浅埋煤层关键层研究
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浅埋煤层开采隔水层位移规律相似模拟研究
Ａｂ ｔａ ｔ ｈ ｕ ｓ ｅ ｃ ｏ ｅ ｅ ｔ ａ ｆ ｖ ｒ ｕｄ ｎ ａ ｄ ｓ ｂ ｕ ａ ｅｗ ｔｒ ｅ ｉ ｉ ｇｌｙ ｒ ｆ ｕ ｈ ｗａ ｏ ｌ ｅｄｉ ｏｔｗ ｓ ｒ ｓｒ ｃ ：Ｔ ｅ ｓ ｂ ｉ ｎ ｅｍ ｖ ｍ ｎ ｌｗ ｏ ｏ ｅ ｂ ｒ ｅ ｎ ｕ ｓ ｒ ｃ ａｅ ｓ ｔ ｄ ｆ ｒ ｓ ｎ ａ ｅ Ｙ ｓ ｕ ｎ ｃ ａ ｆ ｌ ｎ ｎ ｒ ｅ ｔｎ ｏ ｉ ｈ ｅ
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键 ， 出隔水层 下沉梯 度 为控 制 隔水层 导 水裂 隙 出现 的指 标 。 指 关 键 词： 浅埋 煤层 ； 隔水层 ； 相似 模拟 ； 水开 采 保 文献标 识码 ： Ａ 中 图分 类 号 ：Ｄ ｌ Ｔ ３５
Ｓ ｕ ｔ ｅｔｏ ｅ ｓ ｂ ｉｅ ｃ ｗ ｆ ｂ ｕ ｆ ｃ ｔｒＩｓｓｉ ｇ ｌｙ ｒｕ ｏ ｍａ ｌ ｍｇ ｔｓ ｎ ｔ ｕ ｓｄ ｎ ｅ ｌ ｏ ｓ ｒａ ｅｗａｅ ’ ｉｔｌ ｅ ｐ ｎ ａ ｈ ａ ｕ ｓ ｅ ｌ ａ
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第３ ４卷 第 ５期 ２Ｏ Ｏ６年 １ ０月
煤 田地 质 与勘 探
Ｃ Ｌ Ｇ ０Ｉ Ｇ ＆ Ｅ （ Ｉ ０Ａ Ｅ Ｊ Ｙ ）Ｐ ＤＲＡ １ Ｎ １０
Ｖｏ ． ４ Ｎ ． １３ ｏ ５ ０ ｔ２ ｏ ｃ ．０ ６
文章编号 ：０ １１８ ｛０６０ ． ３－４ １０ ．９６ ２０ ）５０ ４０ ０
ｒ ｓ ｔ ａ ｅ ，ｔｅ ｐ ｙ ｉａ ｉ ｕａｉ ｄ ｌｉ ｍ ｄ ｉ ｕ ａ ｅ ｓ ｅｓ ｓ ａｎ ｃ ｐ ｃｔ ｆ ｈｙｌｙ ｒ ｎ ｅ ｎ ｎ ｏ ｄｔ ｎ ． ｅ ｉ ｉ ｌｙ ｒ ｈ ｈ ｓ ｌ ｓ ｌｔ ｍｏ ｅ ｓａ ｅ ｔ ｓ ｌｔ ｔ ｔ ｓ－ ｔ ｉ ａ ａ ｉ ｏ ａ ｅ ｄ ｒ ｓｎ ｇ ｃ ｍ ｇ ｎ ｏ ｍ ｅｈ ｒ ｒ ｙ ｅ ｕ ｍｉｉ ｃ ｎ ｉ ｓ ｇ ｉ ｏ
键 ， 出隔水层 下沉梯 度 为控 制 隔水层 导 水裂 隙 出现 的指 标 。 指 关 键 词： 浅埋 煤层 ； 隔水层 ； 相似 模拟 ； 水开 采 保 文献标 识码 ： Ａ 中 图分 类 号 ：Ｄ ｌ Ｔ ３５
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第３ ４卷 第 ５期 ２Ｏ Ｏ６年 １ ０月
煤 田地 质 与勘 探
Ｃ Ｌ Ｇ ０Ｉ Ｇ ＆ Ｅ （ Ｉ ０Ａ Ｅ Ｊ Ｙ ）Ｐ ＤＲＡ １ Ｎ １０
Ｖｏ ． ４ Ｎ ． １３ ｏ ５ ０ ｔ２ ｏ ｃ ．０ ６
文章编号 ：０ １１８ ｛０６０ ． ３－４ １０ ．９６ ２０ ）５０ ４０ ０
浅埋煤层保水开采识别系统研究
的高度 ， 实现保 水开 采 。
２ 导水裂缝带广义损伤 因子的确定
２ １ 导水 裂缝带 广义 损伤 因子 的定义 ．
由损伤力学可知 引： 应用损伤变量以描述材料 的损伤状态可以通过从微观和宏观两方面选择度量
损伤的基准。这里假定选取空隙的长度为损伤变量 Ｄ的基准 ， ０ Ｄ＝ 对应于无损伤状态， Ｄ＝１ 对应于完 ，
ｇ， ｎ
、
Ｅ１１（ ｈ ＋ ＋… ＋ ｈ ｌ１ ２２
）
’
，、 １
¨
式中
Ｅ ， … ， 为各 层 岩层 的弹性 模 量 ， 。Ｅ ， Ｅ ｎ为岩 层 数 ；。ｈ， ， 为 各层 岩层 的厚 度 ； ， ， ， ｈ ， … ｈ 。 …
为各层 岩层 的容重 。
基金项 目： 国家 自 然科学基金项 目（ ０ ７ １５ ４ ５２ ５ ） 作者简 介： 赵兵朝（９ ８一 ， ， １ ７ ） 男 山西晋城人 ， 博士生 ， ， 讲师 主要从事开采损害及防护研究
６４ ２
西
安
科
技
大
学 学
报
２０ ０ ８血
遭到破坏。因此根据导水裂缝带的特征和损伤力学损伤变量的定义 ， 本文提出了广义的导水裂缝带损伤 因子的概念 ， 根据导水裂缝带内出现裂缝的数 目以及其相互贯通的情况， 即： 以导水裂缝带 内岩层在原始 状态下的长度和出现裂缝后该岩层长度的变化量作为损伤变量 ， 其所求取 的损伤因子为广义 的导水裂缝 带损伤因子。 ２ ２ 导水 裂缝 带广义 损伤 因子 的确定 ．
对于各层岩层的破断距 ， 不同的模型有着不同的计算方式 ， 其具体计算公式如下。
当为定考时 ；为支考时ｔ √ 作固梁虑 ＝ 当 简梁虑 ＝ ． √ 作
２ 导水裂缝带广义损伤 因子的确定
２ １ 导水 裂缝带 广义 损伤 因子 的定义 ．
由损伤力学可知 引： 应用损伤变量以描述材料 的损伤状态可以通过从微观和宏观两方面选择度量
损伤的基准。这里假定选取空隙的长度为损伤变量 Ｄ的基准 ， ０ Ｄ＝ 对应于无损伤状态， Ｄ＝１ 对应于完 ，
ｇ， ｎ
、
Ｅ１１（ ｈ ＋ ＋… ＋ ｈ ｌ１ ２２
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式中
Ｅ ， … ， 为各 层 岩层 的弹性 模 量 ， 。Ｅ ， Ｅ ｎ为岩 层 数 ；。ｈ， ， 为 各层 岩层 的厚 度 ； ， ， ， ｈ ， … ｈ 。 …
为各层 岩层 的容重 。
基金项 目： 国家 自 然科学基金项 目（ ０ ７ １５ ４ ５２ ５ ） 作者简 介： 赵兵朝（９ ８一 ， ， １ ７ ） 男 山西晋城人 ， 博士生 ， ， 讲师 主要从事开采损害及防护研究
６４ ２
西
安
科
技
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报
２０ ０ ８血
遭到破坏。因此根据导水裂缝带的特征和损伤力学损伤变量的定义 ， 本文提出了广义的导水裂缝带损伤 因子的概念 ， 根据导水裂缝带内出现裂缝的数 目以及其相互贯通的情况， 即： 以导水裂缝带 内岩层在原始 状态下的长度和出现裂缝后该岩层长度的变化量作为损伤变量 ， 其所求取 的损伤因子为广义 的导水裂缝 带损伤因子。 ２ ２ 导水 裂缝 带广义 损伤 因子 的确定 ．
对于各层岩层的破断距 ， 不同的模型有着不同的计算方式 ， 其具体计算公式如下。
当为定考时 ；为支考时ｔ √ 作固梁虑 ＝ 当 简梁虑 ＝ ． √ 作
10-2002(8)[岩石力学与工程学报]浅埋煤层的矿压特征与浅埋煤层定义
