南梁煤矿综采工作面矿压规律研究.pdf

西安科技大学 硕士学位论文 南梁煤矿综采工作面矿压规律研究 姓名李军 申请学位级别硕士 专业采矿工程 指导教师张恩强 论文题目南梁煤矿综采工作面矿压规律研究 专 业采矿工程 硕 士 生李军 （签名） 指导教师张恩强 （签名） 摘 要 南梁煤矿地处神府侏罗纪煤田地方开采区的边界地带，属于浅埋煤层。该矿过去长 期采用房柱式采煤方法，劳动强度大，资源采出率低，安全难以保证，因此从 2009 年 开始采用综合机械化采煤。浅埋煤层矿井综采面矿压显现在矿井开采初期尤其突出，严 重影响工作面的安全生产，因此有必要对南梁矿 20115 综采面矿压规律进行研究。 本文在进行大量现场矿压观测的基础上，利用已有的相似材料模拟实验结果，运用 理论分析等方法，对南梁矿 20115 综采面矿压规律进行了研究。 20115 综采面现场观测、相似模拟和理论计算得出老顶初次来压步距分别为 50m、 40.2m 和 47.8m，综合分析为 50m；周期来压步距分别平均为 10.9m、11.3m 和 13.8m， 综合分析平均为11m； 现场观测和相似模拟的老顶来压平均增载系数分别为1.35和1.13， 支架运行平稳；现场观测数据计算、相似模拟和理论计算的支架工作阻力分别为 5373.5kN、5219kN 和 5918kN，结果基本一致，现场支架安全阀开启率只有 5左右， 说明 ZZ6800/14/27 型四柱支撑掩护式液压支架能够有效控制顶板， 矿压显现不强烈； 相 似材料模拟显示覆岩未出现下沉带，垮落带与裂隙带的界限不明显，即没有形成一般赋 存条件的“三带”；下位岩层遵循自下而上的下沉规律，上位岩层下沉具有突发性。顺槽 超前支护 20m 能够满足护巷要求，工作面之间 20m 护巷煤柱可以满足要求。 研究结果对南梁煤矿 20115 综采面的安全生产具有指导意义。 关 键 词浅埋煤层；综采面矿压规律；支架阻力；组合关键层；相似模拟 研究类型应用研究 Subject Research on Laws of Underground Pressure in Fully-mechanized Face of Nanliang Mine Specialty Mining Engineering Name Li Jun Signature Supervisor Zhang Enqiang Signature ABSTRACT Nanliang coal mine is on the edge of the local mining district of the Jurassic oalfield ,it is a shallow seam.For a long time , this mine uses room and pillar mining ,this is labor intensive and the extraction rate is low,also, the security is difficult to be gu- anteed.For this reason,fully mechanised mining was used in 2009. shallow seam fully mechanised mining mine coal seams intermixed with crushed into the mining early, that will seriously affect the safety of the face, so it was necessary to the Nanliang 20115 fully mechanised mining face the pressure to study laws. On the basis of a great deal of field pressure observation , with the results of the similar armaterial simulation experiment and theoretical analysis ,this article gives a research and analysis of mine ground pressure