开元煤矿4.0Mta新井设计【含CAD图纸+文档】
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专题部分浅埋煤层长壁开采顶板结构稳定性分析摘 要神府东胜矿区是目前我国探明储量最大的煤田，埋藏浅、上覆厚松散沙层是神东矿区煤层的典型赋存特征。矿区煤层倾角近水平,赋存稳定,开采条件较优越。但矿井初期开采实践表明,煤层埋藏浅却不一定矿压显现缓和:长壁开采工作面普遍存在顶板台阶下沉现象,并伴有涌水和溃沙等灾害,严重影响着开采的安全性、产量和效益。而采场涌水和溃沙等灾害问题实质上就是顶板关键层的破断形态及其稳定性问题。顶板控制的核心问题是老顶关键层的控制，对浅埋煤层老顶关键层的稳定性研究具有十分重要的意义。本文主要围绕浅埋煤层老顶关键层的初次来压的过程和稳定性进行研究。通过现场实测的方法研究浅埋煤层矿压显现的基本规律；建立老顶关键层初次破断后形成的塑性三铰拱系统的力学模型，并对其受力情况和运动情况进行分析，预测浅埋煤层初次来压期间老顶基岩可能出现的灾害形式；应用初始后屈曲理论并结合浅埋煤层的赋存特征，确定老顶破断后的极限下沉量及其在非平衡状态下岩块间的水平推力，给出老顶台阶下沉的判别依据，估算台阶下沉量，并以大柳塔 1203 综采工作面为工程实例加以验算；以大柳塔 1203 综采工作面为原型开展物理相似模拟实验，研究顶板初次破断的结构形态和贯通裂缝分布规律并对实验误差进行分析。最后，总结全文并对今后的研究方向提出合理建议。关 键 词：浅埋煤层；长壁开采；关键层；顶板控制；1 绪论1.1 课题研究背景1.1.1 煤炭在国内外的重要作用从20 世纪中叶开始，世界能源的消耗速度急剧增加，在今后 15 年里，全球能源的需求可能以每年 2%的速度递增川。其中煤炭是目前全球储量最丰富的化石燃料，不论作为能源，还是作为化工原料，在促进全球经济发展特别是可持续发展方面，都发挥着极其重要的作用。煤炭作为我国的主要能源，在国民经济建设中具有重要的战略地位。我国也是一个以煤炭为主要能源的国家，至今我国的能源总构成和总消费中煤炭仍占70%75%1。 根据国土资源部报告统计:2002 年中国煤炭消耗量 16 亿吨煤，2005 年中国煤炭消耗量 19 亿吨煤，2030 年对煤炭的总需求量将超过 20 亿吨2，并且直到2050年我国一次能源消费结构中，煤炭仍将占有 50%以上。在此形势下，煤炭资源的开采无疑成为我国经济稳定、持续、快速发展的前提条件.我国是世界上煤炭资源最丰富的国家之一，不仅储量大，分布广，而且种类齐全，煤质优良，为我国工业现代化提供了极为有利的条件。 我国的西部广泛赋存着丰富的煤炭资源，主要有陕西和内蒙古交界处的神府东胜大煤田、陕北的榆神煤田、宁夏灵武煤田、新疆的吐哈煤田等。其中，位于毛乌素大沙漠边缘的神府东胜煤田面积 3214 平方公里，探明储量 2236 亿吨，远景储量 1 万亿吨，约占全国总探明储量的 1/3，是我国目前探明储量最大的的煤田。并且煤田地质构造简单，煤层稳定，开采条件优越3。该地区煤田中相当一部分煤层是处在距地表较浅的浅部煤层，我们通常称“浅埋煤层”。神东煤田的开发集中了世界上的先进技术，是我国最大的煤田，为我国经济的长期稳定发展提供了基础。从 20 世纪中叶开始，世界能源的消耗速度急剧增加，在今后 15 年里，全球能源的需求可能以每年 2%的速度递增4。其中煤炭是目前全球储量最丰富的化石燃料，不论作为能源，还是作为化工原料，在促进全球经济发展特别是可持续发展方面，都发挥着极其重要的作用。1.1.2 煤层开采存在的困难80 年代初，在我国陕北神木与内蒙古交界地区浩瀚的毛乌素沙漠下，发现了数量达数千亿吨的优质大煤田神府、东胜煤田，这是我国目前探明储量最大的煤田，该煤田与美国的阿巴拉契亚煤田、德国的鲁尔煤田等被称为世界七大煤田。1985 年国家决定开发神东煤田，计划在 2005 年左右将神东矿区建设成为全国最大的，效率、效益、装备达到国际先进水平的现代化能源基地。然而，在神东煤田的开发和建设初期，大柳塔煤矿的 C202 炮采工作面却发现矿压现象异常剧烈，大柳塔 1203 综采工作面也发现了剧烈的矿压显现和顶板台阶下沉，并且工作面支架损坏严重。这些现象给开采的安全以及国家财产带来了严重的威胁。也给采场的岩层控制提出了新的课题和挑战。1.2 问题的提出和研究的意义1.2.1 问题的提出我国是一个煤炭大国，煤层赋存条件的差异性是各矿区煤田的一大特点。我国也是一个以煤炭为主要能源的国家，至今我国的能源总构成和总消费中煤炭仍占 70%75%1。;而煤矿生产与其他行业相比其工作场所处于井下深处有限的空间，环境条件恶劣、多变，随着开采过程不断移动，采煤环境不断改变和恶化，在工作过程中顶板、瓦斯、煤炭自燃、粉尘、水害等自然灾害时刻威胁着工人的安全。所以，矿井环境条件恶劣、多变的固有属性是引起煤矿事故多发的潜在危险因素。重大事故频繁发生。我国是世界上煤矿伤亡事故发生最频繁的国家，据统计，煤矿历年来发生的重特大安全事故，占全部死亡事故的 39。