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淺埋煤層開采壓架機理及防治 版權信息
- ISBN：9787030469038
- 條形碼：9787030469038 ; 978-7-03-046903-8
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
淺埋煤層開采壓架機理及防治 本書特色
本書可供從事采礦、安全、地質等領域的科技工作者、高等院校師生 和煤礦生產管理者閱讀參考。
淺埋煤層開采壓架機理及防治 內容簡介
本書全面介紹了淺埋煤層長壁綜采工作面礦壓顯現規律與壓架災害防治的近期新研究成果，內容包括：淺埋煤層采動覆巖結構特征及運動規律，淺埋煤層開采礦壓顯現規律及其影響因素，淺埋煤層開采壓架災害的類型與發生機理，淺埋煤層開采不同類型壓架災害的發生條件與壓架危險區域的預測方法，淺埋煤層開采支架合理工作阻力估算方法，淺埋煤層開采壓架災害防治對策及其在神東礦區的應用與實踐。
淺埋煤層開采壓架機理及防治 目錄
目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 淺埋煤層開采壓架災害問題 1
1.2 淺埋煤層礦山壓力研究綜述 3
1.2.1 在采動覆巖破壞規律研究方面 3
1.2.2 在淺埋煤層開采礦山壓力及其控制研究方面 5
1.3 本書的主要內容 6
1.3.1 淺埋煤層覆巖關鍵層結構類型及其失穩特征 7
1.3.2 淺埋煤層開采礦壓顯現規律及其影響因素 8
1.3.3 淺埋煤層開采壓架災害類型與機理 9
1.3.4 淺埋煤層開采壓架災害的防治對策 11
1.3.5 神東礦區淺埋煤層開采的壓架災害防治實踐 11
參考文獻 12
第2章 淺埋煤層開采覆巖結構特征及運動規律研究 15
2.1 典型開采條件與覆巖特征 15
2.1.1 概況 15
2.1.2 煤層地質條件 15
2.1.3 煤巖層力學特性 18
2.2 覆巖關鍵層結構分類 20
2.2.1 厚硬單一關鍵層結構 20
2.2.2 復合單一關鍵層結構 21
2.2.3 上煤層已采單一關鍵層結構 22
2.2.4 多層關鍵層結構 23
2.3 覆巖關鍵層結構的判別方法 24
2.3.1 覆巖關鍵層位置的判別方法 24
2.3.2 神東礦區淺埋煤層覆巖關鍵層結構判別實例 25
2.4 淺埋煤層關鍵層結構控制覆巖運動的原位鉆孔測試驗證 26
2.4.1 補連塔煤礦 26
2.4.2 大柳塔煤礦 31
2.5 覆巖關鍵層結構破斷失穩特征與壓架類型 34
2.5.1 復合單一關鍵層結構破斷失穩特征 34
2.5.2 上煤層已采單一關鍵層結構破斷失穩特征 35
2.5.3 多層關鍵層結構破斷失穩特征 37
2.6 本章小結 37
參考文獻 38
第3章 淺埋煤層開采礦壓顯現的基本規律 39
3.1 神東礦區實測概述 39
3.1.1 實測方法 39
3.1.2 典型工作面開采條件統計 40
3.2 神東礦區1–2煤層開采礦壓實測 40
3.2.1 大柳塔井12208綜采面礦壓顯現規律 40
3.2.2 活雞兔井12305綜采面礦壓顯現規律 41
3.2.3 活雞兔井12306綜采面礦壓顯現規律 44
3.2.4 補連塔煤礦12401綜采面礦壓顯現規律 45
3.2.5 上灣煤礦12105綜采面礦壓顯現規律 48
3.2.6 石圪臺煤礦12102綜采面礦壓顯現規律 51
3.2.7 哈拉溝煤礦12上101綜采面礦壓顯現規律 53
3.3 神東礦區2–2煤層開采礦壓實測 55
3.3.1 大柳塔井22203綜采面礦壓顯現規律 55
3.3.2 大柳塔煤礦22301綜采面礦壓顯現規律 56
3.3.3 補連塔煤礦22301綜采面礦壓顯現規律 57
3.3.4 補連塔煤礦22303綜采面礦壓顯現規律 59
3.3.5 哈拉溝煤礦22403綜采面礦壓顯現規律 62
3.4 神東礦區3–1煤層開采礦壓實測 63
