浅埋煤层的矿压特征与浅埋煤层定义

第21卷 第8期

岩石力学与工程学报 21(8)：1174～1177 2002年8月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Aug.，2002

2000年12月21日收到初稿，2001年2月19日收到修改稿。

* 国家自然科学基金(50104009)和陕西省教委专项科研计划(00JK219)资助项目。

作者 黄庆享 简介：男，1966年生，1987年毕业于西安矿业学院采矿专业，1998年在中国矿业大学(徐州)获博士学位，现任教授、系副主任，主要从事采矿工程和岩层控制方面的教学与科研工作。

浅埋煤层的矿压特征与浅埋煤层定义

黄庆享

(西安科技学院采矿系 西安 710054)

摘要 根据3个不同条件的浅埋煤层工作面矿压实测，得出了中国特大浅埋矿区顶板破断规律与普通采场不同，主要特征是顶板切落式破断和台阶下沉，顶板垮落一般形成冒落带和裂隙带。并初步提出了以关键层、基载比和埋深为指标的浅埋煤层定义，为正确建立顶板结构模型和进行顶板控制奠定了基础。

关键词 浅埋煤层，矿压特征，定义　

分类号 TD 31 文献标识码 A 文章编号 1000-6915(2002)08-1174-04　

1 引 言

神府东胜煤田探明储量223.6 Gt ，占全国探明

储量的1/3，相当于70个大同矿区、160个开滦矿

区，是我国目前探明储量最大的煤田，也是世界七

大煤田之一[1]。神东矿区目前及今后相当一段时期

内，各矿开采区域大部分集中于埋深在100～150 m

以内的浅部。埋深浅、基岩薄、上覆厚松散沙层是

煤层典型赋存特征。

实践表明，煤层埋藏浅并不一定就矿压小，长

壁工作面普遍出现有台阶下沉现象，矿压显现剧烈

(图1)[2]，浅埋煤层工作面顶板破断运动具有特殊

性[3]。如何从岩层控制意义上判断浅埋煤层，是岩

层控制必须解决的问题。本文根据观测认识浅埋煤

层顶板矿压基本特征与规律，探讨岩层控制意义上

的浅埋煤层定义，为正确进行顶板控制提供依据。

2 普采工作面矿压显现特征 C202工作面是大柳塔煤矿的试采工作面，开采2-2煤层，厚度3.8 m ，倾角约

3°，埋藏深度平均为65 m 。煤层顶板直接顶厚度一般为3 m 左右，为粉砂岩、砂质泥岩。老顶厚度为17.3 m ，岩性为砂岩和砂质泥岩。开采区上方烧变岩厚度为20 m 左右，其上为毛乌素沙漠风积沙覆盖层。工作面长度为

图1 被压坏的液压支架 Fig.1 Damaged supports 102 m ，采高2.2 m ，爆破落煤，日进1循环，循环进尺1.2 m 。采用HZWA 摩擦支柱配合HDJA-1200铰接顶梁支护，见四回一，全部垮落法管理顶板。 观测期间经历了6次周期来压，主要来压特征见图2，有以下特点：

(1) 老顶初次来压步距为24 m ，周期来压步距

不大，一般为6～9 m 。

(2) 周期来压明显，“三量”的增值倍数大，平

均为2.6～3.8。

(3) 来压的主要特征是沿煤壁产生台阶下沉，

台阶下沉量为350～600 mm ，最大一次沿工作面中

下部下沉范围长达70 m ，说明老顶岩块本身不能形

成稳定的铰接岩块或砌体梁结构。

• 1176 • 岩石力学与工程学报 2002年 力分布平缓，来压时中部支架一般都达到额定支护

阻力，体现了明显的顶板破断特征(图4)。工作面出

现顶板沿煤壁切顶现象，台阶下沉一般在100 mm

以内，对工作面不构成明显威胁。

图4 周期来压期间工作面压力分布(自动监测) Fig.4 Pressure distribution in face during the period of roof weighting (2) 推进速度对来压的影响 当推进速度小于15循环/d 时，初撑力平均4 446 kN/架，为额定初撑力的84%；工作阻力5 453 kN/架，为额定工作阻力的81%。当推进速度快时，工作面压力减缓，初撑力平均2 886 kN/架，仅为额定初撑力的58%；循环工作阻力平均4 674 kN/架，