law of Nanliang coal mines 20115 fully mechanized face. The main roofs initial pressure pace of 20115 fully mechanized face is 50m and the periodic pressure pace is about 11m on the base of practical observations50m、10.9m、 Resemble simulation40.2m、11.3m and theoretical analyse47.8m、13.8m;the relationed data is 1.35of practical observations and 1.13of resemble simulation; support resistance is 5373.5kNof practical observations、5219kNof resemble simulationand 5918kNtheoretical analyse,the result is identical fundamentally; The mine ground pressure behavior is not violent ,The proportion support resistance exceed the rated working resistance is only about 5,the overburden rock didnt appear the integral breaking of the whole overlying strata,four-column hydraulic shield support of type ZZ6800/14/27 can effe ctively control the roof; The results of the similar material simulation experiment shows that6000kN of support resistance is enough to balance the pressure of overlying rock and effectivly control the roof;Subsidence zone of overlying rock does not appear; The boundary between caving zone and fracture zone is not obvious, it didnt the “three zones“ in common condition; Su bsidence law of the lower strata follow the bottom-up rule while of the upper strata is unexpected . 20m length of gateroads leading support is enough to meet the requirements of roadway protecting ; 20m width of chain pillar between two faces is enough. The result of study have direction meaning for the minging of 20115 work face of Nanliang coal seam. Keywords Shallow Seam Laws of Underground Pressure Support Resistance Combinatorial key Strata Resemble Simulation Thesis Applying Research 1 绪论 1 1 绪论 1.1 问题的提出 南梁煤矿地处神府侏罗纪煤田地方开采区的边界地带， 1999 改扩建年以前一直采用 房柱式采煤方法，为了减少煤炭资源的浪费，1999 年开始采用煤柱法，其首采工作面设 计仅推进 23m 留一个煤柱，这个距离是按邻近矿长壁工作面老顶初次来压步距 35m 的 三分之二计算得来的。