凉水井煤矿综采面矿压规律及顶板管理研究.pdf

论文题目凉水井煤矿综采面矿压规律及顶板管理研究 专 业矿业工程 硕 士 生马 俊 （签名） 指导教师李龙清 （签名） 校外教师南海云 （签名） 摘 要 凉水井煤矿位于陕西省神木县境内，该矿主采煤层 4 -2 煤属埋深浅、薄基岩、上覆 沙土层厚的浅埋煤层。在相邻矿井开采过程中，发现 4 -2煤综采面来压时矿压显现剧烈， 顶板下沉量大，台阶下沉明显，支架工作阻力剧增，严重影响工作面正常生产，威胁人 员安全。为了有效减缓工作面生产过程中矿压显现带来的危害，确保凉水井煤矿井下工 作人员和设备安全，保证正常回采，本文对凉水井煤矿 42101 工作面矿压显现规律及控 制方法进行了分析和研究。 根据凉水井煤矿 42101 综采面地质条件及开采技术条件，本文利用理论计算、相似 材料模拟实验和数值软件模拟等方法研究顶板来压规律，得出最佳强制放顶距离，顶板 初次来压距离，周期来压步距，液压支架，工作阻力等数据。 为验证上述数据，42101 综采面正常生产后，在井下设置矿压观测站，对支架、顶 板进行实时监测。通过实测发现在工作面推进 20m 时，在切眼处进行强制放顶，可有 效避免顶板初次来压；顶板周期来压为 19.5m 左右，滞后于回采速度；支架平均工作阻 力为 5744.51kN～6694.19kN， 基本满足顶板控制需要。 通过对比， 实测数据与理论计算、 相似材料模拟和数值模拟的结果基本一致。 本文通过对 42101 综采面强制放顶距离、周期来压步距和支架参数等数据的计算及 研究，结合正常生产后实测结果，提出了减缓顶板初次来压强度及顶板控制等方法，为 工作面安全开采奠定了良好基础，并为凉水井煤矿 4 -2 煤层其他工作面顺利回采提供了 参考依据。 关 键 词凉水井煤矿；综采面；矿压规律；支架参数； 研究类型应用研究 Subject Research of Full Mechanized Working Face Mine Pressure’s Regularity and Roof management on Liang Shuijing Coal Mine Specialty Mining Engineering Name Ma Jun （（Signature）） Instructor Li Longqing g （（Signature）） External InstructorNan Haiyun （（Signature）） Abstract Liang Shuijing coal mine located at Shenmu Shaanxi province.The main seam of this coal mine is 4-2 which low depth，thin rock，thick sand and soil as shallow seam.In the mining process of around mines，found when 4-2 mine full mechanized face strata press appears，roof subside amount large，steps sinking obvious，hydraulic support working resistance increase， mine pressure revealed intense， serious threaten the normal production of mining face and personal security. This paper make Liang Shuijing coal mine 42101 full mechanized working face as research object.According to the geological conditions and coal seam characteristics， depends ground control theory，using theoretical calculation，similar material experiment and numerical software simulation s to study roof pressure regularity，obtains a lot of datas ,as the best distance to compulsory caving；roof periodic press step distance；hydraulic support work resistance force. In order to test above datas， after 42101 working face normal produce， set mine pressure observatory， to monitor the roof and