大采高綜采面關鍵層結構形態及對礦壓顯現的影響分析

馮雪

摘要：大采高綜采技術作為一項新型煤炭資源開采技術，在我國各大煤礦得到了深入應用，在這一工藝運用過程中同時出現了很多新問題。文章結合科學理論開展實踐實驗分析了大采高綜采面關鍵層結構形態以及這一結構形態對礦壓顯現的影響，并對采煤設施、礦壓以及頂板控制等相關技術進行了探究。

關鍵詞：大采高綜采面；關鍵層；結構形態；礦壓顯現

中圖分類號：TD323 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）28-0125-02

大采高綜采面是指采煤高度大于3.5～5m的綜采，其礦壓現象卻出現一系列問題，這些問題會影響煤礦采煤工作效率，甚至會引發非安全問題，因此，必須明確在各個情形下，大采高綜采面關鍵層的結構形態，以及它們對礦壓顯現所造成的影響，掌握蘊含在其中的科學原理，只有這樣才能高效解決具體的采煤工作中遇到的各種問題，才能提高采煤效率和采煤質量。

1 大采高綜采面關鍵層結構形態

1.1 關鍵層懸臂梁結構

采煤場中巖層覆蓋與變化規律通常被總結成“三帶理論”，具體工作中煤炭資源采集高度從根本上影響著巖層三帶的分布狀況。其中關鍵層通常位于三帶中的地方，這從根本上影響了關鍵層出現破損或斷裂時所呈現的結構特點與形態特征。大采高綜采面覆巖垮落帶由于高度較高，通常會由于回轉量規模巨大而影響砌體梁結構的牢固度，而形成“懸臂梁”結構，這樣才可以使位于更高層面的關鍵層鉸接成為牢固的砌體梁構造。

為了說明并驗證這一理論的科學性，下面逐步進行分析、探究與驗證，分別對3m與7m采高度開展了相同條件下的實驗。

創設一個重力應力條件，選擇平面應力模型架來開展實驗，模型架的具體規格架構如下表1所示：

表1

模型架 長度 寬度 幾何相似比 應力相似比 密度相似比

規格 120cm 8cm 1/100 1/125 1/1.25

兩種采高方法對應覆巖賦存均相同，兩個高度的采高實驗都是自模型左側開啟的，同時也要將模型的兩邊分別留出10cm寬度，充當邊緣煤柱。

采煤層高度在3m，亞關鍵層1呈現出相對牢固的砌體梁架構。

采煤層高度在7m，亞關鍵層1形成了懸臂梁架構。

對應的上級層面亞關鍵層2則呈現出了牢固的砌體梁構造。

很顯然，當關鍵層與煤層之間間隔較大時，關鍵層勢必要在覆巖裂縫縫隙中形成較為牢固的砌體梁構造。由此可見，采煤高度越高，關鍵層的位置則相對越低，這樣非常容易出現懸臂梁構造，所以，當采煤高度在3m時，亞關鍵層1需要達到相關要求才可以呈現出懸臂梁構造。

1.2 關鍵層“懸臂梁”構造的形成條件

根據上面的實驗探究能夠發現：工作面采高、關鍵層的位置這兩大方面都影響著關鍵層的形態與結構。正是因為關鍵層破損與斷裂塊的回落量遠遠超出了穩定數值范圍，才導致了其最終以懸臂梁的構造形式垮掉并

