专题-浅埋深大采高工作面矿压显现规律研究

专题部分浅埋深大采高工作面矿压显现规律研究摘要：针对浅埋深大采高工作面采场顶板岩层的运动规律和采场矿山压力显现规律有其特殊性的特点，着重研究浅埋深大采高综采工作面由于采动影响上覆岩层垮落后形成的结构、矿压显现规律等。关键词：浅埋深，大采高综采，矿压显现规律，顶板控制，支架阻力0引言能源是经济发展的动力，国家经济的持续快速发展导致能源需要高速增长。我国是一个煤炭资源丰富，油气资源相对短缺的国家，长期以来形成了以煤为主的能源生产和消费结，20世纪煤炭在全国一次能源消耗中占75%左右。随着国家对天然气资源的开发，煤炭资源消耗比例将有所下降，根据资料分析在近几年的能源生产、消费总量构成中，煤炭比重占70%左右。但是每年的总量消耗成直线增加。根据专家陈清泰等预测2020年煤炭消费比例将控制在60%左右。其中煤炭总产量2008年为27.16108t，专家预测， 2015年、2020年将分别达到33108t、35108t。我国未来一次能源消费中煤炭仍将占主导地位，2050年，煤炭在我国一次能源消费结构中的比例也不会低于35%。由此看出，我国未来几十年的经济发展动力脱离不了煤炭工业强有力的支持，煤炭工业仍将是21世纪我国能源工业的主力军。煤炭工业发展“十二五”规划提出未来煤炭工业新的总体布局：控制东部，稳定中部，发展西部。西部资源丰富，开发潜力大，因此在未来，西部矿区将显著提高供应能力，增加调出量。鄂尔多斯地区和神东矿区是我国西部两个典型的浅埋深煤层矿区。其中，鄂尔多斯地区初期开采煤层赋存的基本特点是埋藏浅、上覆厚沙土层、薄基岩，地质构造简单的近水平煤层；神东矿区前大部分开采煤层的主要赋存特征是埋深浅（小于150m）、薄基岩，厚风积沙覆层，突出特点是埋藏浅、薄基岩、地表为厚风积沙覆盖层，是典型的浅埋煤层。大采高综采是指采高在3. 56. 0m，工作面使用大功率双滚筒采煤机和重型刮板运输机割、运煤，用大吨位液压支架(支架工作阻力、单架支护面积和支架支撑高度大)控制顶板，一次采全高的综采技术。其设备趋于大型化、重型化和自动化，其特点是技术先进、性能可靠、装机功率大、生产效率高。矿井初期实践表明，厚松散层下浅埋煤层采动形成的顶板结构和来压特征与普通非浅埋煤层具有明显区别，长壁回采工作面普遍出现台阶下沉现象，矿压显现强烈，表现出与普通非浅埋煤层不同的特点。对于煤层倾角小于30的厚煤层(3.56.0m)开采，大采高综采与综采采煤法相比，具有下列优点:煤炭资源回采率高;煤炭含研率低;回采工作面煤尘、煤的自然发火和瓦斯涌出安全性好;对于34m不适宜综采开采的厚煤层，大采高具有工效高、成本低等优点。大采高综采与分层开采相比，具有下列优点:工作面生产能力大，有利于合理集中生产;回采工效和煤炭资源回收率高、巷道掘进率和维护量低;回采工艺和巷道布置简化，综采设备搬家次数少，搬家费用省，增加生产时间;节省材料(人工假顶材料等)和回采成本低等。而浅埋煤层的高强度煤炭开采带来至少两方面的影响: 一是开采对地表植被、表土沙化、地层水系等的环境影响; 二是采场剧烈的矿压显现及顶板灾害对人员、设备设施的安全影响。浅埋大采高综采工作面，矿压显现剧烈，特别是工作面初采、末采和工作面搬家倒面期间的岩层控制问题。因此，对于浅埋深厚煤层的开采，要充分发挥大采高综采回采工艺的优越性，以指导矿山生产实践，就必须充分了解浅埋深大采高综采工作面采场矿压显现特征，全面认识采场上覆岩层的运动规律和采场支承压力分布规律及其煤壁的破坏规律。