10浅埋煤层开采岩层控制修改

浅埋煤层开采岩层控制101第一节浅部煤层长壁工作面上覆岩层活动特点第二节浅埋煤层长壁开采顶板砌体梁结构及其稳定性第三节浅埋煤层采场支护2神府、东胜煤田探明储量2236亿t，占全国探明储量的1/3，是世界七大煤田之一，神东矿区开采区域大部分集中于埋深在100～150m以内的浅部，煤层的典型赋存特点是埋深浅、基岩顶板较薄、表土覆盖层较厚。第一节浅部煤层长壁工作面上覆岩层活动特点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。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。3C202工作面是大柳塔煤矿的试采工作面，开采2—2煤层，厚3.8m，倾角约3°，埋深平均65m。煤层直接顶厚一般3m左右，为粉砂岩、砂质泥岩。老顶厚17.3m，为砂岩和砂质泥岩。开采区上方烧变岩厚20m左右，其上为毛乌素沙漠风积沙覆盖层。工作面长102m，采高2.2m，爆破落煤，日进1循环，循环进尺1.2m。采用HZWA摩擦支柱配合HDJA—1200铰接顶梁支护，见四回一，全部垮落法管理顶板。一、工作面矿压显现特征与规律普采工作面开采技术条件41、来压步距不大。老顶初次来压步距为24m，周期来压步距平均8m。2、来压明显，动载明显，支柱载荷平均为2.6～3.8。3、来压的主要特征是顶板沿煤壁产生切落，出现台阶下沉。下沉量为350～600mm，最大一次沿工作面中下部范围长达70m，说明老顶岩块难以形成稳定的铰接结构。普采工作面矿压显现特征51203面开采1-2煤层，地质构造简单。煤层平均倾角3°,平均厚6m，埋深50～65m。覆岩上部为15～30m风积沙松散层，其下为约3m风化基岩。顶板基岩厚15～40m。直接顶为粉砂工作面长150m，采高4m，循环进尺0.8m，日进2.4m。顶板支护采用YZ3500—23/45掩护式液压支架，支架初撑力2700kN/架，工作阻力3500kN/架。综采工作面开采技术条件61、初次来压步距27m。主要特征是工作面中部约91m范围顶2、周期来压步距9.4～15.0m，平均12m。来压历时较短，支架平时工作阻力不大，只有来压时才超过额定值，动载明显。3、顶板破断直接波及地表。初次来压时在对应煤壁的地表出现了高差约20cm的地堑，表明贯通地表。工周期来压时发生了类似破断，工作面台阶下沉是顶板基岩沿全厚切落的结果。4、根据地表岩移观测，基岩顶板破断失稳表现出单组关键层结构特征，工作面覆岩将不存在“三带”，基本上为冒落带和裂隙带“两带”。综采工作面矿压显现特征71203工作面第一个周期来压地表下沉剖面8工作面上覆岩层整体切落与台阶下沉920604面正常推进速度为22循环/d（17.6m/d），最快推进速度34循环/d（29m/d），日产煤3.7万t。工作面埋深80～110m，地表起伏不大，煤层平缓，倾角0.5°～2.6°，断层很少。开采2-2煤层，煤厚平均4.5m，f=1～3。煤层顶板基岩厚度较大，约42.6m，f=2～7（平均4.0）。基岩风化层平均厚5.4m，沙砾层、亚粘土层和沙土层平均厚度56m。工作面长220m，采高4.3m，循环进尺0.8m。支架初撑力4098kN/架，工作阻力6708kN/架。快速推进工作面的矿压特征10在基岩变厚，推进速度加大的条件下，工作面初次来压步距增大为54.2m，来压动载系数2.14。工作面周期来压步距平均14.6m，动载系数为1.58。来压期间，中部支架一般都达到额定支护阻力，体现了明显的板破断特征。出现顶板沿煤壁切顶现象，但台阶下沉一般在100mm以内，对工作面不构成明显威胁。工作面来压规律11当工作面推进速度小于15循环/d时，初撑力平均为额定值的84%；工作阻力为额定值的81%。当推进速度快时，工作面压力减轻，工作阻力为额定值的69%。周期来压步距存在大小周期，小周期12m，大周期20m。工作面快速推进时表现为大周期，工作面台阶下沉减缓。20604面基岩比较厚，但平均28m厚的砂岩老顶夹有1~2煤线。因此分为下组16m厚和上组12m厚的2组关键层，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。推进速度和基石厚度对来压的影响121、顶板基岩沿全厚切落，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。工作面覆岩基本上分冒落带和裂隙带“两带”。2、浅埋煤层工作面顶板一般为单一主关键层类型，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。