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1、矿山压力与岩层控制,1,2023/2/20,矿山压力与岩层控制之 第十章,中国矿业大学矿业学院采矿系,浅埋煤层开采岩层控制,浅埋煤层开采岩层控制,2023/2/20,矿山压力与岩层控制,2,10.1 浅部煤层长壁工作面上覆岩层活动特点 10.2 浅埋煤层长壁开采顶板砌体梁结构及其稳定性 10.3 浅埋煤层采场支护 10.4 近距冲积层采场矿山压力规律 10.5 本章小结,本章内容提要,第十章 浅埋煤层开采岩层控制,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100150 m以内的浅部，煤层的典型赋存特点是埋深浅、基岩顶板较薄
2、、表土覆盖层较厚由于此类煤层的矿压显现规律具有明显的特点，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,2023/2/20,矿山压力与岩层控制,3,第一节 浅部煤层长壁工作面上覆岩层活动特点,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,浅埋煤层工作面被压坏的液压支架,2023/2/20,矿山压力与岩层控制,4,第一节 浅部煤层长壁工作面上覆岩层活动特点,1）普采工作面矿压显现特征C202工作面是大柳塔煤矿的试采工作面，开采22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17.3
3、m，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。,2023/2/20,矿山压力与岩层控制,5,一、工作面矿压显现特征与规律,第一节 浅部煤层长壁工作面上覆岩层活动特点,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HDJA1200铰接顶梁支护，见四回一，全部垮落法管理顶板。观测期间经历了6次周期来压，主要来压特征如图所示,2023/2/20,矿山压力与岩层控制,6,第一节 浅部煤层长壁工作面上覆岩层活动特点,C202工作面周期来压显现规律,（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）
4、来压明显，动载明显，“三量”的增值倍数大，平均为2.63.8（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350600mm，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,2023/2/20,矿山压力与岩层控制,7,第一节 浅部煤层长壁工作面上覆岩层活动特点,2）综采工作面矿压显现规律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1540m。直接顶为粉砂岩、泥岩互层，裂隙发育。老顶主要为砂岩，岩层完整。工作面长150m，采高4m，循环进尺0.8m，
5、日进2.4m。顶板支护采用YZ350023/45掩护式液压支架，支架初撑力2700kN/架，工作阻力3 500kN/架。,2023/2/20,矿山压力与岩层控制,8,第一节 浅部煤层长壁工作面上覆岩层活动特点,实测表明，综采工作面来压主要特征如下：（1）初次来压步距27m。来压的主要特征是工作面中部约91m范围顶板沿煤壁切落，形成台阶下沉。来压猛烈，造成部分支架损坏。（2）周期来压步距9.415.0m，平均12m。来压历时较短，支架动载明显。支架初撑力为额定阻力的74%，初撑力正常。支架工作阻力为额定工作阻力的80%。支架平时的工作阻力不大，只有来压时才超过额定值，支架动载明显。,2023/2
6、/20,矿山压力与岩层控制,9,第一节 浅部煤层长壁工作面上覆岩层活动特点,（3）顶板破断运动直接波及地表。初次来压时在对应煤壁的地表出现了高差约20cm的地堑，表明覆岩破断是贯通地表的。工作面周期来压时上覆岩层也发生了类似的破断（图10-3），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”（图10-4）。,2023/2/20,矿山压力与岩层控制,10,第一节 浅部煤层长壁工作面上覆岩层活动特点,1203工作面第一个周期来压地表下沉剖面,2023/2/20,矿山压力与岩层控制
7、,11,第一节 浅部煤层长壁工作面上覆岩层活动特点,工作面上覆岩层整体切落与台阶下沉,2023/2/20,矿山压力与岩层控制,12,第一节 浅部煤层长壁工作面上覆岩层活动特点,2023/2/20,矿山压力与岩层控制,13,第一节 浅部煤层长壁工作面上覆岩层活动特点,3）快速推进工作面的矿压特征20604面正常推进速度为22循环/d（17.6 m/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80110m，地表起伏不大，煤层平缓，倾角0.52.6，断层很少。开采2-2煤层，煤厚平均4.5m，f=13。煤层顶板基岩厚度较大，约42.6m，f=27（平均4.0）。基岩风化
8、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。,2023/2/20,矿山压力与岩层控制,14,第一节 浅部煤层长壁工作面上覆岩层活动特点,（1）工作面来压规律在基岩变厚，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，工作面中部支架压力一般在6200kN/架以上。初次来压与周期来压的压力分布类似，来压时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（图10-5）。出现顶板沿煤壁