3.4.1 錦界煤礦31402綜采面礦壓顯現規律 63
3.4.2 烏蘭木倫煤礦31402綜采面礦壓顯現規律 64
3.5 神東礦區4–2煤層開采礦壓實測 66
3.5.1 布爾臺煤礦42103綜放面礦壓顯現規律 66
3.5.2 萬利一礦42202綜采面礦壓顯現規律 67
3.6 神東礦區5–2煤層開采礦壓實測 68
3.6.1 大柳塔煤礦52304綜采面礦壓顯現規律 68
3.6.2 大柳塔煤礦52303綜采面礦壓顯現規律 71
3.7 影響因素分析 72
3.7.1 采高 72
3.7.2 工作面寬度 72
3.7.3 埋深 72
3.7.4 推進速度 74
3.7.5 重復采動 77
3.8 壓架災害類型 77
3.9 本章小結 77
參考文獻 78
第4章 風積沙厚度對淺埋煤層開采礦壓顯現的影響機理與壓架防治 79
4.1 影響機理 79
4.1.1 風積沙厚度對覆巖關鍵層結構破斷及穩定性的影響 79
4.1.2 風積沙厚度對頂板結構運動的影響 80
4.1.3 風積沙厚度對工作面礦壓顯現的影響機理 81
4.2 工程驗證 82
4.2.1 實測驗證 82
4.2.2 數值模擬驗證 91
4.3 壓架防治對策與實踐 92
4.3.1 防治對策 92
4.3.2 防治實踐 92
4.4 本章小結 96
參考文獻 96
第5章 淺埋煤層特大采高綜采面礦壓顯現規律與壓架防治 97
5.1 覆巖關鍵層結構特征及其對礦壓顯現的影響 97
5.1.1 特大采高綜采面覆巖關鍵層結構形態 97
5.1.2 特大采高綜采面覆巖關鍵層結構運動規律 101
5.1.3 特大采高綜采面覆巖關鍵層結構運動對礦壓顯現的影響 108
5.2 壓架冒頂機理 111
5.2.1 壓架冒頂工程案例 111
5.2.2 壓架冒頂機理 112
5.3 壓架冒頂災害的影響因素 115
5.3.1 覆巖關鍵層“懸臂梁”破斷長度對壓架冒頂的影響規律 116
5.3.2 覆巖上位關鍵層結構運動對壓架冒頂的影響規律 118
5.4 支架工作阻力確定 119
5.4.1 特大采高綜采面支架工作阻力確定方法 119
5.4.2 補連塔煤礦7.0 m支架工作阻力確定實例 121
5.5 壓架冒頂災害防治對策與實踐 122
5.5.1 防治對策 122
5.5.2 防治實踐 124
5.6 本章小結 124
參考文獻 125
第6章 溝谷地形對淺埋煤層開采礦壓顯現的影響機理與壓架防治 126
6.1 概述 126
6.2 壓架災害的工程案例 126
6.2.1 活雞兔井12304綜采面 126
6.2.2 活雞兔井12305綜采面過溝谷地形的壓架案例 129
6.3 壓架機理 130
6.3.1 覆巖主關鍵層結構穩定性分析 130
6.3.2 關鍵層結構失穩的力學分析 131
6.3.3 壓架機理的物理模擬實驗驗證 138
6.3.4 壓架機理的數值模擬實驗驗證 142
6.4 壓架災害的發生條件 145
6.4.1 地表溝谷地形特征對工作面壓架災害的影響規律 145
6.4.2 覆巖主關鍵層所處層位對壓架災害的影響規律 155
6.4.3 重復采動下煤層間距對壓架災害的影響規律 158
6.4.4 采高對壓架災害的影響規律 164
6.5 壓架災害防治對策 169
6.5.1 壓架危險區域預測 169
6.5.2 工作面來壓位置動態預報 169
6.5.3 支護質量監測及現場防范措施 170
6.6 壓架災害的防治實踐 172
6.6.1 活雞兔井12306綜采面 172
6.6.2 大柳塔井52304綜采面 174
6.7 本章小結 178
參考文獻 179
第7章 淺埋近距離煤層出上覆兩側采空煤柱壓架機理及防治 180
7.1 壓架災害工程案例 182
7.1.1 大柳塔井22103綜采面 182
7.1.2 活雞兔井1–2煤層三盤區工作面出上覆跳采煤柱的壓架案例 184
7.1.3 活雞兔井12313綜采面出上覆跳采煤柱的壓架案例 185