supports.Though the measured found that far from face 20m，make compulsory caving，which can effectively avoid roof first caving；roof periodic caving distance around 19.5m，slow than mining speed；supports average resistance force is 5744.51kN～6694.19kN，it is mainly meet the necessary of roof pressure control.By comparison，the measured data and the theoretical calculation results，similar material simulation and numerical simulation endings are largely same. This article through calculate and research to 42101 working face compulsory caving distance，periodic press step distance and supports parameters，combined measured results after normal production，put forward the s to avoid first roof press appears and roof control，provide a good foundation to working face safety，and reliable experience to other working face safe produce of 4-2coal seam. 2 Key wordsLiang Shuijing coal mine，Full Mechanized Working Face，Mine Pressure’s Regularity，Hydraulic Support Parameters Thesis Application Research 目录 I 目 录 目 录 1 绪论....................................................................1 1.1 选题背景及研究意义..................................................1 1.1.1 矿井概况.........................................................1 1.1.2 研究意义..............................................................................................................1 1.2 国内外研究现状及趋势.............................................................................................2 1.3 研究方案和技术路线.................................................................................................5 2 42101 综采面顶板运动规律理论计算 ........................................6 2.1 关键层判别..........................................................6 2.2 基本顶初次断裂步距确定..............................................9 2.3 基本顶周期来压步距确定.............................................12 2.4 合理放顶距离确定...................................................13 2.6 本章小结...........................................................15 3 42101 综采面顶板运动规律相似模拟研究 ...................................16 3.1 相似材料模拟模型建立...............................................16 3.2 相似材料模拟实验参数的确定.........................................18 