9、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。,2023/2/20,矿山压力与岩层控制,15,第一节 浅部煤层长壁工作面上覆岩层活动特点,图10-5 周期来压期间工作面压力分布,2023/2/20,矿山压力与岩层控制,16,第一节 浅部煤层长壁工作面上覆岩层活动特点,(2)推进速度对来压的影响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%。工作面周期来压步距存在大小周期，小周期12m，大周期20m。工作面连续快速推进时表现为大周期，工作面台阶下沉减缓。,2023/2/20,矿
10、山压力与岩层控制,17,第一节 浅部煤层长壁工作面上覆岩层活动特点,（3）基岩厚度的影响20604面基岩比较厚，根据顶板岩层特征，推进过程中起主要承载作用顶板为平均28m厚的砂岩组老顶，其中夹有12煤线。因此，老顶分为下组16m厚和上组12m厚的2组关键层。对于存在2组关键层的顶板，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。,2023/2/20,矿山压力与岩层控制,18,第一节 浅部煤层长壁工作面上覆岩层活动特点,1）浅埋煤层上覆岩层运动的主要特征（1）顶板基岩沿全厚切落，基岩破断角较
11、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”。,2023/2/20,矿山压力与岩层控制,19,第一节 浅部煤层长壁工作面上覆岩层活动特点,二、浅埋煤层上覆岩层运动特征及浅埋煤层定义,（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。,（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时一般不出现顶板台阶下沉。,2023/2/20,矿山压力与岩层控制,20,第一节 浅部
12、煤层长壁工作面上覆岩层活动特点,2）浅埋煤层的定义,浅埋煤层可分为两种类型：典型的浅埋煤层，近浅埋煤层对于基岩较薄、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。,2023/2/20,矿山压力与岩层控制,21,第一节 浅部煤层长壁工作面上覆岩层活动特点,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,称为近浅埋煤层浅埋煤层工作面主要矿压特征：老顶破断运动直接波
13、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150 m，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,2023/2/20,矿山压力与岩层控制,22,第一节 浅部煤层长壁工作面上覆岩层活动特点,由于浅埋煤层顶板单一关键层的特点，其顶板砌体梁结构也将呈现新的形态。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。,2023/2/20,矿山压力与岩层控制,23,第二节 浅埋煤层长壁开采顶板砌体梁结构及其稳定性,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
14、煤层工作面顶板关键层周期性破断后，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，形成的铰接岩梁可以形象地称为“短砌体梁”结构。按照砌体梁结构关键块分析方法，建立老顶“短砌体梁”结构关键块模型如图10-6所示。,2023/2/20,矿山压力与岩层控制,24,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分析,图10-6“短砌体梁”结构关键块的受力P1、P2块体承受的载荷；R2 块体的支承反力；1、2、块体的转角；a接触面高度；QA、QBA、B接触铰上的剪力；L1、L2、岩块长度,2023/2/20,矿山压力与岩层控制,25,第二节 浅埋煤
15、层长壁开采顶板砌体梁结构及其稳定性,2）“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(Sliding)和回转变形失稳(Rotation)。下面分析“短砌体梁”结构关键块的稳定性，探讨浅埋煤层工作面顶板台阶下沉的机理。顶板结构不发生回转变形失稳的条件：T a*C*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：Ttan QAtan为岩块间摩擦因数，由实验确定为0.5,2023/2/20,矿山压力与岩层控制,26,第二节 浅埋煤层长壁开采顶板砌体梁结构及其稳定性,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
16、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。,2023/2/20,矿山压力与岩层控制,27,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”结构模型及其稳定性分析,关键块架后切落前的状态,老顶“台阶岩梁”结构模型 P1、P2 块体承受的载荷；R2 N块体的支承反力；1 M块体的转角；b接触面高度；QA、QBA、B接触铰上的剪力；L岩块长度,2023/2/20,矿山压力与岩层控制,28,第二节 浅埋煤层长壁开采顶板砌体梁结构及其稳定性,根据“SR”稳定条件，此时更容易出现滑落失
