淺埋煤層開采巖層控制10第一節

淺部煤層長壁工作面上覆巖層活動特點第二節淺埋煤層長壁開采頂板砌體梁結構及其穩定性第三節淺埋煤層采場支護第四節近距沖積層采場礦山壓力規律神府、東勝煤田探明儲量2236億t，占全國探明儲量的1/3，是世界七大煤田之一，神東礦區開采區域大部分集中于埋深在100～150m以內的淺部，煤層的典型賦存特點是埋深淺、基巖頂板較薄、表土覆蓋層較厚。第一節淺部煤層長壁工作面上覆巖層活動特點通常將具有淺埋深、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壓小，淺埋煤層長壁工作面普遍出現臺階下沉現象，支架壓毀，礦壓顯現劇烈。1、來壓步距不大。老頂初次來壓步距為24m，周期來壓步距平均8m。2、來壓明顯，動載明顯，“三量”的增值倍數大，平均為2.6～3.8。3、來壓的主要特征是頂板沿煤壁產生切落，出現臺階下沉。下沉量為350～600mm，最大一次沿工作面中下部范圍長達70m，說明老頂巖塊難以形成穩定的鉸接結構。普采工作面礦壓顯現特征1203面開采1-2煤層，地質構造簡單。煤層平均傾角3°,平均厚6m，埋深50～65m。覆巖上部為15～30m風積沙松散層，其下為約3m風化基巖。頂板基巖厚15～40m。直接頂為粉砂巖、泥巖互層，裂隙發育。老頂主要為砂巖，巖層完整。工作面長150m，采高4m，循環進尺0.8m，日進2.4m。頂板支護采用YZ3500—23/45掩護式液壓支架，支架初撐力2700kN/架，工作阻力3500kN/架。綜采工作面開采技術條件1、初次來壓步距27m。主要特征是工作面中部約91m范圍頂板沿煤壁切落，形成臺階下沉。來壓猛烈，部分支架損壞。2、周期來壓步距9.4～15.0m，平均12m。來壓歷時較短，支架平時工作阻力不大，只有來壓時才超過額定值，動載明顯。3、頂板破斷直接波及地表。初次來壓時在對應煤壁的地表出現了高差約20cm的地塹，表明貫通地表。工周期來壓時發生了類似破斷，工作面臺階下沉是頂板基巖沿全厚切落的結果。4、根據地表巖移觀測，基巖頂板破斷失穩表現出單組關鍵層結構特征，工作面覆巖將不存在“三帶”，基本上為冒落帶和裂隙帶“兩帶”。綜采工作面礦壓顯現特征1203工作面第一個周期來壓地表下沉剖面20604面正常推進速度為22循環/d（17.6m/d），最快推進速度34循環/d（29m/d），日產煤3.7萬t。工作面埋深80～110m，地表起伏不大，煤層平緩，傾角0.5°～2.6°，斷層很少。開采2-2煤層，煤厚平均4.5m，f=1～3。煤層頂板基巖厚度較大，約42.6m，f=2～7（平均4.0）。基巖風化層平均厚5.4m，沙礫層、亞粘土層和沙土層平均厚度56m。工作面長220m，采高4.3m，循環進尺0.8m。支架初撐力4098kN/架，工作阻力6708kN/架。快速推進工作面的礦壓特征在基巖變厚，推進速度加大的條件下，工作面初次來壓步距增大為54.2m，來壓動載系數2.14。工作面周期來壓步距平均14.6m，動載系數為1.58。來壓期間，中部支架一般都達到額定支護阻力，體現了明顯的板破斷特征。出現頂板沿煤壁切頂現象，但臺階下沉一般在100mm以內，對工作面不構成明顯威脅。工作面來壓規律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。來壓期間有明顯的“頂板臺階下沉”和動載現象。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鍵層類型，老頂巖塊不易形成穩定的砌體梁結構。基巖厚度比較大時，會出現兩個關鍵層組，形成大小周期來壓現象，其礦壓顯現特征介于淺埋煤層采場和普通采場之間。二、淺埋煤層上覆巖層運動特征3、基巖與載荷層厚度之比Jz（簡稱基載比），對來壓顯現有重要影響。當Jz<0.8時工作面都出現了頂板沿煤壁臺階下沉，而當Jz>0.8時一般不出現頂板臺階下沉。對于基巖較薄、松散載荷層厚度較大的淺埋煤層，其頂板破斷運動表現為整體切落形式，易于出現頂板臺階下沉。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、老頂為單一關鍵層結構的煤層。對于基巖厚度較大、松散載荷層厚度較小的淺埋煤層，其礦壓顯現規律介于普通工作面與淺埋煤層工作面之間，頂板結構呈現兩組關鍵層，存在輕微的臺階下沉現象，

稱為近淺埋煤層。三、淺埋煤層定義老頂“短砌體梁”結構模型。關鍵層周期性破斷后，巖塊厚度與長度之比接近于1，形成的鉸接巖梁可以形象地稱為“短砌體梁”結構。第二節淺埋煤層長壁開采頂板砌體梁結構及其穩定性一、老頂“短砌體梁”結構模型及其穩定性P1、P2—塊體承受的載荷；

