（采矿工程专业论文）厚土层浅埋煤层综采覆岩破坏规律与支架阻力研究.pdf

论文题目：厚土层浅埋煤层综采覆岩破坏规律与支架阻力研究 专业：采矿工程 硕士生：吴文湘( 签名) 勉盘 指导导师：侯忠杰 ( 签名) 毛妻名厦 摘要 浅埋煤层近二十年开采实践和理论研究表明，地表厚松散层浅埋煤层开采表现强烈 矿山压力显现，需要特大阻力液压支架平衡上覆岩层和松散层载荷，才能防止大的切顶 灾变发生，而对厚粘土覆盖浅埋煤层这种特殊条件下开采矿山压力显现规律研究较少。 本文采用室内相似模拟实验、理论分析和数值模拟等方法，对厚粘土层覆盖浅埋煤层综 合机械化开采覆岩破坏规律及合理支架阻力进行了深入研究。 从厚粘土层的工程地质特性研究入手，结合南梁矿2 0 11 5 综采首采面的地质条件， 进行了两架大型相似模拟实验，并首次采用自主开发的模拟实验恒阻支架仿真控制系 统，有效地模拟了工作面支架不同支护阻力下的“支架一围岩”相互关系，通过对支护阻 力、覆岩破断规律、三趾马亚粘土层对老顶的影响等分析，从而揭示了覆盖层厚粘土层 是工作面未造成覆岩沿煤壁整体垮落的关键影响层。同时，理论分析了地表厚松散层浅 埋煤层顶板不存在砌体梁结构，因而不能应用砌体梁理论计算支架载荷。通过研究破断 岩柱中关键岩块的平衡条件，建立了关键岩块结构力学模型，得到了厚粘土层覆盖浅埋 煤层综采面支架合理支护阻力的理论计算公式。 应用r f p a 。2 0 程序对南梁矿2 0 1 1 5 面开采进行了数值模拟分析，表明开采厚土层覆 盖浅埋煤层在开采过程中，随着工作面推进，由于粘土层的粘聚力，上位岩层离层不断 发育到土层后，断裂裂隙才很快贯通到地表。工作面所表现的矿山压力显现并不像陕北 矿区厚风积沙层下开采剧烈，在一定的推进距离内，覆岩不会出现自煤壁向地表的全厚 切落，从而验证了模拟实验的结果。 关键词：浅埋煤层；厚土层；支架阻力；恒阻模拟支架；仿真控制系统：模拟实验 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：r e s e a r c ho nf a i l u r el a w so fo v e r l y i n gr o c ka n d s u p p o r t r e s i s t a n c ei nf u l l y m e c h a n i z e df a c ei ns h a l l o ws e a mo ft h i c k c l a yl a y e r s 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：w uw e n x i a n g s u p e r v i s o r ：h o uz h o n g j i e 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 ) i nt h i sp a p e r , t h el a wo f t h ea p p e a r a n c eo f s t r a t ap r e s s u r e ，o v e r l y i n gs t r a t am o v e m e n ta n d r e a s o n a b l ef o r c eo ft h es u p p o r t si ns h a l l o ws e a mm i n i n gu n d e rt h i c kc l a yl a y e r sa r es t u d i e di n d e t a i l sw i t ht h r e em e t h o d sa s f o l l o w i n g ：s i m u l a t i n gm o d e lt e s t ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n d t h e o r e t i c a la n a l y s i s p r o c e e d i n g 、v i t l lt h ee n g i n e e r i n gg e o l o g i c a lc h a r a c t e ro ft h el a t e r i t ea n dl o e s s a n d c o r m e c tw i t ht h e g e o l o g i c a lc o n d i t i o n so ft h ef r s tf u l l ym e c h a n i z e dc o a lm i n i n gf a c e ( 2 0 1 1 5 f a c e ) i nn a n l i a n gc o a lm i n e t w om o d e l so f e q u i v a l e n tm a t e r i a la r ee s t a b l i s h e d ，as u i t o fe m u l a t i o n a lc o n t r o ls y s t e mo fs i m u l a t i n