复合硬顶板中强矿压的机制及其主要控制层的识别

《Geomatics, Natural Hazards and Risk》：Mechanism of strong mine pressure in composite hard roofs and identification of the primary control layer

复合坚硬顶板在煤矿开采中易引发高地压灾害，通过物理相似模拟、理论分析和工程测试发现，初期采动周期性冒落集中于下坚硬顶板，随着工作面推进至平方位，上坚硬顶板与中间岩层协同剪切破坏，导致能量剧烈释放和显著矿压。预裂处理可有效降低微震事件频率38.4%，将能量范围控制在1000-2000J，确定上坚硬顶板为关键控制层。

　　在煤矿开采过程中，复合坚硬顶板的稳定性问题一直是一个备受关注的挑战。这些顶板结构复杂，其在复合应力条件下的失稳机制尤为复杂。本文通过结合物理相似模拟、理论分析和工程测试等综合方法，对复合坚硬顶板的断裂模式和能量演化进行了深入研究，揭示了强矿压的形成机制，并确定了用于压力释放的关键控制层。研究结果表明，在初期采煤阶段，顶板塌落主要集中在下部坚硬顶板，伴随着周期性断裂，引发规律性的顶板下沉事件。上部坚硬顶板则因下部断裂的碎石支撑而保持稳定。然而，随着采煤面推进至正方形位置，上部坚硬顶板与夹层岩层之间的协调断裂导致了显著的矿压现象。与提前对下部坚硬顶板进行裂隙处理相比，对上部坚硬顶板进行裂隙处理显著降低了工作面正方形位置的声发射信号频率，将微震事件的能量范围限制在1000–2000 J之间。本研究为煤矿开采中复合坚硬顶板引发的动态灾害的预防和控制提供了宝贵的见解。

煤矿开采过程中，顶板事故是中国煤矿事故中最严重的类型之一，过厚的坚硬顶板是主要的诱因。在采煤过程中，坚硬顶板往往抵抗自然塌落，导致采空区形成大面积悬顶区域，进而引起工作面前方的显著应力集中，引发诸如煤壁片帮、支架前方顶板塌落、支架损坏和底板鼓起等关键问题。随着采煤面的推进，悬顶区域不断扩展。当坚硬顶板内部的应力达到极限时，会发生大规模的顶板塌落。这种弹性能量的突然释放会显著增加压力强度，常常引发严重的矿压灾害。这些事件对煤矿的安全和高效开采构成了重大挑战。

许多学者已经对高矿压的成因进行了研究。Dou等人发现，Sanhejian煤矿中由坚硬顶板引发的岩爆主要是由于厚而坚硬的砂岩顶板内部积累了大量弹性能量。当顶板发生断裂或滑动时，这些能量的突然释放会产生强烈的振动和岩爆。He等人通过机械分析和数值模拟探讨了顶板岩爆的机制，并提出在悬顶状态下，煤体与顶板-底板界面之间的摩擦会随着煤壁应力的增加而不断调整。当层间摩擦达到极限时，会引发层间错位岩爆。Li等人识别了坚硬顶板断裂后的压缩与回弹空间作为岩爆的来源。Lv等人研究了在坚硬顶板和断层结构共存的情况下动态灾害的发生特征和强度，并通过结合微震现场监测数据与数值模拟结果，揭示了断层结构对岩爆的影响。Pan等人分析了坚硬顶板悬顶状态下的应力特性及其对矿压行为的影响，提出了通过定向水力压裂技术来削弱坚硬顶板并控制其塌落的方法，从而揭示了压裂技术在采煤过程中减少矿压的机制。Zheng等人利用数值模拟和理论分析揭示了坚硬顶板削弱前后的应力演化特征，并提出了先进的区域预防和控制技术。为了应对全机械化采煤中因坚硬顶板形成的巨大无支撑顶板区域（采空区）的危险，Wang在15,302采煤面开发并应用了一种强制塌落技术。该方法通过从运输巷道钻孔并使用水力压裂技术来削弱顶板，确保石灰岩层及时塌落。研究还提供了钻孔布局的详细计划和水力压裂的具体参数。

