采高对浅埋煤层老顶岩层破断距的影响

n+1 n
图 1 浅埋煤层力学计算模型
图 2 模拟模型单元划分
Fig.1 mechanical model of shallow seam
Fig.2 unit dividing of model
2 采高对组合关键层破坏的影响
边界。模型的单元划分根据各岩层的物理力学特性 及厚度进行划分，硬岩层的划分近似其破断块长
6
粉砂岩(风化)
2.0
2.3×103
21.4
3.8
5
砂岩
2.4
2.5×103
38.5
3.03
7.6
4
砂岩互层
3.9
2.5×103
36.8
3.03
4.1
3
砂质泥岩
2.9
2.4×103
38.5
1.53
3.8
2
粉砂岩
2.0
2.4×103
48.3
3.83
4.1
1
粉砂岩
2.2
2.4×103
46.7
3.83
4.1
27
1 23
45
6
采高/m
采高增加/m
0
1
2
3
4
5
-0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1.0 -1.2 -1.4
-1.6 -1.8 -2.0
图 9 破断距与采高关系 Fig.9 relation between broken length and height
图 10 破断距减小量与采高关系 Fig.10 relation between broken length minimum and height
图 3 采高 1m Fig.3 mining height 1m
图 4 采高 2 m Fig.4 mining height 2 m
图 5 采高 3 m Fig.5 mining height 3 m
图 6 采高 4 m
图 7 采高 5 m
图 8 采高 6 m
Fig.6 mining height 4 m
弹性模量 /104MPa
1.80 4.34 3.07 1.80 4.00 4.00
第2期
张 杰：采高对浅埋煤层老顶岩层破断距的影响
163
2.2 模拟结果分析
在模拟过程中，老顶岩层（组合关键层）的破 断距随着采高的增加而减小。在采高为 1 m 的模拟 中，工作面推进到 33.1 m 时组合关键层破断，由于 直接顶垮落碎胀后基本把采空区充填满，组合关键 层破断后上覆岩层发生了下沉，但地表下沉平缓， 没有形成下沉台阶，采空区上覆岩层中裂隙闭合， 见图 3。在采高为 2 m 的模拟中，工作面推进到 31.3
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第 28 卷
分要第一层老顶来承担，也就是第一层和第二层老
顶与其间的岩层形成组合岩梁，共同承担其上的载
荷，而且可能同步破断，即组合关键层[5]。
图 1 为一厚松散层浅埋煤层力学模型，岩层 1 为第 1 层老顶，n+1 为第 2 层老顶，从第 1 层老顶 算起共有 m 层岩层，m＞n，其上为松散层，各岩
m 时组合关键层破断，组合关键层破断后由于工作 面没有连续推进，所以尽管地表下沉量达 0.5 m， 但也没有明显的下沉台阶，见图 4，随着工作面的 连续推进，组合关键层破断岩块发生滑落失稳引起 覆岩台阶下沉量达 0.6 m，但地表仍然没有台阶下 沉。当采高大于 3 m 后，组合关键层的破断距仍然 是随采高的增加而不断减小，尽管模拟中没有连续 推进，但地表下沉量和下沉台阶随采高的增加剧 增。
表 1 1203 工作面组合关键层有关参数
Tab.1 parameters of 1203 face’s combinatorial key stratum
序号
岩性
厚度 /m
密度 /（kg·m－3）
抗压强度 /MPa
抗拉强度 /MPa
内聚力 /MPa
8
风积沙
27.0
1.6×103
7
风化砂岩
3.5
2.3×103
ZHANG Jie (College of Energy Science and Engineering, Xi'an University of Science & Technology,
Xi'an 710054, China) Abstract：The mining height has important influence on the destruction of key strata, In order to study the important influence on the destruction of combinatorial key strata, based on the analysis of parameter about combinatorial key stratum, the influence of mining height of combinatorial key strata on broken length of the harden strata, or roof weighting step in long wall face was investigated by the finite element method. The formulae of calculating the roof weighting step was constructed . The study indicates that according to the formulae of combinatorial key stratum, coal roof weighting step in the 1203 face in Da-liu-ta mining is co the observation value. The consistency proves the formulae of combinatorial key stratum is Correct. The conclusion that shallow coal seam covered with thick loose layer should use the theory of combinatorial key stratum is proved. Key words：shallow seam；combinatorial key strata；mining height；broken length
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第 28 卷
3 组合关键层破断距计算公式修正
通过不同采高开采的数值模拟计算表明，组合
关键层的破坏与采高 M 有关，采高越大，顶板活
动越剧烈，组合关键层的破断距就越小；采高越小， 顶板活动越缓和，组合关键层的破断距就越大。采
高在 1～2 m 范围内组合关键层的破断距受采高的 影响最大，采高大于 6 m 后影响很小。随着采高的 增加，组合关键层破断距基本成线性关系减小，假
1203 工作面的初次来压步距与实测非常接近。该公式对于地表厚松散层浅埋煤层中的组合关键层的破断距计算
具有一定的适应性。
关键词：浅埋煤层；组合关键层；采高；破断距
中图分类号：TD 31
文献标识码：A
Influence of mining height of main roof on broken length
Tab.2 relation between LZ and M
关系见图 9 和图 10。由表和图可以看出，采高在 1～ 2 m 范围内组合关键层的破断距受采高的影响最
M/ m
1
2
3
4
5
6
LZ/ m 33.1
31.3
30.4
29.4
28.5
27.6
破断距/ m 破断距减小/ m
34 33 32
31 30 29 28
张杰
（西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054）
摘 要：煤层的开采高度对关键层的破坏有重要影响，为了研究采高对组合关键层破坏的影响，运用数值分析方
法分析组合关键层有关参数的基础上,研究了采高变化对组合关键破断的影响，即对采场来压步距的影响，进而
修正了浅埋煤层开采采场初次来压步距的计算公式。结果表明，以该修正的组合关键层破断距公式计算的大柳塔
合关键层判别式
n
m
m
n
∑ ∑ ∑ ∑ ρi ghi ⋅ Ei hi 3 ( ρi ghi + q) ⋅ Ei hi3 ≤ 1
i =1
i = n +1
i = n +1
i =1
（2）
当上覆岩层和厚松散层满足公式（2）时，则
表明第一层和第二层老顶及其相关的岩层形成了
组合g height 5 m
Fig.8 mining height 6 m
计算表明，组合关键层的破断距随工作面采高 大，采高大于 6 m 后破断距减小量很小。
的增加而减小，破断距与采高的关系见表 2。由表
表 2 破断距 LZ 与采高 M 的关系
可知，随着采高的增加，破断距以及破断距减小量
2.1 模拟模型的建立
文献[10]研究表明，关键层极限破断距 Lm 与采 高 M 存在以下线性关系。
Lm = lm − k1 (M − M 0 )
（3）
同样，采高对组合关键层的破断距也有很大影
响，针对图 1 的浅埋煤层力学模型，以大柳塔 1203
工作面组合关键层的参数为依据进行数值模拟分
析，其力学参数见表 1。计算模型走向长 90 m，高
对采场矿压、覆岩移动和地表沉陷产生影响。文献 老顶所形成的变形曲率可能大于下部第一层老顶 [10]研究表明采高的变化对关键层的破断产生较大 的变形曲率。此时，第二层老顶岩层的载荷仍然部