3.3 平面模型测点布置和观测.............................................19 3.4 相似模拟实验结果分析...............................................20 3.5 本章小结 ...........................................................23 4 42101 综采面顶板运动规律数值模拟研究 ...................................24 4.1 数值模拟软件简介...................................................24 4.2 数值模拟模型建立...................................................25 4.2.1 模型边界条件....................................................25 4.2.2 模型单元划分....................................................25 4.2.3 数值计算技术路线................................................26 4.2.4 模拟步骤及模拟过程监测..........................................27 4.2.5 模拟方案........................................................27 4.3 数值模拟结果分析...................................................27 4.3.1 矿压显现规律....................................................27 4.3.2 合理初次放顶距分析..............................................29 4.3.3 合理支架阻力分析................................................35 4.4 本章小结...........................................................38 5 42101 综采面顶板运动规律实测与分析 .....................................39 5.1 矿压观测方案.......................................................39 5.1.1 矿压观测的内容和实施步骤........................................39 西安科技大学工程硕士学位论文 II 5.1.2 测站布置........................................................40 5.1.3 矿压现场观测方法................................................40 5.1.4 观测工作时间安排................................................41 5.1.5 观测表格和监测日报样表..........................................41 5.2 矿压观测与分析.....................................................43 5.2.1 首采面宏观观测分析..............................................43 5.2.2 支架工作状况分析................................................46 5.3 42101 工作面矿压显现规律 ..........................................48 5.4 本章小结...........................................................51 6 结论...................................................................53 致 谢...................................................................54 参考文献.................................................................55 附 录...................................................................57 1 绪论 1 1 绪论 1 绪论 1.1 选题背景及研究意义 1.1.1 矿井概况 凉水井煤矿位于榆神矿区二期规划区东部， 行政区划隶属陕西省榆林市神木县瑶镇 乡、 麻家塔乡及西沟乡管辖。 