近年来，关于坚硬顶板岩爆风险的管理研究取得了显著进展。Wu等人通过整合物理指标与数据驱动特征，利用深度学习算法开发了一种时间早期预警模型。这种方法通过分析多个物理预警指标在高能微震事件发生前的演变模式，来预测岩爆的发生。使用遗传算法优化的反向传播神经网络（GA-BP）算法，他们识别了四种适用于坚硬顶板工作面的物理预警指标：βn、P(b)、A(b)和b值。此外，他们还使用卷积神经网络（CNN）结合t-分布随机邻近嵌入（t-SNE）算法从微震和液压支架阻力数据中提取时间预警指标。通过应用坚果优化算法（NOA）和长短期记忆（LSTM）神经网络，他们建立了针对坚硬顶板岩爆的时间早期预警模型。该模型的预测性能随后通过案例研究进行了验证和分析。其他研究则聚焦于识别主要导致灾害的岩层。Ma等人提出使用K-means聚类算法来确定与地表水力压裂相关的灾害主岩层。他们针对在建设地表水力压裂技术时准确识别主灾害岩层的挑战，提出了基于K-means聚类算法和肘部规则的技术方法。Wang等人通过综合方法（包括理论计算、数值模拟和微震验证）在Binchang矿区识别了主要的岩爆控制岩层。

这些研究从多个角度揭示了坚硬顶板压裂的机制，并提出了具有重要参考价值的处理技术。然而，对于涉及两个或更多坚硬顶板覆盖煤层的复杂场景，仍存在显著的研究空白。当前的研究主要集中在这些复合坚硬顶板的外部断裂现象，而对多个坚硬岩层之间的内部相互作用机制和协调断裂过程仍不清楚。因此，在这些多层条件下，识别用于水力压裂的主控制岩层仍然依赖于经验估计，缺乏基于机制分析的系统理论指导。

因此，本研究以Nalinhe No. 2煤矿31104-1采煤面的复合坚硬顶板作为工程背景。通过物理相似模拟、理论分析和工程测试的综合方法，本研究旨在探讨具有复合坚硬顶板的采煤面的矿压行为模式，并揭示强矿压灾害的机制。通过全面分析不同岩层在预裂条件下顶板变形和破坏特征，研究还旨在探讨周期性顶板迁移过程中的能量释放模式。此外，通过应用现场分阶段压裂和削弱处理工艺，识别了复合坚硬顶板条件下水力压裂的主控制岩层。本研究的成果为具有坚硬顶板条件的煤矿中因高地面压力引发的灾害的预防和控制提供了指导。

Nalinhe No. 2煤矿位于东胜煤田Nalin河勘探区的西部，矿区南北长约17.8 km，东西宽约13.5 km，总面积约为180.67 km2。31104-1采煤面的平均埋深、走向长度和倾角分别为570 m、1769 m和300 m。主煤层为3?1型，平均厚度为5.6 m。在煤层上方100 m范围内存在两层坚硬顶板。煤岩特性见表1。下部坚硬顶板位于采煤面上方40 m，上部坚硬顶板位于上方60 m。两层均由细粒砂岩构成，饱和抗压强度为41.84 MPa，Protodyakonov硬度（f）为4.2。由于这种复合坚硬顶板的存在，31104-1采煤面的压强显著增加，导致频繁的煤壁片帮、支架前方顶板塌落和支架损坏，严重影响了煤矿的安全生产。

在复合坚硬顶板采煤过程中，观察到15次周期性顶板塌落事件，平均塌落间隔为10.3 cm。在采煤初期，顶板塌落主要集中在下部坚硬顶板。然而，在第13次周期性顶板塌落事件中，上部坚硬顶板与夹层岩层及下部坚硬顶板共同发生协调性破坏，导致下部坚硬顶板整体剪切和塌落不稳定，从而在采煤面引发显著的矿压现象。因此，塌落范围扩展至上部坚硬顶板区域。采煤面矿压的具体特征如下：

在采煤面推进至41 cm时，立即顶板经历广泛塌落，形成了下部坚硬顶板与上部坚硬顶板之间的明显分层。在此阶段，下部坚硬顶板未能形成稳定的Voussoir拱结构，逐渐向采空区弯曲和下沉，直到最终塌落。塌落主要集中在下部坚硬顶板的下部，塌落岩层厚度为3.2 cm。这标志着采煤面首次发生顶板压力事件，整体塌落高度为15.2 cm。

当采煤面推进至54 cm时，首次周期性顶板压力事件发生。此时，顶板塌落范围扩展至下部坚硬顶板的中部，塌落高度为17.5 cm。在周期性顶板压力事件后，采空区左侧的Voussoir拱结构完全塌落，而右侧仍保留部分完整结构。

