浅埋薄基岩综采面覆岩破断机理及与支架关系研究.pdf

分类号分类号 学校代码学校代码 UDCUDC 密密 级级 硕 士 学 位 论 文硕 士 学 位 论 文 浅埋薄基岩综采面覆岩破断机理浅埋薄基岩综采面覆岩破断机理 及与支架关系研究及与支架关系研究 Research on the Overlying Strata Breakage Mechanism and the Relationship between Supports and Surrounding Strata in Shallow-buried and Thin Bedrock Working Face 研研 究究 生生 李正杰李正杰 导导 师师 于海湧于海湧 教教 授授 学科专业学科专业 采矿工程采矿工程 研究方向研究方向 矿山压力与岩层控制矿山压力与岩层控制 培养单位培养单位 煤科总院开采设计研究分院煤科总院开采设计研究分院 煤炭科学研究总院 2014 年 5 月 煤炭科学研究总院硕士学位论文 I 摘摘 要要 近年来，浅埋薄基岩综采工作面开采强度呈递增趋势，设备选型时支架额 定工作阻力也随之加大，但工作面压架事故仍频繁发生，造成较大经济损失， 同时威胁工作面安全生产，其主要原因还是对浅埋煤层工作面上覆岩层断裂、 垮落的运动规律认识不清，对浅埋煤层支架与围岩关系了解不深。本论文以鄂 尔多斯、榆林等地区浅埋薄基岩煤层开采为背景，深入研究了浅埋薄基岩综采 工作面顶板来压特征，采用现场实测、数值模拟和理论分析等综合性研究方法 对浅埋薄基岩顶板破断形式、临界切落条件、切落体结构失稳、支架支护阻力 以及支架与切落体相互作用关系等进行了全面研究。得到以下几点认识 （1）浅埋深综采工作面矿压显现最明显的基本特征是工作面来压剧烈，超 前压力不明显，顺槽无变形；覆岩破断后不能形成结构；工作面上覆岩层常处 于剪切断裂形成的切落体，而不是常规的拉伸断裂形成的块体结构。 （2）浅埋煤层工作面上覆岩层短悬梁发生剪切破断的理论条件为 [𝜎 𝑢] ≥ 4[𝜏]21−2ξtan𝜑 3𝑖𝛾0 𝐽𝑧γ1−𝜉tan𝜑 2，其规律是周期来压步距短、动载系数大、地表有台阶 下沉。 （3）将切落体结构划分为超前切落体、垂直切落体和滞后切落体，切落体 失稳形式为滑落失稳，最重要的影响因素是水平挤压力比例因子𝜉、切落角𝛼和 切落面摩擦系数𝑡𝑏𝑜⁡𝜑。 （4） 顶板垂直切落是浅埋煤层工作面最危险的状态，最易导致支架被压 死；在垂直切落状态下，浅埋综采面支架的最小合理工作阻力是𝑄支 𝛾 0𝑖0𝛾𝑖𝑀𝛾1𝑖1𝑀控−2𝜉𝑀𝛾0𝑖0𝛾𝑖tan𝜑 𝜃 ， 这也是最危险状态下支架工作阻力的理论值。 （5）提高支护阻力对防止覆岩离层和沿煤壁切落效果显著，支护强度与顶 板下沉量不再是（类）双曲线关系，而是分成两个阶段；切落体对支架的力学 影响宏观表现在支架关键部位产生应力集中，应力集中范围和大小与所受载荷 成正相关关系， 垂直切落时支架受力比其他切落形式要大， 容易造成压架事故。 关键词浅埋薄基岩；剪切破断；切落体；支架与切落体相互作用关系 煤炭科学研究总院硕士学位论文 II Abstract In recent years, mining intensity of the shallow-buried and thin bedrock fully mechanized working face appears increasing trend, and working resistance of supports in the selection of equipment has been increased, but supports crushing accident still occurs frequently, which cause serious economic losses and threaten production safety of working face. The reason is that there is no correct understanding to rules of roof movement characteristics and less literature of the systematic study about the relationship between supports and surrounding rock. Taking the shallow-buried and thin bedrock coal seam in Ordos and Yulin area as the background, Papers further study the roof weighting characteristics in shallow-buried