由于推进距离短，无法获得较高的经济效益。于是该矿从 2002 年，开始采用长壁间隔开采方法采煤，该方法使得工作面推进 50m 才留煤柱，工作面推 进距离有了很大提高，它的目的只是限定覆岩不发生贯通裂隙导致全厚度切落。采用长 壁间隔式采煤发以后，采区煤炭采出率提高约 10，工作面搬家次数减少 1 倍以上，获 得了良好的经济效益。然而炮采的缺点很多，劳动强度大，资源采出率低，矿井生产安 全也很难保证。 南梁煤矿属于浅埋煤层，该矿首采的 2-2煤层结构简单，全区赋存，厚度适中，煤层 顶底板稳定，适合长壁综合机械化开采，同时，我国的煤矿高产高效综采技术发展很快， 无论是厚煤层的综采放顶煤还是中厚～厚煤层综采一次采全高开采技术， 都取得了长足 的发展，赶上并超过了世界先进水平。因此，从采煤技术的现状和发展前景来看，南梁 煤矿具备采用综采技术达到 1.2Mt/a 设计生产能力的条件。 陕北诸多浅埋煤层矿井矿压显现剧烈在矿井开采初期尤其突出，长壁工作面普遍有 顶板覆岩出现全厚切落，呈现台阶下沉现象，造成剧烈的矿压显现，支架被压死，且存 在涌水溃沙的隐患，严重影响开采的安全性、产量和效益[8]。土基型南梁煤矿是否也会 像砂基型浅埋煤层一样出现剧烈矿压显现，就是本文研究的主要内容。 1.2 研究目的及意义 （1）揭示南梁矿 20115 综采面矿压显现规律，搞清楚覆岩结构及矿压规律。 （2）在水资源匮乏、生态环境脆弱的西北部地区进行大规模近浅埋煤层开采时， 揭示综采工作面矿压显现规律，搞清楚覆岩结构及矿压规律，不论对煤矿的安全生产， 还是对地下水资源的保护都具有非常重要价值和指导意义。 （3）神府浅埋煤层数百个中小矿井均采用房柱式采煤方法，随着企业地发展，运 用综合机械化采煤是一个大的趋势，南梁矿第一个成功采用综采技术，对其它中小矿井 以后的技术改造必定会有重要的借鉴意义。 （4） 对于研究较少的土基型浅埋煤层矿压规律的进一步完善和掌握具有重要意义。 西安科技大学硕士学位论文 2 1.3 国内外研究现状 1.3.1 国内外综采面矿压规律研究现状 （1）国外研究现状 国外关于浅埋煤层的矿山压力规律的研究不多，较早的有苏联 M.秦巴列维奇根据 莫斯科近郊煤田浅埋深条件下提出的台阶下沉假说 [1]。此假说认为当煤层埋藏较浅时， 上层岩层可以视为均质，随着工作面的推进，顶板将呈斜方六面体沿着向煤壁的斜面而 垮落直至地表，支架上所受的力应考虑整个上覆岩层中载荷的作用，当有坚硬顶板组成 的老顶时，老顶断裂在煤壁内，支架载荷按控顶区跨度计算上覆岩层全部总量[34]。在 浅埋煤层矿压显现方面，前苏联 B.B 布德雷克针对莫斯科近郊煤田矿压的研究在 1981 年认为，在埋深 100m 且存在厚粘土层条件下，放顶时支架出现动载现象，约 12的采 区煤柱出现动载现象，说明浅埋煤层顶板来压迅猛，与普遍采场顶板逐层垮落失稳形成 的缓和来压有明显区别。 80 年代初，澳大利亚 B.霍勃尔瓦依特博士等对新南威尔士安古斯坡来斯煤矿浅部 长壁开采的一些矿压现象进行了实测 [2]。该矿开采李寺古煤层，顶板为煤、页岩互层， 坚固稳定，采高约 2.6m，煤层赋存平缓，初期煤层开采深度约 72 m，工作面长 135m。 顶板破断与岩层移动特征初次垮落步距 10m，随工作面推进，沿工作面和采空区边缘 的顶板岩层几乎是垂直断裂，岩层破断角为76～90，地表最大下沉量为采高的 60， 最大下沉量的 85发生于距工作面 40m 范围内，说明采空区迅速压实，煤壁附近顶板 岩层迅速发生整体移动。实测工作面前方上平巷顶底板移近量不大，除超前支撑压力最 大移近量为 20mm 外，一般均小于 10mm。工作面使用 89 架支撑掩护式支架，额定工 作阻力为 4500kN/架，初撑力为额定工作阻力的 80。支架有动载现象，安全阀经常开 启，顶板破断期间支架以很快的速度达到额定工作阻力，在 3～7 天内又重新减小，支 架后柱载荷一般大于前柱，在非生产期间前后柱载荷趋于相等，他们的研究说明了浅埋 煤层的矿压显现剧烈，支架的安全阀经常开启，工作面支架的工作阻力明显与一般情况 下的规律和定理不相适应，有可能在周期来压的时候将支架压死，这说明浅埋煤层与普 通采场顶板逐次垮落以及老顶的回转失稳形成的比较缓和的来压特征有明显区别[1516]。 