![10-2002(8)[岩石力学与工程学报]浅埋煤层的矿压特征与浅埋煤层定义](https://img.taocdn.com/s3/m/2188c23c580216fc700afd15.png)
5.2 浅埋煤层的定义 根据实测，浅埋煤层可分为 2 种类型：(1) 基
岩比较薄、松散载荷层厚度比较大的浅埋煤层，其 顶板破断为整体切落形式，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。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。(2) 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，表现为两组关键层，存 在轻微的台阶下沉现象，可称为近浅埋煤层。
weighting
(2) 推进速度对来压的影响 当推进速度小于 15 循环/d 时，初撑力平均 4 446 kN/架，为额定初撑力的 84%；工作阻力 5 453 kN/架，为额定工作阻力的 81%。当推进速度快时， 工作面压力减缓，初撑力平均 2 886 kN/架，仅为额 定初撑力的 58%；循环工作阻力平均 4 674 kN/架， 为额定工作阻力的 69%。但是，来压时顶板仍然存 在 100～200 mm 的台阶下沉，说明顶板结构容易失 稳的特点。工作面周期来压步距存在大小周期，小 周期为 12 m，大周期为 20 m。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。因此，加 快推进速度对顶板控制有积极作用。 (3) 工作面顶板结构状况分析 20604 工作面基岩比较厚，根据顶板岩层特征， 推进过程中起主要承载作用的顶板为平均 28 m 厚 的砂岩组老顶，其中夹有 1～2 煤线。因此，老顶分 为下组 16 m 厚和上组 12 m 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。因此，如果工作面推 进速度比较快，载荷层的传递不充分，顶板压力就 会减小，这是快速推进时顶板压力减缓的原因之一。
浅埋煤层的矿压特征与浅埋煤层定义
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第２ ｌ卷
第 ８期
２０ ０ ２年 ８月
岩 石 力 学 与工 程 学报 Ｃ ｉｅｅ ｏ ｒ ａ ｏ ｋ ｃ ａ ｉｓ ｎ ｎ ｉｅｒｎ ｈｎ ｓ ｕ ｎ ｌｆＲ ｃ ｈ ｎｃ ｄＥ ｇｎ ｅｉｇ Ｊ ｏ Ｍｅ ａ
２ （） １ ４ １ ７ １８ ：１７ ～ １７
图 ３ ｌ０ ２ ３工作面 第 一个周 期来 压地 表下 沉 剖面
壁 工 作 面 普 遍 出现 有 台 阶 下 沉 现 象 ，矿 压 显现 剧 烈
图 １ 被 压 坏 的 液 压 支 架
Ｆｉ 、 Ｄａ ａ ｄ ｓ ｐ ｏ ｇ１ ｍ ｇｅ ｕ ｐ ￣ｓ
（ １ ， 浅 殊 图 ）Ｊ
性 ｐ 。如 何 从 岩 层 控 制 意 义 上 判 断 浅 埋 煤 层 ， 是岩 Ｊ 层 控 制 必 须 解 决 的 问题 。 本 文 根 据 观 测 认 识 浅埋 煤
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第２ 卷 ｌ
第８ 期
黄庆 享．浅埋煤层 的矿压特 征与浅埋煤层定义
・ １ ５・ ｌ７
■
●
Ｅ Ｅ
＼
Ｚ
由ｌ
牲 瓣
堰
地 表 测 点位 置 ， ｍ
图２ Ｃ０ ２ ２工 作 面 周 期 来 压 显 现 曲线
Ｆｉ ． Ｔ ｅ ｃ ｒ ｅ ｆ ｅ ｉ ｄ ｒ ｏ ｇ２ ｈ ｕ ｖ ｓｏ ｐ ｒ ｏ ｆｗｅ ｇ ｔ ｇ ｏ Ｃ２ ２ ｆ ｃ ｏ ｉ ｈ ｉ ｆ ０ ａ ｅ ｎ
１２ｍ，采 高 ２２ｍ ，爆 破 落 煤 ， 日进 １ 环 ，循 环 ０ ． 循 进 尺 １ 采 用 ＨＺ ． ｍ。 ２ ＷＡ 摩 擦 支 柱 配合 ＨＤＪ １ ０ Ａ．２ ０
层顶板矿 压基本特征 与规律 ，探讨岩层控制意义 上 的 浅 埋 煤 层 定 义 ， 为 正 确 进 行 顶 板 控 制 提 供依 据 。
第２ ｌ卷
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２０ ０ ２年 ８月
岩 石 力 学 与工 程 学报 Ｃ ｉｅｅ ｏ ｒ ａ ｏ ｋ ｃ ａ ｉｓ ｎ ｎ ｉｅｒｎ ｈｎ ｓ ｕ ｎ ｌｆＲ ｃ ｈ ｎｃ ｄＥ ｇｎ ｅｉｇ Ｊ ｏ Ｍｅ ａ
２ （） １ ４ １ ７ １８ ：１７ ～ １７
图 ３ ｌ０ ２ ３工作面 第 一个周 期来 压地 表下 沉 剖面
壁 工 作 面 普 遍 出现 有 台 阶 下 沉 现 象 ，矿 压 显现 剧 烈
图 １ 被 压 坏 的 液 压 支 架
Ｆｉ 、 Ｄａ ａ ｄ ｓ ｐ ｏ ｇ１ ｍ ｇｅ ｕ ｐ ￣ｓ
（ １ ， 浅 殊 图 ）Ｊ
性 ｐ 。如 何 从 岩 层 控 制 意 义 上 判 断 浅 埋 煤 层 ， 是岩 Ｊ 层 控 制 必 须 解 决 的 问题 。 本 文 根 据 观 测 认 识 浅埋 煤
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黄庆 享．浅埋煤层 的矿压特 征与浅埋煤层定义
・ １ ５・ ｌ７
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Ｅ Ｅ
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由ｌ
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地 表 测 点位 置 ， ｍ
图２ Ｃ０ ２ ２工 作 面 周 期 来 压 显 现 曲线
Ｆｉ ． Ｔ ｅ ｃ ｒ ｅ ｆ ｅ ｉ ｄ ｒ ｏ ｇ２ ｈ ｕ ｖ ｓｏ ｐ ｒ ｏ ｆｗｅ ｇ ｔ ｇ ｏ Ｃ２ ２ ｆ ｃ ｏ ｉ ｈ ｉ ｆ ０ ａ ｅ ｎ
１２ｍ，采 高 ２２ｍ ，爆 破 落 煤 ， 日进 １ 环 ，循 环 ０ ． 循 进 尺 １ 采 用 ＨＺ ． ｍ。 ２ ＷＡ 摩 擦 支 柱 配合 ＨＤＪ １ ０ Ａ．２ ０
层顶板矿 压基本特征 与规律 ，探讨岩层控制意义 上 的 浅 埋 煤 层 定 义 ， 为 正 确 进 行 顶 板 控 制 提 供依 据 。
万利矿区浅埋煤层长壁开采矿压显现规律
基 岩与 载 荷 层厚 度 之 比 （ 称 基 载 比 ） 来 简 对
于初步认识阶段。因此 ， 对其进行研究 ， 具有重要 的 实际应用价值 。
