（采矿工程专业论文）厚基岩浅埋煤层大采高长工作面矿压规律研究.pdf

论文题目： 专业： 硕士生： 指导老师： 厚基岩浅埋煤层大采高长工作面矿压规律研究 采矿工程 高登彦 柴敬 摘要 ( 签名) ( 签名) 随着神东矿区的开发，我国学者对薄基岩浅埋煤层进行了深入的研究，得出了典型 浅埋煤层工作面上覆岩层移动以及矿压显现规律，很好地指导了现场生产。近几年随着 神东矿区工作面的加长、采高的逐渐增大、上覆岩层基岩厚度增大，厚基岩浅埋煤层覆 岩移动和矿压显现规律研究无疑成为了新问题。 本文针对乌兰木伦煤矿6 1 2 0 3 工作面地质条件，采用理论分析、相似模拟实验、数 值模拟和现场数据分析等方法，对厚基岩浅埋煤层大采高加长工作面矿压规律进行了研 究。运用“关键层理论”对覆岩移动规律进行了研究，并进行了理论计算。利用物理相似 模拟对支架工作阻力、覆岩移动规律、底板支撑压力进行了分析。采用r f p a 2 d 数值模 拟方法对厚基岩大采高工作面开采过程进行了模拟，对顶板垮落过程和覆岩移动规律进 行了分析。通过现场监测，从走向和倾向两个方面对矿压规律进行了分析，对厚基岩条 件下工作面长度和支架合理工作阻力进行了研究。 研究表明，乌兰木伦煤矿l 也煤层大采高加长工作面矿压规律明显，来压期间支架 的工作阻力比较大，工作面压力一般呈中间大，两头小；初次来压步距为4 2 - - - - 6 4 m ，周 期来压步距平均为1 2 9 - - 13 3 m ：采场来压将呈现非均匀性周期变化，分析出了支架合 理的工作阻力，其参数范围应为9 8 2 7 - - 1 3 1 1 5 k n 架。模拟了工作面支架的“支架一围岩” 相互关系，得出了底板支撑压力影响范围，分析出上覆岩层不会出现沿工作面整体切落 的剧烈矿压显现，而是出现“三带”分布。通过“关键层理论”建立了关键岩块结构力学模 型，得到了厚基岩厚关键层条件下综采工作面支架合理支护阻力的理论计算值。 关键词：厚基岩；相似模拟；矿山压力显现；支架阻力；厚关键层；数值模拟 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：s t u d yo ng r o u n dp r e s s u r eb e h a v i o ro fa nl o n gm i n i n gf a c e w i t ht h i c kb e d r o c ks h a l l o ws e a ma n dl a r g em i n i n gh e i g h t s p e c i a l t y ：m i n i n ge n g i n e e r i n g n a m e ：g a od e n g y a n s u p e r v i s o r ：c h a ij i n g a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u r e ) w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs h e n g d o n gc o a la r e a , t h es h a l l o ws e a m 、柝t 1 1t h i nb e dr o c ki s d e e p l ys t u d i e db yr e s e a r c h e r si no u rc o u n t r y t h eo v e r b u r d e nm o v e m e n ta n dm i n i n gp r e s s u r e b e h a v i o ro ft y p i c a ls h a l l o wc o a ls e a mm i n i n gf a c ei so b t a i n e d ，w h i c hc a nw e l lg u i d et h ef i e l d p r o d u c t i o n r e c e n t l y , 、) l ，i mt h ee x t e n s i o no ft h em i n i n gf a c e ，t h em i n i n gh e i g h ta n dt h eh e i g h t o ft h eb e dr o c ko ft h eo v e r b u r d e ni ns h e n g d o n gc o a la r e a , t h es t u d yo ft h eo v e r b u r d e n m o v e m e ma n dm i n i n gp r e s s u r eb e h a v i o ro fs h a l l o wc o a ls e a m 、析t l lt h i c kb e dr o c kb e c o m e s t h en e w p r o b l e m b a s e do nt h eg e o l o g i c a lc o n d i t i o n so ft h e612 0 3m i n i n gf a c eo fw u l a n m u l u nc