他们对当地的煤矿的浅部长壁开采的一些矿压现象进行了实测， 并得出顶板垮落高度为 采高的 9 倍，且顶板垮落十分迅速的结论[17]。而在美国、英国等采矿发达国家，在浅埋 煤层的开采上，为了控制由于开采，工作面矿压显现剧烈，以及地表下沉等问题，一般 都采用房柱式开采[1822]。进入 90 年代以后，澳大利亚 L.Holla 等还对新南威尔士安古 斯坡来斯煤矿浅部长壁开采的顶板岩层移动进行了观测研究， 通过自地表到煤层的多层 位钻孔锚固装置实测得出，顶板垮落高度为采高的 9 倍，顶板岩层在工作面推过后快速 1 绪论 3 移动。印度综采长壁开采实践，如印度江斯拉矿 R-VⅡ煤层综采工作面平均开采深度 57.4m，最小覆盖层厚度平均为 35.87m，基岩厚度平均 10.57m，冲积层厚度平均为 16.93m [36] 。 1995 年印度辛格南尼煤炭公司从中国煤矿上程机械装备集团进口公司（CME）购 置两套综采成套设备， 从而使我国专家赵宏珠教授级高工对印度浅埋煤层长壁开采矿压 规律展开了研究 [710]。 PV 煤矿采深 65m， 煤层倾角 5～7 ， 采高 3m， 顶板基岩约为 40m 砂岩层，表土层厚 3m 左右。实测表明，工作面煤层、直接顶、老顶由下向上离层，沿 工作面倾斜方向，分段断裂和垮落，来压显现为煤壁前方顶底板移近速度增大，地表缓 慢下沉并产生周期性裂缝。大周期来压步距与地表裂缝间距一致。由于支架额定阻力较 高，所以工作面矿压显现不明显，并根据支架与围岩相互作用原理和 PV 矿具体条件， 建立了液压支架受载力学模型。 然而，此后对于浅埋深整体性强的顶板条件的巴兰布矿 P-1 首采工作面开采时，矿 压显现非常剧烈，使工作面中部部分支架被压死，并遭破坏。该煤层赋存条件5 号煤 P-1 首采面开采深度 40～55m，表土层均厚 9.5m，煤厚平均 2.41m，倾角 1～3，采高 2.3m，上覆岩层整体性较强，远高于中等稳定，属于难垮顶板。在工作面推采过程中， 平时顶板压力小，来压时压力猛增，动载系数大于 2.5，矿压显现非常剧烈。上覆岩层 呈现整体切落，两次垮至地表，来压步距稳定，呈顶板大面积来压，来压速度非常快， 强度大，活柱急速下缩，支架很快被压死，且全工作面支架受载不均。其特征与中国大 同坚硬顶板工作面剧烈来压破坏支架的表现相类似。 总之，国外对浅埋煤层的矿压显现规律认为浅部开采顶板破断直接影响到地表，顶 板破断角大，地表下沉速度快，来压明显且难以控制。但对浅埋煤层覆岩运动、变形、 破环的规律的研究却没有什么进展。 （2）国内研究现状 浅埋煤层由于其特殊的赋存条件， 它的矿压规律与普通长壁采煤方法相比有很大的 区别。90 年代初，我国开始了浅埋煤层矿压显现及岩层控制方面的研究，我校开展了较 为突出的研究工作，初步观测了长壁工作面矿压显现规律与顶板破断的基本特征。 早在 1990 年， 西安矿业学院矿压研究所的侯忠杰教授对大柳塔煤矿 C202 试采工作 面进行了实测 [11] 。实测表明，工作面周期来压明显，活动剧烈，支柱动载系数 2.34.3， 有明显的台阶下沉现象，台阶下沉量达 350600mm。通过观测表明，浅埋煤层开采矿 压显现并不缓和，需要更深入地研究。 1991 年， 我校侯忠杰教授和黄庆享教授受委托对大柳塔煤矿第一个综采工作面开采 前进行了采前模拟，认为采高 3m 和 4m 试验煤壁的贯通断裂隙在基岩下部闭合，工作 面被溃沙埋没的可能性较小，从而将开采高度有原来的 2.8m 提高到 4.0m，为现场带来 了数千万元的经济效益。通过对 1203 工作面矿压观测发现，工作面初次来压顶板出现 西安科技大学硕士学位论文 4 自工作面到地表沿煤壁的全厚切落，周期来压顶板同样全厚切落，但顶板破断线在支架 后方，煤壁处未有明显切落 [1213] 。该矿于 1993 年根据模拟结果进行了开采，我校矿压 研究所跟踪观测了矿压，结果表明矿压主要特征于模拟结果基本吻合。1993 年底，侯忠 杰教授及黄庆享教授结合模拟及观测资料， 采用有限元数值计算对厚松散层浅埋煤层进 行了分析认为基岩破断及沿全厚切落是由剪切力造成的；整体台阶下沉造成冒落带高 度增加，使覆岩三带发生了变化；浅埋薄基岩松散层顶不能形成稳定的砌体梁结构；由 于整体台阶下沉，常规的防沙岩柱经验公式已经在这种情况下不适用；工作面支护强度 对基岩破环及台阶下沉有明显影响。 