and thin bedrock fully mechanized working face. Roof breakage , the critical shearing breakage conditions, shear failure structure instability, supports resistance as well as the relationship between supports and shear failure structure are studied comprehensively by using the s of field measurement, numerical simulation and theoretical analysis. Paper gets the following main research conclusions 1 Essential features of strata pressure in shallow-buried and thin bedrock fully mechanized working face are that periodic weighting is very fierce, but the front abutment is not obvious, and deation of the roadway is stable; After roof breakage, it cannot structure; And the above strata often s a shearing failure structure because of shear breakage, but not conventional block structures because of tension failure. 2 Theory conditions of short cantilever beam’s shear fracture in shallow-buried coal seam is⁡[𝜎𝑢] ≥ 4[𝜏]21−2ξtan𝜑 3𝑖𝛾0 𝐽𝑧γ1−𝜉 tan𝜑 2. The laws are that periodic interval is short, but dynamic load coefficient is large, and the earths surface has clearly sidestepped subsidence. 3 Propose shear failure structure, and divide it into advanced shear failure structure, lag shear failure structure and vertical shear failure structure. Shear failure 煤炭科学研究总院硕士学位论文 III structure is sliding instability, and the most important influence factors are scaling factor𝜉, shearing angle 𝛼 and the shearing surface friction coefficient 𝑡𝑏𝑜⁡𝜑. 4 The vertical shear failure is the most dangerous state, and easily lead to supports crushing; In vertical shear failure state, the minimum reasonable support working resistance is 𝑄𝑨𝑖𝑗 𝛾 0𝑖0𝛾𝑖𝑀𝛾1𝑖1𝑀𝑘−2𝜉𝑀𝛾0𝑖0𝛾𝑖tan𝜑 𝜃 , which is supports working resistance theoretical value in the most dangerous state. 