石窑店煤矿浅埋煤层初采期顶板致灾机理及控制研究.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 石窑店煤矿浅埋煤层初采期石窑店煤矿浅埋煤层初采期 顶板致灾机理及控制研究顶板致灾机理及控制研究 Study on the ation Mechanism of Shallow Seams Roof Disaster and Control During Preliminary Extraction in Shiyaodian Mine 研研 究究 生生 张张 亮亮 导导 师师 王恩鹏王恩鹏 研究员研究员 解兴智解兴智 副研究员副研究员 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 4 月 煤炭科学研究总院硕士学位论文 I 摘摘 要要 近几年随着神府矿区采深的加大，开采埋深为 60m150m 的厚基岩型浅埋煤层矿 井逐渐增多，随之出现许多新的问题，比如部分厚基岩浅埋煤层初采期顶板大面积悬 顶、基本顶初次来压期间矿压显现异常剧烈。由于针对浅埋厚基岩顶板致灾原因的研 究较少，缺乏此类顶板控制的理论依据，导致顶板处理后仍不能杜绝灾害的发生，因 此该问题需要进一步研究。 本论文以石窑店煤矿所采的 5-2煤为研究对象， 在实验室实验和矿压实测数据分析 的基础上，采用理论计算和数值模拟相结合的方法对厚基岩浅埋煤层初采期顶板破断 与垮落规律进行分析，并研究了其致灾机理，在此基础上对初采期顶板控制技术进行 研究，确定强制放顶为最佳控制办法，并通过数值模拟和理论计算对强制放顶的关键 参数和方案（如强制放顶层位和高度、合理炮孔间距及掏槽孔布置）等进行了全面研 究，经 215206 工作面现场实践证明，由该方法确定的爆破方案工程量小且效果显著。 主要研究成果如下 （1） 5-2煤层顶板弹性模量大， 单轴抗拉强度高， 顶板砂岩层厚度大裂隙不发育， 整体性强，直接顶初次垮落步距约为 35m，这是初采期间顶板大面积悬顶并容易引发 飓风的主要原因；12.2m 厚的上位基本顶与 6.6m 厚的下位基本顶复合破断，初次来压 步距为 55m，基本顶断裂后形成三铰拱结构，由于铰接岩块高长比大，抗滑落失稳能 力弱，当回采到梁前端断裂线处即发生滑落失稳，导致工作面出现台阶下沉，这是初 采期矿压显现剧烈的原因。若在切眼处采取强制放顶，当顶板处理层位达到下位基本 顶时，可以改变下位基本顶岩层结构，使之提前垮落并充填满采空区，从而可以使上 位基本顶只发生断裂，而不发生失稳垮落，能够有效减小来压强度，同时也能消除大 面积悬顶垮落形成飓风的条件。 （2）初次来压步距与放顶高度的关系为存在一个合理放顶高度区间，在此区间 内来压步距随着放顶高度增加而线性减小，当超过该区间时基本顶初次来压步距增大 并维持为一个定值，并由此确定 215206 工作面强放高度为 7m。 （3） 根据爆破漏斗理论， 分析了延长药包在单自由面和双自由面不同情况下发生 煤炭科学研究总院硕士学位论文 II 减弱抛掷爆破时最小抵抗线与装药直径、密度的关系，并根据最小抵抗线确定掏槽炮 孔和其余炮孔的布置方案和参数。 关键词浅埋厚基岩；致灾机理；顶板控制；强制放顶；初次来压步距；爆破参 数 煤炭科学研究总院硕士学位论文 III Abstract In recent years, the number of mines increases gradually in Shenfu mining area exploiting shallow seams with thick bed rock. This phenomenon is accompanied by new problems that large area roof don’t fall and the grade of ground pressure is severe in initial mining stage. Because the research on roof disaster of shallow seams with thick bed rock is little , roof control is lack of theoretical guidance, the problem needs further research. This paper analyzes the law of roof failure and movement, studies on the reason of roof disaster based on on-site survey and pressure observation, by means of theoretical calculation and numerical simulation, under