其研究为大采高综采技术在我国煤炭行业的推广应用和发展提供有益的实践经验，具有重要的工程实际意义，同时可以丰富和发展矿山压力及岩层控制理论，具有重要的理论意义。1 国内外研究现状1.1国外现状大型浅埋煤田在世界上不多，国外较为典型的是莫斯科近郊煤田和美国（Appalachia）阿巴拉契亚煤田，印度和澳大利亚也在进行浅埋煤层开采，埋深在100m以内，这些国外矿区的地表主要为表土层。其实，对于浅埋煤层矿压显现规律研究最早的就是前苏联的M.秦巴列维奇，他根据莫斯科近郊浅埋煤层的具体矿压观测，基于分析研究，给出了台阶下沉假说，此假说认为当煤层埋藏较浅时，上层岩层可以视为均质，随着工作面的推进，顶板将呈斜方六面体，沿着向煤壁的斜面而垮落直至地表，支架上所受的力应考虑整个上覆岩层载荷的作用。当有坚硬顶板组成的老顶时，老顶断裂在煤壁内，支架载荷按控顶区垮度计算上覆岩层全部重量。80年代初期，澳大利亚B.霍勃尔瓦依特博士等对新南威尔安谷斯坡来斯煤矿浅部长壁开采的一些矿压现象进行了现场实测。该矿开采李寺古煤层，采高约2.6m，煤层赋存平缓，初期煤层开采深度约72m，工作面长135m。实测主要得出：初次垮落步距10m，随着工作面向前推进，沿工作面和采空区边缘的顶板岩层几乎是垂直断裂，岩层破断角比较大，一般为7690。地表最大下沉量为采高的60%，最大下沉量85%发生于距工作面40m范围内。说明采空区迅速压实，煤壁附近顶板岩层迅速发生整体动；移实测工作面前方上平巷顶底板移近量不大，除超前支承压力的最大移近量为20mm外，一般均小于10mm；工作面89架支撑掩护式支架，额定工作阻力为4500kN/架，初撑力为额定工作阻力的80%，支架有明显的动载现象，安全阀经常开启，顶板破断期间支架工作阻力迅速达到额定工作阻力，但在37天内又重新减小。进入90年代后，澳大利亚L.Holla等专家对新南威尔士浅埋煤层长壁开采的顶板岩层移动规律进行了观测研究，通过自地表到煤层的多层位钻孔锚固装置实测得出，顶板垮落高度约为采高的9倍，顶板岩层在工作面推过后快速移动。英国和美国为控制浅部开采地表塌陷，多采用房柱式开采，他们主要进行了一些地表岩层移动规律和采前地层地震波探测与工程地质评价等研究工作。南美和印度等国家因缺乏有关浅埋煤层开采技术而未能采用长壁开采，主要开展了房柱式开采时地表沉陷预计和煤柱载荷确定的研究工作。1995年印度新歌难尼煤炭公司从中国煤炭工程机械装备及台进口公司（CME）购置2套成套综采设备，所以我国专家赵宏珠教授对印度浅埋煤层长壁矿压规律进行了研究。PV煤矿采深65m，煤层倾角57采高3m，顶板基岩约为40m砂岩层，表土层厚为3m左右。实测表明：工作面顶煤、直接顶、老顶由下到上都有离层，沿工作面长度方向，分段断裂和跨落，来压显现为煤壁前方顶底板移近速度增大，地表缓慢下沉。周期来压步距与地表裂缝间距大致一致。由于支架工作阻力比较大，所以矿压显现不是很明显，并根据PV矿地质条件和“支架围岩”的相互作用关系建立了力学模型。综上所述，国外关于浅埋煤层顶板岩层控制主要以现场实测为主，对实测数据进行分析得出综采工作面初次来压和周期来压步距，从而指导实践。国外专家总体认为浅部开采顶板破断直接波及至地表，岩层破断角比较大，地表下沉速度快，来压明显而且难以控制，然而没有对浅埋煤层长壁开采的顶板控制理论和来压机理进行系统的研究。1.2国内现状20世纪80年代初期，我国专家在陕北浩瀚的毛乌素沙漠地带发现了宝贵的煤炭资源神府东胜煤田。