巨厚松散层下薄基岩区域矿压显现规律研究

摘要：结合城郊煤矿21205工作面矿压实测资料，观测了巨厚松散层下薄基岩区域矿压显现规律特征，分析了薄基岩矿压显现机理，提出了工作面过薄基岩区域应采取的安全技术措施。

关键词：巨厚松散层；薄基岩；矿压显现；控制措施

【分类号】：TD325

0 前言

城郊煤矿巨厚松散层薄基岩工作面开采属于特殊地质条件的开采问题。巨厚松散层主要由第四系和第三系的松散层组成，其中含有多层含水层。当这些含水层位于松散层底部时，在采动影响下由于基岩较薄，裂隙带有可能波及含水，导致工作面发生突水、溃砂事故发生。同时，由于基岩较薄，不能形成有效的承载结构，工作面压力大，造成支护困难，影响工作面安全生产。因此，研究巨厚松散层下薄基岩区域矿压显现规律对于保证工作面安全生产具有重要意义。

1 21205综采工作面概况

21205工作面位于城郊煤矿西北翼十二采区，西为21401工作面（未动），东为21204工作面（未动），南邻西北胶带运输巷保护煤柱，北至基岩风氧化带保护煤柱。工作面整体为一宽缓的单斜构造，煤层倾角最大5°、最小1°，平均约3°。煤层赋存稳定，煤厚最大3.66m，最小2.54m，平均2.98m。工作面基岩厚度为23.3～76m，基岩上覆391.9～413.0m厚的第四系覆盖层。

2 薄基岩区域划分

对于薄基岩的定义，本文采用煤层开采后采空区上方岩层“三带”的形成与基岩厚度的关系来进行定义：（1）当基岩厚度小于冒落带高度时，称为超薄基岩；（2）当基岩厚度大于冒落带高度而小于裂隙带高度时，称为薄基岩；（3）当基岩厚度大于裂隙带高度时，则为正常厚度基岩。

21205工作面基岩由北往南（工作面推进方向）按32mm/m的梯度逐渐变厚，轨道顺槽通尺421～837m段基岩厚度达到两带垮落高度。因此将21205工作面轨道顺槽通尺837～1435m划分为薄基岩区域，如图1所示。

3 薄基岩区域矿压显现特点与机理分析

3.1 矿压显现特点

21205工作面于初采初放期间开采薄基岩区域，开采时矿压显现剧烈，具有下列特点：

（1）工作面顶板完整区段整体下沉，最大下沉量达0.8m，导致工作面整体采高低（平均采高2.34m，最小采高不足2m），多架死架倒架，液压支架大立柱安全阀大范围频繁开启，乳化液轻则点滴、雾化，重则成线。

（2）工作面煤壁整体呈现倒墙式片帮（片帮深度超过0.5m），煤体酥软，块煤率极低，滚落的煤矸自然安息角为40～45°。工作面29～42#、57～65#、70～85#段顶板破碎，多架出现架前冒顶，架侧漏顶现象，特别是断层面两侧支架错差较大（达0.7m），非常不利于顶板管理。

（3）煤层被压薄（煤层最薄处1.4m左右），剧烈向切眼联巷、2#联巷及工作面上下顺槽等自由空间运移；直接导致切眼联巷和2#联巷巷道扭曲变形严重，两帮基本贴合，顶底板移近量超过1m。两顺槽超前支护段巷道收敛严重，机头安全出口宽度不易保证。

（4）工作面底鼓严重，来压前仅断层下盘附近几架存在底岩，来压时工作面20～100#段底岩鼓起，工作面中间最厚段底岩厚度达1m。

（5）过“T型”联巷时，工作面两顺槽超前棚内单体柱排不成线，行不成列，七扭八歪。多根单体支柱出现钻底、漏液、死柱等现象，两巷超前棚内频繁出现单体柱、Π型梁压断和锚杆头、锚索锁具崩断滑脱现象。

薄基岩区域直接顶初次垮落步距为4.5～6.3m，平均5.4m；直接顶随采随冒，无周期垮落步距。松散层初次来压步距30m，受2#联巷影响，矿压显现持续30m（2#联巷里侧20m，外侧10m）。

3.2 矿压机理分析

工作面上覆基岩薄，岩性弱，碎胀系数小，覆岩垮落充分，不能形成有效的砌体梁结构，21205工作面采空区上覆岩土层呈现断裂频繁、周期性不明显，移动快，变形大，压实压密快等特点。直接导致工作面液压支架呈现静压大，动压小的受载特点。矿压显现较为明显，主要表现为支架安全阀开启、端面冒顶和煤壁片帮。

巨厚松散层结构松散、强度低，黏结力低，属于松散连续介质。开采过程中，松散载荷层随基岩层移动、垮落至地表。根据岩层控制理论，基岩层的破断运动直接影响到其上覆松散层。前苏联学者M.M普罗托奇雅可诺夫认为，具有一定粘结力的松散体，其抗拉、抗压和抗剪能力都极微弱；对于松散介质，应力的传递是依靠介质的接触面间的相互作用来进行的。如果松散层的一部分移动，而其余部分保持不动，靠近移动部分的松散层则向外运动，离开其与相邻不动松散层间的原来位置。松散层中的这种相对运动受到移动松散层与不动松散层接触处的抗剪强度的阻抗。因为抗剪强度有趋向保持移动松散层的原来位置，故它使支撑移动部分上的压力减少，而使相邻的支撑不动部分上的压力增加。这种从移动松散层把压力传递给相邻不动部分的传递作用通常叫做拱效应。随着工作面的推进，当基岩垮落下沉越来越大时，松散层内拱体范围也越来越大，拱脚应力也逐渐变大直至拱体整体坍塌向上形成新拱。坍塌的压力拱以载荷的形式作用于基岩。采场后上方基岩的周期来压先于松散层压力拱活动，不断诱发旧拱的坍塌和新拱的形成，采空区上方基岩活动与松散层的压力拱相互影响，最终导致基岩趋于稳定静止并在采空区内恢复有效的承载能力。另一方面迫使松散层的成拱效应向上发展，直至完全采动形成稳定的地表下沉盆地。

4 薄基岩区域矿压显现控制措施

开采实践中主要采取了以下控制措施保证了工作面薄基岩区域安全开采。

（1）在顶板破碎段减小移架与采煤机的间距，实现跟机移架，移架时带压擦顶移架；在冒顶漏顶段用4m长圆直松木或Π型梁配合40t链条架设走向棚，圆木伸出伸缩梁部分采用2.4m圆杂木背实，圆杂木沿倾向布置。

（2）对采高极低处采取挑顶卧底措施，将刮板输送机落下去，确保采煤机过机高度；加强液压支架检修确保液压元件稳定可靠。

（3）对于泥岩底矸采取采煤机直接破底，对于中砂岩底岩采取打眼放炮措施。底岩厚度在200～800mm时采用单排眼，底岩厚度大于800mm时采用三花眼。现场根据岩石的硬度和顶板破碎程度以及爆破效果决定炮眼布置的参数。

（4）工作面推至2#联巷30m远时，对2#联巷与两顺槽交叉口采取一梁三柱抬棚加强支护。

（5）加强两顺槽超前及端头支护管理，及时更换受损支护器材。单体支柱要支设在实底上，严禁支设在浮煤、浮矸上。班中随时对单体支柱进行注液，所有在用单体支柱必须拴牢双防倒绳。

（6）对两顺槽巷道超前段进行拉底，调整工作面设备位态，确保安全出口宽度保持在0.8m以上。

（7）加快工作面推进速度，变单向割煤工艺为双向割煤工艺。