1、浅埋煤层大采高综采面矿压规律与支护阻力研究摘要：针对浅埋煤层大采高综采工作面采场顶板岩层的运动规律和采场矿山压力显现规律有其特殊性的特点，着重研究浅埋煤层大采高综采工作面的矿压显现特征及其规律、工作面采场围岩应力场、位移场及围岩塑性破坏场的分布规律以及大采高综采工作面煤岩组合力学模型及支护阻力。关键词：浅埋煤层，大采高，矿压显现规律，顶板结构，支护阻力0 引言能源是经济发展的动力，国家经济的持续快速发展导致能源需要高速增长。我国是一个煤炭资源丰富，油气资源相对短缺的国家，长期以来形成了以煤为主的能源生产和消费结构，20世纪煤炭在全国一次能源消耗中占75%左右，随着国家对天然气资源的开发，煤炭资
2、源消耗比例将有所下降，根据资料分析在近几年的能源生产、消费总量构成中，煤炭比重占70%左右。但是每年的总量消耗成直线增加。根据专家陈清泰等预测2020年煤炭消费比例将控制在60%左右。其中煤炭总产量2008年为27.16108t，专家预测，2010年、2015年、2020年将分别达到29108t，33108t，35108t。我国未来一次能源消费中煤炭仍将占主导地位，2050年，煤炭在我国一次能源消费结构中的比例也不会低于35%。由此看出，我国未来几十年的经济发展动力脱离不了煤炭工业强有力的支持，煤炭工业仍将是21世纪我国能源工业的主力军。八十年代初，我国在陕北浩瀚的毛乌素沙漠下发现了储量丰富的
3、煤田神府煤田。神府煤田探明储量2236108t，占全国探明储量的1/3,相当于70个大同、160个开滦，是我国目前探明储量最大的煤田，该煤田与美国的阿巴拉契业煤田、德国的鲁尔煤日等被称为世界七大煤田。以开发神府东胜煤田为中心的“神华工程”，是我国大型项目建设中总投资仅次于“三峡工程”的第二大工程，是国家“七五”、“八五”、“九五”计划重点建设项目。神东矿区目前各矿开采区域大部分集中于埋深在100150m。埋深浅、基岩薄、上覆厚松散沙层是煤层典型赋存特征。从1985年至今，神东公司在神东矿区先后建设11对大型现代化矿井，20052008年连续四年原煤产量超过1108t，连续几年创历史新高。神东公
4、司的煤炭单产与效率、百万吨死亡率等技术经济指标已居于世界领先水平或世界先进水平，开创了中国煤炭工业发展新纪元。2008年12月，在一片对金融危机的惊恐声中，陕煤集团旗下陕西煤业股份有限公司正式成立，目前在神木矿区已成功建成4对现代化矿井。根据国家规划，这里是我国西部优质动力煤的供应和出口煤基地，且地理位置又具承东启西的作用，是国家煤炭工业的首选基地，对国民经济的发展具有重大意义。神东矿区目前大部分开采煤层的主要赋存特征是埋深浅于150m、薄基薄，厚风积沙覆层。突出特点是埋藏浅、薄基岩、地表为厚风积沙覆盖层，是典型的浅埋煤层。矿井初期实践表明，厚松散层下浅埋煤层采动形成的顶板结构和来压特征与普通
5、非浅埋煤层具有明显区别，长壁回采工作面普遍出现台阶下沉现象，矿压显现强烈，表现出与普通非浅埋煤层不同的特点。大柳塔矿建井初期的试采工作面（C202），来压期间普遍出现350600mm的台阶下沉，第一个综采工作面（1203），埋深5060m，采高4m，支架阻力3500kN，初次来压期间工作面中部约90m范围顶板出现台阶下沉，矿压显现非常强烈，其中部31m范围内顶板台阶下沉量高达1000mm，来压猛烈，造成工作面部分支架被压死。1203工作面在开采过程中发生过涌水溃沙事故，工作面被淹，在地面南端出现24m深的倒锥形漏斗，瓷窑湾煤矿及上湾等煤矿也发生过大的涌水溃沙事故，最大涌水量为200m3/h，涌
