1、专题部分浅埋煤层长壁开采顶板结构稳定性分析摘 要神府东胜矿区是目前我国探明储量最大的煤田，埋藏浅、上覆厚松散沙层是神东矿区煤层的典型赋存特征。矿区煤层倾角近水平,赋存稳定,开采条件较优越。但矿井初期开采实践表明,煤层埋藏浅却不一定矿压显现缓和:长壁开采工作面普遍存在顶板台阶下沉现象,并伴有涌水和溃沙等灾害,严重影响着开采的安全性、产量和效益。而采场涌水和溃沙等灾害问题实质上就是顶板关键层的破断形态及其稳定性问题。顶板控制的核心问题是老顶关键层的控制，对浅埋煤层老顶关键层的稳定性研究具有十分重要的意义。本文主要围绕浅埋煤层老顶关键层的初次来压的过程和稳定性进行研究。通过现场实测的方法研究浅埋煤层
2、矿压显现的基本规律；建立老顶关键层初次破断后形成的塑性三铰拱系统的力学模型，并对其受力情况和运动情况进行分析，预测浅埋煤层初次来压期间老顶基岩可能出现的灾害形式；应用初始后屈曲理论并结合浅埋煤层的赋存特征，确定老顶破断后的极限下沉量及其在非平衡状态下岩块间的水平推力，给出老顶台阶下沉的判别依据，估算台阶下沉量，并以大柳塔 1203 综采工作面为工程实例加以验算；以大柳塔 1203 综采工作面为原型开展物理相似模拟实验，研究顶板初次破断的结构形态和贯通裂缝分布规律并对实验误差进行分析。最后，总结全文并对今后的研究方向提出合理建议。关 键 词：浅埋煤层；长壁开采；关键层；顶板控制；1 绪论1.1
3、课题研究背景1.1.1 煤炭在国内外的重要作用从20 世纪中叶开始，世界能源的消耗速度急剧增加，在今后 15 年里，全球能源的需求可能以每年 2%的速度递增川。其中煤炭是目前全球储量最丰富的化石燃料，不论作为能源，还是作为化工原料，在促进全球经济发展特别是可持续发展方面，都发挥着极其重要的作用。煤炭作为我国的主要能源，在国民经济建设中具有重要的战略地位。我国也是一个以煤炭为主要能源的国家，至今我国的能源总构成和总消费中煤炭仍占70%75%1。 根据国土资源部报告统计:2002 年中国煤炭消耗量 16 亿吨煤，2005 年中国煤炭消耗量 19 亿吨煤，2030 年对煤炭的总需求量将超过 20 亿
4、吨2，并且直到2050年我国一次能源消费结构中，煤炭仍将占有 50%以上。在此形势下，煤炭资源的开采无疑成为我国经济稳定、持续、快速发展的前提条件.我国是世界上煤炭资源最丰富的国家之一，不仅储量大，分布广，而且种类齐全，煤质优良，为我国工业现代化提供了极为有利的条件。 我国的西部广泛赋存着丰富的煤炭资源，主要有陕西和内蒙古交界处的神府东胜大煤田、陕北的榆神煤田、宁夏灵武煤田、新疆的吐哈煤田等。其中，位于毛乌素大沙漠边缘的神府东胜煤田面积 3214 平方公里，探明储量 2236 亿吨，远景储量 1 万亿吨，约占全国总探明储量的 1/3，是我国目前探明储量最大的的煤田。并且煤田地质构造简单，煤层稳
5、定，开采条件优越3。该地区煤田中相当一部分煤层是处在距地表较浅的浅部煤层，我们通常称“浅埋煤层”。神东煤田的开发集中了世界上的先进技术，是我国最大的煤田，为我国经济的长期稳定发展提供了基础。从 20 世纪中叶开始，世界能源的消耗速度急剧增加，在今后 15 年里，全球能源的需求可能以每年 2%的速度递增4。其中煤炭是目前全球储量最丰富的化石燃料，不论作为能源，还是作为化工原料，在促进全球经济发展特别是可持续发展方面，都发挥着极其重要的作用。1.1.2 煤层开采存在的困难80 年代初，在我国陕北神木与内蒙古交界地区浩瀚的毛乌素沙漠下，发现了数量达数千亿吨的优质大煤田神府、东胜煤田，这是我国目前探明
