探討神東淺埋薄基巖煤層合理采高的選擇

＊張茂微

（中國神華神東煤炭集團(tuán)榆家梁煤礦 陜西 719300）

探討神東淺埋薄基巖煤層合理采高的選擇

＊張茂微

（中國神華神東煤炭集團(tuán)榆家梁煤礦 陜西 719300）

淺埋薄基巖煤層的合理采高工作需要通過嚴(yán)密的理論計(jì)算和數(shù)值模擬的方法，因此，為了確定神東礦區(qū)淺埋薄基巖煤層工作面的合理采高，特對淺埋深、煤厚為3.5米的試驗(yàn)工作面進(jìn)行不同采高的工作分析。結(jié)果表明，對淺埋基巖煤層采高較小時(shí)，頂板容易發(fā)生滑落失穩(wěn)問題；對淺埋薄基巖煤層采高越大，頂板失穩(wěn)的回轉(zhuǎn)角也就越大。隨著采高的增加，冒落帶和裂隙帶也隨之向上擴(kuò)張，當(dāng)基巖破斷后，就容易使上覆松散砂土層的穩(wěn)定度下降，從而引發(fā)壓架事故。以下是對淺埋薄基巖煤層合理采高選擇的詳細(xì)分析。

淺埋薄基巖煤層；合理采高；選擇

隨著經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步與時(shí)代的發(fā)展，我國越來越重視礦產(chǎn)企業(yè)的發(fā)展，礦產(chǎn)企業(yè)的發(fā)展關(guān)系到我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展與人民生活水平的提高，特別是煤礦企業(yè)的發(fā)展。可以說我國的發(fā)展離不開煤礦的安全生產(chǎn)，淺埋薄基巖煤層在開采過程中容易發(fā)生下沉、塌方等事故，因此對于淺埋薄基巖煤層合理采高的選擇工作就顯得格外重要。本文將通過對淺埋薄基巖煤層的主要災(zāi)害類型以及國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀以及不同采高方式等方面進(jìn)行分析，探索最適宜淺埋薄基巖煤層的合理采高方式，促進(jìn)我國礦產(chǎn)事業(yè)的進(jìn)步與發(fā)展。

1.分析淺埋薄基巖煤層合理采高選擇

(1)淺埋薄基巖煤層合理采高選擇的意義

在我國分布著大量的淺埋煤層，西北地區(qū)的神東煤炭集團(tuán)淺埋煤層尤為突出，當(dāng)前的開采范圍集中在淺部100-160m。之所以選擇西北部的神東煤炭集團(tuán)淺埋煤層進(jìn)行研究分析，主要原因在于西北地區(qū)的煤層傾角較小，煤層的賦存也比較穩(wěn)定，總的來說該礦區(qū)地質(zhì)條件十分優(yōu)越。雖然地質(zhì)條件優(yōu)越，但是在開采工作中仍然存在一定的問題，礦壓現(xiàn)象也不太緩和，頂板臺階下沉、礦壓顯現(xiàn)劇烈的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重威脅到煤礦的安全生產(chǎn)。我國自上世紀(jì)九十年代起，就開始對淺埋煤層的礦壓顯現(xiàn)問題進(jìn)行研究工作，一批又一批的專家、學(xué)者提出了淺埋煤層覆巖的運(yùn)動演化規(guī)律。各專業(yè)人士對淺埋薄基巖煤層的研究工作提供了豐富的采場礦山壓力理論，為淺埋煤層的壓架、潰沙現(xiàn)象提供了理論依據(jù)。盡管如此，我國在采高對覆巖影響方面研究依然較少，合理的采高選擇有利于保障礦場的安全生產(chǎn)工作。

(2)工程背景

神東礦區(qū)的淺埋薄基巖煤層采高選擇工作在煤層厚度為1．8-4．3m范圍內(nèi)進(jìn)行，平均厚度應(yīng)保持在3．5m左右，除煤層厚度以外，還應(yīng)該考慮煤層的穩(wěn)定性與地質(zhì)條件的復(fù)雜性。煤層上覆巖厚度也是采高選擇工作的重點(diǎn)，應(yīng)該在10m至50m之間，基巖平均厚度在22m左右。在確保礦井開采安全、高效的前提下，應(yīng)采用大采高綜合機(jī)械化開采技術(shù)為主，分別對不同采高的數(shù)值進(jìn)行理論分析和數(shù)值模擬覆巖的演化規(guī)律，實(shí)現(xiàn)開采高度的合理化。

