1、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、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
2、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。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
3、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。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
4、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。1.1.1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
5、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
6、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
7、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。 1.1.2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。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
8、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。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
9、，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。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。1.2主要研究内容本文研究不同厚度基
10、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
11、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
12、，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
13、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
14、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
15、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。
16、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