o a lm i n e ， t h em i n i n gp r e s s u r eb e h a v i o ro ft h es h a l l o wc o a ls e a me x t e n d e dm i n i n gf a c ew i t ht l l i c kb e d r o c ka n dh i g hm i n i n gh e i g h ti ss t u d i e db ym e a n so ft h e o r e t i c a la n a l y s i s ，s i m i l a rs i m u l a t i o n e x p e r i m e n t ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n d f i e l dm o n i t o r i n gd a t aa n a l y s i s t h eo v e r b u r d e n m o v e m e mi ss t u d i e da n dc a l c u l a t e dt h e o r e t i c a l l yb y k e ys t r a t at h e o r y t h es u p p o r tw o r k i n g r e s i s t a n c e ， o v e r b u r d e nm o v e m e ma n df l o o rs u p p o r tp r e s s u r ea r e a n a l y z e db y s i m i l a r s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t t h ea d v a n c i n gp r o c e s so fm i n i n gf a c e 、i ml l i g hm i n i n gh e i g h ta n d t h i c kb e dr o c ki ss i m u l a t e dw i t hr f p a 2 dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d ，a n dt h er o o fc a v i n g p r o c e s sa n do v e r b u r d e nm o v e m e n ti sa n a l y z e d w i t ht h ef i e l dm o n i t o r i n g ，t h em i n i n gp r e s s u r e i sa n a l y z e di nt h es t r i k ed i r e c t i o na n dt r e n dd i r e c t i o n ，t h el e n g t ho ft h ef a c ea n dt h es u i t a b l e s u p p o r tw o r k i n gr e s i s t a n c eu n d e r t h i c kb e dr o c kc o n d i t i o n sa r es t u d i e d t h es t u d ys h o w st h a t ，t h em i n i n gp r e s s u r eb e h a v i o ro ft h ee x t e n d e dm i n i n gf a c ew i t h h i g hm i n i n gh e i g h ti nt h e1 - 2c o a ls e a mo fw u l a n m u l u nc o a lm i n ei sr e m a r k a b l e t h es u p p o r t r e s i s t a n c ei sr e l a t i v e l yl a r g ew h e nw e i g h t i n g ，a n dt h em i n i n gf a c ep r e s s u r ei sb i gi n t h em i d d l e a n ds m a l li nt w os i d e s ；t h ef i r s tw e i g h t i n gs t e pd i s t a n c ei s4 2 - - - 6 4 m ，t h ea v e r a g ep e r i o d i c w e i g h t i n gs t e pd i s t a n c ei s 12 9 13 3 m ；t h ew e i g h t i n go ft h em i n i n gf a c ec h a n g e s p e r i o d i c a l l ya n dh e t e r o g e n e l y , a n dt h es u i t a b l ew o r k i n gr e s i s t a n c er a n g ei s9 8 2 7 13 115 k n