2.分析不同采高對覆巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響

(1)覆巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析

淺埋薄基巖煤層的采高選擇與覆巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是相輔相成的關(guān)系，兩者之間相互影響，進(jìn)一步提高礦場開采工作的效率，為礦場的安全性提供保障。一方面，覆巖頂板的控制關(guān)系到采高技術(shù)安全高效的實(shí)現(xiàn)，采高綜采覆巖結(jié)構(gòu)在鉛垂方向上包括冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶，這“三帶”的正常運(yùn)行依靠著淺埋薄基巖煤層的采高工作，適宜的采高數(shù)值不僅關(guān)系到煤層的開采情況，更關(guān)系到礦場工作人員的安全；另一方面，淺埋薄基巖煤層的采高選擇在一定程度上也決定著覆巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

(2)不同采高對回轉(zhuǎn)變形失穩(wěn)的影響分析

頂板不發(fā)生回轉(zhuǎn)變形失穩(wěn)的條件可以根據(jù)著名專家錢院士所提出的砌體梁“S-R”穩(wěn)定理論進(jìn)行分析：其中以M為采高，h為垮落帶的高度，l代表的是周期來壓步距，k則代表的是碎脹系數(shù)，在這個(gè)理論中一般取數(shù)值為1．3，i則是斷裂層的代表，在錢院士的理論中可以實(shí)現(xiàn)其采高的數(shù)值模擬。當(dāng)采高數(shù)值為3．5m時(shí)，巖層密度則為2．5m，承載巖層抗壓強(qiáng)度為60，壓步距為12m，巖塊間摩擦因數(shù)的數(shù)值取0．3，承載巖層厚度為8m，垮落帶的高度為7m。最終得出的結(jié)論是承載層負(fù)載巖層厚度為89．6m，回轉(zhuǎn)角度為4．5；當(dāng)采高為4．5m時(shí)，垮落帶的高度則為9m，這時(shí)的承載層負(fù)載巖層厚度為75．1m，回轉(zhuǎn)角度為6．2；當(dāng)采高為5．0m時(shí)，垮落帶的高度為10m，承載層負(fù)載巖層厚度為65．8m，回轉(zhuǎn)角為7．3；當(dāng)采高為5．7m時(shí)，垮落帶的高度為11．4m，承載層負(fù)載巖層厚度則為52．2m，回轉(zhuǎn)角為8．1。

通過上述結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著采高的增加和垮落高度的增加，回轉(zhuǎn)角的角度也隨之增加，回轉(zhuǎn)角失穩(wěn)的可能性也會增大，但可以明顯地看出垮落充填的高度減少，上覆臨界負(fù)載巖層的厚度也隨之減小。當(dāng)采高和垮落帶高度達(dá)不到條件的需要時(shí)，就難以使破斷基巖形成穩(wěn)定的砌體梁結(jié)構(gòu)，容易產(chǎn)生回轉(zhuǎn)變形失穩(wěn)的問題。

(3)分析不同采高對滑落失穩(wěn)的影響

根據(jù)頂板滑落失穩(wěn)條件進(jìn)行分析，工作面的數(shù)值選取要注意在條件允許的范圍內(nèi)，臨界負(fù)載巖層厚度隨著采高的增加而增大，當(dāng)采高與工作面的數(shù)值超過條件范圍就會引發(fā)破斷基巖不穩(wěn)定的后果，出現(xiàn)滑落失穩(wěn)的問題，此時(shí)，工作面也會出現(xiàn)臺階下沉的現(xiàn)象，發(fā)生壓架事故，當(dāng)工作面基巖較薄時(shí)，就更應(yīng)該注意其采高時(shí)的數(shù)值。可以明顯的看出，當(dāng)表土為松散砂土層，出現(xiàn)基巖破斷的情況，采高的增加也不能使上覆松散砂土層形成穩(wěn)定的壓力拱結(jié)構(gòu)。換句話說就是基巖厚度不變，負(fù)載巖層厚度增加，滑落失穩(wěn)的發(fā)生概率與失穩(wěn)事故的發(fā)生率也會增加，因此要十分注意工作面采高較小時(shí)的滑落失穩(wěn)與采高較大時(shí)的滑落失穩(wěn)和回轉(zhuǎn)失穩(wěn)。通過研究發(fā)現(xiàn)，工作面的合理采高數(shù)值為3．5m-4．0m之間。

