大采高綜采面關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)形態(tài)及對礦壓顯現(xiàn)的影響分析

馮雪

摘要：大采高綜采技術(shù)作為一項新型煤炭資源開采技術(shù)，在我國各大煤礦得到了深入應用，在這一工藝運用過程中同時出現(xiàn)了很多新問題。文章結(jié)合科學理論開展實踐實驗分析了大采高綜采面關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)形態(tài)以及這一結(jié)構(gòu)形態(tài)對礦壓顯現(xiàn)的影響，并對采煤設施、礦壓以及頂板控制等相關(guān)技術(shù)進行了探究。

關(guān)鍵詞：大采高綜采面；關(guān)鍵層；結(jié)構(gòu)形態(tài)；礦壓顯現(xiàn)

中圖分類號：TD323 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）28-0125-02

大采高綜采面是指采煤高度大于3.5～5m的綜采，其礦壓現(xiàn)象卻出現(xiàn)一系列問題，這些問題會影響煤礦采煤工作效率，甚至會引發(fā)非安全問題，因此，必須明確在各個情形下，大采高綜采面關(guān)鍵層的結(jié)構(gòu)形態(tài)，以及它們對礦壓顯現(xiàn)所造成的影響，掌握蘊含在其中的科學原理，只有這樣才能高效解決具體的采煤工作中遇到的各種問題，才能提高采煤效率和采煤質(zhì)量。

1 大采高綜采面關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)形態(tài)

1.1 關(guān)鍵層懸臂梁結(jié)構(gòu)

采煤場中巖層覆蓋與變化規(guī)律通常被總結(jié)成“三帶理論”，具體工作中煤炭資源采集高度從根本上影響著巖層三帶的分布狀況。其中關(guān)鍵層通常位于三帶中的地方，這從根本上影響了關(guān)鍵層出現(xiàn)破損或斷裂時所呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)特點與形態(tài)特征。大采高綜采面覆巖垮落帶由于高度較高，通常會由于回轉(zhuǎn)量規(guī)模巨大而影響砌體梁結(jié)構(gòu)的牢固度，而形成“懸臂梁”結(jié)構(gòu)，這樣才可以使位于更高層面的關(guān)鍵層鉸接成為牢固的砌體梁構(gòu)造。

為了說明并驗證這一理論的科學性，下面逐步進行分析、探究與驗證，分別對3m與7m采高度開展了相同條件下的實驗。

創(chuàng)設一個重力應力條件，選擇平面應力模型架來開展實驗，模型架的具體規(guī)格架構(gòu)如下表1所示：

表1

模型架 長度 寬度 幾何相似比 應力相似比 密度相似比

規(guī)格 120cm 8cm 1/100 1/125 1/1.25

兩種采高方法對應覆巖賦存均相同，兩個高度的采高實驗都是自模型左側(cè)開啟的，同時也要將模型的兩邊分別留出10cm寬度，充當邊緣煤柱。

采煤層高度在3m，亞關(guān)鍵層1呈現(xiàn)出相對牢固的砌體梁架構(gòu)。

采煤層高度在7m，亞關(guān)鍵層1形成了懸臂梁架構(gòu)。

對應的上級層面亞關(guān)鍵層2則呈現(xiàn)出了牢固的砌體梁構(gòu)造。

很顯然，當關(guān)鍵層與煤層之間間隔較大時，關(guān)鍵層勢必要在覆巖裂縫縫隙中形成較為牢固的砌體梁構(gòu)造。由此可見，采煤高度越高，關(guān)鍵層的位置則相對越低，這樣非常容易出現(xiàn)懸臂梁構(gòu)造，所以，當采煤高度在3m時，亞關(guān)鍵層1需要達到相關(guān)要求才可以呈現(xiàn)出懸臂梁構(gòu)造。

1.2 關(guān)鍵層“懸臂梁”構(gòu)造的形成條件

根據(jù)上面的實驗探究能夠發(fā)現(xiàn)：工作面采高、關(guān)鍵層的位置這兩大方面都影響著關(guān)鍵層的形態(tài)與結(jié)構(gòu)。正是因為關(guān)鍵層破損與斷裂塊的回落量遠遠超出了穩(wěn)定數(shù)值范圍，才導致了其最終以懸臂梁的構(gòu)造形式垮掉并

降落。

由此可見，通過觀察與分析破損塊或斷裂塊的回轉(zhuǎn)量能夠科學而準確地斷定關(guān)鍵層有無懸臂梁構(gòu)造出現(xiàn)。下圖1表示關(guān)鍵層回轉(zhuǎn)空間圖示：

圖1

此時直接頂垮落后同上部關(guān)鍵層的空間位移量用下面公式表示：

Δ=m+（1-kP）∑hi

其中Δ代表破斷塊的可回轉(zhuǎn)量；m代表采煤層的高度；kP代表直接頂垮落巖體破碎系數(shù)；∑hi則代表直接頂?shù)膶挕?/p>

當關(guān)鍵層破斷塊可以被成功鉸接，并打造出合格牢固的砌體梁時，假設其要求的回轉(zhuǎn)量為Δ最大，如果Δ>Δ最大，關(guān)鍵層必將在垮落縫隙中形成懸臂梁