井田北部与神东矿区红柳林井田及东湾小煤矿开采区相接， 东与梁家村井田毗邻，西与榆神矿区锦界井田相连，南与薛家村小煤矿开采区及香水河 井田为邻。井田东西宽 5～10km，南北长 4.3～l0.8km，面积约 73.2km 2。 根据煤炭工业西安设计研究院井巷初步设计，凉水井煤矿开采以斜井方式开拓，工 业场地布置在黄土庙火车站附近，主、副斜井井口位于场地北部。由西向东依次为一号 回风斜并、主斜井、副斜井。 凉水井井田位于榆神矿区东北部，井田内地层平缓，倾角不足 1 o, 构造总体趋势为 倾向 NWW 缓单斜构造，在此基础上发育一些极其宽缓的波状起伏，根据钻孔连线剖面， 地层倾角平缓，未发现构造异常，亦无岩浆活动。根据邻近小煤矿调查及井田地址勘探 资料，本区瓦斯成分（CH4）含量极其微弱，瓦斯分带属 CO2-N2，无瓦斯危险，无地热危 害。 421采区位于井田的东南部，主采煤层为4-2号煤，煤层厚度由东向西逐渐变薄，变 化范围大约2.65～3.65m，首采区内布置有四个钻孔。采区东西长度2km，42101综采工 作面长度为200m，工作面端头、机头过渡段布置4个ZYG8600/17.5/35支架，机头端头布 置了3个ZYT8600/17.5/35型支架，工作面ZY8000/17.5/35型基本支架117个，采煤机选 用MG650/1620-WD。 1.1.2 研究意义 煤炭作为我国的主要能源，在国民经济发展中占有十分重要的战略地位。据 1992 年的统计， 煤炭已占全国一次能源消费的 75左右； 1995 年我国原煤总产量达 12.64 亿 吨；2030 年国内对煤炭的需求量可能会超过 20 亿吨。新疆、内蒙古、山西和陕西西部 四省区的煤炭资源占全国煤炭资源总量的 81，为满足目前及未来市场对煤炭的需求， 确保国民经济正常发展，我国已经开始大规模开发西部煤田。目前在建或投产的矿区有 神东、华亭、灵武、黄陵、榆神、彬长等，这些煤田在开发初期大部分以开采埋藏较浅 的浅部煤层为主，最典型的就是神东、榆神煤田，其煤层赋存稳定，倾角平缓，非常适 合进行大规模综合机械化开采 [1]。 长壁开采一直是我国和欧洲产煤国家的主要采煤方法，近年来，传统上以使用连续 采煤机按房柱式开采的美国也在大力发展高产高效的长壁式开采。 大型浅埋煤层开采在 世界上并不多见，国外仅有莫斯科近郊煤田和美国阿巴拉契亚煤田，因此，在确定浅埋 煤层大规模综合机械化开采的配套技术上没有太多的经验可以借鉴。众所周知，影响综 采配套技术的主要因素有采场矿压规律及控制技术、综采设备的选型、回采工艺、回采 巷道的支护等。由于凉水井矿区煤层具有浅埋深、厚风积沙覆盖、薄基岩的特殊地质条 件， 所以， 必须结合这些特点， 有针对性地对凉水井矿区首采工作面矿压规律进行研究， 对液压支架进行合理选型，提高综采设备选型的科学性，增加设备配套的合理性，增强 西安科技大学工程硕士学位论文 2 综采设备的适应能力，以期取得最佳的效果。 凉水井矿区开发与建设的目标是建成较大规模、装备、效率和效益达到领先水平的 现代化能源矿井，矿区煤层埋藏浅、顶板基岩薄、上覆沙漠覆盖层，开采中顶板来压剧 烈。鉴于国内外对此种赋存条件下综采配套技术缺乏系统、深入的研究，因此论文的研 究具有重要的理论和应用价值。 1.2 国内外研究现状及趋势 大型浅埋煤田在世界上不多， 国外较为典型的是莫斯科近郊煤田和美国阿巴拉契亚 煤田，印度和澳大利亚也在进行浅埋煤层开采，埋深在 100m 以内，这些国外矿区的地 表主要为表土层。对于浅埋煤层矿压显现规律研究最早的是前苏联的 M 二秦巴列维奇， 它根据莫斯科近郊浅埋深条件提出了台阶下沉假说，认为当煤层埋藏较浅时，随工作面 推进，顶板将呈斜方六面体沿着向煤壁的斜面而跨落直至地表，支架上所受的力应考虑 整个上覆岩中的作用 [2]。 80 年代初，澳大利亚.B 霍勃尔依特博士等对新南威尔士安谷斯坡来斯煤矿浅部 长壁开采的一些矿压现象进行了实测， 发现浅埋煤层综采工作面上覆岩层断裂垮落过程 和一般深部开采条件不太一样，浅埋开采工作面上覆岩层垮落带与裂隙带交叉，裂隙带 本身比较厚，但裂隙发育，形成周期性断裂，步距较短，具有裂隙较密集的特点 [3]。 1995 年印度辛格南尼煤炭公司从中国煤矿机械装备集团进口公司CME购置 2 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。研究表明浅埋煤层工作面伪顶、直接顶和老顶由下向上离层，沿工作面长度 方向，分段断裂和跨落，来压显现为煤壁前方顶底板移近速度增大，地表缓慢下沉并呈 周期性的产生裂缝，周期来压步距与地表裂缝间距一致 [3]。 