p e rs h e l f t h e “s u p p o r t s u r r o u n d i n gr o c k i n t e r r e l a t i o n s h i pi ss i m u l a t e d a n dt h ef l o o rs u p p o r t p r e s s u r ei n f l u e n c ea r e ai so b t a i n e d t h eo v e r b u r d e nw i l ln o tc r a c kf a i la l o n gm i n i n gf a c e ，b u t a p p e a r s t h r e e z o n e ”d i s t r i b u t i o n t h em e c h a n i c a lm o d e lo ft h ek e yb l o c ki sb u i l tw i t h “k e y s t r a t at h e o r y ”，a n dt h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t e dr e s u l to fs u i t a b l es u p p o r tr e s i s t a n c eo ft h em i n i n g f a c ew i t ht h i c kb e dr o c ka n dt h i c kk e ys t r a t ac o n d i t i o n si so b t a i n e d k e y w o r d s ：t h i c kb e dr o c k s i m i l a rs i m u l a t i o n m i n i n gp r e s s u r e b e h a v i o r s u p p o r tr e s i s t a n c e t h i c kk e ys t r a t an u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h e s i s ：a p p l y i n gr e s e a r c h 妻料技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：偈嘭久日期：) 凹厉f 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期问 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：岛噶磊指导教师签名c y - 舸 刀力年6 胄乒日 1 绪论 1 1 论文选题的背景和意义 1 1 1 论文选题的背景 1 绪论 煤炭作为一次性能源，在我国能源构成比例中占7 0 以上，这在以后几十年内将起 着重要作用，其主要地位不会发生变化。根据专家预测，为保证我国国民经济的正常发 展，2 0 0 0 年、2 0 2 0 年、2 0 5 0 年的原煤产量及占一次性能源的比重分别是1 4 亿吨、2 1 亿吨、2 6 - 2 8 亿吨及7 0 、6 8 、5 0 左右u 】。煤炭资源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，因此，煤炭资源的开采无疑成为我国经济社会稳定发 展的前提条件。 神府东胜矿区位于陕西省北部榆林地区和内蒙古自治区南部伊克昭盟境内。煤田面 积3 2 万平方公里，探明储量2 2 3 6 亿吨，远景储量高达1 0 0 0 0 亿吨，占全国探明储量的 四分之一，相当于7 0 个大同矿区、1 6 0 个开滦矿区，是我国已探明储量最大的煤田。该 煤田与美国的阿巴拉契煤田、德国的鲁尔煤田等被并称为世界七大煤田，是国家“七五”、 “八五”、“九五”计划重点建设项目。神华集团神府东胜煤炭有限责任公司经国务院批准， 负责建设经营神府东胜矿区大型骨干矿井及配套项目 2 - - 3 1 。从1 9 8 5 年开始至今，公司在 矿区先后建设矿井1 1 对，1 9 9 9 年神府东胜矿区原煤产量突破1 0 0 0 万吨，2 0 0 0 年神府 东胜矿区原煤产量突破2 4 0 0 万吨，2 0 0 1 年突破3 2 0 0 万吨，2 0 0 2 年突破4 5 0 0 万吨1 4 ， 提前实现了“神华工程”一期建设目标。神府东胜矿区己成为我国具有国际先进水平的西 部现代化能源基地。2 0 0 4 年神东煤炭公司原煤生产突破8 5 7 5 万吨，完成商品煤外运7 9 0 4 万吨，双创历史新高，2 0 0 5 年1 2 月2 3 日1 2 时，公司当年累计原煤生产顺利突破亿吨， 全国第一个亿吨级大型煤炭生产基地在矿区诞生，开创了中国煤炭工业发展新纪元。矿 井综采设备全套引进，工作面最高年产达8 0 3 3 5 万吨，最高月产达9 0 2 3 万吨，最高日 产达3 6 8 4 6 吨，原煤生产人员效率达到1 2 4 吨工，回采工效6 0 3 吨工。3 个综采队、6 个矿年产量超过千万吨。创造了公司原煤月产1 0 2 2 万吨、综采队月产1 0 7 万吨等7 2 项 生产新纪录，补连塔矿成为世界上第一个两千万吨井工矿。 