7.2 壓架機理 189
7.2.1 煤柱上方關鍵塊體結構穩定性分析 189
7.2.2 壓架機理的模擬實驗驗證 192
7.3 壓架災害的影響因素 193
7.3.1 壓架災害的影響因素分析 193
7.3.2 煤柱邊界超前失穩對壓架災害的影響規律 195
7.3.3 煤層間巖層組合及層間距對壓架災害的影響規律 210
7.3.4 出上覆兩側采空煤柱壓架災害的采厚效應 220
7.4 壓架災害防治對策 228
7.4.1 總體思路 228
7.4.2 壓架災害的采前預防措施 229
7.4.3 壓架災害的采時防范對策 237
7.5 壓架災害的防治實踐 240
7.5.1 補連塔煤礦22303綜采面 240
7.5.2 活雞兔井12305綜采面、12306綜采面出上覆兩側采空煤柱壓架災害防治實踐 242
7.6 本章小結 246
參考文獻 247
第8章 淺埋近距離煤層出上覆一側采空煤柱壓架機理及防治 248
8.1 壓架災害工程案例 248
8.1.1 石圪臺煤礦 248
8.1.2 活雞兔井 255
8.1.3 凱達煤礦 256
8.1.4 孟巴煤礦 257
8.2 壓架機理 259
8.2.1 關鍵塊體結構破斷運動致災機理 260
8.2.2 壓架機理的模擬實驗驗證 263
8.2.3 出煤柱開采壓架災害的對比分析 265
8.3 壓架災害的影響因素 267
8.3.1 切眼位置對壓架災害的影響規律 267
8.3.2 工作面合理切眼位置的確定 277
8.3.3 煤層間巖層組合及層間距對壓架災害的影響規律 282
8.4 壓架災害防治實踐 291
8.4.1 石圪臺煤礦12106綜采面壓架防治實踐 291
8.4.2 凱達煤礦2602中綜采面壓架防治實踐 293
8.5 本章小結 294
參考文獻 295
第9章 淺埋近距離旺采煤柱下開采壓架機理及防治 296
9.1 壓架災害工程案例 297
9.1.1 石圪臺煤礦31201工作面開采條件 297
9.1.2 31201工作面壓架事故 297
9.2 開采壓架機理 299
9.2.1 旺采煤柱致災機理 299
9.2.2 壓架機理的模擬實驗驗證 300
9.3 穩定性影響因素 301
9.3.1 穩定性評價參數的理論計算 302
9.3.2 上煤層旺采參數 308
9.3.3 下煤層開采對上覆旺采煤柱穩定性的影響規律 310
9.3.4 工程實例驗證分析 334
9.4 壓架防治對策與實踐 338
9.4.1 安全回采對策 338
9.4.2 安全回采實踐 338
9.5 本章小結 339
參考文獻 340
前言
第1章 緒論 1
1.1 淺埋煤層開采壓架災害問題 1
1.2 淺埋煤層礦山壓力研究綜述 3
1.2.1 在采動覆巖破壞規律研究方面 3
1.2.2 在淺埋煤層開采礦山壓力及其控制研究方面 5
1.3 本書的主要內容 6
1.3.1 淺埋煤層覆巖關鍵層結構類型及其失穩特征 7
1.3.2 淺埋煤層開采礦壓顯現規律及其影響因素 8
1.3.3 淺埋煤層開采壓架災害類型與機理 9
1.3.4 淺埋煤層開采壓架災害的防治對策 11
1.3.5 神東礦區淺埋煤層開采的壓架災害防治實踐 11
參考文獻 12
第2章 淺埋煤層開采覆巖結構特征及運動規律研究 15
2.1 典型開采條件與覆巖特征 15
2.1.1 概況 15
2.1.2 煤層地質條件 15
2.1.3 煤巖層力學特性 18
2.2 覆巖關鍵層結構分類 20
2.2.1 厚硬單一關鍵層結構 20
2.2.2 復合單一關鍵層結構 21
2.2.3 上煤層已采單一關鍵層結構 22
2.2.4 多層關鍵層結構 23
2.3 覆巖關鍵層結構的判別方法 24
2.3.1 覆巖關鍵層位置的判別方法 24
2.3.2 神東礦區淺埋煤層覆巖關鍵層結構判別實例 25
2.4 淺埋煤層關鍵層結構控制覆巖運動的原位鉆孔測試驗證 26
2.4.1 補連塔煤礦 26
2.4.2 大柳塔煤礦 31
