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薄基岩浅埋煤层采场顶板运动规律研究摘要:鄂尔多斯地区蕴含着丰富的煤炭资源，该区煤层储量大，埋藏浅，倾角小，瓦斯含量低，煤层厚，被誉为世界八大煤田之一，是我国重要的商品煤基地。其特点是埋藏浅基岩薄，上覆较厚的松散层，在开采过程中出现了矿山压力的剧烈显现，顶板台阶下沉地面塌陷，甚至出现工作面涌水溃沙的严重事故。但是以往并没有针对该区基岩厚度的不同进行系统的分析，对载荷的确定也没有细致的研究。因此全面系统的进行浅埋煤层覆岩运动规律研究与应用是目前巫待解决的问题。针对本区矿压显现的特殊问题，本文综合运用理论研究、数值模拟和现场实测的方法，初步分析了采场上覆松散层载荷确定及传递规律，按照基岩厚度不同提出了不同的开采方法和支护设计。关键词:薄基岩；浅埋煤层；载荷传递；采煤方法；支护设计1绪论1.1问题的提出和研究意义煤炭作为一次性能源，在我国能源构成比例中占70%以上，其主要地位将在以后年内不会发生变化1。根据专家预测2，为保证我国国民经济的正常发展，2020年、2050年的原煤产量占一次性能源的比重分别达68%、50%左右。煤炭不仅是我国的基本燃料，而且是重要的工业原料，从煤炭中可以提取二百多种产品，这些产品都是我国社会主经济建设和人民生活所必需的。因此，加速煤炭工业现代化步伐对我国实现工业、业、国防和科学技术的现代化至关重要。20世纪80年代初期，在我国陕西、内蒙交界处的毛乌素沙漠下发现了储量丰富的优质煤炭，仅神府和东胜煤田储量达2000多亿吨，该侏罗纪煤田是我国现己探明煤炭量最大的煤田，约占全国的25%，被誉为世界八大煤田之一，且煤层埋藏浅，赋存稳定、近水平、低灰、低硫、低磷、高发热量，开采条件优越，开采效益极佳。根据国家规划，这里将成为我国西部优质动力煤的供应和出口煤基地，且地理位置又具承东启西的作用，是21世纪煤田工业战略西移的首选基地，对本世纪国民经济的发展具有重大意义。该地区煤层赋存的最大特点是埋藏浅，基岩薄，基本顶为单一关键层结构，属典型浅埋煤层。基岩上为厚度较大的风积沙(3060m)，具有典型浅层地压特征3。部分区域沙层之下蕴藏着大量潜水，在这种特殊条件下开采，矿井容易受到涌水溃沙的严重威胁，加之矿区位于生态环境比较脆弱的沙漠地带，很容易导致土地沙漠化的加重和生态的破坏。目前，除神东煤炭公司的数对大型现代化矿井和少数煤炭企业的矿井采用长壁开外，其它上百个矿井受浅层地压的影响，只能采用落后的房式开采方法，不仅采出率低(仅为20%35%)，极大地浪费煤炭资源，而且还具有大面积突陷灾变危险，严重威胁人身安全4。浅埋煤层十几年的开采实践表明，开采引起的特殊岩层控制问题，主要有顶板覆岩出现全厚切落形成剧烈的矿山压力显现，支架压死。开采导致的裂隙贯通，从而造成水沙溃入工作面，致使工作面报废，井下设备被掩埋，无法撤出，水资源流失，加重了生态恶化的程度。目前对厚松散层薄基岩浅埋煤层采场上覆岩层载荷的研究主要是以静态的方式将厚松散层的全部重量作为基岩的载荷进行计算。在井下实际开采的观测中，基本顶基岩全部塌落后，上覆表土松散层黄土并不是全部塌落下来，这说明上覆松散层并不是以全部重量作用在基岩上的，而是存在一定的结构。并且随着开采的进行，松散层的载荷也在不断的变化，因此找到其变化的规律，合理确定基岩的载荷对于设采场的支护参数是很重要的。1.2采场岩层控制理论19世纪后期到20世纪初，相继提出了多种采场矿压假说，开始利用比较简单的力学原理解释实践中出现的一些矿压现象，具有代表性的是认为巷道上方能形成自然平衡拱的所谓“压力拱假说”。60年代至80年代初是采场顶板结构学说百花齐放的阶段。各学派学说的争鸣，促进了顶板结构学说的发展与成熟，其中主要有“压力拱假说”和“悬臂梁假说”。20世纪80年代初是我国矿压理论研究最活跃的时期，山东科技大学宋振骇院士在长期岩层控制实践的基础上特别是基本顶来压预测预报的基础上，提出了“传递岩梁假说”。宋振骇院士提出了“给定变形”和“限定变形”的观点，指出支架在一定的“位态方程”下工作，并可通过限定变形，使基本顶在一定层位形成平衡。还提出了“内外应力场”，通过对开采中内外应力场的形成及变化的认识和观测，成功地预报基本顶来压5。在这一时期，中国矿业大学的钱鸣高院士提出了“砌体梁假说”，对基本顶进行了薄板的板破断分析，建立了基本顶空间运动与巷道来压预报的关系6。