同期全国煤矿企业共发生死亡事故 3427 起，死亡 5791 人，其中一次死亡 3 为人重大事故 286 起，死亡 1252 人;一次死亡 1029 人特大事故 44 起，死亡 710人;一次死亡 30 人以上特别重大事故 7 起，死亡 357 人。全国国有重点煤矿、地方煤矿、乡镇煤矿死亡人数所占比例分别为 14.90, 15.5,69. 6。煤炭生产百万吨死亡率分别为 1.33, 3.82, 12.73，平均为 4. 86。由此可以看出，煤矿灾害十分严重，重大事故频繁发生。我国是世界上煤矿伤亡事故发生最频繁的国家，百万吨死亡率是美国煤矿的 400余倍、印度的 89 倍7-11。我国煤矿在 1980 年以前，顶板事故占 60%左右，垮面、大冒顶重特大事故常有发生，究其原因，主要是“两个不清楚”8:(1)对顶板来压规律不清楚;(2)对支柱性能及实际支撑能力不清楚。因此，有针对性的开展了“两测”工作:(1)进行矿山压力观测和底板比压测定，摸清采场上覆岩层运动规律和底板破坏规律;(2)对支柱检修试压和进行实际支撑能力测定。经过我国技术人员十年的艰苦努力，“两测”工作取得了巨大成绩:(1) 对顶板来压规律和底板破坏规律心中有数;(2) (对支柱性能和支撑能力心中有数。在此基础上对我国煤矿主采煤层进行了顶底板分类，采取了针对性管理技术措施，进行了大量的支护改革，1990 年以来，基本杜绝了大冒顶垮面特大事故，零打碎敲顶板事故大幅度下降，全国顶板事故下降 30%。但是，2000 年以来，我国煤矿重大顶板事故时有发生，零打碎敲顶板事故也频繁发生，顶板事故上升到占全部事故的 50%左右.顶板事故在各类煤矿事故中占有很大的比例，因此，分析重特大煤矿顶板事故发生的原因和规律，对采场顶板稳定性的分析，以及现场实用安全技术的研究，在管理上、技术上和装备上采取针对性的防范措施，实行重点治理和监察监控，对遏制重特大顶板事故的发生具有十分重要意义5,6.1.2.2 研究的目的及意义随着西部大开发,享誉世界的神东煤田进入一个新的开发阶段,随之引发的生态环境损害问题已经受到极大的关注,这也将成为制约矿区区域经济可持续发展的主要问题,开采引起覆岩、地表沉陷损害是矿山开发中带来环境损害的主要部分。采场涌水和溃沙等灾害问题实质上就是顶板关键层的破断及其稳定性问题12。近一段时期以来,煤矿重特大事故频发,给国家和人民的生命财产造成了重大危害。顶板事故在煤矿事故中占有相当大的比例。以朱仙庄矿为例,自建矿以来,井下发生各类事故 40 起,其中顶板事故 18 起,占 45%,居首位。据初步分析顶板事故发生的原因,主要是工作面的地质条件比较复杂,而顶板控制又是采用常规方法,没有因地质条件的变化而采取相应的控制措施。顶板事故是煤矿五大自然灾害之一,据资料统计,在煤矿事故中,冒顶事故伤亡人数占40%以上,而采煤工作面冒顶伤亡人数又占冒顶伤亡总人数的 60%以上9。因此作为煤矿生产最基本最主要的采场,采煤工作面顶板状况直接关系煤矿的安全生产和经济效益。90 年代初,我国就已开始对浅埋煤层矿压显现与岩层控制方面的探索,初步观测了长壁工作面矿压显现的规律与顶板破断基本特征。但由于研究尚处于初期，对顶板结构的研究也不够深入，因而对顶板台阶下沉如何控制、支护阻力应如何确定等现场急需解决的问题，没有给出令人满意的结果11。神东矿区目前及今后相当长的一段时间内，各矿开采区域大部分集中于埋深在100m 以内的浅部。埋深浅、基岩薄、上覆厚松散沙层是该区煤矿的典型赋存特征。虽然煤层倾角近水平，赋存稳定，开采条件优越，但矿井初期开采条件表明，长壁工作面普遍有台阶下沉现象，矿压显现剧烈，严重危害了矿工的生命和国家财产的安全。现场表明，煤层埋藏浅并不代表矿压显现缓和。在神东煤田埋藏浅、基岩薄、上覆厚松散沙层条件下，工作面顶板岩层破断运动具有特殊性。类似这种埋藏浅、基岩薄、上覆厚松散沙层条件下的煤层的顶板管理几乎没有可借鉴的科研成果，而现有的普通长壁工作面顶板岩层控制理论和经验不能很好的解释这种矿压显现及机理。因此，为了使现代化大型矿区高产高效的情况实现可持续性发展，实现西部煤田大开发，为浅埋煤层长壁开采的顶板管理提供理论依据，做好安全工作，保护人民的生命和国家的财产安全，对浅埋煤层顶板岩层控制进行系统深入的研究是非常必要和具有重要现实意义的。1.3 本课题已有的研究成果与现状分析1.3.1 国外的研究工作国外关于浅埋煤层顶板岩层控制方面的研究并不多，较早的有前苏联 M.秦巴列维奇根据莫斯科近郊煤田浅埋深条件提出的台阶下沉假说13。该假说指出当煤层埋藏较浅时，上覆岩层可视为均质。随着工作面的推进，顶板将呈斜方六面体沿煤壁斜上方跨落直至地表，支架上所受的载荷应考虑整个上覆岩重的作用。当有坚硬顶板组成的老顶时，秦氏认为老顶断裂在煤壁内，支架载荷按控顶区跨度计算上覆岩全部重量。显然，秦氏在对老顶的分析中，没有涉及老顶的破断过程，也未涉及顶板破断后岩块的平衡条件。80 年代初，澳大利亚 B.