探討神東淺埋薄基巖煤層合理采高的選擇

＊張茂微

（中國神華神東煤炭集團榆家梁煤礦 陜西 719300）

探討神東淺埋薄基巖煤層合理采高的選擇

＊張茂微

（中國神華神東煤炭集團榆家梁煤礦 陜西 719300）

淺埋薄基巖煤層的合理采高工作需要通過嚴密的理論計算和數值模擬的方法，因此，為了確定神東礦區淺埋薄基巖煤層工作面的合理采高，特對淺埋深、煤厚為3.5米的試驗工作面進行不同采高的工作分析。結果表明，對淺埋基巖煤層采高較小時，頂板容易發生滑落失穩問題；對淺埋薄基巖煤層采高越大，頂板失穩的回轉角也就越大。隨著采高的增加，冒落帶和裂隙帶也隨之向上擴張，當基巖破斷后，就容易使上覆松散砂土層的穩定度下降，從而引發壓架事故。以下是對淺埋薄基巖煤層合理采高選擇的詳細分析。

淺埋薄基巖煤層；合理采高；選擇

隨著經濟的進步與時代的發展，我國越來越重視礦產企業的發展，礦產企業的發展關系到我國的經濟發展與人民生活水平的提高，特別是煤礦企業的發展。可以說我國的發展離不開煤礦的安全生產，淺埋薄基巖煤層在開采過程中容易發生下沉、塌方等事故，因此對于淺埋薄基巖煤層合理采高的選擇工作就顯得格外重要。本文將通過對淺埋薄基巖煤層的主要災害類型以及國內外的研究現狀以及不同采高方式等方面進行分析，探索最適宜淺埋薄基巖煤層的合理采高方式，促進我國礦產事業的進步與發展。

1.分析淺埋薄基巖煤層合理采高選擇

(1)淺埋薄基巖煤層合理采高選擇的意義

在我國分布著大量的淺埋煤層，西北地區的神東煤炭集團淺埋煤層尤為突出，當前的開采范圍集中在淺部100-160m。之所以選擇西北部的神東煤炭集團淺埋煤層進行研究分析，主要原因在于西北地區的煤層傾角較小，煤層的賦存也比較穩定，總的來說該礦區地質條件十分優越。雖然地質條件優越，但是在開采工作中仍然存在一定的問題，礦壓現象也不太緩和，頂板臺階下沉、礦壓顯現劇烈的現象時有發生，嚴重威脅到煤礦的安全生產。我國自上世紀九十年代起，就開始對淺埋煤層的礦壓顯現問題進行研究工作，一批又一批的專家、學者提出了淺埋煤層覆巖的運動演化規律。各專業人士對淺埋薄基巖煤層的研究工作提供了豐富的采場礦山壓力理論，為淺埋煤層的壓架、潰沙現象提供了理論依據。盡管如此，我國在采高對覆巖影響方面研究依然較少，合理的采高選擇有利于保障礦場的安全生產工作。

(2)工程背景

神東礦區的淺埋薄基巖煤層采高選擇工作在煤層厚度為1．8-4．3m范圍內進行，平均厚度應保持在3．5m左右，除煤層厚度以外，還應該考慮煤層的穩定性與地質條件的復雜性。煤層上覆巖厚度也是采高選擇工作的重點，應該在10m至50m之間，基巖平均厚度在22m左右。在確保礦井開采安全、高效的前提下，應采用大采高綜合機械化開采技術為主，分別對不同采高的數值進行理論分析和數值模擬覆巖的演化規律，實現開采高度的合理化。

2.分析不同采高對覆巖結構穩定性的影響

(1)覆巖結構的穩定性分析

淺埋薄基巖煤層的采高選擇與覆巖結構的穩定性是相輔相成的關系，兩者之間相互影響，進一步提高礦場開采工作的效率，為礦場的安全性提供保障。一方面，覆巖頂板的控制關系到采高技術安全高效的實現，采高綜采覆巖結構在鉛垂方向上包括冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶，這“三帶”的正常運行依靠著淺埋薄基巖煤層的采高工作，適宜的采高數值不僅關系到煤層的開采情況，更關系到礦場工作人員的安全；另一方面，淺埋薄基巖煤層的采高選擇在一定程度上也決定著覆巖結構的穩定性。