随着我国煤炭能源的西部转移，神府东胜煤田的开发势不可挡，但是开采的问题也随之而来，由于当时陕北地区交通不便，无法满足大量的煤炭外运，采出量也有限，大部分煤矿以降低开采成本为目的，采用房式开采方式，煤炭采出率低，大大的浪费了宝贵的煤炭资源。这一时期，也没有对浅埋煤层工作面的矿压问题做系统的研究。进入20世纪90年代，我国开始了大规模开发大西北能源的战略，建立了东胜精煤公司，正式开始对神府东胜煤田大规模开采，引进国外成套综采的设备，根据煤层赋存特点采用长壁开采方法。这一时期，浅埋煤层的矿压显现、地表破坏等问题也逐步开始暴露。所以，我国许多学者开始对浅埋煤层工作面矿压及地表破坏等问题进行了研究。尤为突出的是西安科技大学石平五、黄庆享等学者开展的卓有成效的研究工作。他们先后对神东矿区大柳塔煤矿1203综采工作面、20601综采工作面及20604综采工作面等进行了实测分析。1203综采工作面煤层倾角小于3，煤层平均厚度6.0m，设计采高4.0m，顶板为细砂岩和粉砂岩，底板为粉砂岩及砂质泥岩，基岩厚20.534m，松散层厚6.020.1m，风化基岩厚7.7m，采用ZY-23/45型两柱掩护式支架，支架初撑力2600kN/架，额定工作阻力3500kN/架。通过实测发现：工作面初次来压时，中部91m范围顶板沿着煤壁切落，形成台阶下沉，来压猛烈，造成部分支架被压死；周期来压时，上覆基岩顶板切落发生于架后，工作面矿压显现比初次来压缓和，但仍有不少支架立柱因动载而出现胀裂，顶板有淋水和拥水现象，但工作面基本无流沙溃入。通过这些现场实测研究工作使现场和科研部门首次认识到煤层埋深浅并不等于矿压缓和，所以需要对浅埋煤层问题进行系统研究。1993年XXX大学钱鸣高、缪协兴以采后岩层移动实测的形态曲线为基础，建立了断裂岩块间的铰合关系，进一步证明了“砌体梁”力学模型是层状矿体开采后岩层的基本结构形式。2002年黄庆享教授对浅埋煤层的定义、矿压显现规律、顶板结构特征和来压机理、工作面“支架围岩”相互作用关系进行了系统的研究，形成了对浅埋煤层顶板结构与控制理论的基本体系。来压期间有明显的顶板台阶下沉和动载现象。工作面覆岩不存在“三带”，基本上为冒落带和裂隙带“两带”；浅埋煤层工作面顶板一般为单一主关键层类型，老顶岩块不易形成稳定的“砌体梁”结构。基岩厚度比较大时，会出现两个关键层组，形成大小周期来压现象，其矿压显现特征介于浅埋煤层采场和普通采场之间，顶板台阶下沉与基岩与载荷层厚度之比有关。根据实测，浅埋煤层可以分为2种类型：（1）基岩比较薄、松散层厚度比较大的钱埋煤层，其顶板破断为整体切落形式，易于出现顶板台阶下沉老顶为单一关键层。（2）基岩厚度比较大、松散载荷层厚度比较小的浅埋煤层，其矿压显现规律介于普通工作面与浅埋煤层工作面之间，表现为两组关键层。2003年侯忠杰教授等把断裂带老顶的判别准则应用在浅埋煤层中，认为老顶分层厚度大于其下自由空间高度的1.5倍时该分层进入断裂带，支架阻力计算传统公式不在适用。同年，朱庆华等对浅埋煤层顶板结构进行了研究，研究得出浅埋煤层厚硬顶板条件下，覆岩的破断与冒落规律与普通浅埋煤层中覆岩的破断与冒落规律有明显的不同，其初次破断与冒落形态为拱形，周期破断与冒落呈全厚切落和拱形交替生发。2004年宋振骐、柴敬等人对浅埋煤层的大比例立体模拟进行了研究，通过模型分析，研究了神府矿区浅埋深、薄基岩、厚沙覆盖层下开采岩层破断运动规律，直观再现了工作面在开采过程中上覆岩层的动态破坏过程。