2.5 覆巖關鍵層結構破斷失穩特征與壓架類型 34
2.5.1 復合單一關鍵層結構破斷失穩特征 34
2.5.2 上煤層已采單一關鍵層結構破斷失穩特征 35
2.5.3 多層關鍵層結構破斷失穩特征 37
2.6 本章小結 37
參考文獻 38
第3章 淺埋煤層開采礦壓顯現的基本規律 39
3.1 神東礦區實測概述 39
3.1.1 實測方法 39
3.1.2 典型工作面開采條件統計 40
3.2 神東礦區1–2煤層開采礦壓實測 40
3.2.1 大柳塔井12208綜采面礦壓顯現規律 40
3.2.2 活雞兔井12305綜采面礦壓顯現規律 41
3.2.3 活雞兔井12306綜采面礦壓顯現規律 44
3.2.4 補連塔煤礦12401綜采面礦壓顯現規律 45
3.2.5 上灣煤礦12105綜采面礦壓顯現規律 48
3.2.6 石圪臺煤礦12102綜采面礦壓顯現規律 51
3.2.7 哈拉溝煤礦12上101綜采面礦壓顯現規律 53
3.3 神東礦區2–2煤層開采礦壓實測 55
3.3.1 大柳塔井22203綜采面礦壓顯現規律 55
3.3.2 大柳塔煤礦22301綜采面礦壓顯現規律 56
3.3.3 補連塔煤礦22301綜采面礦壓顯現規律 57
3.3.4 補連塔煤礦22303綜采面礦壓顯現規律 59
3.3.5 哈拉溝煤礦22403綜采面礦壓顯現規律 62
3.4 神東礦區3–1煤層開采礦壓實測 63
3.4.1 錦界煤礦31402綜采面礦壓顯現規律 63
3.4.2 烏蘭木倫煤礦31402綜采面礦壓顯現規律 64
3.5 神東礦區4–2煤層開采礦壓實測 66
3.5.1 布爾臺煤礦42103綜放面礦壓顯現規律 66
3.5.2 萬利一礦42202綜采面礦壓顯現規律 67
3.6 神東礦區5–2煤層開采礦壓實測 68
3.6.1 大柳塔煤礦52304綜采面礦壓顯現規律 68
3.6.2 大柳塔煤礦52303綜采面礦壓顯現規律 71
3.7 影響因素分析 72
3.7.1 采高 72
3.7.2 工作面寬度 72
3.7.3 埋深 72
3.7.4 推進速度 74
3.7.5 重復采動 77
3.8 壓架災害類型 77
3.9 本章小結 77
參考文獻 78
第4章 風積沙厚度對淺埋煤層開采礦壓顯現的影響機理與壓架防治 79
4.1 影響機理 79
4.1.1 風積沙厚度對覆巖關鍵層結構破斷及穩定性的影響 79
4.1.2 風積沙厚度對頂板結構運動的影響 80
4.1.3 風積沙厚度對工作面礦壓顯現的影響機理 81
4.2 工程驗證 82
4.2.1 實測驗證 82
4.2.2 數值模擬驗證 91
4.3 壓架防治對策與實踐 92
4.3.1 防治對策 92
4.3.2 防治實踐 92
4.4 本章小結 96
參考文獻 96
第5章 淺埋煤層特大采高綜采面礦壓顯現規律與壓架防治 97
5.1 覆巖關鍵層結構特征及其對礦壓顯現的影響 97
5.1.1 特大采高綜采面覆巖關鍵層結構形態 97
5.1.2 特大采高綜采面覆巖關鍵層結構運動規律 101
5.1.3 特大采高綜采面覆巖關鍵層結構運動對礦壓顯現的影響 108
5.2 壓架冒頂機理 111
5.2.1 壓架冒頂工程案例 111
5.2.2 壓架冒頂機理 112
5.3 壓架冒頂災害的影響因素 115
5.3.1 覆巖關鍵層“懸臂梁”破斷長度對壓架冒頂的影響規律 116
5.3.2 覆巖上位關鍵層結構運動對壓架冒頂的影響規律 118
5.4 支架工作阻力確定 119
5.4.1 特大采高綜采面支架工作阻力確定方法 119
5.4.2 補連塔煤礦7.0 m支架工作阻力確定實例 121
5.5 壓架冒頂災害防治對策與實踐 122
5.5.1 防治對策 122
5.5.2 防治實踐 124
5.6 本章小結 124
參考文獻 125
第6章 溝谷地形對淺埋煤層開采礦壓顯現的影響機理與壓架防治 126
6.1 概述 126
6.2 壓架災害的工程案例 126
