浅埋煤层关键层研究
浅埋煤层开采隔水层位移规律相似模拟研究
ｒ ｓ ｔ ａ ｅ ，ｔｅ ｐ ｙ ｉａ ｉ ｕａｉ ｄ ｌｉ ｍ ｄ ｉ ｕ ａ ｅ ｓ ｅｓ ｓ ａｎ ｃ ｐ ｃｔ ｆ ｈｙｌｙ ｒ ｎ ｅ ｎ ｎ ｏ ｄｔ ｎ ． ｅ ｉ ｉ ｌｙ ｒ ｈ ｈ ｓ ｌ ｓ ｌｔ ｍｏ ｅ ｓａ ｅ ｔ ｓ ｌｔ ｔ ｔ ｓ－ ｔ ｉ ａ ａ ｉ ｏ ａ ｅ ｄ ｒ ｓｎ ｇ ｃ ｍ ｇ ｎ ｏ ｍ ｅｈ ｒ ｒ ｙ ｅ ｕ ｍｉｉ ｃ ｎ ｉ ｓ ｇ ｉ ｏ
键 ， 出隔水层 下沉梯 度 为控 制 隔水层 导 水裂 隙 出现 的指 标 。 指 关 键 词： 浅埋 煤层 ； 隔水层 ； 相似 模拟 ； 水开 采 保 文献标 识码 ： Ａ 中 图分 类 号 ：Ｄ ｌ Ｔ ３５
Ｓ ｕ ｔ ｅｔｏ ｅ ｓ ｂ ｉｅ ｃ ｗ ｆ ｂ ｕ ｆ ｃ ｔｒＩｓｓｉ ｇ ｌｙ ｒｕ ｏ ｍａ ｌ ｍｇ ｔｓ ｎ ｔ ｕ ｓｄ ｎ ｅ ｌ ｏ ｓ ｒａ ｅｗａｅ ’ ｉｔｌ ｅ ｐ ｎ ａ ｈ ａ ｕ ｓ ｅ ｌ ａ
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第３ ４卷 第 ５期 ２Ｏ Ｏ６年 １ ０月
煤 田地 质 与勘 探
Ｃ Ｌ Ｇ ０Ｉ Ｇ ＆ Ｅ （ Ｉ ０Ａ Ｅ Ｊ Ｙ ）Ｐ ＤＲＡ １ Ｎ １０
Ｖｏ ． ４ Ｎ ． １３ ｏ ５ ０ ｔ２ ｏ ｃ ．０ ６
文章编号 ：０ １１８ ｛０６０ ． ３－４ １０ ．９６ ２０ ）５０ ４０ ０
浅埋煤层保水开采识别系统研究
２ 导水裂缝带广义损伤 因子的确定
２ １ 导水 裂缝带 广义 损伤 因子 的定义 ．
由损伤力学可知 引： 应用损伤变量以描述材料 的损伤状态可以通过从微观和宏观两方面选择度量
损伤的基准。这里假定选取空隙的长度为损伤变量 Ｄ的基准 ， ０ Ｄ＝ 对应于无损伤状态， Ｄ＝１ 对应于完 ，
ｇ， ｎ
、
Ｅ１１（ ｈ ＋ ＋… ＋ ｈ ｌ１ ２２
）
’
，、 １
¨
式中
Ｅ ， … ， 为各 层 岩层 的弹性 模 量 ， 。Ｅ ， Ｅ ｎ为岩 层 数 ；。ｈ， ， 为 各层 岩层 的厚 度 ； ， ， ， ｈ ， … ｈ 。 …
为各层 岩层 的容重 。
基金项 目： 国家 自 然科学基金项 目（ ０ ７ １５ ４ ５２ ５ ） 作者简 介： 赵兵朝（９ ８一 ， ， １ ７ ） 男 山西晋城人 ， 博士生 ， ， 讲师 主要从事开采损害及防护研究
６４ ２
西
安
科
技
大
学 学
报
２０ ０ ８血
遭到破坏。因此根据导水裂缝带的特征和损伤力学损伤变量的定义 ， 本文提出了广义的导水裂缝带损伤 因子的概念 ， 根据导水裂缝带内出现裂缝的数 目以及其相互贯通的情况， 即： 以导水裂缝带 内岩层在原始 状态下的长度和出现裂缝后该岩层长度的变化量作为损伤变量 ， 其所求取 的损伤因子为广义 的导水裂缝 带损伤因子。 ２ ２ 导水 裂缝 带广义 损伤 因子 的确定 ．
对于各层岩层的破断距 ， 不同的模型有着不同的计算方式 ， 其具体计算公式如下。
当为定考时 ；为支考时ｔ √ 作固梁虑 ＝ 当 简梁虑 ＝ ． √ 作
10-2002(8)[岩石力学与工程学报]浅埋煤层的矿压特征与浅埋煤层定义
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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。
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。
浅埋煤层的矿压特征与浅埋煤层定义
第２ ｌ卷
第 ８期
２０ ０ ２年 ８月
岩 石 力 学 与工 程 学报 Ｃ ｉｅｅ ｏ ｒ ａ ｏ ｋ ｃ ａ ｉｓ ｎ ｎ ｉｅｒｎ ｈｎ ｓ ｕ ｎ ｌｆＲ ｃ ｈ ｎｃ ｄＥ ｇｎ ｅｉｇ Ｊ ｏ Ｍｅ ａ
２ （） １ ４ １ ７ １８ ：１７ ～ １７
图 ３ ｌ０ ２ ３工作面 第 一个周 期来 压地 表下 沉 剖面
壁 工 作 面 普 遍 出现 有 台 阶 下 沉 现 象 ，矿 压 显现 剧 烈
图 １ 被 压 坏 的 液 压 支 架
Ｆｉ 、 Ｄａ ａ ｄ ｓ ｐ ｏ ｇ１ ｍ ｇｅ ｕ ｐ ￣ｓ
（ １ ， 浅 殊 图 ）Ｊ
性 ｐ 。如 何 从 岩 层 控 制 意 义 上 判 断 浅 埋 煤 层 ， 是岩 Ｊ 层 控 制 必 须 解 决 的 问题 。 本 文 根 据 观 测 认 识 浅埋 煤
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第２ 卷 ｌ
第８ 期
黄庆 享．浅埋煤层 的矿压特 征与浅埋煤层定义
・ １ ５・ ｌ７
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图２ Ｃ０ ２ ２工 作 面 周 期 来 压 显 现 曲线
Ｆｉ ． Ｔ ｅ ｃ ｒ ｅ ｆ ｅ ｉ ｄ ｒ ｏ ｇ２ ｈ ｕ ｖ ｓｏ ｐ ｒ ｏ ｆｗｅ ｇ ｔ ｇ ｏ Ｃ２ ２ ｆ ｃ ｏ ｉ ｈ ｉ ｆ ０ ａ ｅ ｎ
１２ｍ，采 高 ２２ｍ ，爆 破 落 煤 ， 日进 １ 环 ，循 环 ０ ． 循 进 尺 １ 采 用 ＨＺ ． ｍ。 ２ ＷＡ 摩 擦 支 柱 配合 ＨＤＪ １ ０ Ａ．２ ０
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 。
万利矿区浅埋煤层长壁开采矿压显现规律
于初步认识阶段。因此 ， 对其进行研究 ， 具有重要 的 实际应用价值 。
１ 浅埋煤层长壁开 采矿压显 现基本规律
根 据对 万 利矿 区 ４个 不 同开 采条 件 和开采 工 艺 的工作 面 实际 观测 ， 观 测 数 据 及 结 果 进行 整 理分 对
参考 文献 ：
［ ］ 石平五 ， 忠杰． 府浅埋 煤层 顶板 破 断运动 规 １ 侯 神 律［ ］ 西 安矿 业 学 院 学报 ， ９６ １ ３） ２ ３— Ｊ． １９ ，６（ ：０
析 ， 埋煤 层矿 压具 有如 下基 本规 律 ： 浅 浅埋煤 层 工作 面矿压 显 现 的突 出特点 是顶 板基 岩沿全厚切落 ， 基岩破断角较大 ， 破断直接波及地
压 强度 和显 现特 征 有 重 要影 响 。如 表 １所 示 ， 当 ＜． ０ ８时 ， 工作 面都 出现 了顶板 沿 煤 壁 台阶下 沉 ， 而
