专题-凉水井矿浅埋煤层开采岩层控制.doc

1、专 题 部 分凉水井矿浅埋煤层开采岩层控制摘要：根据浅埋煤层顶板岩层的赋存特点和长壁开采时基岩老顶的断裂下沉特征，应用关键层理论探讨了初次来压期间基岩老顶的灾害机制和灾害控制，其浅埋煤层工作面顶板主要形成“短砌体梁”和“台阶岩梁”两种结构，给出了控制台阶下沉和维持顶板稳定的支护力计算公式。研究发现，顶板破断后岩块处于不平衡状态，台阶下沉的机制是结构的滑落失稳；岩块触矸前后的台阶下沉分别与断裂下沉和开采高度之间存在着确定的关系；顶板强烈来压主要是由结构滑落失稳造成的，控制台阶下沉的实质是控制岩块沿煤壁的滑落失稳。关键词：浅埋煤层；关键层；岩层控制1研究背景及研究意义1.1研究的背景煤炭是我国的主

2、要能源，在国民经济建设中具有重要的战略地位。长期以来，墙炭在我国一次能源生产和消费构成中均占2/3以上。根据研究预测，2015年煤炭占全国能源消费总量不会低十55%，2050年也将不低十50%。近年来，我国原煤产量总体保持快速增长势头。2009年，在山西煤炭资源整合的情况下，全国累计完成原煤产量296477.24万吨，同比增恤2.69%。近年来我国的煤炭生产和消费量一直居世界第准据预测，到2020年我国煤炭产量占世界煤炭产量的比例将由目前的35%上升到50%左右。我国赋存有大量埋深在150m以内的浅部煤田，如神府、东胜、灵武、黄陵等。最典型的是神府、东胜煤田。神府、东胜煤田探明储量2236亿t

3、，占全国探明储量的1/3，相当于70个大同矿区、160个开滦矿区，是我国目前探明储量最大的煤田，也是世界七大煤田之一。我国西部地区煤炭资源丰富，尤其是陕北侏罗纪煤田已经成为我国煤炭资源富集度最高、煤质最好、开发前景最好的区域之一，具有良好的开发前景。陕北榆神府矿区煤炭大规模开发始于1987年，截至2008年底，榆林市境内侏罗纪煤田生产矿井有260余处，占全省矿井总数的59%，原煤产量占全省的67%以上，成为陕西省乃至全国最重要的煤炭生产基地之一，2007年榆林市原煤产量达到1.32亿吨，2008年1.55亿吨，近年来以每年2000万吨左右的速度递增。榆神府矿区主要由榆神和神府两个矿区组成，而凉

4、水井矿正是属于榆神矿区。浅埋煤层的典型赋存特点是埋深浅、基岩顶板比较薄、表土覆盖层比较厚。生产实践表明，煤层埋藏浅并不一定矿压小，浅埋煤层长壁工作面普遍出现“台阶下沉”现象，支架压毁，矿压显现剧烈，顶板控制具有特殊性。神府矿区的主要特征为煤层埋藏浅，一般在100m左右，基岩薄、单一关键层结构、上覆厚松散层，赋存有大量的典型浅埋煤层。榆神矿区是陕北侏罗纪煤田地质条件、煤质特征最好的地区。该区突出特征匙旱层埋深一般大十150m,煤层厚度大，基岩一般较厚，存在双(多)关键层。近年来，陕北侏罗纪煤田开发速度很快，神北矿区大多数井田已建井投产。榆神矿区部分规划井田建井，多数井田未开工，但也在积极开展前期

5、工作2009年全国接近2/3的原煤产量增量都集中在内蒙古和陕北等西北地区。山西由于煤炭资源整合，原煤产量下降，西北地区原煤产量的快速增长使我国煤炭生产中心加速西移，从客观上促进了陕北榆神矿区近浅埋煤田的大力开发。榆神府矿区早期的开采实践表明，煤层埋藏浅并不代表工作面顶板压力小，相反工作面现场实测顶板压力很大，工作面顶板往往出现台阶下沉和整体切落现象。国内学者对典型浅埋工作面进行了大量研究，并形成了理论。随着近几年来榆神府矿区近浅埋煤田的大力开发，近浅埋煤层长壁工作面开采的特殊的矿压显现日益突出。目前国内学者对近浅埋煤层长壁工作面的矿压规律和顶板来压机理的研究还不多，此类问题还待深入研究。榆神府