在此基础上，钱鸣高院士提出了采场围岩大、小结构，所谓“大结构”是指采场上覆岩层破断后形成的结构，由于这一结构的存在，采场支架所受的力仅仅是其上覆岩层总重量的一部分;所谓“小结构”则是指空顶区内“支架围岩”相互作用形成的结构，对这一结构的认识及控制，是保证工作面支架正常工作，实现采煤的基础：“小结构”在“大结构”下形成并受其作用。1.2.1国外研究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l00m以内，这些国外矿区的地表主要为表土层。对于浅埋煤层矿压显现规律研究最早的是前苏联的M秦巴列维奇，他根据莫斯科近郊浅埋煤层条件提出了台阶下沉假说：认为当煤层埋藏较浅时，随工作面推进，顶板将呈斜方六面体沿着向煤壁的斜面而跨落直至地表，支架上所受的力应考虑整个上覆岩层的作用。此外，前苏联BB布德需克曾在1981年探讨过埋深100m顶板为粘土厚层条件下，顶板冒落时产生动载现象，来压十分猛烈。20世纪80年代初，澳大利亚B霍勃尔依特博士等对新南威尔士安谷斯坡来斯煤矿浅部长壁开采的一些矿压现象进行了实测8-1。该矿开采李寺古煤层，顶板为煤、页岩互 层，坚固稳定，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。顶板破断与岩层移动特征:初次跨落步距10m，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，煤壁附近顶板岩层迅速发生整体移动。实测工作面前方上平巷顶底板移近量不大，除超前支撑压力最大移近量为20mm外，一般均小于10mm。工作面使用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天内又重新减小。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。英国和美国为控制浅部开采地表塌陷，多采用房柱式开采8-2。以上是对国外浅埋煤层开采矿压显现规律的综述，国外研究虽也建立了支架受载力学模型，但多半停留在经验公式和现场实测的阶段，没有在理论上作进一步的系统分析。但这对于我国浅埋煤层的开采，具有一定的参考价值。 1.2.1国内研究现状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，开始了煤炭的大规模开采，引进了国外先进的开采设备及辅助运输设备，采用长壁开采方法。这一时期，浅埋煤层的矿压显现剧烈问题也逐步暴露出来。从1993年起，石平五、侯忠杰通过对大柳塔煤矿1203工作面的观测进行了煤炭科学基金项目“浅埋煤层矿压显现及岩层控制规律”的研究，并得出薄基岩在厚沙覆盖层作用下的整体切落是顶板破断运动的主要方式9。浅埋深薄基岩顶板在厚沙覆盖层作用下呈整体下沉而不是离层运动;基本顶承受载荷集度大，因而相对垮落步距小。来压前在煤壁前方大多形不成完全破断，而在工作面推至裂缝组时，在厚沙覆盖层重载下形成剪切破断，表现为整体台阶切落。1995年，侯忠杰通过对石讫台煤矿两个高产长壁工作面的相似材料模拟试验和矿压观测，得出了浅埋煤层矿压显现的基本观点。他认为防止工作面架前切落应具备两个条件，其一是顶板基岩厚度足以大到工作面上方形成某种结构，并且能够承担松散层自重载荷，使工作面处于大结构的“保护”之下；其二是工作面支架有足够大的支护阻力(包括初撑力)，从而与顶板覆岩压力相平衡、防止顶板在架前出现台阶下沉。1999年开始，侯忠杰在“关键层”理论的基础上，通过对大柳塔煤矿1203工作面和灵武矿务局灵新矿L5114工作面的观测根据浅埋煤层的特点提出了“组合关键层”10。研究认为，对于一般浅埋煤层，煤层顶板某一岩层成为关键层不仅应满足刚度条件，还要满足来压强度条件；地面松散层厚度对浅埋煤层关键层的层位有很大的影响，在上覆基岩相同条件下，地面松散层厚度不同，则其关键层的层位也不同；一般浅埋煤层，最下一层坚硬岩层可能是主关键层，也可能是亚关键层；但地面厚松散层浅埋煤层，两层坚硬岩层都是主关键层，这是地面厚松散层浅埋煤层的独有特点；地表厚松散层浅埋煤层的两层关键层必然发生组合效应，形成组合关键层。张世凯等人以大柳塔首采面矿压实测为基础，对厚松散层薄基岩近水平煤层顶板来压机理、形式和上覆基岩垮落规律进行了分析，同时给出了全厚切落式支架支护阻力计算方法及公式11。张俊云等通过对东胜补连塔煤矿2211工作面相似模拟实大比例立体验及现场矿压得观测得出当基岩厚度与采高之比Km15时采场上覆岩层分为冒落带、裂隙带，在工作面前方基岩不再出现拉伸裂隙，厚松散层也不再成为影响工作面矿压显现的重要层的结论12。