１ 浅埋煤层长壁开 采矿压显 现基本规律
根 据对 万 利矿 区 ４个 不 同开 采条 件 和开采 工 艺 的工作 面 实际 观测 ， 观 测 数 据 及 结 果 进行 整 理分 对
参考 文献 ：
［ ］ 石平五 ， 忠杰． 府浅埋 煤层 顶板 破 断运动 规 １ 侯 神 律［ ］ 西 安矿 业 学 院 学报 ， ９６ １ ３） ２ ３— Ｊ． １９ ，６（ ：０
析 ， 埋煤 层矿 压具 有如 下基 本规 律 ： 浅 浅埋煤 层 工作 面矿压 显 现 的突 出特点 是顶 板基 岩沿全厚切落 ， 基岩破断角较大 ， 破断直接波及地
压 强度 和显 现特 征 有 重 要影 响 。如 表 １所 示 ， 当 ＜． ０ ８时 ， 工作 面都 出现 了顶板 沿 煤 壁 台阶下 沉 ， 而
于顶板厚度变大 ， 为 ｌ １５ 虽然有动载现象 ， — ．， 却
只在 架 后 出 现 了 台 阶 下 沉 。 １０ ２ １工 作 面 为 ０ ． ７， ３ 同样 发 生 了沿煤 壁 台阶 下沉 。
收稿 日期 ：０ ７— ７— ５ ２ ０ ０ ２ 作者简介 ： 王 福 （９ ０一） 男 ，９９年毕 业于 山西矿 院采 矿专业 １６ ， １８ 现万利煤炭分公 司柳塔矿助理工程师 。
滞” 现象 ， 来压期间载荷层 的“ 载荷传递” 效应对认 识 顶板 结 构稳定 性 和支 架 围岩关 系有 重要 意义 。
２ 浅埋煤层长壁开采矿压显现 的影响因素
工作 面 支护 状况 对顶 板 来压有 明显影 响 。用金 属磨 擦支 柱 支护 顶 板 的 Ｃ ０ ２２工 作 面初 次和 周 期 来
于初步认识阶段。因此 ， 对其进行研究 ， 具有重要 的 实际应用价值 。
１ 浅埋煤层长壁开 采矿压显 现基本规律
根 据对 万 利矿 区 ４个 不 同开 采条 件 和开采 工 艺 的工作 面 实际 观测 ， 观 测 数 据 及 结 果 进行 整 理分 对
参考 文献 ：
［ ］ 石平五 ， 忠杰． 府浅埋 煤层 顶板 破 断运动 规 １ 侯 神 律［ ］ 西 安矿 业 学 院 学报 ， ９６ １ ３） ２ ３— Ｊ． １９ ，６（ ：０
析 ， 埋煤 层矿 压具 有如 下基 本规 律 ： 浅 浅埋煤 层 工作 面矿压 显 现 的突 出特点 是顶 板基 岩沿全厚切落 ， 基岩破断角较大 ， 破断直接波及地
压 强度 和显 现特 征 有 重 要影 响 。如 表 １所 示 ， 当 ＜． ０ ８时 ， 工作 面都 出现 了顶板 沿 煤 壁 台阶下 沉 ， 而
于顶板厚度变大 ， 为 ｌ １５ 虽然有动载现象 ， — ．， 却
只在 架 后 出 现 了 台 阶 下 沉 。 １０ ２ １工 作 面 为 ０ ． ７， ３ 同样 发 生 了沿煤 壁 台阶 下沉 。
收稿 日期 ：０ ７— ７— ５ ２ ０ ０ ２ 作者简介 ： 王 福 （９ ０一） 男 ，９９年毕 业于 山西矿 院采 矿专业 １６ ， １８ 现万利煤炭分公 司柳塔矿助理工程师 。
滞” 现象 ， 来压期间载荷层 的“ 载荷传递” 效应对认 识 顶板 结 构稳定 性 和支 架 围岩关 系有 重要 意义 。
２ 浅埋煤层长壁开采矿压显现 的影响因素
工作 面 支护 状况 对顶 板 来压有 明显影 响 。用金 属磨 擦支 柱 支护 顶 板 的 Ｃ ０ ２２工 作 面初 次和 周 期 来
浅埋煤层中的关键层运动与导水裂隙发展
砂质泥岩 ｌ ． ０ ０ ４ ２ １ Ｏ２ ． ２ ． ３ 细砂岩 １ ． ０ ０ ３ ２ ７ ２５ ． ２ ． ５
１１ ．７
４．５ １
有重要 的借鉴作用． 本文在 已研制 的耦合模拟实验材料 的基础上［ ２ 】 ，
制作流固耦合相似材料模拟模型 ， 模拟开采时主关键 层 在 流 固耦合 作 用下 的运动 破 坏规 律 ， 析 了影 响浅 分
Ｖｏ． ５ １ Ｎｏ４ ２ ． Ｄｅ ． ２ １ ｃ ０ ０
浅埋煤层 中的关键层 运动与导水裂 隙发展
张 杰
（ 西安科技大学 能源学院 ， 陕西 西安 ７ ０ ５ ） １ ４ ０
摘
要： ２种不同赋存条件下的浅埋煤层工作 面进行了流 固耦合相似模拟实验 ， 对 实验研 究表 明， 主关键层 下岩层的运动破坏规律
是下位逐层垮落而上位整体运动． 影响浅埋煤层导水裂隙发展的主要 因素是主关键层层位和采高， 主关键层位与采高之比越 大， 越容 易 进入弯曲下沉带， 当其层位距 离煤层顶板 的高度与采 高满足 ｋｔ１ ｏ １时， ＞ 主关键层进入 弯曲下沉带， 也就是裂 隙带与采 高之比 ． １ ， ｊ ２时 ｝ ＞ ／ 裂隙才可能停止发展． 并且随着工作面的推进 ， 围岩的渗流状况由原生裂隙逐渐向变形裂隙和导水裂 隙过 渡．
走 向长 ２６０ｉ， 采 煤层 厚 度 平 均 为 ４２ 工 作 面 ６ 开 ｎ ． ｍ． ８
通过关键层 的定义对 ２ １ ０ 工作面岩层判别可得 ， 第 １ 号岩层为主关键层 ，第 ２４ ８ Ｉ ，， 号岩层分别为第
一
，
二， 三层亚关键层． 上覆基岩全厚 ６ 主关键层层 ８ ｍ， 补连塔煤矿 ２ 煤层 ２ １ 综采工作面 ， ２１ 煤层倾角
浅埋煤层的矿压特征与浅埋煤层定义
第21卷 第8期岩石力学与工程学报 21(8)：1174～1177 2002年8月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Aug.，20022000年12月21日收到初稿，2001年2月19日收到修改稿。
* 国家自然科学基金(50104009)和陕西省教委专项科研计划(00JK219)资助项目。
作者 黄庆享 简介：男，1966年生，1987年毕业于西安矿业学院采矿专业，1998年在中国矿业大学(徐州)获博士学位，现任教授、系副主任，主要从事采矿工程和岩层控制方面的教学与科研工作。
浅埋煤层的矿压特征与浅埋煤层定义黄庆享(西安科技学院采矿系 西安 710054)摘要 根据3个不同条件的浅埋煤层工作面矿压实测，得出了中国特大浅埋矿区顶板破断规律与普通采场不同，主要特征是顶板切落式破断和台阶下沉，顶板垮落一般形成冒落带和裂隙带。
并初步提出了以关键层、基载比和埋深为指标的浅埋煤层定义，为正确建立顶板结构模型和进行顶板控制奠定了基础。
关键词 浅埋煤层，矿压特征，定义 分类号 TD 31 文献标识码 A 文章编号 1000-6915(2002)08-1174-04 1 引 言神府东胜煤田探明储量223.6 Gt ，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[1]。
神东矿区目前及今后相当一段时期内，各矿开采区域大部分集中于埋深在100～150 m以内的浅部。