神东、榆神矿区煤层赋存的突出特点是埋藏浅、顶板基岩薄、地表为厚风积沙覆盖 层，是典型的浅埋煤层【5 】。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p ，长壁回采工作面普遍出现台阶下沉 现象，矿压显现强烈【8 】。乌兰木伦矿地处内蒙半沙漠地带，是神东矿区投产最早的井工 开采矿井( 1 9 9 3 年) ，因各种条件限制，乌兰木伦矿经历了炮采、高档普采、综采工艺条 件下的柱式和壁式采煤方法【9 】，煤层赋存具有以下特点：地表有较厚的风积沙，一般厚 西安科技大学硕士学位论文 度为3 0 - - - - 5 0 m ；煤层埋藏较浅，基岩较薄；煤层属近水平煤层，煤层倾角小于3 i o l 。 我国专家学者对浅埋煤层的矿压规律作了大量研究，但对厚基岩浅埋煤层大采高加 长工作面的矿压规律研究的甚少。大采高加长工作面的技术已经在神东矿区得到广泛的 推广，工作面的长度由原来的2 4 0 m 增加到3 0 0 m 、3 6 0 m 和4 0 0 m ，工作面采高由原来 的3 5 m 增加到4 m 、4 8 m 、5 m 、5 5 m 、6 m 和6 3 m 。大采高加长工作面技术自2 0 0 4 年 7 月首先在榆家梁煤矿4 4 2 0 2 工作面成功实施以来，其技术成果已在神东矿区得到大范 围推广，取得了很大的成效】。近几年，很多学者对埋深浅、基岩薄、上覆厚松散沙层 的浅埋煤层的研究较多，对大采高采场矿压理论研究逐步n a t 1 2 15 1 ，取得了一定成果， 但对厚基岩大采高加长工作面的研究较少，这严重的制约着神东矿区的再发展，这就要 求我们对大采高加长工作面的矿压特点和规律进行研究。 1 1 2 论文选题的意义 榆神、神府、东胜矿区目前及今后相当一段时期内，各矿开采区域大部分集中于埋 深1 0 0 m 以内浅部，埋深浅、基岩薄、上覆厚松散沙层是该区煤层的典型赋存特征。虽 然煤层倾角近水平，赋存稳定，开采条件优越，但矿井初期开采实践表明，长壁工作面 普遍有台阶下沉现象，矿压显现十分剧烈，严重影响了开采的安全性、产量和效益。如 大柳塔煤矿建井初期的试采工作面( c 2 0 a ) ，来压期间普遍出现3 5 0 - - 6 0 0 m m 的台阶下沉。 矿区周围几个投产的地方国营煤矿，如郭家湾、哈拉沟、大泛窑煤矿都设计和应用了长 壁开采，但因难以控制来压期间的顶板台阶下沉，己改回为各种方式的房柱式开采。大 柳塔煤矿正式投产的第一个综采工作面0 2 0 3 ) ，埋深5 0 - - 6 0 m ，采高4 m ，用y z 3 5 0 0 2 3 4 5 型液压支架支护顶板，支架初撑力2 7 0 0 k n ，工作阻力3 5 0 0 k n f l 6 - - 1 。7 1 。初次来压期间，工 作面中部约9 0 m 范围顶板出现台阶下沉，矿压显现非常强烈，其中部3 1 m 范围顶板台 阶下沉量高达1 0 0 0 m m ，并出现溃沙现象。地面风积沙进入机尾，造成工作面支架被压 死，不少支架的立柱因受力过猛而出现涨裂，支架损坏严重。这一切说明在神东煤田浅 埋深、薄基岩、厚松散沙层的条件下，工作面顶板岩层破断运动具有特殊性，而现有普 通长壁工作面项板岩层控制的经验和理论，不能很好地解释这种矿压现象及其机理。因 此，该煤田的开发为采场顶板岩层控制提出了急需解决的新课题。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。有文献报道，印度 和澳大利亚也在进行浅部煤层开采，埋深在1 0 0 m 以内。这些国外矿区的地表主要为表 土层，工作面顶板台阶下沉和涌水溃沙现象并不突出，研究仅限于一般矿压观测和简单 的力学分析。以莫斯科近郊煤田为例，它的上覆积砂层厚度只有神府东胜煤田的十分之 一，并在直接顶范围之内，即煤层之上是粘土层，粘土层上是松散积砂，直接顶之上是 石灰岩老顶。而神府东胜煤田煤层开采层数多、厚度大，且砂层底部含水量比它大得多。 类似神东煤田这种浅埋深、薄基岩和地表有厚松散覆盖层赋存条件的顶板岩层控制，几 2 1 绪论 乎没有可借鉴的研究成果。长壁开采一直是我国和欧洲产煤国家的主要采煤方法。近年 来，传统上多使用连续采煤机房柱式开采的美国也大力发展高产高效长壁开采。我国借 鉴欧美地区的发达国家的高产高效综采经验，在开发神府东胜煤田中主要采用了长壁综 采技术，力求在产量和效益上赶超世界水平。随着神东煤田的开发，浅埋煤层长壁开采 的矿压问题日益突出。9 0 年代初，我国开始了浅埋煤层矿压显现与岩层控制方面的探索， 部分高校和院所开展了一些研究工作，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，对顶板破断与来压机理的认识尚不统一，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。综上所述，为了使现代化大型矿区实现高产高 效，对浅埋煤层顶板岩层控制进行系统深入的研究非常必要，且具有重要的意义。 本论文以乌兰木伦矿6 1 2 0 3 工作面为背景，工作面煤层平均厚度为5 5 m ，上覆基岩 厚度为7 7 0 2 - 8 0 7 m ，松散层厚度为3 3 - 4 m ，以风积砂为主。