the engineering background of Shiyaodian mine. Further, the paper conducts a comprehensive research on key blasting parameter and scheme, such as overhead caving height, reasonable blast hole space and the layout of cutting hole. The research result proved to be correct in 215206 coal face. 1 The roof of Shiyaodian 5-2 coal seam has characteristics of high elastic modulus, high uniaxial tension strength, little fracture, high integral strength. The distance of first caving of the immediate roof is 32 meters, which is the main reason of large unsupported hanging roof .The lower main roof caves at same time with upper main roof , the step distance is 55 meters. Main roof can’t stable structure after fist caving, then sliding instability happens, which evokes stair descending in coal face and severe grade of ground pressure. If overhead caving measure is taken , lower main roof will cave in time and fill goaf completely, which can prohibit upper main roof from caving. As a result, the grade of ground pressure reduce deeply, at same time hurricane aroused by large area roof failing is precluded. 2 The relation between first step distance and overhead caving height is that there is a rational overhead caving height region , in this region first step distance reduces linearly with the caving height increasing, out this region first step distance increases to a fixed value. 3 The paper deduces the ula of linear charge’s weaken thrown-off funnel burden based on blasting crater theory , then combining the rational overhead caving height designed the blasting plan. The blasting practice in Shiyaodian 215206 coal face proved that 煤炭科学研究总院硕士学位论文 IV blasting plan and parameters designed by this means can preclude hurricane and reduce the grade of ground pressure apparently.  Keywords shallow seams with thick bed rock; disaster-causing mechanism;roof control; overhead caving; first weighting step distance ; blasting parameters 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 研究背景及意义 ................................................... 