2002张文军等对浅埋煤层开采覆岩移动规律数值分析，得出卸荷变形是引起浅埋煤层直接顶初始离层的主要因素之一，浅埋煤层老顶岩层破坏的主要顺序仍为“离层一断裂一垮落”，厚松散层浅埋煤层开采时，当关键承载层完全垮落后，覆岩会发生直达地表的整体切落现象。2003武强等对榆神府矿区大柳塔井田煤层群采地面沉陷可视化数值模拟7-2，结果表明煤层开采引起的地面沉陷不仅与采厚有关，而且与采面大小、覆岩岩性、煤层倾角、开采方法等因素有关，而且与煤层的重复采动有关。对于煤层回采引起的地面沉陷预测问题，应综合考虑各种影响因素，这对矿山进行科学规划有重大的指导意义。2005年，武强等对神府东胜矿区水土环境问题及其调控技术的研究13，讨论了由开采顶板岩层变形破坏引发的矿井突水溃砂、地表裂缝塌陷、水源地破坏、植被死亡并造成沙漠化加剧和水质污染等严重的水土环境问题，提出了建立水源地分级保护体系，以拦蓄排泄带方式开采地下水等保护水环境的应对措施。总之，以上国内外对浅埋煤层顶板结构及灾害机理进行了深入、细致的研究。但是，有些问题还有待于深入的研究。主要有：目前对厚松散层浅埋煤层的研究主要是针对某一个煤矿提出一些解决该矿矿压及围岩支护的问题，只能对类似矿井具有借鉴作用，缺乏对一个矿区浅埋煤层开采的系统研究；另外就是上覆厚松散层并不是以全部的重量作用在基本顶岩层上，其自身还有一定的稳定性，随着开采的进行，其载荷也在不断的变化之中，因此基岩上覆载荷的确定有待进一步研究。1.3主要研究内容本文研究不同厚度基岩的运动规律，从而提出相应的控制措施和合理的开采参数，使其适应大部分的浅埋煤层开采顶板控制问题。(1)不同厚度薄基岩采场上覆岩层运动规律研究通过对鄂尔多斯地区大量煤矿的地质资料、内蒙古伊泰集团公司下属煤矿的浅埋煤层工作面覆岩运动规律的综合分析，根据基岩厚度的不同，将顶板基岩分别按厚度小于于15m，1535m，3560m和大于60m分为4类，选用数值模拟的方法分析其顶板垮落、地表下沉的特点和规律，得出不同分类基岩的运动规律，为其顶板控制、采煤方法选择提供依据。(2)基岩载荷及其传递规律的确定对于薄基岩浅埋煤层，基岩上覆盖层(主要是风积砂)并不是以全部的重量作用在工作面顶板上，砂土层有其自身的稳定性，随着开采的推进，工作面顶板的运动垮落，砂土层载荷也是在不断的变化之中。基岩载荷的变化规律和确定是进行顶板控制的重要方面。本文基于岩石力学和土力学的经典理论，研究上覆松散载荷层的压力确定及其传递规律。(3)合理的开采工艺参数选择根据不同类型薄基岩浅埋采场上覆岩层运动和破坏规律，为不同类型薄基岩选择合理可行的采煤方法，并给出相应的顶板支护方案。2鄂尔多斯矿区浅埋煤层覆岩地质条件评价鄂尔多斯矿区蕴藏着丰富的煤炭资源，鄂尔多斯盆地也是世界八大煤田之一，随着国家对中西部地区矿产资源的开发，神华集团、内蒙古伊泰集团等大型煤炭公司相继在这一地区扎根，并进行了大规模的煤炭资源开发。在煤矿的生产和建设过程中，也发现了该区的一些显著特征，就是煤层埋藏浅，基岩薄，地表多为厚松散覆盖层。松散层厚度可达4050m，这些都将增加煤层顶板的载荷。该区煤层顶板基岩较薄，厚度一般在580m之间，与传统意义的普通采场相比，顶板基岩厚度较小，当顶板基岩厚度较薄时，煤层顶板的稳定性就会变差。在该区进行的浅部煤层开采中也出现了顶板垮落直至地表，顶板出现切落式破坏，来压剧烈，液压支架被压死，油缸破裂等事故，并且开采导致上覆岩层含水层出现裂缝，大量宝贵的地下水流失，造成地表水资源流失，加剧了地表荒漠化，或进入工作面，混合黄沙后可能引起矿井的溃水溃沙问题，使工作面被掩埋，严重影响矿井的安全生产困书14。2.1矿区煤系地层特征在矿井生产过程中，煤系地层的特征是决定矿井地质条件好坏的基本因素，对采场工作面的顶板管理、巷道支护等有着重要的影响。本区煤层的单轴抗压强度平均为17.5120.53MPa。对煤层进行不同围压条件下的三轴抗压强度试验，表明随着围压的增加，煤的抗压强度呈明显增加，但并非线性关系，在围压的条件下煤的破坏形式主要为剪切破坏。本区煤层顶底板岩石一般为泥岩、砂泥岩、粉细砂岩、中粗砂岩及粗砂岩等组成，各类岩石的单轴极限抗压强度一般为3060MPa，只有少数在20MPa以下。从不同岩性的抗压强度值来看，泥岩、砂泥岩的抗压强度普遍较高，一般为4050MPa，个别最高可达70MPa，而中粗砂岩的抗压强度值最低，多在3040MPa，粉细砂岩的抗压强度一般在3050MPa。分析其原因，主要是由于泥岩和砂泥岩含钙质较高，所以较致密坚硬，力学强度较大，而中粗砂岩多以泥岩胶结为主，结构较疏松，特别是在含水较高的情况下，力学强度会降低。