近浅埋煤层覆岩破坏规律研究
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摘要： 在国外煤矿开采中，自十九世纪初就开始对采场顶板岩层移动影响直至地表的移动理论进行初步研究。我国从上世纪90年代起也开始了“浅埋煤层岩层控制研究”，随着岩层控制方面研究的不断深入，产生了关键层理论。关键层理论是采场矿压、岩层移动和地表沉陷研究有机结合的纽带，在学术界和工程应用界得到了广泛的关注，尤其为浅埋煤层研究奠定了坚实的岩层控制理论基础。
Abstract： It has made preliminary study on stope roof strata movement affecting until surface movement theory since early19th century in foreign coal mining， and our country also started the "research of shallow buried coal seam strata control" from the 1990s. With the deepening of studying strata control， the key strata theory is emerged. The key strata theory is the link of the organic combination of research on mining pressure， strata movement and surface subsidence， which has been gotten extensive attention in academia and the engineering application circles， especially laid a solid strata control theory foundation for shallow buried coal seam research.
关键词： 浅埋煤层；矿压观测；关键层
Key words： shallow buried coal seam；mine pressure observation；key strata
中图分类号：TD82 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2012）33-0087-02
1.1 围岩变形分带理论 根据长期实践观测及理论研究，目前较为普遍认知是根据采场围岩的变形和破坏特征，将采空区上覆围岩分为“三带”，即冒落带、裂隙带、弯曲下沉带。
1.2 关键层理论
1.2.1 关键层 由于回采过程中，煤层上覆岩层受采动影响发生变形、离层等现象，我们把在岩体变形、离层、位移中起主要作用的岩层称为关键层。关键层的破坏会很大程度导致上覆岩层产生各种变化，甚至直接垮落。
1.2.2 关键层位置的判断 第一步强度判断：根据关键层的定义与变形特征，假设第一层为第一关键层，它的控制范围达第n层，则第n+1层成为第二关键层必然满足：qn+1＜qn（1）
式中：qn+1，qn分别为计算到第n+1层与n层时，第一层关键层所受载荷。
第二步破断距判断：按照是式（1）的原则，由下往上逐层判别，直至确定出最上一层可能成为关键层的硬岩层位置，设覆岩共有k层硬岩层满足式（1）要求。这些硬岩层还必须满足强度条件，即满足下层硬岩层的破断距小于上层硬岩层的破断距，lj＜lj+1（j=1，2，…，k）（2）
式中：lj为第j层的破断距：k为由式（1）计算确定的硬岩层层数。若第j层的硬岩层不满足式（2），则应将第j+1层硬岩层所控制的全部岩层载荷作用到第k层上，重新计算第k层硬岩层破断距后再继续判别。
2 枣泉煤矿概况及矿压规律研究
2.1 地形地貌 枣泉煤矿位于灵武矿区之内。矿区位于鄂尔多斯高原西南之一隅，多为低丘台地地貌景观，个别为低山地貌，位于走向呈南北的两山之间，东侧为四耳山，山势南高北低，主峰杨家窑位于南部，标高+1652.1m，北部标高+1500m左右。井田内广布有相对高差为20m左右的沙丘，由南向北渐低。南部碱水梁标高+1390m，北部标高+1330m；井田内最高点为+1435m左右，最低点为
+1300m左右（东部边界处）。地形总体比较简单。
