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1、浅埋煤层开采岩层控制1浅部煤层长壁工作面上覆岩层活动特点1背景 我国赋存有大量埋深在15Om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。 神东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。 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（图4-1），顶板控制具有特殊性。2意义 掌握浅埋煤层工作面矿压显现规律和上覆岩层的活动特点，是进行浅埋煤层
2、顶板控制的基础。 由于浅埋煤层工作面的矿压显现规律具有明显的特点，从岩层控制的角度建立浅埋煤层的概念，对岩层控制具有重要意义。 通常将具有浅埋深、基岩薄、上覆厚松散层赋存特征的煤层称为浅埋煤层。1.1 工作面矿压显现规律及上覆岩层活动特点本节采用具有代表性的工作面矿压实测结果，说明浅埋煤层工作面矿压显现基本规律和上覆岩层活动的特点。例lC202工作面地层条件大柳塔煤矿C202工作面开采2-2煤层，厚度3.8m,倾角约3,埋藏深度平均65m。煤层顶板直接顶3m左右，粉砂岩、砂质泥岩；老顶，厚度17.3m,岩性为砂岩和砂质泥岩；开采区上方烧变岩厚度20m左右，其上为毛乌素沙漠风积沙覆盖层。生产技术
3、条件工作面长度为102m,采高2.2m,爆破落煤，日进1循环1.2m。采用HZWA摩擦支柱，HDJA-1200较接顶梁，见四回一，全部垮落法管理顶板。层序柱状厚度(m)容重(MN/m3)岩层岩性125.00.0170沙土层风化层风积沙，砾石，风化层27.40.0140H煤层火烧区3,JJ1.10.0240泥岩、炭质泥岩、煤线414.80.0243老顶软基岩14.9m较松散块状粉砂岩50.10.0140煤线6一4.20.0239老顶关键层12.9m中粒砂岩7一一4.50.0243砂质泥岩8,一2.40.0239粉砂岩9一一0.30.0245砂质泥岩101.50.0239细砂岩114.40.024
4、5直接顶砂质泥岩、泥岩、煤线124.00.0130煤层2-2煤层131.80.0241底板砂质泥岩图91C202普采工作面煤系地层典型柱状例21203工作面大柳塔1203工作面开采12煤层，地质构造简单，倾角3。，厚度6m,埋深5065m；覆岩上部为1530m风积沙松散层，其下为约3m风化基岩；顶板基岩厚度为1540m;直接顶为泥岩互层。老顶主要为砂岩，岩层完整。工作面长度150m,采高4m,循环进尺0.8m,日进2.4m。采用YZ3500-23/45掩护式液压支架，初撑力270OkN/架，工作阻力3500kN架。1.来压步距不大老顶初次来压步距一般为2030m,周期来压步距一般为815m.
5、C202工作面观测了6次来压（图9-2）,初次来压步距24m,周期来压步距8m。工作面推进距离5）s-运蒸45枳 1203工作面实测初次来压步距27m,周期来压步距9.415.0m,平均12m。图92C202工作面周期来压显现规律2.来压强烈，动载明显C202工作面来压期间“三量”的增值倍数比较大，平均为2.63.8。1203工作面来压动载明显，工作面中部约91m范围顶板沿煤壁切落，造成支架立柱油缸压裂，大部分支架变形损坏（图9-1）。3 .来压的主要特征是顶板沿煤壁产生切落并出现台阶下沉 C202工作面来压期间顶板台阶下沉量为350600mm,最大范围长达到70mo 1203工作面来压期间，
6、工作面中部90m范围出现顶板台阶下沉，达1000mmo 以上矿压显现表明，浅埋煤层老顶岩块难以形成稳定的“砌体梁”结构。4 .工作面顶板破断运动直接波及地表实测1203工作面初次来压期间，在地表的出现了高差约20Cm的地堑,覆岩破断贯通地表。工作面周期来压时也发生了类似的破断（图93）。顶板关键层的破断运动，不仅影响着工作面的矿压显现，而且直接影响到地表的破坏，这是浅埋煤层工作面上覆岩层破坏运动的主要特点。地表测点位置(m)图9-31203工作面第一个周期来压地表下沉剖面5.工作面覆岩垮落基本上为冒落带和裂隙带“两带”根据地表岩移观测，基岩顶板破断失稳表现出单组老顶关键层结构特征;工作面覆岩将
7、不存在“三带”,基本上为冒落带和裂隙带“两带”(图9-4)。图9-4工作面上覆岩层整体切落与台阶下沉1.2基岩厚度和推进速度对工作面矿压特征的影响I背景以20604工作面为例：地质条件：20604工作面正常推进速度为22循环/d(17.6md),最快推进速度34循环/d(29md),日产煤3.7万3创全国最高记录。工作面埋深8(MlOm,煤层倾角0.5。2.6,开采22煤层,煤层厚度4.5m。煤层顶板基岩厚度较大，约42.6m。沙土层和沙砾层、亚粘土层平均厚度56m。地层特点：基岩厚度加大。生产条件：工作面煤壁长220m,采用美国久益公司生产的6LS-03型双滚筒电牵引采煤机割煤，采高4.3m