霍勃尔瓦依特博士等对新南威尔士安古斯坡来斯煤矿浅部长壁开采的一些矿压现象进行了实测13。该矿开采李氏古煤层，采高约 2.6 米，煤层赋存平缓，初期煤层开采深度约 72 m ，工作面长 135 m 。实测主要结果如下：（1）顶板破断与岩层移动特征：顶板为煤、页岩互层，坚固稳定，初次跨落步距10 m。随工作面推进，沿工作面和采空区边缘的顶板岩层几乎是垂直断裂，岩层破断角为 7690，地表最大下沉量为采高的 60%，最大下沉量的 85%发生于距工作面 40m范围内。说明采空区迅速压实，煤壁煤壁附近顶板岩层迅速发生整体移动.观测研究认为顶板破断是从煤层到地表产生 “瓶塞”状切落，而不是呈桥拱铰接。工作面前方顶板移近量：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。观测研究认为这与工作面煤层埋层浅，顶板产生“瓶塞”状破断有关。（2）工作面支架载荷：工作面使用 89 架支撑掩护式支架，额定工作阻力 4500kN/架,初撑力为额定工作阻力的 80% 。支架有动载现象，安全阀经常开启。顶板破断期间支架以很快的速度达到额定工作阻力，但在 37 天内有重新减小。支架后柱载荷一般大于前柱，在非生产期间前后柱载荷趋于相等。进入九十年代以后，澳大利亚 LHolla 等还对新南威尔士浅埋煤层长壁开采的顶板岩层移动进行了观测研究10，通过自地表到煤层的多层位钻孔锚固装置实测得出，顶板跨落高度为采高的 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，主要进行了地表岩层移动和采前地层地震波探测与工程地质评价等研究工作1,15。印度和有些南美国家也因缺乏有关技术而未能采用长壁开采，只要开展了房柱式开采地表沉陷预计和煤柱载荷确定的研究工作1517。国外研究总体上认为浅部开采顶板破断直接影响到地表,顶板破断角大，地表下沉速度快，来压明显且难以控制。然而，文献主要对长壁开采的一些矿压现象进行了描述，没有对来压机理及控制理论进行系统的研究。1.3.2 国内的研究工作早在 1991 年，西安矿业学院矿山压力研究所就曾对大柳塔煤矿 C202 试采工作面进行了实测。这次试采和观测使现场和科研部门认识到埋藏浅并不等于矿压缓和，需要对浅埋煤层问题进行研究。1995 年以后，研究转入对顶板破断机理及其控制的探讨与认识。侯忠杰教授分别以两端固支梁及受矸石支撑的悬臂梁建立初次来压和周期来压力学模型。分析认为基岩老顶破断为拉破断，老顶破断后使直接顶发生剪切破坏，并以材料力学方法给出了拉、剪破坏的力学条件。根据基岩残留抗剪厚度和支架共同平衡破断岩块及其上覆松散层重量的原理，给出了不发生台阶下沉的支护强度计算公式18。后来的实测表明,初次来压强度并没有预计的那么大,初次来压和周期来压的差别也没有那么悬殊,说明所提出的顶板结构模型与实际不符.1996 年，钱鸣高院士等人在文献27中首次提出了采场上覆岩层活动中的关键层理论,建立了关键层的判别准则,深入研究了在关键层作用下岩层的变形、离层及断裂规律。根据关键层的作用特性,描述了采场上覆岩层活动中的整体结构形态。关键层理论的建立为岩层移动和采场矿压研究提供了一种统一思想和方法。2007，西安科技大学杨治林教授在其参与研究的课题，国家自然科学基金重点项目“厚松散层浅埋煤层条件下保水开采基础研究”的研究中把初始后屈曲理论运用于煤层顶板初次来压时的临界载荷和破断步距19。并揭示了浅埋煤层长壁开采顶板岩层的分叉点平衡构形及后屈曲平衡路径的稳定性,是确定非完善结构位移场的一种有效方法。以上的研究为浅埋煤层矿压规律的研究积累了丰富的经验,在顶板岩层控制研究方面也有开创性的成果.但是研究尚处于初级阶段,有些问题还有待于深入研究,这主要有:（1）对基岩老顶破坏机理的研究主要建立在依据实验结果的直观推测上，研究的力学基础仍然采用传统的、静态的材料力学，没有考虑层状岩体分步开挖和动态卸荷这一真实力学过程。因此，这必然会带来认识的局限性和由实验偶然性造成的认识上的分歧。（2）研究问题所用的方法需要改进。传统的材料力学的方法得出的结论比较与工程实际有相当的差距。很多问题依据材料力学方法是很难解决的。1.4 研究的内容和方法1.4.1 研究内容根据当前国内外对浅埋煤层顶板稳定性研究的现状和陕北浅埋煤田典型的赋存特征:埋藏浅、基岩薄以及上赋粘土层和厚沙土层等，选择条件适宜的煤矿作为研究对象进行研究。本课题将应用现代数学和力学理论并辅以物理相似模拟试验相结合的方法，结合大量的现场观测研究，本文应完成以下工作：(1)归纳介绍浅埋煤层长壁开采法采煤系统。通过对现场实测的浅埋煤层长壁开采老顶初次来压的相关数据的对比分析，总结浅埋煤层矿压显现的基本规律。介绍岩层控制和关键层理论的基本概念，对关键层理论在采场矿压控制等方面的工程应用研究情况进行总结；(2)探讨浅埋煤层顶板的材料特性和长壁开采法分步开挖对顶板初次来压老顶破坏形态的影响；(3)顶板破断后,由于岩块间的互相挤压和回转运动在端角挤压面上形成了塑性铰,与两岩块间形成的铰接组成非对称塑性三铰拱。