本区各类岩石的软化系数大部分在0.40.70之间，低于0.75，表明本区岩石属于易软化岩石，遇水后其力学强度会明显减低，直到崩解。2.2浅埋煤层的特征近十几年来，各科研单位在本区做了大量的研究工作，煤矿企业也在生产中总结了大量的经验，本区煤层埋藏浅，基岩薄(一般小于120m)，通常上覆较厚的松散层，其矿压显现规律不同于普通采场，具体表现为如下特征:(1)顶板基岩厚度小于60m时，顶板沿全厚切落，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。工作面覆岩不存在“三带”，基本上为冒落带和裂隙带“两带”。(2)浅埋煤层工作面顶板一般为单一主关键层类型，基本顶岩块不易形成稳定的砌体梁结构。基岩厚度大于60m时，一般认为顶板有1层或以上亚关键层，基本顶来压较为缓和。3浅埋薄基岩煤层覆岩活动规律研究不同基岩厚度的采场上覆岩层运动规律是不同的，所采取的采煤方法和支护参数也是不同的。针对内蒙古中西部地区浅埋煤层的综合地质条件地、特征，本章将基岩的厚度进行分类，采用UDEC数值模拟的方法，分析了不同分类基岩的运动规律，以便确定与之对应的控顶方案和合理的开采参数。3.1基岩厚度分类通过对本区地质条件的分析和诸多矿井的开采实践分析总结，本区采场基岩厚度一般在580m之间，一般基岩厚度在60m以下，上覆松散层基本为风积沙，其厚度在565m之间，大部分集中在1555m之间。3.1.1浅埋薄基岩煤层两带高度计算(1)裂隙带高度计算因地质体中覆岩岩性是连续变化的，所以提出以岩体综合强度为变量的裂高预计方法，计算公式如下:式中 裂隙带高度，m，M 采高，m，、岩体综合强度系数，依据地质资料，本区井田覆岩综合强度为：32 MPa 38MPa，由此计算得本区井田覆岩HL计算得出裂隙带高度约为：27.131.5m。(2)冒落带高度计算一般情况下，冒落高度以48倍的采高预计。考虑岩石碎涨系数KP=1.31.5，采空区顶板冒落高度可以下式计算，式中 冒落带高度，mM 一煤层厚度，取平均煤厚5m， 岩石碎涨系数，=1.31.5，A 煤层倾角，lo3o。冒落带高度=(48) 5=2040m。3.1.2浅埋薄基岩煤层基岩厚度分类根据本区煤层覆存的特点及冒落带和导水裂隙带的计算，拟将本区煤层基岩分为4类。见表2.1所示。由上述冒落带高度计算结果，并根据本区地质条件和特征的分析可将厚度小于15m的基岩定为第一类浅埋薄基岩。由导水裂隙带高度的计算，结合具体地质条件，将厚度在1535m之间的基岩定为第二类浅埋薄基岩。根据本区众多煤层的基岩厚度统计，及生产中顶板运动的规律分析，将厚度在3560m之间的基岩定为第三类浅埋薄基岩。根据顶板运动的规律分析统计将厚度大于60m的基岩定为第四类浅埋薄基岩。表3.1 基岩厚度分类类型一二三四基岩厚度/m1515353560603.2上覆岩层关键层受力及破断分析对于采场矿压显现产生影响的关键层，人们习惯称之为基本顶，它断裂后形成的“砌体梁”结构将直接影响顶板的稳定性。坚硬岩层在破断前可视为板结构，在一定条件下可简化为梁。采用平面应力模型建立基本顶关键层固支梁力学模型15，如图2.1所示。岩梁内任一截面DD的弯矩为：则在梁的两端， ；在梁的中间，式中： L岩梁跨距，q基本顶关键层载荷。L岩梁跨距，q基本顶关键层载荷图3.1基本顶关键层固支梁受力分析设关键层岩梁厚度为h，用材料力学方法可以求出固支梁下缘(y=h/2)的正应力为：梁端的最大拉应力为：按拉破坏准则，岩梁的极限跨距为：式中：Rt岩石抗拉强度考虑到实际开挖存在的损伤效应，引入损伤因子，则初次来压步距确定计算公式为：式中：关键层开挖损伤因子；根据现场实践计算结果取0.35，Rt关键层有效抗拉强度，qi关键层上单位载荷及关键层自重。本区基本顶关键层的初次来压破断距按照固支梁力学模型计算。结果如表2.2所示。表3.2 本区上覆关键层初次破断距初次破断距510152025303540抗拉强度/MPaMin 0.704.87.29.113.713.119.716.725.220.130.323.235.126.239.629.143.9Max 1.603.3浅埋煤层基岩运动规律数值分析本节针对上述四类不同厚度薄基岩采用数值模拟的方法，研究其上覆岩层的运动与顶板垮落规律，分析其顶板下沉及地表塌陷的特点，为东胜煤田浅埋采场条件下不同基岩厚度的煤层开采顶板控制提供依据。