降落。

由此可見，通過觀察與分析破損塊或斷裂塊的回轉量能夠科學而準確地斷定關鍵層有無懸臂梁構造出現。下圖1表示關鍵層回轉空間圖示：

圖1

此時直接頂垮落后同上部關鍵層的空間位移量用下面公式表示：

Δ=m+（1-kP）∑hi

其中Δ代表破斷塊的可回轉量；m代表采煤層的高度；kP代表直接頂垮落巖體破碎系數；∑hi則代表直接頂的寬。

當關鍵層破斷塊可以被成功鉸接，并打造出合格牢固的砌體梁時，假設其要求的回轉量為Δ最大，如果Δ>Δ最大，關鍵層必將在垮落縫隙中形成懸臂梁

構造。

2 大采高綜采面關鍵層結構形態對礦壓顯現影響分析

在采煤覆巖出現破損或斷裂等問題時，就會導致采面的礦壓顯現，直接影響著顯現覆巖層動態的規模與程度。這其中關鍵層作為整個的覆巖層中的重要一層，發揮著調控巖層動態變化的功能，關鍵層的破碎或斷裂會在很大程度上影響采煤作業面的礦壓顯現。尤其是高度較大的采面，頂板會在很大空間范圍內發生垮落，對應巖石中的關鍵層也會發生變化，由此會導致工作面的礦壓顯現也出現特殊變化，以下分析了關鍵層結構形態與礦壓顯現之間的關系。

2.1 關鍵層懸臂梁結構對礦壓的影響

從上面的理論與圖示可以看出：所謂的“懸臂梁”構造同“砌體梁”構造有很大不同，具體體現在：砌體梁結構更加完整、約束力良好、形態保存完好，而懸臂梁則相對較差，最顯著的不同體現為懸臂梁約束力不足。相比之下，懸臂梁結構出現破損或斷裂，能夠在更大的空間范圍內進行回旋，采煤區域的支架頂梁要徹底超越關鍵層破斷線，這樣破斷塊體出現回轉時才不至于為支架帶來壓力，這時候的采煤面也不會有更多壓力來襲。具體的過程如下圖2所示：

圖2

采煤面受到壓力壓迫的持續長度可用以下公式表示：

LC=LM+∑hicotɑ

以上公式中：LC代表采煤面所受壓力持續長度，LM代表支架控頂距離，α代表直接頂垮落角。當關鍵層超前煤壁出現破損或斷裂，那么以上公式中就要額外添加一個量，那就是超前破斷距，然而，因為加號后面的數值變化范圍較小，總的來看關鍵層懸臂梁結構出現破損或斷裂的情況，所以，LC的數值通常與LM更為接近。如果是普通的采煤高度，關鍵層的砌體梁結構出現動態變化時，破斷塊的回轉規模不大，同時在后面關鍵層破斷塊體的影響與作用之下達到最終的穩固模式，也就是采煤面只需被推動很小的程度，之后的壓力就會減少許多，所以，與普通的采煤高度相比，大采高綜采面關鍵層懸臂梁構造所要承受的壓力范圍更廣、面積更大、持續時間也會更長。

2.2 亞關鍵層2對礦壓的作用

通常，與普通的采煤區相比，大采高采區覆巖垮落帶很高，此時居于下方的亞關鍵層1就可能落到垮落縫隙內，然而，上方相鄰的亞關鍵層2通常位于裂縫內，當兩個關鍵層之間的空間達到某一標準時，上方關鍵層2出現破碎與斷裂等現象就會為亞關鍵層1帶來影響，也會造成其同樣斷裂或破碎，這樣就會在很大程度上工作面礦壓顯現。

通常條件下，都是亞關鍵層1更及時也更加容易出現破損與斷裂現象，在此基礎上采煤活動在其所在層面上開展一些距離，對應的亞關鍵層2也就隨之出現破損或斷裂，即使亞關鍵層1沒能達到破損與斷裂的標準，也會在亞關鍵層2的影響之下事先出現問題，甚至會縮小采煤面來壓步距，更重要的是這種情況所造成的壓力大小或程度會更大，因為這種壓力來自與兩個亞關鍵層相關的位置。

如果一直依照這個程度破損或斷裂，可能會導致采煤面來壓步距與壓力持續長度呈現大小反向動態變化

趨勢。

在這一過程中，亞關鍵層2的破碎與斷裂具有非常大的作用，其影響著亞關鍵層1的變化。

3 結語

本文分析了大采高采面關鍵層結構常常呈現為懸臂梁結構，及其結構形態與結構特征，并探究了這種懸臂梁結構對采煤場煤礦壓力的影響，各大采煤場要明確懸臂梁的結構形態，以及它們會對礦壓產生的不良影響，從而有針對性地控制不良因素，提高采煤工作效率與

效果。

參考文獻

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