gb r a c k e tw i t hc o n s t a n tr e s i s t a n c em e c h a n i c s c h a r a c t e ri sd e v i s e da n du s e di nf i e l ds i m u l a t i o ne x p e r i m e n ta tt h ef i s r tt i m e t h e r e b yt h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h e s u p p o r ta n dt h es u r r o u n d i n gr o c k w i t hd i f f e r e n t s u p p o r t s i s e f f i c i e n t l ya n a l y z e d t h r o u g ha n a l y z i n gt h es u p p o r t i n gr e s i s t a n c e ，i n f l u e n c eo fl a t e r i t eo nt h e m a i nr o o fs t r u c t u r ea n df a l l i n gh e i g h to fo v e r l y i n gr o c k ，i ti sr e v e a l e dt h a tt h eh u g et h i c kc l a y l a y e r si sk e ya f f e c t i n gs t r a t aw h i c hc o n t r o lt h eo c c u r r e n c eo fi n t e n s i v ea p p e a r a n c eo fs t r a t a p r e s s u r ea c c o m p a n y i n gt h eo v e r l y i n gs t r a t af u l l - t h i c k e n e r sc u t t i n g o f f a l o n gt h es e a mw a l l t h e o r e t i c a ia n a l y s e dt h er o o fw i t h o u tv o u s s o i rb e a ms t r u c t u r ei ns h a l l o ws e a mm i n j n g u n d e rt h i c ku n c o n s o l i d a t e dl a y e r s ，t h u s ，c a n n tu s ev o u s s o i rb e a m t h e o r yt oc o m p u t et h ef o r c e o fs u p p o r t s b ys t u d yo ne q u i l i b r i u mc o n d i t i o no fk e yr o c ki nt h ef r a c t r u er o c k p i l l a r e ，t h e m e c h a n i c a lm o d e lo fk e yr o c ks t r u c t u r ei se s t a b l i s h e d ，t h e o r e t i c a lf o r m u l a so ft h e r a t i o n a l s u p p o r tr e s i s t a n c ei nf u l l ym e c h a i n z e dc o a lm i n i n gf a c ei ns h a l l o ws e a mm i n i n gu n d e rt h i c k c l a yl a y e r sg a i n e da tt h es a m et i m e a p p l y i n gt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n sp r o g r a mr f p a 2 dt oa n a l y z et h el a wo fs t r a t a p r e s s u r ea p p e a r a n c eu n d e rt h em i n i n gc o n d i t i o no ft h i c kc l a yi ns h a l l o ws e a m ，d u et ot h e b o n ds t r e n g t ho ft h ec l a yl a y e r ，a b s c i s sl a y e ri nt h ea b o v et e r r a n ed e v e l o pu pt ot h es o i l s t r a t u ma l o n gw i mt h ea d v a n c eo f t h ef a c e t h e nr u p t u