3.3.1数值模型的建立本模拟采用的数值模型软件为ltasca公司在1996年推出的最新的UDEC3(Universal Distinet Element Code)版本。(1)数值模拟模型范围根据本区地质条件建立起来的模型如图2.2所示。模型采用平面应变模型，根据模拟基岩厚度不同，模型长度为200m、300m不等，垂直方向分别取39m、60m、79m、80m、10Om、110m、120m不等，煤层厚度5m，模拟开采厚度为5m。图3.2 数值模拟模型示意(2)模型参数选择及块体划分模型中围岩与煤层的力学参数选择为本区的综合平均值，详见表3.3。围岩结构关系采用Mohr.Coulumb模型。表3.3 本区围岩综合参数岩层名称密度/kgm-3抗压强度/MPa抗拉强度/MPa粘聚力/MPa内摩擦角/()柏松比表土松散层18005131.52.00.4细砂岩2400321.97380.2粉砂岩2400301.056400.15中砂岩2500311.87360.12泥岩2400484310350.12沙砾岩2200330.93300.20砂质泥岩2400453.538370.18煤层1370190.951.2380.20模型中块体的划分根据各层的岩石力学强度特性和节理的分布情况进行划分，使其接近实际岩体的分布特征。模型块体划分如图3.3所示。图3.3 数值模拟模型块体划分3.3.2数值模拟分析(1)第一类浅埋薄基岩模拟结果分析基岩厚度为5m时，模型范围为200m39m，分别模拟开挖20m、30m和80m三种情况下的顶板下沉、地表下沉。顶板下沉模拟三种开挖情况下的顶板下沉曲线如图2.4所示。从图中可以看出，开挖20m时，在开切处(60m)顶板下沉量达到4000rnrn，顶板下沉为垂直切落，范围为13m，在74m至80m段内顶板下沉量为2631mm。可以看出顶板的下沉方式为台阶状下沉，后段下沉量小是由于前段顶板垮落的岩石堆砌限制了后段顶板的垮落。开挖30m时，开挖段顶板下沉量普遍达到4000mm，说明顶板充分垮落。开挖80m时，顶板下沉也达到4000mm，垮落充分。从顶板的下沉量曲线可以看出，顶板垮落方式为台阶下沉，沿煤壁垂直切落。地表下沉模拟三种开挖情况下的地表下沉曲线如图2.5所示。从图中可以看出，开挖20m时，在开挖段中部(70m处)地表下沉量最大，达到309.7mm，在开切处(60m)地表下沉量也达到73.3mm，下沉曲线沿开挖段中部对称分布，形态为台阶状，再次证明了顶板下沉呈现台阶下沉状，覆岩运动直达地表，造成地表的台阶状塌陷。在开挖30m后，经历了初次来压和几次周期来压，地表下沉量急剧增加，最大下沉量达到了2870mm，基岩厚度小，顶板无力支撑，顶板的垮落致使地表迅速响应。开挖80m时，中部40m范围内地表下沉量达到4000mm，开采达到了充分采动。从地表的下沉量曲线可以看出，基岩厚度太小，无法承担上覆岩层的荷载，顶板的垮落直接引起地表的下沉，顶板垮落直达地表，引起地表出现台阶状的下沉。图3.4 基岩厚度5m时顶板下沉模拟图3.5基岩厚度5m时地表下沉模拟(2)第二类浅埋薄基岩模拟结果分析基岩厚度为20m时，模型范围为300m79m，分别模拟开挖25m、40m和I00m三情况下的顶板下沉、地表下沉。顶板下沉模拟三种开挖情况下的顶板下沉曲线如图2.6所示。从图中可以看出，开挖25m时，在开切处(90m)顶板下沉量达到4000mm，顶板下沉为垂直切落方式，可以看出顶板的垮落方式为台阶状下沉。开挖40m时，开挖段顶板下沉量普遍达到4000mm，说明顶板充分垮落。开挖100m时，顶板下沉也达到4000mm，垮落充分。顶板的初次来压步距为15m左右，周期来压步距为10m，比第一类薄基岩条件下的来压步距要大，第一类薄基岩顶板基本为随采随冒，顶板无法承担上覆岩层的重量。从顶板的下沉量曲线可以看出，顶板垮落方式为台阶下沉，沿煤壁垂直切落。图3.6 基岩厚度20m时顶板下沉模拟图3.7 基岩厚度20m时地表下沉模地表下沉模拟三种开挖情况下的地表下沉曲线如图2.71所示。从图中可以看出，开挖25m时，在开挖段中部(102m处)地表下沉量最大，达到102.8mml，在开切处(90m)地表下沉量也达到99.47mm，下沉曲线沿开挖段中部对称分布，形态为台阶状，说明顶板下沉呈现台阶下沉状，但是下沉量较第一类薄基岩少，地表下沉不明显。在开挖40m后，经历了初次来压和周期来压，地表下沉量增加，最大下沉量达到了1472mm，顶板的垮落致使地表下沉迅速。开挖100m时，中部32m范围内地表下沉量达到4000mm，开采达到了充分采动。