在国内，对于浅埋煤层矿压研究最早的是西安矿业学院，系统全面的对陕北神府矿 区浅埋煤层进行研究。1990 年，西安矿业学院的侯忠杰教授对华能精煤神府公司大柳 塔煤矿 C202 试采工作面进行了实测。实测表明，平巷矿压显现缓和，但工作面周期来 压明显，有明显的台阶下沉现象，台阶下沉量达 300～600mm。通过实测使人们意识到 埋藏浅并不等于矿压缓和，需要对浅埋煤层问题进行研究。通过对 C202 试采工作面相 似模拟研究得出在采高 3m、4m、5m 条件下顶板初次和周期破断都表现为基岩一次性 全厚破断，工作面来压过程中有明显的台阶下沉最大达 10m，来压显现剧烈。采高 3m 和 4m 时沿煤壁的贯通裂隙在基岩下部闭合，工作面被溃沙埋没的可能性较小 [4]。 1993 年底，侯忠杰教授采用有限元数值计算对厚松散层下浅埋煤层开采进行分析， 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 覆岩层发生了变化；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在此不适用，工作面支护强度对基岩破坏及台阶下沉有明 显影响。1994 年初侯忠杰教授等又对石圪台煤矿 111～202 高产高效工作面进行了“支 架-围岩”关系大型立体模拟，研究认为基岩厚度与采高之比 Km≤9 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。当工作面正 常速度推进时，工作面顶板破断形式为基岩全厚切落，支架压力比较大；当 Km≥9 时， 则出现分层冒落，切落现象不明显，推进速度快（大于 10m/d）或 Km＞9 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 [4]。 1995 年，侯忠杰等教授对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，研究转入对顶板破断机理及其控制的探 1 绪论 3 讨与认识。研究认为，防止工作面出现架前切落应具备两个条件首先是顶板基岩厚度 满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；其次工作面支架 要有足够大的支护阻力和初撑力，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、厚松散层下开采覆岩运动破坏特点及矿压显现的主要因素。 1996 年 6 月，西安矿业学院石平五、侯忠杰教授等主持完成的煤炭科学基金项目 “浅埋煤层矿压显现与岩层控制研究” ，该项目是对西安矿业学院开展浅埋煤层矿压研 究以来的总结和提高。报告认为，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。引 伸到浅埋特定条件下，上部临时性大结构与下部基岩结构的不同周期性，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，还提出了基岩切落后运动的概 念，认为当液压支架有足够的初撑力时，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 [5]。 1999 年以来侯忠杰教授在钱鸣高院士提出的“关键层理论”基础上提出了“组合 关键层”理论，用“组合关键层”判据深入、系统地研究了浅埋煤层顶板控制理论。研 究认为，对于一般的浅埋煤层，煤层顶板某几层岩层形成组合关键层，不仅要满足刚度 条件，而且还要满足来压强度要求。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。组合关键层厚度大，因而岩柱断裂度大，岩柱结构不易发生回 转失稳。同年黄庆享等教授对浅埋煤层采场老顶周期来压的结构进行了分析，通过现场 实测和模拟研究提出了浅埋煤层老顶周期来压的 “短砌体梁” 和 “台阶岩梁” 结构模型。 研究表明，浅埋煤层工作面周期来压强烈和出现台阶下沉的根本原因是“短砌体梁”和 “台阶岩梁”都出现了滑落失稳 [6]。 2000 年吕军等人分析了影响浅埋煤层矿压显现的因素，通过对大柳塔 1203 综采面 及 20601 高产面的相似模拟实验的矿压规律研究，得出同一般开采条件一样，开采浅埋 煤层也存在着明显的初次来压和周期来压。浅埋煤层没有明显的“三带”现象，不能形 成稳定的“砌体梁”结构，顶板基岩成整体运动，形成较大整体岩柱，从而导致基岩沿 煤壁全厚切落。松散层厚度、顶板基岩厚度、支架的工作阻力、工作面采高及直接顶的 厚度等是影响浅埋煤层开采矿压显现的主要因素 [6]。 2002 年黄庆享教授对浅埋煤层的矿压特征进行了分析并给出了浅煤煤层的定义， 研究表明，顶板基岩沿全厚切落，基岩破断角较大，破断直接波及地表。来压期间有明 显的顶板台阶下沉和动载现象。工作面覆岩不存在“三带” ，基本上为冒落带和裂隙带 “两带” ； 浅埋煤层工作面顶板一般为单一主关键层类型， 老顶岩块不易形成稳定的 “砌 体梁”结构。