徐国华 ，张金山 ，马 猛，3，吴国良

(1.神华集团 乌海公乌素矿业有限责任公司，内蒙古 乌海 016035；2.内蒙古科技大学 矿业工程学院，内蒙古 包头 014010；3.郑州煤炭工业(集团) 有限责任公司，河南 郑州 450042)

直接顶上方存在厚度不等、强度不同的多层岩层，其中一层至数层硬岩层在采场上覆岩层活动中起主要的控制作用，将对采场上覆岩层局部或直至地表的全部岩层起控制作用的岩层称为关键层，前者称为亚关键层，后者称为主关键层［1］。准确地确定关键层的位置，进而初步掌握顶板的破断运移规律，为现场采取有力的支护措施提供充分的理论保障，对工作面的顶板管理与矿井安全生产都有着重要的意义。为此，本文结合公乌素矿1604 超长综放工作面上覆岩层的实际情况，通过岩石力学试验得出公乌素矿1604 超长综放工作面上覆岩层的物理力学参数，采用关键层理论计算的方式对其上覆岩层关键层的位置及破断距离进行判定分析。

1 工作面上覆岩层中关键层的判别条件

1)刚度条件。

第n+1 层岩层若是关键层其必须满足:

式中:

q1/n+1—计算到第n+1 层时，第一层关键层所承受的载荷，kPa;

q1/n—计算到第n 层时，第一层关键层所承受的载荷，kPa。

2)强度条件。

假设第n+1 层位为关键层，则第n+1 层的破断距为ln+1，第一层的破断距为l1，其关键层判别强度条件为:

式中:

ln+1—第n+1 层岩层的破断距，m;

l1—第1 层岩层的破断距，m。

如果满足上式，则第一层为亚关键层;如果ln+1不能满足上式的判别条件，则应将第n +l 层岩层所控制的全部岩层作为载荷，作用到第n 层岩层上部，计算第n 层岩层的破断距。

2 关键层判别分析

公乌素矿16#煤层上覆岩层主要有细粒砂岩、砂质泥岩、泥岩、石灰岩、中粒砂岩，粗粒砂岩组成，上覆岩层结构及岩层力学参数见表1。

表1 上覆岩层层位关系及其物理力学参数

2.1 关键层的刚度条件验算

结合公乌素矿1604 超长综放工作面上覆岩层之间的层位关系及各层位岩石的物理参数，从直接顶开始，根据以下公式依次计算第n 层岩层对第m 层岩层的载荷(n ＞m):

式中:

qm/n—第n 层对第m 层的载荷，kPa;

Em—第m 层弹性模量，MPa;

hm、hi—第m、i 层的厚度，m;

γi—第i 层的岩石容重，kN/m3。

如果公式计算第n+1 层岩层载荷小于第n 层载荷，即第n +1 层为坚硬岩层，相反，需继续计算第n+2层对第n 层的载荷。

1)从下向上逐层计算各层上覆岩层对C2层的载荷分别为:

由以上结果可知，C2岩层载荷为211.1 kPa，上覆4 层载荷层(2.2 m 砂质泥岩C3、1 m 石灰岩C4、1.97 m 泥岩C5、1.92 m 砂质泥岩C6)。得出;C7岩层为硬岩层。

2)同理可以计算出C7上覆岩层的载荷，分别为:

q7/9=156.14 kPa、q7/10=182.2 kPa、q7/11=62.7 kPa

由此得出:C7上覆岩层的载荷量为182.2 kPa，上覆3 层岩层(分别为3.4 m 砂质泥岩C8、1.69 m 泥岩C9、1.8 m 砂质泥岩C10)，推断;C11岩层为硬岩层。

3)计算C11上覆岩层的载荷，分别为:

得出C11岩层上覆岩层载荷量为174.9 kPa，C13岩层为硬岩层。

综合上述结果，考虑到C11岩层与C13岩层之间为2.45 m 砂质泥岩，而且石灰岩与细粒砂岩力学参数相似，依据复合关键层的判别几何特征:a)两层坚硬岩层中的岩性基本相同，它们之间的软弱夹层与之有明显区别;b)无论坚硬岩层还是软弱夹层，它们的厚度为无量级差别［2］，推断C11、C12、C13可能为复合关键层。依据钱鸣高院士提出的相邻硬岩层产生复合效应的判定准则:

式中:

h1—第一层坚硬岩层厚度，m;

h2—第二层坚硬岩层厚度，m;

∑h2—两坚硬岩层之间的距离，m。

C11岩层厚度为4.5 m，C13岩层厚度为5.7 m，两层之间的距离为2.45 m C12砂质泥岩，代入(4)、(5)式中。

验证公式(4):

1.27≈1.31 (符合此条件)

验证公式(5):

0.54 ≤2.2 (符合此条件)

所以，将C11、C12与C13作为复合关键层处理，将这3 层岩层按1 层计算即:

由此得出，C11～13岩层的载荷为407.9 kPa，上覆2 层岩层(分别为厚1.22 m 12#煤C14、5.97 m 砂质泥岩C15)。推断:C16岩层为硬岩层。

4)由表1 可知，C16、C17与C18岩性相似，在上覆岩层中可能同时出现协调变形、破断的现象，可认为C16、C17与C18为一组复合关键层，同理3)可视为关键层中的一种组合效应，其上部载荷量计算为:

由此得出:C16～18岩层的载荷为547.8 kPa。

综上所述，C2为第一硬岩层、C7为第二硬岩层、C11～13复合岩层为第三硬岩层、C16～18复合岩层为第四硬岩层。

2.2 关键层的强度条件验算

关键层的判别确定在满足刚度条件的同时，也必须满足关键层判定的强度条件，一般条件下关键层的强度条件用其岩层的破断距来进行验证表示。工作面上覆坚硬岩层破断距采用两端固支梁计算。则第k 层硬岩层的破断距可以表示为:

式中:

hk—第k 层硬岩层的厚度，m

σtk—第k 层硬岩层的抗拉强度，MPa;

qk—第k 层硬岩层承受的载荷，kN。

假设第n、m为两层坚硬岩层(n ＞m)，如果Ln＞Lm＞Ll，则第n 层为主关键层，第m 层、第1 层为亚关键层。如果Lm＞Ln＞Ll，则第n 层坚硬岩层载荷应加到第m 层上，重新计算第m 层破断距，然后再与第1层比较，其中破断距最长者为主关键层，其次为亚关键层，第n 层不是关键层［3］。

根据以上计算公式分别计算出C2、C7、C11～13、C16～18的破断距为:

根据破断距分析，C11－13复合岩层的破断距＜C16～18的破断距，则C11－13为亚关键层，C16～18为主关键层。1604 综放工作面上覆岩层硬岩层分布及关键层特征见表2。

表2 工作面上覆岩层硬岩层分布及关键层特征

续表2

3 结论

本文主要依据中国工程院钱鸣高院士在《矿山压力与岩层控制》一书中有关确定关键层的相关理论，对公乌素矿1604 超长综放工作面上覆岩层中各个岩层结构进行理论分析，得出了上覆岩层中，关键层的位置及关键层的破断距。其结果为:公乌素矿1604 超长综放工作面上覆岩层中主要有主、亚关键层各一个，其中距直接顶20.75 m，厚12.65 m的复合岩层为亚关键层。距直接顶40.59 m，厚13.2 m以细粒砂岩为主的复合岩层为主关键层。

亚关键层的破断与垮落将会导致其上覆岩层部分或者局部岩层发生协同性的破断垮落，但相对于亚关键层来说垮落或离层程度较弱;主关键层的破断、垮落将导致其全部上覆岩层发生破断、离层或者下沉。对工作面上覆岩层及其工作面的矿压来说主关键层的破断垮落影响要大于亚关键层破断所带来的影响。

［1］钱鸣高，石平五.矿山压力与岩层控制［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2003:174－176.

［2］孙振武，缪协兴，茅献彪.采场覆层复合关键层的判别条件［J］.矿山压力与顶板管理，2005(4):76－83.

［3］韩俊效.寺河矿大采高长工作面矿压显现规律研究［D］.焦作:河南理工大学，2011:56.