r ec r a n n yd e v e l o pt ot h es u r f a c es p e e d y a tac e r t a i na d v a n c i n gd i s t a n c e t h ef u l lt h i c k n e s sc u t t i n g - o f ro fo v e r l y i n gr o c km a s sw i l ln o t o c c u rf r o mt h es e a mw a l lt ot h es u r f a c e ，s ot h er e s u l t so fs i m u l a t i o nt e s ta r ep r o v e dt ob e c o r r e c t k e y w o r d s ：s h a l l o ws e a m t h i c kc l a yl a y e r s s u p p o r tr e s i s t a n c e c o n s t a n tr e s i s t a n c es i m u l a t i o ns u p p o r t s s i m u l a t i o nc o n t r o ls y s t e m f i e l ds i m u l a t i o ne x p e r i m e n t t h e s i s ：a p p l y i n gr e s e a r c h 西妥料技丈学 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：日期： 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间 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。 学位论文作者签名易毛知谤鞠指导教师签名：夕墨眭 口舌每其多甚 1 _ 1 问题的提出 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 l 亿 吨、2 6 2 8 亿吨及7 0 、6 8 、5 0 左右【1 1 。特别是近年来，由于国内能源紧缺，煤炭 成为了我国主要的能源。 八十年代初，我国在浩瀚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2 0 0 0 多亿吨，该侏罗纪煤田是我国现己探明煤炭储量最大的煤田，约占全 国的2 5 ，被誉为世界七大煤田之一，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2 1 世纪煤田工业 战略西移的首先基地，对本世纪国民经济的发展具有重大意义1 2 j 。 目前，除神华集团数对矿井采用装备着世界一流综合机械化设备的长壁开采方法外， 其它几百个矿井仍采用旧式房柱式开采方法，不仅采出率很低，仅为2 0 3 5 ，极大地 浪费煤炭资源，而且还具有大面积陷落灾变危险，严重威胁矿井的人员安全。如大贬窑 煤矿1 9 9 4 年7 月发生大面积垮落，垮落面积约达3 万m 2 ，垮落后地面山丘形成一个沉 陷坑，幸值此次垮落前井下有出现煤壁严重片帮，顶板不时发出沉闷的隆隆声，矿工提 前从井下撤出，因而未造成灾难：又如郭家湾煤矿1 9 9 5 年2 月7 日发生面积高达7 万 1 2 1 2 的大面积垮落，庆幸的是当日正值农历春节假期因而未造成人员伤亡；还有哈拉沟煤 矿，由于煤层顶板上水和沙层载荷的作用，长壁工作面顶板总是发生切顶水患，井下伤 亡事故增加。 这几百个矿井仍采用旧式房柱式开采，其主要原因是采用一般长壁方法开采地表厚 松散层浅埋煤层顶板出现覆岩整体全厚切落，神府煤田曾有数个煤矿进行过改原房柱式 开采为长壁式开采的试验，力图改善安全条件和提高煤炭回采率，但均因金属摩擦支柱 不能有效的控制顶板而出现很大的台阶切落，支柱被“压死”，长壁开采不得不很快“下 马”：其中大柳塔长壁单体支柱工作面未采到停采线就撤出地面；哈拉沟煤矿又改回房柱 式采煤方法：郭家湾煤矿仍坚持类似长壁式布置，但实际上己改造为在采空区留设方形 小煤柱控制顶板的柱式体系。浅埋煤层矿压显现剧烈这一现象在国外如澳大利亚，印度 和美国井工开采中均有报道。西方部分专家认为：当把适合于一般赋存条件下长壁开采 的液压支架用于埋深6 0 m 左右的浅埋煤层时要十分慎重。因此目前陕北1 1 3 式房柱式开采 西安科技大学硕士学位论文 仍占统治地位。 单体长壁间歇式开采方法与旧式房柱式开采方法相比固然产量、工效、煤炭采出率 大大提高、生产环境和安全等方面也大大改善，但单体支柱工作面仍无法避免顶板人身 事故的发生，特别是回柱放顶工序危险性更大，因而单体支柱工作面百万吨死亡率始 终高居不下。世界上矿山死亡事故的8 0 在中国。仅以2 0 0 4 年为例，我国生产 原煤1 9 5 0 m t ，就死亡6 0 2 7 人，百万吨死亡率为3 ，1 ，更严重的是其中7 0 0 m t 煤 是在缺乏安全保障条件下生产的，因而乡镇煤矿百万吨死亡率高达1 1 7 3 。