对该系统建立力学模型并对其进行受力分析，研究老顶初次破断后的运动和受力情况，分析老顶台阶下沉等灾害的机理，并对支护阻力进行定量的分析。(4)以大柳塔 1203 综采工作面为实例，开展浅埋煤层长壁开采的物理相似实验，得到顶板初次破断的相关数值，根据模拟线比将实验数值还原为原型值；研究顶板破断的结构形态，和贯通裂缝分布规律；对实验误差进行分析。1.4.2 研究方法本课题是一个跨多门学科的问题，所以涉及的知识面比较宽。难以采用单一的研究手段进行较全面的研究。在本文研究过程中，将结合多种研究方法相互补充，以取得良好的研究成果。(1)根据对神东矿区若干工作面来压情况的现场实测，分析浅埋煤层工作面矿压显现的基本特点和规律。(2)针对浅埋煤层单一关键层的典型特征，利用关键层理论建立顶板关键层初次破断后形成的塑性三铰拱体系的力学模型。在建立力学模型的基础上，运用力学和数学等方法研究其受力情况和运动规律。(3)通过做物理相似模拟试验，通过模拟线比得出实验原型的相关数值；研究顶板破断的结构形态，和贯通裂缝分布规律，加深对浅埋煤层顶板的破坏过程及矿压显现规律的理解。将实验值与现场实测值和理论计算结果进行比较，分析误差原因。2 浅埋煤层的长壁开采及关键层理论2.1 浅埋煤层的定义及浅埋煤层矿压显现的基本规律2.1.1 浅埋煤层的定义随着神府煤田的开发，浅埋煤层这一概念被经常引用。最初这一概念是基于在神府特殊条件下，工作面矿压显现明显有别于一般工作面提出来的。从顶板岩层控制的意义上如何判别一个工作面是否为浅埋工作面，目前尚无统一的定义，但是这是理论研究和工程实践需要解决的问题。大柳塔煤矿已经开采的三个工作面埋深都在 100m 左右，而矿压显现却有一定的区别。根据实测，浅埋煤层大体上分为两种类型：一种为基岩比较薄、松散载荷层厚度比较大的浅埋煤层，其顶板破断为整体切落形式，易于出现顶板台阶下沉。另一种为基岩厚度比较大、松散载荷层厚度比较小的浅埋煤层，其矿压显现规律与普通工作面相似，可以借鉴已有的研究成果指导顶板管理。厚松散层下浅埋煤层为典型的浅埋煤层，简称浅埋煤层。从岩层控制意义上给浅埋煤层下定义，可以简单概括为以下三点20：(1)煤层埋藏深度：煤层埋深80100m。(2)煤层覆岩组成：煤层上覆岩层由薄基岩及松散载荷层组成；基岩厚度3050m；(3)长壁回采工作面覆岩活动规律：基岩呈一同步运动的组合岩层,即老顶为单一关键层结构；松散载荷层随基岩层移动、垮落至地表；顶板来压剧烈，来压时间短，动压现象明显；浅埋煤层长壁工作面的主要矿压特征是老顶破断运动直接波及地表，顶板不易形成自身稳定的砌体梁结构，支架必须提供必要的支护阻力维持顶板结构的稳定性。浅埋煤层的识别可以参照以下基本指标：埋深小于 150m，基载比Jz1.0.2.1.2 浅埋煤层矿压显现的基本规律神东矿区探明储量大、煤质优，是西部煤田大开发的重要战略要地。埋藏浅、上覆厚松散沙层是该矿区煤层的典型赋存特征21。为掌握这种特殊条件下的顶板破断和来压规律，以寻求有效的顶板控制方法，我们先后对大柳塔 C202 普采工作面、1203 综采工作面、进口设备装备的 20601 综采工作面以及 20604 高产高效工作面进行了矿压观测，通过对这四个不同支护条件的长壁工作面的实测来认识浅埋煤层工作面的矿压显现的基本规律。神东矿区有关工作面地质概况如表 2.1 所示。这些矿地层赋存特征属于典型浅埋深煤层或近浅埋深煤层。神东矿区地层赋存的总特征是：煤层埋藏浅，顶板基岩薄，地表为厚沙土覆盖层。在神东矿区开发的初期和中期，基本上为典型浅埋煤层或近浅埋深煤层。这四个工作面的矿压显现情况简单概括如下22,23：表 2.1 大柳塔矿区四个浅埋深煤层工作面概况工作面采高/m覆岩中基岩厚/ m沙土载荷层厚/ m工作面装备备注大柳塔C2022.020-5015.030.0 摩擦式金属支柱及铰接顶梁第一个长壁工作面大柳塔12034.015.-35.15.035.0普通综采，支架阻力2333kN第一个普通综采工作面面大柳塔206014.040-452355进口高产高效综采，支架阻力 3833 KN第一个高产高效工作面大柳塔206044.342.656进口高产高效综采，支架阻力 5453 KN产量最高的高产高效工作面（1） 大柳塔煤矿 C202 试采工作面矿压显现主要特点：老顶初次来压步距为 24m ；周期来压明显，一般为 69m 。来压时顶板沿煤壁产生台阶下沉，下沉量达 350600 mm，台阶下沉范围沿工作面长度最大达 70 m （工作面长度为 102m ）；摩擦式金属支柱不能够平衡顶板压力，不利于管理顶板。（2）大柳塔煤矿 1203 综采工作面矿压显现主要特点：工作面初次来压顶板出现自工作面到地表沿煤壁的全厚度切落。