随着采煤面进一步推进，下部坚硬顶板完全塌落。然而，上部坚硬顶板仍因采空区下方的碎石支撑而保持稳定，未发生塌落。在此阶段，顶板塌落范围主要集中在下部坚硬顶板，塌落高度稳定在20.8 cm。当采煤面推进至130 cm时，第八次周期性顶板压力事件发生。此时，采空区上方的夹层岩层发生弯曲和下沉，形成上部坚硬顶板与夹层岩层之间的明显分层。在该阶段，顶板塌落范围扩展至上部坚硬顶板区域，导致采煤面矿压强度显著增加。

在采煤面推进过程中，下部坚硬顶板周期性断裂和塌落，同时夹层岩层的弯曲和下沉逐渐加剧，形成上部坚硬顶板的旋转空间。随着分层长度的增加，上部坚硬顶板下部的新横向裂隙形成。当采煤面推进至158 cm时，夹层岩层与上部坚硬顶板之间的分层长度达到上部坚硬顶板断裂的临界值，引发其断裂和塌落。夹层岩层因无法承受上部坚硬顶板塌落带来的额外载荷而失效，导致采煤面发生强烈的矿压事件。在此过程中，上部坚硬顶板下部的原有横向裂隙迅速扩展并下沉，塌落范围延伸至上部坚硬顶板的下部，塌落高度为47.3 cm。

通过分析采煤面推进过程中顶板塌落的规律，发现液压支架在采煤面的平均支撑阻力间隔约为20 m，与相似模拟实验中获得的周期性顶板压力间隔相一致。这些数据揭示了采煤过程中顶板塌落和能量释放的动态特征。

通过实验观测发现，在采煤面初期阶段，顶板塌落主要集中在下部坚硬顶板。下部坚硬顶板的周期性断裂导致采煤面周期性顶板压力事件的发生，而上部坚硬顶板由于下方塌落的碎石支撑保持稳定。然而，当采煤面推进至正方形位置时，上部坚硬顶板与夹层岩层之间发生协调剪切破坏，导致矿压显著增加。为了进一步分析这些现象，建立了一个复合坚硬顶板断裂的理论模型。该模型为理解采煤面中强矿压的机制提供了框架。

随着采煤面的推进，下部坚硬顶板的最终周期性压力结束，下部坚硬顶板处于“悬臂梁”状态，固定于一端。随着采煤面的进一步推进，下部坚硬顶板的“悬臂梁”结构变得不稳定并发生断裂，塌落至采空区，从而引发周期性顶板压力事件。在推进一定距离后，下部坚硬顶板重新形成“悬臂梁”结构。随后，下部坚硬顶板的“悬臂梁”结构断裂，导致夹层岩层无法形成稳定的结构，因为其强度较低。相反，夹层岩层发生弯曲和下沉，形成与上部坚硬顶板之间的分层，并提供旋转空间。随着采煤面的推进，下部坚硬顶板的“悬臂梁”结构最终断裂，进一步增加了夹层岩层的弯曲，扩大了上部坚硬顶板的旋转空间。当上部坚硬顶板的悬顶长度达到极限时，它发生断裂并形成“砌体梁”Voussoir结构，最初保持稳定。然而，在形成“砌体梁”结构后某一阶段，该结构变得不稳定，导致上部坚硬顶板塌落。夹层岩层因强度有限，无法承受塌落带来的额外载荷而失效。此时，上部坚硬顶板和夹层岩层之间发生协调剪切破坏，压向下部坚硬顶板的塌落块。此时，采煤面的载荷从q3增加到q1+q2+q3，导致采煤面发生强烈的矿压事件。

在初始采煤阶段，下部坚硬顶板处于“悬臂梁”状态，此时支撑系统主要承受立即顶板的载荷。随着下部坚硬顶板的断裂，支撑系统与采空区内的塌落碎石共同承受断裂块的载荷。在此阶段，下部坚硬顶板的支撑力对上覆塌落岩层的承载力得到了明确的计算。通过分析下部坚硬顶板的断裂特性，发现其断裂后的承载力显著高于常规岩层的相同厚度。这种承载力等价于（LZ - LS）2 / LS乘以上部坚硬顶板的厚度。由于复合坚硬顶板的协调运动，观察到高地面压力的成因。根据顶板岩层的结构特征，尽管在采煤过程中不同层次的坚硬岩层断裂模式有所差异，但在达到平衡后会形成稳定的Voussoir梁结构。基于此，建立了一个坚硬顶板块的铰接力学模型，将块体的旋转运动近似为固定轴旋转。根据固定轴旋转定理，转动惯量是旋转物体的固有属性。转动惯量的大小决定了岩石断裂和旋转所需的能量，这与物体的质量和质量中心到旋转轴的距离直接相关。

