第十章淺埋煤層開采巖層控制

1、礦山壓力與巖層控制 10 淺埋煤層開采巖層控制10.1 淺部煤層長(zhǎng)壁工作面上覆巖層活動(dòng)特點(diǎn)10.2 淺埋煤層長(zhǎng)壁開采頂板砌體梁結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性 10.3 淺埋煤層采場(chǎng)支護(hù)10.4 近距沖積層采場(chǎng)礦山壓力規(guī)律10.5 本章小結(jié)10.1 淺部煤層長(zhǎng)壁工作面上覆巖層活動(dòng)特點(diǎn) 神府、東勝煤田探明儲(chǔ)量2 236億t，占全國(guó)探明儲(chǔ)量的1/3，是世界七大煤田之一，神東礦區(qū)開采區(qū)域大部分集中于埋深在100150 m以內(nèi)的淺部，煤層的典型賦存特點(diǎn)是埋深淺、基巖頂板較薄、表土覆蓋層較厚。由于此類煤層的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律具有明顯的特點(diǎn)，通常將具有淺埋深、基巖薄、上覆厚松散層賦存特征的煤層稱為淺埋煤層。 煤層埋藏淺并不一定礦

2、壓小，淺埋煤層長(zhǎng)壁工作面普遍出現(xiàn)臺(tái)階下沉現(xiàn)象，支架壓毀，礦壓顯現(xiàn)劇烈。 圖10-1 淺埋煤層工作面被壓壞的液壓支架10.1.1 工作面礦壓顯現(xiàn)特征與規(guī)律1) 普采工作面礦壓顯現(xiàn)特征 C202工作面是大柳塔煤礦的試采工作面，開采22煤層，厚3.8m，傾角約3，埋深平均65m。煤層直接頂厚一般3m左右，為粉砂巖、砂質(zhì)泥巖。老頂厚17.3m，為砂巖和砂質(zhì)泥巖。開采區(qū)上方燒變巖厚20m左右，其上為毛烏素沙漠風(fēng)積沙覆蓋層。 工作面長(zhǎng)102m，采高2.2m，爆破落煤，日進(jìn)1循環(huán)，循環(huán)進(jìn)尺1.2m。采用HZWA摩擦支柱配合HDJA1200鉸接頂梁支護(hù)，見四回一，全部垮落法管理頂板。觀測(cè)期間經(jīng)歷了6次周期來(lái)壓

3、，主要來(lái)壓特征見圖10.2（1）來(lái)壓步距不大。老頂初次來(lái)壓步距為24m，周期來(lái)壓步距平均8m。（2）來(lái)壓明顯，動(dòng)載明顯，“三量”的增值倍數(shù)大，平均為2.63.8。（3）來(lái)壓的主要特征是頂板沿煤壁產(chǎn)生切落，出現(xiàn)臺(tái)階下沉。下沉量為350600mm，最大一次沿工作面中下部范圍長(zhǎng)達(dá)70m，說(shuō)明老頂巖塊難以形成穩(wěn)定的鉸接結(jié)構(gòu)。 圖10-2C202工作面周期來(lái)壓顯現(xiàn)規(guī)律2) 綜采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律 1203面開采12煤層，地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單。煤層平均傾角3，平均厚6m，埋深5065m。覆巖上部為1530m風(fēng)積沙松散層，其下為約3m風(fēng)化基巖。頂板基巖厚1540m。直接頂為粉砂巖、泥巖互層，裂隙發(fā)育。老頂主要為砂巖

4、，巖層完整。工作面長(zhǎng)150m，采高4m，循環(huán)進(jìn)尺0.8m，日進(jìn)2.4m。頂板支護(hù)采用YZ350023/45掩護(hù)式液壓支架，支架初撐力2700kN/架，工作阻力3 500kN/架。 實(shí)測(cè)表明，綜采工作面來(lái)壓主要特征如下： （1）初次來(lái)壓步距27m。來(lái)壓的主要特征是工作面中部約91m范圍頂板沿煤壁切落，形成臺(tái)階下沉。來(lái)壓猛烈，造成部分支架損壞。 （2）周期來(lái)壓步距9.415.0m，平均12m。來(lái)壓歷時(shí)較短，支架動(dòng)載明顯。支架初撐力為額定阻力的74%，初撐力正常。支架工作阻力為額定工作阻力的80%。支架平時(shí)的工作阻力不大，只有來(lái)壓時(shí)才超過(guò)額定值，支架動(dòng)載明顯。（3）頂板破斷運(yùn)動(dòng)直接波及地表。初次來(lái)壓