1994 年初，侯忠杰教授等又进行了石圪台煤矿 1112 上 02 高产高效工作面“支架 围岩”关系大型立体模拟，由模拟结果认为基岩厚度于采高之比 h/m≤9 时，正常推进 速度下（2m/a）工作面顶板破断形式为基岩全厚切落，支架压力较大；h/m9 时，则出 现分层次冒落，切落现象不明显。推进速度快时（大于 10m/a）或 h/m9 时也会出现切 落现象，由此认为采空区充填程度和工作面推进速度对顶板的破断形式有影响 [14]。 1995 年后，侯忠杰教授等又对第一、二个高产高效长壁工作面进行了采前大型立体 相似模拟和矿压观测，形成了浅埋煤层矿压显现的基本观点 [1517] 。认为防止工作面出现 架前切落应具备两个条件，其一是顶板基岩厚度足以大到工作面上方形成某种结构，并 且能够承担松散层自重载荷，使工作面处于大结构的“保护”之下；其二是工作面支架有 足够大的支护阻力（包括初撑力） ，从而与顶板覆岩压力相平衡，防止顶板在架前出现台 阶下沉。在采高一定的条件下，工作面基岩厚度、松散层厚度以及工作面支架额定工作 阻力是决定浅埋深、厚松散层下开采覆岩运动破坏特点及矿压显现特点最主要的三个因 素。当基岩厚度与采高之比 h/m5 时，覆岩仅有冒落带，如大柳塔煤矿 1203 工作面； 当 h/m10 时，覆岩分为冒落带和岩柱错动带，如大柳塔煤矿 20601 工作面；当 h/m15 时，顶板覆岩出现冒落带、裂隙带。此时工作面前方基岩不再出现拉伸裂隙，厚松散层 也不再成为影响工作面矿压显现的重要层，如补连塔煤矿 2211 工作面 [1819] 。 1996 年 6 月， 我校石平五教授等对我校的浅埋煤层矿压研究进行了全面提高和总结 [2021] 。研究认为，基岩上覆盖层下部的基岩风化层及其上部的粘土层、沙砾层在一定的 采高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。 在浅埋煤层条件下， 上部临时性大结构于下部基岩的不同周期性， 可能会引起工作面周期来压的不等距和来 压强度的不等性，也可能出现周期来压大于初次来压的现象。研究总结了基岩全切落的 特点并通过实验进行验证。还提出了基岩切落以后运动的概念，认为当液压支架有足够 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。 基岩切落后各岩层的沉陷运动有阻滞过程， 破断基岩的回转对溃沙有影响。1998 年，我院黄庆享老师完成了他的博士论文浅埋煤 层长壁开采围岩控制 ，在此研究基础上，进一步研究和撰写了专著浅埋煤层长壁工 1 绪论 5 作面开采顶板结构及岩层控制研究 [22] ，该书系统应用顶板结构理论对浅埋煤层进行 了顶板控制的定量化研究。 1999 年以来，我院侯忠杰教授在钱鸣高院士提出“关键层理论” [23] 基础上，用“组合 关键层”判据深入、系统研究了浅埋煤层顶板控制理论 [2426]。研究认为，对于一般浅埋 煤层，煤层顶板某一岩层成为组合关键层，不仅应满足刚度条件，还要满足来压强度条 件；地表厚松散层浅埋煤层的两层关键层必然发生组合效应，形成组合关键层；地表厚 松散层浅埋煤层组合关键层既不能形成三铰拱式平衡，也不能形成“砌体梁”平衡。2002 年黄庆享教授在国家自然科学基金项目（NO.50104009）和陕西省教育厅自然科学基金 项目（NO.98D02）的资助下开展这一领域研究。他与其研究生刘文岗、张沛，通过大量 物理相似模拟研究，得出了浅埋煤层厚砂土层的破坏规律，并通过对动态载荷智能采集 系统的开发，获得了厚砂土层动态载荷的一些特征和数据 [27] 。对浅埋煤层厚砂土层破 坏机理、动态载荷传递机理以及载荷传递因子的确定，展开了进一步的工作。 1.3.2 工作面支架工作阻力的国内外研究现状 （1）国外研究现状 在国外，计算支架工作阻力的方法也有一些，如英国学者威尔逊只考虑直接顶的形 状和载荷来估算顶板压力，即认为支架载荷由顶板压力和附加载荷决定 [34] 。捷克鲁包 密尔-西斯卡根据采高、顶板延迟冒落、采空区充填情况及顶板自承能力等提出了计算 支架阻力方法。奥地利哈卜尼希根据煤壁及采空区的支承情况、顶板的悬顶、冒落高度 及控顶宽度等提出了支撑式液压支架工作阻力的计算方法。 