17、稳，说明浅埋煤层工作面顶架后切落并不是偶然现象。老顶架后切落形成的结构形态如图所示,（1）浅埋煤层老顶周期来压期间可能存在两种结构形态，即老顶“短砌体梁”结构和“台阶岩梁”结构。（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承载（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。,2023/2/20,矿山压力与岩层控制,29,第二节 浅埋煤层长壁开采顶板砌体梁结构及其稳定性,三、浅埋煤层顶板结构理论,（4）根据实验和实测发现的顶板架后切落现象不是偶然的，当老顶岩块块度比较大或回转
18、角比较大时都比较容易出现架后切落，形成“台阶岩梁”结构。“台阶岩梁”结构的水平力随回转角的增大而减小，随块度的增大明显下降，随最大回转角（落差）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承担。“台阶岩梁”结构的失稳形式为滑落失稳。,2023/2/20,矿山压力与岩层控制,30,第二节 浅埋煤层长壁开采顶板砌体梁结构及其稳定性,（5）根据浅埋煤层的一般条件，“短砌体梁”结构和“台阶岩梁”结构都将出现滑落失稳，这就是工作面周期来压强烈和出现台阶下沉的根本原（6）通过顶板结构稳定性分析，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，
19、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。,2023/2/20,矿山压力与岩层控制,31,第二节 浅埋煤层长壁开采顶板砌体梁结构及其稳定性,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。,2023/2/20,矿山压力与岩层控制,32,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,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
20、直接顶岩柱重量和老顶滑落失稳所传递的压力RD组成。,2023/2/20,矿山压力与岩层控制,33,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,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,2023/2/20,矿山压力与岩层控制,34,第三节 浅埋煤层采场支护,（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
21、为工作面支护设计的依据。,2023/2/20,矿山压力与岩层控制,35,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,大屯煤电公司龙东矿 7121工作面为提高回采上限后的首采面。煤层至第四系冲积层的距离，通过井下打钻确定为1415m，该工作面来压规律的一个显著特点是老顶来压步距小，矿压显现强。初次来压时，步距为14.7m，周期来压步距为7.4m。初次来压时动载系数达 1.55，安全阀开启率为1.4%。周期来压强度逐步降低。直到稳定，动载系数平均为1。安全阀开启率平均为26.20%。,2023/2/20,矿山压力与岩层控制,36,第四节 近距冲积层采场矿山压力规律,整个观测期间，
22、工作面支架最大工作阻力平均为97102768kN，相比之下当于额定工作阻力的8284%，支架富裕量已显不足。值得注意是在初次压来期间，第43至第62架支架范围内有20架支架的掩护梁出现了程度不同的焊缝开裂现象,2023/2/20,矿山压力与岩层控制,37,第四节 近距冲积层采场矿山压力规律,一般情况下、龙东矿七煤工作面初次来压步距为2530m，周期来压步距为1015m，支架安全阀开启率不超过20%。在大屯媒电公司，既使采高4m的试验工作面。安全阀开启率也仅为30%左右。基于现场实测中出现的冲积层下开采具有“来压步距小、矿压显现强”的特点。迸行相似模拟试验及有限元计算分析。,2023/2/20,
23、矿山压力与岩层控制,38,第四节 近距冲积层采场矿山压力规律,主要结论在无厚及坚破顶板条件下，当冲积层与煤层间距小于采厚的56倍时，采场矿压显现要受冲积层的影呐，称为冲积层下采场矿山压力显现其主要持征为，来压步距小、矿压显现强。造成上述情况的原因是:(1)煤层顶至第四系冲积层最近为14.5m，顶板风化严重，节理裂隙发育。老顶整体住不佳且强度低。工作面直顶顶破碎，片帮冒顶严重，支架初撑力较低且支架与顶板的接顶状态不佳等,2023/2/20,矿山压力与岩层控制,39,第四节 近距冲积层采场矿山压力规律,(2)实验室模拟试验表明，当冲积层与煤层间距14.5m，工作面初次来压期间，顶板垮落向冲积层发展
24、，在冲积层内形成承载结构。冲积层由松散的砂石组成。碎胀系数很小(1.051.10)，大量的砂石的冒落。势必造成初次来压强度增大。当冲积层与煤层相距26.5m时，工作面初次来压期间，在顶扳岩层中形成承载结构，来压强度降低,2023/2/20,矿山压力与岩层控制,40,第四节 近距冲积层采场矿山压力规律,通过研究浅埋深条件下普采工作面、综采工作面和快速推进工作面矿压显现规律，论述了浅埋煤层上覆岩层运动特征及浅埋煤层定义。建立工作面老顶“短砌体梁”结构模型，分析“短砌体梁”结构的回转失稳和滑落失稳原理，建立工作面老顶“台阶岩梁”结构模型并分析其稳定性。根据浅埋煤层采场支架围岩相互作用关系，确定控制老顶结构失稳的合理支护阻力和工作面支护设计基本方法。最后简要介绍近距离冲积层采场矿山压力显现规律。,2023/2/20,矿山压力与岩层控制,41,第五节 本章小结,