工作面可采推进长度为 5 0 7 7 m ，综采工作面倾向布置长度为3 6 1 m 。该工作面和以往所研究的薄基岩厚松散层 有很大区别，是典型的厚基岩浅埋煤层。近年来人们对埋深小于l o o m 的浅埋煤层研究 的比较多，一些相关理论都是建立在薄基岩埋深小于l o o m 的浅埋煤层上，而对基岩厚 度比较大及埋深大于1 0 0 m 的浅埋煤层研究比较少，只是简单的谈谈，尤其对厚基岩浅 埋煤层大采高加长工作面的研究较少，现在正处在陕晋蒙宁煤炭大开发中，研究本文具 有理论意义和现实意义。 1 2 浅埋煤层国内外研究现状及发展趋势 1 2 1 国外研究现状 浅埋煤层在国外不多，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。因此国外关于浅埋煤层顶板岩层控制方面的研 究不是很多，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【l8 j 【2 j 。该假说指出当煤层埋藏较浅时，上覆岩层可视为均质。随工作面推进， 顶板将呈斜方六面体沿煤壁斜上方垮落直至地表，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 区跨度计算上覆岩层全部重量。显然，秦氏把岩层运动的几何形状过分绝对化了，并且 在对老顶的分析中，既没有涉及老顶的破断过程，也未涉及老顶破断后岩块的平衡条件。 在浅埋煤层矿压显现方面，前苏联b b 布德雷克于1 9 8 1 年在前苏联煤杂志第 2 期上发表了“莫斯科近郊煤田矿山压力的特点”一文。文章指出，在埋深l o o m 且存在 厚粘土层条件下，放顶时支架出现动载现象，约1 2 的采区煤柱出现动载现象。说明浅 埋煤层顶板来压迅猛，与普遍采场顶板逐次垮落失稳形成的缓和来压有明显区别。8 0 3 西安科技大学硕士学位论文 年代初，澳大利亚b 霍勃尔瓦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。该矿开采李寺古煤层，顶板为煤、页岩互层，坚固稳定， 采高2 6 m ，煤层赋存平缓，初期煤层开采深度约7 2 m ，工作面长1 3 5 m 。顶板破断与岩 层移动特征：初次垮落步距1 0 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7 6 0 - 9 0 0 ，地表最大下沉量为采高的6 0 ，最大下沉量的 8 5 发生于距工作面4 0 m 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i j 方上平巷顶底板移近量不大，除超前支承压力区的最大移近量为 2 0 m m 外，一般均小于1 0 m m 。观测研究认为：这与工作面煤层埋藏浅，顶板产生“瓶塞” 状破断有关。工作面支架载荷：工作面使用8 9 架支撑掩护式支架，额定工作阻力4 5 0 0 k n 架，初撑力为额定工作阻力的8 0 。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3 7 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【2 】。 进入9 0 年代，澳大利亚l h o l l a 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u 9 j 。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。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，主要开 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 2 0 2 引。 1 9 9 5 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( c m e ) 购 置2 套综采成套设备，使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 2 6 - 3 0 l 。p v 煤矿采深6 5 m ，煤层倾角5 0 7 0 ，采高3 m ，顶板基岩约为4 0 m 沙岩层，表 土层厚3 m 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。 周期来压布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，根据p v 矿地质条件和支架与围岩的关系建立了力学模型。 中国煤矿机械装备公司( 简称c m e ) 1 9 9 7 年向印度东南煤炭公司( 简称s e c l ) f l 三口了3 套综采成套设备，这些设备于1 9 9 8 年5 月1 1 日开始相继在巴兰布矿、拉金达矿和牛库达矿 投入使用，在回采过程中创立了“浅埋深地面爆破综采长壁采煤法”。地面未爆破期间综 采工作面矿压特点： ( 1 ) 顶板大周期来压步距稳定，呈大面积来压。