淺埋煤層采場(chǎng)礦壓規(guī)律及支架合理工作阻力研究

（陽(yáng)煤集團(tuán)一礦 山西 045000）

1.緒論

(1)選題背景

從國(guó)內(nèi)煤礦資源的情況來(lái)分析，我國(guó)是世界上少數(shù)以煤炭為主要能源的國(guó)家之一。隨著我國(guó)地質(zhì)工作人員的逐漸深入，在其他地區(qū)，也不斷有新的煤炭資源出現(xiàn)。由此可見(jiàn)，我國(guó)煤炭資源有著十分樂(lè)觀的發(fā)展前景。例如，我國(guó)西北地區(qū)的陜北侏羅紀(jì)煤田，該煤田表現(xiàn)為上覆基巖薄，厚沙土覆蓋層，呈現(xiàn)為典型淺埋煤層和近淺埋煤層兩種狀態(tài)。正是由于該煤層具備優(yōu)越的開(kāi)采條件、地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，因此，在開(kāi)采的過(guò)程中，可以采用綜合機(jī)械化長(zhǎng)臂開(kāi)采模式。通過(guò)開(kāi)采的實(shí)踐情況來(lái)看，在淺埋煤層工作時(shí)，有著明顯劇烈的礦壓，造成工作面部分支架被壓死。現(xiàn)如今，隨著我國(guó)對(duì)煤層開(kāi)采技術(shù)和支架支護(hù)能力的研究發(fā)展，使這種現(xiàn)象在實(shí)際的煤礦開(kāi)采中已得到基本的控制。但是由于在開(kāi)采途中加大了采高，因此，在淺煤層就會(huì)有強(qiáng)烈的礦壓出現(xiàn)，使支架在工作時(shí)遇到了更多的阻力因素，從而使煤礦開(kāi)采中支架的損壞率大大提升。由此可見(jiàn)，正是由于在實(shí)際開(kāi)采過(guò)程中存在礦壓和支架阻力等因素，而從根本上制約著對(duì)煤層工作的高效開(kāi)采。因此，為了有效的避免上述現(xiàn)象的發(fā)生，在實(shí)際開(kāi)采工作時(shí)，相關(guān)負(fù)責(zé)人應(yīng)該增加支架的支護(hù)能力，使支架的工作阻力得到有效提升，當(dāng)然，由于支架噸位的提高，使得支護(hù)投資力度在直線上升。可見(jiàn)，在今后對(duì)煤層開(kāi)采的研究上，應(yīng)該著重研究礦壓規(guī)律和支架的工作阻力。

(2)選題意義

對(duì)于煤炭基地的相關(guān)研究，能夠從一定程度上促進(jìn)我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)。因此，本文對(duì)煤層開(kāi)采礦壓規(guī)律和工作阻力的研究，有一定的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

2.淺埋煤層大采高工作面礦壓特征及影響因素分析

(1)采高及覆巖結(jié)構(gòu)組成對(duì)礦壓特征的影響

①支架工作阻力

圖1 支架工作阻力隨采高變化曲線

圖2 動(dòng)載系數(shù)隨采高變化曲線

如圖1所示，在實(shí)際煤層開(kāi)采的過(guò)程中，支架的工作阻力影響采高和覆巖的結(jié)構(gòu)組成。通過(guò)該圖能明顯看到，當(dāng)采高工作面支架為4米時(shí)，支架的平均工作阻力為5283kN/架，當(dāng)采高工作面支架為六米時(shí)，支架的平均工作阻力為7837kN/架，當(dāng)采高工作面支架為7米時(shí)，支架的平均工作阻力為11143kN/架。由此可見(jiàn)，隨著煤礦開(kāi)采采高的增加，支架的平均工作阻力呈現(xiàn)為非線性增加的狀態(tài)。

②動(dòng)載系數(shù)