3.模型的分析

(1)模型的建立

通過對淺埋薄基巖煤層的實(shí)地勘察及其相關(guān)理論進(jìn)行模擬分析，在這個(gè)模擬中，模型尺寸長為450m，寬為500m，高為150m，模擬的煤層厚度為3．5m。模型中各相關(guān)煤巖層物理力學(xué)參數(shù)如下∶巖層分別為煤層、直接頂、基本頂、粘土層、砂土層，抗拉分別為0．21、1．22、1．80、0．17、0．10，體積模量分別為2．50、2．41、4．00、0．70、0．19，剪切模量分別為1．16、1．65、2．30、0．36、0．12，密度1380、2600、2700、2050、2350，內(nèi)擦角度分別為32、35、40、25、20，內(nèi)聚力1．61、2．10、13．0、0．55、0．50。在這個(gè)數(shù)值模型中，通過對不同的采高進(jìn)行數(shù)值模擬以及對工作面超前支撐壓力分布規(guī)律進(jìn)行分析，取得合理的采高數(shù)值。

(2)采高模擬的結(jié)果分析

通過對不同采高數(shù)值模擬結(jié)果的分析，采高為2．0m時(shí)，工作面的超前支撐壓力峰值計(jì)算后為5．90抗拉，峰值距煤壁距離計(jì)算可得為6m，可以發(fā)現(xiàn)這時(shí)的支撐壓力范圍較小。當(dāng)采高數(shù)值為2．5m時(shí)，超前支撐壓力就為6．35抗拉，與5．90抗拉相比差距較小，可以明顯的看出這時(shí)的峰值點(diǎn)向前移動了一點(diǎn)。當(dāng)采高數(shù)值超過3．0m時(shí)，支撐壓力的峰值就達(dá)到了6．85抗拉，從數(shù)據(jù)可以看出這時(shí)的峰值點(diǎn)和峰值點(diǎn)距煤壁距離有了明顯的浮動，這時(shí)的頂板結(jié)構(gòu)也有隨之發(fā)生變化的可能性，使頂板結(jié)構(gòu)出現(xiàn)失穩(wěn)的問題。當(dāng)采高值達(dá)到3．5m時(shí)，應(yīng)力峰值和支撐壓力峰值也隨之增大。

通過對以上采高數(shù)值、峰值點(diǎn)和峰值點(diǎn)距煤壁距離的模擬分析可以知道，當(dāng)采高比較小時(shí)，前方的支撐壓力就比較緩和，當(dāng)采高增加時(shí)，支撐壓力也隨之增加。支撐壓力的增加主要是由于上覆的薄基巖形成的砌體梁結(jié)構(gòu)失穩(wěn)造成的，增加了工作面支架的要求和阻力。

4.分析淺埋薄基巖煤層采高選擇結(jié)果

(1)淺埋薄基巖煤層采高選擇實(shí)測

實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，對淺埋薄基巖煤層進(jìn)行采高選擇的實(shí)地檢測勘察才能更好的檢驗(yàn)數(shù)值模擬的結(jié)果，才能對礦場煤層提供更高的安全保障，促進(jìn)我國礦產(chǎn)事業(yè)的發(fā)展。

本礦區(qū)煤層的厚度大多在3．5m以上，煤層埋深大約在100m至150m之間，上覆基層厚度在10m至50m中間，巖層厚度在20m左右。經(jīng)勘察發(fā)現(xiàn)基巖到地表的風(fēng)積沙或粘土層屬于有代表性的厚沖積沙，需要利用大采高綜合機(jī)械化開采技術(shù)與長壁采煤法相結(jié)合的方式進(jìn)行。在對工作面進(jìn)行開采的過程中，在工作面持續(xù)推進(jìn)的影響下，會帶來更高的工作阻力，工作面初次來壓顯現(xiàn)也會更加突出，具體表現(xiàn)為工作面中部部分支架壓力的迅速升高、支架的下沉、煤層壁片幫以及冒頂?shù)拿黠@增加。