从地表的下沉量曲线可以看出，基岩厚度较薄，顶板的垮落直接引起地表的下沉，顶板垮落直达地表，引起地表出现台阶状的下沉。整个基岩处于冒落带和裂隙带，没有弯曲下沉带，即为“两带”，这也证明了理论计算中确定的裂隙带分布，实际中也证明基岩厚度较薄时，基岩不存在弯曲下沉带的“两带”特点。(3)第三类浅埋薄基岩模拟结果分析基岩厚度为45m时，模型范围为300mxl00m，分别模拟开挖36m、50m和120m三种情况下的顶板下沉、地表下沉。顶板下沉模拟三种开挖情况下的顶板下沉曲线如图2.8所示。从图中可以看出，开挖36m时，在开切处(90m)顶板下沉量达到4000mm，顶板下沉为垂直切落方式，可以看出顶板的垮落方式为台阶状下沉。开挖50m时，开挖段顶板下沉量普遍达到4000mm，说明顶板充分垮落。开挖120m时，顶板下沉也达到4000mm，垮落充分。顶板的初次来压步距为28m，周期来压步距为17m，比前两类薄基岩条件下的来压步距要大。从顶板的下沉量曲线可以看出，顶板垮落方式仍为台阶下沉，沿煤壁垂直切落。图3.8 基岩厚度45m时顶板下沉模拟地表下沉模拟三种开挖情况下的地表下沉曲线如图2.9所示。从图中可以看出，开挖36m时，地表下沉量最大达到109.8mm。，在开切处(90m)地表下沉量也达到82.1mm，下沉曲线并不沿开挖段中部对称分布，而是呈现前大后小的下沉曲线，这也说明了基本顶垮落的非对称性，垮落后基本顶形成了非对称三角拱，前部岩块大，后部岩块小，后部岩块垮落后挤压在前部岩块上，下沉减小所致。下沉形态为平缓台阶状，说明顶板下沉仍然呈现台阶下沉，但是下沉量较前两类薄基岩小，也比较平缓，地表下沉不明显。在开挖50m后，经历了初次来压和周期来压，地表下沉量增加，最大下沉量达到了513.8mm，但是台阶下沉不明显。开挖120m时，中部仅有20m范围内地表下沉量达到3800mm，下沉比较平缓，没有出现台阶状。地表下沉都比前两类薄基岩情况下小的多。从地表的下沉量曲线可以看出，这类基岩开采引起的地表下沉量较小，地表下沉的台阶状不明显，基本顶断裂呈现非对称性，前部岩块大，后部岩块小。图3.9 基岩厚度45m时地表下沉模拟(1)第四类浅埋薄基岩模拟结果分析本模拟只研究基岩厚度为80m时的情况，模型范围为300m110m，分别模拟开挖40m、60rn和100m三种情况下的顶板下沉、地表下沉。顶板下沉模拟三种开挖情况下的顶板下沉曲线如图2.10所示。从图中可以看出，开挖40m时，在开切处(90m)顶板下沉量达到26.54mm，顶板下沉量大大减小，并且基本顶岩块已不再作台阶状下沉。开挖60m时，开挖段顶板下沉量在中部15m范围内达到3600mrn，其余部分下沉量在850mm左右，这是由于开挖段两端岩体弯曲下沉未能完全触研所致。开挖120m时，开挖段中部60m范围顶板下沉也达到3800mm，垮落充分。顶板的初次来压步距为36m，周期来压步距为24m，比前几类薄基岩条件下的来压步距要大。从顶板的下沉量曲线可以看出，顶板垮落方式为弯曲下沉垮落，不再出现沿煤壁垂直切落。图3.10 基岩厚度80m时顶板下沉模拟地表下沉模拟三种开挖情况下的地表下沉曲线如图2.11所示。从图中可以看出，开挖40m时，地表下沉量最大达到36.75mm，在开切处(90m)地表下沉量也达到26.25mm，下沉曲线平滑，不再出现台阶下沉状，说明地表下沉呈平滑状态，地表下沉两很小，图3.11基岩厚度80m时地表下沉模拟最大下沉量达到了207.2mm，认为平缓下沉。开挖120m时，中部仅有10m范围地表下沉不明显。在开挖60m后，经历了初次来压和周期来压，地表下沉量增加，围内地表下沉量达到400mm，下沉比较平缓，没有出现台阶状。地表下沉都比前三类薄基岩情况下小的多。从地表的下沉量曲线可以看出，这类基岩开采引起的地表下沉量较小，地表下沉的不再呈现台阶下沉。3.3.3数值模拟结果分析对不同厚度的浅埋煤层基岩分别做顶板下沉模拟，地表下沉模拟，顶板运动形态模拟，在四类浅埋薄基岩的模拟分别的出以下结论。(1)第一类浅埋薄基岩顶板由于基岩厚度小，基岩无法承担上覆岩层的重量，在开采过程中出现了严重的台阶下沉，在煤壁处出现顶板的垂直切落，覆岩破坏表现为整体垮落，直达地表，引起地表的明显台阶下沉。(2)第二类浅埋薄基岩煤层顶板初次来压步距在20m左右，周期来压步距为12m左右，均比第I类浅埋薄基岩要大。在开采过程中，顶板出现了台阶下沉，在煤壁处出现顶板的垂直切落，引起地表的平缓台阶下沉，但比第一类浅埋薄基岩缓和。基岩处于冒落带和裂隙带中，不存在弯曲下沉带，为明显的“两带”分布。