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[摘 要]由于地质条件的差异性，目前尚未有一套完整的方法来对上覆岩层运动规律进行分析，多数用的是现场实测的方法。本文根据3102急倾斜煤层工作面地质概况，采用理论分析的方法，对其上覆岩层运动规律进行了分析。
[关键词]急倾斜煤层；上覆岩层；运动规律
中图分类号：TD 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）15-0013-02
1、前言
随着煤矿开采强度的不断增大，特别是近年来快速发展的高产高效技术，已经使大部分矿区浅部开采条件好的储量在较短的服务年限内接近枯竭，促使大倾角及急倾斜煤层的开采问题迅速进入人们的视野，并引起高度重视。急倾斜煤层开采过程中矿压显现的一些基本规律与缓倾斜煤层开采是相同的。比如，由于煤层被采出，将引起开采空间周围岩层的移动、破坏和冒落，由此而引起的围岩中的应力重新分布，并相应地造成巷道变形破坏，支架受压及折损等。然而在开采急倾斜煤层时，由于倾角较大，岩石重力作用方向与岩石层理面方向所成的夹角变小，故使重力沿层面方向的作用力大大增加。这就使围岩移动、顶板冒落的形态，以及支架受载的特征等，产生了与开采缓倾斜煤层时不同的一系列特点。
2、 工程概况
（1）3102工作面参数
华蓥山煤业南二井3102工作面位于520水平的31采区，开采的K1煤层，结构较简单。3102工作面走向长1035m，倾斜长142m，面积146970m2，含煤地层为二迭系龙潭组，属海陆交替相沉积，为单斜煤层，西高东低，由南向北逐渐抬高，倾角440～500，煤层总厚度为1.47～3.60m，有益厚度为1.12～3.46m，煤层平均厚度2.45m，煤层硬度f=1～2，倾角44°～50°，容重1.50t/m3，稳定程度属较稳定煤层。基本顶为深灰色石灰岩，平均厚度15.05m，上部夹一层灰黑色泥岩，富含腕足类动物化石；直接顶为灰黑色泥岩，厚度为6.48～25.19m，间夹砂质泥岩，夹灰岩条带；直接底为粘土岩，厚度为0.7～14.84m，平均厚度4.19m，遇水膨胀，易泥化，偶为炭质或泥岩夹粘土岩；老底为深灰色石灰岩，厚度为6.33m。
3、急倾斜煤层上覆岩层运动规律分析
3.1 直接顶初次垮落步距
随着采场从开切眼推进，岩层暴露的面积越来越大，在采场的走向方向，岩层悬露到一定距离后，将发生断裂并垮落，这个过程称为初次垮落。从开切眼到初次垮落时煤壁的距离为初次垮落步距。
直接顶的极限跨距一般都小于工作面长度的一半，故在计算中可按单向板考虑。根据3101工作面的煤层赋存地质条件，可按受均布荷载作用的简支梁考虑，则直接顶的极限跨距为：
式中：—直接顶初次垮落步距，m；—直接顶的厚度，m；—直接顶岩层试件抗拉强度，Mpa；—直接顶层容重、煤层倾角。
根据3101工作面具体的地质条件，各参数取值为：=6.48m，0.6MPa，N/m3，，带入上式（1）得：17.2m.