6、矿区浅埋煤层大致可分为2种类型。基岩比较薄、松散载荷层较厚的浅埋煤层。其顶板破断为整体切落形式，易于出现顶板台阶下沉，此类浅埋煤层称为典型浅埋煤层。可以概括为:埋藏浅，基载比小，基本顶为单一关键层结构的煤层。基岩较厚、表现为两组关键层，其矿压显现规律介十普通工作面与典型浅埋工作面之间，存在轻微的台阶下沉现象，可称为近浅埋煤层。根据现有浅埋工作面矿压观测结果，得出典型浅埋煤层工作面主要有如下特征。（1）顶板基岩沿全厚切落，基岩破断角较大，破断直接波至地表。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

7、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。（3）基岩与载荷层厚度之比Jz(简称基载比)，对来压显现有重要影响。典型浅埋煤层可以采用以下指标判定:埋深不超过150m，基载比Jz小于1，顶板体现单一主关键层结构特征，来压具有明显动载现象。随着我国西部大开发建设和国家建立陕北能源基地的契机，榆神府矿区浅埋煤层的建井和投产速度口益加快。随着开采强度的加大，开采深度的增加，该区对厚基岩斜井下的近浅埋煤层的开采口益增多。近浅埋煤层上覆基岩厚度一般比较大，上覆双关键层结构，其矿压规律、工作面顶板破断运动规律

8、与典型浅埋煤层(薄基岩，厚松散砂土层)有一定区别。国内学者对榆神府矿区典型浅埋煤层工作面顶板来压机理的研究已开展不少，而对近浅埋煤层工作面矿压规律和顶板来压机理研究很少，此类条件的工作面矿压规律和顶板来压机理研究还有待于深入。1.2浅埋煤层国内外研究现状(1)国外研究现状国外学者在浅埋煤层顶板岩层控制方面做了大量的研究工作，前苏联M.秦巴列维奇对莫斯科近郊的浅埋煤田做了系统研究，提出了台阶下沉假说。该假说认为当煤层埋藏较浅时，上覆岩层可视为均质。随工作面的推动，顶板将呈斜六面体沿煤壁上方垮落直至地表，支架上所受的载荷应考虑整个上覆岩层的作用。同时前苏联B.B.布德雷克对莫斯科近郊浅埋煤田矿压研

9、究后指出:在埋深100m以内，在存在厚粘土层条件下，放顶时支架出现动载现象，说明浅埋煤层顶板来压迅猛且与普通采场顶板逐次垮落失稳形成的缓和来压有明显的区别。80年代初，澳大利业B.霍勃尔瓦依特对当地浅埋煤层长壁开采的矿压特征进行了研究，发现地表最大下沉量为采高的60%，最大下沉量的85%发生在距工作面40m的范围内。这说明采空区被迅速压实，煤壁附近上覆岩层迅速发生整体移动。印度对江斯拉矿浅埋煤层综采工作面进行了开采实践，得出江斯拉矿浅埋煤层综采工作面上覆岩层破断运动规律和一般埋深的工作面有所不同，并认为浅埋煤层工作面上覆岩层垮落带与裂隙带交叉，形成周期性断裂，步距较短，具有裂隙较密集的特点。英

10、美等国为了控制浅部煤田开采所造成的地表沉陷破坏，多采用房柱式开采，并且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工作。有些南美国家也因缺乏有关技术未能采用长壁开采，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。综上所述，国外对十浅埋煤层的研究总体上认为浅埋煤层开采上覆岩层的破断直接波及到地表，支架有动载现象，上覆岩层往往发生整体切落下沉。国外文献中仅对浅埋工作面长壁开采的一些矿压现象进行了描述，更多的研究在于对矿压及地表塌陷现象实测分析，没有对近浅埋煤层长壁工作面的矿压显现规律和顶板破断运动规律进行研究，更没有对近浅埋煤层工作面顶板的来压机理进行研究。（2)国内研究现状