1 1.2 文献综述 ......................................................... 3 1.2.1 浅埋煤层覆岩运动与破坏规律的研究现状 ....................... 3 1.2.2 爆破处理坚硬顶板的研究现状 ................................. 8 1.3 已有研究的不足 .................................................. 11 1.4 研究的主要内容及技术路线 ........................................ 11 2 石窑店煤矿 5 -2煤层顶板特征及来压特征 ................................... 13 2.1 215204 工作面概况 ............................................... 13 2.2 石窑店煤矿 5 -2煤层及其顶板特征 ................................... 15 2.2.1 煤层试样力学实验 .......................................... 15 2.2.2 顶板岩石力学实验 .......................................... 16 2.2.3 顶板钻孔窥视 .............................................. 18 2.3 215204 工作面初次来压歩距及来压强度 ............................. 24 2.4 石窑店 5 -2煤层顶板与一般坚硬顶板区别 ............................. 27 2.5 本章小结 ........................................................ 27 3 石窑店煤矿厚基岩浅埋深煤层初采期顶板致灾机理分析 ....................... 28 3.1 顶板破断过程及形态 .............................................. 28 3.1.1 模型的建立 ................................................ 29 3.1.2 顶板破断规律分析 .......................................... 31 3.2 顶板破断力学分析 ................................................ 35 3.2.1 顶板垮落步距 .............................................. 35 3.2.2 基本顶初次来压结构分析 ..................................... 39 3.3 顶板控制的关键 .................................................. 41 3.4 本章小结 ........................................................ 45 4 厚基岩浅埋深煤层初采期顶板控制技术的研究 .............................. 46 4.1 坚硬顶板控制方法的选择 .......................................... 46 4.2 放顶高度对基本顶初次来压步距影响的研究 .......................... 47 煤炭科学研究总院硕士学位论文 II 4.3 强制放顶爆破参数确定的研究 ...................................... 51 4.3.1 延长药包装药量计算 ........................................ 52 4.3.2 自由面对爆破作用的影响 .................................... 55 4.4 炮孔的布置及关键参数确定 ......................................... 56 4.4.1 切眼掏槽炮孔 ............................................... 56 4.4.2 切眼其余炮孔 ............................................... 58 4.4.3 两顺槽炮孔 ................................................. 