6.2.1 活雞兔井12304綜采面 126
6.2.2 活雞兔井12305綜采面過溝谷地形的壓架案例 129
6.3 壓架機理 130
6.3.1 覆巖主關鍵層結構穩定性分析 130
6.3.2 關鍵層結構失穩的力學分析 131
6.3.3 壓架機理的物理模擬實驗驗證 138
6.3.4 壓架機理的數值模擬實驗驗證 142
6.4 壓架災害的發生條件 145
6.4.1 地表溝谷地形特征對工作面壓架災害的影響規律 145
6.4.2 覆巖主關鍵層所處層位對壓架災害的影響規律 155
6.4.3 重復采動下煤層間距對壓架災害的影響規律 158
6.4.4 采高對壓架災害的影響規律 164
6.5 壓架災害防治對策 169
6.5.1 壓架危險區域預測 169
6.5.2 工作面來壓位置動態預報 169
6.5.3 支護質量監測及現場防范措施 170
6.6 壓架災害的防治實踐 172
6.6.1 活雞兔井12306綜采面 172
6.6.2 大柳塔井52304綜采面 174
6.7 本章小結 178
參考文獻 179
第7章 淺埋近距離煤層出上覆兩側采空煤柱壓架機理及防治 180
7.1 壓架災害工程案例 182
7.1.1 大柳塔井22103綜采面 182
7.1.2 活雞兔井1–2煤層三盤區工作面出上覆跳采煤柱的壓架案例 184
7.1.3 活雞兔井12313綜采面出上覆跳采煤柱的壓架案例 185
7.2 壓架機理 189
7.2.1 煤柱上方關鍵塊體結構穩定性分析 189
7.2.2 壓架機理的模擬實驗驗證 192
7.3 壓架災害的影響因素 193
7.3.1 壓架災害的影響因素分析 193
7.3.2 煤柱邊界超前失穩對壓架災害的影響規律 195
7.3.3 煤層間巖層組合及層間距對壓架災害的影響規律 210
7.3.4 出上覆兩側采空煤柱壓架災害的采厚效應 220
7.4 壓架災害防治對策 228
7.4.1 總體思路 228
7.4.2 壓架災害的采前預防措施 229
7.4.3 壓架災害的采時防范對策 237
7.5 壓架災害的防治實踐 240
7.5.1 補連塔煤礦22303綜采面 240
7.5.2 活雞兔井12305綜采面、12306綜采面出上覆兩側采空煤柱壓架災害防治實踐 242
7.6 本章小結 246
參考文獻 247
第8章 淺埋近距離煤層出上覆一側采空煤柱壓架機理及防治 248
8.1 壓架災害工程案例 248
8.1.1 石圪臺煤礦 248
8.1.2 活雞兔井 255
8.1.3 凱達煤礦 256
8.1.4 孟巴煤礦 257
8.2 壓架機理 259
8.2.1 關鍵塊體結構破斷運動致災機理 260
8.2.2 壓架機理的模擬實驗驗證 263
8.2.3 出煤柱開采壓架災害的對比分析 265
8.3 壓架災害的影響因素 267
8.3.1 切眼位置對壓架災害的影響規律 267
8.3.2 工作面合理切眼位置的確定 277
8.3.3 煤層間巖層組合及層間距對壓架災害的影響規律 282
8.4 壓架災害防治實踐 291
8.4.1 石圪臺煤礦12106綜采面壓架防治實踐 291
8.4.2 凱達煤礦2602中綜采面壓架防治實踐 293
8.5 本章小結 294
參考文獻 295
第9章 淺埋近距離旺采煤柱下開采壓架機理及防治 296
9.1 壓架災害工程案例 297
9.1.1 石圪臺煤礦31201工作面開采條件 297
9.1.2 31201工作面壓架事故 297
9.2 開采壓架機理 299
9.2.1 旺采煤柱致災機理 299
9.2.2 壓架機理的模擬實驗驗證 300
9.3 穩定性影響因素 301
9.3.1 穩定性評價參數的理論計算 302
9.3.2 上煤層旺采參數 308
9.3.3 下煤層開采對上覆旺采煤柱穩定性的影響規律 310
9.3.4 工程實例驗證分析 334
9.4 壓架防治對策與實踐 338
9.4.1 安全回采對策 338