于顶板厚度变大 ， 为 ｌ １５ 虽然有动载现象 ， — ．， 却
只在 架 后 出 现 了 台 阶 下 沉 。 １０ ２ １工 作 面 为 ０ ． ７， ３ 同样 发 生 了沿煤 壁 台阶 下沉 。
收稿 日期 ：０ ７— ７— ５ ２ ０ ０ ２ 作者简介 ： 王 福 （９ ０一） 男 ，９９年毕 业于 山西矿 院采 矿专业 １６ ， １８ 现万利煤炭分公 司柳塔矿助理工程师 。
滞” 现象 ， 来压期间载荷层 的“ 载荷传递” 效应对认 识 顶板 结 构稳定 性 和支 架 围岩关 系有 重要 意义 。
２ 浅埋煤层长壁开采矿压显现 的影响因素
工作 面 支护 状况 对顶 板 来压有 明显影 响 。用金 属磨 擦支 柱 支护 顶 板 的 Ｃ ０ ２２工 作 面初 次和 周 期 来
浅埋煤层中的关键层运动与导水裂隙发展
砂质泥岩 ｌ ． ０ ０ ４ ２ １ Ｏ２ ． ２ ． ３ 细砂岩 １ ． ０ ０ ３ ２ ７ ２５ ． ２ ． ５
１１ ．７
４．５ １
有重要 的借鉴作用． 本文在 已研制 的耦合模拟实验材料 的基础上［ ２ 】 ，
制作流固耦合相似材料模拟模型 ， 模拟开采时主关键 层 在 流 固耦合 作 用下 的运动 破 坏规 律 ， 析 了影 响浅 分
Ｖｏ． ５ １ Ｎｏ４ ２ ． Ｄｅ ． ２ １ ｃ ０ ０
浅埋煤层 中的关键层 运动与导水裂 隙发展
张 杰
（ 西安科技大学 能源学院 ， 陕西 西安 ７ ０ ５ ） １ ４ ０
摘
要： ２种不同赋存条件下的浅埋煤层工作 面进行了流 固耦合相似模拟实验 ， 对 实验研 究表 明， 主关键层 下岩层的运动破坏规律
是下位逐层垮落而上位整体运动． 影响浅埋煤层导水裂隙发展的主要 因素是主关键层层位和采高， 主关键层位与采高之比越 大， 越容 易 进入弯曲下沉带， 当其层位距 离煤层顶板 的高度与采 高满足 ｋｔ１ ｏ １时， ＞ 主关键层进入 弯曲下沉带， 也就是裂 隙带与采 高之比 ． １ ， ｊ ２时 ｝ ＞ ／ 裂隙才可能停止发展． 并且随着工作面的推进 ， 围岩的渗流状况由原生裂隙逐渐向变形裂隙和导水裂 隙过 渡．
走 向长 ２６０ｉ， 采 煤层 厚 度 平 均 为 ４２ 工 作 面 ６ 开 ｎ ． ｍ． ８
通过关键层 的定义对 ２ １ ０ 工作面岩层判别可得 ， 第 １ 号岩层为主关键层 ，第 ２４ ８ Ｉ ，， 号岩层分别为第
一
，
二， 三层亚关键层． 上覆基岩全厚 ６ 主关键层层 ８ ｍ， 补连塔煤矿 ２ 煤层 ２ １ 综采工作面 ， ２１ 煤层倾角
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.，20022000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。
136-浅埋深薄基岩工作面矿压显现规律研究
浅埋深薄基岩工作面矿压显现规律研究李艳君，杨维帅，许力峰，郭文砚，李家伦，刘建（中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院，北京100083）［摘要］为了研究浅埋深薄基岩煤层工作面上覆岩层的运动规律及工作面矿压显现规律，运用UDEC 数值模拟软件对神华李家壕煤矿的上覆岩层的运移规律进行了模拟分析，并进行了现场实测。
结果表明，模拟所得的初次来压步距为40m ，实测值为36.4m ；模拟周期来压步距为20m ，与现场实测的周期来压平均为20.5m 步距基本一致；关键层来压时表现为动载现象明显，整个上覆岩层全厚度切落，地表出现急剧下沉，工作面覆岩将不存在“三带”，基本上为垮落带和裂隙带“两带”。
［关键词］浅埋煤层；矿压显现；覆岩移动规律；数值模拟［中图分类号］TD325.1［文献标识码］A［文章编号］1006-6225（2012）03-0086-03Underground Pressure Behavior Rule of Shallow-buried Mining Face under Thin Base RockLI Yan-jun ，YANG Wei-shuai ，XU Li-feng ，GUO Wen-yan ，LI Jia-lun ，LIU Jian（Resources ＆Safety Engineering School ，China University of Mining ＆Technology （Beijing ），Beijing 100083，China ）Abstract ：Applying UDEC to simulating movement rule of overlying strata in Lijiahao Colliery and combining on-site observation ，this paper researched underground pressure behavior rule of shallow-buried mining face under thin base rock.First weighting pace by simu-lation was 40m ，observation value was 36.4m.Periodical weighting pace by simulation was 20m and observation value was 20.5m.Dy-namic load was obvious at time of key strata weighting ，whole overlying strata fell down and surface sharp subsidence occurred.There was only caving-zone and crack-zone in overlying strata.Key words ：shallow-buried coalseam ；underground pressure behavior ；movement rule of overlying strata ；numerical simulation［收稿日期］2012－03－09［基金项目］国家自然科学基金委员会与神华集团有限公司联合资助项目：浅埋深薄基岩采动岩体破断及渗流基础（51134018）；中央高校基本科研业务费资助项目（2011Y205）［作者简介］李艳君（1987－），男，黑龙江鹤岗人，在读硕士研究生，主要从事矿压及放顶煤方面的研究。