3.2 基本顶初次断裂的极限跨距
随着采场的继续推进，直接顶进入正常垮落阶段，基本顶此刻开始发生离层、弯曲沉降、断裂、最后转下沉，引起工作面压力的急增，这个阶段称基本顶初次来压阶段。基本顶初次来压严重影响着工作面支护系统的支护强度与稳定性。特别是在坚硬顶板条件下，如果支架工作阻力或架型选择不当，往往会造成较大的顶板的事故。老顶初次破断前板的边界支撑条件有四种形式：四周均为实体煤固支的板；一边采空区或断层简支、三边固支的板；两邻边简支、两邻边固支的板；三边简支、一边固支的板。
根据工程实际，现以老顶初次破断前板为四边固支条件进行计算和分析：
式中：—基本顶初次来压步距，m；—工作面斜长，m；—基本顶的步距准数，m。其中基本顶的步距准数可用下式计算：
式中：M—基本顶的厚度，m；——岩层泊松比；—直接顶岩层试件抗拉强度，Mpa；———直接顶层容重、煤层倾角。
根据3101工作面具体的地质条件，各参数取值为：L=150m，M=15.05m，0.8MPa，N/m3，，=0.19代入上式（3）可得：=38.28m。将代入到式（2）可得出初次来压步距：=31.2m。
3.3 基本顶周期断裂的极限跨距
随着工作面不断推进，基本顶发生初次破断，这时工作面顶板的约束条件简化为：邻边固支、一边简支、一边自由。将周期来压前的顶板模型视为邻边固支、一边自由的斜板模型。基本顶发生初次断裂后，工作面继续向前推进，当推进距离为C时，基本顶发生周期性的断裂。计算基本顶周期断裂步距常常按基本顶的悬臂式折断来确定。岩板在沿走向方向上端部发生破断的周期断裂步距为：
（4），式中：M—基本顶的厚度，m；—直接顶岩层试件抗拉强度，Mpa；———直接顶层容重、煤层倾角。根据3101工作面具体的地质条件，各参数取值为：M=15.05m，0.8MPa，N/m3，代入上式（3）可得：代入上式（4）可得C=15.1m。
3.4 直接顶的分类及老顶的分级
采煤工作面直接顶类别按其在开采过程中表现的稳定程度进行划分，共分为4类，其中1、2类又分为2个亚类，其具体指标见下表1。其中，为直接顶平均初次跨落距离。
根据前面计算可知，=17.2m，因此直接顶2类2b（中等稳定顶板）。
老顶的分级指标是老顶初次来压平均当量，而老顶初次来压当量是由老顶初次来压布距、直接顶充填系数N和煤层采高来确定，具体计算如公式：（5）。式中：—老顶初次来压当量，KPa；—老顶初次来压布距，m；N—直接顶充填系数，；为直接顶厚度，m；为煤层采高，m。老顶分级指标见表2。
直接顶为灰黑色泥岩，厚度为6.48～25.19m，煤层总厚度为1.47～3.60m，有益厚度为1.12～3.46m，煤层平均厚度2.45m。经过计算，=920，老顶属于II类，来压显现明显。
4、 结束语
回采工作面顶板事故发生的原因，一是对采煤工作面的顶底板地质情况及其活动规律了解不清；二是缺乏针对性的防治措施。实践证明，顶板事故的发生基本上是有规律的，只要能用正确的理论和手段实现对顶底板的监测与控制，掌握其运动规律，顶板事故是可以预防的。本文通过理论研究分析3102急斜煤层综采工作面采场矿山压力显现问题，掌握急斜煤层采场的矿山压力显现规律，为急倾斜煤层采场矿压显现规律的完善及控制有一定的借鉴意义。
作者简介
王毅，男，1983年生，山西运城人，硕士，讲师，现就职于重庆工程职业技术学院，主要从事采矿工程专业教学与科研工作。
[关键词]急倾斜煤层；上覆岩层；运动规律
中图分类号：TD 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）15-0013-02
1、前言
随着煤矿开采强度的不断增大，特别是近年来快速发展的高产高效技术，已经使大部分矿区浅部开采条件好的储量在较短的服务年限内接近枯竭，促使大倾角及急倾斜煤层的开采问题迅速进入人们的视野，并引起高度重视。急倾斜煤层开采过程中矿压显现的一些基本规律与缓倾斜煤层开采是相同的。比如，由于煤层被采出，将引起开采空间周围岩层的移动、破坏和冒落，由此而引起的围岩中的应力重新分布，并相应地造成巷道变形破坏，支架受压及折损等。然而在开采急倾斜煤层时，由于倾角较大，岩石重力作用方向与岩石层理面方向所成的夹角变小，故使重力沿层面方向的作用力大大增加。这就使围岩移动、顶板冒落的形态，以及支架受载的特征等，产生了与开采缓倾斜煤层时不同的一系列特点。