6、储量最大的煤田，该煤田与美国的阿巴拉契亚煤田、德国的鲁尔煤田等被称为世界七大煤田。1985 年国家决定开发神东煤田，计划在 2005 年左右将神东矿区建设成为全国最大的，效率、效益、装备达到国际先进水平的现代化能源基地。然而，在神东煤田的开发和建设初期，大柳塔煤矿的 C202 炮采工作面却发现矿压现象异常剧烈，大柳塔 1203 综采工作面也发现了剧烈的矿压显现和顶板台阶下沉，并且工作面支架损坏严重。这些现象给开采的安全以及国家财产带来了严重的威胁。也给采场的岩层控制提出了新的课题和挑战。1.2 问题的提出和研究的意义1.2.1 问题的提出我国是一个煤炭大国，煤层赋存条件的差异性是各矿区煤田的一
7、大特点。我国也是一个以煤炭为主要能源的国家，至今我国的能源总构成和总消费中煤炭仍占 70%75%1。;而煤矿生产与其他行业相比其工作场所处于井下深处有限的空间，环境条件恶劣、多变，随着开采过程不断移动，采煤环境不断改变和恶化，在工作过程中顶板、瓦斯、煤炭自燃、粉尘、水害等自然灾害时刻威胁着工人的安全。所以，矿井环境条件恶劣、多变的固有属性是引起煤矿事故多发的潜在危险因素。重大事故频繁发生。我国是世界上煤矿伤亡事故发生最频繁的国家，据统计，煤矿历年来发生的重特大安全事故，占全部死亡事故的 39。同期全国煤矿企业共发生死亡事故 3427 起，死亡 5791 人，其中一次死亡 3 为人重大事故 28
8、6 起，死亡 1252 人;一次死亡 1029 人特大事故 44 起，死亡 710人;一次死亡 30 人以上特别重大事故 7 起，死亡 357 人。全国国有重点煤矿、地方煤矿、乡镇煤矿死亡人数所占比例分别为 14.90, 15.5,69. 6。煤炭生产百万吨死亡率分别为 1.33, 3.82, 12.73，平均为 4. 86。由此可以看出，煤矿灾害十分严重，重大事故频繁发生。我国是世界上煤矿伤亡事故发生最频繁的国家，百万吨死亡率是美国煤矿的 400余倍、印度的 89 倍7-11。我国煤矿在 1980 年以前，顶板事故占 60%左右，垮面、大冒顶重特大事故常有发生，究其原因，主要是“两个不清楚”
9、8:(1)对顶板来压规律不清楚;(2)对支柱性能及实际支撑能力不清楚。因此，有针对性的开展了“两测”工作:(1)进行矿山压力观测和底板比压测定，摸清采场上覆岩层运动规律和底板破坏规律;(2)对支柱检修试压和进行实际支撑能力测定。经过我国技术人员十年的艰苦努力，“两测”工作取得了巨大成绩:(1) 对顶板来压规律和底板破坏规律心中有数;(2) (对支柱性能和支撑能力心中有数。在此基础上对我国煤矿主采煤层进行了顶底板分类，采取了针对性管理技术措施，进行了大量的支护改革，1990 年以来，基本杜绝了大冒顶垮面特大事故，零打碎敲顶板事故大幅度下降，全国顶板事故下降 30%。但是，2000 年以来，我国煤
10、矿重大顶板事故时有发生，零打碎敲顶板事故也频繁发生，顶板事故上升到占全部事故的 50%左右.顶板事故在各类煤矿事故中占有很大的比例，因此，分析重特大煤矿顶板事故发生的原因和规律，对采场顶板稳定性的分析，以及现场实用安全技术的研究，在管理上、技术上和装备上采取针对性的防范措施，实行重点治理和监察监控，对遏制重特大顶板事故的发生具有十分重要意义5,6.1.2.2 研究的目的及意义随着西部大开发,享誉世界的神东煤田进入一个新的开发阶段,随之引发的生态环境损害问题已经受到极大的关注,这也将成为制约矿区区域经济可持续发展的主要问题,开采引起覆岩、地表沉陷损害是矿山开发中带来环境损害的主要部分。采场涌水和
11、溃沙等灾害问题实质上就是顶板关键层的破断及其稳定性问题12。近一段时期以来,煤矿重特大事故频发,给国家和人民的生命财产造成了重大危害。顶板事故在煤矿事故中占有相当大的比例。以朱仙庄矿为例,自建矿以来,井下发生各类事故 40 起,其中顶板事故 18 起,占 45%,居首位。据初步分析顶板事故发生的原因,主要是工作面的地质条件比较复杂,而顶板控制又是采用常规方法,没有因地质条件的变化而采取相应的控制措施。顶板事故是煤矿五大自然灾害之一,据资料统计,在煤矿事故中,冒顶事故伤亡人数占40%以上,而采煤工作面冒顶伤亡人数又占冒顶伤亡总人数的 60%以上9。因此作为煤矿生产最基本最主要的采场,采煤工作面顶