我国 煤矿百万吨死亡率是美国的2 0 0 倍，俄罗斯的1 0 倍，印度的4 倍。我国西部煤 产量占全国总产量3 0 ，恶性事故死亡率却占5 0 左右。我国与美国、国有重点 煤矿与乡镇煤矿、我国西部与东部百万吨死亡率相差如此之大，其重要原因之一就是煤 矿采煤机械化程度相差太大，美国采煤机械化基本达到1 0 0 ，而我国采煤机械化在4 0 以下，乡镇煤矿采煤机械化几乎是0 。我国西部采煤机械化水平比东部低得多更是不 争的事实。陕北神府煤田情况也是如此，由于神东公司全部采用世界上最先进的综合机 械化采煤设备，不仅其技术经济指标处于世界领先水平，工作面单产已达l0 m t a ，百万 吨死亡率仅为o 0 1 ，而且创造了生产1 0 0 m t 煤零死亡的记录，处于世界领先水 平，这就是先进的综合机械化采煤所创造的奇迹。 综合机械化开采对于预防顶板事故固然就像“安全箱”一样可靠，但这必须是建立在 综机设备选择正确的基础上，否则既不能实现高产高效，更不能保证安全生产，特别是 液压支架的选择，不仅直接决定工作面安全，而且其投资占综采设备投资的8 5 左右， 因而是综机设备中最需要精心选择的。可以这样浼，对于浅埋深不同赋存条件煤层，液 压支架选型，特别是支架工作阻力合理确定，是综采面成败的关键。对于榆神府矿区综 合机械化，正确选择液压支架的意义更为重要，因为榆神府矿区属于地表厚松散层浅埋 煤层，长壁式开采容易出现覆岩全厚度切落，其矿压显现十分剧烈。如神东公司大柳塔 煤矿c 2 0 2 长壁单体支柱工作面，来压期间顶板沿煤壁台阶切落，落差为3 5 0 6 0 0 m m ， 最大切顶长度达7 0 m ；1 2 0 3 长壁综合机械化工作面，根据顶板分类所选择的工作阻力 3 5 0 0 k n 支架，来压期间工作面中部约9 0 m 范围顶板沿煤壁台阶切落其中3 0 m 范围切 顶台阶达i 0 m ，支架被“压死”部件破坏。基于这一实践以及西安科技大学和神东公司对 厚松散层浅埋煤层岩层控制方面的研究成果，神东公司长壁工作面所选的液压支架额定 工作阻力愈来愈大，从2 0 6 0 1 工作面开始，支架额定工作阻力增大到6 7 0 8 k n 架，从而有 效地控制住了顶板沿煤壁全厚度整体切落的问题，走上了高产高效之路，并跨入世界先 进行列。随着采高的增大目前支架额定工作阻力已达8 3 6 8 k n 架。显然，选择工作阻力 这样大的支架在我国是极为罕见的。 因此，地表厚松散层浅埋煤层长壁开采，需要特大阻力液压支架平衡上覆岩层和松 散层载荷，才能防止大的切顶灾变发生。基于这个原因，陕北大部分中小煤矿都采用房 l 绪论 柱式开采。就陕北榆神矿区而言，上覆岩层分砂基型、土基型和砂土基型，不同类型在 开采过程中矿山压力也是不。样的。砂基型浅埋煤层长壁开采出现整体切落，这在大柳 塔1 2 0 3 工作面得到证实。土基型和砂土基型是否也会出现顶板覆岩全厚切落的压力显 现，目前，研究的比较少。针对南梁矿区厚土层覆盖浅埋煤层特殊的赋存条件，因此有 必要展开支架一围岩关系进一步研究，才可能选择出技术上安全先进、经济上合理的液 压支架。 1 2 研究的目的和意义 综上所述，陕北榆神矿区浅埋煤层开采矿山压力剧烈，必须以大阻力支架平衡上覆 岩层和松散成载荷才能防止大的切顶，这对广大的中小煤矿来说，从经济上是不能接受 的。南梁煤矿在目前长壁间歇式采矿的基础上，将改单体为综合机械化开采，这在陕北 榆神矿区是第一个，因此，以南梁第一个综采首采工作面为对象，研究厚粘土覆盖浅埋 中厚煤层综采覆岩破坏规律及“支架一围岩”关系，进一步认识厚粘土层对浅埋煤层开采 的影响，对支架阻力的确定及选型有很大指导意义。同时，对本地区几百个中小煤矿中 厚煤层长壁开采开创一个先例，有很大的现实指导意义。 1 _ 3 国内外研究的现状及存在的问题 1 3 1 国内外对浅埋煤层研究的现状和发展 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1 0 0 m 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 二秦巴列维奇， 它根据莫斯科近郊浅埋深条件提出了台阶下沉假说1 3 1 ，认为当煤层埋藏较浅时，随工作 面推进，项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 虑整个上覆岩中的作用。 8 0 年代初，澳大利亚b 一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【4 j 。印度综采长壁浅埋开采实践，如印度江斯拉矿 r v 煤层综采工作面平均开采深度为5 7 4m ，最小覆盖层厚度平均为3 5 8 7m ，基岩 厚度平均为1 0 5 7m ，冲积层厚度平均为1 6 9 3m 口 8 】。江基拉矿浅埋开采综采工作面上 覆岩层断裂垮落过程和一般深部开采条件不太一样，浅埋开采工作面上覆岩层垮落带与 裂隙带交叉，裂隙带本身比较厚，但裂隙发育，形成周期性断裂，步距较短，具有裂隙 较密集的特点。 