工作面中部约90 m 的范围内（工作面长度为 150 m ）顶板沿煤壁切落，其中 31m 的范围内切落最为严重，顶板最大台阶下沉量达 1000mm，工作阻力为 3500 kN/架,液压支架安全阀开启率达 100，支架活柱下缩量达 260mm，在液压支架下架设 3 根液压支柱才控制住了顶板继续下沉，防止了支架大面积被压死，矿压显现剧烈；工作面周期来压同样为覆岩全厚整体切落，观测期间 4 次周期来压支架载荷急剧增加，安全阀大部分开启，顶板淋水增大，部分支架油缸臌胀和胀裂；来压步距最大 15m ，最小 9.4 m ，平均 12.0 m ；初次来压时，工作面和开切眼煤壁线对应的地表出现地堑，地堑落差为 0.22m ，说明初次来压覆岩移动直至地表，顶板基岩的破断是全厚度切落，其切落线就沿工作面煤壁。周期来压地表同样出现地堑式台阶下沉，但台阶下沉位置不再在工作面煤壁线上方，而是在工作面支架的后端，其地堑式台阶落差达 1.2m24。（3）大柳塔煤矿 20601 高产高效工作面矿压显现主要特点：工作面选用德国进口的 WS1.7-210/450 型掩护式液压支架，完全能够平衡顶板压力，因为支架绝大多数是在初撑力和 85额定工作阻力之间工作，基本顶来压时支架平均工作阻力为额定工作阻力的 89.4，最大平均工作阻力为额定工作阻力的 92.6，这说明即使在基本顶来压时支架额定工作阻力仍有富余；工作面未出现象 1203 工作面那样的台阶下沉，上覆基岩在煤壁处不再出现贯通上覆基岩全厚的切落；工作面中部的顶板压力大，而两端相对较小。工作面顶板组成/ m来压步距/ m支架阻力/kN架-1台阶下沉量/ mm基岩层载荷层基载比Jz初次来压周期来压初撑力工作阻力初次周期C20217.348.30.3624.07.56306234.6120318.032.00.5627.012.02012280010002060145.042.51.0635.411.147285283很小很小2060442.661.40.6954.214.636665063200100（4）大柳塔煤矿 20604 高产高效工作面矿压显现主要特点：工作面采用德国进口的 WS1.7 型掩护式液压支架。来压时，工作面中部大部分支架达到额定工作阻力，工作面出现微小台阶下沉；初次来压期间工作面来压分布中部压力明显大于两侧。下面对已有的 C202 普采工作面、1203 综采工作面、20601 高产高效工作面和 20604工作面高产高效工作面矿压观测结果进行对比分析，基本情况如表 2.2 所示，浅埋煤层矿压显现具有如下基本规律：(1) 浅埋煤层工作面矿压显现的突出特点是顶板基岩沿全厚切落，基岩破断角较大，破断直接波及地表。来压期间有明显的顶板台阶下沉和动载现象；(2)典型的浅埋煤层工作面顶板为单一关键层，载荷层厚度较大，老顶岩块不易形成稳定的砌体梁结构；(3)工作面来压分布为中间大两端小，符合板破断特征注：基载比Jz 基岩厚度/载荷层厚度；1203工作面周期来压 Jz(1,1.5)(4)基岩与载荷层厚度之比Jz（以下简称基载比）对来压强度和显现特征有重要影响。当 Jz0.8 时则没有出现顶板台阶下沉。(5) 加快推进速度，来压步距增大，减小了老顶台阶岩梁的块度，减缓了顶板载荷传递，从而提高了结构的稳定性和自承能力，有利于实现高产高效。以上分析亦说明了工作面支护状况对顶板的影响：用金属摩擦支柱支护顶板的 C202 工作面初次来压和周期来压都出现了明显的台阶下沉；1203 工作面采用国产支架（3500kN/架），也出现了台阶下沉现象；20601 工作面和 20604 工作面采用进口大吨位支架，工作面台阶下沉明显减弱或消失，说明合理提高支架阻力可以有效的控制顶板台阶下沉。2.2 长壁开采法在采煤过程中的应用2.2.1 长壁开采法采煤系统长壁采煤技术已成为美国等世界主要采煤国家地下矿开采最重要的采煤方法之一,安全生产条件最好、产量和效率最高。特别是大功率电牵引采煤机和大能力输送机等重型设备的使用,使设备故障大大减少,自动化技术和电液系统的进一步使用,加快了支架前移,减少了工作面人数,提供了较好的安全保证。以下就长壁开采法采煤系统作简单介绍。为了便于本文后面的分析计算，把长壁开采法采煤系统简化为以下模型，如图 2.1所示：图 2.1 长壁开采法采煤系统示意图由于煤层倾角较小，本文把各岩层近似地认为是水平岩层。图中所示三层岩层自上而下分别为顶板、煤层和底板。顶板上分布着均布载荷q，ABCD 为工作面，工作面长度较长，一般为 100m300m，工作面以一定的开挖步距自右往左一层一层的推进，一天推进若干循环。如大柳塔 1203 综采工作面的基本情况为，工作面长度 150m，采高d 为4m，循环进尺 0.8m，每日推进三个循环。随着工作面的推进，顶板必然出现初次来压，采空区沿工作面推进方向的长度l 即为初次破断步距。而根据顶板的坚硬程度及距煤层的距离，由下而上可把煤层的顶板分为三层25:(1)伪顶伪顶是在煤层之上、紧贴煤层的一层松软岩层，一般厚度为 0.30.5m。当煤层被采落时伪顶也同时下落，混入煤中，影响煤质。(2)直接顶直接顶是位于伪顶之上或煤层之上的顶板，它具有一定的稳定性。