特厚煤层综放开采工作面覆岩运动规律研究

杜同生

（中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221008）

特厚煤层综放开采工作面覆岩运动规律研究

杜同生

（中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221008）

针对大同塔山煤矿石炭二叠纪特厚（9.8 m～29.21 m）煤层复杂地质条件，运用矿压理论分析和现场矿压观测的方法对综放开采工作面覆岩运动规律进行分析研究。通过对两种方法所得工作面初次来压和周期来压等结果的对比，分析得出存在差异的原因。

特厚煤层；综放开采；覆岩运动规律；矿压观测

0 引言

大同煤矿集团有限责任公司是全国煤炭行业的特大型企业之一，现有石炭二叠系的大同、宁武、朔南、河东4个煤田，煤炭储量高达900亿t。首采塔山煤矿，设计生产能力为15 Mt/a，是同煤集团开采二叠系煤层的首建矿井。塔山井田面积达174.2 km2，矿井可采储量达31亿t，主采煤层3#～5#厚度为11.1 m～31.7 m（平均19.4 m），变化幅度较大，含有6层～11层夹矸，最大厚度达0.6 m；煤层多有火成岩侵入；煤层与顶板都受到不同程度的破坏，类似地质条件下综放开采矿压规律研究较少，无经验可借鉴[1-2]。为保证工作面的安全生产，必须对在有火成岩侵入条件下且煤层厚度在20 m左右进行的特厚煤层综采放顶煤开采覆岩运动规律进行研究。

1 工作面覆岩运动模型及发展规律预测 [3-6]

1.1 覆岩运动的结构模型

在采场推进上覆岩层运动发展过程中，根据各岩层运动和特征的差异可以划分为3部分。

⑴冒落带，由“破坏拱”中垮落岩层组成；

⑵砌体梁带（导水裂隙带），由“破坏拱”中裂断岩梁（传递岩梁）组成；

⑶沉降移动带，包括“破坏拱”上的缓沉带和“破坏拱”两侧参与移动的岩层。

导水裂隙带（裂断岩梁）中覆岩运动的发展过程包括两个阶段。

第一次裂断运动阶段（采场第一次来压阶段）。在该运动阶段，随着工作面的不断推进，覆岩运动范围逐渐扩大，采场上方的压力拱由小到大逐渐向上方岩层扩展。根据相似材料模拟实验的结果，当工作面推进距离大约为工作面长度时，压力拱向上扩展到最高处，高度约为工作面长度的1/2。在此过程中，裂隙带中下位1个～2个传递岩梁（老顶） 已完成了初次运动和数个周期运动（见图1）。

正常运动阶段（周期来压阶段）。包括“破坏拱”最上部岩层第一次运动完成到回采工作面推进结束的全部推进过程（见图2）。在正常运动阶段，“破坏拱”不再向上方岩层扩展，保持恒定的高度，随工作面向前方推进。

由上述分析可知，裂隙带岩层第一次运动阶段为采场上方“破坏拱”在工作面前方和工作面上方两个方向上逐渐扩展的阶段。当第一次运动阶段结束时，“破坏拱”在工作面垂直方向上不再扩展，然后进入正常运动阶段，“破坏拱”将只在工作面前方方向上跳跃式向前扩展。此时，“破坏拱”拱顶为一近似水平线。

