神东煤炭分公司哈拉沟煤矿 陕西 榆林 719315
摘要：近年来，随着煤矿采掘活动日益增强，采深、采高不断增加，放顶煤开采工艺也得到了飞速发展。同时，由放顶煤围岩移动诱发的顶板高冒、矿井透水、冲击矿压等灾害越来越严重，给矿井正常生产带来极大威胁。很多事故用二维平面模型解释顶板岩层运动规律，与真实情况偏差很大，对工程实践指导意义不大。基于此，本文主要对薄基岩浅埋采场上覆岩层运动规律进行分析探讨。
关键词：薄基岩浅埋采场；覆岩层；运动规律
1、前言
液压支架处于下位基本顶形成的小结构保护之下，因此，当下位基本顶破断或者破断岩块所形成结构失稳过程，必然会对工作面液压支架有较大的冲击。为了研究支架顶板载荷，选择下位基本顶作为研究对象，认为上位基本顶对液压支架作用力较小。基本顶初次断裂后，可简化看作悬臂岩梁，其运动过程经历超前煤壁断裂、旋转、下沉、回转。
2、直接顶运动过程
工作面煤层推进过程中，直接顶板的初次垮落距的大小与其岩性、岩体强度、节理裂隙分布等有密切的关系。随着工作面不断向前推进，直接顶板岩层出现自下而上逐层垮落的现象。与普通综采工作面相比，大采高综采工作面直接顶的下沉垮落高度明显变大。随着煤层的不断回采，直接顶的厚度与基本顶的位态一直处于变化过程中，即直接顶的下沉垮落高度和基本顶岩层的稳定程度综合决定了采空区的充填范围和程度。因此，通过由基本顶初次来压之前的支架监测数据推导而来的直接顶厚度是偏小的，薄的直接顶厚度对采空区充填有限，导致采空区矸石接顶不完全，当基本顶来压时，会有较大的位移才能够平衡。因此，加剧基本顶破断后形成的冲击载荷。因此，在顶板载荷估算时应该充分考虑顶板切落形成的动载荷。
3、基本顶的初次来压
随着工作面继续推进，基本顶岩层破断，最初形成两个岩块、三个铰接点的“三铰拱”式平衡结构。随着工作面继续推进，基本顶岩层可能形成三块或更多的块的岩块组成的平衡结构，这种结构表面上似梁、实质上是拱，从宏观上看是“三铰拱”式结构，此时的支撑点是前后拱脚，工作面支架在“三铰拱”式平衡结构的保护之下。
为了简单起见，设基本顶垮落前基本顶岩块破断成两块、三个铰点形成的“三铰拱”结构，在宽度方向上取1m，基本顶岩块长度Lb，初次来压步距为L，直接顶悬顶长度LD，支架控顶距为Ls，基本顶岩层厚度为H，直接顶岩层厚度∑h，工作面采高M。随着工作面煤层的不断回采，直接顶逐渐下沉垮落，随后基本顶发生冒落来压，在此阶段，基本顶破断形成“三铰拱”式的平衡结构。随着工作面煤层继续回采，基本顶岩块发生回转变形，中间铰接点不断下沉，或者垮落破断成多个岩块组成的结构。该结构在下沉、回转过程中，在a、b、d三铰接点会产生水平挤压力T。根据“三铰拱”平衡原理，成拱且保持岩块结构稳定的水平力T计算公式为：
基本顶的岩块在垮落下沉以及回转过程中，通过与之接触的直接顶作用于液压支架上，从而使得支架对直接顶的变形破坏起到了局部限制作用。当基本顶岩块由于下沉垮落突然失稳时，B岩块及其上覆承载的岩层将会突然作用于直接顶板上，并通过直接顶板将上覆岩层的载荷传递到液压支架上，从而使得基本顶岩块对直接顶和液压支架产生一种冲击载荷，即动载荷。当基本顶结构失稳时，C岩块沿B岩块滑落，则C、B岩块滑落的摩擦力Fc也参与到了基本顶岩块的冲击载荷中，此时力学模型如（图1）：
图1
其中：Kd-动载系数；QD-直接顶重量；Fc-C岩块滑落时的摩擦力，Φ-破断岩块间的内摩擦角；QB-B岩块重量；q-B岩块上覆岩块载荷集度；将B岩块重量、上覆岩层载荷、B岩块滑落时的摩擦力统称为，即则支架工作阻力
4、放顶煤采场顶板大结构微震实测
4.1微震监测岩层破裂的原理