为额定工作阻力的69%。但是，来压时顶板仍然存

在100～200 mm 的台阶下沉，说明顶板结构容易失

稳的特点。工作面周期来压步距存在大小周期，小

周期为12 m ，大周期为20 m 。工作面连续快速推进

时表现为大周期，工作面台阶下沉减缓。因此，加

快推进速度对顶板控制有积极作用。

(3) 工作面顶板结构状况分析

20604工作面基岩比较厚，根据顶板岩层特征，

推进过程中起主要承载作用的顶板为平均28 m 厚

的砂岩组老顶，其中夹有1～2煤线。因此，老顶分

为下组16 m 厚和上组12 m 厚的2组关键层。对于

存在2组关键层的顶板，工作面来压主要取决于下

位关键层。上位关键层的破断一般滞后，主要以载

荷形式对下位关键层起作用。因此，如果工作面推

进速度比较快，载荷层的传递不充分，顶板压力就

会减小，这是快速推进时顶板压力减缓的原因之一。 5 浅埋煤层矿压显现的基本特征及浅埋煤层定义 5.1 矿压显现的基本特征

根据现有浅埋煤层工作面矿压观测结果(表1)，有如下主要特征： (1) 顶板基岩沿全厚切落，基岩破断角较大，破断直接波及地表。来压期间有明显的顶板台阶下沉和动载现象。工作面覆岩不存在“三带”，基本上为冒落带和裂隙带“两带”。 (2) 浅埋煤层工作面顶板一般为单一主关键层类型，老顶岩块不易形成稳定的砌体梁结构。基岩厚度比较大时，会出现两个关键层组，形成大小周期来压现象，其矿压显现特征介于浅埋煤层采场和

普通采场之间。

(3) 基岩与载荷层厚度之比J z (简称基载比)，对

来压显现有重要影响。当J z ＜0.8时，工作面都出现

顶板沿煤壁台阶下沉，而当J z ＞0.8时，则没有出现

顶板台阶下沉。

表1 工作面地层组成与矿压显现一览表

Table 1 Strata composition and ground pressure

behavior of the faces

顶板组成/m

来压步距/m 支架阻力 /kN ・架－1 台阶下沉/mm 工作

面 基岩层 载荷

层 J z 初次 周期 D z 初撑力工作

阻力

初次 周期 C202 17.3 48.3 0.36 24.0 7.56 3.2 30×6 234.6×6 / 458 1203 18.0 32.0 0.56 27.0 12.0 1.26 2 012 2 800 1 000 架后 1209 23.2 31.5 0.73 / / / 2 012 2 800 / 1000 20601 45.0 42.5 1.06 35.4 11.1 1.16 4 728 5 283 很小 很小 20604 42.6 61.4 0.69 54.2 14.6 1.58 3 666 5 063 200 100 注：基载比J z = 基岩厚度/载荷层厚度，D z 为动载系数，1203工作面周期来压J z =1～1.5。 5.2 浅埋煤层的定义 根据实测，浅埋煤层可分为2种类型：(1) 基岩比较薄、松散载荷层厚度比较大的浅埋煤层，其顶板破断为整体切落形式，易于出现顶板台阶下沉，此类厚松散层浅埋煤层称为典型的浅埋煤层。可以概括为：埋藏浅，基载比小，老顶为单一关键层结构的煤层。(2) 基岩厚度比较大、松散载荷层厚度比较小的浅埋煤层，其矿压显现规律介于普通工作面与浅埋煤层工作面之间，表现为两组关键层，存

在轻微的台阶下沉现象，可称为近浅埋煤层。

总体上，浅埋煤层工作面的主要矿压特征是老

顶破断运动直接波及地表，顶板不易形成稳定的结

构，来压存在明显动载现象，支架处于给定失稳载

荷状态。浅埋煤层可以采用以下指标判定：埋深不

超过150 m ，基载比J z 小于1，顶板体现单一主关工作面支架编号(运输-回风) 支架载荷 /k N ・架－1

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120130