當(dāng)?shù)谝恢芷趤韷簳r(shí)，工作面的推進(jìn)速度相對來說比較緩慢，這時(shí)的來壓程度最為強(qiáng)烈，大多數(shù)的支架高度會降低，可以看出工作面的上部和中部的支架壓力會明顯增大，會出現(xiàn)片幫冒頂嚴(yán)重的問題。當(dāng)?shù)诙沃芷趤韷簳r(shí)，所表現(xiàn)出來的現(xiàn)象不像第一周期那么明顯，只是在支架工作阻力上有所體現(xiàn)，主要表現(xiàn)為，支架工作阻力的增大和輕微的片幫、冒頂，在第二周期內(nèi)并沒有出現(xiàn)壓架事故，對礦場的生產(chǎn)工作不會造成太大的影響。

(2)淺埋薄基巖煤層采高選擇的結(jié)論

①砌體梁失穩(wěn)理論。通過對砌體梁的失穩(wěn)理論進(jìn)行分析，可以知道上覆砌體梁結(jié)構(gòu)的回轉(zhuǎn)失穩(wěn)與采高的增加和失穩(wěn)的回轉(zhuǎn)角增大有很大的關(guān)系，當(dāng)采高較小時(shí)，工作面也比較容易出現(xiàn)滑落失穩(wěn)的問題。當(dāng)淺埋煤層基巖厚度過薄時(shí)，冒落帶和裂隙帶的發(fā)育情況與采高的大小有關(guān)，上覆的松散砂土層容易與其溝通，也就是基巖厚度不變，負(fù)載巖層厚度隨之增加，使砌體梁回轉(zhuǎn)和滑落現(xiàn)象的發(fā)生率大幅度增加。

②數(shù)值模擬分析。通過對淺埋薄基巖煤層不同采高的數(shù)值模擬分析可以知道，采高的增加會引起超前支撐壓力的增加。當(dāng)采高數(shù)值為3．0m時(shí)，支撐壓力會大大提高，根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)這主要是上覆的薄基巖形成的砌體梁結(jié)構(gòu)失穩(wěn)與上覆部分砂土層的重力作用所導(dǎo)致的支撐壓力變化幅度過大。通過計(jì)算可知，當(dāng)淺埋薄基巖煤層采高數(shù)值不超過3．5m時(shí)，易出現(xiàn)滑落失穩(wěn)的問題，引發(fā)壓架的后果。當(dāng)采高數(shù)值超過4．0m時(shí)容易溝通砂土層，導(dǎo)致潰砂的事故。因此，合理采高的數(shù)值在3．5m至4．0m之間就屬于相對安全的范圍。

5.總結(jié)

當(dāng)今社會是一個(gè)高速發(fā)展的社會，礦產(chǎn)的安全生產(chǎn)一直是我國關(guān)注的重點(diǎn)，對淺埋薄基巖煤層合理采高選擇的研究探討有利于煤場的安全生產(chǎn)，在一定程度上可以緩解甚至避免壓架、潰砂以及砌體梁回轉(zhuǎn)、滑落的問題，需要工作人員在實(shí)際工作中繼續(xù)完善淺埋薄基巖煤層的合理采高選擇研究工作，促進(jìn)礦產(chǎn)的安全生產(chǎn)。

張茂微（1986～），男，中國神華神東煤炭集團(tuán)榆家梁煤礦，研究方向：采煤技術(shù)研究。

((責(zé)任編：高鎮(zhèn)峰)

Discussion of the Reasonable Mining Height Selection of Shendong Shallow-buried Thin Bedrock Coal Bed

Zhang Maowei

（Yujialiang Cola Mine, China Shenhua Shendong Coal Company, Shanxi, 719300）

The reasonable mining height work of shallow-buried thin bedrock coal bed needs mathematic theoretical calculation and numerical modeling method, therefore, in order to determine the reasonable height of the shallow-buried thin bedrock coal bed working face in Shendong mine district, it particularly has taken analysis of the different mining height of experimental working faces with 3.5 meter’s shallow-buried depth and coal thickness. The results have showed that when the mining height of shallow-buried bedrock coal bed is smaller, the roof will be easy to have the sliding down and instability problems. The bigger of the mining height, the bigger of the roof instability rotating angle will be. Along with the increase of mining height, the caving zone and fractured zone will also expand upward and when the bedrock breaks, it is easy to decrease the stability of upper loose sand-soil layer and then cause the support crushing accidents. The following is the detail analysis of the reasonable mining height selection of shallow-buried thin bedrock coal bed.

shallow-buried thin bedrock coal bed；reasonable mining height；selection

T

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