法国 J.F.拉富克斯等根据 140 个工作面的统计观测建立了支架阻力与顶板下沉的经验公式， 还有前苏联吨巴斯煤科院 及奥尔洛夫等根据统计观测及工作面支架调压实验， 建立了支架阻力与顶板下沉量经验 公式 [35]。 （2）国内研究现状 在国内，钱鸣高、李鸿昌教授提出根据采场上覆岩层运动的“砌体梁”模型计算支架 阻力，认为直接顶的载荷应由支架全部承受，而老顶岩层由于能形成结构，因而支架只 是承受由于老顶失稳而形成的载荷，老顶失稳的方式有两种，一种是滑落失稳，一种是 变形失稳。据此给出了在不同老顶失稳方式下的支架阻力计算公式 [28] 。史元伟高工通 过对工作面常规矿压观测数据，特别是实测初撑力和平均工作阻力数据的回归分析，来 确定与回归曲线的最大曲率点和参数等变化点相对应的临界工作阻力的下限和上限， 建 立了液压支架额定工作阻力和初撑力的计算公式及二者之间的合理比例 [29] 。此外还提 出了根据直接顶岩块形状和附加力计算确定支架合理工作阻力的方法 [30] 。宋振骐教授 采用来压期间支架应对老顶位态限制的程度，用位态方程式来估算支架的工作阻力 [31]。 乔忠寿则提出应用百分位数法计算支架合理工作阻力 [32] 。西安科技大学矿压研究所通 西安科技大学硕士学位论文 6 过近 20 多年的研究，在总结前人成果的基础上，提出了关键岩块平衡条件公式 [33]。此 外，还有一些计算支架工作阻力的方法如估算法、实测法、统计分析法和数值计算等方 法。 以上国内外支架阻力的确定方法从原理上来看基本上存在两种情况 一是基于现场 实测统计的计算方法， 一是基于支架围岩平衡条件考虑直接顶重量和老顶附加力的计算 方法。事实上，由于直接顶的整体力学特征不同，支架的载荷往往具有不同的特征，表 现为支架的工作阻力的实测结果与现有的理论计算结果相差甚远。 1.3.3 覆岩结构研究现状 （1）国外研究现状 远在十九世纪初就已经有从采场顶板岩层移动直到地表的移动理论初步尝试。 1838 年，多里斯及稍后的比利时人哥诺在研究岩层塌陷的问题时发表了一种观点，后来发展 为“法线规则”的多里斯哥诺理论[2]。将顶板作用力分解为二个分力，顶板的运动只在 法线力影响下产生，因此得到采空区上部、下部边界的断裂面的方向是相同的，断裂发 生在边界正上方上下两个方向，角度为 90α，α 为煤层倾角。这个理论的幼稚性是易 见的，但可以肯定在我们的研究问题发展中曾其过巨大的作用，围绕这个理论进行了长 期争论。 哥诺的同时代斯巴列稍有不同地描述了岩层移动， 并首次提出了岩层弯曲断裂的概 念[2]。假定移动是由于岩层在危险断面内的断裂引起的，断裂断面内弯矩最大，并认为 岩层是一个两带固定的梁，并给出了岩层断裂方式。 “高斯理论”描述岩层移动时，认为在采空区上方直接形成了综合移动带塌落和 弯曲，而往上是纯弯曲带，并确定塌落带高度为 3060h（h 为开采高度）[3]。 本世纪 50 年代，前苏联阿威尔辛等认为，在没有岩层破坏的状态中上覆岩层几近 弹性状态。在回采工作的影响下，岩层变形，弹性状态发生破坏，岩石发生移动，岩层 处于塑性移动过程，介质为塑性介质。 原联邦德国煤矿开采时采动损害进行了专门的分析[56]。对水平煤层开采时采动岩 体垂直变形进行研究后认为，采空区上方存在垂直方向拉伸变形带，外侧则为压缩带。 文献还指出，如果有坚硬岩层覆盖与软岩之上，或者沿层面处容易分层的话，在凸曲率 过渡到凹曲率的地方，即在采空区边界上方曲线拐点处可能发生的几毫米离层，随后离 层消失。在中间带的坚硬岩层中发生相互错动达 50cm。 在对岩体水平移动和变形进一步分析基础上，文献[5]指出，考虑时间因素的影响， 从开始回采到完全停止，在岩体变形范围内，由于矿产采出和采出空间的收缩，不断发 生静力平衡的破坏， 覆岩拉伸和压缩区的轮廓时刻在变化， 各点的变形也在增大或减小。 文献[5]中对岩体移动的计算时，认为岩层移动产生并开始于开采水平上，这里所发 1 绪论 7 生的直接顶下沉是计算上覆岩层下沉的起始数据。 下沉之前和下称之后的直接顶板面所 包含的体积相当于任意顶板岩层的沉陷盆地体积， 但应顾及由于顶板岩石的碎胀性及岩 层的弹性卸载扩张与弯曲压缩之差引起的体积减小。 文献[5]进一步指出，直接顶和老顶向采空区的下沉可以简化地看作平板或梁的弹性 弯曲，或把岩层看作非连续松散介质中颗粒位移，或者看作是开尔文流变模型所描述的 介质中物质的流变过程。 