11、随着神东矿区浅埋煤层的开采，我国学者对浅埋煤层长壁工作面矿压的研究逐渐开展起来。1991年，神东公司与西安科技大学石平五、黄庆享等对大柳塔煤矿C202试采工作面进行了现场观测。结果表明，工作面顶板周期来压较为明显，出现台阶下沉现象，浅埋煤层长壁工作面仍表现有明显的矿压显现。随后黄庆享等对大柳塔1203综采面进行了相似模拟及数值分析。工作面顶板初次来压和周期来压都表现为上覆基岩一次性全厚破断，台阶下沉严重，来压剧烈。研究认为，基岩层内的剪切力是引发工作面顶板基岩破断及其全厚切落的主因，上覆基岩整体台阶下沉使工作面上覆岩层活动和一般埋深工作面有所不同，薄基岩、单一关键层结构的浅埋煤层顶板不能形成稳

12、定的砌体梁结构。1992年西安科技大学石平五教授在煤炭科学基金“浅埋煤层矿压显现和岩层控制”较为系统地研究了神府矿区浅部初期开采的一些规律性问题，主要形成浅埋煤层白似下认识:煤层埋藏浅，地表覆盖层作为重要影响层有可能直接参与工作面矿压显现;一般情况下难以形成稳定的“砌体梁”结构，来压显现较为剧烈；采动损害传递较快，地表大多形成不连续沉陷。1995年以后，我国学者开始对薄基岩、上覆厚松散层的浅埋煤层长壁开采工作面板来压机理及其控制进行研究。黄庆享在“浅埋煤层的矿压特征与浅埋煤层定义”中根据3个不同条件的浅埋深煤层工作面矿压实测，得出了浅埋深煤层顶板破断规律与普通采场不同，并提出了以关键层基载比和

13、埋深为指标的浅埋深煤层定义，为建立顶板结构模型和进行顶板控制奠定了基础。黄庆享还在“浅埋煤层长壁开采顶板结构理论与支护阻力确定”中建立了浅埋煤层初次来压的“非对称三铰拱”结构模型。1.3研究的意义有关学者利用关键层理论对典型浅埋工作面的矿压显现特征作出了的解释，并揭示了其来压机理，但还很少应用关键层理论对近浅埋煤层工作面的矿压规律和顶板来压机理进行过系统研究。本文将在前人研究基础上对近浅埋煤层长壁开采的矿压显现规律、顶板破断运动规律、顶板来压机理等进行深入研究，形成榆神府矿区近浅埋煤的顶板结构理论。从而对近浅埋长壁开采的矿压规律和顶板控制研究提供理论指导，进一步促进榆神府矿区近浅埋工作面的安全

14、高效开采。2浅埋煤层上覆岩层运动特征及浅埋煤层定义2.1浅埋煤层上覆岩层运动的主要特征根据矿压观测结果（表1），浅埋煤层工作面上覆岩层运动有如下主要特征：（1） 顶板基岩沿全厚切落，破断直接波及地表。（2） 来压期间有明显的顶板台阶下沉和动载现象。（3） 工作面上覆岩层基本上为冒落带和裂隙带“两带”，如图1。（4） 典型的浅埋煤层顶板为单一关键层类型，老顶不易形成稳定的砌体梁结构。（5） 顶板基岩厚度大时，会出现两个关键层，形成大小周期来压现象。（6） 基岩与载荷层厚度之比Jz（简称基载比），对来压显现有重要影响。当Jz 0.8时一般不出现顶板台阶下沉。表1 工作面地层组成与矿压显现一览表工作

15、面顶板组成（m）来压步距（m）支架阴力（kN/架）台阶下沉（mm）基岩层载荷层Jz初次周期Dz初撑力工作阻力初次周期C20217.348.30.3624.07.563.2306234.66458120318.032.00.5627.012.01.26201228001000架后120923.231.50.732012280010002060145.042.51.0635.411.11.1647285283很小很小2060442.661.40.6954.214.61.5836665063200100注：基载比Jz=基岩厚度/载荷层厚度；Dz为动载系数；1203工作面周期来压Jz11.52.2浅埋煤层的定义浅埋煤层类型：典型的浅埋煤层，近浅埋煤层典型的浅埋煤层：对于基岩比较薄、松散载荷层厚度比较大的浅埋煤层，其顶板破断运动表现为整体切落和台阶下沉，称为典型的浅埋煤层。即，埋藏浅、基载比小、老顶为单一关键层结构的煤层。近浅埋煤层：对于基岩厚度比较大、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，顶板一般呈现两组关键层结构，存在轻微的