如圖2所示，在實(shí)際煤層開(kāi)采的過(guò)程中，動(dòng)載系數(shù)也影響采高和覆巖的結(jié)構(gòu)組成。通過(guò)該圖能明顯看到，當(dāng)采高工作面為4米時(shí)，采高工作面動(dòng)載系數(shù)為1.13，當(dāng)采高工作面為5米時(shí)，采高工作面動(dòng)載系數(shù)為1.10，當(dāng)采高工作面為6米時(shí)，采高工作面動(dòng)載系數(shù)為1.36。由此可見(jiàn)，隨著煤礦開(kāi)采采高的增加，采高工作面動(dòng)載系數(shù)并不會(huì)隨著采高的增加而有明顯的變化。

(2)覆巖結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)規(guī)律

①典型淺埋煤層大采高工作面覆巖結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)規(guī)律

如圖3所示，在實(shí)際煤層開(kāi)采的工作過(guò)程中，由于采高工作面周期性的增加壓力，而使覆巖結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)為“懸伸巖梁”的結(jié)構(gòu)。

圖3 典型淺埋煤層大采高工作面“懸伸巖梁”結(jié)構(gòu)模型

②近淺埋煤層大采高工作面覆巖結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)規(guī)律

圖4 近淺埋煤層大采高工作面“臺(tái)階巖梁”結(jié)構(gòu)模型

如圖4所示，在實(shí)際煤層開(kāi)采的工作過(guò)程中，由于采高工作面周期性的增加壓力，也會(huì)使主關(guān)鍵層發(fā)生破碎，從而在離層區(qū)和壓實(shí)區(qū)這兩塊區(qū)域之間存在下沉的現(xiàn)象。

3.淺埋條件下上覆巖層破壞區(qū)域的劃分過(guò)程及各部分特征分析

(1)區(qū)域劃分及各部分的特征

隨著我國(guó)大型煤田的不斷開(kāi)發(fā)，在實(shí)際開(kāi)采的過(guò)程中，也會(huì)遇到一些難題。例如由于采高的增加，而使采場(chǎng)頂板出現(xiàn)了損壞，使開(kāi)采的問(wèn)題趨向于多元化和復(fù)雜化。首先，由于埋深較淺的原因，從煤層頂板的承受支撐壓力來(lái)看，由于煤層高度的增加，這一現(xiàn)象產(chǎn)生的破壞力度更為明顯。其次，冒落帶和斷落帶在不斷形成演變。所謂的冒落帶，它的本質(zhì)指煤層上方與煤層直接相鄰的巖層。在實(shí)際煤層開(kāi)采的過(guò)程中，由于開(kāi)采中破碎的比較充分，因此，煤層冒落后將主要填充在采空區(qū)。所謂的斷落帶，他的本質(zhì)是巖層在破壞過(guò)程中煤層的大塊斷落，這一部分的巖層碎脹系數(shù)小，同時(shí)，在斷落初期也有可能形成細(xì)小的結(jié)構(gòu)，在一定程度上來(lái)看，這種細(xì)小結(jié)構(gòu)對(duì)煤層開(kāi)采有一定的保護(hù)作用。但是這種細(xì)小結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性不高，在采場(chǎng)上容易受到?jīng)_擊而消失。

(2)“斷落帶”高度分析及“大結(jié)構(gòu)”形成的位置

在實(shí)際淺埋工作的條件下，影響冒落帶頂板巖層厚度的因素有許多，其中最主要的因素不是采高的高度，而是頂板巖層巖性和埋深。對(duì)于冒落帶區(qū)域而言，它的高度變化不大，因此，隨著采高的增加，冒落帶則不能填充冒落巖層和煤炭開(kāi)采所形成的空間。因此，這也從根本上影響著斷落帶巖層在破斷后增大自身的下沉量。同時(shí)由于斷落帶部分破斷快度大，當(dāng)破斷后，這塊區(qū)域逐漸穩(wěn)定，并排列相對(duì)整齊，因此，在煤層工作面上的覆巖層就不會(huì)形成三帶，而是形成冒落帶和斷落帶，正因如此，冒落帶和斷落帶這兩部分的出現(xiàn)，會(huì)形成保護(hù)煤層的大結(jié)構(gòu)，當(dāng)然隨著這兩部分高度的增加，會(huì)使這種大結(jié)構(gòu)的位置大幅度的向上移動(dòng)，甚至使這種大結(jié)構(gòu)消失。因此這也從根本上使支架承擔(dān)更大的載重量。

