三道沟煤矿浅埋大采高开采覆岩来压规律研究

高国生、霍雷敏

（陕西德源府谷能源有限公司三道沟煤矿  陕西 府谷 719407)

摘  要：运用实用矿山压力理论，通过矿压观测试验，系统地揭示了大采高采场的覆岩运动规律，随着工作面的推进，整个上覆岩层的破坏范围逐渐上升，一直贯穿地表(埋深150m)，当工作面推进到300m 时，经历了1次初次来压，8次周期来压，初次来压步距约为96m，周期来压步距约为25m。

关键词：矿山压力理论;  大采高采场;  覆岩运动 ; 周期来压

0 引言

目前，国内大采高一次采全厚开采应用相对较多，已经开采的5.0m以上大采高工作面主要集中在晋城矿区、宁东矿区，开采过程中常出现煤壁片帮，或者在顶板坚硬条件下压死支架、加剧片帮和形成底鼓。三道沟煤矿5^-2煤层开采，由于采高大，垮落带高度、上覆岩层的运动规律必将发生显着的变化，特别是煤壁片帮、支架可靠性(稳定性)等问题将更加突出，给工作面安全生产带来了新的问题，并且在坚硬顶板条件下开采，更具有复合劣势。

因此，针对三道沟煤矿浅埋大采高开采厚砂岩顶板控制技术研究内容，综合采用理论分析和工程实测等研究手段，深入研究大采高采场覆岩运动规律，分析大采高采场矿压显现规律，构建大采高采场的灾害预防与围岩控制技术体系，为大采高煤层的安全、高效开采提供技术保障具有重要的理论意义和实践价值。

1 大采高85201工作面地质特征

大采高85201面是八采区首采面，开采5^-2煤，煤层厚度6.48-6.95m，采面以南为矿井三条主大巷，西为85202辅运顺槽，北为矿井边界。

该面煤层顶板大部为灰白色细粒砂岩，局部夹深灰色泥岩，成分以石英为主，长石次之，含少量暗色矿物及白云母，分选性中等，次圆状，含碳屑及植物化石。老顶为砂岩1.5m，灰-灰白色细砂粉砂岩，层理明显，钙质或泥质胶结。直接顶为粉砂质泥岩3.5m，浅灰-深灰色泥岩，局部有泥质粉砂岩，水平层理，含植物化石。直接底为砂岩8.0m，灰白色粉砂岩，层理明显。

表1 煤层顶底板情况表

工作面位于井田北翼隆起构造的西南侧，煤层近水平，总体为东北高，西南低，由东向西，煤层以0º8′40″—0º22′13″的坡度向西南渐过度至向西北倾斜，局部有一定的起伏。无断层，节理裂隙构造局部发育，地质构造简单。

2  85201大采高工作面采场矿压观测

2.1矿压观测设计

地表沿纵向(沿推进方向)布设两条测线，沿横向(垂直推进方向)布设两条测线，对于地表的沉降及覆岩的离层，采用YHD-50型电阻式位移传感器，外接YE2539高速静态应变仪进行测定及采用全站仪进行地表观测，具体见图1～2所示。

采场两侧按照井字方式沿纵向(沿推进方向)布置两条测线，沿横向(垂直推进方向)布设四条测线，埋设压力传感器，外连YE2539高速静态应变数据采集系统。

图1 位移传感器布置图                        图2 地表测点布置图

上覆岩层运动及地表沉陷均可通过压力传感器及位移传感器的变化反映出来。通过YE2539静态数据采集系统，可自动进行模块识别，读入相应传感器数值。进行相应处理，形成EXCEL数据库文件。

2.2覆岩运动规律试验过程及分析

工作面自2012年5月16日开采，于2013年5月21日结束。每天推进12m，共推进312m。

当工作面推进到48m时，直接顶开始垮落，推进到96m时，直接顶垮落基本完毕，基本顶初次裂断，直接顶垮落高度大约为14.2m，工作面推进方向及倾斜方向的垮落角度均为58.1°。

当工作面推进到120m时，基本顶周期裂断，裂断继续向上发展，角度为60.2°。

当工作面推进到156m时，基本顶周期裂断，并在其上部产生离层，离层最大达到0.9m，垮落角度约为60.8°。

当工作面推进到252m时，基本顶裂断继续向上发展，并产生明显的拱状，上部产生明显的离层。此时裂断拱高约为工作面长度的0.5倍，即125m，垮落角度大约为62°。

当工作面推进到300m时，基本顶周期性裂断，其裂断位置为上部产生明显离层的位置，垮落角度约为64.1°。

随着工作面的推进，整个上覆岩层的破坏范围逐渐上升，一直贯穿地表(埋深150m)，当工作面推进到300m 时，经历了一次初次来压，八次周期来压，初次来压步距约为96m，周期来压步距约为25m。