基岩厚度比较大时，会出现两个关键层组，形成大小周期来压现象，其矿 压显现特征介于浅埋煤层采场和普通采场之间； 顶板台阶下沉与基岩与载荷层厚度之比 有关。根据实测，浅埋煤层可以分为 2 种类型 （1）基岩比较薄、松散层厚度比较小的 浅埋煤层，其顶板破断为整体切落形式，易于出现顶板台阶下沉，老顶为单一关键层。 （2）基岩厚度比较大、松散载荷层厚度比较小的浅埋煤层，其矿压显现规律介于普通 工作面与浅埋煤层工作面之间，表现为两组关键层，存在轻微的台阶下沉 [7]。 2003 年侯忠杰教授把断裂带老顶的判别准则应用在浅埋煤层中，在理论上解决了 断裂带老顶层位问题。当老顶分层厚度大于其下自由空间高度的 1.5 倍时，该分层进入 断裂带，论证了地表厚松散层浅埋组合关键层在来压时出现覆岩发生全厚切落。宋选民 西安科技大学工程硕士学位论文 4 等教授对浅埋煤层回采巷道合理煤柱的留设进行了实测研究， 得出了不同地质条件下合 理煤柱的参数。黄庆享对近浅埋煤层大采高矿压显现规律进行了实测研究，揭示了近浅 埋煤层的矿压显现规律，分析了顶板活动规律和来压机理。 2004 年侯忠杰教授等对厚松散层浅埋煤层覆岩破断判据进行了研究和对跨距进行 了计算， 在组合关键层的基础上推导出了组合关键层初次来压和周期来压步距的计算公 式，验证了组合关键层来压步距计算公式与实测值一致，得出对于地表厚松散层浅埋煤 层应该采用组合关键层理论。同年，朱庆华用数值模拟的方法对浅埋煤层厚硬顶板破断 与冒落进行了研究， 得出浅埋煤层厚硬顶板条件下覆岩的破断及冒落规律与普通浅埋煤 层覆岩的破断与冒落规律有明显的不同，其初次破断与冒落形态为拱形，周期破断与冒 落呈全厚切落和拱形交替发生。 2005 年杨治林教授对浅埋煤层长壁开采顶板结构稳定性进行了分析，通过塑性理 论建立了顶板岩体关键层塑性状态下的结构模型。 李凤仪等人对浅埋煤层工作面顶板活 动及其控制进行了研究，研究表明，埋藏浅、基岩厚度小、工作面顶板呈现单一关键层 活动，以及来压持续的时间短、有明显的动载现象，是薄基岩的典型特征，其矿压控制 的有效途径是增大支架工作阻力和变形刚度，尤其要保证初撑力达到一定值。对于坚硬 顶板，采取人工强制放顶等技术措施，降低关键层破断长度，这是顶板控制的关键。 2006 年余学义教授等对浅埋煤层覆岩切落裂缝破坏及控制方法进行了研究分析， 通过理论分析和数值模拟研究了覆岩中关键结构稳定条件与采动损害之间的关系。 董爱 菊等人对浅埋煤层周期来压动载机理进行了研究， 得出浅埋煤层周期来压期间有明显的 动载现象，厚沙土层在周期来压时呈弧形岩柱破坏特征。黄正全对浅埋煤层开采岩移特 征与渗水机理进行了分析，通过建立地质力学模型，再现了浅埋煤层采动后其上覆岩层 破坏的动态发展过程，揭示了采场顶板的破断、上覆岩层来压及采场推进过程中煤壁支 撑压力、地表下沉的变化规律 [7]。 2007 年侯忠杰教授对薄基岩浅埋煤层“支架-围岩”关系进行了实验研究，以大柳 塔首采工作面为原型。首采工作面属于土基型浅埋煤层，实验中工作面初次来压和多次 周期来压没有表现出厚松散层浅埋煤层覆岩全厚切落，而是“三带合一” 。支架增载系 数最大为 1.34，平均增载系数不大，裂隙贯通地表时的支架阻力大于顶板初次来压和 周期来压时的工作阻力。马立强等人对薄基岩浅埋煤层保水开采技术进行了研究，在神 东矿区的地质条件下，认为要达到保水开采的目的，有二个关键问题其一是加快工作 面的推进速度，可以使断裂岩块朝反向与工作面一侧未断岩层在断面下端铰接，并挤压 闭合，同时可以减少对顶板岩体的破坏；其二是确定合理的支护阻力可以控制顶板破断 运动过程；局部降低采高可以使裂隙宽度减小，在开切眼附近采用局部充填可以使老顶 切落时裂隙减小，同时也可以改善局部顶板的应力状况。黄森林对浅埋煤层覆岩结构稳 定性进行了数值模拟研究，通过离散元数值模拟软件，建立数值模型，揭示了浅埋煤层 关键层结构变形破坏规律， 限高开采能有效减少浅埋煤层开采引起覆岩变形破坏及地表 损害。董爱菊等人对浅埋煤层厚沙土层采动卸荷破坏建立了“拱”状数学模型，得出了 “拱”的平衡方程和拱的高度 [7]。 现在关于浅埋煤层的理论大部分都是研究的埋藏浅小于 100m、基岩薄、地表为 厚风积沙覆盖层，主要研究了它们的矿压显现规律、来压机理、顶板控制、涌水溃沙产 生的机理以及控制、保水开采、顶板的滑落失稳与回转失稳和对保水层及关键层等。以 上研究为浅埋煤层矿压规律的研究积累了丰富的素材， 在顶板岩层控制研究方面也有开 创性的工作。而对于浅埋煤层厚沙土层的破坏机理、动态载荷传递机理以及载荷传递因 1 绪论 5 子的确定、厚基岩浅埋煤层的矿压规律以及基岩的破断机理、初采初放矿压规律、回采 巷道合理煤柱的留设、大断面巷道的支护等需要开展进一步的工作。 