大采高综采面关键层结构形态及对矿压显现的影响分析

冯雪

摘要：大采高综采技术作为一项新型煤炭资源开采技术，在我国各大煤矿得到了深入应用，在这一工艺运用过程中同时出现了很多新问题。文章结合科学理论开展实践实验分析了大采高综采面关键层结构形态以及这一结构形态对矿压显现的影响，并对采煤设施、矿压以及顶板控制等相关技术进行了探究。

关键词：大采高综采面；关键层；结构形态；矿压显现

中图分类号：TD323 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）28-0125-02

大采高综采面是指采煤高度大于3.5～5m的综采，其矿压现象却出现一系列问题，这些问题会影响煤矿采煤工作效率，甚至会引发非安全问题，因此，必须明确在各个情形下，大采高综采面关键层的结构形态，以及它们对矿压显现所造成的影响，掌握蕴含在其中的科学原理，只有这样才能高效解决具体的采煤工作中遇到的各种问题，才能提高采煤效率和采煤质量。

1 大采高综采面关键层结构形态

1.1 关键层悬臂梁结构

采煤场中岩层覆盖与变化规律通常被总结成“三带理论”，具体工作中煤炭资源采集高度从根本上影响着岩层三带的分布状况。其中关键层通常位于三带中的地方，这从根本上影响了关键层出现破损或断裂时所呈现的结构特点与形态特征。大采高综采面覆岩垮落带由于高度较高，通常会由于回转量规模巨大而影响砌体梁结构的牢固度，而形成“悬臂梁”结构，这样才可以使位于更高层面的关键层铰接成为牢固的砌体梁构造。

为了说明并验证这一理论的科学性，下面逐步进行分析、探究与验证，分别对3m与7m采高度开展了相同条件下的实验。

创设一个重力应力条件，选择平面应力模型架来开展实验，模型架的具体规格架构如下表1所示：

表1

模型架 长度 宽度 几何相似比 应力相似比 密度相似比

规格 120cm 8cm 1/100 1/125 1/1.25

两种采高方法对应覆岩赋存均相同，两个高度的采高实验都是自模型左侧开启的，同时也要将模型的两边分别留出10cm宽度，充当边缘煤柱。

采煤层高度在3m，亚关键层1呈现出相对牢固的砌体梁架构。

采煤层高度在7m，亚关键层1形成了悬臂梁架构。

对应的上级层面亚关键层2则呈现出了牢固的砌体梁构造。

很显然，当关键层与煤层之间间隔较大时，关键层势必要在覆岩裂缝缝隙中形成较为牢固的砌体梁构造。由此可见，采煤高度越高，关键层的位置则相对越低，这样非常容易出现悬臂梁构造，所以，当采煤高度在3m时，亚关键层1需要达到相关要求才可以呈现出悬臂梁构造。

1.2 关键层“悬臂梁”构造的形成条件

根据上面的实验探究能够发现：工作面采高、关键层的位置这两大方面都影响着关键层的形态与结构。正是因为关键层破损与断裂块的回落量远远超出了稳定数值范围，才导致了其最终以悬臂梁的构造形式垮掉并

降落。

由此可见，通过观察与分析破损块或断裂块的回转量能够科学而准确地断定关键层有无悬臂梁构造出现。下图1表示关键层回转空间图示：

图1

此时直接顶垮落后同上部关键层的空间位移量用下面公式表示：

Δ=m+（1-kP）∑hi

其中Δ代表破断块的可回转量；m代表采煤层的高度；kP代表直接顶垮落岩体破碎系数；∑hi则代表直接顶的宽。

当关键层破断块可以被成功铰接，并打造出合格牢固的砌体梁时，假设其要求的回转量为Δ最大，如果Δ>Δ最大，关键层必将在垮落缝隙中形成悬臂梁

构造。

2 大采高综采面关键层结构形态对矿压显现影响分析

在采煤覆岩出现破损或断裂等问题时，就会导致采面的矿压显现，直接影响着显现覆岩层动态的规模与程度。这其中关键层作为整个的覆岩层中的重要一层，发挥着调控岩层动态变化的功能，关键层的破碎或断裂会在很大程度上影响采煤作业面的矿压显现。尤其是高度较大的采面，顶板会在很大空间范围内发生垮落，对应岩石中的关键层也会发生变化，由此会导致工作面的矿压显现也出现特殊变化，以下分析了关键层结构形态与矿压显现之间的关系。

2.1 关键层悬臂梁结构对矿压的影响

从上面的理论与图示可以看出：所谓的“悬臂梁”构造同“砌体梁”构造有很大不同，具体体现在：砌体梁结构更加完整、约束力良好、形态保存完好，而悬臂梁则相对较差，最显著的不同体现为悬臂梁约束力不足。相比之下，悬臂梁结构出现破损或断裂，能够在更大的空间范围内进行回旋，采煤区域的支架顶梁要彻底超越关键层破断线，这样破断块体出现回转时才不至于为支架带来压力，这时候的采煤面也不会有更多压力来袭。具体的过程如下图2所示：

图2

采煤面受到压力压迫的持续长度可用以下公式表示：

LC=LM+∑hicotɑ

以上公式中：LC代表采煤面所受压力持续长度，LM代表支架控顶距离，α代表直接顶垮落角。当关键层超前煤壁出现破损或断裂，那么以上公式中就要额外添加一个量，那就是超前破断距，然而，因为加号后面的数值变化范围较小，总的来看关键层悬臂梁结构出现破损或断裂的情况，所以，LC的数值通常与LM更为接近。如果是普通的采煤高度，关键层的砌体梁结构出现动态变化时，破断块的回转规模不大，同时在后面关键层破断块体的影响与作用之下达到最终的稳固模式，也就是采煤面只需被推动很小的程度，之后的压力就会减少许多，所以，与普通的采煤高度相比，大采高综采面关键层悬臂梁构造所要承受的压力范围更广、面积更大、持续时间也会更长。

2.2 亚关键层2对矿压的作用

通常，与普通的采煤区相比，大采高采区覆岩垮落带很高，此时居于下方的亚关键层1就可能落到垮落缝隙内，然而，上方相邻的亚关键层2通常位于裂缝内，当两个关键层之间的空间达到某一标准时，上方关键层2出现破碎与断裂等现象就会为亚关键层1带来影响，也会造成其同样断裂或破碎，这样就会在很大程度上工作面矿压显现。

通常条件下，都是亚关键层1更及时也更加容易出现破损与断裂现象，在此基础上采煤活动在其所在层面上开展一些距离，对应的亚关键层2也就随之出现破损或断裂，即使亚关键层1没能达到破损与断裂的标准，也会在亚关键层2的影响之下事先出现问题，甚至会缩小采煤面来压步距，更重要的是这种情况所造成的压力大小或程度会更大，因为这种压力来自与两个亚关键层相关的位置。

如果一直依照这个程度破损或断裂，可能会导致采煤面来压步距与压力持续长度呈现大小反向动态变化

趋势。

在这一过程中，亚关键层2的破碎与断裂具有非常大的作用，其影响着亚关键层1的变化。

3 结语

本文分析了大采高采面关键层结构常常呈现为悬臂梁结构，及其结构形态与结构特征，并探究了这种悬臂梁结构对采煤场煤矿压力的影响，各大采煤场要明确悬臂梁的结构形态，以及它们会对矿压产生的不良影响，从而有针对性地控制不良因素，提高采煤工作效率与

效果。

参考文献

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