5 The effect of improving supports working resistance to prevent roof separation and shear failure along coal wall is remarkable. Support strength and roof subsidence is no longer for the hyperbolic or similar hyperbolic relationship, but divided into two stages. The macro mechanics influence on supports is mainly perance in that critical components have obvious stress concentration. Stress concentration range and value size have positively correlation with the load. For vertical shear failure, the support stress is higher than other s of shear failure, and it is easy to cause supports crushing accident. Keywords shallow-buried and thin bedrock; shear breakage; shear failure structure; the relationship between supports and shear failure structure. 煤炭科学研究总院硕士学位论文 I 目目 录录 1 绪论 ........................................................ 1 1.1 研究背景及问题的提出 ................................... 1 1.1.1 研究背景 ......................................... 1 1.1.2 问题的提出 ....................................... 3 1.2 文献综述 ............................................... 4 1.2.1 浅埋煤层覆岩结构理论与采场矿压显现特征 ........... 4 1.2.2 浅埋煤层支架与围岩关系及采场支护阻力确定 ........ 10 1.2.3 浅埋薄基岩煤层开采亟需解决的问题 ................ 15 1.3 主要研究内容和研究方法 ................................ 16 1.3.1 主要研究内容 .................................... 16 1.3.2 主要研究方法 .................................... 16 2 浅埋薄基岩综采面地质特征及来压特征分析 ..................... 18 2.1 浅埋煤层地质特征及开采参数统计 ........................ 18 2.1.1 鄂尔多斯地区浅埋煤层开采条件分析 ................ 18 2.1.2 煤岩层物理力学参数 .............................. 20 2.2 浅埋薄基岩综采工作面顶板来压特征实测分析 .............. 21 2.2.1 凯达煤矿 3603 上综采工作面矿压显现规律分析 ........ 21 2.2.2 石圪台煤矿 31201 综采面矿压显现规律分析 .......... 35 2.2.3 其他浅埋综采工作面来压特征统计分析 .............. 44 2.2.4 浅埋煤层顶板切落原因分析 ........................ 47 2.3 浅埋薄基岩综采面典型矿压规律分析 ...................... 48 2.4 本章小结 .............................................. 49 3 浅埋薄基岩煤层覆岩破断形式分析 ............................. 50 3.1 浅埋煤层覆岩破断规律的数值模拟研究 .................... 50 3.1.1 数值模型的建立 .................................. 50 3.1.2 数值模拟结果分析 ................................ 52 3.2 覆岩结构破断的力学分析 ................................ 57 3.2.1 短悬梁结构的力学分析 ............................ 57 3.2.2 浅埋薄基岩煤层顶板发生剪切破坏的临界条件 ........ 60 煤炭科学研究总院硕士学位论文 II 3.3 本章小结 .............................................. 61 4 切落体结构失稳理论分析 ..................................... 