1 9 9 5 年印度辛格南尼煤炭公司从中国煤矿上程机械装备集团进口公司( c m e ) 购置 2 套综采成套设备，从而使我国专家赵宏珠教授级高工对印度浅埋煤层长壁开采矿压规 西安科技大学硕士学位论文 律展开了研究 9 - 1 2 j 。p v 煤矿采深6 5 m ，煤层倾角5 7 0 ，采高3 m ，顶板基岩约为4 0 m 砂岩层，表上层厚3 m 左右。实测表明：工作面煤顶、直接顶和老顶由下向上离层，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 慢下沉并呈周期性的产生裂缝。大周期来压步距与地表裂缝间距一致。由于支架额定工 作阻力较高，所以工作面矿压显现不明显，并根据支架与围岩相互作用原理和p v 矿具 体条件，建立了液压支架受载力学模型。 英国和美国为控制浅部开采地表沉陷，多采用房柱式开采，主要进行了地表岩层移 动和采前地表地震波探测与工程地质评价等研究工作。 综上所述，国外研究总体上认为浅埋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，文献中仅对长壁开采的一些矿压现象进 行了描述，没有对浅埋煤层顶板理论进行系统的研究，更没对上覆土层的破坏机理进行 研究。 在国内，对于陕北神府矿区浅埋煤层岩层控制方面研究。我院老师进行得最早，也 最为全面、系统，并且一直不断在提高、深化。早在1 9 9 0 年，西安矿业学院矿压研究所 的侯忠杰教授对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【l4 1 。实测表明， 工作面周期来压明显，活动剧烈，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 5 0 6 0 0 m m 。通过观测表明浅埋煤层开采矿压显现并不缓和，需要更深入 地研究。此后又对大柳塔煤矿第一个综采工作面1 2 0 3 进行了采前模拟，认为采高3 m 和 4 m 试验煤壁的贯通断裂隙在基岩下部闭合，工作面被溃沙埋没的可能性较小，从而将开 采高度由原来的2 8 m 提高到4 o m ，为现场带来了数千万元的经济效益。通过对1 2 0 3 工 作面矿压观测发现，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，周 期来压顶板同样为覆岩全厚整体切落，但项板破断线在支架后方，煤壁处未有明显切落 0 3 ”j 。如图1 1 所示。 ”体- m 咖：，_ f j ( a )( b ) 图1 1 顶板全厚跨落形式 ( a ) 初次来压( b ) 周期来压 1 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屹台煤矿1 1 l 一2 1 0 2 高产高 4 效工作面“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 i n 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 y 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【1 7 】。 1 9 9 5 年，侯忠杰教授等又对第一，二个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【l 。1 9 j 。认为防止工作面出现架 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。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 力是决定浅埋深、厚松散层下开采覆岩运动破坏特点及矿压显现特点最主要的三个因素。 当基岩厚度与采高之比k m = 5 时，覆岩仅有冒落带，如大柳塔煤矿1 2 0 3 工作面：当k m = 1 0 时，覆岩分为冒落带和岩柱错动带，如大柳塔2 0 6 0 1 工作面；当k m 1 5 时，顶板覆岩 出现冒落带、裂隙带。此时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，如补连塔煤矿2 2 1 1 工作面1 2 0 1 1 1 。 1 9 9 6 年，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”，对我院9 0 年代以来的浅埋煤层的矿压研究进行了全面 总结与提高。研究认为，基岩上覆盖层下部的基岩风化带及其上部的粘土层、砂砾层在 一定的采高范围内可能形成上部大结构，对基岩小结构的形成有影响。厚松散层下薄基 岩全厚度切落是浅埋煤层矿压显现和顶板破坏的主要特征，关于厚松散层作用，开采中 顶板一般不是离层破断，而是由整体下沉到全厚度切落，地表塌陷与工作面破断相对应， 又认为直接顶厚度、采高以及二者造成的采空区充填程度在浅埋煤层顶板破断活动中有 很大作用，充填较好时，老顶切落后运动受到阻止，岩块反面挤压闭合，就能阻止溃沙 进入，合理地支护可以有效控制破断过程，特别是破断后运动过程1 2 2 2 引。