巴兰布矿p 1 工作面顶板初次来压 后，工作面推至距开切眼8 4 m 和1 6 8 m 处，上覆岩层垮至地表，形成大面积来压。据此 来压步距8 4 m ，垮落面积为1 2 6 0 0 m 2 。拉金达矿p 1 6 工作面顶板初次来压后，工作面推 至1 4 5 m 和3 1 2 m 处发生2 次顶板大周期来压，其步距为工作面长度的1 0 4 倍。当工作 面推至3 1 2 m 时，工作面支架受载急剧上升，立柱最大工作阻力达8 0 m p a ，为额定值的 4 1 绪论 2 倍；支架平均受载达5 6 5 2 k n ，为额定值的1 1 2 ；其动载系数即来压强度为1 7 2 ，立 柱安全阀几乎全部开启；顶板台阶下沉高达8 0 0 m m ，大约3 一- - 5 m i n ，压死2 1 台支架，个 别支架液压系统和顶梁遭到损坏。 ( 2 ) 顶板小周期来压步距分布不均。拉金达矿p 1 6 工作面顶板在大周期之间，小周 期来压步距平1 5 3 6 m ，其均方差为4 5 9 m ，小周期来压步距最大和最小值分别为2 1 8 5 m 和6 5 m 。这反映顶板小周期来压步距分布是不均的。巴兰布矿p 1 、2 工作面也是如此。 ( 3 ) 顶板来压强度大，来压显现剧烈。从巴兰布矿p 1 工作面立柱压力表记录看， 历次顶板来压时立柱平均压力比来压前高1 2 6 和1 5 4 ，动载系数最大达2 1 5 。因此， 可使顶板沿煤壁台阶下沉6 0 0 - 8 0 0 m m ，立柱安全阀和液控单向阀开启，导致支架压死。 拉金达矿p 1 6 工作面未爆破( 含间隔放炮) 期间，顶板来压强度平均值为1 4 5 ，均方差为 o 1 3 ，最大值为1 7 4 。 ( 4 ) 项板来压速度快，立柱刚性支撑损坏支架。巴兰布矿p 1 工作面上覆岩层第1 次垮至地表，此时工作面5 0 - 7 3 支架突然来压，安全阀开启，项板断裂淋水增大。支 架于2 0 m i n 内，压力从3 0 m p a 增至3 9 m p a 。此次压死支架3 2 台，局部支架液压系统元 件遭到损坏。 ( 5 ) 支架受载及顶板来压强度分布不均。全工作面支架受载不均，其表现为： 1 ) 后柱受载明显高于前柱；2 ) 工作面中部支架受载高于两端；3 ) 工作面中部顶板 来压强度高于两端。 ( 6 ) 大块岩石断裂转动使支架推向煤壁。从工作面两端向采空区目测，巴兰布矿p 1 工作面上复岩层第2 次垮至地表后，在采空区，有的大块岩石达2 0 m x l o m x 8 m ，重量约 为4 0 0 0 t ，类似的大块岩石可将支架推向煤壁2 0 0 - 4 0 0 m m ，使支架推移装置与输送机 连接螺纹销剪断，使立柱接长杆弯曲、剪断。拉金达矿p 1 6 在地面未爆破期间螺纹销 剪断率达4 8 。明显反映出顶板断裂大块岩石下落、转动，产生水平推力，冲击支架尾 部，使支架部件发生损坏。 ( 7 ) 顶板来压同时地表产生裂缝。因埋藏较浅，煤层上覆基岩平均厚4 0 m 左右，工 作面顶板来压显现的同时或滞后一些时间，位于煤壁后方在地表产生裂缝，其滞后煤壁 之距，拉金达矿p 1 6 工作面平均为7 9 m ，均方差为3 5 m ，最大为1 8 2 m ，最小为2 5 m 。 ( 8 ) 地表平均下沉系数小拉金达矿p 1 6 工作面和巴兰布矿p 1 工作面上覆岩层第1 次垮至地表后形成的下沉盆地十分近似，下沉系数分别为0 3 4 和o 3 3 。拉金达矿历次顶 板周期来压时地表下沉平均值为1 0 8 m ，采高2 5 8 m ，下沉系数平均为0 4 2 。最大下沉 系数为o 4 4 ，位于至开切眼3 1 2 m 、上覆岩层第2 次垮至地表、在矿压显现剧烈处。 综上所述，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，来压明显难以控制。然而，文献中仅对长壁开采的一些矿压观测和简 单的力学分析，没有对来压机理及控制理论进行系统的研究。 5 西安科技大学硕士学位论文 1 2 2 国内的研究现状 在国内，对于浅埋煤层研究最早的应该属于西安矿业学院，系统全面的对陕北神府 矿区浅埋煤层进行研究。1 9 9 0 年，西安矿业学院的侯忠杰教授对华能精煤神府公司大柳 塔煤矿c 2 0 2 试采工作面进行了实测1 3 。该工作面煤层埋深约6 5 m ，近水平，基岩厚度 约3 2 m 。工作面长1 0 2 m ，采高2 m ，采用h z w a 金属摩擦支柱支护。实测表明，平巷 矿压显现缓和，但工作面周期来压明显，支柱动载系数2 3 - - 4 3 ，有明显的台阶下沉现 象，台阶下沉量达3 0 0 , - - 一6 0 0 m m 。通过实测使人们意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。大柳塔煤矿第一个综采工作面( 1 2 0 3 ) 开采前，进行了采前 模拟。该工作面埋深5 0 m , - 6 0 m ，基岩厚度约2 0 m ，风化基岩厚3 m ，上覆松散沙和沙 砾层厚度约3 6 m ，在沙砾层下有潜水，平均水柱高度5 5 m 。通过相似模拟研究得出：在 采高3 m 、4 m 、5 m 条件下基层初次和周期破断都表现为基岩一次性全厚破断，工作面 来压过程中有明显的台阶下沉( 最大达1 0 m ) ，来压显现剧烈。