松散含水层下部煤炭资源具有埋藏浅，开采成本低等优点，是华东新、老矿井持续增产稳产的主要资源，但我国已经发生数十起在该松散水层下采煤压架致灾事故，并且综采工作面压架致灾呈现增多趋势，因此引起众多学者关注。文献[1-5]研究了松散含水层载荷传递规律、覆岩结构对关键层的影响等，文献[6-9]研究了薄基岩矿压显现规律及裂隙发育规律，文献[10]研究了薄基岩综放开采时的顶板破断机制;综上所述松散含水层开采常伴随有顶板压力显现异常增大导致工作面压架，并伴随有周期突水现象，这说明此类灾害与采动顶板岩体结构、破坏运动特征、水-岩耦合作用及载荷传递等紧密相关。如顾北煤矿1202(3)综采工作面，其邻近松散承压含水层，且覆岩中仅有一层关键层，当工作面回采31 m时，上风巷出水，工作面支架立柱急剧回缩无行程，支架被压死。为了确保松散含水层下煤炭资源的安全合理开采，笔者以淮南矿区松散含水层下薄基岩煤层工作面为工程背景，探讨不同关键层组合对采场覆岩运移规律的影响，以期针对不同地质条件确定合理的薄基岩煤层开采方法。
1 工程背景
淮南矿业集团顾北矿1512(3)工作面为提高开采上限试验工作面，回采上限标高为-391 m，下限标高为-497 m，工作面沿机巷剖面如图1所示;主采13-1煤层，厚度平均4.5 m，倾角平均5°，煤层顶底板岩性见1512(3)工作面开切眼附近的十二～十三Kz4孔，整理见表1，工程地质条件与该矿之前压架的1202(3)工作面类似。
图1 工作面剖面
Fig.1 Working face profile
表1 覆岩岩性
Table 1 Lithology of overlying rock
2 不同覆岩结构对采场覆岩运动规律影响的研究
2.1 模型的建立
以1512(3)工作面地质条件为原型，按照参考文献[3]的方法建立相似材料物理模拟实验模型，分别建立具有单一关键层及双关键层两种不同覆岩结构条件下的开采模型，如图2所示，模拟分析采场覆岩裂隙发育及运动规律。试验所用模型架的长、宽、高分别为2 000 mm×200 mm×1 300 mm，试验所取几何相似比为1∶100，用水砂带模拟含水层，水砂带两侧连接水压均衡系统以模拟含水层的流动补给特性。
图2 物理模型
Fig.2 Physical simulation model
2.2 物理模拟结果分析
覆岩中含有单一关键层及两层关键层条件下，工作面开采时的覆岩垮落特征分别如图3，4所示。
图3 单一关键层时采场覆岩裂隙发育运动规律
Fig.3 Development law of overlying strata under the condition of a single key stratum
图4 双关键层条件下采场覆岩垮落特征
Fig.4 Development law of overlying strata under the condition of double key stratum
由图3可知，当工作面回采至30 m时，煤层上方直接顶已处于断裂回转状态，且直接顶上方有裂隙发育;当工作面回采至75 m时，在上覆松散承压水载荷传递作用下，基本顶上方裂隙贯穿，其上方岩层大范围的下沉，此后基本顶上方岩层随着基本顶的破断下沉而破断下沉。
由图4可知，当工作面回采30 m时，采场基本顶上方覆岩中开始发育裂隙;当工作面回采至75 m时，由于基本顶的周期破断回转下沉，基本顶所控制的岩层开始急剧下沉，关键层2下方的岩层出现离层横向裂隙，关键层2并没有随下方基本顶回转下沉;此后，随着关键层1(基本顶)的周期性破断，横向裂隙范围越来越大，关键层2开始出现弯曲，其内部裂隙也逐渐增多，当工作面回采至115 m时，关键层2开始破断下沉，关键层2与关键层1所控制岩层之间的离层裂隙随着上覆岩层的下沉而消失。
3 不同关键层组合条件下采场液压支架受力分析
根据上述的覆岩运动规律，分别对单一关键层条件及双层关键层条件下的采场液压支架与围岩关系进行研究。
3.1 单一关键层条件下支架受力分析
