特厚煤层采场覆岩破断结构及运动规律浅析

Dec.,2019Vol.44No.6

doi:10.3969/j.issn.1672-9943.2019.06.031

能源技术与管理

EnergyTechnologyandManagement

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特厚煤层采场覆岩破断结构及运动规律浅析（山西潞安集团漳村煤矿，山西长治046032）

［摘

要］针对特厚煤层首选综采放顶煤回采工艺的实际情况，从理论上分析了特厚煤层的

覆岩垮落岩层范围、基本顶断裂运动发展过程及其断裂步距，研究结果对促进综采放顶煤技术的发展和提高采场安全管理水平具有一定的现实意义。

［关键词］特厚煤层；上覆岩层；破断结构；运动规律

［中图分类号］TD325［文献标识码］B［文章编号］1672蛳9943（2019）06蛳0083蛳02

0引言

咱1暂根据采场矿压理论可知，垮落的顶板岩层厚度可按下式计算：

Mz=移Mi=h-SAKA-1i=1n综采放顶煤工艺因技术成熟而成为我国目前开采厚煤层及特厚煤层的首选方法。在综放开采厚煤层或特厚煤层前，首先应掌握煤层顶板覆岩的破断结构及其在采动影响下的运动规律，进而分析综放工艺的整体适应性和顶煤的冒放性。

某矿井首次采用综放工艺回采厚度为12.9~顶板为泥岩、19.1m的13#煤层。煤层结构简单，

砂质泥岩、细砂岩；底板为泥岩，局部为砂质泥岩。因缺乏开采此类条件煤层的实际经验，急需对特厚煤层在采动过程中的覆岩破断结构及运动规律进行研究，以掌握厚煤层上覆岩层的活动情况，分析综放开采条件下顶煤与上覆岩层的变形破坏特征及影响顶煤破碎发展的主要影响因素，为选取工作面主要设备参数、指导生产决策提供依据。

式中，Mz为垮落顶板岩层厚度，m；n为回采

空间已经冒落的岩层数；Mi为已经冒落岩层的厚度，m；h为回采高度，m；KA为已经冒落岩层的碎胀系数，取1.2~1.4；SA为老顶下方、煤层之上岩层接触矸石位置的实际沉降值，m。

（1）冒落带由“破坏拱”中的垮落岩层组成，这个部分岩层已经在采空区出现了垮落，同时在采场上通过支架而对其进行了暂时性的支撑，并且在推进方向上不能一直保持递进的水平力提升。

（2）导水裂隙带主要是通过“破坏拱”中的断裂岩层组成，砌体梁之内的岩层在其推进方向上裂隙相对发育良好，每一个岩层内的裂隙范围已经发展到了其整层厚度。在采煤工作面逐渐推进的过程中，通过传递岩梁的形式进行周期性断裂运动，而在选择推进方向时可以使其一直保持联系传递水平力，而这部分的岩层也是其内应力场最为重要的来源咱3暂。

（3）弯曲下沉带中包含有破坏拱缓沉带或者是破坏拱的两边一起参与移动的岩层，但是其运动的速度比较慢，且在运动结束之后可以在推进方向上形成一些裂隙，不管是在深度上还是在数量上，与裂隙带相比较要少得多，缓沉带运动的最后结果是在地表上形成一个沉降盆地咱4暂。

1特厚煤层覆岩垮落岩层范围研究

覆岩垮落范围是指采空区内已经垮落岩层的

面积及厚度，在采场之上可以推进覆岩层其实际的运动变化整个过程，依据岩层的垮落特征以及实际运动规律，将其划分为冒落带、导水裂隙带和弯曲下沉带3个部分，具体情况如图1所示咱2暂。

缓沉带

A

l

裂隙带

2基本顶断裂运动发展过程及断裂步距分析

2.1基本顶断裂运动发展过程分析

（1）断裂运动时期。在断裂运动时期，随着采

冒落带

图1覆岩垮落的结构模型示意

84张安特厚煤层采场覆岩破断结构及运动规律浅析

2019年12月

Dec.,2019

煤工作面的逐渐向前推进，覆岩的运动范围也在逐渐变大，顶板压力拱会经历从小到大慢慢向上的发展进程。如果采煤工作面的推进距离达到工作面的倾斜长度，压力拱在向上发展的过程中达到了最顶端，其高度约是工作面长度的50%。在这个过程中，裂隙带下方大约有1～2层岩层已经完成了第1次运动以及整个周期运动，通常来说与工作面的倾斜长度总体一致。具体如图2所示。

A

图2裂隙带覆岩的首次运动时期结构

（2）正常运动阶段（周期来压阶段）。这个阶段主要包括了破坏拱最上面岩层从首次运动至回采工作面一直推进到结束的所有过程，其具体运动轨迹如图3所示。通常在正常运动时期，破坏拱一般不会向其上部的岩层进行扩展，而是保持一定的高度，且跟随采煤面逐渐向回采方向进行推移咱5暂。

图3裂隙带覆岩的正常运动时期结构

裂隙带岩层首次运动阶段主要是采场之上的破坏拱在运动面的前方以及沿工作面前后2个方向逐渐向上部进行扩展的时期。如果第1次运动时期结束后破坏拱在其工作面上方的垂直角度不再进行扩展，然后进入到正常的运动时期，破坏拱将只会在工作面前方进行上挑式发展，这个阶段破坏拱的拱顶为一近似水平线。2.2基本顶岩层断裂步距分析

在实际生产过程中，应该控制采场上方断裂岩层的范围，并根据其运动破坏的发展规律，运用一定的理论以及现场实际生产经验，总结出与之关系密切的断裂范围推断方法。

（1）断裂岩层结构的基本组成。断裂岩层结构的主要构成是每一个岩层的支托层和其上面的随动层，与之邻近的岩层能否一起运动是评判其是否组成相同岩层最为重要的根据。当相邻岩层可以在一起运动时，那么就可以构成同一岩层，即

ESMS2≥

（1.15～1.25）4ECMC2式中：MS为下位岩层的厚度，m；ES为下位层层的弹性模量，GPa；MC为上位岩层的厚度，m；EC为上位岩层的弹性模量，GPa。

相邻岩层各自分别运动（构成不同岩层）时，则满足：

ESMS2<（1.15～1.25）4ECMC2（2）岩层裂断（运动）步距。每一个传递岩层可以在自身重力作用的影响下进行垮落运动，其第1次断裂来压步距以及本次周期性来压步距可通过如下理论公式确定。

第1次裂断来压步距C0以及本次周期来压步距Cl的理论计算公式为：

C0=

姨2M（MS2S+M蓘滓SC）酌

蓡Cl=-1Ci-1+122姨C2i2-1+34酌（MMS蓘滓SS+M蓡C）式中：MS、MC分别为下位及其上端岩层的厚

度，m；MPa；酌为上蓘滓S蓡为下部（支托）岩层的允许拉应力，

覆岩层的平均密度，kN/m3；Ci-1为上次周期来压步距，m。

若同时运动的顶板岩层只有1层，则上文所

述各个公式中的Mc就为0，即该岩层由单一岩层运动构成。

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究［D］.徐州：中国矿业大学，2016.作者简介］

张安（1988-），男，助理工程师，毕业于太原理工大学电气工程及其自动化专业，长期从事生产技术管理工作。

［收稿日期：2019-05-14］

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