62 4.1 切落体结构形成机理与分类 .............................. 62 4.1.1 切落体结构的提出 ................................ 62 4.1.2 切落体结构分类 .................................. 63 4.2 切落体切落步距的确定 .................................. 64 4.2.1 组合岩层抗剪强度确定 ............................ 64 4.2.2 切落体切落步距确定 .............................. 66 4.3 切落体力学模型建立及结构失稳分析 ...................... 67 4.3.1 力学模型地建立及结构失稳分析 .................... 67 4.3.2 不同切落形式下支护阻力分析 ...................... 70 4.4 关于比例因子的分析 .................................... 71 4.5 切落体结构失稳的实例分析 .............................. 72 4.6 本章小结 .............................................. 73 5 浅埋薄基岩综采支架与切落体相互作用关系 ..................... 74 5.1 切落体与支架相互作用关系模型分析 ...................... 74 5.2 支架支护阻力对切落体形成的数值模拟分析 ................ 75 5.3 切落体对支架受力分布特征的数值模拟分析 ................ 79 5.3.1 垂直切落体对支架受力的影响 ...................... 81 5.3.2 超前切落体对支架受力的影响 ...................... 84 5.3.3 滞后切落体对支架受力的影响 ...................... 87 5.3.4 模拟结果分析 .................................... 89 5.4 本章小结 .............................................. 93 6 主要结论及展望 ............................................. 94 6.1 主要结论 .............................................. 94 6.2 展望 .................................................. 95 参考文献 ..................................................... 96 致 谢 ...................................................... 103 煤炭科学研究总院硕士学位论文 1 1 1 绪论绪论 1.11.1 研究背景及研究背景及问题问题的提出的提出 1.1.11.1.1 研究研究背景背景 鄂尔多斯地区含有东胜、准格尔和桌子山三大煤田，是我国目前已探明的最大煤 田，面积 12860 km2，已探明煤炭储量达 1496 亿 t，2012 年全市共有 223 座煤矿，生 产能力达到 5.96 亿 t，占全国煤炭总产量的六分之一，是我国目前最大的市级煤炭基 地。在该地区除桌子山个别煤层属于急倾斜煤层外，其余煤层赋存均属于浅埋深开采 条件。其主要特征是 （1）埋藏浅。在煤田内无论是侏罗纪煤层还是石炭纪煤层，煤层埋藏深度均不 超过 200m； （2）基岩薄。大部分煤层上的基岩厚度较薄，一般为 30m80m，有的煤层顶板 岩石只有十几米； （3）厚风积沙。在煤层基岩上部大多数为第四系风积沙和黄土所覆盖，处于无 胶结状态； （4）赋存稳定。煤层断层少、结构简单、多属于低瓦斯。 目前，鄂尔多斯地区经过 5 年的技术改造和提升，井工煤矿实现了 100综合机 械化生产，神东上湾、补连塔、大柳塔、伊泰酸刺沟和蒙泰不连沟工作面单产均超过 了千万吨，使我国的煤炭工业生产真正走到了世界前列。 然而， 在这种简单的地质条件下， 综采工作面从上个世纪 90 年代初期大柳塔 1203 首采工作面的 60 多架 3500kN 液压支架在来压时被压毁后， 在该区域的综采工作面支 架时有被压死现象发生。2009 年，伊泰凯达矿 1601 下综采工作面顶板切落致使 40102支架全部被压死， 支架工作阻力为 6800kN， 如图 1-1 所示； 大地精煤矿 1303 工作面初次来压时顶板切落，造成 5984液压支架被压死，如图 1-2 所示。 