2.2 地质构造 枣泉煤矿地处鄂尔多斯台缘褶带东侧中段，马家滩台陷中的磁萌断褶带北部。按地质力学观点，本区处于祁吕贺山字型构造的脊柱中段部位，故构造线方向均以南北向或近南北向为主。自北往南，构造趋向复杂，多数褶皱因受后期断层切割破坏，加剧了构造的复杂程度，矿区地质构造主要为褶皱和断层，根据地质勘查结论，矿区内主要断层有3条。
2.3 水文地质概况 井田内井、泉稀少，水量受降水季节影响，水质差，矿化度高，矿区内主要沟谷有西天河、碎石井沟和倒江沟。
2.4 岩石工程地质特征 井田内基岩褶皱平缓，断裂稀少，节理裂隙不发育，多为块状结构、岩石成岩程度低，极易风化，属半坚硬岩石。基岩之上覆盖着10m左右的松散风积沙层，随风迁移流动，未胶结成岩，是建筑基础开挖清除层。井田岩石工程地质属第三类二型，即工程地质条件中等的层状岩类型。
2.5 煤层顶底板特征 各煤层顶底板主要为炭质泥岩、砂质泥岩及粉砂岩。其中2#煤顶板以2～4m厚的炭质泥岩为主，次之为砂质泥岩，局部为粉砂岩。底板以厚3m左右的粉砂岩、砂质泥岩为主，泥岩次之。
2.6 首采工作面概况及矿压观测
2.6.1 工作面概况 枣泉煤矿2#煤层首采110201工作面走向长2950m，倾向长310.5m，所采煤层埋深在113～215m，厚度为7.16～9.28m，平均8.15m，倾角5°～30°。首采面于2010年3月10日开始回采。根据2煤开采条件，煤层为特厚煤层，首采区平均厚度8.15m，设计采用走向长壁大采高一次采全高综采开采，采高为6.0m。
2.6.2 矿压观测方法及数据整理
①观测方法。工作面支架编号由上风巷向下机巷从小到大依次编号1#～210#。工作面采用远红外智能监测系统，设5处观测站对顶板压力进行矿压观测。
②数据整理。2010年3月10号开始初采。对2010年3月23号至2010年4月30号工作面矿压数据进行了整理，期间工作面推进了224m，观测了280个正规循环。
2.6.3 采煤工作面矿压显现规律 由公式（3）计算的结果作为区分老顶来压与否的界限。经过对观测数据计算，绘制出2010年3月23号至2006年4月31号的5个监测站的5#支架、35#支架、65#支架、144#支架和159#支架的支撑力曲线图（见图1）。
pM=■D+？滓p（3）
式中：pM——判定老顶来压的工作阻力：
■D——观测期间全部支架阻力平均值：
？滓p——支护阻力均方差。
①初次来压。2010年3月10日，110201综采工作面进行开采，2010年3月23日工作面从5#支架至上出口处直接顶垮落，垮落声音不明显，垮落速度较快，直接顶垮落的步距为18m。3月28日，工作面老顶全部垮落，初次来压步距为29m。
②周期来压。从工作面支架工作阻力曲线图分析，认为距工作面上下区段巷道较近的顶板有明显的周期来压，周期来压步距变化大，步距13.8～33.5m（见图1a）；中间顶板周期来压不明显的，来压步距变化小，步距7.4～24.2m（见图1c）。
③通过矿压显现规律研究分析后，认为枣泉煤矿110201首采工作面开采后上覆岩层破坏运动形成了“三带”。根据现有的理论经验分别确定“三带”的高度。
④通过矿压规律研究，证明工作面推进过程中，上覆岩层有离层显现出现，覆岩下沉变形不一致，具有关键层破坏运动的特征。直接顶为第0层，老顶为第1层，依次往上为第1层、第2层、第3层……第11层。
通过理论公式计算最后，认为直接顶的破断距是17.2m。工作面上覆岩层中存在4个关键层。
3 结论
本文对神东宁夏煤业集团灵武矿区枣泉煤矿2号煤层首采工作面上覆岩层破断规律进行了研究。主要有如下结论和认识：
3.1 枣泉煤矿2号煤层首采工作面上覆基岩层比较厚，松散载荷层比较薄，并且煤层埋深在115～215m。根据我国对浅埋煤层的研究状况和掌握的现场资料，分析后认为该首采煤层属于近浅埋煤层。
3.2 对枣泉煤矿2号煤层首采110201工作面的矿压规律分析后认为：工作面初次来压步距为26m；工作面中间顶板周期来压不明显，来压步距6.4～19.2m；工作面两头顶板有明显的周期来压，周期来压变化大，步距12.8～32.0m。
来压期间的支架工作阻力一般不超过额定工作阻力，支架控制顶板的高度小于6～8倍采高。
3.3 根据判断关键层位的公式，确定工作面上覆岩层存在4个关键层，进而从理论上给出了工作面上覆岩层破坏的过程和机理。
参考文献：
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