煤岩层在应力作用下发生破坏，以微震和声波的形式扩散能量，通过在采动区顶板和底板内布置多组检波器，并实时采集微震数据，采用震动定位原理震源定位后，可确定冲击、矿震、破裂等煤岩层移动发生的位置、时间和能量，并在三维空间上显示出来。与传统技术相比，微震定位监测具有动态、三维空间、实时监测、长剧烈监测等特点，可以根据震源状态进一步研究煤岩层的破裂程度，近几年来，微震监测以计算机和数据采集技术为基础迅速发展，为研究上覆岩层三维空间破裂规律提供了新的手段和方法。
4.2上覆岩层破裂高度的影响因素
实践表明，一般采场位于地下几百米甚至是上千米深度，但有些矿井每平方米只有1根一2根的单体支柱就能维持采掘空间的稳定性，证明对采场矿山压力有明显影响的岩层是有限的，也从另一个角度说明，采场上覆岩层的破裂高度是有限的。通过国内外研究，特别是中国开滦矿区和大屯矿区的深孔布网研究，得出一般采场需控顶高度为6倍一8倍采高，但这只是1个估算值；另外，煤层从采场开切眼推进直至进入充分采动阶段，上覆岩层产生离层、断裂的最大高度与工作面斜长或推进距离的关系，尚无明确结论。依据以往相似材料模拟和观测结果可知：当煤层采高为2m～8m时，上覆岩层最大破裂高度一般为采空区工作面斜长或推进距离长度短边的一半，但这个结论还没有在三维空间范围内得到证实。
4.3底板破裂深度的影响因素
根据大量实测资料显示，采煤T作面煤层底板破裂深度与采深、工作面长度、煤层底板岩性等因素存在密切关系。根据底板微震观测结果可知，中国一般煤矿的底板破裂深度估计曲线，当回采面长度为100m．150m时，底板破裂深度随采深的增加而加深；当回采面长度为200m～250m时，底板破裂深度随采深的增加而加深，并且相同采深条件下，工作面的长度越大底板破裂深度越深，如采深400m时，当回采面长度100m～150m时底板破裂深度约为20m，当回采面长度200m～250m时，底板破裂深度约为40m；当底板岩层岩性为软底板时比一般底板破裂深度更深，说明底板岩层破裂深度随岩石强度的增加而降低。
4.3覆岩移动的微地震显现
岩石的变形和破坏是反映岩石在载荷作用下力学性质变化过程的两个重要阶段闭。煤层开采后，上覆岩层在载荷作用下的运动主要表现为离层与破裂，为了进一步研究离层与破裂微地震显现的差异，进行了离层与破裂的微地震对比观测。根据观测对比结果可以看出：a)离层区岩层的微地震事件数很少，能量较小，破裂区岩层微地震事件数急剧增加，能量较大；b)由于离层区能量小于破裂区能量，离层的高度大于破裂的高度。根据观测离层与破裂微地震显现的差异，证明了层间剪切破坏的能级远远小于高应力下的压剪破坏，因此，离层的高度大于破裂的高度。
5、结语
因此，针对某一特定浅埋煤层工作面，需要结合现场实际地质生产条件分析其矿压显现规律。本文结合某矿浅埋煤层工作面地质生产条件，设计矿压观测方案，进行矿压数据观测和分析，总结浅埋煤层工作面矿压显现规律、煤壁片帮、冒顶情况，并对支架合理性进行研究。
参考文献：
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[2]马正龙，邵化振，周伟，等．微震监测技术在浅埋深采场顸板破坏研究中的应用[J]．煤矿开采，2012(06)：79—81.
作者简介：
戚向华（1986-），男，内蒙古兴和县人，2009年毕业于内蒙古科技大学矿物资源工程专业，本科，助理工程师，现从事煤炭生产技术工作。
论文作者:戚向华
论文发表刊物:《防护工程》2018年第28期
论文发表时间:2019/1/3
标签：岩层论文; 工作面论文; 底板论文; 煤层论文; 载荷论文; 顶板论文; 支架论文; 《防护工程》2018年第28期论文;