许丽君

（晋城煤业集团 寺河煤矿 二号井，山西 晋城048019）

我国煤炭资源赋存多样化，其中具有坚硬顶板条件的煤层赋存比例约占30%，且分布广泛〔1－2〕。晋煤集团寺河煤矿二号井151301工作面是该矿井15＃煤层首采工作面，煤层顶板为平均厚度约10.27m的K2石灰岩层，该岩层具有整体强度高、难以直接垮落的特点〔3〕，属于较难控制的坚硬顶板，存在顶板大面积悬露，工作面骤然来压等事故隐患。因此，有必要通过一定的科研手段掌握坚硬顶板的运动规律，指导类似工作面的支护与开采。

1 工作面概况

151301工作面开采15＃煤层，工作面上方为3＃煤层和9＃煤层采空区。工作面直接顶板为K2石灰岩层，岩层深灰色，平均厚度10.27m；直接底为深灰色泥岩层，平均厚度2.08m，局部相变为泥质砂岩；基本底为平均厚度9.65m的灰色铝土泥岩层。工作面煤层柱状见图1。工作面长度210m，采高2.6m，采用一次采全高走向长壁后退式开采方法，工作面设计5条顺槽，采用“三进两回”通风方式。其中1513015巷、1513011巷、1513013巷为进风巷，1513012巷、1513014巷为回风巷，工作面巷道布置见图2。

2 观测目的及意义

顶板运动规律是造成工作面矿压显现、巷道变形破坏的根本原因，15＃煤煤层顶板为10.27m厚的K2灰岩，为厚层坚硬顶板，煤层开采厚度小，顶板运动规律与3＃和9＃煤层开采存在较大差别。为了更全面的监测分析工作面坚硬顶板的运动特征，决定在顶板中布置钻孔，安装深基点，并对工作面推进过程中深基点位移的变化进行观测，进而分析工作面推进过程中顶板运动规律，为工作面采场和巷道矿压显现规律提供理论依据。

图1 工作面煤层柱状

图2 151301工作面布置

3 观测方案及测点布置

在进行顶板深基点位移观测时，在151301轨道巷内超前工作面切眼80m处施工了hh1和hh2两个钻孔，分别在两个钻孔内安装了深基点并对其初始读数进行了记录。两钻孔及深基点参数见表1，钻孔布置示意见图3。

表1 顶板运移规律观测钻孔及深基点参数

图3 顶板深基点位移观测钻孔布置

深基点位置参数计算示意见图4，由示意图几何关系计算可知，钻孔中基点深度在工作面走向方向上的投影长度X、在工作面倾向方向上的投影长度Y、垂直方向上的投影长度Z可按公式（1）、（2）、（3）进行计算。

图4 深基点位置参数计算

式中：X为基点深度在工作面走向方向上的投影长度；Y为基点深度在工作面倾向方向上的投影长度；Z为基点深度在垂直方向上的投影长度；L为基点深度，分别取3m、6 m、9m、12m、15m、18m、21m、24m、27m、29.5m；α为钻孔仰角，两钻孔均为20°9′28″；β为钻孔水平角，其中hh2钻孔取30°，hh1钻孔取45°。

通过三角函数计算，钻孔深基点位置参数见表2。

表2 深基点位置参数

4 观测结果统计及分析

在深基点的安装过程中，由于hh2钻孔中的4＃基点（12m）和10＃基点（29.5m）破坏失效，钻孔中9＃基点深度略有加深；hh1钻孔中的2＃基点（6m）破坏失效，其余基点均正常使用。在随后的工作面生产过程中，安排专人根据工作面的推进情况定期下井对深基点的位移进行观测，并对钻孔距工作面距离进行测量，对观测数据进行整理和分析，进而对工作面顶板运动规律进行分析和研究。以各个监测深基点距工作面的距离为横坐标（其中正值表示基点在工作面前方，负值表示基点在工作面后方），以基点位移变化量为纵坐标（其中正值表示测绳伸长即岩层出现离层、冒落等现象，导致岩层层位下降；位移变化值回弹则表示出现了离层裂隙闭合、岩层破断压实等现象），绘制出深基点位移变化曲线见图5、图6。

图5 顶板hh2钻孔深基点位移变化曲线

图6 顶板hh1钻孔深基点位移变化曲线

基点观测钻孔位于1513012巷的回采侧，工作面推过来后，钻孔就不能再继续进行观测。因此观测基点观测数据有限。hh2钻孔由于其水平角度较小，观测到最远距离为工作面后方23m，观测到的基点的最大位移约为65 mm。

由图5、6顶板钻孔深基点的位移变化曲线可以看出，基点位移变化曲线整体呈现平缓增长，说明观测期间没有出现顶板突然断裂，也没有发生剧烈沉降。基点位移变化量没有出现较大偏差，说明顶板岩层内部无明显的离层裂隙，沉降值同步变化。

从hh2钻孔深基点位移变化曲线来看，始动点的位置位于工作面前方1.5m左右，观测基点在垂直方向上的变化，反映了始动点的位置向工作面后方的转移情况。在工作面后方7m范围内，基点位移速率变化缓慢；后方7～15 m，基点位移速率变化较大；后方15m之后，基点位移速率变化进一步变缓。此种情况的出现是由于工作面后方7m范围内支架对顶板发挥了较为有效的支护，岩层下沉量不明显；工作面后方7～15m顶板处于无约束缓慢下沉状态，下沉较为明显；工作面后方22m之后，工作面基本顶弯曲下沉趋势逐渐平缓，hh1钻孔中深基点位移变化规律与其类似。

5 结语

1）通过深基点数据进行分析可知，在工作面推进过程中，工作面K2石灰岩坚硬顶板下分层出现了明显冒落，表现出了直接顶的性质，顶板上分层则表现出了整体缓慢下沉特性。

2）下部顶板岩层中基点出现较大下沉位移变化。但是由于下部基点距孔口较近，只能对控顶区范围内的基点位移变化进行监测，而在控顶区范围内，支架对顶板提供了有效的支护，控制了上岩层裂隙发育和下沉变化，导致未监测到下部基点剧烈位移变化。

〔1〕王 开.普采工作面坚硬顶板控制及其研究〔D〕.太原：太原理工大学，2006.

〔2〕杨玉辉，祖贺军.厚煤层坚硬顶板采场矿压显现规律分析〔J〕.煤炭技术，2011，30（2）：67－69.

〔3〕韩立军，蒋斌松，韩贵雷，等.晋城矿区厚层脆韧性石灰岩顶板变形与控制特性研究〔J〕.岩土力学，2010，31（6）：1841－1846.