探讨神东浅埋薄基岩煤层合理采高的选择

＊张茂微

（中国神华神东煤炭集团榆家梁煤矿 陕西 719300）

探讨神东浅埋薄基岩煤层合理采高的选择

＊张茂微

（中国神华神东煤炭集团榆家梁煤矿 陕西 719300）

浅埋薄基岩煤层的合理采高工作需要通过严密的理论计算和数值模拟的方法，因此，为了确定神东矿区浅埋薄基岩煤层工作面的合理采高，特对浅埋深、煤厚为3.5米的试验工作面进行不同采高的工作分析。结果表明，对浅埋基岩煤层采高较小时，顶板容易发生滑落失稳问题；对浅埋薄基岩煤层采高越大，顶板失稳的回转角也就越大。随着采高的增加，冒落带和裂隙带也随之向上扩张，当基岩破断后，就容易使上覆松散砂土层的稳定度下降，从而引发压架事故。以下是对浅埋薄基岩煤层合理采高选择的详细分析。

浅埋薄基岩煤层；合理采高；选择

随着经济的进步与时代的发展，我国越来越重视矿产企业的发展，矿产企业的发展关系到我国的经济发展与人民生活水平的提高，特别是煤矿企业的发展。可以说我国的发展离不开煤矿的安全生产，浅埋薄基岩煤层在开采过程中容易发生下沉、塌方等事故，因此对于浅埋薄基岩煤层合理采高的选择工作就显得格外重要。本文将通过对浅埋薄基岩煤层的主要灾害类型以及国内外的研究现状以及不同采高方式等方面进行分析，探索最适宜浅埋薄基岩煤层的合理采高方式，促进我国矿产事业的进步与发展。

1.分析浅埋薄基岩煤层合理采高选择

(1)浅埋薄基岩煤层合理采高选择的意义

在我国分布着大量的浅埋煤层，西北地区的神东煤炭集团浅埋煤层尤为突出，当前的开采范围集中在浅部100-160m。之所以选择西北部的神东煤炭集团浅埋煤层进行研究分析，主要原因在于西北地区的煤层倾角较小，煤层的赋存也比较稳定，总的来说该矿区地质条件十分优越。虽然地质条件优越，但是在开采工作中仍然存在一定的问题，矿压现象也不太缓和，顶板台阶下沉、矿压显现剧烈的现象时有发生，严重威胁到煤矿的安全生产。我国自上世纪九十年代起，就开始对浅埋煤层的矿压显现问题进行研究工作，一批又一批的专家、学者提出了浅埋煤层覆岩的运动演化规律。各专业人士对浅埋薄基岩煤层的研究工作提供了丰富的采场矿山压力理论，为浅埋煤层的压架、溃沙现象提供了理论依据。尽管如此，我国在采高对覆岩影响方面研究依然较少，合理的采高选择有利于保障矿场的安全生产工作。

(2)工程背景

神东矿区的浅埋薄基岩煤层采高选择工作在煤层厚度为1．8-4．3m范围内进行，平均厚度应保持在3．5m左右，除煤层厚度以外，还应该考虑煤层的稳定性与地质条件的复杂性。煤层上覆岩厚度也是采高选择工作的重点，应该在10m至50m之间，基岩平均厚度在22m左右。在确保矿井开采安全、高效的前提下，应采用大采高综合机械化开采技术为主，分别对不同采高的数值进行理论分析和数值模拟覆岩的演化规律，实现开采高度的合理化。

2.分析不同采高对覆岩结构稳定性的影响

(1)覆岩结构的稳定性分析

浅埋薄基岩煤层的采高选择与覆岩结构的稳定性是相辅相成的关系，两者之间相互影响，进一步提高矿场开采工作的效率，为矿场的安全性提供保障。一方面，覆岩顶板的控制关系到采高技术安全高效的实现，采高综采覆岩结构在铅垂方向上包括冒落带、裂隙带、弯曲下沉带，这“三带”的正常运行依靠着浅埋薄基岩煤层的采高工作，适宜的采高数值不仅关系到煤层的开采情况，更关系到矿场工作人员的安全；另一方面，浅埋薄基岩煤层的采高选择在一定程度上也决定着覆岩结构的稳定性。