2.3采动覆岩破坏规律分析

直接顶的破坏规律：直接顶的破坏随采场的推进处于不断的变化过程中。在一般情况下，直接顶中直接赋存于煤层之上的岩层在整个开采过程中随工作面的推进，一直呈不规则冒落，即冒落后散乱的堆积在采空区中，并逐渐被压实。直接顶的其它部分，基本上呈规则垮落，即垮落后能保持原来的层序不变。但是直接顶的厚度和组成随工作面推进速度和工作面地质条件的变化，其厚度和组成也是不断变化的。随着工作面的推进，工作面煤层顶板岩层，经历了采动集中应力作用，断裂裂缝密集，离层裂隙长度和高度增大。其下覆岩组的挠曲变形下沉加剧，在岩组挠曲下沉过程中其组内岩层再依据岩性和厚度的不同依次发生离层，直至垮落，而采动覆岩中岩组之间的离层秩序仍然是自下而上的。

基本顶的破坏规律：采场的上覆岩层的运动破坏呈现分组运动，即一组岩层以其下位的一个厚硬岩层为依托，产生协调一致的运动。一般情况下上覆岩层并不是简单的一层一层由下而上运动，而是形成的一个个组合结构由规律的运动，也可以认为覆岩就象一系列薄厚不均匀的岩板的有序叠合；通常离层现象均出现在较坚硬岩层或几个连续岩层组合起来的较硬岩层阻的下方，这说明硬岩层或者组合起来的岩层在岩层移动过程中起着主导作用。把上述这种岩层组合结构的运动机制抽象成在开采扰动下发生的多组合结构的弯曲组合，由于在组合结构中岩层挠度一般不同，故在组合结构中及组合结构间不可避免要产生离层。岩层组合结构的判断：当＝(、分别为上下岩层的最大挠度)时两岩层同步运动，故属同一岩层组合结构；当<时，两岩层分别运动，故不属同一组合结构，而是组合结构之间的分界，即离层可能发生的层位。

观测试验：从实验可以看出，随工作面推进，离层裂隙范围增大、高度增加。离层裂隙区与工作面边界在采空区一侧煤层之间具有一定的夹角，我们称之为离层裂隙角。当工作面开采宽度较小时，该角较小；随着工作面推进该角逐渐增大并渐趋稳定，且工作面两侧离层范围角大致相同。随工作面推进离层裂隙范围，高度增加，其与工作面之间近于线性关系，当发育到硬岩底部时，由于厚硬岩层的支撑作用，离层裂隙不再增加。在工作面推进过程中，若岩性较软，离层裂缝发育高度大；若岩性较硬，离层发育高度较小。但是，离层发育高度并不是无限制的向上发展。因为每组(层)岩层都会因离层和裂隙的发育而产生一定的碎胀，因此可以从理论上推导出，在采场中，当上覆岩层没有碎胀空间时，上部岩层就不会再产生离层裂隙。离层发展的高度就会在某高度时趋于稳定，不再向上发展，而本实验由于埋深较浅，因此，发育一直贯穿地表。

3  结论

发生离层的位置主要在一些厚硬岩层的底部，而离层量的大小随工作面的推进，其离层量、离层最大值位置是不断变化的。从本次观测试验中，我们可以得知基本顶的初次来压为96m左右；基本顶周期来压为25m左右。

参考文献：

[1]弓培林,靳钟铭.大采高采场覆岩结构特征及运动规律研究[J].煤炭学报,2004，29(1):7-11.

[2]弓培林.大采高采场围岩控制理论及应用研究[M].北京:煤炭工业出版社,2006:11-22.

[3]胡国伟,靳钟铭.大采高综采工作面矿压观测及其显现规律研究[J].太原理工大学学报,2006,37(2):127-130.

[4]罗文.浅埋大采高综采工作面末采压架冒顶处理技术[J].煤炭科学技术2013,41（9）:122-125.

[5]黄庆享.浅埋煤层的矿压特征与浅埋煤层定义[J].岩石力学与工程学报,2002,21（8）:1174-1177.

[6]钱鸣高，石平五.矿山压力与岩层控制[M].徐州:中国矿业大学出版社,2003:69-93.

[7]付玉平,宋选民,邢平伟,等浅埋厚煤层大采高工作面顶板岩层断裂演化规律的模拟研究[J]煤炭学报,2012,37(3):366-371.

[8]郭保华,涂敏.浅谈我国大采高综采技术[J],中国矿业,2003(10),40-42.