浅析浅埋煤层工作面初次来压机理
常 进海
科
浅 析浅埋煤 层 工作 面初次 来压机 理
（ 开滦 集团荆各庄矿 业分公 司 安管部。 河北 唐 山 ０３ ２ ） ６ ０ ６
摘 要： 分析提 出了浅埋煤层 开采 的三个界 定指标 ， 通过分析浅埋煤层 的上覆基 岩层的结构特征及 力学模 型 ， 阐明 了工作 面初 次来压经历 的 从 关键层破断垮落来压， 关键层上方基岩层分层的垮 落形成第一 次冲击栽荷， 松散 栽荷层 滞后垮 落形成 第二次冲击裁荷的三个阶段。 关键词 ： 浅埋煤层； 上覆岩层 ； 松散栽荷层 ； 梯度复合板 １概述 采工作面覆岩活动规律基岩 ， 呈一 同步运动的 覆岩层初次垮落与工作面初次来压过程 ： 我国学者 对浅埋 煤层定 义曾作 过初步 分 组合岩层。 松散载荷层 随基岩层移动 、 垮落至地 随着工作面推进 ，顶板基 岩层裸露 的跨度 析和探讨 。 研究认 为 ， 浅埋煤层工作面矿压显现 表 ， 顶板来压剧烈 ， 来压时间短 ， 现象明显 ， 增加 ， 动压 基岩层发生挠曲变形 ， 当工作面推进到一 的基本特征是 ： 地表 出现大型张开裂缝和较大落差 的地堑 。Ｃ 定距离后 ， ． 基岩层下部分层沿分层界 面滑移 ， 与 １ 顶板基 岩沿全厚切落 ，基岩破断 角较 煤层埋深小 于等于 ８ — ０ ｍ ． １薄基岩结 其上岩层离层垮落 ， ． １ ０ １ ０ 。２１ ． 即直接顶初次放顶 ， 关键层 大， 破断直接波及地表 构分析。深入分析陕西某矿 区典型 的浅埋煤层 组裸露出来 。当工作 面开采第步 以后随着工作 工作 面来 压期间顶 板有 明显 的台阶下沉 长壁开采工作面 ，发现其上覆基岩层具有 如下 面继续推进 ， 基岩关键层裸露跨度增大 ， 其挠曲 和动载现象 。 工作 面覆岩不存在“ 三带”基 本上 结构特征 ： 上覆基岩层一般 由多个岩层分层 变形增大 。当工作 面推进至关键层初次破断距 ， 为冒落带和裂隙带“ 二带” 。 构 成 ，并且 以厚度 ２ ｍ以上 的具有较 高强度 的 时 ， 关键层即开始破坏 ， 工作 面呈现初次来 压。 １ ． ２浅埋煤层工作面顶板一般 为单一主关 岩层 分层 为主。ｂ基岩层 中部一般不含 厚层软 余下基岩层破裂垮落 ，并形成对关键层的冲击 ． 键层类型 ，老顶岩块不易形成稳定 的砌体梁结 弱岩层 ， 基岩层上部有 时为风化基岩 ， 下部紧邻 载荷 ， 使其发生再次破坏 。基岩层垮落后 ， 松散 构 煤层有 时赋存泥岩、 煤线等复合岩层分层。ｅ ． 载荷层 由于呈现 和 自 典 身特性 ，将经历瞬间静止 基岩厚 度 比较大时 ，会 出现 两个关键 层 型薄基岩浅埋煤层 ， 其基岩厚度均较 小 ， 顶板基 后 ， 整层垮落下来 ， 并对已垮落的关 键层及工作 组， 形成大小周 期来压现象 ， 其矿压显现特征介 岩厚度较大时 ，回采工作面矿压显 现规 律接近 面形成理论 冲击载荷过程。 于浅埋煤层采场和普通采场之间 。 普通工作面的矿压显现 ，通常基 岩厚度 应小于 因此 ， 工作面初次来压经历如下 三个过程 ： １ ． ３基岩 与载荷 层厚度 之 比为基 载 比， 对 等 于 ３ ０～５ ｍ。．． ０ ２１ ２坚硬顶板的层理性口 典型 。 ａ． 关键 层破断垮落 ， 来压 开始 ；． ｂ关键层上 来压显现有重要影 响 薄基 岩浅埋煤 层顶板 常呈 现出坚 硬顶 板 的性 基岩层分层 的破坏垮 落 ， 形成第一次 冲击载荷 ； 当基载比小 于 ０ 时 ，工作面都 出现顶板 质 。 ． ８ 坚硬顶板的层理性有其 自身的特点 。 层顶 ｃ 煤 ． 松散载荷层滞后垮落 ， 形成第二次冲击载荷 。 沿煤壁 台阶下沉 ， 而基载 比大于 ０８时 ， ． 则不 会 板均为层理明显 的沉积岩 ， 其分层厚度一般 为 ５松散载荷层活动特点及工作 面来 压动载 出现台阶下沉 。 ０２—０５ 坚硬顶板也 不例外 。由于坚硬顶板 成因分析 ． ．ｍ， 因此将浅埋煤层分为两种类型 ： 基岩 比 通常为仅受轻微构造变 动的厚 层状沉 积岩 ， 轧 不 ５１散体滞后弹性动应力—应 变关系 ． 较薄、 松散 载荷层厚度 比较大的浅埋煤层 ， 其顶 仅岩层本层本身厚度大 ， 而且岩层 内部 的分层 散体在动载荷作用下 ， 应变幅值不同时 ， 散 板破断为整体切落形式 ， 易于出现台阶下沉 ， 此 也都在 ０ ～ ． 以上 。坚硬顶板 的层理表现 体 的动应力～ 应变关 系表现 出不同的特性。当 ． ０ｍ ４ ５ 类厚松散层浅 埋煤 层称为典型 的浅埋 煤层 ， 并 出明显的分组性 ， 组由各分层 间的黏结力很强 ， 应变 幅值 由小到大变化时 ，其应力一 应变关系 将其概括为埋藏浅 ， 基载 比小， 老顶为单一关键 组 与组之间存在黏结力较弱的软夹层。 呈现 出弹性 、 滞后弹性和非线性的关 系。 通常散 层结构 的煤层 ． 基岩厚度比较 大、 松散载荷层 ２ ． ２松散载荷层结构分析 体 内会有孔 隙水及气体 ， 是三相体 ， 在动荷 载作 厚度 比较小 的浅埋煤层 ， 其矿压显现规律介于 典 型浅埋煤层上覆岩层 中，松散载荷层通 用下具有显著的黏滞阻尼特性 ， 因此 ， 散体 可将 普通工作面与浅埋煤层工作面之 间，表现为两 常由风积砂 、 风化砂岩等组成 ， 即以砂土 为主 。 作为黏弹性体 或滞后弹性体 。 一般条件下 ， 处于 组关键层 ， 存在轻微的台阶下沉现象 ， 称为近浅 因此 ， 松散载荷层可视为散体介质。 由散体动力 三相状态的散体 ，在动载荷作用下产生动应变 埋煤层 。 学理 论 可知 ， 散体 的主要特征是 分散性 、 复杂 滞后于动应力 ，瞬时的应变 与应力之问存在一 同时提 出， 浅埋煤层采用 以下指标判 定埋 性和易变性。 砂土散体呈现单粒结构特征 ， 即其 个较固定的相位滞后现象。 深不超过 １０ 基 载 比小 于 ｌ顶板 体现单 一 组成颗粒问没有联结力或联结非常微弱可忽略 ５ｍ， ， ５ ２散体载荷层活动的动荷载效应 主关键层结构特征 ， 来压具有明显动载现象。 不计 。 工作面初次来压及周期来压过程中， 基岩层 显然 ， 上述定义 的前后描述存在诸多 自相 ３浅埋煤层覆岩力学模 型 上方的松散载荷体经历可与基岩层脱离 垮 矛盾之处 ，未能体现浅埋煤层开采与普通煤层 典型浅埋煤层 的上覆岩层由以下两部分 组 落一压荷在垮落的基岩 层上这—运动过程 ， 可以分 开采 的根 本 区 别 。 