顶板初次来压步距和周期来压步距都比第I类浅埋薄基岩大，顶板控制也较前一类简单。(3)第三类浅埋薄基岩煤层顶板初次来压步距在30m左右，周期来压步距为17m左右，均比前两类浅埋薄基岩要大。开采过程中，基本顶也出现了台阶下沉，在煤壁处出现顶板的垂直切落，引起地表的平缓台阶下沉，但是下沉量很小。随着基岩厚度的增加，基本顶也出现了拉应力破坏，并且表现出典型的非对称三角拱结构，前部岩块大，后部岩块小。(4)第四类浅埋薄基岩煤层顶板初次来压步距在36m左右，周期来压步距为24m左右。第在开采过程中，基本顶没有出现台阶下沉，而是弯曲下沉，顶板垮落下沉引起地表的轻微下沉，下沉量很小，认为顶板存在两层或以上关键层，覆岩破裂不会导致顶板的整体切落。顶板运动形式接近普通深埋矿井工作面的形式。4浅埋薄基岩煤层回采技术适用条件分类第二章对本区的不同基岩厚度进行了分类，并对不同分类基岩条件下的开采进行了相应的模拟，得到了各分类基岩的运动规律，本章根据前面的研究成果，对不同分类基岩条件下煤层采场参数的适用条件进行分类研究，得到相应的回采工艺及支护设计，更好地为采煤工作服务。4.1浅埋薄基岩煤层覆岩稳定性分析对浅埋薄基岩煤层基本顶关键层破断后的结构分析如下：(1)三角拱结构分析根据UDEC模拟结果及实际资料，基本顶初次破断具有不对称性，靠工作面一侧的岩块长度一般要大于另一侧，形成一个三角拱结构，如图3.1所示。图4.1基本顶初次来压前的围岩分布特征以此建立如下图3.2力学模型：图4.2关键层初次破断后的三焦拱力学模型基本顶岩块间挤压面长度的简化计算式为：水平力T作用点的位置可取a /2处。取 将代入后得：令： 则上式可简化为：式中：K影响系数，可取11.5。根据统计，本区取K1.35，可得：(1)三焦拱结构稳定性分析滑落失稳分析为防止基本顶破断岩块在煤壁处发生滑落失稳，必须满足条件：式中：tan破断岩块间的摩擦系数，据实验测试和现场统计取0.5。得出：一般起始回转角小于4，可不发生滑落失稳：即不失稳条件:i0.52。回转变形失稳分析随着基本顶岩块的回转，岩块间的挤压力T值将越来越大，铰接处将会因挤压破坏产生回转失稳。一般希望出现尽早回转变形失稳，以避免滑落失稳。破断岩块间的回转变形失稳条件为：式中：c基本顶岩块端角挤压强度，T/接触面上的平均挤压力。将上述公式代入后可知块度i越小，回转角1越大，三角拱结构越易回转变形失稳，对顶板控制相对比较有利。(3)单斜岩块结构分析基本顶触研后，形成一个单斜结构15，如图3.3所示。图4.3基本顶单斜岩块受力分析此时岩块回转角1达到最大值1max，其值可由下式确定：式中： m 采高， h 直接顶厚度，Kp顶板碎涨系数。则水平力T按下式计算：式中： tan 岩块与矸石的摩擦因素，(4)单斜岩块结构稳定性分析触研后的单斜结构不发生滑落失稳的条件:由此得：计算分析求得只1max一般为10左右，则:i 1.57。所以在初次来压期间顶板块度如果小于1.57，则单斜岩块结构难以保持自身稳定，如果不采取合理的支护与控制措施，滑落失稳是必然的。本区基本顶块度以下式计算，其结果如表3.1所示：式中：L初次断裂长度，hi基本顶基岩厚度，;K影响系数，取1.5。表4.1 本区不同厚度的基岩断裂块度计算结果基岩厚度/m10203040最小初次破断距/m9.116.723.229.1最大初次破断距/m13.725.235.143.9块度Min/m1.211.321.421.52Max/m1.842.002.152.30通过表4.1对基本顶关键层初次破断后的三角拱结构、基本顶触研后的单斜岩块结构稳定性分析与计算，得到如下结论：(1)较坚硬岩层容易失稳，相反，较软弱岩层初次破断岩块的三角拱结构及触研后的单斜结构相对较为稳定，(2)基本顶触矸前的非对称三角拱结构存在回转失稳的可能。4.2浅埋薄基岩煤层回采技术分类根据前面的数值模拟和理论计算分析，结合本区已开矿井的生产实践，将不同厚度基岩合理回采技术的适用条件进行分类，如表 3.2所示。表4.2 浅埋薄基岩煤层回采工艺适用条件分类类型一二三四基岩厚度/m151535356060采厚/m5555采煤方法房式或房注式开采房式或房注式开采长壁工作面开采长壁工作面开采4.2.1第一类浅埋薄基岩煤层回采技术第一类浅埋薄基岩煤层由于顶板基岩太薄，无法承担上覆岩层的重量，开采过程中严重的顶板台阶下沉，覆岩整体切落，直达地表，造成地表的严重台阶下沉，因此这类薄基岩条件下的开采推荐选用房式或房柱式开采方法。