59 4.5 爆破现场施工 .................................................... 61 4.5.1 钻孔 ...................................................... 61 4.5.2 装药 ...................................................... 63 4.5.3 封孔 ...................................................... 63 4.5.4 爆破 ...................................................... 64 4.6 本章小节 ........................................................ 64 5 石窑店浅埋深厚基岩煤层初采期顶板控制实践 .............................. 66 5.1 两种不同爆破方案的对比 .......................................... 66 5.2 爆破效果对比 .................................................... 67 5.2.1 顶板垮落情况 .............................................. 67 5.2.2 矿压观测分析 .............................................. 68 5.3 本章小结 ........................................................ 76 6 研究结论及展望 ........................................................ 77 6.1 主要结论 ........................................................ 77 6.2 研究展望 ........................................................ 78 致 谢 ................................................................... 85 附 录 ................................................................... 86 煤炭科学研究总院硕士学位论文 1 1 绪论绪论 1.1 研究背景及研究背景及意义意义 据中国煤炭工业协会发布的煤炭经济运行情况显示，2013 全国煤炭消费量 36.1 亿吨，煤炭依然占我国一次能源消费比重的 60以上，依然是我国的主要能源之一， 依然是支撑我国国民经济发展的重要基础工业。据相关预测，即使到 2050 年，煤炭消 费量仍将超过 20 多亿吨，我国煤炭占一次能源消费比重的 35以上，煤炭在我国未 来一次能源消费中仍将占到主导地位[1]。 神府、 东胜煤田是我国目前探明储量最大的煤田， 从 1985 年国家决定开发神东煤 田起，至今该地区已建成效率、效益、装备达到国际先进水平的现代化能源基地。神 东煤田中相当一部分煤田在开发初期主要开采距地表较浅的浅部煤层，这些煤层中大 部分为埋深小于 150m 的浅部煤层。随着浅埋煤层开采实践和理论的不断发展，国内 学者将浅埋煤层划分为两种典型浅埋深煤层和非典型浅埋煤层。其中典型浅埋煤层 是基岩比较薄、松散层厚度较大的浅埋煤层，其顶板破断为整体切落形式，易于出现 台阶下沉，可以概括为埋藏浅，基岩厚度小，基载比小于 1，基本顶为单一关键层 结构的煤层；非典型浅埋煤层是基岩厚度比较大、松散载荷层厚度较小的浅埋煤层， 其矿压显现规律介于普通工作面与浅埋煤层工作面之间，覆岩结构特征表现为两组关 键层，开采过程中存在轻微的台阶下沉现象[2-6]。 从 1991 年西安矿业学院对大柳塔煤矿进行实测起， 国内学者对浅埋煤层的研究主 要集中在“厚松散层薄基岩”型浅埋煤层矿压及覆岩运动破坏规律上，对煤层开采过 程中矿压显现剧烈、工作面溃沙、台阶下沉、支架压架等问题进行了详细分析。然而 随着采深的加大，开采“薄松散层厚基岩”型浅埋煤层的矿井逐渐增多，新问题也逐 渐出现该类煤层开采初采期往往会出现采空区顶板大面积悬顶、基本顶初次来压矿 压显现剧烈、上下端头弧形悬顶过大等问题，其中鄂尔多斯矿区的大饭铺煤矿出现过 严重飓风伤亡事故，酸刺沟煤矿、凯达煤矿、大地精煤矿初采期间出现过压架事故， 神府矿区石窑店煤矿也曾出现过飓风将人吹倒的事件。 