5、時(shí)在對(duì)應(yīng)煤壁的地表出現(xiàn)了高差約20cm的地塹，表明覆巖破斷是貫通地表的。工作面周期來(lái)壓時(shí)上覆巖層也發(fā)生了類似的破斷（圖10-3），工作面臺(tái)階下沉是頂板基巖沿全厚切落的結(jié)果。（4）根據(jù)地表巖移觀測(cè)，基巖頂板破斷失穩(wěn)表現(xiàn)出單組關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)特征，工作面覆巖將不存在“三帶”，基本上為冒落帶和裂隙帶“兩帶”（圖10-4）。 圖10-3 1203工作面第一個(gè)周期來(lái)壓地表下沉剖面 圖10-4 工作面上覆巖層整體切落與臺(tái)階下沉3)快速推進(jìn)工作面的礦壓特征 20604面正常推進(jìn)速度為22循環(huán)/d（17.6 m/d），最快推進(jìn)速度34循環(huán)/d（29m/d），日產(chǎn)煤3.7萬(wàn)t。工作面埋深80110m，地表起伏不大，煤

6、層平緩，傾角0.52.6，斷層很少。開采22煤層，煤厚平均4.5m，f =13。煤層頂板基巖厚度較大，約42.6m，f=27（平均4.0）?；鶐r風(fēng)化層平均厚5.4m，沙礫層、亞粘土層和沙土層平均厚度56m。工作面長(zhǎng)220m，采高4.3m，循環(huán)進(jìn)尺0.8m。支架初撐力4098kN/架，工作阻力6708kN/架。（1） 工作面來(lái)壓規(guī)律 在基巖變厚，推進(jìn)速度加大的條件下，工作面初次來(lái)壓步距增大為54.2m，來(lái)壓動(dòng)載系數(shù)2.14。工作面周期來(lái)壓步距平均14.6m，動(dòng)載系數(shù)為1.58。 來(lái)壓期間，工作面中部支架壓力一般在6200kN/架以上。初次來(lái)壓與周期來(lái)壓的壓力分布類似，來(lái)壓時(shí)中部支架一般都達(dá)到額定

7、支護(hù)阻力，體現(xiàn)了明顯的板破斷特征（圖10-5）。出現(xiàn)頂板沿煤壁切頂現(xiàn)象，但臺(tái)階下沉一般在100mm以內(nèi)，對(duì)工作面不構(gòu)成明顯威脅。 圖10-5周期來(lái)壓期間工作面壓力分布 (2) 推進(jìn)速度對(duì)來(lái)壓的影響 當(dāng)工作面推進(jìn)速度小于15循環(huán)/d時(shí)，初撐力平均為額定值的84%；工作阻力為額定值的81%。當(dāng)推進(jìn)速度快時(shí)，工作面壓力減輕，工作阻力為額定值的69%。 工作面周期來(lái)壓步距存在大小周期，小周期12m，大周期20m。工作面連續(xù)快速推進(jìn)時(shí)表現(xiàn)為大周期，工作面臺(tái)階下沉減緩。 （3）基巖厚度的影響 20604面基巖比較厚，根據(jù)頂板巖層特征，推進(jìn)過(guò)程中起主要承載作用頂板為平均28m厚的砂巖組老頂，其中夾有12煤線

8、。因此，老頂分為下組16m厚和上組12m厚的2組關(guān)鍵層。對(duì)于存在2組關(guān)鍵層的頂板，工作面來(lái)壓主要取決于下位關(guān)鍵層。上位關(guān)鍵層的破斷一般滯后，主要以載荷形式對(duì)下位關(guān)鍵層起作用。雙關(guān)鍵層的疊合運(yùn)動(dòng)，是構(gòu)成工作面大小周期來(lái)壓現(xiàn)象的根本原因。 10.1.2 淺埋煤層上覆巖層運(yùn)動(dòng)特征 及淺埋煤層定義 1) 淺埋煤層上覆巖層運(yùn)動(dòng)的主要特征（1） 頂板基巖沿全厚切落，基巖破斷角較大，破斷直接波及地表。來(lái)壓期間有明顯的頂板臺(tái)階下沉和動(dòng)載現(xiàn)象。工作面覆巖基本上分冒落帶和裂隙帶“兩帶”。（2） 淺埋煤層工作面頂板一般為單一主關(guān)鍵層類型，老頂巖塊不易形成穩(wěn)定的砌體梁結(jié)構(gòu)?；鶐r厚度比較大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)關(guān)鍵層組，形成大