1.3 研究方案和技术路线 以凉水井煤矿 42101 工作面为研究对象，搜集矿井地质资料，分析井下围岩性质， 利用理论分析、相似材料实验和数值模拟方法，研究采场上覆岩层的运动规律，揭示采 场覆岩结构破断规律；同时在井下设置矿压观测站，对支架、顶板进行实时监测，分析 监测结果，总结出 42101 工作面顶板运动规律。 研究技术路线如下 （1）搜集地质资料，走访相邻矿井，对煤（岩）层地质条件及围岩物理力学特性 进行分析； （2）利用理论分析研究采场覆岩结构运动规律，揭示采场覆岩结构破断运动规律， 包括基本顶初次来压、周期来压断裂步距等参数； （3）进行相似材料模拟实验，对工作面顶板运动规律进行相似材料模拟； （4）进行数值模拟研究，对工作面顶板运动规律及初次放顶距离进行数值模拟； （5）针对凉水井矿工作面具体状况，设置矿压观测方案、方法及内容，确定各项 监控指标；对工作面顶板运动情况进行实测； （6）将理论计算结果、相似材料模拟结果、数值模拟结果与现场实测结果进行对 比、分析，得出 42101 工作面顶板运动规律。 西安科技大学工程硕士学位论文 6 2 42101 综采面顶板运动规律理论计算 2 42101 综采面顶板运动规律理论计算 随着工作面的推进，煤壁前方的支承压力及支柱上的压力显现都在不断的变化。采 场矿压显现的发展变化规律是由对其有影响的上覆各岩层的运动发展规律决定的， 除了 上覆岩层沿工作面倾向运动规律影响外，更重要的是受工作面走向（即推进方向）的运 动规律所影响。因此，必须进一步研究岩层运动在推进方向上各阶段的发展过程和描述 岩层运动的参数， 从而揭示 4 -2煤工作面上覆岩层运动在工作面走向的发展规律和影响。 研究 4 -2煤上覆岩层的运动规律主要是研究基本顶的运动情况，即研究 4-2煤上覆岩层中 关键层的运动规律。 2.1 关键层判别 煤层回采后,上覆岩层的移动破坏在竖直方向上通常划分为冒落带，断裂带和弯曲 下沉带，断裂带又可分为严重断裂带、一般断裂带和微小断裂带，冒落带的高度主要取 决于采高和上覆岩层的碎胀性，通常为采高的 3～5 倍。采场的上方存在着厚度不等的， 强度不同的多层岩层，实践表明，其中一层至数层厚硬岩层在采场上覆岩层活动中起着 主要的控制作用。 将对采场上覆岩层局部或直至地表的全部岩层活动起控制作用的岩层 称为关键层。前者为亚关键层，后者为主关键层。关键层的断裂将导致全部或相当部分 的上覆岩层产生整体运动，覆岩中的亚关键层可能不止一层，而主关键层只有一层。基 本顶是对采场矿山压力显现产生影响的下位亚关键层 [8]。采场上覆岩层中的关键层一般 为相对厚而坚硬的岩层。采场上覆岩层中的关键层有如下特征 （1）几何特征，相对于其他同类岩层单层厚度较厚； （2）岩性特征，相对其他岩层较为坚硬，即弹性模量较大，强度较高； （3）变形特征，关键层下沉变形时，其上覆全部或局部岩层的下沉量同步协调； （4）破坏特征，关键层的破断将导致全部或局部上覆岩层的同步破断，引起较大 范围内的岩层移动； 由于成岩时间及矿物成分不同，煤系地层形成了厚度不等、强度不同的多层岩层， 其中覆岩关键层将对采场上覆岩层活动起主要的控制作用。 为了弄清岩层移动由下往上 传递的动态过程，以及岩层移动过程中形成的采场矿压显现、关键在于弄清关键层的变 形破断及其运动规律，以及在运动过程中与软岩层间的相互耦合作用关系。采场上覆岩 层可视为由岩性、 强度和厚度各异的岩层按一定顺序组合在一起而形成的多组不同的岩 层组合，在每一个岩层组合中，位于最下面的岩层为关键层,它的移动和破坏将控制着 整个岩层组合的活动，在两个相邻岩层组合之间，由于变形的不协调，将产生动态离层 裂隙，受到采动影响后，岩层的水平变形大于其极限抗拉变形时，将产生垂直层面的裂 隙，裂隙的大小取决于岩层距开采层的距离，开采层的厚度及岩层的强度。显然，关键 层的断裂步距即为上部岩体部分或全部岩层的断裂步距， 从而引起明显的岩层运动和矿 压显现 [9]。 为了研究 42101 工作面的上覆岩层的运动规律， 需要对切眼附近的地质状况进行分 析。根据工作面位置图（见图 2.1），柱状图（见图 2.2）可以看出，4 -2煤上覆岩层存 在一层主关键层和亚关键层，主关键层是 14m 的细粒砂岩，亚关键层是 5m 厚的粉砂岩。 2 42101 综采面顶板运动规律理论计算 7 工作面顶板的运动规律主要取决于主关键层，亚关键层的破断比较滞后，主要以载荷的 形式对主关键层起作用。 图 2.1 42101 工作面位置图 西安科技大学工程硕士学位论文 8 图 2.2 42101 工作面切眼附近综合柱状图 2 42101 综采面顶板运动规律理论计算 9 2.2 基本顶初次断裂步距确定 基本顶达到初次断裂时的垮距称为极限垮距，也称为初次断裂步距。基本顶来压的 预测预报在于准确判断基本顶达到极限垮距时的初次断裂步距，一般常用实测办法预 测，但这种办法费时费力。根据 4 -2 煤层首采工作面地质情况，本文采用将基本顶视为 固支梁式的断裂计算方法，并采用计算预测与工作面实测相结合的方法，对 42101 工作 面基本顶初次来压进行预报。 基本顶梁式断裂时的极限垮距可以用材料力学方法求得。