成 ：一 ａ由若 干岩层分层或 薄复层 、 层组成 的基 析为如下丙 ？动阶段： 互 、 舌 胡 继 构造直力作用 ， 松 ２ 浅埋煤层 工作面上覆岩层活动特征 岩层 ， 其厚度小于 ３ ～ ０ 且其中部一般不含 散载荷层下方受到了幅值为 九的—个应力循环 ０ ５ｍ， ． 砾石 ， 风 作用， 与常埋深工作面相 比， 浅埋煤层工作 面上 有厚度较大的软岩分层。ｂ由风积砂 ， 经历了滞后 ， 角的应变循环， 损耗 Ａ ． 其 ｗ ， 覆岩层Ｉ ｌ ｌ 活动具有如下显著特 点 ： 工作面来 压 化层等组成 的松散载荷层。 因此 ， 型薄基岩 浅 中 典 、ｖ分别为载荷层平均容重、 ２ 厚度、 体积。 时，顶板活动直接波及至地表 ，即顶 板岩层破 埋煤层 ， 其上覆岩层的力学特征可用上部作 用 蝴 散载荷层的近似 自由 落体运动 ， 设平均移动距 断、 垮落时 ， 其上 的松散载荷层几乎 同步陷落 至 有均布载荷 的力学性质呈现梯度变化 的层合板 离为 ｓ则重力所做功为 Ｗ ＝‘ ． 删 松散载荷 ， ． Ｓ 地表。 ． ｂ 工作面支护强度较低时 ， 顶板来 压显 现 来描述。依据典型薄基岩浅埋煤层覆岩结构及 层再次冲落至已垮基岩层及工作面顶板时所做的 剧烈 ，并出现较 大范 围和尺寸的顶板 台阶下沉 其力学特征 ， 应用 功能梯 度材料理论Ｈ 建立薄 冲击功 为 ： ＝Ｗ— ｗ ＝ｖ（ — ）ｗ 与 ＡＷ ， Ａ・ ： Ｓ Ａｗ， ｔ 工作面支护强度较高时 ， 顶板来压较为平缓 ， 工 基岩浅埋煤层覆岩力学模型。该模型 由弹性基 与相比限小， 因此松散载荷层垮落时重力功 几乎全 作面顶板不出现或只在来压时出现较小数值 的 础上的梯度复合岩层 构成 的梯度复合板 ，其上 部作用于对基岩层及顶板 的冲击破 坏 ，因此形 下沉台阶 ， 主要 为架后切落 。 ． 顶板 ｃ 顶板来压持 作用有 均布载荷 ， 载荷为松散载荷层重力。 对于 成工作面来 压时短暂剧烈的动载特点。 续时间短 ， 有明显 的动压现象。ｄ地表出现大 型 浅埋煤 层可 以不考虑构造应力 的影响 。弹性基 ． 因此 ，薄基岩浅埋煤层载荷层几 乎随基 岩 张开裂缝和较 大落差 的地堑。 础由薄基岩下部软弱岩层与煤层组成。基岩下 同步活动 ， 即顶板垮落直接至地表 ， 而且垮 落时 ２ ． １浅埋煤层的界定指标及其主要特征 部 的软弱岩层分层相 当于回采工作面的伪顶或 对工作面顶板形成短促剧烈动载冲击作用 。 综上所 述 ， 浅埋煤 层地下开 采简称浅埋煤 随支架 而垮落的直接顶 。可现场观测的浅埋煤 结束语 层开采类 型 ， 其界定指标主要有 三个 ， 依重要性 层工作 面， 顶板通常完整性较好 ， 除存在较薄弱 本文分析 给出了浅埋煤层开采 ３ 个界定指 分别为 ：． ａ 煤层上覆岩层 由薄基 岩及松散载荷 的易冒的伪顶外 ， 较少厚层直接顶 。 标及主要特征。 分析 了工作面初次来压机理 ， 阐 层组成 ， 基岩厚度小于等于 ３ ０～５ ｍ。ｂ长壁 回 ０ ． ４覆岩层垮落与工作面来压 明了浅埋 煤 层工 作面 周期 来 （ 下转 ２ ０ ） ０ 页
浅埋煤层综放采空区自燃“三带”与压力横三区关系
稳特征分析 二者之 间的关系。采用束管监测采 空区气体分布 ， 得 出 了采 空区 自燃“ 三 带” 的分布 规律。根据 矿压观 测与关键 层理论分析 ， 分析 了顶板破断形成 的结构及 失稳形 式 ， 采用 Ｒ Ｆ Ｐ Ａ 模拟 了采 空区底 板支承压 力分布规律 ， 划分 了采空 区压力 横三 区； 分析 了各 区渗流特点 ， 通过对 比发现浅埋采 空区 自燃 “ 三带” 与压力横 三区有较好 的对应 关系。
１ ３卷
探头
探头
探头
探头
探头
（ ａ ） 测点布置 图
（ ｂ ） 采气探头示 意图
图 １ 测点及探 头布置示意图
ｑ １ （ ）ｌ ＋ １＜ｑ １ （ ）Ｉ ； Ｌ １＜Ｌ ２ 。
２ ． ２ 采 空 区 自燃 三带分 布规 律
结合 现 场实测 及 数 值 模 拟 相结 合 的方 法 、 利 用 最 大最小 理论 确定 采 空 区 自燃 三带 的分 布见 图 ２ 。
关键 词
综放采 空 区
自燃“ 三带”
关键层理论 Ｂ
支承压力
中图法分类号
Ｔ Ｄ ７ １ １ ． ４ ；
文献标 志码
我 国西北 地 区浅 埋 煤 层 赋存 稳 定 、 地 质 构造 简
的首采 面 ， 黄 土层 平均 厚 ３ ８ ． ２ ｍ， 基岩 ８ Ｏ～１ ３ ０ ｎ ｌ ， ６
单、 瓦斯含量小 ， 大部分千万吨级矿井分布 于此 ， 但
煤 层 变质 程度 低 、 易 自燃 ， 工 作 面采 空 区 、 巷道高 冒 区常受 到煤 自燃 的严 重 威 胁 Ｊ 。采 空 区 遗煤 自燃 发 火 除取 决于 煤 自身 的氧 化 特 性 之外 ， 还 主 要受 采 空 区供 氧及 蓄 热 环境 、 遗煤 分 布 、 采 空 区漏 风 源 、 汇 集 强度 以及 工 作 面推进 速度 的影 响 Ｊ 。
浅埋煤层关键层破断对导水裂隙演化的影响
随着开 采 的进 行 主关 键 层 破 断 块 体 运 动会 出现 破
断、 回转 、 向回转 直 至稳 定 的过程 ， 反 主关 键 层上 覆
增大 ； 作 面推进至 ９ 时 ， 键 层 的 破 断裂 隙进 工 ０ｍ 关
一
步增 大 ， 于随时 发生破 断 的边 缘 ， 处 裂隙穿 过关 键
观察 导水裂 隙演化 的过程 。本 文通过 对补连塔 煤 矿 ３４ １工作 面的数 值 模拟 ， 结 出 了关键 层 破 １０ 总
断运动 对 导水裂 隙演化 的影响规 律 ， 实现 浅埋煤层 保 水开采鉴 定 了基 础 。 为
关键 词 ： 关键 层 ； 关键 块 ； 水 开采 ； 水裂 隙演化 保 导 中图分 类号 ：Ｄ ２ Ｔ ８５ 文 献标识 码 ： Ｂ 文章编号 ：６ １— ４ Ｘ（ ０ ０ ０ ０ ４ ０ １７ ７ ９ ２ １ ）６— ０ ４— ２
—— ７７ —— ＩＩ —— —— —— —～ ｔ 一
：：］： ｊ ・ ・ ｉ 二 １．．键 层 ：：。二 ． ． ＝ ． ‘ ： ＝ 。
煤 层
一
是
图 １ 典型浅埋煤 层的单一 主关键层结构
ｌ 浅 埋 煤层 工作 面 上 覆 关 键层 结构 特 征
研 究表 明 ， 于榆神府 矿 区典 型浅埋 煤层 ， 对 其基 岩层一 般较 薄 ， 现 单 一关 键 层 结构 。上 覆 厚 松散 呈 层不能 形成结 构 ， 主要 以载荷形式 作用 于主关 键层 ， 主关键 层 的变形破 坏对工 作面矿 压显现 和上覆 厚松 散层 的变形破 坏都 有显著 影响 。工作 面顶板初 次和
