专题-浅埋深大采高工作面矿压显现规律研究.doc

1、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7

2、0%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

3、。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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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

9、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

10、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

11、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

12、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

13、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

14、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

15、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

16、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