埋深浅、基岩薄、上覆厚松散沙层是煤层典型赋存特征。
实践表明，煤层埋藏浅并不一定就矿压小，长壁工作面普遍出现有台阶下沉现象，矿压显现剧烈(图1)[2]，浅埋煤层工作面顶板破断运动具有特殊性[3]。
如何从岩层控制意义上判断浅埋煤层，是岩层控制必须解决的问题。
本文根据观测认识浅埋煤层顶板矿压基本特征与规律，探讨岩层控制意义上的浅埋煤层定义，为正确进行顶板控制提供依据。
136-浅埋深薄基岩工作面矿压显现规律研究
浅埋深薄基岩工作面矿压显现规律研究李艳君，杨维帅，许力峰，郭文砚，李家伦，刘建（中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院，北京100083）［摘要］为了研究浅埋深薄基岩煤层工作面上覆岩层的运动规律及工作面矿压显现规律，运用UDEC 数值模拟软件对神华李家壕煤矿的上覆岩层的运移规律进行了模拟分析，并进行了现场实测。
结果表明，模拟所得的初次来压步距为40m ，实测值为36.4m ；模拟周期来压步距为20m ，与现场实测的周期来压平均为20.5m 步距基本一致；关键层来压时表现为动载现象明显，整个上覆岩层全厚度切落，地表出现急剧下沉，工作面覆岩将不存在“三带”，基本上为垮落带和裂隙带“两带”。
［关键词］浅埋煤层；矿压显现；覆岩移动规律；数值模拟［中图分类号］TD325.1［文献标识码］A［文章编号］1006-6225（2012）03-0086-03Underground Pressure Behavior Rule of Shallow-buried Mining Face under Thin Base RockLI Yan-jun ，YANG Wei-shuai ，XU Li-feng ，GUO Wen-yan ，LI Jia-lun ，LIU Jian（Resources ＆Safety Engineering School ，China University of Mining ＆Technology （Beijing ），Beijing 100083，China ）Abstract ：Applying UDEC to simulating movement rule of overlying strata in Lijiahao Colliery and combining on-site observation ，this paper researched underground pressure behavior rule of shallow-buried mining face under thin base rock.First weighting pace by simu-lation was 40m ，observation value was 36.4m.Periodical weighting pace by simulation was 20m and observation value was 20.5m.Dy-namic load was obvious at time of key strata weighting ，whole overlying strata fell down and surface sharp subsidence occurred.There was only caving-zone and crack-zone in overlying strata.Key words ：shallow-buried coalseam ；underground pressure behavior ；movement rule of overlying strata ；numerical simulation［收稿日期］2012－03－09［基金项目］国家自然科学基金委员会与神华集团有限公司联合资助项目：浅埋深薄基岩采动岩体破断及渗流基础（51134018）；中央高校基本科研业务费资助项目（2011Y205）［作者简介］李艳君（1987－），男，黑龙江鹤岗人，在读硕士研究生，主要从事矿压及放顶煤方面的研究。
浅析浅埋煤层工作面初次来压机理
科技 论坛 １Ｉ
常 进海
科
浅 析浅埋煤 层 工作 面初次 来压机 理
（ 开滦 集团荆各庄矿 业分公 司 安管部。 河北 唐 山 ０３ ２ ） ６ ０ ６
摘 要： 分析提 出了浅埋煤层 开采 的三个界 定指标 ， 通过分析浅埋煤层 的上覆基 岩层的结构特征及 力学模 型 ， 阐明 了工作 面初 次来压经历 的 从 关键层破断垮落来压， 关键层上方基岩层分层的垮 落形成第一 次冲击栽荷， 松散 栽荷层 滞后垮 落形成 第二次冲击裁荷的三个阶段。 关键词 ： 浅埋煤层； 上覆岩层 ； 松散栽荷层 ； 梯度复合板 １概述 采工作面覆岩活动规律基岩 ， 呈一 同步运动的 覆岩层初次垮落与工作面初次来压过程 ： 我国学者 对浅埋 煤层定 义曾作 过初步 分 组合岩层。 松散载荷层 随基岩层移动 、 垮落至地 随着工作面推进 ，顶板基 岩层裸露 的跨度 析和探讨 。 研究认 为 ， 浅埋煤层工作面矿压显现 表 ， 顶板来压剧烈 ， 来压时间短 ， 现象明显 ， 增加 ， 动压 基岩层发生挠曲变形 ， 当工作面推进到一 的基本特征是 ： 地表 出现大型张开裂缝和较大落差 的地堑 。Ｃ 定距离后 ， ． 基岩层下部分层沿分层界 面滑移 ， 与 １ 顶板基 岩沿全厚切落 ，基岩破断 角较 煤层埋深小 于等于 ８ — ０ ｍ ． １薄基岩结 其上岩层离层垮落 ， ． １ ０ １ ０ 。２１ ． 即直接顶初次放顶 ， 关键层 大， 破断直接波及地表 构分析。深入分析陕西某矿 区典型 的浅埋煤层 组裸露出来 。当工作 面开采第步 以后随着工作 工作 面来 压期间顶 板有 明显 的台阶下沉 长壁开采工作面 ，发现其上覆基岩层具有 如下 面继续推进 ， 基岩关键层裸露跨度增大 ， 其挠曲 和动载现象 。 工作 面覆岩不存在“ 三带”基 本上 结构特征 ： 上覆基岩层一般 由多个岩层分层 变形增大 。当工作 面推进至关键层初次破断距 ， 为冒落带和裂隙带“ 二带” 。 构 成 ，并且 以厚度 ２ ｍ以上 的具有较 高强度 的 时 ， 关键层即开始破坏 ， 工作 面呈现初次来 压。 １ ． ２浅埋煤层工作面顶板一般 为单一主关 岩层 分层 为主。ｂ基岩层 中部一般不含 厚层软 余下基岩层破裂垮落 ，并形成对关键层的冲击 ． 键层类型 ，老顶岩块不易形成稳定 的砌体梁结 弱岩层 ， 基岩层上部有 时为风化基岩 ， 下部紧邻 载荷 ， 使其发生再次破坏 。