6、水时间长达12h，巷道中的泥沙平均厚度达2m以上，塌方约40000m3，地面出现很大的倒锥形沙漏斗。地方小煤窑大部分采用房柱式采煤方法，不仅采出率很低浪费煤炭资源，而且具有顶板大面积冒落的灾变危险，严重威胁井下工作人员和地面居住人员的安全。如大砭窑煤矿1994年7月发生大面积垮落，垮落面积约达3104m2；郭家湾煤矿1995年2月7日发生面积高达7104m2的大面积垮落；2008年7月，神木县赵家梁煤矿发生大面积冒顶，造成9人死亡；2009年10月16日神木县永兴乡高庄煤矿发生大面积冒顶事故，冒顶范围17104m2；原哈拉沟煤矿，由于煤层顶板上水和沙土层载荷的作用，工作面顶板经常发生切顶和水患
7、，井下工作人员伤亡事故不断增加，最后不得不把长壁工作面改为房柱式采煤方法，而使矿井煤炭采出率降低为30%左右，造成煤炭资源的巨大浪费。其实神东矿区小煤窑由于长时间采用房柱式开采，未对悬露的大面积顶板进行放顶处理，煤柱长时间由于风氧化造成强度降低，所以矿区小煤窑顶板大面积冒落是必然的。所以近年来神木县相应上级管理并结合当地煤层实际赋存情况对小煤窑进行整合。目前神东煤炭公司部分综采工作面液压支架额定工作阻力已达12000kN，由第一个综采面(大柳塔矿1203工作面)所选3500kN液压支架到现在，公司选购的综采工作面支架阻力不断提高，先后使用过额定工作阻力为6000kN， 6708kN，7592k
8、N，10800kN，12000kN等支架，到目前最大为16800kN。尽管公司所选支架工作阻力之大，但根据补连塔矿32206工作面与张家赤煤矿15201试采工作面矿压观测，额定工作阻力12000kN的ZY 12000/28/63D型两柱掩护式支架基本满足工作面顶板压力需要，根据统计初次来压与周期来压时，工作面中部测区60%的支架安全阀开启，说明矿井所选支架额定工作阻力富余系数并不大。通过对神东矿区浅埋煤层近十年来的回采经验进行总结，得出矿区开采引起的特殊岩层控制问题主要有：顶板覆岩出现全厚切落形成剧烈的矿山压力显现，导致支架被压死，地面出现台阶下沉；工作面煤壁前方出现直至地表的贯通裂隙，造成地
9、面水、沙溃入井下，造成水资源严重流失，加剧了地表荒漠化程度，给本来就十分脆弱的生态环境带来严重的影响，若采取房柱式开采，则回采率低，且顶板大面积悬顶由于煤柱长期风氧化造成煤柱强度降低，所以工作面有顶板大面积冒落的隐患，对矿井安全生产带来灾难性危害。浅埋煤层大采高综采工作面支架额定工作阻力不断增加，由3500kN，7592kN，10800kN，12000kN，到目前最大达16800kN，使大采高综采工作面成套设备费用不断增加，为了进一步掌握神东矿区浅埋煤层综采工作面随着采高的不断增加支架额定工作阻力是否需要继续增大，论文综合运用现场实测与理论分析等研究方法，以“张家峁煤矿试采工作面矿压规律及地表移动观测技术研究”等课题为依托，对神东矿区浅埋煤层大采高综采工作面由于采动影响其上覆岩层垮落后形成的结构、矿压显现规律及合理的支护阻力进行了分析研究。为今后类似煤层回采提供科学的参考依据，为保证安全、高产、高效的开采提供理论指导。