处理岩移计算时，文献[3]采用积分网格法、将岩体看作弹性介质的方法、将岩体看 作非弹性介质方法、 将岩体看作随机介质的方法及将岩体看成又有限单元组成的介质等 方法进行分析计算。并介绍了各自方法的优缺点。 （2）国内研究现状 国内对采场覆岩运动破坏规律的研究有广泛的工程背景， 经历了一个长期的发展过 程。 国内诸多学者采用现场实测 （井下深孔或地面深孔基点的方法） 研究了采场顶板 （直 接顶、老顶）的冒落、垮落范围，提出了一些定性定量的概念的方法。对采场矿压显现 有明显影响的老顶范围和运动规律更有定量而深刻的认识。 其中有代表性的是山东科技大学宋振骐院士等提出的“老顶传递岩梁”学说[7]。也称 之为“以上覆岩层运动为中心”的矿压理论。依据顶板岩层的冒落特性和传递力的差异， 将顶板划分为采后及时冒落且在推进方向上不能永久传递力的直接顶； 以及在采场附近 不能冒落， 破断后岩块呈某种平衡结构， 该结构能永久地传递水平力的传递岩梁即老顶。 其中移架后岩层的冒落与否是一个直观的判别准则。研究表明，直接顶和老顶重力是工 作面支护的力源，且两者的厚度仅为工作面采高的 78 倍以下[7]。图 1.1 是传递岩梁的 顶板结构模型，图中 m0为采场直接顶，m1、m2为传递岩梁及老顶。 A B A1 C A2 A3 An-1 An m H m0m1m2 图 1.1 传递岩梁学说的顶板结构模型 对老顶断裂采用“梁”的分析方法，对断裂后的岩块采用“二块铰结”力学模型分析。 西安科技大学硕士学位论文 8 “二块铰结岩块”形成老顶基本结构，分析了该结构的演化对工作面矿压显现的影响，并 提出了“老顶结构”可以预测的思想，为指导生产实践尤其是采场来压预报提供了有力的 武器。其后，由姜福兴等年轻学者进一步拓宽了“老顶结构”的可能形式，其中“梁”、“拱 梁”、“类拱”三种老顶基本结构形式的提出为采场顶板控制设计专家系统的知识推理提 供了多样性的模型，并能反映老顶岩层组成的力学特性及不同条件下老顶结构的复杂 性。 对破裂后老顶的岩层组成“砌体梁”的力学模型[1]是由中国矿大钱鸣高院士等通过实 测研究提出的。“砌体梁”理论集中研究了裂隙带岩层形成结构的可能性及结构平衡的条 件。 稍后在坚硬顶板采煤工作面，我国年轻学者又引进了岩板理论[8]，即用固支或简支 弹性板以及弹性基础上的薄板模型， 研究顶板初断步距与厚度之比大于 58 倍的坚硬顶 板的破断规律。 西安科技学院的石平五、侯忠杰教授完成 “浅埋煤层岩层控制研究”，西安矿业学 院石平五教授等完成了全部总结。研究认为，基岩上覆盖层下部的基岩风化层及上部的 粘土层、沙砾层在一定的采高范围内可能形成上部大结构，对基岩小结构的载荷层形成 影响。在浅埋煤层的条件下，上部临时性大结构与下部小结构基岩的不同周期性，可能 会引起工作面周期不等距和来压强度的不等性，也可能会引起周期来压大于初次来压。 黄庆享教授在前人研究的基础上和不同条件的工作面实测结果揭示了浅埋煤层采场矿 压显现规律 把“关键层”理论和“砌体梁”理论应用在浅埋煤层的顶板控制研究的实践中， 提出浅埋煤层周期来压的“端砌体梁”结构和“台阶岩梁”模型[1]。 1.4 研究内容和技术路线 1.4.1 研究内容 （1）进行大量现场观测研究，揭示南梁矿 20115 综采面矿压显现规律； （2）采用相似材料模拟实验，搞清楚 20115 综采面覆岩结构； （3）运用理论分析，计算出支架合理工作阻力和老顶来压步距，从理论上揭示南梁 矿 20115 综采面矿压规律。 1.4.2 研究技术路线 如图 1.2 所示。 1 绪论 9 图 1.2 技术路线图 调研，查阅、搜集资料 设计相似模拟实 验平台 根据观测需要 现场布置测点 观测“三量” 分析实测数据 矿压规律 现场结论 相似模拟实验 分析实验数据 实验结论 理论分析 建立理论模型 数值分析 理论分析结论 西安科技大学硕士学位论文 10 2 南梁煤矿 20115 综采工作面开采条件分析 2.1 矿井概况及地质特征 2.1.1 矿井概况 陕西南梁矿业有限公司是于 1999 年组建的中外合资企业，公司具体负责南梁煤矿 出口煤基地开发项目的组织实施和生产经营， 矿井地处陕北侏罗纪煤田神府地方开采区 中部的神木、府谷两县交界处。