基岩层垮落后 ， 松散 构 煤层有 时赋存泥岩、 煤线等复合岩层分层。ｅ ． 载荷层 由于呈现 和 自 典 身特性 ，将经历瞬间静止 基岩厚 度 比较大时 ，会 出现 两个关键 层 型薄基岩浅埋煤层 ， 其基岩厚度均较 小 ， 顶板基 后 ， 整层垮落下来 ， 并对已垮落的关 键层及工作 组， 形成大小周 期来压现象 ， 其矿压显现特征介 岩厚度较大时 ，回采工作面矿压显 现规 律接近 面形成理论 冲击载荷过程。 于浅埋煤层采场和普通采场之间 。 普通工作面的矿压显现 ，通常基 岩厚度 应小于 因此 ， 工作面初次来压经历如下 三个过程 ： １ ． ３基岩 与载荷 层厚度 之 比为基 载 比， 对 等 于 ３ ０～５ ｍ。．． ０ ２１ ２坚硬顶板的层理性口 典型 。 ａ． 关键 层破断垮落 ， 来压 开始 ；． ｂ关键层上 来压显现有重要影 响 薄基 岩浅埋煤 层顶板 常呈 现出坚 硬顶 板 的性 基岩层分层 的破坏垮 落 ， 形成第一次 冲击载荷 ； 当基载比小 于 ０ 时 ，工作面都 出现顶板 质 。 ． ８ 坚硬顶板的层理性有其 自身的特点 。 层顶 ｃ 煤 ． 松散载荷层滞后垮落 ， 形成第二次冲击载荷 。 沿煤壁 台阶下沉 ， 而基载 比大于 ０８时 ， ． 则不 会 板均为层理明显 的沉积岩 ， 其分层厚度一般 为 ５松散载荷层活动特点及工作 面来 压动载 出现台阶下沉 。 ０２—０５ 坚硬顶板也 不例外 。由于坚硬顶板 成因分析 ． ．ｍ， 因此将浅埋煤层分为两种类型 ： 基岩 比 通常为仅受轻微构造变 动的厚 层状沉 积岩 ， 轧 不 ５１散体滞后弹性动应力—应 变关系 ． 较薄、 松散 载荷层厚度 比较大的浅埋煤层 ， 其顶 仅岩层本层本身厚度大 ， 而且岩层 内部 的分层 散体在动载荷作用下 ， 应变幅值不同时 ， 散 板破断为整体切落形式 ， 易于出现台阶下沉 ， 此 也都在 ０ ～ ． 以上 。坚硬顶板 的层理表现 体 的动应力～ 应变关 系表现 出不同的特性。当 ． ０ｍ ４ ５ 类厚松散层浅 埋煤 层称为典型 的浅埋 煤层 ， 并 出明显的分组性 ， 组由各分层 间的黏结力很强 ， 应变 幅值 由小到大变化时 ，其应力一 应变关系 将其概括为埋藏浅 ， 基载 比小， 老顶为单一关键 组 与组之间存在黏结力较弱的软夹层。 呈现 出弹性 、 滞后弹性和非线性的关 系。 通常散 层结构 的煤层 ． 基岩厚度比较 大、 松散载荷层 ２ ． ２松散载荷层结构分析 体 内会有孔 隙水及气体 ， 是三相体 ， 在动荷 载作 厚度 比较小 的浅埋煤层 ， 其矿压显现规律介于 典 型浅埋煤层上覆岩层 中，松散载荷层通 用下具有显著的黏滞阻尼特性 ， 因此 ， 散体 可将 普通工作面与浅埋煤层工作面之 间，表现为两 常由风积砂 、 风化砂岩等组成 ， 即以砂土 为主 。 作为黏弹性体 或滞后弹性体 。 一般条件下 ， 处于 组关键层 ， 存在轻微的台阶下沉现象 ， 称为近浅 因此 ， 松散载荷层可视为散体介质。 由散体动力 三相状态的散体 ，在动载荷作用下产生动应变 埋煤层 。 学理 论 可知 ， 散体 的主要特征是 分散性 、 复杂 滞后于动应力 ，瞬时的应变 与应力之问存在一 同时提 出， 浅埋煤层采用 以下指标判 定埋 性和易变性。 砂土散体呈现单粒结构特征 ， 即其 个较固定的相位滞后现象。 深不超过 １０ 基 载 比小 于 ｌ顶板 体现单 一 组成颗粒问没有联结力或联结非常微弱可忽略 ５ｍ， ， ５ ２散体载荷层活动的动荷载效应 主关键层结构特征 ， 来压具有明显动载现象。 不计 。 工作面初次来压及周期来压过程中， 基岩层 显然 ， 上述定义 的前后描述存在诸多 自相 ３浅埋煤层覆岩力学模 型 上方的松散载荷体经历可与基岩层脱离 垮 矛盾之处 ，未能体现浅埋煤层开采与普通煤层 典型浅埋煤层 的上覆岩层由以下两部分 组 落一压荷在垮落的基岩 层上这—运动过程 ， 可以分 开采 的根 本 区 别 。 成 ：一 ａ由若 干岩层分层或 薄复层 、 层组成 的基 析为如下丙 ？动阶段： 互 、 舌 胡 继 构造直力作用 ， 松 ２ 浅埋煤层 工作面上覆岩层活动特征 岩层 ， 其厚度小于 ３ ～ ０ 且其中部一般不含 散载荷层下方受到了幅值为 九的—个应力循环 ０ ５ｍ， ． 砾石 ， 风 作用， 与常埋深工作面相 比， 浅埋煤层工作 面上 有厚度较大的软岩分层。ｂ由风积砂 ， 经历了滞后 ， 角的应变循环， 损耗 Ａ ． 其 ｗ ， 覆岩层Ｉ ｌ ｌ 活动具有如下显著特 点 ： 工作面来 压 化层等组成 的松散载荷层。 因此 ， 型薄基岩 浅 中 典 、ｖ分别为载荷层平均容重、 ２ 厚度、 体积。 时，顶板活动直接波及至地表 ，即顶 板岩层破 埋煤层 ， 其上覆岩层的力学特征可用上部作 用 蝴 散载荷层的近似 自由 落体运动 ， 设平均移动距 断、 垮落时 ， 其上 的松散载荷层几乎 同步陷落 至 有均布载荷 的力学性质呈现梯度变化 的层合板 离为 ｓ则重力所做功为 Ｗ ＝‘ ． 删 松散载荷 ， ． Ｓ 地表。 ． ｂ 工作面支护强度较低时 ， 顶板来 压显 现 来描述。依据典型薄基岩浅埋煤层覆岩结构及 层再次冲落至已垮基岩层及工作面顶板时所做的 剧烈 ，并出现较 大范 围和尺寸的顶板 台阶下沉 其力学特征 ， 应用 功能梯 度材料理论Ｈ 建立薄 冲击功 为 ： ＝Ｗ— ｗ ＝ｖ（ — ）ｗ 与 ＡＷ ， Ａ・ ： Ｓ Ａｗ， ｔ 工作面支护强度较高时 ， 顶板来压较为平缓 ， 工 基岩浅埋煤层覆岩力学模型。该模型 由弹性基 与相比限小， 因此松散载荷层垮落时重力功 几乎全 作面顶板不出现或只在来压时出现较小数值 的 础上的梯度复合岩层 构成 的梯度复合板 ，其上 部作用于对基岩层及顶板 的冲击破 坏 ，因此形 下沉台阶 ， 主要 为架后切落 。 ． 顶板 ｃ 顶板来压持 作用有 均布载荷 ， 载荷为松散载荷层重力。 对于 成工作面来 压时短暂剧烈的动载特点。 续时间短 ， 有明显 的动压现象。ｄ地表出现大 型 浅埋煤 层可 以不考虑构造应力 的影响 。弹性基 ． 因此 ，薄基岩浅埋煤层载荷层几 乎随基 岩 张开裂缝和较 大落差 的地堑。 础由薄基岩下部软弱岩层与煤层组成。基岩下 同步活动 ， 即顶板垮落直接至地表 ， 而且垮 落时 ２ ． １浅埋煤层的界定指标及其主要特征 部 的软弱岩层分层相 当于回采工作面的伪顶或 对工作面顶板形成短促剧烈动载冲击作用 。 综上所 述 ， 浅埋煤 层地下开 采简称浅埋煤 随支架 而垮落的直接顶 。可现场观测的浅埋煤 结束语 层开采类 型 ， 其界定指标主要有 三个 ， 依重要性 层工作 面， 顶板通常完整性较好 ， 除存在较薄弱 本文分析 给出了浅埋煤层开采 ３ 个界定指 分别为 ：． ａ 煤层上覆岩层 由薄基 岩及松散载荷 的易冒的伪顶外 ， 较少厚层直接顶 。 标及主要特征。 分析 了工作面初次来压机理 ， 阐 层组成 ， 基岩厚度小于等于 ３ ０～５ ｍ。ｂ长壁 回 ０ ． ４覆岩层垮落与工作面来压 明了浅埋 煤 层工 作面 周期 来 （ 下转 ２ ０ ） ０ 页
