关于这个问题在以前的文章中已有阐述,故不再重复。需要指出,不管是构造预先裂断还是采动裂断基本顶岩层断块,有的来压明显,有的来压不明显或根本就不发生来压显现。关于有来压显现的基本顶断块对矿压显现及控制影响也作过分析,而来压不明显或根本就不发生来压显现的基本顶岩层对矿压显现与控制影响需要做一补充分析。

对于基本顶岩层来说,其厚度、强度、硬度、岩性、整体性以及构造破坏、节理裂隙发育程度,确实存在着很大差别。有的厚度大,岩性好,且节理裂隙不发育,受到构造破坏也不严重,对不可控岩层变形能力及由其运动所形成支承压力控制能力强些。有的基本顶岩层上述的赋存条件、物理力学性质就差些,对不可控岩层变形能力及由其运动所形成支承压力抵御能力也相应差些。作为由不可控岩层运动形成的支承压力,它不仅作用在煤层上,它同样也作用在基本顶岩层上。而且由于不可控岩层运动在时间上、空间上都是连续的,所以作用在基本顶岩层上的支承压力在时间上、空间上也是连续的,就像压路机碾压着路面一样碾压着基本顶岩层。基本顶岩层不仅受到支承压力碾压,它还在支承压力区沿推进方向上,由不可控岩层运动强制绕原始应力固定端及弹性极限固定端产生两次弯曲变形。对于那些赋存条件,岩性较好,强度、硬度较大,节理裂隙不太发育且整体性较强基本顶岩层,在支承压力碾压及不可控岩层弯沉变形强制下,将在弹性极限固定端或原始应力固定端上提前发生裂断,从而缩短基本顶岩层裂断长度,降低基本顶断块来压强度及对采场矿压显现影响。而对于那些岩性较差、节理裂隙较发育基本顶岩层,在由不可控岩层运动所形成支承压力碾压及不可控岩层弯沉变形强制下,使基本顶岩层那些节理裂隙等构造弱面张开,或发生断裂,而使基本顶岩层完整稳定性进一步的受到破坏,裂断步距大大缩短,在某些条件下还可能小于循环进度,甚至更加破碎。在基本顶断块小于循环进度或更破碎条件下,基本顶岩层就变成了能够伴随支架前移而采取垮落运动方式的直接顶岩层,在这种情况下,不仅降低了基本顶断块来压强度,在其经垮落碎胀充填整个采空空间条件下,还使其周期来压现象消失。由此看出,支承压力及不可控岩层变形不仅有破煤优势,它还能使整体性较强基本顶岩层裂断步距缩小,降低其来压强度。甚至还能使整体性较差基本顶岩层转化为直接顶岩层作用,从而降低了基本顶断块周期来压强度,甚至使其周期来压现象消失。这是由不可控岩层运动形成的支承压力及其弯沉运动的又一优势。

有些回采工作面,从层位、岩性、厚度、组成成分看,很像基本顶岩层,由于在预先节理裂隙构造的破坏下,再加上支承压力碾压及在两固定端上弯曲变形破坏,在回采过程中,工作面周期来压显现不明显,或根本就不存在周期来压显现。这种情况在开采实践过程中并不少见,如山东临沂矿业集团古城煤矿三层煤的2015工作面。该面开采深度为850～1000m,煤层厚度变化在7.1～9.15m 范围内,平均厚度为8.5m,煤层倾角变化在4°～15°之间。煤层顶底板岩层赋存状况如柱状图6-3,采煤方法为综采放顶煤,工作面长度110m。

图6-3　古城煤矿2015工作面柱状图

由图6-3看出,煤层之上第一个岩层为砂泥岩,厚度仅为1.9m,该岩层为开采煤层的直接顶;煤层之上第二个岩层为中细砂岩岩层,厚度为10.35m,抗压强度43Mpa,钙质胶结。但该工作面地质构造复杂,面内有落差3～5m 的断层6条。在采煤过程中,还发现落差在2m 以内的断层16条,该岩层节理裂隙发育。(www.daowen.com)

采场上方10.35m 厚的第二个岩层,位于煤层以上1.9m 处,无论从岩性、厚度、强度、胶结情况及与煤层相对位置关系来看,它应属煤层的基本顶岩层,但由于它受地质构造破坏较厉害且节理裂隙发育,在开采过程中,再加上支撑压力碾压及在两固定端上弯曲变形的采动破坏,它呈现出垮落的运动方式。不仅如此,其上的砂泥岩层下部也同样采取垮落方式,实测垮落厚度24m 左右。纵贯开采期间工作面基本上无周期来压现象。由此看出,地质作用的破坏,节理裂隙的切割,再加上采动破坏,使本来10.35m 厚的中细砂岩岩层,由基本顶岩层转化成了采取垮落运动方式的直接顶岩层。使该煤层覆岩组成仅有直接顶岩层(必控岩层)与整体弯沉带岩层(不可控岩层)组成,而无基本顶岩层。

再如山东省枣庄煤业集团蒋庄煤矿103综采工作面。该面开采的为本矿3上煤层,煤层赋存条件为厚度3.0～3.7m,采高3.4m,工作面长度158m,采深变化在288～351m 之间,煤层倾角在12°左右。其煤层顶底板岩层组成见图6-4。

由钻孔柱状图6-4看出,煤层之上1.02m 的粘土质泥岩,为该煤层的第一个直接顶板岩层已无问题,而其上就是厚度变化在6.55～8.64m 之间,平均厚度为7.68m 由长石石英组成的中细砂岩岩层,其单向抗压强度为40Mpa,从其赋存厚度、组成成分、层位以及岩性看,它都像该煤层的基本顶岩层。但其节理裂隙发育,裂隙面有擦痕,泥质胶结。在开采过程中,它采取垮落的运动方式,且随支架前移而随即垮落,垮落块度适中,其碎胀系为1.36。这就是说,使本来呈现周期性来压运动的基本顶岩层,由于地质构造的破坏,节理裂隙切割,再加上采动破坏,即支承压力碾压、两固定端弯曲变形,使本来是基本顶的岩层,转变成了直接顶岩层。由上述实例看出,在条件适宜的情况下,不可控岩层运动及由其在煤层上形成的支承压力,能够起到将属于基本顶的岩层转化为直接顶岩层的作用。该直接顶以上分别是1.65m 厚的砂质泥岩及3.24m 厚的黏土质泥岩,该两岩层虽为泥岩岩层,但其呈厚层状、层理、节理、裂隙不发育,且节理裂隙方向垂直于工作面,因此,该两岩层就成了该工作面的基本顶岩层。实践也证明,该两岩层呈现周期来压运动,其来压步距在10～12m 之间。正是由于直接顶岩层经垮落碎胀后,能够较好地充填采空空间,且基本顶岩层厚度不大,又为泥岩岩层,所以该面周期来压强度不大。

图6-4　蒋庄煤矿3上煤层103工作面13～4号钻孔柱状图