工作面覆岩只有单一关键层时，且直接顶较薄时，随着工作面的开采，采场基本顶(关键层)呈现周期性破断特征，因为直接顶较薄无法充填采空区，导致基本顶破断岩块回转角度过大而无法形成稳定结构，即无法形成“砌体梁”;基本顶上方的软弱岩层随基本顶破断垮落而垮落，直至垮落至基岩面;当基岩面至含水层之间的松散层厚度较大时，下方基岩垮落下沉以后，松散层易冒落成“拱形”，这是因为松散层属于松散介质，其抗拉、抗剪及抗弯能力都较弱，而应力的传递是依靠介质接触面间的相互作用来进行的，当介质的一个方向产生微小变形或应力松弛时，在与之正交的另一个方向上，极易形成“拱”;但当含水层水压过大或者下方松散层厚度较薄时，则不易形成“拱”，物理模拟结果如图3所示，在松散含水层力的传递作用下，松散含水层下方大范围的岩层整体切断下沉作用在液压支架上，由此可以建立采场支架与围岩作用关系如图5所示。
图5 单一关键层支架围岩作用关系
Fig.5 Relationship between support and surrounding rock when there is only key stratum
由图5可知，支架工作阻力P1计算公式[11-13]为
P1=(Qz+QB)Kcos α
(1)
式中，Qz=WγhLz，QB=QL+Wγ∑h2l+ξ1Qs;W为支架宽度，m/架;γ为垮落带直接顶岩层平均容重，kN/m3;h为直接顶厚度，m;Lz为直接顶岩梁长度，Lz=Ld+Lh+Lzl(Ld为端面距，Lh为支架顶梁和前梁长度之和，Ld+Lh即为最大控顶距，Lzl为直接顶岩层在支架后的极限悬顶长度)，m;α为煤层倾角，(°);K为安全系数，综采工作面一般取1.2;l为覆岩整体切落长度，m;QL为基本顶破断块B的自重;Qs为松散含水层传递至基岩面的荷载，由于单关键层无法在支架上方形成保护结构，破断岩层以整体切落的形式作用于支架，所以支架将要承担较大部分的Qs，记为ξ1Qs，ξ1接近于1。
覆岩中基本顶(关键层)以“悬臂梁”结构形态破断，采场支架需要承担直接顶岩层自重Qz、B岩块的全部自重QL及上覆载荷QB。
3.2 双关键层条件下液压支架受力分析
当工作面覆岩中存在两层关键层时，且两层关键层相对间距较大时[2]，随着工作面的开采，采场基本顶(低位关键层1)呈现周期性破断特征，因为直接顶较薄无法充填采空区，导致基本顶破断岩块回转角度过大而无法形成稳定结构，即无法形成“砌体梁”;直至垮落至高位关键层2才能形成稳定的砌体梁结构，根据砌体梁受力特点，高位关键层能将松散含水层传递的上方冲积层的压力传递至工作面前方及工作面后方，即将原来直接作用在工作面支架的压力转移至工作面前方及后方，减小上覆岩层破断下沉对工作面矿压显现影响程度。建立如图6所示的支架围岩作用关系。
图6 双关键层支架围岩作用关系
Fig.6 Relationship between support and surrounding rock when there are two key strata
由图6可知双关键层条件下支架工作阻力P2计算公式为
P2=(Qz+QB)Kcos α
(2)
其中，QB=QL+Wγ∑h3l+ξ2Qs，根据“砌体梁”[14]结构受力的特点，高位关键层形成的“砌体梁”结构能将Qs中较大部分载荷传递至远离工作面的地方，由支架所承担的该部分荷载将大为减小，将其记为ξ2Qs，其中ξ2 值远小于1。由式(2)可以看出，双关键层组合条件下液压支架承担的压力有:直接顶的自重Qz、关键层1破断块B的自重QL，以及关键层1与关键层2之间的破断岩层的自重Wγ∑h3l，松散承压含水层传递至支架的压力ξ2Qs，因∑h3+h4=∑h2，ξ2Qs<ξ1Qs，所以P2远小于单一关键层条件下液压支架的受力P1。