常 进海
科
浅 析浅埋煤 层 工作 面初次 来压机 理
（ 开滦 集团荆各庄矿 业分公 司 安管部。 河北 唐 山 ０３ ２ ） ６ ０ ６
摘 要： 分析提 出了浅埋煤层 开采 的三个界 定指标 ， 通过分析浅埋煤层 的上覆基 岩层的结构特征及 力学模 型 ， 阐明 了工作 面初 次来压经历 的 从 关键层破断垮落来压， 关键层上方基岩层分层的垮 落形成第一 次冲击栽荷， 松散 栽荷层 滞后垮 落形成 第二次冲击裁荷的三个阶段。 关键词 ： 浅埋煤层； 上覆岩层 ； 松散栽荷层 ； 梯度复合板 １概述 采工作面覆岩活动规律基岩 ， 呈一 同步运动的 覆岩层初次垮落与工作面初次来压过程 ： 我国学者 对浅埋 煤层定 义曾作 过初步 分 组合岩层。 松散载荷层 随基岩层移动 、 垮落至地 随着工作面推进 ，顶板基 岩层裸露 的跨度 析和探讨 。 研究认 为 ， 浅埋煤层工作面矿压显现 表 ， 顶板来压剧烈 ， 来压时间短 ， 现象明显 ， 增加 ， 动压 基岩层发生挠曲变形 ， 当工作面推进到一 的基本特征是 ： 地表 出现大型张开裂缝和较大落差 的地堑 。Ｃ 定距离后 ， ． 基岩层下部分层沿分层界 面滑移 ， 与 １ 顶板基 岩沿全厚切落 ，基岩破断 角较 煤层埋深小 于等于 ８ — ０ ｍ ． １薄基岩结 其上岩层离层垮落 ， ． １ ０ １ ０ 。２１ ． 即直接顶初次放顶 ， 关键层 大， 破断直接波及地表 构分析。深入分析陕西某矿 区典型 的浅埋煤层 组裸露出来 。当工作 面开采第步 以后随着工作 工作 面来 压期间顶 板有 明显 的台阶下沉 长壁开采工作面 ，发现其上覆基岩层具有 如下 面继续推进 ， 基岩关键层裸露跨度增大 ， 其挠曲 和动载现象 。 工作 面覆岩不存在“ 三带”基 本上 结构特征 ： 上覆基岩层一般 由多个岩层分层 变形增大 。当工作 面推进至关键层初次破断距 ， 为冒落带和裂隙带“ 二带” 。 构 成 ，并且 以厚度 ２ ｍ以上 的具有较 高强度 的 时 ， 关键层即开始破坏 ， 工作 面呈现初次来 压。 １ ． ２浅埋煤层工作面顶板一般 为单一主关 岩层 分层 为主。ｂ基岩层 中部一般不含 厚层软 余下基岩层破裂垮落 ，并形成对关键层的冲击 ． 键层类型 ，老顶岩块不易形成稳定 的砌体梁结 弱岩层 ， 基岩层上部有 时为风化基岩 ， 下部紧邻 载荷 ， 使其发生再次破坏 。基岩层垮落后 ， 松散 构 煤层有 时赋存泥岩、 煤线等复合岩层分层。ｅ ． 载荷层 由于呈现 和 自 典 身特性 ，将经历瞬间静止 基岩厚 度 比较大时 ，会 出现 两个关键 层 型薄基岩浅埋煤层 ， 其基岩厚度均较 小 ， 顶板基 后 ， 整层垮落下来 ， 并对已垮落的关 键层及工作 组， 形成大小周 期来压现象 ， 其矿压显现特征介 岩厚度较大时 ，回采工作面矿压显 现规 律接近 面形成理论 冲击载荷过程。 于浅埋煤层采场和普通采场之间 。 普通工作面的矿压显现 ，通常基 岩厚度 应小于 因此 ， 工作面初次来压经历如下 三个过程 ： １ ． ３基岩 与载荷 层厚度 之 比为基 载 比， 对 等 于 ３ ０～５ ｍ。．． ０ ２１ ２坚硬顶板的层理性口 典型 。 ａ． 关键 层破断垮落 ， 来压 开始 ；． ｂ关键层上 来压显现有重要影 响 薄基 岩浅埋煤 层顶板 常呈 现出坚 硬顶 板 的性 基岩层分层 的破坏垮 落 ， 形成第一次 冲击载荷 ； 当基载比小 于 ０ 时 ，工作面都 出现顶板 质 。 ． ８ 坚硬顶板的层理性有其 自身的特点 。 层顶 ｃ 煤 ． 松散载荷层滞后垮落 ， 形成第二次冲击载荷 。 沿煤壁 台阶下沉 ， 而基载 比大于 ０８时 ， ． 则不 会 板均为层理明显 的沉积岩 ， 其分层厚度一般 为 ５松散载荷层活动特点及工作 面来 压动载 出现台阶下沉 。 ０２—０５ 坚硬顶板也 不例外 。由于坚硬顶板 成因分析 ． ．ｍ， 因此将浅埋煤层分为两种类型 ： 基岩 比 通常为仅受轻微构造变 动的厚 层状沉 积岩 ， 轧 不 ５１散体滞后弹性动应力—应 变关系 ． 较薄、 松散 载荷层厚度 比较大的浅埋煤层 ， 其顶 仅岩层本层本身厚度大 ， 而且岩层 内部 的分层 散体在动载荷作用下 ， 应变幅值不同时 ， 散 板破断为整体切落形式 ， 易于出现台阶下沉 ， 此 也都在 ０ ～ ． 以上 。坚硬顶板 的层理表现 体 的动应力～ 应变关 系表现 出不同的特性。当 ． ０ｍ ４ ５ 类厚松散层浅 埋煤 层称为典型 的浅埋 煤层 ， 并 出明显的分组性 ， 组由各分层 间的黏结力很强 ， 应变 幅值 由小到大变化时 ，其应力一 应变关系 将其概括为埋藏浅 ， 基载 比小， 老顶为单一关键 组 与组之间存在黏结力较弱的软夹层。 呈现 出弹性 、 滞后弹性和非线性的关 系。 通常散 层结构 的煤层 ． 基岩厚度比较 大、 松散载荷层 ２ ． ２松散载荷层结构分析 体 内会有孔 隙水及气体 ， 是三相体 ， 在动荷 载作 厚度 比较小 的浅埋煤层 ， 其矿压显现规律介于 典 型浅埋煤层上覆岩层 中，松散载荷层通 用下具有显著的黏滞阻尼特性 ， 因此 ， 散体 可将 普通工作面与浅埋煤层工作面之 间，表现为两 常由风积砂 、 风化砂岩等组成 ， 即以砂土 为主 。 作为黏弹性体 或滞后弹性体 。 一般条件下 ， 处于 组关键层 ， 存在轻微的台阶下沉现象 ， 称为近浅 因此 ， 松散载荷层可视为散体介质。 由散体动力 三相状态的散体 ，在动载荷作用下产生动应变 埋煤层 。 学理 论 可知 ， 散体 的主要特征是 分散性 、 复杂 滞后于动应力 ，瞬时的应变 与应力之问存在一 同时提 出， 浅埋煤层采用 以下指标判 定埋 性和易变性。 砂土散体呈现单粒结构特征 ， 即其 个较固定的相位滞后现象。 深不超过 １０ 基 载 比小 于 ｌ顶板 体现单 一 组成颗粒问没有联结力或联结非常微弱可忽略 ５ｍ， ， ５ ２散体载荷层活动的动荷载效应 主关键层结构特征 ， 来压具有明显动载现象。 不计 。 