構(gòu)造。

2 大采高綜采面關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)形態(tài)對礦壓顯現(xiàn)影響分析

在采煤覆巖出現(xiàn)破損或斷裂等問題時，就會導致采面的礦壓顯現(xiàn)，直接影響著顯現(xiàn)覆巖層動態(tài)的規(guī)模與程度。這其中關(guān)鍵層作為整個的覆巖層中的重要一層，發(fā)揮著調(diào)控巖層動態(tài)變化的功能，關(guān)鍵層的破碎或斷裂會在很大程度上影響采煤作業(yè)面的礦壓顯現(xiàn)。尤其是高度較大的采面，頂板會在很大空間范圍內(nèi)發(fā)生垮落，對應巖石中的關(guān)鍵層也會發(fā)生變化，由此會導致工作面的礦壓顯現(xiàn)也出現(xiàn)特殊變化，以下分析了關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)形態(tài)與礦壓顯現(xiàn)之間的關(guān)系。

2.1 關(guān)鍵層懸臂梁結(jié)構(gòu)對礦壓的影響

從上面的理論與圖示可以看出：所謂的“懸臂梁”構(gòu)造同“砌體梁”構(gòu)造有很大不同，具體體現(xiàn)在：砌體梁結(jié)構(gòu)更加完整、約束力良好、形態(tài)保存完好，而懸臂梁則相對較差，最顯著的不同體現(xiàn)為懸臂梁約束力不足。相比之下，懸臂梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破損或斷裂，能夠在更大的空間范圍內(nèi)進行回旋，采煤區(qū)域的支架頂梁要徹底超越關(guān)鍵層破斷線，這樣破斷塊體出現(xiàn)回轉(zhuǎn)時才不至于為支架帶來壓力，這時候的采煤面也不會有更多壓力來襲。具體的過程如下圖2所示：

圖2

采煤面受到壓力壓迫的持續(xù)長度可用以下公式表示：

LC=LM+∑hicotɑ

以上公式中：LC代表采煤面所受壓力持續(xù)長度，LM代表支架控頂距離，α代表直接頂垮落角。當關(guān)鍵層超前煤壁出現(xiàn)破損或斷裂，那么以上公式中就要額外添加一個量，那就是超前破斷距，然而，因為加號后面的數(shù)值變化范圍較小，總的來看關(guān)鍵層懸臂梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破損或斷裂的情況，所以，LC的數(shù)值通常與LM更為接近。如果是普通的采煤高度，關(guān)鍵層的砌體梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)動態(tài)變化時，破斷塊的回轉(zhuǎn)規(guī)模不大，同時在后面關(guān)鍵層破斷塊體的影響與作用之下達到最終的穩(wěn)固模式，也就是采煤面只需被推動很小的程度，之后的壓力就會減少許多，所以，與普通的采煤高度相比，大采高綜采面關(guān)鍵層懸臂梁構(gòu)造所要承受的壓力范圍更廣、面積更大、持續(xù)時間也會更長。

2.2 亞關(guān)鍵層2對礦壓的作用

通常，與普通的采煤區(qū)相比，大采高采區(qū)覆巖垮落帶很高，此時居于下方的亞關(guān)鍵層1就可能落到垮落縫隙內(nèi)，然而，上方相鄰的亞關(guān)鍵層2通常位于裂縫內(nèi)，當兩個關(guān)鍵層之間的空間達到某一標準時，上方關(guān)鍵層2出現(xiàn)破碎與斷裂等現(xiàn)象就會為亞關(guān)鍵層1帶來影響，也會造成其同樣斷裂或破碎，這樣就會在很大程度上工作面礦壓顯現(xiàn)。

通常條件下，都是亞關(guān)鍵層1更及時也更加容易出現(xiàn)破損與斷裂現(xiàn)象，在此基礎(chǔ)上采煤活動在其所在層面上開展一些距離，對應的亞關(guān)鍵層2也就隨之出現(xiàn)破損或斷裂，即使亞關(guān)鍵層1沒能達到破損與斷裂的標準，也會在亞關(guān)鍵層2的影響之下事先出現(xiàn)問題，甚至會縮小采煤面來壓步距，更重要的是這種情況所造成的壓力大小或程度會更大，因為這種壓力來自與兩個亞關(guān)鍵層相關(guān)的位置。

如果一直依照這個程度破損或斷裂，可能會導致采煤面來壓步距與壓力持續(xù)長度呈現(xiàn)大小反向動態(tài)變化

趨勢。

在這一過程中，亞關(guān)鍵層2的破碎與斷裂具有非常大的作用，其影響著亞關(guān)鍵層1的變化。

3 結(jié)語

本文分析了大采高采面關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)常常呈現(xiàn)為懸臂梁結(jié)構(gòu)，及其結(jié)構(gòu)形態(tài)與結(jié)構(gòu)特征，并探究了這種懸臂梁結(jié)構(gòu)對采煤場煤礦壓力的影響，各大采煤場要明確懸臂梁的結(jié)構(gòu)形態(tài)，以及它們會對礦壓產(chǎn)生的不良影響，從而有針對性地控制不良因素，提高采煤工作效率與

效果。

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