根据资料可知，神府、东胜煤田浅埋煤层顶板岩石抗压强度一般在 80MPa 以下、 煤炭科学研究总院硕士学位论文 2 抗拉强度在 7MPa 以下，远小于大同、新疆、北京等矿区坚硬顶板的强度（详见表 1-1 所示） ， 但初采期间也会出现顶板大面积悬顶、 基本顶初次来压时矿压显现强烈甚至发 生切顶压架等问题。由于国内外学者对浅埋深厚基岩难垮落顶板研究很少，对该类顶 板致灾机理不明确，而神府、东胜矿区矿井对该类顶板的处理办法仍然是参照一般采 深特坚硬顶板矿井的经验，而没有针对性的初采期顶板控制技术，致使该条件下初采 期悬顶大面积垮落导致的顶板事故时有发生。 表 1-1. 部分矿区坚硬顶板岩石力学参数 矿名矿名 煤层煤层 岩性岩性 单向抗压强度单向抗压强度 /MPa 抗拉强度抗拉强度 /MPa 弹性模量弹性模量 /GPa 大同四矿 2 细砂岩 105.0 22.0 31.0 大同八矿 14 中粒砂岩 105.0 14.5 40.0 大同八矿 14 粉砂岩 120.0 13.0 22.0 大同十三矿 3 砾岩 103.2 6.2 21.3 北京房山矿 4 槽 中粒砂岩 174.2 - 71 北京门头沟矿 2 槽 中粒砂岩 180.6 - 68 新疆艾维尔沟 2 中砂岩 180.2 30.6 54.4 新疆艾维尔沟 2 含砾粗砂岩 101.8 25.0 51 石窑店（神东矿区） 5 细砂岩 81.2 6.1 33.5 恒东美日（神东矿区） 6-1 细砂岩 78 6.9 22 在坚硬难垮落顶板的控制问题上，国内外使用较多的方法有旺格维利采煤法、 刀柱采煤法、深孔爆破法、高压水预裂法，前两种方法是控制顶板不垮落，后两种方 法是通过处理顶板使其垮落。 刀柱采煤法是早期我国大同、北京、乌鲁木齐、枣庄等矿区都采用的管理顶板方 法，这种方法可基本保证工作面回采期间顶板不垮落，但随着开采面积的不断扩大， 所留的煤柱应力逐渐增大，当煤柱被压酥破坏时常常发生大面积垮落，造成剧烈的动 力现象，因此该方法逐渐被淘汰[7-10]。 高压水预裂法是向坚硬难冒顶板岩体中注水将其压裂，首先将整体的岩体致裂成 单层的或多层的张裂隙缝，或将岩体原生裂隙扩展，其次是使注入岩体内的水形成渗 透流通道，使水与岩石矿物接触，发生物理或化学的综合作用，达到破坏坚硬难冒顶 板岩体的整体性和坚硬性的目的。但由于注水压裂弱化工艺复杂且对有页岩夹层的坚 硬岩层区域不适用，因此现在注水压裂法应用程度也不高[11-14]。 煤炭科学研究总院硕士学位论文 3 深孔爆破法是在工作面开切眼顶板或超前工作面一定距离的上、下巷道打深孔，进行 装药爆破后，炮孔周围岩石被压碎或压裂从内向外依次形成压碎区、裂隙区，岩体强度和 整体性都大大减小。随着工作面向前推进，在矿山压力作用下，深孔爆破产生的破碎弱面 和岩体原生裂隙弱面扩展连接，进一步降低了岩体的强度，使坚硬难垮落顶板转化为一般 顶板，从而达到减少采空区的悬顶面积，降低顶板的来压强度的目的[15]。 鉴于深孔爆破法适应性强、工艺相对简单等特点，神府、东胜矿区矿井通常采用 该方法处理难垮落顶板，但由于该类顶板治灾机理不明确，并且有关该类顶板爆破弱 化处理时的关键参数研究较少， 致使爆破效果不理想， 不能完全达到杜绝灾害的目的。 石窑店煤矿位于神府矿区，所采 5-2煤层平均埋深 70m，根据 215206 工作面附近钻 孔综合柱状图可知其基岩厚度为 60m，松散载荷层厚度为 9m，顶板岩石单向抗压强度为 81.2MPa，单向抗拉强度为 6.1MPa，属于“薄松散层厚基岩”型浅埋深煤层。根据其以 往工作面回采经验，尽管初采期间会对顶板进行弱化处理，但回采过程中仍常出现顶大 面积板悬顶、基本顶初次来压强度大矿压显现剧烈问题，因此对石窑店煤矿浅埋煤层初 采期顶板致灾机理及其控制进行研究，并形成浅埋煤层坚硬顶板爆破成套技术，对石窑 店矿井安全高效生产有重大指导意义，并能进一步完善浅埋深煤层灾害防治理论。 1.2 文献综述文献综述 1.2.1 浅埋煤层覆岩运动与破坏规律的研究浅埋煤层覆岩运动与破坏规律的研究现状现状 世界上大型的浅埋深煤田并不多，国内较典型的是神府煤田和东胜煤田、国外较 典型的是美国阿巴拉契亚煤田和莫斯科近郊煤田，大型浅埋深煤田的发现和开采促进 了国内外学者对浅埋煤层的研究，特别是对浅埋煤层覆岩运动与破坏规律的研究 前苏联的 M.秦巴列维奇是最早研究浅埋煤层覆岩运动的学者， 他根据莫斯科近郊 浅埋煤层开采的情况，提出了“台阶下沉假说” ，该假说认为在浅埋深条件下，随着工 作面的向前推进，顶板将呈斜六面体沿着向煤壁的斜面垮落直至地表，支架上所承受 的力须考虑整个上覆岩层重量的作用，而当老顶是坚硬顶板时，支架载荷为控顶区上 方上覆岩层的全部重量。显然，该假说把顶板岩层运动的几何形状过分理想化了，在 对老顶的分析中，不仅没有涉及到老顶的破断过程，也未涉及老顶破断后岩块的平衡 煤炭科学研究总院硕士学位论文 4 状态。