通过转动惯量的基本定义和图8中展示的几何配置，推导出以下表达式：转动惯量J等于ρ乘以积分从0到L的积分从0到h的（x2 + y2）dm。其中，dm表示块体A的微小质量，r表示质量元素到旋转轴的距离，S表示块体的面积，S = hL，m表示块体的总质量，m = σhl。此表达式进一步简化为：J = (1/3)ρhL（h2 + L2）。其中，ρ表示块体A的密度，h表示块体A的厚度，L表示块体A的长度，对应于岩石断裂的距离。

在块体A的长度计算中，使用以下公式：Li = hi√(2Ri/qi)。其中，hi表示第i层的厚度，Ri表示第i层岩石的抗拉强度，qi表示第i层岩石的载荷（kN/m2）。根据上述计算公式和31104-1采煤面复合坚硬顶板的相关参数，计算出坚硬顶板块的转动惯量。通过将这些参数代入转动惯量公式，计算得出下部坚硬顶板块A1的转动惯量为1.46×10? kg·m2，上部坚硬顶板块A2的转动惯量为7.03×10? kg·m2。这些结果表明，复合坚硬顶板的断裂和旋转特性受到断裂岩块转动惯量的显著影响。上部和下部坚硬顶板的协调运动增加了岩块的转动惯量，导致断裂岩块的旋转能量迅速增加。这种能量随后以动能的形式释放，影响采煤面并引发动态灾害。对复合坚硬顶板进行水力预裂处理可以有效减少断裂岩块的长度，从而减轻采煤面的矿压强度。

在物理模拟中，对上部坚硬顶板进行预裂处理比对下部坚硬顶板更有效。这种方法将采煤面正方形位置的声发射信号频率减少了38.40%，并将微震事件的能量范围限制在1000–2000 J之间，从而有效缓解了高应力条件。这些实验室结果在Nalinhe No. 2煤矿31104-1采煤面的现场数据中得到了验证。经过对上部坚硬顶板进行定向水力压裂处理后，微震监测显示总能量减少了62.17%，事件频率减少了56.32%，与顶板相关的切割能量减少了71.92%。这些结果确认了上部坚硬顶板是该地点控制地面压力的关键岩层，是实施压力释放措施的重点目标。

综上所述，本研究通过综合分析复合坚硬顶板的断裂模式和能量演化，揭示了其在采煤过程中引发强矿压的机制。研究结果表明，在初期采煤阶段，顶板塌落主要集中在下部坚硬顶板，其周期性断裂导致周期性顶板压力事件的发生，而上部坚硬顶板则因下方塌落的碎石支撑保持稳定。然而，随着采煤面推进至正方形位置，上部坚硬顶板与夹层岩层之间的协调剪切破坏导致了矿压的显著增加。研究还发现，复合坚硬顶板的断裂和旋转特性受到断裂岩块转动惯量的显著影响。上部和下部坚硬顶板的协调运动增加了岩块的转动惯量，从而导致断裂岩块的旋转能量迅速增加。这种能量随后以动能的形式释放，对采煤面产生影响，引发动态灾害。对复合坚硬顶板进行水力预裂处理可以有效减少断裂岩块的长度，从而减轻采煤面的矿压强度。

此外，本研究还探讨了在不同地质条件下选择合适的预裂技术的重要性。当前主流的预裂技术包括水力压裂、定向爆破和CO?诱导压裂。水力压裂主要用于深度超过500米的岩层，如页岩气开采或深部煤矿压力释放，通过高压流体形成广泛的裂隙网络，由支撑剂稳定，确保长期导通性和成本效益。定向爆破适用于浅层至中层坚硬岩层的快速岩爆缓解，通过冲击波产生局部裂隙，但其可控性和振动风险限制了其在紧急情况下的应用。CO?诱导压裂适用于浅层（<300米）且对生态环境敏感的区域，如城市地下工程，利用液态CO?相变形成均匀裂隙，环境影响较小，但由于其导通性较差，应用范围有限。选择适当的策略取决于深度、规模和环境优先事项：水力压裂适用于大规模、深部作业，定向爆破适用于紧急、浅层干预，CO?方法适用于可持续、低影响场景。

从成本角度来看，中国定向水力压裂的成本通常在每米1000至2500元之间，具体取决于地质条件。对于预算有限的煤矿，爆破技术可以作为一种低成本的预裂替代方案。然而，这种方法需要权衡，需要实施严格的环境控制和安全措施来管理其相关风险。通过将这些技术应用于实际工程中，可以有效缓解复合坚硬顶板带来的矿压问题，提高煤矿开采的安全性和效率。