2006年黄庆享等通过载荷传递的动态模拟试验，得出了浅埋煤层上覆厚沙土层周期来压期间的破坏特征，分析了厚沙土层周期来压期间的破坏和动载机理，为顶板结构分析及支架选型奠定了基础，同年余学义教授等对浅埋煤层覆岩切落裂缝破坏及控制方法进行了探讨，通过理论分析和数值模拟研究覆岩中关键块结构稳定性条件与采动损害之间的关系。同年，北京科技大学黄正全用RFPA对大柳塔煤矿工作面进行数值模拟，再现了浅埋煤层采动后其上覆岩体破坏的动态发展过程，揭示了工作面顶板的断破、上覆岩层来压及采场推进过程中煤壁支承压力、地表下沉的变化等规律。2007西安科技大学黄庆享、张沛等建立的浅埋煤层地表采动土层卸荷破坏中的“拱”数学模型为基础，研究了“拱梁”内的应力函数分布和极大值，得出当拱形为抛物形曲线时，拱梁最稳定，同年煤炭科学研究总院重庆分院的黄森林以神东矿区大柳塔矿井1203综采工作面为例，运用离散元数值模拟软件，进行了动态数值模拟计算，揭示了浅埋煤层关键层结构变形破坏规律，给出了控制关键层切落失稳的开采高度为2m，为神东矿区的保水开采和生态环境保护提供了参考依据。2008年范钢伟、张东升等针对单一关键层的浅埋煤层，采用实验室物理模拟揭示了采动导水裂隙动态发育规律。模拟结果表明，导水裂隙的动态发育受基本顶关键层制控，通过分析得出了防止工作面涌水溃沙的基本原理，能解决西部矿区保水防溃采煤的安全问题。同年，安徽建筑工业学院的宣以琼以榆阳煤矿为研究基地，进行了覆岩力学组合结构特征与基岩风化带的阻隔水特性试验。确立了薄基岩浅埋煤层覆岩采动破坏“两带”高度的动态变化特征，提出了长壁工作面开采防止突水溃砂的调控技术，成功应用于榆阳煤矿。2009年XXX大学缪协兴，钱鸣高提出通过隔水关键层的研究实现我国煤炭绿色开采，XXX大学许家林，朱卫兵等通过对神东矿区补连塔煤矿31401工作面内部岩移的地面钻孔原位观测与地表沉陷观测的对比研究，得出主关键层控制了上覆基岩直至地表的移动变形，上覆岩层的运动随主关键层破断出现周期性跳跃式变化。同年西安科技大学黄庆享与陕西省煤炭工业局王双明等论述了陕北侏罗纪煤田矿区总体规划，提出了进行区域性煤炭工业大规划问题，建议在保护合理生态水位埋深条件下，规划开采区域，建设绿色矿区。1.3研究内容及技术路线本文主要研究以下两个方面：一是，以神东矿区张家峁煤矿试采工作面实测数据为依据，分析浅埋煤层综采面随着采高的不断增加，支架额定工作阻力的变化，以及对地表沉降的影响；二是，以鄂尔多斯地区纳林庙二矿综采工作面实测数据为依据，分析随着工作面的推进，顶板来压规律以及上覆岩层的破断、失稳对工作面煤壁和支架的影响。论文综合运用现场实测、理论分析与计算及计算机数值模拟实验等研究方法，对由于采动影响其上覆岩层垮落后形成的结构、矿压显现规律及合理的支护阻力进行了分析研究，为今后类似煤层开采提供科学的参考依据，为保证安全、产高、高效的开采提供理论指导。2 大采高综采工作面矿压观测2.1张家峁煤矿15201试采面概况张家峁煤矿15201试采工作面为该矿试采期间的第一个综采工作面，该综采工作面属于5-2煤一盘区的第一个工作面，切眼位于5-2煤层边界。具体布置在主、副平硐井底附近。工作面采用三条巷道布置方式（回风顺槽、辅运顺槽、主运顺槽），顺槽5与-2煤层大巷垂着布置，切眼到大巷距离1581m，工作面长260m，煤层倾角13。15201试采工作面平均埋深约120m，基岩厚度70m左右，松散层50m左右，基岩厚度起伏变化较小，由于矿区V字形沟谷造成松散层分布不均。