]，模型上方覆岩自重载荷以均布载荷形式作用于上部边界，下边界为全约束边界。
3.3.2薄煤层高档普采支承压力与煤壁破坏的基本规律
模拟研究20112（21）薄煤层高档普采工作面煤显增大，煤壁破坏区宽度明显增加。
3.2薄煤层高档普采面煤壁破碎区的力学分析
根据20112（21）试验工作面条件，参照同煤层相邻工作面或相邻煤矿的有关数据可以得到煤壁前方非弹性区和弹性区的支承压力分布分别为
、
，非弹性去范围为2.361m，煤壁破碎区范围为1.63m。此外滚筒截割深度0.6~0.8最佳。
支柱作用下对支承压力及煤壁应力影响按照按照负指数
规律衰减的余弦函数。变形波的周期长度为：
，扰动应力如下图6分布。
图3.6 扰动应力p在工作面前方煤体中的分布
4薄煤层高档普采工作面采场顶板控制
4.1工作面顶板需控岩层运动参数分析
由工作面相关性质及计算公式可以得出直接顶厚度即为充填满采空区需要的岩层厚度，其值为2.52～3.6m；由于存在2.64m砂质泥岩，因此直接顶的实际垮落步距要比11.4m的计算初次垮落步距小。
直接顶垮落后，基本上能充填满采空区，不存在明显的基本顶岩层，采场也不会出现对生产影响较大的周期来压显现现象。
4.2采场顶板控制及支护强度计算
4.2.1薄煤层顶板控制要求
（1）采场支柱的工作状态
由于直接顶在采空区内已经垮落，所以顶板控制设计时，必须按最危险状态（沿煤壁处切断）考虑。支柱对直接项的工作状态按“结定载荷”考虑是接近实际的。结合达竹矿区薄煤层的顶板下沉量基本处于60～100mm之间的实际情况，采场支柱对岩梁运动采取“限定变形”更符合实际。
（2）支柱与顶板位态间的力学关系
直接顶给支柱的作用力可近似看成是与直接顶位态无关的常数，但直接顶的悬顶情况对该值的大小将有明显影响；支柱与基本顶岩梁的相互作用关系要考虑岩梁的两种位态，然后根据几何关系式确定最大作用力[3]。
4.2.2支护强度确定
（1）对于一般采场（同时存在直接顶和基本顶），“限定变形”工作状态下的支护强度为：
上式中，参数取值为mz=1~4m，按4m取值；mE=2~5m，按5m代入；γz=25kN/m3；C=5~12m，按10m取值；KT=2；Lk=4.19m；ΔhA=80~120mm，按平均100mm取值；Δhi=50mm。
得到PT =398kN/m2=0.398MPa
（2）对于缓沉采场（不存在直接顶），“限定变形”工作状态下的支护强度为：
上式中，参数取值为mE =1~4m，按4m代入；γE =25kN/m3；C=15m；KT =2；Lk =4.19m；Δhi=70~120mm，按平均100mm取值；Δhi =50mm。
得到PT=358kN/m2=0.358MPa
（3）“给定变形”采场（基本顶传递岩梁不能形成）支护强度为：
100N/m2=0.1MPa
（4）对于达竹矿区的一般采场（同时存在直接顶和基本顶），如果顶板为泥质岩，则没有悬顶，则相应的支护强度：
=3.24×105N/m2
0.324MPa
式中ME，γE，C0—分别为基本顶厚度、密度和初次来压步距；KT—岩重分配系数，A—直接顶给支柱的作用力，各量的取值如各式所示。
（5）对于砂质岩顶板，悬顶取平均值3m，则相应的支护强度：
=0.395MPa
综合上面的各种计算支护强度取最大值，得到支护强度为0.398MPa。
5结论
1）钻屑量监测分析得煤壁明显破坏区宽度平均为0.5m，应力峰值范围在5.5～6.5m；声波监测分析，20112（21）工作面煤壁松动范围为1.4~1.6m，平均1.5m；距煤壁600mm处抗压入强度为27.02MPa，距煤壁200mm处为5.79MPa。
2）支承压力分布曲线为：非弹性区
，弹性区
，非弹性区范围为2.36m，破碎区宽度1.63m。
3）为能达到保证控制好顶板的目的，支柱的合理支护强度为0.398MPa。
参考文献
[1]谭亚明.薄煤层综采工作面过断层研究[J].现代工业经济和信息化,2019,9(05):126-127+130.
[2]肖家平,杨科,刘帅,周波.大倾角煤层开采覆岩破断机制研究[J].中国安全生产科学技术,2019,15(03):75-80.
[3]牛积战.综采工作面采场破碎顶板控制技术研究[J].河南科技,2018(35):84-86.
论文作者:胡光军
论文发表刊物:《基层建设》2019年第26期
论文发表时间:2019/12/16
标签：煤层论文; 工作面论文; 顶板论文; 钻孔论文; 强度论文; 岩层论文; 支柱论文; 《基层建设》2019年第26期论文;