1 9 9 8 年我院老 师黄庆享博士论文浅埋煤层长壁开采围岩控制研究的完成，以及在该博士论文基础 上，进一步研究而撰写的专著浅埋煤层长壁工作面开采顶板结构及岩层控制研究 2 4 1 。 该书系统地应用顶板结构理论对浅埋煤层进行了顶板控制的定量化研究。 1 9 9 9 以来，侯忠杰教授在钱鸣高院士提出“关键层理论”【25 】基础上，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 2 ”28 1 。研究认为，对于一般浅埋煤层， 煤层项板某一岩层成为组合关键层，不仅应满足刚度条件，还要满足来压强度条件；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；地表厚松散层 浅埋煤层组合关键层既不能形成三铰拱式平衡，也不能形成“砌体梁”平衡。2 0 0 2 黄庆享 教授在国家自然科学基金项目( n o 5 0 1 0 4 0 0 9 ) 和陕西省教育厅自然科学基金项目 ( n o 9 8 d 0 2 ) 的资助下开展这一领域研究。他与其研究生刘文岗、张沛，通过大量物理 西安科技大学硕士学位论文 相似模拟试验，得出了浅埋煤层厚沙土层的破坏规律，并通过对动态载荷智能采集系统 的开发，获得了厚沙土层动态载荷的一些有益的特征和数据删。对于浅埋煤层厚沙土层 破坏机理、动态载荷传递机理以及载荷传递因子的确定，开展进一步的工作。 1 3 2 中厚煤层开采的现状和趋势 中厚煤层长壁综采在我国煤矿生产中普遍使用，占综采比例7 0 以上，技术、装备 和生产管理已经成熟，目前居世界领先位置。在我国综采快速发展的同时，存在“重厚 轻薄”的问题，即重视中厚煤层综采及厚和特厚煤层的大采高和综放开采的综采装备的 研制，忽视薄煤层综采装备的研制，在煤矿生产中出现因所谓薄煤层工作面单产低、效 益差而弃薄采厚浪费资源的问题，特别是非缺煤地区的矿区尤为严重。国内就中厚煤层 f 1 5 2 5 m ) 的综采也有不少实践。 2 0 0 2 年，济宁二号煤矿3 上煤层厚度为0 6 o m ，平均2 1 m ，为中厚偏薄煤层， 赋存较稳定，结构简单，为了实现在该煤层条件下的高产高效开采，进行了合理的设备选 型和开采设计。2 0 0 2 年张卫东等在现场实测的基础上，分析了济宁二号煤矿中厚煤层高 产高效工作面顶板活动规律、支架承载特性与适应性，初步总结了采用综合机械化开采 较薄中厚煤层时工作面的矿压规律及显现特征，为相似条件煤层的进一步开采奠定了基 础，并在二采区进行了2 3 上0 1 工作面的首采试验【3 0 l 。 2 0 0 5 年，邯郸矿业集团开展较薄中厚煤层综合机械化技术研究，将l9 9 5 年开始使 用z y 2 0 0 0 1 4 3 1 支架，改型为z y 2 0 0 0 1 2 5 2 5 ，并成功应用于郭二庄矿1 2 2 0 2 工作 面( 2 4 煤厚度多在1 1 3 2 1 0 m ) ，取得了较高的单产和工效【3 i j 。 孙村矿目前开采水平己达一1 1 0 0 米，在一8 0 0 以下的中厚偏薄煤层储量丰富，仅 o 9 m 一2 0 m 之间厚的煤层储量就达9 0 0 多万吨。过去该矿一直使用高档普采技术开采 中厚偏薄煤层。为改善工作环境，减轻劳动强度，提高经济效益。针对深部矿井中厚偏 薄煤层所具有的煤层结构简单稳定、顶底板较好等特性，与集团公司泰山建能公司合作， 自行研制了符合工作面实际状况的“薄煤层液压支架”、运输机、采煤机等设备装置。采 用新研制的深部矿井中厚偏薄煤层综采设备，实现了薄煤层开采的全自动化。自投运以 来，该工作面最高日产达到了1 7 8 0 多吨，最高月产可达近5 万吨，在同等条件下单产 比高档普采提高4 倍以上。 山东泰山能源翟镇煤矿去年将高档普采工艺改为综采，以提升矿井的开采水平，确 保矿井安全生产。他们于中国矿大、山东科技大学等有关专家联手，对矿井现有地质条 件和煤层储存状况进行了充分的论证，组织科技人员与峰峰矿业记性厂联合研制出了适 合本矿实际的z y - - 2 4 0 0 1 4 3 0 轻型掩护式液压支架，配备m g l 3 2 3 2 0 一w d 型采煤机， 于去年1 0 月份首次在3 4 0 4 工作面投产并获得成功。今年4 、5 月份综采队分别创出安 全生产原煤7 2 5 和9 7 3 吨的。 6 l 绪论 1 3 3 工作面支架工作阻力的确定 采场支架应具备的上作阻力是采场支护的主要参数之一，一般认为它是由于老顶失 稳及直接顶本身载荷对支架引起的压力所形成的。关于支架上作阻力的合理确定，一直 是国内外学者研究的重点内容。 钱鸣高、李鸿昌教授提出根据采场上覆岩层运动的砌体梁模型计算支架阻力，认为 直接顶的载荷应由支架全部承受，而老顶岩层由于能形成结构，因而支架只是承受由于 老顶失稳所形成的载荷，老顶的失稳方式有二种，一种是滑落失稳，一种是变形失稳。 据此给出了在老顶不同失稳方式时支架上作阻力的计算公式p “。 史兀伟高工通过对工作面常规矿压观测数据，特别是实测初撑力和平均上作阻力数 据的回归分析，来确定与回归曲线的最大曲率点和参数等速变化点相对应的临界工作阻 力的下限和上限，建立了液压支架额定工作阻力和初撑力的计算公式及二者之间的合理 比例口。