9、小周期來(lái)壓現(xiàn)象，其礦壓顯現(xiàn)特征介于淺埋煤層采場(chǎng)和普通采場(chǎng)之間。（3） 基巖與載荷層厚度之比Jz（簡(jiǎn)稱基載比），對(duì)來(lái)壓顯現(xiàn)有重要影響。當(dāng)Jz0.8時(shí)一般不出現(xiàn)頂板臺(tái)階下沉。 2) 淺埋煤層的定義 淺埋煤層可分為兩種類型：典型的淺埋煤層，近淺埋煤層。 對(duì)于基巖比較薄、松散載荷層厚度比較大的淺埋煤層，其頂板破斷運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)為整體切落形式，易于出現(xiàn)頂板臺(tái)階下沉。此類厚松散層淺埋煤層稱為典型的淺埋煤層，其特征可以概括為埋藏淺、基載比小、老頂為單一關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)的煤層。 對(duì)于基巖厚度較大、松散載荷層厚度較小的淺埋煤層，其礦壓顯現(xiàn)規(guī)律介于普通工作面與淺埋煤層工作面之間，頂板結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)兩組關(guān)鍵層，存在輕微的臺(tái)階下沉現(xiàn)象

10、，可稱為近淺埋煤層。 淺埋煤層工作面的主要礦壓特征是老頂破斷運(yùn)動(dòng)直接波及地表，頂板不易形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，來(lái)壓存在明顯動(dòng)載現(xiàn)象，支架處于給定失穩(wěn)載荷狀態(tài)。淺埋煤層可以采用以下指標(biāo)判定：埋深不超過(guò)150 m，基載比Jz小于1，頂板體現(xiàn)單一主關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)特征，來(lái)壓具有明顯動(dòng)載現(xiàn)象。10.2 淺埋煤層長(zhǎng)壁開采頂板砌體梁 結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性 由于淺埋煤層頂板單一關(guān)鍵層的特點(diǎn)，其頂板砌體梁結(jié)構(gòu)也將呈現(xiàn)新的形態(tài)。根據(jù)破斷巖塊的幾 何特征和鉸接形態(tài)，淺埋煤層工作面頂板 主要形成“短砌體梁”和“臺(tái)階巖梁”兩種結(jié)構(gòu)。 1) 老頂?shù)摹岸唐鲶w梁”結(jié)構(gòu)分析 (1) 老頂“短砌體梁”結(jié)構(gòu)模型 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析和模擬研究，淺埋煤層

11、工作面頂板關(guān)鍵層周期性破斷后，形成的巖塊比較短，巖塊的塊度i（巖塊厚度與長(zhǎng)度之比）接近于1，形成的鉸接巖梁可以形象地稱為“短砌體梁”結(jié)構(gòu)。按照砌體梁結(jié)構(gòu)關(guān)鍵塊分析方法，建立老頂“短砌體梁”結(jié)構(gòu)關(guān)鍵塊模型如圖10-6所示。 圖10-6 “短砌體梁”結(jié)構(gòu)關(guān)鍵塊的受力P1 、P2塊體承受的載荷；R2 塊體的支承反力；1 、 2、塊體的轉(zhuǎn)角；a接觸面高度；QA、QBA、B接觸鉸上的剪力；L1 、L2、巖塊長(zhǎng)度 (2) “短砌體梁”結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析 周期來(lái)壓期間，頂板結(jié)構(gòu)失穩(wěn)一般有兩種形式滑落失穩(wěn)(Sliding)和回轉(zhuǎn)變形失穩(wěn)(Rotation)。下面分析“短砌體梁”結(jié)構(gòu)關(guān)鍵塊的穩(wěn)定性，探討淺埋煤層工

