矿山压力与岩层控制1*《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*矿山压力与岩层控制2Ø 10.1 浅部煤层长壁工作面上覆岩层活动特点Ø 10.2 浅埋煤层长壁开采顶板砌体梁结构及其稳定性 Ø 10.3 浅埋煤层采场支护Ø 10.4 近距冲积层采场矿山压力规律Ø 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100～150 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、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*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*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 *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HDJA—1200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*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）来压明显，动载明显，“三量”的增值倍数大，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*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，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3 500kN/架*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9.4～15.0m，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）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*矿山压力与岩层控制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*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 *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*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*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*矿山压力与岩层控制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1~2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*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”*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 *矿山压力与岩层控制20第一节 浅部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。
*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*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 *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。
*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 —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*矿山压力与岩层控制25第二节 浅埋煤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 ≥ 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*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；θ1 —M块体的转角；b—接触面高度；QA、QB—A、B接触铰上的剪力；L—岩块长度*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“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*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。