4.2.2第二类浅埋薄基岩煤层回采技术第二类浅埋薄基岩煤层由于顶板基岩较薄，为控制顶板，实现安全生产，建议采用房式或房柱式开采方法，可采用连续采煤机短壁开采会大幅提高回采效率，本节考虑连续采煤机工作面开采。本区推荐采用连续采煤机连续运煤系统胶带输送机工艺系统。工作面连续采煤机落煤后，转运至连续运煤系统，经连续运煤系统运至工作面运输巷胶带输送机。连续运煤系统运行距离区间100200m(自身长80m，刚性架子长80m)，所以受其总长度的制约，每回后退80m需前移刚性架子和回缩胶带一次。(1)支巷掘进按相关理论计算分析，结合本区实际条件，确定煤房及联络巷顶板均采用锚网支护。支巷采用连续采煤机掘进，支巷采用顶部锚网支护，由锚杆钻机来完成，采煤机和锚杆钻机进行交替作业。(2)煤柱回收当工作面支巷掘进到位后，进行煤柱的回收，采用左右侧交替进刀的双翼进刀回收煤柱，连续采煤机从回风巷侧后退式依次按45“角斜切进刀，交替回收支巷左右煤柱，当采煤机进刀一半深度后退出，转向另一侧进刀，锚杆机及时进入，进行顶部锚杆支护，采煤机与锚杆机交替循环作业。两台履带行走式支架在支巷内迈步式向前移动，及时支护连续采煤机后方的悬空顶板。(3)工作面运煤系统连续采煤及落煤后经其收集头、输送机转载至运煤系统的第一台带有给料破碎机动式桥式输送机上，再经由连续运煤系统输送机、移动式桥式输送机、机位刚性架子到达工作面运输巷的胶带输送机上。(4)顶板管理工作面在回收煤柱过程中履带式支架可以带压移架，及时支护顶板，保证工作面的安全回采空间，同时该支架可以切顶，回采完成后的采空区顶板有规律的充分冒落，即采用全部跨落法管理顶板。4.2.3第三、四类浅埋薄基岩煤层回采技术第三、四类浅埋薄基岩煤层采用长壁工作面采煤，回采工艺同普通长壁工作面相似，加之煤层厚度较大，倾角较小，覆存条件好，建议本区采用高产高效综合机械化采煤，长壁工作面斜长一般不低于250m，工作面推进长度可适当的加长，液压支架选用高强度支架，其他设备根据生产能力综合选择，以此来实现高产高效生产一矿一井一面的回采。5浅埋煤层顶板支护设计采场支护设计是工作面顶板控制的关键环节，是保证安全生产的必要前提之一，良好的支护设计能有效控制顶板，保护人员及设备安全，确保安全顺利开采。本节根据前面的载荷传递研究和顶板运动规律分析，结合所采取的回采工艺，得到合理可行的支护设计方案。5.1第一、二类浅埋薄基岩煤层支护设计第一类浅埋薄基岩煤层采用房式或房柱式开采方法，支护方式主要采用锚杆支护16 。第二类浅埋薄基岩煤层采用短壁连采机回采工艺，支巷掘进时顶板采用锚杆支护，在回收支巷煤柱时则在采空区边缘布设履带行走式液压支架，两台履带行走式液压支架在煤房内迈步式向前移动，及时支护连续采煤机后方的悬空顶板，煤柱回收后采用全部垮落法管理顶板。短壁煤柱回收后，煤层顶板像长壁工作面一样同样要经历直接顶初次垮落和基本顶初次来压及周期性来压的过程，但由于短壁开采在回收煤柱时的采空区中留有小煤柱临时支撑顶板，使得直接顶垮落受到一定的影响。为了控制采场顶板，采用履带行走式液压支架支护直接顶，采场顶板来压时，行走支架位于两翼回收煤柱的三角区，顶板压力主要由煤柱来承担，对行走支架的冲击载荷不像长壁工作面液压支架那样大，动载系数小于长壁开采时的动载系数。因此，行走支架以支护直接顶岩层为主，基本顶岩层断裂后形成的附加载荷对支架影响不大。5.2第三、四类浅埋薄基岩煤层支护设计在前文中已经得出第三、四类浅埋薄基岩煤层可采用长壁工作面采煤，故考虑长壁工作面的支护设计。5.2.1基本顶关键层初次破断后的支护阻力分析与确定根据基本顶初次来压得结构分析，基本顶触研前的非对称三角拱结构有滑落失稳和回转失稳两种可能，而触研后的单斜结构仅为滑落失稳。滑落失稳对工作面威胁最大，故顶板控制主要是控制基本顶结构沿煤壁滑落失稳。控制三角拱结构滑落失稳的支护力分析13，得出：由上式可以明显看出，块度i越小，回转角1越大，三角拱结构越易回转变形失稳，支护力R01越小。控制单斜结构滑落失稳的支护力分析控制单斜结构滑落失稳是基本顶初次来压期间顶板控制的基本要求。由上面分析可知，必须提供必要的支护力才能维持顶板稳定，其控制条件为：代入上述公式得出支护阻力R02为：5.2.2基本顶关键层周期来压支护阻力分析与确定基本顶周期破断形成的“砌体梁，平衡结构力学模型15如图4.1所示，取 。根据对顶板整体结构的计算得，由此可以推导出周期来压期间：图4.1 关键层周期来压的力学模型为防止周期来压时结构沿工作面发生滑落失稳，其自身必须满足条件：可得：由于1的限制，当i 0.9时，顶板才不会出现滑落失稳。控制周期来压滑落失稳