15201试采工作面位于侏罗系中统（J2）延安组第一段(J2y1)，顶板大部为泥岩，细粒砂岩、粉砂岩不规则分布，平均抗压强度为23.10MPa，属不稳定较稳定型；底板以粉砂岩为主，岩体完整，平均抗压强度26.37MPa，属不稳定型较稳定型。煤层厚度6.16.35m，平均6.2m，煤层视密度值为1.32t/m3，设计采高6.0m，煤层结构简单，不含夹矸或者1层夹矸，全井田范围可采，综合柱状图如图2.1所示。15201试采工作面采用长壁后退式一次采全高的综合机械化采煤方法，回采期间工作面沿煤层底板推进，工作面采用153台ZY12000kN型电液控制掩护式液压支架，采煤机采用MG900/2210-GWD型采煤机，滚筒直径3.2m，工作面设计采高6.0m，工作面采用双向割煤方式，往返一次割两刀。2.2 15201试采面矿压观测方案根据15201试采工作面顶底板及采高情况，设计5个测区，每个测区布置三条观测线，测线布置方法如图2-2。支架阻力数据采用人工记录和支架控制器EEP采集，测区1（11#、12#、13#支架），测区2（43#、44#、45#支架），测区3（75#、76#、77#支架），测区4（108#、109#、110#支架），测区5（141#、142#、143#支架），工作面共布置153台支架。通过支架阻力变化规律来研究支架在开采过程中的支护效果、适性应、运行特点及顶板来压规律。2. 3 15201试采面矿压显现规律1. 支架支护特性分析随工作面的推进，每个循环内支架阻力的大小因支架操作质量、支护效果和煤层顶底板地质变化的影响而不同，而且沿着工作面倾斜方向在不同部位支架阻力大小也有差异，但是根据现场观测大量数据进行统计，统计结果如实的反映了工作面顶底板的压力的大小、支架对围岩的适应性以及支架的支护性能。沿着工作面倾斜方向在不同部位支架工作阻力分布变化有明显的规律性如上图所示。工作面支架阻力基本都在2529MPa之间，五个测区分别占整个区间的59.52%、53.57%、46.43%、42.46%、46.83%，为额定工作阻力的52.3%60.7%；而小于25MPa阻力五个测区共占1%。工作面5个测区支架压力大于额定工作阻力77.4%（37MPa）以上的分别为：22.23%、17.06%、27.38%、22.22%和22.23%，明显反应出工作面来压时中部支架压力普遍大于两端支架压力，可见第1和第5测区来压时受煤壁影响较大。工作面5个测区支架压力大于额定工作阻力85.8%（41MPa）以上的分别为：12.31%、11.9%、16.27%、11.51%和12.31%，仍反应出中部支架压力大于两端支架压力，同时也说明工作面来压时比较剧烈，来压时中部有部分支架工作阻力接近于额定工作阻力，由此可见，该工作面支架工作阻力上限选择比较合理。2. 地表移动特征浅埋煤层工作面矿压突出特点是顶板基岩全厚切落，基岩破断角大，破断接波及至地表，来压期间有明显的顶板台阶下沉和动载现象。15201工作面推进至约70m时，对应工作面切眼向采空区一侧12m处出现高差约1.4m的地堑，水平裂缝约40mm，待回采约158m时，垂直移动裂隙高差为2.3m，但是水平移动裂缝宽度较原来变化不大。基本呈现出多级台阶状地堑，工作面第一次、二次等周期来压时上覆岩层也发生了类似的破断，垂直移动距离为1.4m左右，只是地堑位置对应于工作面煤壁后方约26米处，地表最大沉陷点不在采空区中部，而是在靠近开切眼侧，表明顶板初次破断存在不对称性，如下图所示。3 . 15201试采面矿压观测主要结论:（1）初次来压步距54m，周期来压步距平均15.6m。