采高3 m 和4 m 时沿煤壁的 贯通裂隙在基岩下部闭合，工作面被溃沙埋没的可能性较小。采高4 m 时周期来压步距 ( 平均1 2 5 m ) 比采高3 m 时( 约2 0 m ) d x ，顶板易于控制且能回收更多的资源，因而确定合 理采高为4 m 。这一结论否定了采高不应超过3 r e ( j 1 只能采一次) 的观点，为现场带来了 数千万元的经济效益。1 9 9 3 年大柳塔煤矿根据模拟结果进行了开采，工作面长1 5 0 m ， 采高3 5 - - 4 0 m ，采用y z 3 5 0 0 2 3 4 5 型掩护式液压支架支护顶板。华能精煤公司与西安 矿业学院又对该工作面进行了实测，结果表明矿压主要特征与模拟结果基本吻合。实测 初次来压步距2 7 m ，周期来压步距9 1 5 m ，平均1 2 m 。工作面初次来压和周期来压都 是基岩全厚切落，最大台阶下沉量大于1 0 m 。周期来压时顶板来压迅猛，使部分支架油 缸压鼓。 19 9 3 年底，侯忠杰教授采用有限元数值计算对厚松散层下浅埋煤层开采进行了分 析，认为基岩破断及沿全厚切落是由剪切力造成的；整体台阶下沉造成冒落带高度增加， 使覆岩层发生了变化；浅埋薄基岩松散层顶不能形成稳定的砌体梁结构；由于整体台阶 下沉，常规的防沙岩柱经验公式在此不适用，工作面支护强度对基岩破坏及台阶下沉有 明显影响【3 2 j 。2 0 3 工作面相似模拟后，1 9 9 4 年初侯忠杰教授等又对石讫台煤矿1 1 1 - - 2 0 2 高产高效工作面进行了“支架围岩”关系大型立体模拟，研究认为基岩厚度与采高之比 k m 9 时，则出现分层冒落，切落现象不明显，推进速度快( 大于1 0 m d ) 或k i n 9 时也会出现切落现象，由此认为采空区充填程度和工作面推进速度对顶板的 破断形式有影响p 引。 1 9 9 1 年4 月至1 9 9 3 年，东胜公司与抚新矿院对东胜煤田乌兰木伦矿首采工作面矿 6 1 绪论 压进行了观测和研究，探讨了在乌矿的地质条件下回采工作面矿压显现规律以及两巷受 采动影响矿压显现规律。1 9 9 6 年，又对该矿的岩层及地表移动与变形规律进行了现场观 测及相似模拟和数值模拟。 19 9 5 年，侯忠杰等教授对高产高效长壁工作面进行了采前大型立体相似模拟和矿压 观测，形成了浅埋煤层矿压显现的基本观点i 洲5 1 ，研究转入对顶板破断机理及其控制的 探讨与认识。研究认为，防止工作面出现架前切落应具备两个条件：首先是顶板基岩厚 度满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；其次工作面支 架要有足够大的支护阻力和初撑力，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。在采高一定的条件下，工作面基岩厚度，松散层厚度以及工作面支架额定工 作阻力是决定浅埋、厚松散层下开采覆岩运动破坏特点及矿压显现的主要因素。当基岩 厚度与采高之比k m = 5 时，覆岩有冒落带；当k m = 1 0 时，覆岩分为冒落带和岩柱错动 带；当k m e l 5 时，顶板覆岩出现冒落带和裂隙带，此时工作面前方基岩不再出现拉伸 裂隙，厚松散层不再成为影响工作面矿压显现的重要层1 3 6 j 。 1 9 9 6 年6 月，西安矿业学院石平五、侯忠杰教授等主持完成的煤炭科学基金项目“浅 埋煤层矿压显现与岩层控制研究”，该研究是对西安矿业学院开展浅埋煤层以来的矿压 研究进行了全面的总结和提高。报告认为，基岩上覆盖层下部的基岩风化层及其上部的 粘土层、沙砾层在一定的采高范围内可能形成上部大结构，对基岩小结构的载荷形成有 影响。引伸到浅埋特定条件下，上部临时性大结构与下部基岩结构的不同周期性，可能 会引起工作面周期来压的不等距和来压强度的不等性，也可能出现周期来压大于初次来 压的现象。研究总结了基岩全切落的特点并通过实验进行验证，还提出了基岩切落后运 动的概念，认为当液压支架有足够的初撑力时，基岩首先在开切侧发生剪切破断，然后 由于回转运动在支护侧上方产生拉裂缝组，在上覆盖层的作用下沿支架尾端切落。基岩 切落后各岩层的沉陷运动有阻滞过程，破断基岩的回转对溃沙有影响【3 7 。3 8 】。 1 9 9 8 年柴敬教授对浅埋煤层的大比例立体模拟进行了研究 3 9 1 ，通过模型因次分析， 表明为研究神府矿区浅埋深、薄基岩、厚沙覆盖层下开采岩层破断运动规律而进行的大 型立体模拟实验，比平面模型更真实、更形象、更直观，达到了定量研究的目的。 1 9 9 9 年以来侯忠杰教授在钱鸣高院士提出的“关键层理论”【4 0 j 基础上提出了“组合关 键层”理论，用“组合关键层”判据深入、系统地研究了浅埋煤层顶板控制理论1 4 l 郴j 。研 究认为，对于一般的浅埋煤层，煤层顶板某几层岩层形成组合关键层，不仅要满足刚度 条件，而且还要满足来压强度要求。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。组合关键层厚度大，因而岩柱断裂度大，岩柱结构不易发生回 转失稳。同年黄庆享等教授对浅埋煤层采场老顶周期来压的结构进行了分析 4 4 1 ，通过现 场实测和模拟研究提出了浅埋煤层老顶周期来压的“短砌体梁”和“台阶岩梁”结构模型。 