工作面煤层被采落时，直接顶不会立即垮落，而是在工作面上方悬露一定的时间才垮落。直接顶是采掘工作面支护的对象。如果支护好，就不会冒顶，否则会造成冒顶伤亡事故。(3)老顶老顶是在直接顶上方的岩层，一般由坚硬岩层组成。老顶在采空区上方悬露一定的时间后才能垮落。老顶垮落后会给采煤工作面带来很大的压力，如果工作面支护不好，就会发生大冒顶伤人事故。2.2.2 长壁开采的优越性和发展趋势综合机械化采煤是煤矿开采技术现代化的重要标志。高产高效综采技术的核心是工作面综采设备,近十年来,工作面三大配套设备采煤机、刮板输送机和液压支架,在设计方法和结构上都有了重大发展,主要是提高设备生产能力和可靠性,改进操作性能。我国煤矿开采深度较大,适宜露天开采的资源少,以地下开采为主:在全国十几亿吨的煤炭产量当中,露天开采的煤炭产量仅占全国煤炭产量的 4%,井工开采的煤炭产量则占全国煤炭总产量的 96%之多。在这 96%的井工煤矿产量当中有 95%的产量是用长壁采煤法开采的,可见长壁采煤法在中国占有很重要的地位26。长壁开采的发展趋势是:工作面长度和走向长度不断增加,工作面数量进一步下降,工作面的机械化水平不断提高,2000 年中国综采面的生产指标已经达到或接近世界先进水平。随着开采技术的不断发展,中国长壁开采设备也将趋于重型化,生产能力更大。下一步的战略重点是发展自动控制系统和提高设备的可靠性。2.3 关键层理论在顶板控制中的应用煤层开采后必然引起岩体向采空区内移动,岩层移动将造成如下采动损害:(1)形成矿山压力显现,危及井下回采工作面人员及设备的安全,需要对围岩进行支护。(2)形成采动裂隙,会引起周围岩体中的水与瓦斯的运移,引起井下瓦斯突出与突水等事故,需对此进行控制与利用。(3)岩层移动传递到地表引起地表沉陷,导致农田、建筑设施的毁坏,引发一系列环境问题,需对地表下沉进行预测与控制。上述三方面是煤矿采动损害的主要方面,也是岩层控制研究的主要内容。掌握整个采动岩体的活动规律,特别是内部岩层的活动规律,是解决采动岩体灾害的关键。而掌握煤层内部岩层的活动规律主要就是要掌握煤层关键层的运动规律。关键层理论在煤层顶板控制理论中占有重要的地位。2.3.1 关键层理论的提出在岩层控制方面,经过几十年的研究,已逐步形成了独立的学科分支。从层状矿体开采来讲,岩层控制主要包括 3 个方面27,28:(1)采场上覆岩层结构形态及其对“支架-围岩”的影响;(2)开采引起岩体的裂隙及离层分布状态及其对水与瓦斯流动的影响;(3)岩层移动规律和地表沉陷对建筑物的影响。由于这 3 个方面研究对象的一致性(均为采场上覆岩层),因而有其共性。但又由于其研究目标不同,包括研究手段和方法等都存在着差异,如采场矿山压力大部分是从力学的机理上进行研究,而岩层移动大多偏重于根据测量数据,用数学统计方法描述地表沉陷,因而一直未能建立相互联系的力学模型。鉴于此,常常不能对一些关键的矿山压力显现、岩层移动及开采后上覆岩层的离层现象作出统一的相互关联的解释,尤其是开采时各岩层破断的动态过程描述。事实上,在煤系岩层中,由于成岩时间和矿物成分等不同,使各层厚度和力学特性等方面存在着不同程度的差别。而其中一些较为坚硬的厚岩层在采场上覆岩体的变形和破坏中起着主要的控制作用,它们以某种力学结构(板或简化为梁等)形式支承上部岩体的压力,而它们的破断后形成的结构形式(如砌体梁)又直接影响着采场矿压显现和岩层移动。在现实中,我们又发现,由于各坚硬岩层的特征不一,因而并不是每一层坚硬岩层对采场上覆岩层的运动起决定作用,有时仅仅为 1 层或几层。由于成岩时间及矿物成分不同,煤系地层形成了厚度不等、强度不同的多层岩层。实践表明,其中一层至数层厚硬岩层在岩层移动中起主要的控制作用。从采场矿山压力控制的角度出发,以研究老顶岩层的破断运动为主体,于 80 年代初提出了“砌体梁”理论并研究了坚硬岩层板模型的破断规律。在此基础上,近年来为了解决岩层控制中更为广泛的问题,钱鸣高院士领导下的课题组提出了岩层控制的关键层理论。将对采场上覆岩层活动全部或局部起控制作用的岩层称为关键层。前者可称为岩层运动的关键层,后者可称为亚关键层。覆岩中的关键层一般为厚度较大的硬岩层,但覆岩中的厚硬岩层不一定都是关键层。关键层判别的主要依据是其变形和破断特征,即在关键层破断时,其上覆全部岩层或局部岩层的下沉变形是相互协调一致的,前者称为岩层活动的主关键层,后者为亚关键层。也就是说,关键层的断裂将导致全部或相当部分的上覆岩层产生整体运动。覆岩中的亚关键层可能不止一层,而主关键层只有一层。关键层理论研究的总体思路是:为了弄清开采时由下往上传递的岩层移动动态过程,并对岩层移动过程中形成的采场矿压显现、煤岩体中水与瓦斯的流动和地表沉陷等状态的变化进行有效监测与控制,关键在于弄清关键层的变形破断及其运动规律以及在运动过程中与软岩层间的相互耦合作用关系。关键层理论的研究对层状矿体开采过程中的矿山压力控制、开采沉陷控制、瓦斯抽放以及突水防治等具有重要意义。自建立关键层理论的初步框架以来,引起了学术界的广泛关注。