工作面初次来压及周期来压过程中， 基岩层 显然 ， 上述定义 的前后描述存在诸多 自相 ３浅埋煤层覆岩力学模 型 上方的松散载荷体经历可与基岩层脱离 垮 矛盾之处 ，未能体现浅埋煤层开采与普通煤层 典型浅埋煤层 的上覆岩层由以下两部分 组 落一压荷在垮落的基岩 层上这—运动过程 ， 可以分 开采 的根 本 区 别 。 成 ：一 ａ由若 干岩层分层或 薄复层 、 层组成 的基 析为如下丙 ？动阶段： 互 、 舌 胡 继 构造直力作用 ， 松 ２ 浅埋煤层 工作面上覆岩层活动特征 岩层 ， 其厚度小于 ３ ～ ０ 且其中部一般不含 散载荷层下方受到了幅值为 九的—个应力循环 ０ ５ｍ， ． 砾石 ， 风 作用， 与常埋深工作面相 比， 浅埋煤层工作 面上 有厚度较大的软岩分层。ｂ由风积砂 ， 经历了滞后 ， 角的应变循环， 损耗 Ａ ． 其 ｗ ， 覆岩层Ｉ ｌ ｌ 活动具有如下显著特 点 ： 工作面来 压 化层等组成 的松散载荷层。 因此 ， 型薄基岩 浅 中 典 、ｖ分别为载荷层平均容重、 ２ 厚度、 体积。 时，顶板活动直接波及至地表 ，即顶 板岩层破 埋煤层 ， 其上覆岩层的力学特征可用上部作 用 蝴 散载荷层的近似 自由 落体运动 ， 设平均移动距 断、 垮落时 ， 其上 的松散载荷层几乎 同步陷落 至 有均布载荷 的力学性质呈现梯度变化 的层合板 离为 ｓ则重力所做功为 Ｗ ＝‘ ． 删 松散载荷 ， ． Ｓ 地表。 ． ｂ 工作面支护强度较低时 ， 顶板来 压显 现 来描述。依据典型薄基岩浅埋煤层覆岩结构及 层再次冲落至已垮基岩层及工作面顶板时所做的 剧烈 ，并出现较 大范 围和尺寸的顶板 台阶下沉 其力学特征 ， 应用 功能梯 度材料理论Ｈ 建立薄 冲击功 为 ： ＝Ｗ— ｗ ＝ｖ（ — ）ｗ 与 ＡＷ ， Ａ・ ： Ｓ Ａｗ， ｔ 工作面支护强度较高时 ， 顶板来压较为平缓 ， 工 基岩浅埋煤层覆岩力学模型。该模型 由弹性基 与相比限小， 因此松散载荷层垮落时重力功 几乎全 作面顶板不出现或只在来压时出现较小数值 的 础上的梯度复合岩层 构成 的梯度复合板 ，其上 部作用于对基岩层及顶板 的冲击破 坏 ，因此形 下沉台阶 ， 主要 为架后切落 。 ． 顶板 ｃ 顶板来压持 作用有 均布载荷 ， 载荷为松散载荷层重力。 对于 成工作面来 压时短暂剧烈的动载特点。 续时间短 ， 有明显 的动压现象。ｄ地表出现大 型 浅埋煤 层可 以不考虑构造应力 的影响 。弹性基 ． 因此 ，薄基岩浅埋煤层载荷层几 乎随基 岩 张开裂缝和较 大落差 的地堑。 础由薄基岩下部软弱岩层与煤层组成。基岩下 同步活动 ， 即顶板垮落直接至地表 ， 而且垮 落时 ２ ． １浅埋煤层的界定指标及其主要特征 部 的软弱岩层分层相 当于回采工作面的伪顶或 对工作面顶板形成短促剧烈动载冲击作用 。 综上所 述 ， 浅埋煤 层地下开 采简称浅埋煤 随支架 而垮落的直接顶 。可现场观测的浅埋煤 结束语 层开采类 型 ， 其界定指标主要有 三个 ， 依重要性 层工作 面， 顶板通常完整性较好 ， 除存在较薄弱 本文分析 给出了浅埋煤层开采 ３ 个界定指 分别为 ：． ａ 煤层上覆岩层 由薄基 岩及松散载荷 的易冒的伪顶外 ， 较少厚层直接顶 。 标及主要特征。 分析 了工作面初次来压机理 ， 阐 层组成 ， 基岩厚度小于等于 ３ ０～５ ｍ。ｂ长壁 回 ０ ． ４覆岩层垮落与工作面来压 明了浅埋 煤 层工 作面 周期 来 （ 下转 ２ ０ ） ０ 页
浅埋煤层综放采空区自燃“三带”与压力横三区关系
稳特征分析 二者之 间的关系。采用束管监测采 空区气体分布 ， 得 出 了采 空区 自燃“ 三 带” 的分布 规律。根据 矿压观 测与关键 层理论分析 ， 分析 了顶板破断形成 的结构及 失稳形 式 ， 采用 Ｒ Ｆ Ｐ Ａ 模拟 了采 空区底 板支承压 力分布规律 ， 划分 了采空 区压力 横三 区； 分析 了各 区渗流特点 ， 通过对 比发现浅埋采 空区 自燃 “ 三带” 与压力横 三区有较好 的对应 关系。
１ ３卷
探头
探头
探头
探头
探头
（ ａ ） 测点布置 图
（ ｂ ） 采气探头示 意图
图 １ 测点及探 头布置示意图
ｑ １ （ ）ｌ ＋ １＜ｑ １ （ ）Ｉ ； Ｌ １＜Ｌ ２ 。
２ ． ２ 采 空 区 自燃 三带分 布规 律
结合 现 场实测 及 数 值 模 拟 相结 合 的方 法 、 利 用 最 大最小 理论 确定 采 空 区 自燃 三带 的分 布见 图 ２ 。
关键 词
综放采 空 区
自燃“ 三带”
关键层理论 Ｂ
支承压力
中图法分类号
Ｔ Ｄ ７ １ １ ． ４ ；
文献标 志码
我 国西北 地 区浅 埋 煤 层 赋存 稳 定 、 地 质 构造 简
的首采 面 ， 黄 土层 平均 厚 ３ ８ ． ２ ｍ， 基岩 ８ Ｏ～１ ３ ０ ｎ ｌ ， ６
单、 瓦斯含量小 ， 大部分千万吨级矿井分布 于此 ， 但
煤 层 变质 程度 低 、 易 自燃 ， 工 作 面采 空 区 、 巷道高 冒 区常受 到煤 自燃 的严 重 威 胁 Ｊ 。采 空 区 遗煤 自燃 发 火 除取 决于 煤 自身 的氧 化 特 性 之外 ， 还 主 要受 采 空 区供 氧及 蓄 热 环境 、 遗煤 分 布 、 采 空 区漏 风 源 、 汇 集 强度 以及 工 作 面推进 速度 的影 响 Ｊ 。
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ρ i gh i ∑
i = n +1
∑E h
i
3
i
(
i = n +1
ρ i gh i + q) ∑
i =1
∑E h3
i i
≤1 .
( 11)
地面松散层 ( 风积沙) 愈厚 , 式 ( 11) 分母中的 q 就愈大 , 该式就愈容易满足 . 因此地表厚松散层浅 埋煤层 , 既使覆岩中第 2 层老顶 ( n + 1 层 ) 岩层的强度和厚度比第 1 层老顶大 , 由于地表松散层厚 , 式
M 1 ( x ) / E1 J 1 ≤ M n +1 ( x ) / En +1 J n +1 . ( 6)
将式 ( 4) 和 ( 5) 代入式 ( 6) , 得
n m
M a ( x)
i =1
∑
Ei J i ≤ M b ( x )
i = n +1
∑E J .
i i
( 7)
根据一承受载荷为 q 、长度为 l 的固定梁任意截面的弯矩公式 , a 组合岩梁 ( 1～ n 层) 和 b 组合岩梁 ( n + 1～ m 层) 相应就有
2 关键层上的载荷
关键层破断时的极限跨距 , 不论使用材料力学方法求取 , 还是用弹性地基梁方法求取 , 都需要知道关 键层上的载荷 .