（2）周期来压期间支架平均工作阻力达42.82MPa，非周期来压期间支架平均工作阻力约31.22MPa，来压强烈，持续时间短，工作面中部测区有60%支架安全阀开启，说明支架额定工作阻力富裕系数并不大。（3）根据5个测区分析，支架运行比较稳定，运转特性分析中一次增阻型占整个测区的45.95%，说明15201试采工作面支架运转特性主要是一次增阻型，表现出顶板为单一关键层结构。（4）根据5个测区分析，来压期间第3测区（中部）支架工作阻力和动载系数大于第1、2、4和5测区，说明工作面中部来压强烈。（5）工作面来压时直接波及至地表，地表下沉严重，说明工作面上覆岩层不存“三在带”，为冒落带和裂隙带“两带”。3 浅埋深大采高综采工作面矿压显现特征分析3. 1张家峁矿15201试采面矿压特征分析3.1.1支架支护特性分析随工作面的推进，每个循环内支架阻力的大小因支架操作质量、支护效果和煤层顶底板地质变化的影响而不同，而且沿着工作面倾斜方向在不同部位支架阻力大小也有差异，但是根据现场观测大量数据进行统计，统计结果如实的反映了工作面顶底板的压力的大小、支架对围岩的适应性以及支架的支护性能。沿着工作面倾斜方向在不同部位支架工作阻力分布变化有明显的规律性如图3.13.5所示。工作面支架阻力基本都在2529MPa之间，五个测区分别占整个区间的59.52%、53.57%、46.43%、42.46%、46.83%，为额定工作阻力的52.3%60.7%；而小于25MPa阻力五个测区共占1%。工作面5个测区支架压力大于额定工作阻力77.4%（37MPa）以上的分别为：22.23%、17.06%、27.38%、22.22%和22.23%，明显反应出工作面来压时中部支架压力普遍大于两端支架压力，可见第1和第5测区来压时受煤壁影响较大。工作面5个测区支架压力大于额定工作阻力85.8%（41MPa）以上的分别为：12.31%、11.9%、16.27%、11.51%和12.31%，仍反应出中部支架压力大于两端支架压力，同时也说明工作面来压时比较剧烈，来压时中部有部分支架工作阻力接近于额定工作阻力，由此可见，该工作面支架工作阻力上限选择比较合理。3.1.2 支架运转特性分析工作面支架的增阻情况反应了支架运转特性。支架增阻次数及增阻量的大小，反映了支架的支护效果、工作面顶板的运动程度以及支架的工作状况。对现场观测数据进行统计分析表明张家峁煤矿15201试采工作面沿着倾斜方向的不同部位支架的增阻情况基本相同，如图3.63.10所示。第3测区降阻和恒阻所占比例相对小，而一次增阻、二次增阻和多次增阻所占比例相对大，第1、2、4和5测区降阻和恒阻所占比例相对大，而一次增阻、二次增阻和多次增阻所占比例相对小。综合分析绘制整个工作面支架运转特性曲线如图3.11所示，15201试采工作面支架运转特性主要为一次增阻型。3.1.3 张家峁矿15201试采面矿压显现特征（1）初次来压步距54m，周期来压步距平均15.6m。（2）周期来压期间支架平均工作阻力达42.82MPa，非周期来压期间支架平均工作阻力约31.22MPa，来压强烈，持续时间短，工作面中部测区有60%支架安全阀开启，说明支架额定工作阻力富裕系数并不大。（3）根据5个测区分析，支架运行比较稳定，运转特性分析中一次增阻型占整个测区的45.95%，说明15201试采工作面支架运转特性主要是一次增阻型，表现出顶板为单一关键层结构。（4）根据5个测区分析，来压期间第3测区（中部）支架工作阻力和动载系数大于第1、2、4和5测区，说明工作面中部来压强烈。