在此基础上,近年来课题组对关键层理论开展了全面深入的研究。2.3.2 关键层的基本特征采场上覆岩层中的关键层有如下基本特征:（1）几何特征。相对其它相同岩层厚度较厚;（2）岩性特性。相对其它岩层较为坚硬,即弹性模量较大,强度较高;（3）变形特征。在关键层下沉变形时,其上覆全部或局部岩层的下沉量与它是同步协调的;（4）破断特征。关键层的破断将导致全部或局部上覆岩层的破断,引起较大范围内的岩层移动;（5）支承特征。关键层破坏前以板(或简化为梁)的结构形式,作为全部岩层或层部岩层的承载主体,断裂后若满足岩块结构的S-R稳定28,则成为砌体梁结构,继续成为承载主体.2.3.3 关键层的判别关键层判别方法可分为以下 3 个步骤进行29:（1）由下往上确定覆岩中的坚硬岩层位置.此处的坚硬岩层非一般意义上的坚硬岩层,它是指那些在变形中挠度小于其下部岩层,而不与其下部岩层协调变形的岩层.假设第 1层岩层为坚硬岩层,其上直至第m 层岩层与之协调变形,而第 m+1层岩层不与之协调变形,则第 m+1层岩层是第 2 层坚硬岩层.由于第 1 层至第m 层岩层协调变形,则各岩层曲率相同,各岩层形成组合梁,由组合梁原理可导出作用在第 1 层硬岩层上的载荷为: （2.1）式中:q1(x)m为考虑到第m 层岩层对第1 层坚硬岩层形成的载荷;hi，i，Ei分别为第 i 岩层的厚度、容重、弹性模量(i =1,2m)。考虑到第 m+1层对第 1 层坚硬岩层形成的载荷为q1xm=E1h13i=1m+1hiii=1m+1E1h13 （2.1）由于第m+1层为坚硬岩层,其挠度小于下部岩层的挠度,第m+1层以上岩层已不再需要其下部岩层去承担它所承受的载荷,则必然有:q1xm+1m+1i=1mhii （2.4）式(4)即为判别坚硬岩层位置的公式.具体判别时,从煤层上方第 1 层岩层开始往上逐层计算 Em+11h1m+13i=1mhii以及m+1i=1mhii ,当满足式(2.4)则不再往上计算,此时从第 1 层岩层往上,第 m+1层岩层为第 1 层硬岩层.从第 1 层硬岩层开始,按上述方法确定第 2 层硬岩层的位置,以此类推,直至确定出最上一层硬岩层(设为第n 层硬岩层).通过对坚硬岩层位置的判别,得到了覆岩中硬岩层位置及其所控软岩层组.（2）计算各硬岩层的破断距.坚硬岩层破断是弹性基础上板的破断问题,但为了简化计算,硬岩层破断距采用两端固支梁模型计算,则第k 层硬岩层破断距kl 可由下式计算：lk=hk2kqk （K=1，2，3，n） （2.5）式中hk为第 k 层硬岩层的厚度，单位为m ;k 为第k 层硬岩层的抗拉强度,单位为 MPa;qk为第 k 层硬岩层承受的载荷,单位为 MPa.由式 2.1 可知,qk 可按下式确定：qk=Em，ohk，o3j=1mkhk，jkj=0mkEk，jhk，j3 （k=1，2，3，n-1） （2.6）由于表土层的弹性模量可视为 0,设表土层厚度为 H ,容重为 ,则最上一层硬岩层即第n层硬岩层上的载荷可按下式计算:qk=En，ohn，o3j=1mk hn，jn，j+Hj=0mnEn，jhn，j3 （k=1，2，3，n-1） （2.7）式(2.6),(2.7)中,下标k 代表第k 层硬岩层;下标 j 代表第k 层硬岩层所控软岩层组的分层号;mk为第k 层硬岩层所控软岩层的层数;E kj,hkj,k ,j 分别为第k 层硬岩层所控软岩层组中第 j 层岩层弹性模量、分层厚度及容重,单位分别为GPa , m , MN / m.当j =0时,即为硬岩层的力学参数.例如E 1,0, h1,0, 1,0分别为第 1 层硬岩层的弹性模量、厚度及容重, E 1,1, h1,1, 1,1 分别为第 1 层硬岩层所控软层组中第 1 层软岩的弹性模量、厚度及容重.（3）按以下原则对各硬岩层的破断距进行比较,确定关键层位置：第k 层硬岩层若为关键层,其破断距应小于其上部所有硬岩层的破断距,即满足:lklk+1 （k=1，2，3n-1） （2.8）若第k 层硬岩层破断距lk 大于其上方第 k +1层硬岩层破断距,则将第 k +1层硬岩层承受的载荷加到第k 层硬岩层上,重新计算第k 层硬岩层的破断距.若重新计算的第k层硬岩层的破断距小于第 k +1层硬岩层的破断距,则取lk=lk+1.说明此时第 k 层硬岩层破断受控于第 k +1层硬岩层,即第 k +1层硬岩层破断前,第 k 层硬岩层不破断,一旦第k +1层硬岩层破断,其载荷作用于第 k 层硬岩上,导致第 k 层硬岩随之破断.例如,假设由第1,2步确定出覆岩中有3层硬岩层,各自破断距分别为l1 , l2 , l3 ,l ,根据上述原则确定关键层位置的流程如图 2.2 所示：应当指出的是,当煤层采出宽度为 l 时,各硬岩层的悬空跨距一般不相等且小于 l ,各硬岩层悬空跨距边界，即固支梁支点的连线与煤层近似呈一内倾的夹角岩层的平均破断角.