研究表明，浅埋煤层工作面周期来压强烈和出现台阶下沉的根本原因之一是“短砌体梁” 7 西安科技大学硕士学位论文 和“台阶岩梁”都出现了滑落失稳。 2 0 0 0 年吕军等人分析了影响浅埋煤层矿压显现的因烈4 5 1 ，通过对大柳塔1 2 0 3 综采 面及2 0 6 0 1 高产面的相似模拟实验的矿压规律研究，得出同一般开采条件一样，开采浅 埋煤层也存在着明显的初次来压和周期来压。浅埋煤层没有明显的“三带”现象，不能形 成稳定的“砌体梁”结构，顶板基岩成整体运动，形成较大整体岩柱，从而导致基岩沿煤 壁全厚切落。松散层厚度、顶板基岩厚度、支架的工作阻力、工作面采高及直接顶的厚 度等是影响浅埋煤层开采矿压显现的主要因素。 2 0 0 2 年黄庆享教授对浅埋煤层的矿压特征进行了分析并给出了浅煤煤层的定义【5 1 ， 研究表明，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。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、松散层厚度比较小的浅埋煤 层，其顶板破断为整体切落形式，易于出现顶板台阶下沉，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，存在轻微的台阶下沉。 2 0 0 3 年侯忠杰教授把断裂带老顶的判别准则应用在浅埋煤层i t i 4 6 ，在理论上解决 了断裂带老顶层位问题。当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，论证了地表厚松散层浅埋组合关键层在来压时出现覆岩发生全厚切落。宋选 民等教授对浅埋煤层回采巷道合理煤柱的留设进行了实测研究1 4 7 】，得出了不同地质条件 下合理煤柱的参数。黄庆享对近浅埋煤层大采高矿压显现规律进行了实测研究【4 引，揭示 了近浅埋煤层的矿压显现规律，分析了顶板活动规律和来压机理。 2 0 0 4 年侯忠杰教授等对厚松散层浅埋煤层覆岩破断判据进行了研究和对跨距进行 了计算【4 9 j ，在组合关键层的基础上推导出了组合关键层初次来压和周期来压步距的计 算公式，验证了组合关键层来压步距计算公式与实测值一致，得出对于地表厚松散层浅 埋煤层应该采用组合关键层理论。同年，朱庆华用数值模拟的方法对浅埋煤层厚硬顶板 破断与冒落进行了研究【5 ，得出浅埋煤层厚硬顶板条件下覆岩的破断及冒落规律与普通 浅埋煤层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发生。 组合关键层初次来压步距三z = 办z 8 l 绪论 1 广一 组合关键层周期来压步距l z = h zj o t t o _ 、6 9 ： 2 0 0 5 年杨治林教授对浅埋煤层长壁开采顶板结构稳定性进行了分析【5 1 1 ，通过塑性 理论建立了顶板岩体关键层塑性状态下的结构模型。李凤仪等人对浅埋煤层工作面顶板 活动及其控制进行了研耕5 2 】，研究表明，埋藏浅、基岩厚度小、工作面顶板呈现单一关 键层活动，以及来压持续的时间短、有明显的动载现象，是薄基岩的典型特征，其矿压 控制的有效途径是增大支架工作阻力和变形刚度，尤其要保证初撑力达到一定值。对于 坚硬顶板，采取人工强制放顶等技术措施，降低关键层破断长度，这是顶板控制的关键。 2 0 0 6 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研究分析1 5 3 1 ， 通过理论分析和数值模拟研究了覆岩中关键结构稳定条件与采动损害之间的关系。董爱 菊等人对浅埋煤层周期来压动载机理进行了研究【5 4 1 ，得出浅埋煤层周期来压期间有明显 的动载现象，厚沙土层在周期来压时呈弧形岩柱破坏特征。黄正全对浅埋煤层开采岩移 特征与渗水机理进行了分析【5 5 1 ，通过建立地质力学模型，再现了浅埋煤层采动后其上覆 岩层破坏的动态发展过程，揭示了采场顶板的破断、上覆岩层来压及采场推进过程中煤 壁支撑压力、地表下沉的变化规律。 2 0 0 7 年侯忠杰教授对薄基岩浅埋煤层“支架围岩”关系进行了实验研究 5 6 1 ，以大柳 塔首采工作面为原型。首采工作面属于土基型浅埋煤层，实验中工作面初次来压和多次 周期来压没有表现出厚松散层浅埋煤层覆岩全厚切落，而是“三带合一”。支架增载系数 最大为1 3 4 ，平均增载系数不大，裂隙贯通地表时的支架阻力大于顶板初次来压和周期 来压时的工作阻力。马立强等人对薄基岩浅埋煤层保水开采技术进行了研究【5 ，在神东 矿区的地质条件下，认为要达到保水开采的目的，有二个关键问题：其一是加快工作面 的推进速度，可以使断裂岩块朝反向与工作面一侧未断岩层在断面下端铰接，并挤压闭 合，同时可以减少对项板岩体的破坏；其二是确定合理的支护阻力可以控制顶板破断运 动过程；局部降低采高可以使裂隙宽度减小，在开切眼附近采用局部充填可以使老顶切 落时裂隙减小，同时也可以改善局部顶板的应力状况。黄森林对浅埋煤层覆岩结构稳定 性进行了数值模拟研究【5 引，通过离散元数值模拟软件，建立数值模型，揭示了浅埋煤层 关键层结构变形破坏规律，限高开采能有效减少浅埋煤层开采引起覆岩变形破