０ 引 言
浅埋煤 层开 采遇到 的另一个 严重 的采动 损害 问
浅埋厚煤层分层开采保护煤柱合理宽度研究
应用弹塑性极限平衡理论求得采空区上侧煤柱 (即巷道的上侧方是采空区 ) 屈服宽度为 [ 11 ]
2008年第 11期
x0
=
Mβ
2
ta
n
φ 0
ln
β(σyl
co
sαta
n
φ 0
+
2C0
+Mγ0
sinα)
β( 2C0 +Mγ0 sinα) + 2Px tanφ0
Research on ra tiona l w idth of protective coa l p illar for slic ing
m in ing in th ick seam w ith sha llow depth
PENG W en2qing1, 2 , WANG W ei2jun1, 2
( 1. Hunan P rovincia l Key L ab of S afety Coa l M in ing Technology, X iang tan 411201, China; 2. S chool of Energy and Safety Engineering, Hunan U n iversity of S cience and Technology, X iang tan 411201, Ch ina)
公式中引入开采扰动系数 , 故煤体屈服区宽度的通
用公式如下 :
x0
= 2
dMβ
tan
φ 0
ln
β(σyl
co
sαtan
φ 0
+
2C0
±Mγ0
sinα)
纳林庙二号矿浅埋煤层矿压规律实测研究
矿压观测设备采用 Ｋ Ｊ ６ Ⅲ 一１ 以下 简称“ 洛卡 ”）监 测支架 工作状 况。尤 洛 尤 卡具有配套 的综合数据处理系统软件 ，数 据处理方便快捷 ， 有较高的操作性 和实用性 。根 据流 程 的系统组成 为数 字压 力计一数据采集 器～适 配 器一 计算 机。数字 压力 计可 同时 测量两个 （ 三个 ） 点 的压 力 ，并 连续记 录在 压 力计 内 ， 或 测
验和生产实践分 析总结 了纳 林庙 二号矿 ６ １ １工作 面 的 ２ —０ 采场应力分布及规 律 ，并根 据掌 握 的规 律指 导实 际开采 和
支护 。
个工作面可 布置 １ ０个分 机 ，可使用 一 台数 据采 集器 —２
进行采集 ，数据采集 器携带 至井上 后通 过无线 通讯适 配器 将数据 自动地传送 到 Ｐ Ｃ计算机处理 。
分析 ，并结合矿压理论揭示 了纳二矿 ６ ２煤层伪顶和基本顶初次来压和周期来压步距及规律 ，根 — 据规律 制 定的科 学的顶板 支护 和 管理 ，很 好 的保 障 了工作 面后 续 开采 的 安 全。该 研 究可 以推 广 到
相 同条件 下的 鄂 尔多斯 盆地 浅埋 深近水 平煤层 开 采 ，对该 地 区的矿 井设计 和 工作 面作 业规 程 制 定 具有 重要 的理论 和 实践 参考 意义 。
一
工作人 员的安全。随着 鄂尔 多斯地 区浅埋 煤层 的机械 化开 采 日益增多和矿压 问题 的暴露 ，掌握浅埋 煤层 矿压规 律和 顶板活动规律 ，对于浅 埋煤 层长壁 工作 面开采 和安全 具有
重 要 的 现 实 意 义 和 理 论 指 导 意 义 。本 文 通 过 ‘ 洛 卡 ’实 尤
浅埋薄基岩下煤矿开采灾害防治探析
隔离 进行采 用 ，对大面 积顶 板垮落 进行 防治 ，是 目 前 中小煤矿 采煤 惯用 的方法 之一 ，采 出率 在 小区域
内为８ ． ％ ８ ９ ，可与长壁 的采 出率相 比。
如 果矿 区的基 岩上部 为 厚松散 沙层 ，且 富含潜
１０ ３
２２ 长 壁 留 煤 柱 法的 关 键 技 术 ．
关键词 ： 中小煤矿 ； 浅埋薄基岩 ； 长壁留煤柱
中图分类 号 ： Ｄ３ ３ Ｔ ２ 文献标 识码 ： Ａ 文章编 号 ： ０ ９ ２ ７ ２ １ ２ — １ ０ ０ １ ０ — ３ ４矿 的开采 中，顶板 的危 害是最 为严 重 的 。 其 中中小煤矿 在 开采过程 中发 生 的顶板垮 落是 因为
时 ，煤柱 在小 区 内可失 稳破坏 ，即无灾 害垮 落 。整
４ 大型顶板 事故的 防止体系
对 于 长 壁 留 煤 柱 开 采 方 法 在 中 小煤 矿 中 的 应 用 ，其技术 目标 是对 大型顶 板事 故 的预 防 ， 以有 效 减 轻 矿 区 事 故 的灾 害 ，促 使 隔 离 小 区 域 的 正 常垮 落 ，并有效避 免 大范 围垮落 在跨 隔离 区的形 成 ，来 保 证采 区 的正常 作业 。而矿 区灾 害防 治的关键 技 术 是对不 同性 质煤 柱 的合 理设 计 的区分进 行识 别 ，只 有 掌握 两种煤 柱 的设计 方案 ，才 能掌控 防灾 体系 的 设 计核 心 。通 过对 长壁 留煤 柱开采 方法 在 中小型煤
动 正好 以此作 为 自身的动 力 ，就 会与覆 盖 的沙土 混
垮落 。实 践证 明，必须对 中小煤矿 的 留煤 柱支撑 方 法进 行研 究 ，预 防灾变 ，依 据防灾 技术 ，才 能防治 浅埋 薄基岩下开采 而形成 的灾 害 。
浅埋深特厚煤层小煤柱沿空掘巷强力支护技术研究
浅埋深特厚煤层小煤柱沿空掘巷强力支护技术研究摘要：我们通过分析某煤矿浅埋深特厚煤层地质条件，采用了数值模式分析与工程类比的方法，得出该煤矿沿空掘巷护巷煤柱宽度为9m，并以此为依据，制定了该煤矿小煤柱沿空掘巷护巷的基本支护思路。
这种施工方案，不仅能够保证整体的安全可靠，同时还有效地对脆弱的重点部位进行了有效地防护，实现了经济效益与生态效益相结合的开采方式。
不仅如此，还通过了实践施工的方式，检验了小煤柱沿空掘巷护巷强力支护技术方案并进行了现场实践的可行性，充分地实现了巷道挖掘工作与工作面回采期间运输巷围岩的稳定与安全。
关键词：浅埋深；特厚煤层；小煤柱；沿空掘巷；支护技术引言：随着我国社会的不断发展，人耳目对矿压的认识也越来越深入，并且结合矿压力的实际实际情况，有效地采取了小煤柱沿空掘巷技术。
这种施工技术有效地减少了煤柱的尺寸，同时也节约的资源的使用，同时也创造了更多的经济效益。
在实际的开采过程中，由于煤柱的尺寸不断缩小，对于巷道围护问题也随之出现，围岩变形量加大，进而出现较大的破坏情况，如果在实际开采过程中不规范或者是操作不当的情况，就会对正常的开采生产产生严重的影响。