前苏联 BB 布德雷科通过对近郊煤层开采过程中矿压显现的分析得出以下结 论， 即浅埋煤层与普通埋深煤层采场顶板逐次垮落失稳形成的缓和来压存在明显区别， 浅埋工作面顶板来压迅猛 [16]。90 年代后期，澳大利亚 LHolla 通过安装自地表到煤 层的多层位钻孔锚固装置，对新南威尔士浅埋煤层长壁开采的顶板岩层进行了观测研 究， 得出顶板垮落高度为采煤高度的 9 倍， 顶板岩层在工作面推过后发生快速移动[17-20]。 1995 年印度辛格南尼煤炭公司于中国煤矿工程机械装备集团进口公司 （CME） 购 买了 2 套综采成套设备，从而使我国专家赵宏珠教授对印度辛格南尼煤炭公司 PV 煤 矿浅埋煤层长壁工作面的矿压规律展开了研究[21]。 PV 煤矿的实测表明 工作面煤顶、 直接顶和基本顶由下向上逐步发生离层，且沿工作面倾向方向发生分段断裂和垮落， 来压显现不明显，来压期间煤壁前方顶底板移近速度增大。对巴兰布矿的研究表明 对于浅埋深整体性强的顶板条件，容易出现顶板难以垮落的现象，该矿首采工作面在 推进过程中发生两次顶板切落地表现象，来压时矿压显现异常剧烈，造成工作面大面 积压架事故的发生。 国内学者对浅埋煤层覆岩运动及破坏规律的研究相对较晚， 1985 年国家决定开发 神东煤田，之后随着浅埋煤层开采比例的增大，越来越多的学者开始将目光投入到浅 埋煤层的研究中。 通过近 30 年的努力， 在浅埋煤层顶板结构及灾害机理的研究上也取 得了丰富的成果。 我国对浅埋煤层工作面的研究起于 1991 年， 当时西安矿业学院矿山压力研究所对 大柳塔煤矿 C202 工作面进行了实测，该工作面煤层埋深约为 65m，近水平，基岩厚 度约为 32m，工作面长 102m，采高为 2m。实测表明，工作面周期来压明显，有明显 的台阶下沉现象，下沉量达到 300600mm。这次观测使人们意识到浅埋条件下煤层开 采的矿压显现并不缓和。 1995 年侯忠杰在相似材料模拟实验的基础上， 对覆岩以厚砂薄基岩为主要特点的 煤层开采时初次来压和周期来压顶板岩层破坏机理进行了分析讨论，建立了顶板来压 的力学模型。分析认为基岩老顶破断为拉破断，老顶破断后使直接顶随即发生剪切破 坏，并以材料力学的方法给出了基本顶发生拉破坏和直接顶发生切破坏的力学条件， 并根据支架和基岩残留抗剪厚度共同承担破断岩块及其上覆岩层重量的原理，提出浅 煤炭科学研究总院硕士学位论文 5 埋工作面不发生台阶下沉的支护强度计算公式[22]。但通过实测发现，浅埋工作面基本 顶初次来压强度没有预算的大，初次来压和周期来压的差别也没有计算的大，说明建 立的顶板模型与实际情况不符。 1996 年石平五教授等完成了煤炭科学基金项目 “浅埋煤层矿压显现与岩层控制研 究” ，对浅埋煤层矿压研究进行了系统和全面的总结。研究认为，基岩上覆岩层下部的 基岩风化层及其上部的黏土层、砂砾层在一定范围内可能形成上部大结构，对基岩小 结构的载荷形成有影响。在浅埋特定条件下，上部临时性大结构与下部基岩结构的不 同周期性，可能会出现周期来压大于初次来压的现象。研究还提出了基岩切落后运动 的概念，认为当液压支架有足够的初撑力时，基岩首先在开切侧发生剪切破断，然后 由于回转运动在支护侧上方产生拉裂缝组，在上覆盖层的作用下沿支架尾端切落[23]。 2000 年，黄庆享教授应用顶板结构理论对浅埋煤层顶板控制进行了定量化分析， 他提出浅埋煤层基本顶触矸前为非对称的三铰拱结构，当基本顶触矸后则形成单斜岩 块结构，基本顶周期来压时顶板结构为“短砌体梁”或“台阶岩梁”结构，认为老顶 初次来压时关键层破断表现为非对称破断，岩块结构发生滑落失稳是造成浅埋煤层来 压期间矿压显现剧烈和台阶下沉的根本原因。在此基础上，提出浅埋煤层支架给定失 稳载荷状态，并引入载荷传递因子确定顶板载荷，最终根据支架与围岩关系提出了浅 埋煤层采场支护阻力确定方法和计算公式[24-26]。 2003 年，刘文岗通过调研神府东胜浅埋煤层开采过程中引起的地表变形、下沉情 况，提出了薄基岩浅埋煤层厚砂土层传递动态载荷的观点，并在此基础上根据关键层 理论、短砌体梁模型，建造了浅埋厚松散层动态载荷传递模型，由此进一步揭示了厚 松散层对顶板关键层结构的动态载荷传递规律[27]。该研究成果创新之处在于改变已往 厚松散层静载荷的观点，在动载荷传递条件下分析了浅埋煤层顶板结构、失稳机理及 强矿压显现特征，丰富了薄基岩厚松散层浅埋煤层理论。 2004 年， 张沛通过研究神府东胜矿区典型浅埋工作面的矿压显现规律和地表沉陷 规律，并结合相似模拟实验，将浅埋煤层顶板破坏特征分为四种厚砂土层初次来压 期间的“拱状” 、周期来压期间的“拱壳状” 、临界充分采动的“拱梁状” 、充分采动后 的“弧形岩柱” 、 “二次卸载拱” 。通过分别建立结构模型，对上述四种“拱状”结构受 煤炭科学研究总院硕士学位论文 6 力和破坏情况进行了分析，确定了初次来压和周期来压时形成的“卸荷拱”的高度， 在此基础上得出了初次来压期间和周期来压期间载荷传递效应大小[28]。 