二、浅埋煤层上覆岩层运动特征13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。当Jz0.8时工作面都出现了顶板沿煤壁台阶下沉，而当Jz0.8时一般不出现顶板台阶下沉。14对于基岩较薄、松散载荷层厚度较大的浅埋煤层，其顶板破断运动表现为整体切落形式，易于出现顶板台阶下沉。此类厚松散层浅埋煤层称为典型的浅埋煤层，其特征可以概括为埋藏浅、基载比小、老顶为单一关键层结构的煤层。对于基岩厚度较大、松散载荷层厚度较小的浅埋煤层，其矿压显现规律介于普通工作面与浅埋煤层工作面之间，顶板结构呈现两组关键层，存在轻微的台阶下沉现象，称为近浅埋煤层。三、浅埋煤层定义15浅埋煤层工作面主要矿压特征：老顶破断运动直接波及地表，顶板不易形成稳定的结构，来压存在明显动载现象，支架处于给定失稳载荷状态。浅埋煤层判定指标：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。根据破断岩块的几何特征和铰接形态，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。16老顶“短砌体梁”结构模型。关键层周期性破断后，岩块厚度与长度之比接近于1，形成的铰接岩梁可以形象地称为“短砌体梁”结构。第二节浅埋煤层长壁开采顶板砌体梁结构及其稳定性一、老顶“短砌体梁”结构模型及其稳定性17P1、P2—块体承受的载荷；R2—Ⅱ块体的支承反力；θ1、θ2—Ⅰ、Ⅱ块体的转角；a—接触面高度；QA、QB—A、B接触铰上的剪力；L1、L2—Ⅰ、Ⅱ岩块长度“短砌体梁”结构关键块的受力18“短砌体梁”结构的稳定性分析。周期来压期间，顶板结构失稳一般有两种形式—滑落失稳和回转变形失稳。顶板结构不发生回转变形失稳的条件：T≥aησ*Cησ*C--老顶岩块端角挤压强度；T/a--接触面上的平均挤压应力防止结构在A点发生滑落失稳，必须满条件：Ttanφ≥QAtanφ为岩块间摩擦因数，由实验确定为0.5第二节浅埋煤层长壁开采顶板砌体梁结构及其稳定性19根据浅埋煤层工作面现场实测和模拟实验，开采过程中顶板存在架后切落（滑落失稳）现象。架后切落前，老顶关键块的前铰点位于架后，老顶悬伸岩梁端角受水平力和向下的剪切力的复合作用，端角挤压系数仅为0.13。第二节浅埋煤层长壁开采顶板砌体梁结构及其稳定性二、老顶“台阶岩梁”结构及其稳定性关键块架后切落前的状态20老顶“台阶岩梁”结构模型P1、P2—块体承受载荷；R2—N块体支承反力；θ1—M块体转角；b—接触面高度；QA、QB—A、B接触铰上的剪力；L—岩块长度根据“S—R”稳定条件，此时更容易出现滑落失稳，说明浅埋煤层工作面顶架后切落并不是偶然现象。211、浅埋煤层老顶周期来压期间可能存在两种结构形态，即2、浅埋煤层老顶“短砌体梁”结构的水平力随块度的增加而减小，随回转角的增大而增大。工作面上方老顶岩块的载荷基本上全由前支点3、浅埋煤层“短砌体梁”结构参数决定了该结构不易出现回转变形失稳，而具有强滑落失稳特性。三、浅埋煤层顶板结构理论224、当老顶岩块块度比较大或回转角比较大时都比较容易出现架后切落，形成“台阶岩梁”结构。该结构为滑落失稳。5、“短砌体梁”和“台阶岩梁”都将出现滑落失稳，这就是工作面周期来压强烈和出现台阶下沉的根本原因。6、必须对顶板施加一定的支护力才能维持顶板结构的平衡。控制顶板“台阶岩梁”结构的支护力比“短砌体梁”略大，但是两者随回转角的变化有区别。鉴于“台阶岩梁”和“短砌体梁”结构都有可能存在，确定支护力时应当分别按两种结构计算，取其最大值。23必须提供足够的支护阻力控制顶板的初始切落运动，才能防止顶板结构的进一步恶化所引起的失稳载荷增大，达到以最小的支护阻力控制顶板的目的，这就是浅埋煤层周期来压期间的“支架—围岩”动态作用关系。第三节浅埋煤层采场支护一、浅埋煤层采场的支架围岩动态作用关系24浅埋煤层工作面周期来压时顶板最危险的状态如图所示，工作面支架的支护阻力Pm由直接顶岩柱重量和老顶滑落失稳所传递的压力RD组成。第三节浅埋煤层采场支护二、合理支护阻力的确定“短砌体梁”结构的“支架—围岩”关系25周期来压期间老顶关键块上载荷计算仍然借鉴太沙基岩土压力计算原理，顶板载荷P1的构成如图所示。第三节浅埋煤层采场支护261、判断关键层。根据顶板赋存情况和力学性质判断关键层位置和厚度；2、确定来压步距。未采面可按照初次来压和周期来压步距计算公式（必要时配合模拟研究）确定来压步距，已采面可实测确定；3、确定合理的工作阻力。分别计算初次来压和周期来压的工作阻力，取其最大者作为工作面支护设计的依据。第三节浅埋煤层采场支护三、浅埋煤层工作面支护设计基本方法27