9.4.2 安全回采實踐 338
9.5 本章小結 339
參考文獻 340
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淺埋煤層開采壓架機理及防治 節選
第1章 緒論 1.1 淺埋煤層開采壓架災害問題 我國西北部廣泛賦存著淺埋的侏羅紀煤田，主要有神府東勝煤田、陜北榆神煤田、寧夏靈武煤田等。因其可采煤層多、煤層厚、煤質優良、構造簡單而為世人矚目。神府東勝礦區(以下簡稱神東礦區)作為我國典型的淺埋煤層賦存礦區，已成為我國重要的新型煤炭生產基地和億噸級生產礦區。近年來，隨著設備配套和開采效率的不斷提高，該礦區回采工作面支架的額定工作阻力水平也逐年攀升，目前已達到18000kN的國際領先水平(支護強度1.52MPa)。然而，就在這種先進的生產裝備和簡單的地質開采條件下，仍發生了支架立柱急劇下縮、端面切冒等壓架現象，嚴重威脅作業人員和設備的安全。據不完全統計(表1-1)，自2007年以來，僅神東礦區已累計發生各類嚴重壓架事故13起[1～9]，直接經濟損失近5億元。壓架災害已成為影響神東礦區淺埋煤層安全高效生產的重要因素之一。因此，研究揭示上述壓架災害的發生機理及防治對策，對于神東等淺埋煤層開采礦區的安全高效生產意義重大。 已有的研究結果表明，淺埋煤層開采礦壓顯現并不因其埋深淺、采動支承壓力小而緩和，相反常呈現出壓架等強烈的礦壓顯現，并伴有地表臺階下沉等現象的發生。根據神東礦區的開采實踐和統計結果，淺埋煤層開采主要存在5種壓架類型，即厚風積沙復合單一關鍵層結構條件下的壓架[10～13]、過溝谷地形上坡段時的壓架[3，6，7]、下煤層工作面采出上覆集中煤柱時的壓架[4，5，8，14，15]、上覆房采煤柱下開采時的壓架[16]，以及特大采高開采時的壓架[17]。其中，第1種壓架類型主要是在20世紀90年代神東礦區淺埋煤層開采初期出現的，當時尤以西安科技大學的石平五、侯忠杰、黃慶享等教授對此類問題研究較多，他們從地表厚風積沙的載荷傳遞作用導致覆巖發生全厚切落的角度，闡述了該類壓架發生的原因，有力指導了神東礦區淺埋煤層開采初期壓架災害的防治實踐。而后，隨著支架工作阻力的不斷提升，以及煤層開采深度的不斷加大，第1種類型的壓架逐漸減少，但在下部第2層近距離煤層重復開采過程中又呈現出新的壓架問題，即上述第2、第3、第4種類型的壓架災害。為此，作者從覆巖關鍵層結構穩定性及其運動規律的角度就上述第2、第3、第4種壓架災害的發生機理、影響因素，以及防治對策等問題進行了深入研究。如今，隨著液壓支架及其配套設備制造水平的快速提升，神東礦區煤層綜采一次采出厚度也得到顯著提高(已超過7.0m)，但隨之而來的是覆巖破壞范圍急劇增大后出現的強烈礦壓顯現問題，即上述第5種類型的壓架。對此本書作者也開展了部分研究，從煤層采高增大造成的覆巖關鍵層結構形態及其穩定性變化角度，分析了該類壓架發生的機理，并提出了相應的支架阻力確定方法及防治對策。 事實上，無論在何種開采條件下，若上覆關鍵層破斷塊體不能形成穩定的結構，而支架工作阻力又不足以平衡失穩結構巖體的重量時，就會引起壓架災害的出現。因此，掌握具體條件下淺埋煤層長壁開采時覆巖關鍵層的結構形態及其穩定狀態，是科學解決上述壓架災害問題的關鍵。因此，本書將綜合已有的研究成果，按照各類條件下覆巖關鍵層結構的失穩特征，將淺埋煤層開采的壓架災害類型、發生機理及防治對策形成一個完整的體系，從而更好地為神東礦區及我國西部類似淺埋煤層開采壓架災害防治提供借鑒和參考。 1.2 淺埋煤層礦山壓力研究綜述 1.2.1 在采動覆巖破壞規律研究方面 隨著地下煤炭資源的采出，巖層將產生移動和破壞，并導致礦山壓力顯現、地表塌陷、煤巖體中水與瓦斯的流動，從而引發一系列的環境與安全問題，如地表建筑物和土地的破壞、地下水資源的破壞和井下突水事故、井下瓦斯事故與瓦斯排放污染大氣等。煤炭開采引起的上述采動損害問題的發生都與采動巖層移動破壞有關，因此，研究掌握采動巖層移動破壞規律是解決上述采動損害問題的關鍵。