12、板状况直接关系煤矿的安全生产和经济效益。90 年代初,我国就已开始对浅埋煤层矿压显现与岩层控制方面的探索,初步观测了长壁工作面矿压显现的规律与顶板破断基本特征。但由于研究尚处于初期，对顶板结构的研究也不够深入，因而对顶板台阶下沉如何控制、支护阻力应如何确定等现场急需解决的问题，没有给出令人满意的结果11。神东矿区目前及今后相当长的一段时间内，各矿开采区域大部分集中于埋深在100m 以内的浅部。埋深浅、基岩薄、上覆厚松散沙层是该区煤矿的典型赋存特征。虽然煤层倾角近水平，赋存稳定，开采条件优越，但矿井初期开采条件表明，长壁工作面普遍有台阶下沉现象，矿压显现剧烈，严重危害了矿工的生命和国家财产的安全
13、。现场表明，煤层埋藏浅并不代表矿压显现缓和。在神东煤田埋藏浅、基岩薄、上覆厚松散沙层条件下，工作面顶板岩层破断运动具有特殊性。类似这种埋藏浅、基岩薄、上覆厚松散沙层条件下的煤层的顶板管理几乎没有可借鉴的科研成果，而现有的普通长壁工作面顶板岩层控制理论和经验不能很好的解释这种矿压显现及机理。因此，为了使现代化大型矿区高产高效的情况实现可持续性发展，实现西部煤田大开发，为浅埋煤层长壁开采的顶板管理提供理论依据，做好安全工作，保护人民的生命和国家的财产安全，对浅埋煤层顶板岩层控制进行系统深入的研究是非常必要和具有重要现实意义的。1.3 本课题已有的研究成果与现状分析1.3.1 国外的研究工作国外关于
14、浅埋煤层顶板岩层控制方面的研究并不多，较早的有前苏联 M.秦巴列维奇根据莫斯科近郊煤田浅埋深条件提出的台阶下沉假说13。该假说指出当煤层埋藏较浅时，上覆岩层可视为均质。随着工作面的推进，顶板将呈斜方六面体沿煤壁斜上方跨落直至地表，支架上所受的载荷应考虑整个上覆岩重的作用。当有坚硬顶板组成的老顶时，秦氏认为老顶断裂在煤壁内，支架载荷按控顶区跨度计算上覆岩全部重量。显然，秦氏在对老顶的分析中，没有涉及老顶的破断过程，也未涉及顶板破断后岩块的平衡条件。80 年代初，澳大利亚 B.霍勃尔瓦依特博士等对新南威尔士安古斯坡来斯煤矿浅部长壁开采的一些矿压现象进行了实测13。该矿开采李氏古煤层，采高约 2.6
15、 米，煤层赋存平缓，初期煤层开采深度约 72 m ，工作面长 135 m 。实测主要结果如下：（1）顶板破断与岩层移动特征：顶板为煤、页岩互层，坚固稳定，初次跨落步距10 m。随工作面推进，沿工作面和采空区边缘的顶板岩层几乎是垂直断裂，岩层破断角为 7690，地表最大下沉量为采高的 60%，最大下沉量的 85%发生于距工作面 40m范围内。说明采空区迅速压实，煤壁煤壁附近顶板岩层迅速发生整体移动.观测研究认为顶板破断是从煤层到地表产生 “瓶塞”状切落，而不是呈桥拱铰接。工作面前方顶板移近量：实测工作面前方上平巷顶底板移近量不大，除超前支承压力的最大移近量为 20mm外，一般均小于 10mm。观
16、测研究认为这与工作面煤层埋层浅，顶板产生“瓶塞”状破断有关。（2）工作面支架载荷：工作面使用 89 架支撑掩护式支架，额定工作阻力 4500kN/架,初撑力为额定工作阻力的 80% 。支架有动载现象，安全阀经常开启。顶板破断期间支架以很快的速度达到额定工作阻力，但在 37 天内有重新减小。支架后柱载荷一般大于前柱，在非生产期间前后柱载荷趋于相等。进入九十年代以后，澳大利亚 LHolla 等还对新南威尔士浅埋煤层长壁开采的顶板岩层移动进行了观测研究10，通过自地表到煤层的多层位钻孔锚固装置实测得出，顶板跨落高度为采高的 9 倍，顶板岩层在工作面推过后快速移动。英国和美国为控制浅部开采地表塌陷，多采用房柱式开采，主要进行了地表岩层移动和采前地层地震波探测与工程地质评价等研究工作1,15。印度和有些南