最高处位于折家梁-神树梁一线，最低处则在盘区南部 边界黄羊城沟。 区内发育的近南北向沟流有小则沟， 红草沟等， 近东西向的有黄羊城沟， 杨山沟等。区内构造简单，地层走向北东，倾向北西，倾角平缓，一般 1～2，未发现 大的断裂和褶皱。井田面积 19.3364km2，矿井始建于 1987 年，原设计能力 0.15 Mt/a， 公司成立后从 1999 年 9 月开始对矿井进行 0.75 Mt/a 井型改扩建，于 2002 年建成并开 始试生产。2009 年布置第一个综采工作面。 南梁井田位于神府矿区新民开采区内，地处陕西省神木、府谷两县交界处的黄羊城 沟北侧，行政区划隶属府谷县老高川乡管辖。南梁煤矿矿区总的地形地貌特点属黄土丘 陵沟壑区，坡陡沟深，地形复杂，最高处位于折家梁-神树梁一线，最低处则在盘区南 部边界黄羊城沟。区内发育的近南北向沟流有小则沟，红草沟等，近东西向的有黄羊城 沟，杨山沟等。区内构造简单，地层走向北东，倾向北西，倾角平缓，一般 1～2，未 发现大的断裂和褶皱。 2.1.2 地质特征分析 本区属神府矿区， 是陕北侏罗纪煤田的一部分， 地层区域属鄂尔多斯盆地的东北部。 中生代后期，受燕山运动影响，陕北区域东部抬升，地层遭受强烈剥蚀，从而使地层自 东而西由老到新出露，大致呈北、北东向带状分布。区域地层由老到新依次为三叠系、 侏罗系、白垩系、第三系及第四系。 本井田除南部沿各支沟有基岩零星出露外，大部被第四系覆盖。井田地层由老到新 依次有 三叠系上统永坪组 （T3y） 、 侏罗系下统富县组 （J1f） 、 侏罗系中统延安组 （J1 2y − ） 、 第三系上新统三趾马组（N2）及第四系松散层（Q） 。 首采 2-2煤层覆盖层属于土基型，井田地形地貌属黄土丘陵沟壑区，坡陡沟深，地 形复杂。地层由老到新依次为三迭系永坪组、侏罗系下统富县组、中统延安组、新生 界第三系红土及第四系松散层。区内地质构造简单，倾角平缓，一般 1～2。根据 22 个 钻孔揭露，目前开采的 2-2煤层覆盖层中，正常基岩厚度 0～38m，平均 15.9m；风化层 2 南梁煤矿 20115 综采工作面开采条件分析 11 基岩厚度 0～30m，平均 14.5m，基岩总厚度平均 30.4m；松散层厚度 26～105m，平均 72m。 地质特征分类经常使用的方法有 3 种，一种是按照岩层的组成成分来划分，另一种 是按煤层的上覆岩层分布空间及其组合形态来划分， 还有一种就是按水环境与上覆岩层 厚度及土层厚度进行划分。榆神府矿区的地形地貌复杂，工程地质也相当复杂，其次按 主采煤层的上覆岩层分布空间及其组合形态特征来进行分类， 据此榆神府矿区将被划分 成五大类即砂土基型、砂基型、土基型、基岩型、烧变岩型，组成以上五类上覆岩层的 覆岩主要是砂砂层包括风积沙及萨拉乌苏组，土粘土隔水层主要指离石黄土及三趾 马红土，基指主采煤层上覆基岩。矿区从南向北、从西向东依次分布着砂土基型、土 基型、砂基型及少量的基岩型上覆岩层类型井田。其中南梁煤矿属于土基型浅埋井田。 榆神矿区地表粘土层是指由离石黄土和三趾马红土共同组成的粘土层， 其特征分析 如下 （1）离石黄土特征 离石黄土为浅棕黄、褐黄色亚粘土，其粒径基本上由 0.25mm 以下的颗粒组成以粉 粒0.05～ 0.005mm为主， 含量约 53～72者居多;砂粒0.05mm和粘粒0.05mm含量 相近，砂粒约占 10～25，粘粒约占 20～30，所以黄土具有粉质粘土的特性，且粉土 质特征显著，反映出了粉状性和大孔性。粉状性即表现出具有很强的流动性，粒间结合 小紧密，干燥时稍有连结，浸水后很快湿透成流沙状态，其可塑性小，透水性差。黄土 的基本工程地质性质如下 ①低密度、高孔隙率比重 Gs 为 2.54～2.84;干重度 Υd为 11.2～17.9kN/m3;孔隙度 n 为 33～64， 且常具有虫孔、 植物根孔等大孔构成垂直方向通道;孔隙比 e 为 0.45～1.50。 ②低含水量天然含水量 w 为 10～15， 常处于半固态或硬塑状态;饱和度 SR为 30～ 70。 ③低塑性液限 WL为 23～33，属中、低液限;塑限 WP为 15～20，塑性指数 IP 为 8～13。 ④较强透水性具有中等透水性，渗透系数 K 大于 10-3cm/s，有明显的方向性，垂直 向的渗透系数为水平