(2)不同采高对回转变形失稳的影响分析

顶板不发生回转变形失稳的条件可以根据著名专家钱院士所提出的砌体梁“S-R”稳定理论进行分析：其中以M为采高，h为垮落带的高度，l代表的是周期来压步距，k则代表的是碎胀系数，在这个理论中一般取数值为1．3，i则是断裂层的代表，在钱院士的理论中可以实现其采高的数值模拟。当采高数值为3．5m时，岩层密度则为2．5m，承载岩层抗压强度为60，压步距为12m，岩块间摩擦因数的数值取0．3，承载岩层厚度为8m，垮落带的高度为7m。最终得出的结论是承载层负载岩层厚度为89．6m，回转角度为4．5；当采高为4．5m时，垮落带的高度则为9m，这时的承载层负载岩层厚度为75．1m，回转角度为6．2；当采高为5．0m时，垮落带的高度为10m，承载层负载岩层厚度为65．8m，回转角为7．3；当采高为5．7m时，垮落带的高度为11．4m，承载层负载岩层厚度则为52．2m，回转角为8．1。

通过上述结果发现，随着采高的增加和垮落高度的增加，回转角的角度也随之增加，回转角失稳的可能性也会增大，但可以明显地看出垮落充填的高度减少，上覆临界负载岩层的厚度也随之减小。当采高和垮落带高度达不到条件的需要时，就难以使破断基岩形成稳定的砌体梁结构，容易产生回转变形失稳的问题。

(3)分析不同采高对滑落失稳的影响

根据顶板滑落失稳条件进行分析，工作面的数值选取要注意在条件允许的范围内，临界负载岩层厚度随着采高的增加而增大，当采高与工作面的数值超过条件范围就会引发破断基岩不稳定的后果，出现滑落失稳的问题，此时，工作面也会出现台阶下沉的现象，发生压架事故，当工作面基岩较薄时，就更应该注意其采高时的数值。可以明显的看出，当表土为松散砂土层，出现基岩破断的情况，采高的增加也不能使上覆松散砂土层形成稳定的压力拱结构。换句话说就是基岩厚度不变，负载岩层厚度增加，滑落失稳的发生概率与失稳事故的发生率也会增加，因此要十分注意工作面采高较小时的滑落失稳与采高较大时的滑落失稳和回转失稳。通过研究发现，工作面的合理采高数值为3．5m-4．0m之间。

3.模型的分析

(1)模型的建立

通过对浅埋薄基岩煤层的实地勘察及其相关理论进行模拟分析，在这个模拟中，模型尺寸长为450m，宽为500m，高为150m，模拟的煤层厚度为3．5m。模型中各相关煤岩层物理力学参数如下∶岩层分别为煤层、直接顶、基本顶、粘土层、砂土层，抗拉分别为0．21、1．22、1．80、0．17、0．10，体积模量分别为2．50、2．41、4．00、0．70、0．19，剪切模量分别为1．16、1．65、2．30、0．36、0．12，密度1380、2600、2700、2050、2350，内擦角度分别为32、35、40、25、20，内聚力1．61、2．10、13．0、0．55、0．50。在这个数值模型中，通过对不同的采高进行数值模拟以及对工作面超前支撑压力分布规律进行分析，取得合理的采高数值。

(2)采高模拟的结果分析

通过对不同采高数值模拟结果的分析，采高为2．0m时，工作面的超前支撑压力峰值计算后为5．90抗拉，峰值距煤壁距离计算可得为6m，可以发现这时的支撑压力范围较小。当采高数值为2．5m时，超前支撑压力就为6．35抗拉，与5．90抗拉相比差距较小，可以明显的看出这时的峰值点向前移动了一点。当采高数值超过3．0m时，支撑压力的峰值就达到了6．85抗拉，从数据可以看出这时的峰值点和峰值点距煤壁距离有了明显的浮动，这时的顶板结构也有随之发生变化的可能性，使顶板结构出现失稳的问题。当采高值达到3．5m时，应力峰值和支撑压力峰值也随之增大。