煤炭科学研究总院硕士学位论文 2 图 1-1 凯达煤矿1601 下工作面状况 图 1-2 大地精煤矿1303工作面压死状况 回采工作面支架频繁地被压死现象， 促使人们不断地寻求高阻力支架， 在近几年， 浅埋煤层工作面的支架额定工作阻力呈现不断提高趋势，从当初最大 2800kN 的支架 工作阻力，发展到现在最小的支架工作阻力也要达到 6800kN，最大的甚至达到 21000kN/架。选择支架的基本原则变成了宁大勿小、盲目追求高阻力、高强度、大功 率支架的极端状态。例如，伊金霍洛旗油房渠煤矿，在开采下层 5 号煤层时，工作面 平均煤厚 2.0m，埋深只有 70m80m，选用工作阻力达到 12000kN 的支架，如图 1-3 所示。东胜区后阴塔矿 42105 综采工作面，采高 2.8m，平均埋深 80m，选用了 10000 kN 支架，在实际中是典型的“大马拉小车”状态，如图 1-4 所示。超大支架的选择， 不仅大大浪费支架的有效使用率，浪费大量资金投入和配套工程，而且高底座、厚顶 梁使得本不宽裕的开采空间变的更加窄小， 行人困难， 工人无躲避空间， 切割的煤块， 极易飞起伤人，留下安全隐患。 图 1-3 油房渠工作面低采高、大支架 图 1-4 后阴塔矿工作面支架 煤炭科学研究总院硕士学位论文 3 1.1.2 1.1.2 问问题题的的提出提出 造成压架事故以及支架阻力选择日趋增大的主要原因是对浅埋薄基岩采场覆岩 运移破断规律缺少深入研究，对浅埋薄基岩综采支架与围岩关系认识不清。 目前对于浅埋薄基岩工作面支架工作阻力的确定仍以 48 倍采高为依据，这种在 埋深较大条件下得出的经验公式已不适应浅埋条件下支架阻力的确定，浅埋薄基岩煤 层顶板独特的破断特征使得工作面具有特殊的矿压显现规律煤层顶板沿全厚切落， 地表出现明显台阶下沉，工作面形成强烈的矿压显现，来压具有动载性，支架易被压 死，而在顺槽压力显现缓和、变形小。 近年来，浅埋煤层采场覆岩运动规律得到深入研究，建立诸如短砌体梁、台阶岩 梁、承压砌块、弧形拱等覆岩结构模型来解释浅埋煤层覆岩运动破坏规律，得出大量 具有借鉴和指导意义的结论，但对于浅埋煤层研究整体上仍存在以下三个方面的不足 （1）浅埋深综采工作面上覆岩层破断形式。在常规开采条件下，长期以来，上 覆岩层的断裂都是拉应力断裂假说，即随着工作面推进，上覆岩层岩梁在拉应力作用 下发生周期性断裂。 然而， 对于浅埋深工作面， 上覆岩层断裂破坏一次性波及到地表， 实践表明岩层是由剪切应力为主导的断裂形式，但在什么具体条件下，上覆岩层才会 发生剪切破坏还需研究； （2）剪切块体结构平衡失稳条件。实践表明，与原岩体分离的剪切块体并非全 部重量都作用于工作面支架上，说明剪切的块体是形成的暂时平衡体，但这种平衡体 是否形成了结构以及如何传递载荷的尚需进一步研究； （3）浅埋煤层工作面支架与围岩关系问题。通过长期开采实践得出的支架与围 岩关系理论在浅埋薄基岩条件下并不完全适用，支架载荷𝑄与顶板最终下沉量∆𝑀关系 不再完全满足双曲线特征。目前，对浅埋薄基岩综采工作面支架与围岩关系进行系统 性研究的文献并不多，且多数是结合个别矿井条件进行单独研究，所得结论具有局限 性，究竟浅埋煤层支架与围岩关系如何还需要深入研究。 本论文在与鄂尔多斯煤炭局合作项目鄂尔多斯地方煤矿顶板隐患排查的基 础上，结合天地科技股份有限公司采矿所近几年在陕西、内蒙、山西等地区有关浅埋 煤层的横向科研项目，主要以浅埋深、薄基岩、厚风积沙综采工作面为研究对象，分 别研究了浅埋煤层覆岩破断规律、综采面矿压显现特征、支架与围岩关系以及合理支 煤炭科学研究总院硕士学位论文 4 架工作阻力确定等内容。研究将丰富和完善浅埋煤层矿山压力及围岩控制理论，并对 生产实践具有指导意义。 1.1.2 2 文献综述文献综述 1.2.1 1.2.1 浅埋煤层覆岩浅埋煤层覆岩结构理论结构理论与采场矿压显现特征与采场矿压显现特征 国外对浅埋煤层开采研究较早， 开采浅埋煤田的主要国家有前苏联、 美国、 印度、 澳大利亚、英国等，矿区煤层埋深基本都在 100m 以内，地表主要是松散沙土层。 新南威尔安谷斯坡来斯煤矿李寺古煤层长壁工作面采高为 2.6m，煤层赋存平缓， 初期开采深度约为 72m，工作面长 135m，上世纪 80 年代初，澳大利亚 B.霍勃尔瓦依 特博士等对该矿进行了矿压实测，所得主要结论为[1] （1）顶板破断是从煤层到地表产生“瓶塞”状切落，而不是呈桥拱铰接； （2）工作面前方顶底板移近量不大，地表下沉量最大处位于距工作面 40m 范围 的采空区内，煤壁附近顶板岩层发生整体移动； （3）工作面支架有动载现象，安全阀经常开启，生产期间支架后柱载荷一般大 于前柱等。 