根据不同关键层组合条件下液压支架受力状态可知，当薄基岩中有两层关键层时，关键层破断周期来压时液压支架受力大幅度的减小，为了最大限度的减轻南二采区1512(3)工作面回采时上覆岩层大周期来压矿压显现剧烈程度，避免发生压架事故，根据上述研究成果及总结的以往工程经验可知，改善工作面上覆围岩结构是行之有效的方法之一。而要实现围岩结构的改善及围岩强度的提高，现今最常用最方便的方法即是注浆加固[15]。在工作面上覆风氧化带注浆能够密实岩层，使其渗透能力降低、承载能力增大，即在工作面顶板岩层中人为的构筑一层承载层，这样当工作面基本顶(低位关键层1)周期性破断时，由于上位岩层中存在一层因注浆而强度增大的岩层，能够很好的承载上部松散承压含水层所传递下来的载荷，其破断后能够形成“砌体梁”结构，继续保护下覆采场的安全。
4 风氧化带整体加固实践
4.1 注浆方案的确定
根据图1可知，工作面初始开采煤层为单一关键层段，与双关键层块段的水平距离约为60 m。根据表1所示的十二～十三Kz4号钻孔柱状岩性可知，煤层顶板以上18 m为风氧化带，根据注浆扩散的特点，设定在深度434.43～447.55 m的风化泥岩层内进行注浆;注浆范围为工作面初始开采的单一关键层段，以1512(3)工作面风巷(深度为440 m，与风化基岩顶界面距离为18 m)为注浆起点，以1512(3)工作面机巷上方(深度为445 m，与风化基岩顶界面距离为15 m)为注浆止点，设计注浆范围为200 m×60 m;从地表初始采用J型水平羽翼分支孔的注浆孔布置如图7所示。
图7 注浆钻孔布置
Fig.7 Layout of grouting drilling
4.2 注浆参数
4.2.1 注浆管路设计
注1孔、注2孔:孔深0～560 m，φ251 mm孔径，同时0～230 m下φ193.68 mm×9.52 mm石油套管，230～560 m下φ193.68 mm×10.92 mm石油套管，并固井;560～680 m，φ152 mm孔径，裸孔注浆。
注3孔、注4孔:孔深0～590 m，φ251 mm孔径，同时0～160 m下φ193.68 mm×9.52 mm石油套管，160～590 m下φ193.68 mm×10.92 mm石油套管，并固井;590～690 m，φ152 mm孔径，裸孔注浆。
4.2.2 采用止浆塞前置管路技术
顾北矿南二采区1512(3)风氧化带设计造斜段水平偏距约210 m、弧长320 m左右。止浆塞位于孔斜20°的位置，其下弧长260 m左右。
常规胶筒止浆塞，止浆塞一般选在近似直孔段拉塞(通常选择在孔斜20°左右的套管内，孔斜越大不易拉塞与解塞或者中途窜浆)。止浆塞上接钻杆，止浆塞以下不接任何管路。在进行下一次钻孔注浆时，注浆塞以下套管内因水泥浆固化而堵塞，每次注浆时间越长，其水泥浆固化而堵塞越厉害，需重复钻扫孔。由于钻扫孔段较长，钻扫工程量巨大且钻扫时极易破坏套管，甚至发生孔内事故。为此，在止浆塞底部设计一套浆液直通水平注浆段的管路，称为前置管路。即采取止浆塞下部加接PP-R前置管路技术，浆液延PP-R前置管路直接进入裸孔水平段注浆，达到了水平段注浆的目的，解决了拉塞困难。
4.2.3 注浆材料
注浆材料采用P.O42.5普通硅酸盐水泥，配制单液普通水泥浆液，水灰比0.60∶1～0.75∶1，以单液浆为主。
4.2.4 注浆压力与注浆量
经过理论与数值计算设计注浆压力为10 MPa，注浆终量小于100 L/min，稳定时间不小于20 min。
沿工作面走向长60 m，倾向宽200 m，注浆厚度32.2 m，即注浆体积为386 400 m3;岩石裂隙率取8%，则注浆量计算为
Q=λVηβ/m
(3)
式中，λ为浆液损失系数，取1.1;V为注浆体积386 400 m3;η为裂隙率，取8%，β为浆液充填率，取0.8;m为浆液结石率，取0.9。求得Q=30 225 m3。
4.3 注浆效果评析
在选定的注浆区域，注浆前后均进行钻孔取芯及岩石力学实验。以风化泥岩为例，由于风氧化带泥岩岩芯非常破碎，无符合实验标准的岩芯，通过对部分高度为16.5～45 mm左右的非标准试件直接进行抗剪实验，结果见表2。由表2可知，其抗剪强度、黏聚力等均值较未注浆前提高约40%，可见注浆对风化岩层的强度提高效果显著。
5 岩层结构改造后工作面矿压显现规律