(2)不同采高對回轉變形失穩的影響分析

頂板不發生回轉變形失穩的條件可以根據著名專家錢院士所提出的砌體梁“S-R”穩定理論進行分析：其中以M為采高，h為垮落帶的高度，l代表的是周期來壓步距，k則代表的是碎脹系數，在這個理論中一般取數值為1．3，i則是斷裂層的代表，在錢院士的理論中可以實現其采高的數值模擬。當采高數值為3．5m時，巖層密度則為2．5m，承載巖層抗壓強度為60，壓步距為12m，巖塊間摩擦因數的數值取0．3，承載巖層厚度為8m，垮落帶的高度為7m。最終得出的結論是承載層負載巖層厚度為89．6m，回轉角度為4．5；當采高為4．5m時，垮落帶的高度則為9m，這時的承載層負載巖層厚度為75．1m，回轉角度為6．2；當采高為5．0m時，垮落帶的高度為10m，承載層負載巖層厚度為65．8m，回轉角為7．3；當采高為5．7m時，垮落帶的高度為11．4m，承載層負載巖層厚度則為52．2m，回轉角為8．1。

通過上述結果發現，隨著采高的增加和垮落高度的增加，回轉角的角度也隨之增加，回轉角失穩的可能性也會增大，但可以明顯地看出垮落充填的高度減少，上覆臨界負載巖層的厚度也隨之減小。當采高和垮落帶高度達不到條件的需要時，就難以使破斷基巖形成穩定的砌體梁結構，容易產生回轉變形失穩的問題。

(3)分析不同采高對滑落失穩的影響

根據頂板滑落失穩條件進行分析，工作面的數值選取要注意在條件允許的范圍內，臨界負載巖層厚度隨著采高的增加而增大，當采高與工作面的數值超過條件范圍就會引發破斷基巖不穩定的后果，出現滑落失穩的問題，此時，工作面也會出現臺階下沉的現象，發生壓架事故，當工作面基巖較薄時，就更應該注意其采高時的數值。可以明顯的看出，當表土為松散砂土層，出現基巖破斷的情況，采高的增加也不能使上覆松散砂土層形成穩定的壓力拱結構。換句話說就是基巖厚度不變，負載巖層厚度增加，滑落失穩的發生概率與失穩事故的發生率也會增加，因此要十分注意工作面采高較小時的滑落失穩與采高較大時的滑落失穩和回轉失穩。通過研究發現，工作面的合理采高數值為3．5m-4．0m之間。

3.模型的分析

(1)模型的建立

通過對淺埋薄基巖煤層的實地勘察及其相關理論進行模擬分析，在這個模擬中，模型尺寸長為450m，寬為500m，高為150m，模擬的煤層厚度為3．5m。模型中各相關煤巖層物理力學參數如下∶巖層分別為煤層、直接頂、基本頂、粘土層、砂土層，抗拉分別為0．21、1．22、1．80、0．17、0．10，體積模量分別為2．50、2．41、4．00、0．70、0．19，剪切模量分別為1．16、1．65、2．30、0．36、0．12，密度1380、2600、2700、2050、2350，內擦角度分別為32、35、40、25、20，內聚力1．61、2．10、13．0、0．55、0．50。在這個數值模型中，通過對不同的采高進行數值模擬以及對工作面超前支撐壓力分布規律進行分析，取得合理的采高數值。

(2)采高模擬的結果分析

通過對不同采高數值模擬結果的分析，采高為2．0m時，工作面的超前支撐壓力峰值計算后為5．90抗拉，峰值距煤壁距離計算可得為6m，可以發現這時的支撐壓力范圍較小。當采高數值為2．5m時，超前支撐壓力就為6．35抗拉，與5．90抗拉相比差距較小，可以明顯的看出這時的峰值點向前移動了一點。當采高數值超過3．0m時，支撐壓力的峰值就達到了6．85抗拉，從數據可以看出這時的峰值點和峰值點距煤壁距離有了明顯的浮動，這時的頂板結構也有隨之發生變化的可能性，使頂板結構出現失穩的問題。當采高值達到3．5m時，應力峰值和支撐壓力峰值也隨之增大。

通過對以上采高數值、峰值點和峰值點距煤壁距離的模擬分析可以知道，當采高比較小時，前方的支撐壓力就比較緩和，當采高增加時，支撐壓力也隨之增加。支撐壓力的增加主要是由于上覆的薄基巖形成的砌體梁結構失穩造成的，增加了工作面支架的要求和阻力。