此外，还提出了根据直接顶岩块形状和附加力计算确定支架合理工作阻力的方 法口。宋振骐教授采用来压期间支架应对老顶位态限制的程度，用位态方程式来估算支 架的上作阻力口”。乔忠寿则提出应用百分位数法计算支架合理上作阻力 3 6 1 。西安科技大 学矿压研究所通过近2 0 多年的研究，在总结前人成果的基础上，提出了关键岩块平衡条 件公式。此外，还有一些计算支架上作阻力的方法如估算法、实测法、统计分析法和数 值计算法等 3 7 】。 国外关于支架阻力的计算方法也较多。如英国学者威尔逊只考虑直接项的形状和载 荷来估算顶板压力，即支架载荷由顶板压力和附加载荷决定口”。捷克鲁包密尔一系斯卡 根据采高、顶板延迟冒落、采空区充填情况及顶板自承能力等提出了计算支护阻力的方 法，奥地利哈h 尼希根据煤壁及采空区的支撑情况，顶板的悬顶、冒落高度及控顶宽度 等提出了支撑式液压支架上作阻力的计算方法。法国j f 拉富克斯等根据1 4 0 个上作面的 统计观测建立了支架阻力与顶板下沉的经验公式，还有前苏联顿巴斯煤科院及奥尔洛夫 等根据观测统计及工作面支架调压试验等建立了支架阻力与顶板下沉量经验公式 3 ”。 以上国内外支架上作阻力的确定方法从原理上来看基本存在两种情况：一是基于支 架围岩平衡条件考虑直接顶重量和老顶附加力的计算方法，一是基于现场实测统计的计 算方法。上述计算方法无法套用到放顶煤等条件，因而引起反思，必需着重考虑直接顶 的效果。事实上，由于直接顶的整体力学特性不同，支架的载荷往往具有不同的特征， 表现为支架工作阻力的实测结果与现有的理论计算结果相差甚远。 综上所述，国内外关于采场顶板控制及“支架一围岩”关系方面的研究成果对于指导一 般条件下的煤层开采无疑是正确的，对于指导生产实践，确保生产的正常进行起到了一 定的积极作用。但应当看到，随着科学技术和生产实践的不断发展，矿山压力理论也需 要不断地完善和发展。 西安科技大学硕士学位论文 1 4 研究的内容和方法 1 4 1 研究的理论基础 本课题是以钱鸣高院士提出的层状岩体关键层理论为基础，结合浅埋煤层的特点， 运用侯忠杰教授“组合关键层”判据研究浅埋煤层开采矿压显现规律。 关键层理论认为，在采场上覆岩层中由于各岩层的特性不一，因此将对岩体活动中 全部或局部起决定性作用的坚硬岩层称为关键层，前者称为主关键层，后者称为亚关键 层口“。对于地表厚松散层浅埋煤层覆岩中若有两层坚硬岩层，则这两层坚硬岩层均为关 键层，因为这两层关键层和其间所夹的目b 岩形成一个整体，协调变形，同步破断，属于 关键层的一种组合效应。于是可将这种主要由两层关键层组成的岩层组称作组合关键层。 显然地表厚松散层浅埋煤层这种组合关键层具有一般赋存条件煤层关键层所具有的岩性 特征、变形特征、破断特征和支承特征，但组合关键层的厚度要比关键层厚度大得多 2 6 2 8 】。 1 4 2 研究的主要内容和方法 采场上覆岩层的变形、破断、离层和地表塌陷等一系列矿压显现规律主要是由坚硬 岩层中的组合关键层所控制，正确地分析厚粘土层对上覆岩层破断的影响，确定关键层 位置，掌握覆岩破坏规律及“支架一围岩”关系，是合理进行厚土层下安全开采和进行支 架选型的关键。因此，本文主要开展了以下的研究工作。 ( 1 ) 以陕北榆神府煤田地质勘察资料为基础，结合原有现场的原位测试和室内试验， 分析总结了榆神府矿区工程地质条件，重点分析了与顶板稳定性有密切关系的厚粘土层 ( 三趾马红土和离石黄土) 的工程地质特征，并对其稳定性进行了分析和评价； ( 2 ) 对榆神府矿区的南梁煤矿厚粘土覆盖层这一特殊赋存条件下开采进行大型室内相 似模拟实验，模拟完全按综采首采工作面自开切眼起沿走向方向4 0 0 m 的覆岩变化情况， 从而总结了厚粘土层下液压支架开采顶板活动规律，以及出现贯通裂隙时矿压显现及覆 岩移动规律； ( 3 ) 运用关键层与组合关键层理论，从理论上分析了厚粘土覆盖浅埋煤层上覆岩层破 坏的机理，以便更加深入了解顶板岩层运动规律，从理论上确定合理的支架阻力； ( 4 ) 运用有限元程序r f p a - 2 0 ，分别模拟厚粘土覆盖层下开采不同推进距离条件下， 覆岩破坏及其应力变化分析，从而得出上覆岩层变形破坏特征及矿压显现规律： ( 5 ) 总结室内模拟研究、理论分析、数值模拟的主要结论，从而形成厚粘土层中厚煤 层下开采顶板矿压显现规律及“支架一围岩”关系，为榆神矿区厚粘土覆盖浅埋中厚煤层 综合机械化开采及支架选型提供科学依据。 2 榆神府矿区地质特征及围岩力学一浊质调查与评价 2 榆神府矿区地质特征及围岩力学性质调查与评价 我国陕北榆林、神木和府谷地区( 简称榆神府矿区) 浩瀚的毛乌素沙漠下，蕴藏着丰 富的煤炭资源，因可采煤层多、煤层厚、埋藏浅( 一般小于1 2 0 m ) 、构造简单、开采技 术条件优越而为世人瞩目，然而，该区地处我国西部的毛乌素沙漠和陕北黄土高原的接 壤地带，地表为厚松散层覆盖。因此，系统研究该区的顶板围岩稳定性工程地质条件， 对合理开采浅埋煤层、防止围岩灾变是十分必要的。 2 1 矿区地质特征 2 1 1 矿区地形地质概况【4 0 、4 1 1 陕北矿区属于鄂尔多斯侏罗纪煤田，它位于鄂尔多斯盆地黄土高原地区，在陕西省 神木、府谷、榆林、横山、靖边、定边县境内。