長期以來，采礦研究工作者對此投入了很大的研究力量，對采場上覆巖層移動破斷規律提出了如圖1-1所示的“橫三區”“豎三帶”的總體認識[18]，即沿工作面推進方向上覆巖層將分別經歷煤壁支承影響區、離層區、重新壓實區，由下而上巖層移動劃分為垮落帶、斷裂帶、整體彎曲下沉帶。 圖1-1 覆巖移動破壞的“橫三區”與“豎三帶” A.煤壁支承影響區(a～b)；B.離層區(b～c)；C.重新壓實區(c～d)；α.支承影響角； Ⅰ.垮落帶；Ⅱ.斷裂帶；Ⅲ.整體彎曲下沉帶 在巖層移動破壞研究方面，由于各自關注的問題方面不同，以及研究手段和方法的差異，形成了幾個相對獨立的學科研究領域和體系，如礦山壓力學科和開采沉陷學科等。20世紀60年代至80年代初是采場頂板結構假說百花齊放的階段，也是“砌體梁”結構假說形成時期，這一階段對覆巖可能形成的結構提出了眾多假說，用以解釋采場各種礦壓現象。各派假說的爭鳴，促進了頂板結構假說的發展與成熟，其中主要有壓力拱假說、懸臂梁假說，以及比利時學者 A.拉巴斯提出的預成裂隙假說和蘇聯學者г.H.庫茲涅佐夫提出的鉸接巖塊假說。到70年代末80年代初，我國學者錢鳴高院士根據巖層內部移動實測，提出了采場上覆巖層“砌體梁”結構假說并給出了力學模型，創造性地發展了上述有關假說[19，20]。“砌體梁”結構理論代表了我國學者對采場上覆巖層結構理論的貢獻，并成為這一時期的代表作。 20世紀80年代后期，是“砌體梁”結構理論的大實踐與大發展時期，也是“砌體梁”結構理論力學模型向體系化和定量化的發展階段。在80年代中后期，展開了對基本頂巖層形成“砌體梁”結構前的連續介質力學模型分析，視其為彈性地基梁和板結構，分析了這些結構的斷裂形態及斷裂前后對工作面來壓的影響，奠定了采場超前來壓預報的理論基礎。錢鳴高院士所提出的“砌體梁”理論已被廣泛應用，并不斷在實踐中得到發展。進入90年代后，給出了“砌體梁”結構受力的理論解[21]，建立了“砌體梁”關鍵塊體的 S-R穩定理論[22]；證明了頂板下沉與支架載荷的 P-Δl雙曲線關系[23]；建立了采場礦山壓力整體力學模型，闡明了支架受力來源問題，成功地解釋了包括放頂煤采場在內的支架受力問題[24]。 20世紀90年代中期，為了解決采動損害中更為廣泛的問題，錢鳴高院士及其帶領的課題組，在“砌體梁”結構理論的基礎上，進一步提出了巖層控制的關鍵層理論[25～27]。巖層控制的關鍵層理論的基本學術思想為：由于成巖時間及礦物成分不同，煤系地層形成了厚度不等、強度不同的多層巖層。實踐表明，其中一層至數層厚硬巖層在巖層移動中起主要的控制作用，將對巖體活動全部或局部起控制作用的巖層稱為關鍵層。關鍵層判別的主要依據是其變形和破斷特征，即在關鍵層破斷時，其上部全部巖層或局部巖層的下沉變形是相互一致的，前者稱為巖層活動的主關鍵層，后者稱為亞關鍵層。也就是說，關鍵層的斷裂將導致全部或相當部分的上覆巖層產生整體運動。覆巖中的亞關鍵層可能不止一層，而主關鍵層只有一層。關鍵層運動上可影響至地表，下可影響至回采工作面。為了弄清開采時由下向上傳遞的巖層移動動態過程，并對巖層移動過程中形成的采場礦壓顯現、煤巖體中水與瓦斯的流動和地表沉陷等狀態的變化進行有效的監測與控制，關鍵在于弄清關鍵層的變形破斷及其運動規律，以及在運動過程中與軟巖層間的相互耦合作用關系。 巖層控制的關鍵層理論為采動巖層移動破壞規律的深入研究提供了強有力的理論和思想工具。關鍵層理論學術思想的創新主要體現在以下兩個方面：一是將采動覆巖作為統一的研究整體，避免了以往各學科相對分割的研究現狀，實現了采場礦壓、開采沉陷、采動巖體中水與瓦斯運移等方面研究的有機統一；二是抓住了巖層運動的主要矛盾，突出了重點，避免了傳統學科中對巖層進行統計均化的不足。該理論自提出以來，在關鍵層判別方法、關鍵層上的載荷分布規律、關鍵層的破斷規律及其復合效應、關鍵層運動對采場礦壓顯現、覆巖移動與地表沉陷及采動裂隙場分布的影響、關鍵層理論在開采沉陷控制、卸壓瓦斯抽采和保水開采等方面的工程應用上取得了顯著進展[28～48]。