基于此，我国结合小煤柱沿空掘巷围岩控制技术，组织了相关的技术人员进行深入的研究和分析，并且取得了理想的研究成果。
我们通过对研究成果进行分析，得出小煤柱沿空掘巷围岩控制技术的主要核心在于提高支护体系强度，进而提高了巷道围岩的承载能力，有效地提高了挖掘的精度，同时也保证了挖掘的安全性，对于我国煤矿的开采有着重要的意义和作用。
一、工程概况通过调查我们发现，某煤矿一号井的煤层的厚度为9.85—12.22m，煤层的埋深大约在249m，煤矿的抗压强度大约为25Mpa，结构的缝隙发育不显著，但是，完整性比较好。
直接顶以粉砂质泥岩为主，厚度大约在0.69—15.26m，平均厚度大约是在3.5m。
该地的岩石主要是以细砂岩为主，地层主要则是以泥岩为主要结构，厚度为1.27—3.45m平均的厚度大约是在2.01m左右。
浅埋煤层长壁开采的物理相似模拟试验
类 似等特 征来 研究 自然规 律 的一 种方法 。相似模
拟 实验 特 别 适 用 于那 些 难 以用 理 论 分 析 的方 法
构 形成 过程 和结构 形态 的正确认 识 。 ３分析 浅埋 长壁工 作 面矿压 显现 的基 本特征 １
和规律 。 ４老 顶 破 断后 贯 通裂 缝 位 置 的 问题 ， 定顶 ） 确
ＸＩ Ｄａ ｐｉ Ｅ － ｎｇ
（ｉ ａ ｓｕ Ｎ ｒ ｌ ｏ ｅｅ Ｄ ｐ ｒ ｅ ｔｎＲ ｓｕｃ ｎ ｎｎ ；ｉｐ ｎｈ ｉ ５ ０ １ ｈｎ） Ｌｕ ｎｈ ｉ ｏｍａ Ｃ ｌ ｇ， ｅ ａｔ ｎ ｉ ｅｏ ｒｅＡ ｄＭｉｉｇＬｕ ａ ｓｕ ３ ０ ， ｉａ ｐ ｌ ｍ ５ Ｃ
Ｔ ｌ ａ ｏ ｉ ａ ｉ ｕ ａ ｉ ｅ Ｅｘ ｅ ｉ ｅ ｔ ｔｏ ｆＳ ａ ｌ ｗ ｅ ｍ ｉ ｉ ｇ ＳＬｏ ｇ ｌ Ｍ ｉ ｉ ｇ ｌ Ａｎ ｌ ｇ ｃ ｌＳ ｍ ｌ ｔ ｐ ｒｍ ｎ ａ ｉ ｎ ｏ ｈ ｌ ｅ ｖ ｏ Ｓ ａ Ｍ ｎ ｎ ｎ ｗａ ｌ ｎ ｎ
谢 大 平
（ 盘水 师范学 院 资 源与矿业 工程 系 ； 州 六 盘水 ５ ３ ０ ） 六 贵 ５ ０ １
摘 要： 府 东胜 矿 区是 目前 我 国探 明 储 量 最 大 的煤 田 ， 藏 浅 、 覆 厚 松 散 沙层 是 神 东矿 区煤 层 的典 型赋 存 特 征 。 神 埋 上
但 矿 井初 期 开采 实践 表 明， 层埋 藏 浅 却 不 一 定矿 压 显现 缓 和 。 大柳 塔 １０ 煤 以 ２３综采 工 作 面 为原 型 开展 物理 相 似 模 拟 实验 ． 研 究顶 板初 次破 断 的 结 构形 态和 贯 通 裂缝 分 布 规 律 并 对 实验 误 差进 行 分析 。
第２ ２卷பைடு நூலகம்第 ３期
浅埋煤层组合关键层失稳临突变分析
。前 人 的开创 性的研
究对 突变 理 论在 岩体 失稳 中 的应用 奠定 了广 泛 基
作者简介 ： 谢胜华 （９ ７ ） 男， 士研究生 ． １７ ． 硕 从事浅埋煤层 的矿山灾害防治研 究。
矿 山压 力 与项 扳 管 理 Ｚ０ №１ ０２ —７ ６
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有 不 可达性 。
即
（） ３ 具有 滞后性 。 柳塔 １ ０ 大 ２ ３面煤壁 出现 １ｍ
切顶 台阶 时 ， 实测 地表 对应 的 台阶落 差仅 ０ １ ． ｍ， ７
几 ）：
．
ｉ ｎ
即切落 后岩 层在沉 陷运 动 中由于岩 层摩擦 、 破断岩 块 回转 挤压 等 ． 滞 后效应 有 （） ４ 顶板平衡 具有 多态 性 。显 然顶板 在失 稳前
有一 个 最小 势 能位 置 ， 当失稳 发 生后 ， 板跃 到 了 顶
： ｌｍ
础
基金项 目； 国家 自 然科学基盒 资助项 目（ ０ ７０ ３ ５０４２） 收稿 日 ：０ １ ０ Ｏ 期 ２ ０ ｓ ５
（） ２具有 不可达 性 。如顶板 大 面积来压 时人 为 使 顶板 在某个 位态 上保 持平衡是 不可 能的 。 作 面 工 来 压 时支架难 以控制 来 压时工作 面 台阶切落 ， 支柱 损坏 严 重 ． 加 支 护强 度并 不 能改 变 顶板 的位态 ， 增 而只 能使 支架适用 于工 作面顶 板 的变 形 。 因此说 具
１ 松 散层 浅 埋煤 层 覆岩 中若 有两 层 坚硬 岩 层 ， 这 两层 坚硬 岩层 均 为关 键层 ， 则 因为这 两 层关 键层 和其 问所夹 的弱 岩形成 一个整 体 ， 调变 协 形， 同步 破断 ． 属于关键 层 的一种 组合效 应 于是 可 将 这 种主 要 由两 层 关 键层 组 成 的岩 层 组称 作组 合 关键 层 ， 显然地 表厚松 散 层浅埋 煤层组合 关键 层具 有一般 赋存条 件煤层 关键 层所具 有 的岩性特 征 、 变 形 特 征 、 断 特征 和 支承 特 征 ， 组合关 键 层 的厚 破 但 度 要 比关键层 厚度大 得多 ， 伽 浅 埋煤层 长壁 开采 的实践和 理论研 究发现 ， 工 作 面矿 山压力显 现没 有 因煤 层埋 藏浅而 缓和 ， 反 相 却 相 当剧烈 。 主要 特点是 工作 面来压 表现 为煤层 其 上 覆 基岩全 厚度切落 ， 致工作 面顶板 出现 台阶下 导 沉， 支架压 死 这种基 岩全 厚 度切 落和 冒落带 直到 地 表 的覆 岩垮 落运 动方式 与一般 赋 存 条件 煤 层有 很 大差 别 。这 种变形 失稳 有如 下几个 特点 ； （） １ 具有 突发性 这在 郭家 湾煤矿矿 压观 测 中 可 以看到 ， 板管 理 在 短时 期 内大 量下 沉 ， 顶 而且 下 沉速 度非 常 快 ， 成 几 万平 方米 大 面积 垮 落 ， 至 造 直
近浅埋煤层覆岩破坏规律
Value Engineering1关于浅埋煤层覆岩破坏及运动规律的理论研究1.1围岩变形分带理论根据长期实践观测及理论研究，目前较为普遍认知是根据采场围岩的变形和破坏特征，将采空区上覆围岩分为“三带”，即冒落带、裂隙带、弯曲下沉带。
1.2关键层理论1.2.1关键层由于回采过程中，煤层上覆岩层受采动影响发生变形、离层等现象，我们把在岩体变形、离层、位移中起主要作用的岩层称为关键层。
关键层的破坏会很大程度导致上覆岩层产生各种变化，甚至直接垮落。
1.2.2关键层位置的判断第一步强度判断:根据关键层的定义与变形特征，假设第一层为第一关键层，它的控制范围达第n 层，则第n+1层成为第二关键层必然满足：q n+1＜q n （1）式中：q n+1，q n 分别为计算到第n+1层与n 层时，第一层关键层所受载荷。