1512(3)工作面支护选用ZZ13000/24/50支撑式液压支架，共113架;在1512(3)工作面未开采之前对其上覆的风氧化带进行整体注浆加固，此后监测回采长度约200 m。根据所监测到的支架工作阻力生成工作面液压支架工作阻力平面等值线图(图8)，可以推断风氧化带注浆加固后的顶板运移规律;工作面液压支架循环末阻力见表3。
表2 风氧化带岩芯抗剪强度实验结果
Table 2 Experimental results of shear strength of cores with oxidized zone
图8 工作面液压支架工作阻力等值线
Fig.8 Contour map of working resistance of hydraulic support in working face
表3 支架循环末工作阻力及利用率
Table 3 Operating resistance and utilization rate of the end of the bracket
根据图8及现场监测的矿压显现特征综合得出，工作面初次来压步距平均为31.5 m，第1次周期来压步距平均为14.4 m，第2次周期来压步距平均为15.5 m，当工作面推进75 m距离时，即工作面第3次周期来压时，整个工作面液压支架工作阻力值远大于前两次周期来压时的液压支架工作阻力，即可判定此次来压为一次大周期来压;同理可判定当工作面推进120 m时，工作面出现第2次大周期来压，即工作面存在大小周期来压现象，也从侧面反映出在覆岩中存在一高位承载层。
由表3可知:整架(四柱)平均循环末阻力为8 050～9 545 kN，为循环末阻力额定值10 188 kN的79.01%～93.67%;而循环末阻力的最大值为13 016.3 kN，为循环末阻力额定值的127.75%，说明液压支架能够抵抗来压时的矿压显现特征，但富裕系数值偏小。
顾北煤矿1202(3)与1512(3)工作面具有相似地质条件，采用ZZ6400/22/45型液压支架，回采31 m时即发生压架，除了未对顶板进行加固措施，选择的液压支架工作阻力偏小也是压架的主要因素之一。对风氧化带注浆加固后，改变了工作面原有的上覆岩层结构:未注浆时，初次来压时风氧化带随着基本顶的破断而同步下沉，大范围的岩层作用在支架上，当岩层重量超过液压支架承受能力时易导致压架，而对风氧化带注浆可以提高风化岩层的抗拉能力及黏聚力，从而将风氧化带由载荷层变为承载层，基本顶初次来压及前几次周期来压时，支架只承担注浆岩层以下岩层的重量，改变了支架受力状态，保证了工作面的安全生产。
6 经济技术效果分析
1512(3)工作面为含水层下提高上限回采，对风氧化带注浆加固后，减缓了工作面矿压显现剧烈程度，提高采煤上限约60 m，工作面宽度200 m，平均采高为4 m，煤层容重为1.41 t/m3，提高上限回采了67 680 t优质原煤，因为该段资源接近风氧化带，瓦斯、含硫量都比较小，按开采时价600元/t计算，则直接经济效益达4 060.8万元。开采吨煤成本约为250元/t，注浆共计使用2.3万t水泥，水泥成本及注浆费用合计为时价约1 000万元，纯利润1 300余万元，取得了预期的经济技术效益。
7 结 论
(1)采场覆岩仅含有单一关键层时，关键层破断垮落后，在松散含水层载荷传递作用下，松散含水层下部的岩层会发生整体切落作用于液压支架上，易出现压架出水事故。
(2)顶板有双关键层时，低位关键层破断不能形成砌体梁，以悬臂梁的形态垮落下沉，垮落至高位关键层时形成砌体梁结构，该结构能将松散含水层传递的载荷转移远离工作面，将载荷层变为承载层，减缓来压时工作面矿压显现程度。
(3)采用J型水平羽翼分支孔的注浆孔布置方法和止浆塞前置管路技术，确定了注浆压力及注浆量，对风氧化带整体加固注浆，由进行的岩石力学实验可知风化泥岩的抗剪强度、黏聚力等均值较未注浆前提高约40%。
(4)风氧化带整体加固后，工作面顶板有大小周期来压现象，说明风氧化带加固后确实能形成承载层;液压支架能够抵抗来压时矿压显现的影响，工作面安全开采。
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