1.2 工作面覆岩运动发展规律

1.2.1 垮落岩层运动规律

各岩层垮落步距的计算：

由工作面长度（L0）所决定的进入裂断运动的岩层的全部厚度（Hl）一般可按工作面长度的一半估算。即

直接顶垮落步距的计算：

第一次垮落步距按直接顶厚度最大的岩层第一次垮落计算。

1.2.2 裂断岩梁结构组成及裂断步距的计算

1.2.2.1 老顶各岩梁裂断步距的计算

第一次来压裂断步距：

式中：mS——支托层厚度，m；

mC——随动层厚度，m；rP——平均密度，t/m3；

σS——支托层抗拉强度，t/m2。按式（4） 计算结果估算阻力，按式（5）计算结果估算缩量。

周期来压裂断步距：

1.2.2.2 老顶“岩梁”构成及各岩梁厚度的判定

每一“传递岩梁”由支托层及其之上的随动层的同时运动（近乎同时运动）的岩层组成。

相邻岩层是否同时运动，是判别它们是否构成同一岩梁的依据，按式（8）、式（9）进行判断。

相邻岩层同时运动（组成同一岩梁），

式中：MS和ES分别为下位岩层的厚度和抗压强度；MC和EC分别为上位岩层厚度和抗压强度。

1.3 塔山矿8102工作面顶板活动规律的理论分析

塔山煤矿8102工作面位于塔山矿的一盘区。工作面上覆开采侏罗纪煤层的小煤窑4座，煤层底板标高为1 032 m～1 062 m，相应地面标高 1 450 m～1 584 m。所采煤层为石炭二叠系3#～5#合并层，煤层厚度为12.63 m～25.4 m，平均19.01 m。煤层含有6层～11层夹石，最大厚度达0.6 m。煤层倾角1°～3°，属较稳定型煤层。工作面长度230 m。该煤层上部由于煌斑岩侵入的穿插破坏，煤层受热变质或硅化，结构疏松，易碎，使煤层结构与煤质趋于复杂化。图3为工作面位置及其范围内地质钻孔分布示意图。

工作面开采初期1505钻孔具有代表性。根据1505钻孔资料，柱状图见第15页图4。采用传递岩梁理论计算的各岩梁垮落与断裂步距结果见图4。覆岩运动发展规律由直接顶垮落和老顶岩梁裂断步距来表述。

覆岩第一次运动实现阶段是自工作面开切眼开始推进，到裂隙带中最上部一个传递岩梁第一次裂断运动完成为止 (见第13页图1）。研究认为，8102工作面老顶岩梁由多层构成，计算了直接顶垮落至老顶不再裂断时的步距；也计算了第一次运动实现阶段垮落、裂断来压步距。对照裂隙带覆岩第一次运动阶段模式图（见图1）不难知道，计算结果与该模式图样式非常吻合。因此，可以认为本计算结果基本能够描述相应工作面第一次运动实现阶段的覆岩运动发展规律。此时，裂隙带内岩层在推进方向上裂隙较发育，各岩层的裂隙浓度已扩展到（或接近扩展到）全部厚度，采场上覆岩层形成一个高为1/2工作面长度的“破坏拱”，“破坏拱”在工作面前方和工作面上方两个方向上逐渐扩展。在采场推进过程以“传递岩梁”的形式出现周期性断裂运动，在推进方向上能始终保持传递水平力的联系。该部分岩层也是内应力场的主要压力来源。

在正常推进阶段，以计算结果和图1为依据，参照图2（见第13页图2），在正常运动阶段，老顶岩梁将遵从第一运动阶段时的裂断步距，“破坏拱”不再向上方岩层扩展。随工作面逐步向前方推进，“破坏拱”在工作面垂直方向上不再扩展，将只在工作面前方方向上跳跃式向前扩展。此时，“破坏拱”拱顶为一近似水平线。

2 工作面覆岩运动规律及支架工况实测研究

2.1 观测目的

通过对塔山煤矿8102工作面进行现场矿压观测，了解工作面支架工作状况、来压步距、工作面超前支撑压力分布特征及内应力场等情况，进行事故预测和动力信息基础研究。

2.2 观测内容与方法

采用YHY-60型矿用液压支架测力仪。该测力仪主要是通过红外线抄表系统，每隔5 min记录一次数据。数据主要是支架前后柱的工作阻力。每2 d抄表一次。将数据通过红外线抄表系统输入计算机，然后利用计算机软件进行数据分析。画出装有测力仪支架的工作阻力变化曲线，以此获取综放工作面矿压实时变化数据，用以研究工作面来压、支架阻力及支架工作状况。测定液压支架有关工作参数，分析支架与围岩的相互关系，评价支架对工作面顶板条件的适应性，为以后工作面液压支架的选型提供决策依据。