目前已得到學術界和采礦工程技術人員的普遍認可，并在淺埋煤層開采礦山壓力控制領域得到廣泛應用。 1.2.2 在淺埋煤層開采礦山壓力及其控制研究方面 淺埋煤層開采采場礦壓非但沒有因采深變淺而減少，反而出現異常強烈的礦壓顯現，工作面出現臺階下沉，甚至壓壞支架。例如[49，50]，神東礦區大柳塔煤礦正式投產的**個工作面1203，埋深50～60m，采高3.5～4.0m，使用 YZ3500-23/45型液壓支架支護頂板。初次來壓期間，工作面中部91m范圍頂板出現大范圍臺階下沉現象，其中中部31m范圍頂板臺階下沉量高達1000mm，部分支架立柱被壓死，并出現潰沙現象，大量地面風積沙進入機尾。周期來壓時，不少支架的立柱因動載強烈而出現漲裂，支架損壞嚴重。礦區周圍幾個地方國有煤礦，如郭家灣、大砭窯煤礦曾經設計和應用了長壁工作面開采方式，但因為難以控制工作面來壓時出現的頂板臺階下沉，嚴重影響了生產和安全，為此又改回為各種方式的柱式開采。這說明在神東煤田淺埋深、薄基巖、厚上覆松散沙層的條件下，工作面頂板巖層破斷運動具有特殊性。 國外對于淺埋煤層頂板巖層控制方面做了大量的研究工作，較早的有蘇聯 M.秦巴列維奇根據莫斯科近郊煤田淺埋深條件提出的臺階下沉假說[51]。該假說指出當煤層埋深較淺時，上覆巖層可視為均質。隨工作面推進，頂板將呈斜方六面體沿煤壁斜上方垮落直至地表，支架上所受的載荷應考慮整個上覆巖重的作用。蘇聯 B.B.布德雷克研究認為[52，53]，在埋深100m且存在厚黏土層條件下，放頂時支架出現動載現象；約12%的采區煤柱出現動載現象。動載現象說明淺埋煤層頂板來壓迅猛，與普通采場頂板逐層次垮落，以及基本頂回轉失穩形成的比較緩和的來壓特征有明顯區別。 Holla和 Buizen[54]認為淺部開采頂板破斷直接影響到地表，頂板破斷角大，地表下沉速度快，來壓明顯且難以控制。 20世紀90年代初，隨著神東礦區的開發，我國許多學者開始了淺埋煤層采場礦壓問題的研究。其中尤為突出的是西安科技大學石平五、侯忠杰、黃慶享等學者所開展的卓有成效的研究工作[10～13，54，55]。他們曾先后開展了神東礦區大柳塔煤礦 C202工作面、1203工作面等淺埋煤層開采采場礦山壓力的工程實測研究工作。在此基礎上，在實驗室開展了大量的淺埋煤層采場礦山壓力的相似材料模擬試驗研究工作，掌握了神東礦區淺埋煤層長壁開采采場礦壓顯現的主要特點。工作面來壓表現為圖1-2所示的煤層上覆基巖全厚切落，導致工作面頂板出現臺階下沉，支架工作阻力不夠將導致壓架事故。 圖1-2 淺埋煤層頂板全厚切落形式 在掌握神東礦區淺埋煤層采場礦壓基本規律的基礎上，侯忠杰等應用巖層控制的關鍵層理論對淺埋煤層上覆基巖全厚切落的機理進行了合理的解釋，提出了淺埋煤層復合關鍵層的概念，并基于關鍵層理論建立了判別淺埋煤層覆巖是否為復合關鍵層及是否全厚切落的條件如下： (1-1) 式中：ρig為第i層巖層的質量密度；hi為第i層巖層的厚度；Ei為第i層巖層的彈性模量；q為地表松散層(風積沙)載荷； m為從**層基本頂算起的巖層總層數；n+1為第二層關鍵層；n為第二層關鍵層之下的巖層層數。 地表厚松散層淺埋煤層覆巖中若有兩層堅硬巖層，則這兩層堅硬巖層均為關鍵層。因為這兩層關鍵層和其中所夾的弱巖形成一個整體，協調變形，同步破斷，屬于關鍵層的一種組合效應。可將這種主要由兩層關鍵層組成的巖層組稱為組合關鍵層。顯然，地表厚松散層淺埋煤層這種組合關鍵層具有一般賦存條件下煤層關鍵層所具有的巖性特征、變形特征、破斷特征和支承特征，但組合關鍵層的厚度要比關鍵層厚度大得多。組合關鍵層破斷后，砌體梁結構的滑落失穩是導致淺埋煤層長壁開采礦壓顯現異常強烈的根本原因。 黃慶享等[55，56]基于“砌體梁”結構理論研究了淺埋煤層基巖基本頂切落的短塊“砌體
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