（5）工作面来压时直接波及至地表，地表下沉严重，说明工作面上覆岩层不存“三在带”，为冒落带和裂隙带“两带”。3. 2 纳林庙二矿6215 工作面矿压特征分析3.2.1纳林庙二矿6215 工作面概况纳林庙二矿为一向南西倾斜的单斜构造，地层倾角1 3，水文地质类型为二类一型，即以裂隙含水层为主的水文地质条件。纳二矿主要可采煤层3 层，其中41 号煤层平均埋深67. 1m，顶板岩层平均厚度26. 7m，岩性以泥岩、砂质泥岩为主，黄土层厚度20 80m; 42 号煤层平均埋深85. 3m，顶板岩层平均厚度20m，岩性以砂质泥岩为主; 6号煤层平均埋深150m，顶板岩层岩性以细砂岩为主，平均厚度70m。地表沟壑发育，41，42 煤均有多处露头。6215工作面采用长壁大采高综合机械化采煤方法，自然垮落法处理采空区顶板。工作面长度200m，推进长度为2493m，采高5. 3m，截深0. 8m。平均日产原煤约20kt，日推进速度平均约15m。工作面巷道沿煤层底板布置，矩形断面，净宽5500mm，净高3700mm，锚杆支护，每排布置5 根锚杆，排距为1000mm1100mm，锚杆采用16mm 2100mm 树脂锚杆。开切眼净宽8500mm，净高3600mm，支护形式为锚杆钢筋梯锚索联合支护， 锚索直径15. 24mm， 长度6. 5m; 锚杆排距1. 0m，每排8 根锚杆，锚索排距2m，每排4 根锚索。3.2.2 6215工作面矿压显现情况及顶板灾害事故通过对纳林庙二号6215 工作面开采的支架阻力现场监测，6215 工作面顶板初次来压步距65m，周期来压步距13 15m。从上覆岩层岩性、结构特征上分析，纳二矿顶板岩层特征为土基型浅埋煤层，与大柳塔煤矿煤层上覆厚风积沙浅埋煤相比，其煤层赋存特征是上覆盖层主要是黄土层、地表沟壑发育。其采动矿压显现规律和典型的浅埋煤层( 薄基岩、厚松散沙层) 采动影响有一定区别。2010 年6 月30 日，工作面推进至620m，工作面中上部( 15 25 号架) 采空区大面积垮落，顶板来压剧烈，产生瞬间冲击波。地表塌陷严重( 如图3.12 和图3.13) ，顶板切落0. 8m，正值煤机割煤至此处，造成18 号、19 号支架、刮板输送机和煤机整体向煤壁推进1. 2m，损坏14 号支架护帮板、17 号支架平衡千斤顶，23 号、25 号支架推拉油缸破裂; 17，20 节刮板槽连接销剪切断裂，71 号至91 号刮板输送机双股底链破断; 转载机单链破断;采煤机被挤压煤壁，前滚筒割到翘起的输送机铲板。事故影响生产28h。地表塌陷形成台阶、地堑式贯通裂缝，地表裂缝宽度0. 2 0. 5m，甚至0. 8m，沿工作面推进方向，小裂缝间距约10m，大裂缝间距约30m，两巷方向产生平行于巷道的数条裂缝，间距7. 5m，影响范围约20m，一般情况下，首条新裂缝滞后工作面约20m。6215 工作面推进距开切眼1100m 处，主运巷片帮严重，片帮长度范围约45m，机头煤壁片帮深度约1. 0m; 机头单体支柱偶有压弯情况。查看井上下对照图，工作面靠近主运巷一侧范围地表地形为一山包，上覆岩层厚度增至最高192m。3.2.3 6215工作面面顶板灾害机理分析与诱发因素6215 面推进530780m 范围内，周期来压比较大，特别是在620m 处顶板发生大面积垮落，顶板沿煤壁切落近800mm、产生冲击波等造成支架、输送机等部分损坏。530780m 地表正处一条大的沟壑，底部宽度50150m，41，42煤层冲刷剥蚀并局部火烧，6 号煤上覆岩层厚度92103m。