根据其煤层的赋存条件、地理位置和勘 探程度的不同，划分为榆神府、榆横等多个大矿区。而现阶段进行大面积规划开发的矿 区主要是榆神府矿区，所以本次课题所进行的分类范围为榆神府矿区。榆神府矿区由榆 神与神府两个矿区构成，其中榆神矿区包括榆阳区、大保当区及孟家湾区；神府矿区包 括神北矿区与新民区，整个矿区东西宽约8 4 k m ，南北长约8 5 k m ，面积7 1 3 9 7 k m 2 。其 中先期开发的面积大约有5 4 6 k m 2 ，隶属于榆林市神木、府谷、榆阳三县( 区) 。 榆神府矿区处于陕北黄土高原与毛乌素沙漠南缘地区西部及中部，处在以波状起 伏、风蚀为主的毛乌素沙漠边缘，东部为黄土丘陵，由风沙区及黄土丘陵区二大地貌组 成。矿区地表广泛地覆盖着第四系黄土和风积沙，中生界地层在各大河谷中出露。据勘 探揭露的地层从老到新基本上为三叠系、侏罗系、白垩系、第三系、第四系地层。矿区 构造简单，断层稀少、地层近似水平，微向西倾斜、倾角l 3 。的单斜构造。 侏罗系中统延安组为本矿区的含煤地层，总厚度2 5 0 3 1 0 m ，含煤层数多达1 8 层， 一般5 1 0 层，可采煤层1 3 层，一般3 6 层，煤层可采厚度总计2 7 m ，最大单层厚度 1 2 8 m ，煤系地层在神府矿区出露较多，并且在神府矿区埋藏较浅，至榆神矿区随着地 层总体西倾，埋深也逐渐增大，主采煤层2 2 的覆岩厚度1 0 0 4 0 0 m 。而神府矿区大部 分，榆神矿区东部首采煤层2 。2 的覆岩厚度都小于1 0 0 m 。榆神矿区可采煤层赋存特征如 表2 1 所示。 西安科技大学硕士学位论文 表2 1 榆神府矿区可采煤层赋存特征表 地段攥层拄状 煤层厚虚鹎蠹泣m层闫距瞥抽 注 层号绾号1 ：1 0 0 神北 大保当 樟北 大保当 暑； 第 妻 g _ j ! 盥棹北区主要 五l ： 2 8 l 可来壤屉为： 段 3 1 0 1 l o 2 孙4 l 2 ： ! 1 5 及5 2 - 太保当医主 徕 第 爿 要可栗煤层 四 罗最 3 0 3 0 为1 2 2 3 4 ， 5 1 及驴 秉3 l 第 _ 一 出 二 段辛 挠 4 l 亏 延第 ：1 一 - 一 4 _ = 一 安 段 组 二_ l 5 l = 娶 第 j j 5 ， 一 垒立姐 段 1 1 6 3 5 2 1 2 地质特征分类 地质特征分类经常使用的方法有3 种，一种是按照岩层的组成成分来划分，另一种 是按煤层的上覆岩层分布空间及其组合形态来划分，还有一种就是按水环境与上覆岩层 厚度及土层厚度进行划分。榆神府矿区的地形地貌复杂，工程地质也相当复杂，其次按 主采煤层的上覆岩层分布空间及其组合形态特征来进行分类，据此榆神府矿区将被划分 成五大类：即砂土基型、砂基型、土基型、基岩型、烧变岩型，组成以上五类上覆岩层 的覆岩主要是砂：砂层( 包括风积沙及萨拉乌苏组) ，土：粘土隔水层( 主要指离石黄 土及三趾马红土) ，基：指主采煤层上覆基岩。具体煤层覆岩结构类型分区如图2 1 所示。 从图2 1 中可以了解到矿区从南向北、从西向东依次分布着砂土基型、土基型、砂 基型及少量的基岩型上覆岩层类型井田。其中南梁煤矿属于土基型浅埋井田。 2 榆神府矿区地质特征及围岩力学性质调查与评价 图2 1煤层覆岩结构类型分区图 2 1 3 粘土层工程地质特征 榆神矿区地表粘土层是指由离石黄土和三趾马红土共同组成的粘土层。 ( 1 ) 离石黄土特征： 离石黄土为浅棕黄、褐黄色亚粘土，其粒径基本上由0 2 5 m m 以下的颗粒组成：以 粉粒( o 0 5 o 0 0 5 m m ) 为主，含量约5 3 7 2 者居多；砂粒( o 0 5 m m ) 和粘粒 f 必 ( 3 2 ) t g 妒 式中 。一第i 层老顶悬露岩块长度： q 。一第i 层老顶悬露岩块重量； 厅，一第i 层老顶岩层厚度； s 。一第i 层老顶悬露岩块下沉量： 妒一老顶岩块间的磨擦角 根据公式( 3 1 ) 和( 3 2 ) ，钱鸣高院士提出必须具备以下两个条件才能保持砌体粱 结构的平衡： ( 1 ) 老顶岩块的长度应大于层厚的2 倍 即，m 2 h ， ( 3 3 ) 也即i = ! s 当地表厚松散层浅埋煤层关键层或组合关键层承受其上松散层载荷后，达到极限跨 距破断所形成的岩块厚度很大，形似岩柱，因而称之为破断岩柱。表3 1 为神府矿区几 个浅埋煤层工作面通过相似模拟和现场矿压观测所得的破断岩柱尺寸。可知，其断裂度 i 在o 7 3 1 1 7 ，远大于o 5 ，根本不能满足砌体梁结构的平衡条件即公式( 3 3 ) 。 6 3 南梁矿综采首采面合理支架阻力理论分析 表3 1 顶板基岩破断岩柱尺寸 地表厚松散层浅埋煤层不能满足砌体粱结构平衡条件，就表示浅埋煤层项板不存在 砌体梁结构，因而不能应用砌体梁理论计算支架载荷。 3 2 关键岩块稳定性分析 西安科技大学矿压研究所通过近2 0 多年的研究，在总结前人成果的基础上，提出 了关键岩块平衡条件公式。在研究地表厚松散层浅埋煤层支架一围岩关系及支护阻力 时，应研究破断岩柱中关键岩块的平衡条件。如图3 2 ，由于关键岩块b 、c 不能形成 砌体结构，将发生滑落失稳，c 块滑落在矸石上，取出关键岩块b 对其稳定性