第二步破断距判断：按照是式（1）的原则，由下往上逐层判别，直至确定出最上一层可能成为关键层的硬岩层位置，设覆岩共有k 层硬岩层满足式（1）要求。
这些硬岩层还必须满足强度条件，即满足下层硬岩层的破断距小于上层硬岩层的破断距，l j ＜l j+1（j=1，2，…，k ）（2）式中：l j 为第j 层的破断距：k 为由式（1）计算确定的硬岩层层数。
若第j 层的硬岩层不满足式（2），则应将第j+1层硬岩层所控制的全部岩层载荷作用到第k 层上，重新计算第k 层硬岩层破断距后再继续判别。
2枣泉煤矿概况及矿压规律研究2.1地形地貌枣泉煤矿位于灵武矿区之内。
矿区位于鄂尔多斯高原西南之一隅，多为低丘台地地貌景观，个别为低山地貌，位于走向呈南北的两山之间，东侧为四耳山，山势南高北低，主峰杨家窑位于南部，标高+1652.1m ，北部标高+1500m 左右。
井田内广布有相对高差为20m 左右的沙丘，由南向北渐低。
南部碱水梁标高+1390m ，北部标高+1330m ；井田内最高点为+1435m 左右，最低点为+1300m 左右（东部边界处）。
煤层关键层理论的程序实现
煤层关键层理论的程序实现钱鸣高院士提出了采场覆岩关键层理论，解决了对煤层覆岩破断起控制作用岩层的判别。
但由于其力学模型理论较为复杂，计算量大，实践中判别出覆岩中关键层较繁琐。
本文以关键层理论为基础，利用Visual Basic语言开发关键层判别程序，为解决上述问题提供参考。
通过输入岩层的力学参数，计算得出硬岩位置及覆岩的破断距，进而判别出覆岩中关键层位置。
本文以某煤矿浅埋煤层为对象，运用关键层判别程序，判别覆岩中关键层和亚关键层的位置，并推断出煤层覆岩破断和垮塌方式。
通过与某煤矿覆岩实际垮落方式对比，本文利用Visual Basic语言开发的关键层判别程序具有一定可行性。
标签：关键层理论Visual Basic 程序0引言由于煤系岩体的分层特性差异，各岩层在岩体活动中的作用是不同的。
较为坚硬的厚岩层在活动中起控制作用，称之为起承载主体与骨架作用。
较为软弱的薄岩层在活动中起加载作用，其自重大部分由坚硬的厚岩层承担，因而，我们把在岩体活动中起主要控制作用的岩层称之为关键层。
如何判别采场覆岩的位置是关键层理论解决的首要问题。
通过编制相应的计算机程序，由计算机实现繁琐计算过程。
1关键层的判定理论根据关键层的定义和变形特征，若有n层岩层同步协调变形，则其最下部岩层为关键层。
大多都是通过各种力学分析得出关键层的位置。
广泛运用的方法是通过以下三个步骤来确定关键层在覆岩中的位置。
第1步，由下往上确定覆岩中的坚硬岩层位置。
假设第1层岩层为坚硬岩层，其上直至第m层岩层与之协调变形，而第m+1层岩层不与之协调变形，则第m+1层岩层是第2层坚硬岩层。
由于第1层至第m层岩层协调变形，则各岩层曲率相同，各岩层形成组合梁，由组合梁原理可导出作用在第1层硬岩层上的载荷为：第2步，计算各硬岩层的破断距。
坚硬岩层破断是弹性基础上板的破断问题，但为了简化计算，硬岩层破断距采用两端固支梁模型计算，则第k层硬岩层破断距Lk可由下式计算：第3步，按以下原则对各硬岩层的破断距进行比较，确定关键层位置：①k层硬岩层若为关键层，其破断距应小于其上部所有硬岩层的破断距，即满足②若第k层硬岩层破断距Lk大于其上方第k+1层硬岩层破断距，则将第k+1层硬岩层承受的载荷加到第k层硬岩层上，重新计算第k层硬岩层的破断距。
浅埋煤层保水开采简述
鸯 斜ｌ 晨 技
２ ９ 第６ ０ 年 期 ０
浅 埋 煤层 保 水 开 采 简述
王悦 平 ， 胡永 凯 ， 晓辉 李
（中国矿业 大学矿业工程学院 ， 江苏 徐 州 ２ １０ ２０ ８）
摘 要 浅埋煤 层多见于我国西部 ， 并且 西部是缺水地 区， 弱的生态系统势必会 绐采矿事业 带来新的挑战 ， 了迎 接这 一挑战， 脆 为 浅埋煤 层保
基岩 比较薄且 关键层 单一 ， 键层 破断后形 成下 降漏 关 斗， 由于基岩较薄重新压实作用不 明显 ， 隔水 带不易形
பைடு நூலகம்
成， 故传统 的开采方案需要进一步 的调整 ， 以满足保水
开 采 的需 要 。
２ ２ 保 水开采 的关键 层理论 ． 关键 层是指对采场上覆岩层局部 或直至地表 的全
埋煤层 ， 特征 可 以概括 为埋 藏浅 、 载 比小 、 其 基 老顶 为
收 稿 日期 ：０９— ６一 ４ ２０ ０ ｏ
部岩层 活动起控 制作用 的岩 层。对于保 水开 采而 言 ，
关键层则是起 主要 隔水 作用 的岩层 ， 它可 以位 于采 区
上方也可 以位 于采 区下 方 ， 区上方 的水体关 键层 位 采
作者简介 ： 王悦 平 （９ ７一） 男 ， １８ ， 内蒙古 包头市人 ， 现就读 于中 国 矿业大学矿业工程学 院采矿工程系 。
成下降漏斗 。随着 工作面 的推进 ， 上覆岩 层 中的裂 隙
被重新压实 、 闭合 形成新 的 隔水 带 阻止地下水 位 的进
一
步下降 。若有 隔水带 ， 则随着雨水的再 次补 给 ， 下降
１ １ 保 水 开 采 ．
漏斗也将随之消失 。而它对地面生态 的影响则 决定 于
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ρ i gh i ∑
i = n +1
∑E h
i
3
i
(
i = n +1
ρ i gh i + q) ∑
i =1
∑E h3
i i
≤1 .
( 11)
地面松散层 ( 风积沙) 愈厚 , 式 ( 11) 分母中的 q 就愈大 , 该式就愈容易满足 . 因此地表厚松散层浅 埋煤层 , 既使覆岩中第 2 层老顶 ( n + 1 层 ) 岩层的强度和厚度比第 1 层老顶大 , 由于地表松散层厚 , 式
M 1 ( x ) / E1 J 1 ≤ M n +1 ( x ) / En +1 J n +1 . ( 6)
将式 ( 4) 和 ( 5) 代入式 ( 6) , 得
n m
M a ( x)
i =1
∑
Ei J i ≤ M b ( x )
i = n +1
∑E J .
i i
( 7)
根据一承受载荷为 q 、长度为 l 的固定梁任意截面的弯矩公式 , a 组合岩梁 ( 1～ n 层) 和 b 组合岩梁 ( n + 1～ m 层) 相应就有
2 关键层上的载荷
关键层破断时的极限跨距 , 不论使用材料力学方法求取 , 还是用弹性地基梁方法求取 , 都需要知道关 键层上的载荷 .