(3)形成斷落帶的條件

形成斷落帶需要的條件如下：

第一，破斷巖層的最終下沉量應(yīng)該小于破斷巖層的厚度。在實(shí)際煤層開(kāi)采的過(guò)程中，倘若破斷巖層具備十分龐大的下沉量，就會(huì)使巖塊在下落的過(guò)程中發(fā)生各種翻轉(zhuǎn)；第二，破碎巖層的下沉量應(yīng)該小于破斷巖塊長(zhǎng)度的1.4倍。這里的1.4倍是一個(gè)破斷限定條件，它可以用來(lái)約束破斷巖塊的回轉(zhuǎn)與變形，通過(guò)計(jì)算，能夠使其具備更小的回轉(zhuǎn)范圍，同時(shí)，也使其能夠在更高處無(wú)法形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

4.影響“冒落帶”和“斷落帶”高度的主要因素

(1)埋藏深度

在影響冒落帶和斷落帶高度的諸多因素中，其中，埋藏深度是最主要的一個(gè)因素。倘若在實(shí)際煤層開(kāi)采的過(guò)程中該區(qū)域的埋藏深度小，就會(huì)使地表的壓力相對(duì)較小，從而導(dǎo)致頂板破碎不充分。因此，在實(shí)際開(kāi)采的過(guò)程中，就不足以形成開(kāi)采的充足空間。同時(shí)，當(dāng)基本頂破斷以后，所形成的巖塊較大，在整個(gè)斷落區(qū)域內(nèi)碎脹系數(shù)小，因此，這從很大程度上使巖層在繼續(xù)破壞的過(guò)程不能形成大結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致在工作的過(guò)程中，工作面支架承受更大程度的載荷量。

(2)頂板各巖層巖性

在影響冒落帶和斷落帶高度的諸多因素中，其中，頂板各巖層的巖性起到了決定性的作用。從實(shí)際煤層開(kāi)采頂板破壞研究工作上來(lái)看，應(yīng)該以巖體的物理學(xué)性質(zhì)為出發(fā)點(diǎn)，這樣才能夠通過(guò)物理性質(zhì)去分析巖層之間的狀態(tài)和差異。同樣，當(dāng)淺埋條件的地壓比較小時(shí)，各頂板巖層的巖性起到了決定性的制約作用，例如，在開(kāi)采過(guò)程中，倘若在某個(gè)巖層間存在較厚的巖層時(shí)，將會(huì)使頂板的破壞范圍變得更大，同樣，也會(huì)出現(xiàn)更為劇烈的礦壓。

(3)其他因素

除了上述兩個(gè)主要因素以外，也存在其他的因素從一定程度上影響冒落帶和斷落帶的高度。例如，工作面長(zhǎng)度、工作面的推進(jìn)速度等因素，因此，在實(shí)際煤層開(kāi)采的過(guò)程中，應(yīng)該對(duì)眾多因素展開(kāi)研究，通過(guò)今后的工作充分了解這些因素對(duì)煤層開(kāi)采的影響。

5.結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在實(shí)際煤層開(kāi)采過(guò)程中，應(yīng)該結(jié)合眾多因素去分析，這樣才能夠根據(jù)礦壓規(guī)律和支架的工作阻力展開(kāi)研究，從而更好的實(shí)現(xiàn)煤層開(kāi)采的效率。