因此，在进行关键层位置判别时,若考虑上下位硬岩层间悬空跨距的差异,则式(2.8)应修正为：lk+2Hkcot”，式(3.15)的“=”也变为“”，此情况下三铰拱结构不会发生回转失稳，而当式(3.14)的“ = ”为“ ”，即式 3.15 变为 isin1+d2l1cos1 时，三铰拱结构必然失稳。图 3.4 岩块继续回转，三铰拱成为瞬变体系3.3 顶板关键层的后屈曲性态3.3.1 顶板关键层的初始后屈曲在对顶板关键层从图 3.5 所示的基本状态过渡到图 3.6 所示的破断了的后屈曲状态进行性态分析时，需将其位能增量泛函中的每一项都视为与载荷因子 有关的项。为方便分析计算，将老顶初次破断近似地简化为对称的47。对于一级近似，仅在泛函能量的二次变分中考虑与 有关的项是充分的。44于是位能增量泛函对于任意位移场，考虑0(w,am)影响时的屈曲模态w 可表示为关于极限下沉量am 的代数函数45：Fw,am=-1F2am+4w,am+0w,am (3.16)式中：1为临界载荷因子；F2am=2w,.由F2am 的表达式和屈曲模态可得：F2am=-Tk21-u2am22EI4w，am=6am48l44w，am=-l2q1-u2amEI (3.17)式中： Tk 为临界载荷分叉点附近的平衡由顶板极限下沉量am的函数Fam, 的驻值所确定，仅当这些驻值为本征最小时，平衡构形才是稳定的。为确定顶板的极限下沉量，由驻值定理F2am,am=0，可得顶板关键层断裂下沉幅值方程为：am3+D1am+D2=0 (3.18)式中：D1=2l41-u21Tk-T6EI，与临界载荷因子有关D2=2l61-u2q6EI;Tk 为临界载荷。由式(3.18)可得，当 D1 0，即TT时，岩块产生逆向回转。逆向回转使贯通裂缝全部张开，老顶岩块沿工作面煤壁切落，进而出现台阶下沉。式(3.21)即为关键层破断后顶板台阶下沉的判据。随老顶岩块沿煤壁切落，采场工作面单一岩块出现台阶下沉。如图 3.7 所示，岩块的台阶下沉量为：=l2sin=m (3.22)3.3.3 工程实例神东矿区大柳塔煤矿 1203 工作面的煤层平均倾角约3，平均厚度约 6 m，埋藏深度 5060 m。覆岩上部为 1530 m 风积沙松散层，其下为约 3 m 的风化基岩。根据该工作面的煤系地层典型柱状图，直接顶为粉砂岩、泥岩和煤线互层，裂隙发育。老顶关键层由第 48 号岩层组成，主要为砂岩，岩层完整，其厚度 h = 13.4m，弹性模量E = 12000MPa，老顶关键层载荷 q = 0.9MPa，泊松比 u =0.21，初次来压步距约为l = 27m老顶破断后岩块沿工作面煤壁切落，形成约 1 m 的台阶下沉13。图 3.7 老顶台阶下沉将以上有关数据代入式(4.12)、(4.20)、(4.21)，得顶板关键层的断裂下沉量为：am=2-D13=2l23q1-u2EI=1.038T1=323q2EI1-u2=190.2106 NT1Tql24h-am=13.27106 N关键层破断后岩块产生逆向回转，出现台阶下沉。台阶下沉量为：=am=2-D13=1.038 m3.4 小结从采场老顶关键层岩块的微观结构出发，分析其天然裂隙对老顶破断后形成的塑性三铰拱的对称性影响，得出塑性三铰拱非对称的结论，且靠开切眼侧的岩块长度较小。建立塑性三铰拱力学模型，分析其受力和运动状态，对破断后两岩块的长度之比与端角摩擦面对岩块的水平推力之间的关系作出定性的分析。滑落失稳是顶板的灾害形式之一，本章通过对其受力分析得出未对三铰拱进行支护的情况下其滑落失稳的判别依据，并给出所需支护力的计算公式。随着回转角继续增大，三铰拱三铰共线时塑性三铰拱在两个通向力偶的作用下失稳是必然的，本章从几何关系出发，得出塑性三铰拱是否为瞬变体系的判别依据。运用初始后屈曲理论结合尖点突变理论等方法对老顶从破断前的基本状态过渡到破断后的后屈曲状态进行形态分析，得出老顶破断后端角摩擦面对岩块的水平推力的计算公式；给出了老顶破断后的另一灾害形式台阶下沉的判别依据，并计算其下沉量，最后本章结合工程实例对分析结果进行验算。4 结论4.1 主要结论神东矿区是我国目前探明储量最大的煤田。埋藏浅、上覆厚松散沙层是神东矿区煤层的典型赋存特征。为研究这种特殊条件下的顶板破断和来压规律，寻求有效的顶板控制方法，以保证生产安全，本文从现场实测着手研究，又通过理论分析和物理相似模拟实验等方法对老顶的初次来压过程进行了研究，得出主要结论如下：(1)通过对采场老顶关键层岩块的微观结构分析和分步开挖给老顶关键层带来的应力重新分布和损伤积累的研究以及开展物理相似模拟实验实验等研究手段，得出直接顶初次冒落和老顶初次垮落时岩块呈现不对称性的结论。(2)顶板破断后并非直接切落，而是形成了不对称塑性三铰拱结构。通过对老顶初次破断后岩块形成的不对称塑性三铰拱的分析发现端角摩擦面对岩块的水平推力T 与老顶破断后形成的两个岩块的长度之比 K 值有关（K=l1l2,l2 为靠近开切眼侧的岩块的长度，且 K 1）， K 值越
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