12、作面頂板臺(tái)階下沉的機(jī)理。 頂板結(jié)構(gòu)不發(fā)生回轉(zhuǎn)變形失穩(wěn)的條件為： Ta*C 式中，*C 表示老頂巖塊端角擠壓強(qiáng)度；T/a表示接觸面上的平均擠壓應(yīng)力。 防止結(jié)構(gòu)在A點(diǎn)發(fā)生滑落失穩(wěn)，必須滿足條 TtanQA 式中，tan為巖塊間的摩擦因數(shù)，由實(shí)驗(yàn)確定為0.5 2) 老頂“臺(tái)階巖梁”結(jié)構(gòu)模型及其穩(wěn)定性分析 根據(jù)淺埋煤層工作面現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和模擬實(shí)驗(yàn)，開采過(guò)程中頂板存在架后切落（滑落失穩(wěn)）現(xiàn)象。架后切落前，老頂關(guān)鍵塊的前鉸點(diǎn)位于架后（圖10-9），老頂懸伸巖梁端角受水平力和向下的剪切力的復(fù)合作用，端角擠壓系數(shù)僅為0.13。根據(jù)“SR”穩(wěn)定條件，此時(shí)更容易出現(xiàn)滑落失穩(wěn)，說(shuō)明淺埋煤層工作面頂架后切落并不是偶然現(xiàn)象

13、。老頂架后切落形成的結(jié)構(gòu)形態(tài)如圖10-10所示， 圖10-9 關(guān)鍵塊架后切落前的狀態(tài) 圖10-10老頂“臺(tái)階巖梁”結(jié)構(gòu)模型P1 、P2塊體承受的載荷；R2 N塊體的支承反力；1 M塊體的轉(zhuǎn)角；b接觸面高度；QA、QBA、B接觸鉸上的剪力；L巖塊長(zhǎng)度 3)淺埋煤層頂板結(jié)構(gòu)理論（1） 淺埋煤層老頂周期來(lái)壓期間可能存在兩種結(jié)構(gòu)形態(tài)，即老頂“短砌體梁”結(jié)構(gòu)和“臺(tái)階巖梁”結(jié)構(gòu)。（2） 淺埋煤層老頂“短砌體梁”結(jié)構(gòu)的水平力隨塊度的增加而減小，隨回轉(zhuǎn)角的增大而增大。工作面上方老頂巖塊的載荷基本上全由前支點(diǎn)承（3） 淺埋煤層“短砌體梁”結(jié)構(gòu)參數(shù)決定了該結(jié)構(gòu)不易出現(xiàn)回轉(zhuǎn)變形失穩(wěn)，而具有強(qiáng)滑落失穩(wěn)特性。 (4）

14、根據(jù)實(shí)驗(yàn)和實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)的頂板架后切落現(xiàn)象不是偶然的，當(dāng)老頂巖塊塊度比較大或回轉(zhuǎn)角比較大時(shí)都比較容易出現(xiàn)架后切落，形成“臺(tái)階巖梁”結(jié)構(gòu)。“臺(tái)階巖梁”結(jié)構(gòu)的水平力隨回轉(zhuǎn)角的增大而減小，隨塊度的增大明顯下降，隨最大回轉(zhuǎn)角（落差）的增大而增大。工作面上方老頂巖塊的載荷基本上全由前支點(diǎn)承擔(dān)?！芭_(tái)階巖梁”結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)形式為滑落失穩(wěn)。 （5） 根據(jù)淺埋煤層的一般條件，“短砌體梁”結(jié)構(gòu)和“臺(tái)階巖梁”結(jié)構(gòu)都將出現(xiàn)滑落失穩(wěn)，這就是工作面周期來(lái)壓強(qiáng)烈和出現(xiàn)臺(tái)階下沉的根本原（6） 通過(guò)頂板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析，必須對(duì)頂板施加一定的支護(hù)力才能維持頂板結(jié)構(gòu)的平衡。控制頂板“臺(tái)階巖梁”結(jié)構(gòu)的支護(hù)力比“短砌體梁”略大，但是兩者隨回轉(zhuǎn)角的