R2—Ⅱ塊體的支承反力；

θ1、θ2—Ⅰ、Ⅱ塊體的轉角；

a—接觸面高度；

QA、QB—A、B接觸鉸上的剪力；

L1、L2—Ⅰ、Ⅱ巖塊長度“短砌體梁”結構關鍵塊的受力“短砌體梁”結構的穩定性分析。周期來壓期間，頂板結構失穩一般有兩種形式—滑落失穩和回轉變形失穩。頂板結構不發生回轉變形失穩的條件：T≥aησ*Cησ*C--老頂巖塊端角擠壓強度；T/a--接觸面上的平均擠壓應力防止結構在A點發生滑落失穩，必須滿條件：

Ttanφ

≥

QAtanφ為巖塊間摩擦因數，由實驗確定為0.5第二節淺埋煤層長壁開采頂板砌體梁結構及其穩定性老頂“臺階巖梁”結構模型

P1、P2—塊體承受載荷；R2—N塊體支承反力；θ1—M塊體轉角；

b—接觸面高度；QA、QB—A、B接觸鉸上的剪力；L—巖塊長度根據“S—R”穩定條件，此時更容易出現滑落失穩，說明淺埋煤層工作面頂架后切落并不是偶然現象。1、淺埋煤層老頂周期來壓期間可能存在兩種結構形態，即老頂“短砌體梁”結構和“臺階巖梁”結構。2、淺埋煤層老頂“短砌體梁”結構的水平力隨塊度的增加而減小，隨回轉角的增大而增大。工作面上方老頂巖塊的載荷基本上全由前支點承載3、淺埋煤層“短砌體梁”結構參數決定了該結構不易出現回轉變形失穩，而具有強滑落失穩特性。三、淺埋煤層頂板結構理論

4、當老頂巖塊塊度比較大或回轉角比較大時都比較容易出現架后切落，形成“臺階巖梁”結構。該結構為滑落失穩。5、“短砌體梁”和“臺階巖梁”都將出現滑落失穩，這就是工作面周期來壓強烈和出現臺階下沉的根本原因。6、必須對頂板施加一定的支護力才能維持頂板結構的平衡。控制頂板“臺階巖梁”結構的支護力比“短砌體梁”略大，但是兩者隨回轉角的變化有區別。鑒于“臺階巖梁”和“短砌體梁”結構都有可能存在，確定支護力時應當分別按兩種結構計算，取其最大值。淺埋煤層工作面周期來壓時頂板最危險的狀態如圖所示，工作面支架的支護阻力Pm由直接頂巖柱重量和老頂滑落失穩所傳遞的壓力RD組成。第三節淺埋煤層采場支護二、合理支護阻力的確定“短砌體梁”結構的“支架—圍巖”關系周期來壓期間老頂關鍵塊上載荷計算仍然借鑒太沙基巖土壓力計算原理，頂板載荷P1的構成如圖所示。第三節淺埋煤層采場支護整個觀測期間，工作面支架最大工作阻力平均為9710~2768kN，相比之下當于額定工作阻力的82~84%，支架富裕量已顯不足。值得注意是在初次壓來期間，第43至第62架支架范圍內有20架支架的掩護梁出現了程度不同的焊縫開裂現象2023/4/19礦山壓力與巖層控制29第四節近距沖積層采場礦山壓力規律一般情況下、龍東礦七煤工作面初次來壓步距為25～30m，周期來壓步距為10～15m，支架安全閥開啟率不超過20%。在大屯媒電公司，既使采高4m的試驗工作面。安全閥開啟率也僅為30%左右。基于現場實測中出現的沖積層下開采具有“來壓步距小、礦壓顯現強”的特點。迸行相似模擬試驗及有限元計算分析。2023/4/19礦山壓力與巖層控制30第四節近距沖積層采場礦山壓力規律主要結論在無厚及堅破頂板條件下，當沖積層與煤層間距小于采厚的5～6倍時，采場礦壓顯現要受沖積層的影吶，稱為沖積層下采場礦山壓力顯現·其主要持征為，來壓步距小、礦壓顯現強。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，頂板風化嚴重，節理裂隙發育。老頂整體住不佳且強度低。工作面直頂頂破碎，片幫冒頂嚴重，支架初撐力較低且支架與頂板的接頂狀態不佳等2023/4/19礦山壓力與巖層控制31第四節近距沖積層采場礦山壓力規律(2)實驗室模擬試驗表明，當沖積層與煤層間距14.5m，工作面初次來壓期間，頂板垮落向沖積層發展，在沖積層內形成承載結構。沖積層由松散的砂石組成。碎脹系數很小(1.05~1.10)，大量的砂石的冒落。勢必造成初次來壓強度增大。當沖積層與煤層相距26.5m時，工作面初次來壓期間，在頂扳巖層中形成承載結構，來壓強度降低2023/4/19礦山壓力與巖層控制32第四節近距沖積層采場礦山壓力規律通過研究淺埋深條件下普采工作面、綜采工作面