随着工作面推进，地形从坡底向坡顶变化的位置，离层带高度增加，当关键层达到一定距离断裂后，在土层载荷的作用下，迅速旋转下沉产生滑坡垮塌，并瞬时将载荷传递到顶板岩块，作用在煤壁和支架上，表现为动态的载荷传递过程，顶板结构的变化使得顶板岩土层的垮落、断裂、失稳形态发生着大的变化，即顶板变形破坏由“三带”( 冒落带、裂缝带和弯曲带) 向“两带”( 冒落带和弯曲带) 转变和煤壁上方产生贯通裂隙。采场顶板压力是采动影响与山体滑坡的共同作用的结果。6215 面周期来压的基本特征在推进方向划分可分为3 种区域: 周期来压正常区、周期来压异常区、周期来压基本正常区。周期来压的异常与采场顶板结构、岩性、厚度、埋深、地形地貌等因素有关。6 号煤受地形地貌变化的影响，煤层埋藏深度发生着大的变化，采场顶板( 上覆岩土层) 垮落规律由普通采场向近浅埋煤层、典型浅埋煤层采场顶板变化，因而工作面顶板来压具有几类不同的显现特征。影响工作面人员、设备安全的主要形式是顶板的切落、大面积冒顶、严重片帮及形成冲击波等灾害。是否有剧烈动态载荷和煤壁上方的贯通裂隙是现场监测与灾害预报防治工作的关键。3.2.3 纳林庙二矿6215 工作面矿压显现特征纳林庙二矿厚土层覆盖的浅埋煤层工作面矿压显现特征是初次来压步距70 120m、顶板来压剧烈并产生强烈冲击波; 周期来压步距15 25m，6号煤层工作面来压现显现因埋深、顶板岩土层结构、地形地貌等因素影响，表现出普通采场来压、浅埋煤层强烈动压等不同规律的来压特征; 随工作面推进，地表在沿工作面倾向及走向均产生相对滞后的地表贯通裂隙，和上覆风积沙浅埋煤层工作面不同，一般并没有像地表风积沙造成覆岩沿工作面煤壁整体垮落的动态矿压显现; 埋深小于约105m时，工作面顶板产生采动裂隙贯通到地表，岩土层运动、失稳对工作面煤壁及支架产生动态的顶板压力。纳二矿生产运营开采实践表明，顶板灾害主要发生在工作面初采和末采时期以及地貌地形有较大变化的情况下。4 浅埋深大采高综采工作面煤岩组合力学模型4.1 关键块力学模型浅埋煤层长壁工作面开采过程中，顶板关键层将产生周期性破断，破断后形成的岩块也将相互铰接形成非稳定“砌体梁”结构。根据顶板破断岩块较短的几何特征和铰接状态，浅埋煤层顶板形成的非稳定“砌体梁”结构呈现为初期的“短砌体梁”结构及其台阶下沉演化而成的“台阶岩梁”结构2 种结构形态。根据黄庆享教授等人研究，浅埋煤层工作面顶板关键层周期破断后，形成的岩块比较短，岩块的块度i ( 岩块厚度与长度之比) 接近1，形成的铰接岩梁称为“短砌体梁”结构。按“砌体梁”结构关键块分析方法，建立“短砌体梁”。“短砌体梁”结构及“台阶岩梁”结构力学模型如图4.1，图4.2 所示。图中，T 为关键岩块的水平推力; R2为关键岩块支承力; W 为关键岩块回转后下沉量; P1，P2分别为，岩块承受上覆岩层的载荷; QA，QB为A，B 接触铰上的剪力; l1，l2为，岩块长度; a 为接触面高度。周期来压期间，顶板结构失稳一般有两种形式: 滑落失稳和回转变形失稳。根据“短砌体梁” 结构及“台阶岩梁”结构模型及其稳定性理论分析认为:( 1) 载荷层厚度小于180m 时，“短砌体梁”结构就不会出现回转变形失稳。( 2) 浅埋煤层工作面周期来压期间，顶板形成“短砌体梁”结构或“台阶岩梁”结构，破断块度i 一般在1. 0 以上，顶板易出现滑落失稳。5 结论利用现场观测、理论分析等研究手段，针对浅埋深大采高综采工作面采场顶板岩层的运动规律和采场压力显现规律有其特殊性的特点，着重研究了浅埋深大采高综