通过对以上采高数值、峰值点和峰值点距煤壁距离的模拟分析可以知道，当采高比较小时，前方的支撑压力就比较缓和，当采高增加时，支撑压力也随之增加。支撑压力的增加主要是由于上覆的薄基岩形成的砌体梁结构失稳造成的，增加了工作面支架的要求和阻力。

4.分析浅埋薄基岩煤层采高选择结果

(1)浅埋薄基岩煤层采高选择实测

实践是检验真理的唯一标准，对浅埋薄基岩煤层进行采高选择的实地检测勘察才能更好的检验数值模拟的结果，才能对矿场煤层提供更高的安全保障，促进我国矿产事业的发展。

本矿区煤层的厚度大多在3．5m以上，煤层埋深大约在100m至150m之间，上覆基层厚度在10m至50m中间，岩层厚度在20m左右。经勘察发现基岩到地表的风积沙或粘土层属于有代表性的厚冲积沙，需要利用大采高综合机械化开采技术与长壁采煤法相结合的方式进行。在对工作面进行开采的过程中，在工作面持续推进的影响下，会带来更高的工作阻力，工作面初次来压显现也会更加突出，具体表现为工作面中部部分支架压力的迅速升高、支架的下沉、煤层壁片帮以及冒顶的明显增加。

当第一周期来压时，工作面的推进速度相对来说比较缓慢，这时的来压程度最为强烈，大多数的支架高度会降低，可以看出工作面的上部和中部的支架压力会明显增大，会出现片帮冒顶严重的问题。当第二次周期来压时，所表现出来的现象不像第一周期那么明显，只是在支架工作阻力上有所体现，主要表现为，支架工作阻力的增大和轻微的片帮、冒顶，在第二周期内并没有出现压架事故，对矿场的生产工作不会造成太大的影响。

(2)浅埋薄基岩煤层采高选择的结论

①砌体梁失稳理论。通过对砌体梁的失稳理论进行分析，可以知道上覆砌体梁结构的回转失稳与采高的增加和失稳的回转角增大有很大的关系，当采高较小时，工作面也比较容易出现滑落失稳的问题。当浅埋煤层基岩厚度过薄时，冒落带和裂隙带的发育情况与采高的大小有关，上覆的松散砂土层容易与其沟通，也就是基岩厚度不变，负载岩层厚度随之增加，使砌体梁回转和滑落现象的发生率大幅度增加。

②数值模拟分析。通过对浅埋薄基岩煤层不同采高的数值模拟分析可以知道，采高的增加会引起超前支撑压力的增加。当采高数值为3．0m时，支撑压力会大大提高，根据研究发现这主要是上覆的薄基岩形成的砌体梁结构失稳与上覆部分砂土层的重力作用所导致的支撑压力变化幅度过大。通过计算可知，当浅埋薄基岩煤层采高数值不超过3．5m时，易出现滑落失稳的问题，引发压架的后果。当采高数值超过4．0m时容易沟通砂土层，导致溃砂的事故。因此，合理采高的数值在3．5m至4．0m之间就属于相对安全的范围。

5.总结

当今社会是一个高速发展的社会，矿产的安全生产一直是我国关注的重点，对浅埋薄基岩煤层合理采高选择的研究探讨有利于煤场的安全生产，在一定程度上可以缓解甚至避免压架、溃砂以及砌体梁回转、滑落的问题，需要工作人员在实际工作中继续完善浅埋薄基岩煤层的合理采高选择研究工作，促进矿产的安全生产。

张茂微（1986～），男，中国神华神东煤炭集团榆家梁煤矿，研究方向：采煤技术研究。

((责任编：高镇峰)

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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