坚硬厚层顶板结构对巷道冲击致灾性的影响研究

坚硬厚层顶板结构对巷道冲击致灾性的影响研究
摘要：针对龙郓煤业1301工作面煤层赋存特点，采用3DEC数值模拟方法研究
了坚硬顶板对巷道冲击致灾性的影响规律。

研究表明：相对工作面超前支承压力，侧向煤体受覆岩下沉影响时间长，下沉量更大，静载荷水平更高，影响距离也更远。

实测1300工作面采空区支承压力显著影响范围约为131m，峰值位置最大可
超前煤壁约60m以上，与数值模拟相吻合，表明目前1301回风顺槽仍处于侧向
支承高应力区，具有较大危险性。

关键词：坚硬顶板；冲击地压；支承压力；顶板结构
1工作面概况
1.1 工作面位置及开采情况
1301工作面为首（一）采区南翼西侧第二个工作面（见图1），工作面西侧
前部与八里庄支四断层（H=5～110m）相邻、后部隔80m煤柱与1300工作面采
空区相邻，东、南两侧为实体煤，北邻采区轨道大巷；地面标高+40m～45m左右，井下标高-825m～-925m左右，埋深约865～970m。

图1 1300及1301工作面采掘工程平面图
1.2 煤层及顶底板情况
工作面内煤岩层倾角变化不大，2°～15°，平均9°，厚度在5.0～7.0m之间。

工作面煤层及顶底板情况图2所示。

图2 1301工作面煤岩层柱状图
2 煤层顶板结构对巷道冲击致灾性的影响规律
从冲击地压发生的地质条件看，坚硬厚层顶板是冲击地压发生的最典型的地
质条件。

统计表明，冲击地压煤层上部通常有一层或多层厚度大于10m的坚硬。

厚硬顶板对冲击地压的影响主要表现在两方面：
一方面，煤层被采出后，直接顶随工作面的前移不断垮落，而上部悬露坚硬
顶板将上覆岩层重力部分转移至工作面前方及侧向煤体，相应的产生超前及侧向
支承压力，使得超前及侧向区域的煤岩层的弹性能水平显著提高，引起超前及侧
向支承压力区冲击危险性的增大。

另一方面，在坚硬顶板破断过程中或滑移过程中，大量的弹性能突然释放，
形成强烈动载荷，导致冲击地压或顶板大面积来压等动力灾害的发生。

2.1 煤层顶板结构及力学参数测试
表1为1301工作面取样地点老顶岩层力学参数。

可见，其老顶岩层抗压强度最大可达111.9MPa，单轴抗拉强度可达10.8MPa，弯曲能量指数达到831kJ，远
超过顶板强冲击倾向性等级的判别指标（120kJ）。

从实验室测试数据来看，煤层
回采后，顶板断裂及悬顶将对冲击地压孕育过程提供充分的动、静载荷。

表1 3煤老顶岩层基本力学参数
图3为1301工作面砂岩顶板钻孔窥视结果。

窥视发现3煤层顶板砂岩坚硬致密，整层内无层理发育，局部单层砂岩厚度可达24m。

2.2 采空区边缘覆岩结构及其对冲击地压影响
进入深部开采后，决定工作面周围矿山压力显现程度的岩层运动范围已经超
出了直接顶和老顶的范围，老顶上方岩层状况与相邻工作面的采动情况决定了关
键岩层的运动，从而决定了矿山压力的显现程度，即覆岩以空间结构的形式影响
采场矿山压力的显现。

因此，基于覆岩结构的观点可以进行冲击地压的宏观预测。

（a）煤层以上8m处截图（b）煤层以上13.5m处截图
（c）煤层以上17m处截图（d）煤层以上19m处截图
图3 顶板细粒砂岩窥视图像
采空区覆岩结构的形态和稳定性对采空区周边采掘巷道矿压显现影响显著，
具体可分为静载荷影响和动载荷影响。

静载荷主要指采空区向周边煤体传递的顶
板压力，以支承压力的形式表现；动载荷主要指结构形成及失稳过程中释放出的
瞬时动态应力。

采用3DEC离散元数值模拟软件对1301工作面开采过程中的顶板活动规律进
行分析，以单一关键层为例，在满足相应结构及力学条件时，岩层断裂后在采空
区边缘形成砌体梁结构，结构一端位于煤体内的断裂线附近，另一端位于采空区
内的矸石区。

砌体梁结构本身作为承载拱，将自身及其承载的岩层组重量转移至
两个拱角，从而分别在煤壁内和矸石区形成两处应力集中区。

3 现场实测
3.1 实测方案
1300工作面应力监测安装及布置示意图如图4所示，两顺槽每隔20~30m布
置一组测站，每组测站设计安装2个钻孔应力计，即2个测点，钻孔深度分别为
7m、14m，测点间距为1m。

图4 1300钻孔应力计布置示意图
3.2结果分析
图5为1300工作面回采过程中回采巷道帮部相对垂直应力的变化曲线。

表3
为监测数据分析结果统计。

可以看出，随着1300工作面的推进，测点垂直应力
超前工作面131m开始明显增加，峰值超前工作面约66m。

可见，1300工作面超
前支承压力显著影响范围可达131m。

表3 超前支承压力监测数据分析
另外，从静载荷影响而言，工作面前方煤体受上覆岩层下沉影响而产生应力
集中，但由于工作面一直在推进，下沉幅度和影响时间有限，即超前煤体只经受
了岩层结构下沉初期的影响。

但是，采空区侧向煤体将经受覆岩结构由形成至稳
定的整个周期的影响，该过程中上覆岩层下沉量随时间持续增大，煤体应力不断
增加，直至覆岩结构趋于稳定。

图5 轨道顺槽41#、42#测点应力曲线
4 结论
（1）采空区前方与侧向覆岩结构在形成方式、运动规律、载荷影响等方面的差异性：采空区前方覆岩结构组成不断更新，可持续产生动载荷，而侧向覆岩结
构自形成后活动性逐步降低，动载荷减弱。

侧向煤体受覆岩下沉影响时间长，下
沉量更大，静载荷水平更高。

（2）采空区边缘老顶断裂线的位置决定了悬露顶板向煤体内传递压力的能力。

侧向煤体垂直应力集中区宽度与基本顶断裂线至煤壁距离成正相关，且垂直应力
峰值大致出现在断裂线附近。

在断裂线附近布置临空巷道是最为不利的。

（3）实测1300工作面采空区侧向支承压力显著影响范围约为131m，峰值位置最大可超前煤壁约60m以上。

从应力演化过程来看，工作面回采后，采空区侧向煤柱弹性区压力将长距离、长时间持续增长，直至稳定。

参考文献：
[1] 齐庆新，窦林名.冲击地压理论与技术[M].中国矿业大学出版社，2008（3）：23-25.
[2] 潘俊锋，毛德兵等.《冲击地压启动理论与成套技术》中国矿业大学出版社.2016.
[3] 刘金海，姜福兴，朱斯陶.长壁采场动、静支承压力演化规律及应用研究[J].岩石力学与工程学报，2015，34（09）：1815-1827.
[4] 夏永学，潘俊锋，王元杰，等. 基于高精度微震监测的煤岩破裂与应力分布特征研究[J] 煤炭学报，2011，36（2）：239-244.
作者简介：
赵忠显，男，1988年出生，山东菏泽人，现就职山东龙郓煤业有限公司，负责防冲技术管理工作，助理工程师职称。