15、變化有區(qū)別。鑒于“臺(tái)階巖梁”和“短砌體梁”結(jié)構(gòu)都有可能存在，確定支護(hù)力時(shí)應(yīng)當(dāng)分別按兩種結(jié)構(gòu)計(jì)算，取其最大值。 10.3 淺埋煤層采場(chǎng)支護(hù) 1) 淺埋煤層采場(chǎng)的支架圍巖動(dòng)態(tài)作用關(guān)系 必須提供足夠的支護(hù)阻力控制頂板的初始切落運(yùn)動(dòng)，才能防止頂板結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步惡化所引起 的失穩(wěn)載荷增大，達(dá)到以最小的支護(hù)阻力控制頂板的目的，這就是淺埋煤層周期來(lái)壓期間的“支架圍巖”動(dòng)態(tài)作用關(guān)系。 2) 合理支護(hù)阻力的確定 淺埋煤層工作面周期來(lái)壓時(shí)頂板最危險(xiǎn)的狀態(tài)如圖10-15所示，工作面支架的支護(hù)阻力PM由直接頂巖柱重量和老頂滑落失穩(wěn)所傳遞的壓力RD組成： DkmRghblP 圖10-15 “短砌體梁”結(jié)構(gòu)的“支架圍巖”關(guān)

16、系 周期來(lái)壓期間老頂關(guān)鍵塊上載荷層的計(jì)算仍然借鑒太沙基巖土壓力計(jì)算原理，頂板載荷P1的構(gòu)成如圖10-16所示。 圖10-16 周期來(lái)壓頂板載荷 3) 合理支護(hù)阻力的確定 （1） 判斷關(guān)鍵層。根據(jù)頂板賦存情況和力學(xué)性質(zhì)判斷關(guān)鍵層的位置和厚度；（2） 確定來(lái)壓步距。未采面可按照初次來(lái)壓和周期來(lái)壓步距的計(jì)算公式（必要時(shí)配合模擬研究）確定來(lái)壓步距，已采面可實(shí)測(cè)確定；（3） 確定合理的工作阻力。分別計(jì)算初次來(lái)壓和周期來(lái)壓的工作阻力，取其最大者作為工作面支護(hù)設(shè)計(jì)的依據(jù)。10.4 近距沖積層采場(chǎng)礦山壓力規(guī)律 大屯煤電公司龍東礦 7121工作面為提高回采上限后的首采面。煤層至第四系沖積層的距離，通過(guò)井下打鉆確

17、定為1415m，該工作面來(lái)壓規(guī)律的一個(gè)顯著特點(diǎn)是老頂來(lái)壓步距小。礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)。初次來(lái)壓時(shí)，步距為14.7m，周期來(lái)壓步距為7.4m。初次來(lái)壓時(shí)動(dòng)載系數(shù)達(dá) 1.55，安全閥開啟率為14%。周期來(lái)壓強(qiáng)度逐步降低。直到穩(wěn)定，動(dòng)載系數(shù)平均為1。安全閥開啟率平均為26.20%。 整個(gè)觀測(cè)期間，工作面支架最大工作阻力平均為9710一2768kN，相比之下當(dāng)于額定工作阻力的82一84%，支架富裕量已顯不足。值得注意是在初次壓來(lái)期間。第43至第62架支架范圍內(nèi)有20架支架的掩護(hù)梁出現(xiàn)了程度不同的焊縫開裂現(xiàn)象 一般情況下、龍東礦七煤工作面初次來(lái)壓步距為2530m，周期來(lái)壓步距為1015m，支架安全閥開啟率不超過(guò)2

18、0%。在大屯媒電公司，既使采高4m的試驗(yàn)工作面。安全閥開啟率也僅為30%左右。 基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)中出現(xiàn)的沖積層下開采具有“來(lái)壓步距小、礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)”的特點(diǎn)。迸行相似模擬試驗(yàn)及有限元計(jì)算分析。 主要結(jié)論 在無(wú)厚及堅(jiān)破頂板條件下，當(dāng)沖積層與煤層間距小于采厚的56倍時(shí)，采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)要受沖積層的影吶，稱為沖積層下采場(chǎng)礦山壓力顯現(xiàn)其主要持征為，來(lái)壓步距小、礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)。 造成上述情況的原因是: (1)煤層頂至第四系沖積層最近為14.5m，頂板風(fēng)化嚴(yán)重，節(jié)理裂隙發(fā)育。老頂整體住不佳且強(qiáng)度低。工作面直頂頂破碎，片幫冒頂嚴(yán)重，支架初撐力較低且支架與頂板的接頂狀態(tài)不佳等 。 (2) 實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)表明，當(dāng)沖積層與煤層間距14.5m，工作面初次來(lái)壓期間，頂板垮落向沖積層發(fā)展，在沖積層內(nèi)形成承載結(jié)構(gòu)。沖積層由松散的砂石組成。碎脹系數(shù)很小(1