211 一般浅埋煤层
对于一般浅埋煤层 , 由于两层老顶的极限跨距不同 , 其上的载荷应分别求出 . 第 1 层老顶与其上直到 n 层岩层同步协调变形 , 不承受第 2 层老顶 ( n + 1 层) 及其上岩层的任何载 荷 , 第 1 层老顶上的载荷 [1 ] 为
L = 25～50 m
Ⅲ 强烈
013 < k ≤ 3～5 , L > 50 m
k≤ 013 , L = 25～50 m
Ⅳ 极强烈 k≤ 013
L > 50 m
表中 k 为直接顶厚度与采高的比值 ; L 为老顶初次来压步距 . 若以 y1 和 y n + 1 分别表示第 1 层老顶和 第 2 层老顶 ( n + 1 层) 分级级别数的相应值 ( Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ 和Ⅳ 级顶板分别为 1 , 2 , 3 和 4) , 则第 2 层老 顶 ( n + 1 层) 成为主关键层的来压强度判别条件为 ( 15) y n + 1 > y1 .
1 关键层刚度判别条件
设浅埋层上覆岩层如图 1 所示. 上覆 m 层岩层中有 2 层 坚硬的厚岩层即直接顶之上的第 1 层 ( 第 1 层老顶) 和第 n + 1 层 ( 第 2 层老顶 ) 岩层 , 地表有松散层 ( 风积沙 ) , 其载荷 为 q . 图中各岩层的厚度为 hi ( i = 1 , 2 , 3 , …, m ) ; 容重 为ρ i g ( i = 1 , 2 , 3 , …, m ) . 第 1 层老顶所控制的 1～ n 层岩层同步协调变形 , 即各岩 层曲率相同 , 于是有
( 西安矿业学院 采矿系 , 陕西 西安 710054)
摘 要 : 根据浅埋煤层的特点 , 提出了覆岩全厚整体台阶切落的判断公式 , 补充了关键层理论在 浅埋煤层应用中的判定准则 . 分析了不同覆岩岩层关键层的层位 , 指出地表厚松散层浅埋煤层覆 岩中两层坚硬岩层均为关键层 , 为其长壁工作面来压剧烈的原因提供了理论依据 . 关键词 : 关键层 ; 浅埋煤层 ; 厚松散层 ; 采场来压 中图分类号 : TD 31 文献标识码 : A 自关键层理论提出以来 , 短短几年时间 , 就在采场顶板岩层控制 、采场底板突水 、覆岩岩层移动及地 表沉陷等方面得到广泛应用 . 关键层理论的基本观点是 , 当煤层上覆岩层存在多层坚硬岩层时 , 各坚硬岩 层因其特征不同而对其采场顶板岩层运动所起的作用不同 , 把对覆岩全部或局部起决定作用的岩层称为关 键层 , 前者称主关键层 , 后者称亚关键层[1 ] . 我国煤层的开采实践表明 , 浅埋煤层长壁工作面矿山压力显现差别很大 , 有的工作面顶板来压不明显 ( 如灵武矿务局) , 有的工作面来压强度强烈 ( 如神府矿区) . 用关键层理论深入研究浅埋煤层长壁工作面 矿山压力显现的这种差别机理非常重要 .
i
( 3)
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360
煤 炭 学 报 1999 年第 24 卷
第 24 卷第 4 期 1999 年 8 月
煤
炭
学
报
Vol. 24 No. 4 Aug. 1999
JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETY
文章编号 :0253 - 9993 (1999) 04 - 0359 - 05
浅埋煤层关键层研究
侯 忠 杰
q1 ( x )
i
> q1 ( x )
i- 1
( i = 2 , 3 , …, m ) .
212 地表厚松散层浅埋煤层
由于第 2 层老顶 ( n + 1 层) 及其上岩层的载荷均传递到第 1 层老顶 , 因此第 1 层老顶上的载荷为
m m
q1 ( x )
m +1
= E1 h1 (
3
i =1
ρ i gh i + q) ∑
n n
q1 ( x )
n
= E1 h1
3
i =1
ρgh ∑E h3 . ∑
i i i i
i =1
( 12)
第 2 层老顶 ( n + 1 层) 与其上直到 m 层岩层以及地表松散层同步协调变形 , 同理根据式 ( 12) 可得 第 2 层老顶上的载荷为
m m
qn +1 ( x )
m +1
= En +1 h n +13 (
(11) 同样会得以满足 . 满足式 ( 11) , 就意味着第 2 层老顶 ( n + 1 层 ) 及其以上的岩层直到地表松散层
的自重载荷必然作用到第 1 层老顶 , 整个上覆岩层协调变形 . 这就是厚松散层 ( 风积沙) 浅埋煤层长壁开 采工作面来压时覆岩常常出现全厚 ( 自煤层直到地表) 整体运动的根本原因 , 也是这种浅埋煤层工作面来 压强度不是减弱而是增强的根源所在 . 地表松散层薄的一般浅埋煤层 , 由于松散层自重 q 小或缺失 , 则覆岩条件不满足式 ( 11) , 因而第 2 层老顶 ( n + 1 层) 的下沉变形曲率小于其下部岩层组的变形曲率 , 这种不协调变形导致第 1 层老顶岩层 组与第 2 层老顶产生离层 , 离层运动又使两层老顶岩层组发生不同步破断 . 因此 , 一般浅埋煤层长壁工作 面来压时 , 一般不会再发生覆岩全厚整体同步切落 . 这时 , 主关键层有可能是第 2 层老顶 ( n + 1 层) , 但 这还需要满足关键层的其它判别条件 .
i = n +1
ρ i gh i + q) ∑
i = n +1
∑E h 3 ,
i i
( 13)
式中 , m + 1 层为地表松散层 . 由于第 2 层老顶 ( n + 1 层) 及其上岩层载荷不再需要第 1 层老顶来承担 , 所以必然有
q1 ( x )
n +1
< q1 ( x )
n.
上覆岩层中若仅有一层老顶时 , 必然有
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第 4 期 侯忠杰 : 浅埋煤层关键层研究
361
据此 , 浅埋煤层可分为地面厚松散层 ( 风积沙) 浅埋煤层和一般浅埋煤层 .
表1 我国缓倾斜工作面老顶分级指标
Table 1 Classification indexes of main roof at the face of gently inclined seam
项 目 老顶来压显现 指标 老 顶 分 级 Ⅰ 不明显
k > 3～5
Ⅱ 明显
013 < k ≤ 3～5
i = n +1
∑E J
i
i
,
( 5)
式中 , M i ( i = 1 , 2 , …, n 或 n + 1 , n + 2 , …, m ) 为第 i 层岩层的弯矩 ; M a 和 M b 分别为第 1～ n 层 和第 n + 1～ m 层岩层所形成的 a 和 b 组合岩梁弯矩 ; Ei ( i = 1 , 2 , … , n 或 n + 1 , n + 2 , …, m ) 为第 i 层岩层的弹性模量 ; J i ( i = 1 , 2 , …, n 或 n + 1 , n + 2 , …, m ) 为第 i 层岩层的断面矩 . 对于地表有很厚松散层 ( 风积沙) 的浅埋煤层 , 由于地表松散层自重 q 很大 , 就会使第 2 层老顶 ( n + 1 层) 变形曲率等于或大于第 1 层老顶的变形曲率 , 于是有
将式 ( 2) 代入式 ( 3) , 得
M a ( x ) = M1 ( x ) [ 1 + ( E2 J 2 + E3 J 3 + … + En J n ) / E1 J 1 ] ,
n
( 4)
则
M 1 ( x ) = E1 J 1 M a ( x ) / ( E1 J 1 + E2 J 2 + … + En J n) = E1 J 1 M a ( x )
i =1