8、,循环进尺0.8m。采用德国D.D.T公司生产的WSL7型掩护式液压支架支护顶板，支架初撑力4098kN架，工作阻力6708kN架。工作面共布置130台支架，支架编号为自运输顺槽至回风顺槽1-130号。生产特点：推进速度加快。基岩厚度和推进速度对工作面矿压特征的影响：1 .在基岩变厚，推进速度加大的条件下，工作面来压步距增大。初次来压步距为54.2m,周期来压步距平均14.6m。2 .加快推进速度时来压减小。当工作面推进速度小于15循环/d时，初撑力为额定的84%；工作阻力为额定的81%o当推进速度快时，工作面压力减缓，初撑力仅为58%；工作阻力为69%。3 .顶板基岩厚度增大，周期来压存在大
9、小周期现象。 工作面连续快速推进时表现为大周期，顶板台阶下沉减缓。小周期步距12m,大周期步距20m。 工作面大小周期来压现象的根本原因是双关键层的叠合运动。机理分析： 20604工作面顶板基岩比较厚,其主要承载顶板为28m厚的砂岩组老顶。老顶分为下16m和上12m的2组关键层。 对于2组关键层顶板，工作面来压主要取决于下位关键层。上位关键层的破断一般滞后，主要以载荷形式对下位关键层起作用。双关键层的叠合运动，是构成工作面大小周期来压现象的根本原因。1.3浅埋煤层上覆岩层运动特征及浅埋煤层定义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9-1）,浅埋煤层工作面上覆岩层运动有如下主要
10、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”。（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/（简称基载比），对来压显现有重要影响。当JZVO.8时工作面都出现了顶板沿煤壁台阶下沉，而当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C2021
11、7.348.30.3624.07.563.230X6234.6X6458120318.032.00.5627.012.01.26201228001000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Jz=I1.52.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 典型的浅埋原层：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
12、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，存在轻微的台阶下沉现象，可称为近浅埋煤层。浅埋煤层采场的主要矿压特征：老顶破断运动直接波及地表，顶板不易形成稳定的结构，来压明显，支架处于给定失稳载荷状态。 浅埋煤层的判定指标：埋深不超过150m,基载比及小于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。2浅埋煤层长壁开采顶板砌体梁结构及其稳定性浅埋煤层顶板结构形态： 浅埋煤层长壁工作面在
13、开采过程中，顶板关键层将产生周期性破断，破断后形成的岩块也将相互较接形成砌体梁结构。由于浅埋煤层顶板的特点，其顶板砌体梁结构也将呈现新的形态。 根据顶板岩块的几何特征和校接状态，浅埋煤层顶板形成“短砌体梁”和“台阶岩梁”两种结构形态。2.1 老顶的“短砌体梁”结构分析1 .老顶“短砌体梁”结构模型 根据现场实测分析和模拟研究，浅埋煤层工作面顶板关键层周期性破断，形成的岩块比较短,岩块的块度i（岩块厚度与长度之比）接近于1,形成的较接岩梁可以形象地称为“短砌体梁”结构句。 按照砌体梁结构关键块分析法，建立“短砌体梁”结构模型如图4-5所示。图4-5“短砌体梁”结构关键块的受力Pi、Pz一块体承受
14、的载荷；RiH块体的支承反力；为、I、H块体的转角;。一接触面高度：Qa，0b-A,B接触较上的剪力：,，21，岩块长度 结构的几个参数：图4-5中很小，鸟作用点的位置忽略了cos%项。I岩块在采空区的下沉量用与直接顶厚、采高m及岩石碎胀系数KP有如下关系：叱=WTKP1)(4J)根据岩块回转的几何接触关系，岩块端角挤压接触面高度近似为：4=g(-sin1)(4-2)鉴于岩块间的是塑性较接关系，水平力T的作用点可取0.5a处。2.“短砌体梁”结构关键块的受力力系平衡由于老顶周期性破断的受力条件基本一致，可以认为=Ii=/o在图中取ZMA=0,并近似认为此=22网可得：&Ucos/+GSine+/J-4(0.5/cos/+Asin1)+T(z-a-W,)=0(4-3)同理对II岩块取ZMC=0、r=0可得：QB=TSine2(4-4)Qa+Qb=6(4-5)确定两个关键力由几何关系，叫=siq,%=(si4+