该综放工作面231 m，沿综放工作面共安置上、中、下3个测站，每个测站布置3条～4条测线，测力仪与液压支架连通，测站布置见图5。

根据仪表观测数据和现场宏观观测资料分析，工作面自开采以来，已经历78次较明显的来压过程，在工作面开采前计算的顶煤初次垮落步距分别为13.55 m、16.6 m、19.17 m，平均为16.44 m，而现场实际顶煤垮落步距在11 m～21.75 m，平均16.38 m；第一、第二、第三垮落层的初次垮落步距分别为20.23 m±2 m、23.7 m±2 m、24.5 m±2 m，现场观测的情况为直接顶初次垮落步距为23 m～27 m，平均25 m，说明计算模型符合现场情况。在老顶初次来压的预测上，各岩梁（主要考虑对矿压显现明显的第一、二岩梁） 的步距分别为38.27 m±2 m、47.79 m±2 m，平均为43 m；现场实际观测的步距为46 m～54.3 m，平均50.2 m，存在一定的误差。通过分析研究认为，产生误差的主要原因是：

①开采初始阶段没有进行放煤，在随后的开采过程中顶煤放得并不充分（通过塔山煤矿提供的资料计算顶煤的回收率为65%），使顶煤和直接顶垮落后的高度基本充填了回采空间，从而导致了初始阶段老顶岩梁不能悬空，因此导致来压步距表面上的增大。

②由于工作面顶板沿走向方向有断层存在，使得工作面顶板被天然划分成大小不等的块段，影响到周期来压步距，与理论计算产生较大误差。

③岩梁周期裂断是岩梁周期来压的前提，岩梁周期裂断是诱发因素，周期来压是表现形式。岩梁周期来压步距是一个工程参量，除了受煤层的强度、岩梁强度等内部力学参数影响外，还受工作面支架的工作状态、采场推进速度等外部环境因素的影响，故在工程实践中，计算结果与实际有一定差距[7]。

3 结论

本文通过应用传递岩梁理论，对塔山矿8102特厚煤层综放工作面覆岩运动规律进行分析，并利用矿压观测仪器对工作面顶板活动规律进行现场观测。结果表明，在特厚复杂煤层综放开采条件下，传递岩梁理论以及关于岩梁周期运动步距的推导算法，能够比较准确地反映工作面顶板的活动规律，指导矿山安全生产，预防由矿山压力引起的部分矿山地质灾害。通过上述分析，认为计算结果基本反映了工作面的实际情况，所运用的理论与参数选取也是合理的，再通过一些修正，该结论可以为塔山煤矿大面积开采奠定理论基础。

[1] 范志忠，任勇，徐刚，等.浅埋大采高综放开采煤柱矿压显现规律研究 [J].煤炭科学技术，2010，12(38):25-27.

[2] 吴永平.大同矿区特厚煤层综放采场矿压显现规律研究 [J].煤炭科学技术，2008，1(36):8-10.

[3] 宋振骐.实用矿山压力控制 [M].徐州：中国矿业大学出版社，1988.

[4] 钱鸣高，刘听成.矿山压力及其控制 [M].北京：煤炭工业出版社：1991.

[5] 石平五.采场矿山压力理论研究的述评 [J].西安科技大学学报，1984(01)：48-59.

[6] 钱鸣高，石平五.矿山压力与岩层控制 [M].徐州：中国矿业大学出版社，2003.

[7] 卢国志，汤建泉，宋振骐.传递岩梁周期裂断步距与周期来压步距差异分析 [J].岩土工程学报，2010，4 (32):538-541.

Research of the Overburden Strata Movement of Fully Mechanized Sublevel Caving Mining Face in Extremely Thick Coal Seam

Du Tongsheng
(School of Mines,China University of Mining and Technology,Xuzhou,Jiangsu 221008)

In view of the complex geological conditions of Datong Tashan Carboniferous-Permian extremely thick(9.8 m～29.21 m) coal seam,use of mine pressure theoretical analysis and field observation method,the fully mechanized sublevel caving mining face movement of overlying rock were analyzed.Analysis of reasons for the differences by comparing two methods that obtained initial and periodical pressure at the working face and other results.It provided the reference for the safe production in the working face.

extremely thick coal seam;fully mechanized sublevel caving mining;law of overburden strata

TD325

A

1000-4866（2011）04-0013-04

杜同生，男，1970年出生，本科学历，工程师，从事煤矿管理及开采技术研究工作。

2011-08-04

2011-08-18