4.分析淺埋薄基巖煤層采高選擇結果

(1)淺埋薄基巖煤層采高選擇實測

實踐是檢驗真理的唯一標準，對淺埋薄基巖煤層進行采高選擇的實地檢測勘察才能更好的檢驗數值模擬的結果，才能對礦場煤層提供更高的安全保障，促進我國礦產事業的發展。

本礦區煤層的厚度大多在3．5m以上，煤層埋深大約在100m至150m之間，上覆基層厚度在10m至50m中間，巖層厚度在20m左右。經勘察發現基巖到地表的風積沙或粘土層屬于有代表性的厚沖積沙，需要利用大采高綜合機械化開采技術與長壁采煤法相結合的方式進行。在對工作面進行開采的過程中，在工作面持續推進的影響下，會帶來更高的工作阻力，工作面初次來壓顯現也會更加突出，具體表現為工作面中部部分支架壓力的迅速升高、支架的下沉、煤層壁片幫以及冒頂的明顯增加。

當第一周期來壓時，工作面的推進速度相對來說比較緩慢，這時的來壓程度最為強烈，大多數的支架高度會降低，可以看出工作面的上部和中部的支架壓力會明顯增大，會出現片幫冒頂嚴重的問題。當第二次周期來壓時，所表現出來的現象不像第一周期那么明顯，只是在支架工作阻力上有所體現，主要表現為，支架工作阻力的增大和輕微的片幫、冒頂，在第二周期內并沒有出現壓架事故，對礦場的生產工作不會造成太大的影響。

(2)淺埋薄基巖煤層采高選擇的結論

①砌體梁失穩理論。通過對砌體梁的失穩理論進行分析，可以知道上覆砌體梁結構的回轉失穩與采高的增加和失穩的回轉角增大有很大的關系，當采高較小時，工作面也比較容易出現滑落失穩的問題。當淺埋煤層基巖厚度過薄時，冒落帶和裂隙帶的發育情況與采高的大小有關，上覆的松散砂土層容易與其溝通，也就是基巖厚度不變，負載巖層厚度隨之增加，使砌體梁回轉和滑落現象的發生率大幅度增加。

②數值模擬分析。通過對淺埋薄基巖煤層不同采高的數值模擬分析可以知道，采高的增加會引起超前支撐壓力的增加。當采高數值為3．0m時，支撐壓力會大大提高，根據研究發現這主要是上覆的薄基巖形成的砌體梁結構失穩與上覆部分砂土層的重力作用所導致的支撐壓力變化幅度過大。通過計算可知，當淺埋薄基巖煤層采高數值不超過3．5m時，易出現滑落失穩的問題，引發壓架的后果。當采高數值超過4．0m時容易溝通砂土層，導致潰砂的事故。因此，合理采高的數值在3．5m至4．0m之間就屬于相對安全的范圍。

5.總結

當今社會是一個高速發展的社會，礦產的安全生產一直是我國關注的重點，對淺埋薄基巖煤層合理采高選擇的研究探討有利于煤場的安全生產，在一定程度上可以緩解甚至避免壓架、潰砂以及砌體梁回轉、滑落的問題，需要工作人員在實際工作中繼續完善淺埋薄基巖煤層的合理采高選擇研究工作，促進礦產的安全生產。

張茂微（1986～），男，中國神華神東煤炭集團榆家梁煤礦，研究方向：采煤技術研究。

((責任編：高鎮峰)

Discussion of the Reasonable Mining Height Selection of Shendong Shallow-buried Thin Bedrock Coal Bed

Zhang Maowei

（Yujialiang Cola Mine, China Shenhua Shendong Coal Company, Shanxi, 719300）

The reasonable mining height work of shallow-buried thin bedrock coal bed needs mathematic theoretical calculation and numerical modeling method, therefore, in order to determine the reasonable height of the shallow-buried thin bedrock coal bed working face in Shendong mine district, it particularly has taken analysis of the different mining height of experimental working faces with 3.5 meter’s shallow-buried depth and coal thickness. The results have showed that when the mining height of shallow-buried bedrock coal bed is smaller, the roof will be easy to have the sliding down and instability problems. The bigger of the mining height, the bigger of the roof instability rotating angle will be. Along with the increase of mining height, the caving zone and fractured zone will also expand upward and when the bedrock breaks, it is easy to decrease the stability of upper loose sand-soil layer and then cause the support crushing accidents. The following is the detail analysis of the reasonable mining height selection of shallow-buried thin bedrock coal bed.

shallow-buried thin bedrock coal bed；reasonable mining height；selection

T

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