211 一般浅埋煤层
对于一般浅埋煤层 , 由于两层老顶的极限跨距不同 , 其上的载荷应分别求出 . 第 1 层老顶与其上直到 n 层岩层同步协调变形 , 不承受第 2 层老顶 ( n + 1 层) 及其上岩层的任何载 荷 , 第 1 层老顶上的载荷 [1 ] 为
L = 25～50 m
Ⅲ 强烈
013 < k ≤ 3～5 , L > 50 m
k≤ 013 , L = 25～50 m
Ⅳ 极强烈 k≤ 013
L > 50 m
表中 k 为直接顶厚度与采高的比值 ; L 为老顶初次来压步距 . 若以 y1 和 y n + 1 分别表示第 1 层老顶和 第 2 层老顶 ( n + 1 层) 分级级别数的相应值 ( Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ 和Ⅳ 级顶板分别为 1 , 2 , 3 和 4) , 则第 2 层老 顶 ( n + 1 层) 成为主关键层的来压强度判别条件为 ( 15) y n + 1 > y1 .
1 关键层刚度判别条件
设浅埋层上覆岩层如图 1 所示. 上覆 m 层岩层中有 2 层 坚硬的厚岩层即直接顶之上的第 1 层 ( 第 1 层老顶) 和第 n + 1 层 ( 第 2 层老顶 ) 岩层 , 地表有松散层 ( 风积沙 ) , 其载荷 为 q . 图中各岩层的厚度为 hi ( i = 1 , 2 , 3 , …, m ) ; 容重 为ρ i g ( i = 1 , 2 , 3 , …, m ) . 第 1 层老顶所控制的 1～ n 层岩层同步协调变形 , 即各岩 层曲率相同 , 于是有
( 西安矿业学院 采矿系 , 陕西 西安 710054)
摘 要 : 根据浅埋煤层的特点 , 提出了覆岩全厚整体台阶切落的判断公式 , 补充了关键层理论在 浅埋煤层应用中的判定准则 . 分析了不同覆岩岩层关键层的层位 , 指出地表厚松散层浅埋煤层覆 岩中两层坚硬岩层均为关键层 , 为其长壁工作面来压剧烈的原因提供了理论依据 . 关键词 : 关键层 ; 浅埋煤层 ; 厚松散层 ; 采场来压 中图分类号 : TD 31 文献标识码 : A 自关键层理论提出以来 , 短短几年时间 , 就在采场顶板岩层控制 、采场底板突水 、覆岩岩层移动及地 表沉陷等方面得到广泛应用 . 关键层理论的基本观点是 , 当煤层上覆岩层存在多层坚硬岩层时 , 各坚硬岩 层因其特征不同而对其采场顶板岩层运动所起的作用不同 , 把对覆岩全部或局部起决定作用的岩层称为关 键层 , 前者称主关键层 , 后者称亚关键层[1 ] . 我国煤层的开采实践表明 , 浅埋煤层长壁工作面矿山压力显现差别很大 , 有的工作面顶板来压不明显 ( 如灵武矿务局) , 有的工作面来压强度强烈 ( 如神府矿区) . 用关键层理论深入研究浅埋煤层长壁工作面 矿山压力显现的这种差别机理非常重要 .
i
( 3)
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360
煤 炭 学 报 1999 年第 24 卷
第 24 卷第 4 期 1999 年 8 月
煤
炭
学
报
Vol. 24 No. 4 Aug. 1999
JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETY
文章编号 :0253 - 9993 (1999) 04 - 0359 - 05
浅埋煤层关键层研究
侯 忠 杰
q1 ( x )
i
> q1 ( x )
i- 1
( i = 2 , 3 , …, m ) .
212 地表厚松散层浅埋煤层
由于第 2 层老顶 ( n + 1 层) 及其上岩层的载荷均传递到第 1 层老顶 , 因此第 1 层老顶上的载荷为
m m
q1 ( x )
m +1
= E1 h1 (
3
i =1
ρ i gh i + q) ∑
n n
q1 ( x )
n
= E1 h1
3
i =1
ρgh ∑E h3 . ∑
i i i i
i =1
( 12)
第 2 层老顶 ( n + 1 层) 与其上直到 m 层岩层以及地表松散层同步协调变形 , 同理根据式 ( 12) 可得 第 2 层老顶上的载荷为
m m
qn +1 ( x )
m +1
= En +1 h n +13 (
(11) 同样会得以满足 . 满足式 ( 11) , 就意味着第 2 层老顶 ( n + 1 层 ) 及其以上的岩层直到地表松散层
的自重载荷必然作用到第 1 层老顶 , 整个上覆岩层协调变形 . 这就是厚松散层 ( 风积沙) 浅埋煤层长壁开 采工作面来压时覆岩常常出现全厚 ( 自煤层直到地表) 整体运动的根本原因 , 也是这种浅埋煤层工作面来 压强度不是减弱而是增强的根源所在 . 地表松散层薄的一般浅埋煤层 , 由于松散层自重 q 小或缺失 , 则覆岩条件不满足式 ( 11) , 因而第 2 层老顶 ( n + 1 层) 的下沉变形曲率小于其下部岩层组的变形曲率 , 这种不协调变形导致第 1 层老顶岩层 组与第 2 层老顶产生离层 , 离层运动又使两层老顶岩层组发生不同步破断 . 因此 , 一般浅埋煤层长壁工作 面来压时 , 一般不会再发生覆岩全厚整体同步切落 . 这时 , 主关键层有可能是第 2 层老顶 ( n + 1 层) , 但 这还需要满足关键层的其它判别条件 .
i = n +1
ρ i gh i + q) ∑
i = n +1
∑E h 3 ,
i i
( 13)
式中 , m + 1 层为地表松散层 . 由于第 2 层老顶 ( n + 1 层) 及其上岩层载荷不再需要第 1 层老顶来承担 , 所以必然有
q1 ( x )
n +1
< q1 ( x )
n.
上覆岩层中若仅有一层老顶时 , 必然有
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第 4 期 侯忠杰 : 浅埋煤层关键层研究
361
据此 , 浅埋煤层可分为地面厚松散层 ( 风积沙) 浅埋煤层和一般浅埋煤层 .
表1 我国缓倾斜工作面老顶分级指标
Table 1 Classification indexes of main roof at the face of gently inclined seam
项 目 老顶来压显现 指标 老 顶 分 级 Ⅰ 不明显
k > 3～5
Ⅱ 明显
013 < k ≤ 3～5
i = n +1
∑E J
i
i
,
( 5)
式中 , M i ( i = 1 , 2 , …, n 或 n + 1 , n + 2 , …, m ) 为第 i 层岩层的弯矩 ; M a 和 M b 分别为第 1～ n 层 和第 n + 1～ m 层岩层所形成的 a 和 b 组合岩梁弯矩 ; Ei ( i = 1 , 2 , … , n 或 n + 1 , n + 2 , …, m ) 为第 i 层岩层的弹性模量 ; J i ( i = 1 , 2 , …, n 或 n + 1 , n + 2 , …, m ) 为第 i 层岩层的断面矩 . 对于地表有很厚松散层 ( 风积沙) 的浅埋煤层 , 由于地表松散层自重 q 很大 , 就会使第 2 层老顶 ( n + 1 层) 变形曲率等于或大于第 1 层老顶的变形曲率 , 于是有
将式 ( 2) 代入式 ( 3) , 得
M a ( x ) = M1 ( x ) [ 1 + ( E2 J 2 + E3 J 3 + … + En J n ) / E1 J 1 ] ,
n
( 4)
则
M 1 ( x ) = E1 J 1 M a ( x ) / ( E1 J 1 + E2 J 2 + … + En J n) = E1 J 1 M a ( x )
i =1