澳大利亚 L.Holla 等为研究新南威尔士浅埋煤层长壁开采工作面的顶板岩层移动 特征 [2]，通过自地表到煤层安装多层位钻孔锚固装置，实测得出顶板垮落高度为采高 的 9 倍，顶板岩层在工作面后方快速移动等结论。 前苏联 B.B 布德雷克对莫斯科近郊煤田矿压特征进行实测，得出[3] （1）在埋深浅厚粘土层条件下，放顶时支架以及约 12的采区煤柱出现动载现 象； （2）与一般埋深条件下采场顶板岩层逐次垮落失稳、形成缓和来压相比，浅埋 煤层顶板来压迅猛。 此外，英国、美国、印度和南美有些国家等多采用房柱式开采浅埋煤层，为控制 地表塌陷， 主要进行了采前地层地震波探测与工程地质评价、 地表岩层移动沉陷预计、 煤柱载荷确定等研究工作[410]。 国外从浅埋煤层开采实践中认识到浅部开采顶板岩层破断直接影响到地表，地 表下沉速度快，工作面来压强烈且伴随有明显动载现象。 煤炭科学研究总院硕士学位论文 5 我国从上世纪 80 年代初期开始对神府-东胜浅埋煤田进行开发，但没有对浅埋煤 层采场的矿压问题做系统研究[11]。 90 年代， 通过引进国外先进的开采设备及辅助运输 设备，采用长壁开采方法大规模开采神府东胜煤田，浅埋煤层矿压显现剧烈问题逐 步暴露出来。 （一）初始研究阶段 西安矿业学院矿山压力研究所早期对大柳塔煤矿 C202 综采面进行了矿压实测。 煤层埋深 65 m，基岩厚度 32 m，近水平，采用金属摩擦支柱支护。实测表明，顺槽 超前段矿压显现缓和，工作面周期来压强烈，支柱动载系数大，台阶下沉明显[12]。此 次观测使现场和科研部门认识到，埋藏浅并不等于矿压缓和，需要对浅埋煤层问题进 行专门研究。 西安矿业学院于 1993 年对大柳塔煤矿 1203 工作面进行实测并采用有限元数值模 拟软件对厚松散层浅埋煤层开采进行模拟分析， 通过实测和模拟研究得出以下结论[13] （1） 初次来压时工作面中部约有91m范围顶板切落， 台阶下沉量最大超过1.0m； 周期来压步距 12m，来压迅猛，部分支架油缸压鼓。 （2）浅埋薄基岩松散层顶板不能形成稳定的砌体梁结构，基岩破断或沿全厚切 落是由剪应力造成的； （3）支护强度是基岩破坏及台阶下沉的重要影响因素等。 此后，西安矿业学院分别对 20601 和 20604 高产高效综采工作面进行矿压规律实 测研究[14]，得出的结论为 （1）顶板基岩厚度与载荷层的比例关系对于顶板结构的稳定性有重要影响； （2）较高的初撑力和工作阻力能够维持顶板稳定和控制台阶下沉； （3）初次来压顶板具有明显的板破断特征，板的“OX”形破断及两端的弧三角 形决定来压必然是中部大两端小，顶板结构在运动过程中可以达到相对稳定；周期来 压瞬间荷载表现为中部载荷大，两端载荷小，同样表明顶板破断仍然具有弧形破断和 弧三角形悬板特征； （4）存在大、小周期来压现象，工作面支架阻力低时来压具有动载性，安全阀 开启频繁，存在顶板沿煤壁切落和台阶下沉现象； （5）通过顶板结构分析，揭示了快速推进状态下周期来压步距增大而压力减缓 的机理，快速推进有利于顶板管理和实现高产高效。 煤炭科学研究总院硕士学位论文 6 赵宏珠对印度 PV 煤矿浅部煤层长壁开采矿压规律实测表明[1519] （1）在基岩厚、表土层薄的条件下，顶板来压表现缓和； （2）工作面覆岩不是都破断至地表，其在采动过程中能够形成自身平衡“大结 构” ，影响支护阻力的岩层仅为覆岩厚度的一半。 石平五、侯忠杰通过对神府浅埋煤层破断规律的大量现场观测和实验室相似模拟 实验研究[20]，得出如下几点认识和结论 （1）浅埋薄基岩厚沙覆盖层下，顶板呈整体下沉而不发生离层运动，破断形式 为剪切破断，表现为整体台阶切落；地表塌陷呈不连续台阶状，基岩破断呈椭圆形发 展； （2）液压支架初撑力和采空区充填状况是控制顶板破断及破断后运动的要点； （3）支架承载力小于整个覆岩重量，地表台阶沉陷量小于工作面台阶切落量， 岩层切落后运动存在阻滞过程； （4）当基岩厚度与采高之比小于 910 或工作面推进速度较快时，顶板破断形式 为整体台阶切落，如图 1-5 所示。 a高速推进 b低速推进 图 1-5 不同推进速度下顶板切落素描图 此外，侯忠杰对厚粘土层地表、浅埋煤层进行了实验模拟研究，模拟对象为南梁 煤矿，开采 2-2 煤层，地表粘土层厚度达 10m～80m，模拟所得结论为[21,22] （1）工作面在一定推进长度内，矿山压力显现与一般赋存条件煤层相似； （2）开采覆盖层较薄区域，贯通裂隙周期性出现，采用间歇开采方法，支架工 作阻力正常，工作面没有出现台阶下沉，实现了安全回采，说明模拟实验结果正确可 信。 西安科技大学张杰以南梁煤矿为背景，对厚土层浅埋煤层覆岩运动破坏规律进行 现场实测和实验研究，结果表明[22]煤层埋藏浅，覆岩力学强度小，但工作面初次来 压步距大，来压强烈，台阶下沉量大；据此提出了加强支护防止顶板大面积垮落，为 煤炭科学研究总院硕士学位论文 7 厚黏土层浅埋煤层单体长壁工作面正常开采提供了可靠的理论依据。 