2004 年朱庆华、王继承、马占国通过应用 RFPA 软件模拟了浅埋厚坚硬顶板冒落 的动态变化规律，认为基本顶初次破断和冒落呈拱形结构，基本顶周期破断和冒落呈 全厚切落结构或拱形结构。拱形破断与冒落时顶板为拉伸破坏，断裂线位于煤壁后方 的采空区；短块状破断与冒落时顶板也为拉伸破坏，断裂线位于煤壁后方；大块破断 与冒落时顶板为剪切破坏，断裂线位于煤壁处，容易引发顶板全厚切冒事故[29]。由于 该研究结果只是在对神东矿区某矿进行数值模拟分析基础上得到的，因此提出的顶板 破断形式与破断结构存在一定局限性。 2005 年，辽宁工程技术大学与黑龙江科技学院的研究人员共同完成了薄基岩浅 埋煤层开采覆岩活动规律及其控制课题，提出了工作面周期来压的“承压砌块”模 型，并对松散覆盖层进行了研究，提出来散体载荷层活动的动载荷效应[30]。 2005 年，张杰通过分析神府矿区南梁煤矿浅埋煤层特点，针对该矿工作面初采期 间顶板大面积悬顶问题，利用相似材料实验模拟不同覆岩条件、不同放顶方案下基本 顶初次来压歩距大小，得出对于整体性好的浅埋煤层采用强制放顶可以有效减少顶板 悬顶，避免顶板大面积冒落时引起的灾害[31]。这是首篇关于浅埋煤层难垮落顶板灾害 控制方面的文献，该论文分析了南梁煤矿顶板岩石力学特性，提出了非坚硬难冒落顶 板的控制措施，但没有涉及浅埋非坚硬顶板开采过程中灾害机理。 2005 年，李刚根据散体动力学和层状岩体力学理论，构建了薄基岩厚松散层浅埋 煤层覆岩梯度层的板结构模拟，认为对于典型浅埋煤层工作面顶板初次来压可分为三 个过程首先是关键层的破断形成初次来压，其次是关键层上覆岩层分层破断形成冲 击载荷，再次是厚松散层滞后垮落形成的冲击载荷；在此基础上分析了松散体载荷层 的垮落特征，研究了薄基岩浅埋煤层初次来压期间矿压显现剧烈的机理[32]。 2007 年，李凤仪博士深入研究了浅埋煤层的开采界定、工作面初次来压及周期来 压机理、高动载系数成因、不发生溃沙涌水的条件、矿压控制原理等内容，初步搭建 了浅埋煤层矿压特点及安全开采的技术框架体系[33-34]。该研究的主要创新点是对浅埋 煤层的界定更加具体，建立了基岩与松散层的梯度复合板结构，并由此确定浅埋煤层 煤炭科学研究总院硕士学位论文 7 顶板呈分层破断特征， 得出基岩层与松散层的不同步运动观点， 松散载荷体呈现出 “脱 离基岩、全部垮落、冲压基岩”动态过程，这符合浅埋煤层顶板来压剧烈且短暂的现 象，为浅埋煤层工作面支架工作阻力的合理确定提供了基础。 2007 年，杨治林，余学义，郭何明等根据初始后屈曲理论与突变理论分析了顶板岩层 失稳机理，得到采场基本顶初次来压时顶板断裂下沉的理论计算公式，根据顶板下沉量来 推断浅埋工作面基本顶初次来压期间可能出现的灾害类型[35]。 该研究观点提出以理论计算 的台阶下沉量来预判灾害形式，对于浅埋煤层顶板灾害预防控制有重要意义，但由于相关 计算参数较多，计算出的台阶下沉量误差较多，因此应用存在一定局限性。 2008 年，任艳芳采用理论分析并结合数值模拟软件，研究了浅埋煤层覆岩结构形 式与运动破坏特征，探讨了影响浅埋煤层覆岩结构稳定性的关键因素，给出了浅埋煤 层的界定依据， 并通过数值模拟软件分析了影响浅埋煤层覆岩结构稳定性的关键因素。 该观点首次提出浅埋煤层界定的关键在于浅埋煤层上覆岩层中能否形成动态稳定的承 压拱结构，当工作面采高和工作面长度发生变化，承压拱结构也会发生变化，由此提 出工作面长度和采高等可控因素也是界定浅埋煤层的关键因素[36]。 2009 年，许家林、朱卫兵、王晓振等人对神东浅埋煤层的覆岩关键层结构、类型 和顶板破断失稳特征进行了研究，将浅埋煤层覆岩结构划分为单一关键层结构、多层 关键层结构，其中单一关键层结构又可分为厚硬单一关键层结构、复合单一关键层结 构、上煤层已采单一关键层结构，并通过举例对各类关键层结构进行了详细分析，提 出了关键层结构的判别方法[37]。 2009 年，高登彦对乌兰木伦煤矿“薄松散厚基岩”型浅埋煤层工作面进行研究， 认为该类型浅埋煤层基本顶初次来压及周期来压没有出现明显薄基岩浅埋煤层上覆岩 层全厚度切落现象，周期来压有强弱之分是因为上覆岩层存在主关键层和亚关键层[38]。 2011 年， 周海丰通过对比普通浅埋工作面与浅埋加长综采工作面矿压显现规律区 别，得到基本顶来压歩距、来压强度与采高、覆岩厚度的关系，工作面长度与来压歩 距成反比关系，上覆岩层厚度与来压歩距也成反比关系；加长工作面上、中、下部中 心位置压力最大，其余支架压力由中心向两侧递减[39]。 2012 年，解兴智对神东矿区浅埋煤层房柱式采空区下长壁开采工作面进行研究， 煤炭科学研究总院硕士学位论文 8 通过矿压观测和理论分析，指出房柱式采空区上覆岩层存在固定梁和悬臂梁相结合的 叠合梁结构，