在浅埋煤层覆岩结构的初始研究阶段，主要通过工作面矿压显现特征、顶板破断 外部形态、地表移动特征等进行表观描述和简单推理，总结概况出了浅埋煤层来压的 典型特征，为后续深入研究浅埋煤层覆岩运动破坏规律和采场支护理论等奠定基础。 （二）结构假设及机理探讨阶段 在顶板破断机理及其控制的探讨与认识方面，侯忠杰分别以两端固支梁及受矸石 支撑的悬臂梁建立初次来压和周期来压力学模型[2325]，如图 1-6 所示，分析认为厚风 积沙薄基岩工作面沿煤壁台阶切落是剪切冒落的结果，老顶破断以拉伸裂隙为先导， 使直接顶发生剪切破坏，工作面切落或台阶下沉取决于支护强度和拉伸裂隙延伸长度。 根据基岩残留抗剪厚度和支架共同平衡破断岩块反算其上覆松散层重量，给出了不发 生台阶下沉的支护强度计算公式，提出周期来压期间提高支护阻力可以防止顶板沿架 前切落。 （a）初次来压 （b）周期来压 图 1-6 浅埋煤层初次来压和周期来压覆岩破断力学模型 黄庆享通过研究浅埋煤层开采顶板破断规律发现，老顶关键层初次破断具有不对 称性，靠工作面侧的岩块长度要大，由此建立初次来压的“非对称三铰拱”结构和老 顶触矸后的单斜岩块结构，如图 1-7 所示；老顶周期性破断，形成岩块块度接近于 1 或大于 1 的铰接岩梁结构 “短砌体梁” 结构， 当老顶在架后切落时， 称为老顶 “台 阶岩梁”结构，如图 1-8 所示，由此建立周期来压的“短砌体梁”结构模型。 “短砌体 梁”结构和“台阶岩梁”结构出现滑落失稳是工作面周期来压强烈和出现台阶下沉的 根本原因，提出了支架的“给定失稳载荷”工作状态和载荷传递因子，按支架和围岩 共同承载的观点推导出采场支护阻力的确定公式[14,2631]。 煤炭科学研究总院硕士学位论文 8 图 1-7 老顶初次来压的“非对称三铰拱”结构力学模型 a b 图 1-8 老顶周期来压的“台阶岩梁”结构模型 侯忠杰基于砌体梁结构岩块平衡的几何条件，对前文建立的“短砌体梁”结构和 “台阶岩梁”结构进行讨论，认为[32] （1）浅埋煤层顶板不满足“砌体梁结构断裂岩块长度起码大于层厚 2 倍”的平 衡先决条件，不能形成砌体梁结构，而“短砌体梁”是“断裂岩块厚度与长度之比接 近 1”的砌体梁结构，所以， “短砌体梁”概念与砌体梁理论相矛盾； （2） “台阶岩梁”结构是一个“岩块完全落在垮落岩石上” ，另一“岩块随工作 面推进回转”受前者支撑的结构，由于失稳触矸的岩块不再是一个梁结构，岩块间的 支撑条件与砌体梁结构的铰接作用完全不同， 因此不能利用砌体梁结构相关公式，“台 阶岩梁”结构是不存在的。 李凤仪针对浅埋煤层开采问题，构建了关键层破断后基岩断裂体“承压砌块”模 型[33]，如图 1-9 所示，研究认为覆岩不能形成相对稳定的“砌体梁”式结构，并给出 了工作面支架合理工作阻力的确定方法，提出了强支架、短砌块的工作面顶板安全控 制原理。 图 1-9 “承压砌块”模型图 煤炭科学研究总院硕士学位论文 9 侯忠杰根据老顶初次断裂拱式平衡和周期断裂砌体梁平衡条件，考虑岩块间铰点 挤压接触面的实际高度，理论分析得出老顶分层厚度大于其下自由空间高度 1.5 倍时 该分层进入断裂带，在理论上解决了断裂带老顶层位问题；此外，认为几何尺寸影响 组合关键层的滑落失稳，证明了浅埋煤层组合关键层在周期来压时覆岩沿全厚切落的 必然性[34]。 由浅埋煤层开采所表现出的特殊覆岩运动破断规律和工作面矿压显现特征而建 立的各种力学模型，为探讨浅埋煤层覆岩运动破断机理和进行采场围岩控制提供前提， 从模型出发可推导出支架工作阻力的确定公式以及围岩破断失稳的理论条件，为工作 面支架选型和安全生产提供依据。但上述覆岩形成的梁、块等结构运动破断机理探讨 均以弯拉破坏为主导，或先拉后剪、以拉为主，缺少以剪切破坏为主导的新型覆岩结 构理论。 （三）新观点的提出与新的研究 任艳芳利用数值模拟及现场观测手段，研究了浅埋长壁工作面围岩应力场特征 [35,36]，认为上覆岩层中可形成承压拱结构，并提出将承压拱结构能否稳定存在作为判 别某一煤层是否为浅埋煤层的方法。同时分析采高和工作面长度对承压拱结构稳定性 的影响程度,认为采高对承压拱结构的临界高度及结构稳定性影响十分显著，当采高 达到一定值后，覆岩不能形成稳定的承压拱结构；工作面长度对承压拱结构的稳定性 影响很大，但当工作面达到一定临界长度时，再加长工作面对覆岩结构稳定性影响程 度降低。 刘江针对浅埋深煤层实际开采条件，以围岩应力场分布特征及覆岩结构与围岩空 间应力场大结构相互关系为研究对象，利用现场矿压观测、微震监测、数值模拟、理 论分析、实验室相似模拟和力学解析相结合的综合研究方法，对覆岩运动规律、围岩 结构形式、结构失稳特征、结构承载能力进行了研究[36,37,38]，得