2、 工程概况
（1）3102工作面参数
华蓥山煤业南二井3102工作面位于520水平的31采区，开采的K1煤层，结构较简单。3102工作面走向长1035m，倾斜长142m，面积146970m2，含煤地层为二迭系龙潭组，属海陆交替相沉积，为单斜煤层，西高东低，由南向北逐渐抬高，倾角440～500，煤层总厚度为1.47～3.60m，有益厚度为1.12～3.46m，煤层平均厚度2.45m，煤层硬度f=1～2，倾角44°～50°，容重1.50t/m3，稳定程度属较稳定煤层。基本顶为深灰色石灰岩，平均厚度15.05m，上部夹一层灰黑色泥岩，富含腕足类动物化石；直接顶为灰黑色泥岩，厚度为6.48～25.19m，间夹砂质泥岩，夹灰岩条带；直接底为粘土岩，厚度为0.7～14.84m，平均厚度4.19m，遇水膨胀，易泥化，偶为炭质或泥岩夹粘土岩；老底为深灰色石灰岩，厚度为6.33m。
3、急倾斜煤层上覆岩层运动规律分析
3.1 直接顶初次垮落步距
随着采场从开切眼推进，岩层暴露的面积越来越大，在采场的走向方向，岩层悬露到一定距离后，将发生断裂并垮落，这个过程称为初次垮落。从开切眼到初次垮落时煤壁的距离为初次垮落步距。
直接顶的极限跨距一般都小于工作面长度的一半，故在计算中可按单向板考虑。根据3101工作面的煤层赋存地质条件，可按受均布荷载作用的简支梁考虑，则直接顶的极限跨距为：
式中：—直接顶初次垮落步距，m；—直接顶的厚度，m；—直接顶岩层试件抗拉强度，Mpa；—直接顶层容重、煤层倾角。
根据3101工作面具体的地质条件，各参数取值为：=6.48m，0.6MPa，N/m3，，带入上式（1）得：17.2m.
3.2 基本顶初次断裂的极限跨距
随着采场的继续推进，直接顶进入正常垮落阶段，基本顶此刻开始发生离层、弯曲沉降、断裂、最后转下沉，引起工作面压力的急增，这个阶段称基本顶初次来压阶段。基本顶初次来压严重影响着工作面支护系统的支护强度与稳定性。特别是在坚硬顶板条件下，如果支架工作阻力或架型选择不当，往往会造成较大的顶板的事故。老顶初次破断前板的边界支撑条件有四种形式：四周均为实体煤固支的板；一边采空区或断层简支、三边固支的板；两邻边简支、两邻边固支的板；三边简支、一边固支的板。
根据工程实际，现以老顶初次破断前板为四边固支条件进行计算和分析：
式中：—基本顶初次来压步距，m；—工作面斜长，m；—基本顶的步距准数，m。其中基本顶的步距准数可用下式计算：
式中：M—基本顶的厚度，m；——岩层泊松比；—直接顶岩层试件抗拉强度，Mpa；———直接顶层容重、煤层倾角。
根据3101工作面具体的地质条件，各参数取值为：L=150m，M=15.05m，0.8MPa，N/m3，，=0.19代入上式（3）可得：=38.28m。将代入到式（2）可得出初次来压步距：=31.2m。
3.3 基本顶周期断裂的极限跨距
随着工作面不断推进，基本顶发生初次破断，这时工作面顶板的约束条件简化为：邻边固支、一边简支、一边自由。将周期来压前的顶板模型视为邻边固支、一边自由的斜板模型。基本顶发生初次断裂后，工作面继续向前推进，当推进距离为C时，基本顶发生周期性的断裂。计算基本顶周期断裂步距常常按基本顶的悬臂式折断来确定。岩板在沿走向方向上端部发生破断的周期断裂步距为：
（4），式中：M—基本顶的厚度，m；—直接顶岩层试件抗拉强度，Mpa；———直接顶层容重、煤层倾角。根据3101工作面具体的地质条件，各参数取值为：M=15.05m，0.8MPa，N/m3，代入上式（3）可得：代入上式（4）可得C=15.1m。
3.4 直接顶的分类及老顶的分级
采煤工作面直接顶类别按其在开采过程中表现的稳定程度进行划分，共分为4类，其中1、2类又分为2个亚类，其具体指标见下表1。其中，为直接顶平均初次跨落距离。
根据前面计算可知，=17.2m，因此直接顶2类2b（中等稳定顶板）。
老顶的分级指标是老顶初次来压平均当量，而老顶初次来压当量是由老顶初次来压布距、直接顶充填系数N和煤层采高来确定，具体计算如公式：（5）。式中：—老顶初次来压当量，KPa；—老顶初次来压布距，m；N—直接顶充填系数，；为直接顶厚度，m；为煤层采高，m。老顶分级指标见表2。
直接顶为灰黑色泥岩，厚度为6.48～25.19m，煤层总厚度为1.47～3.60m，有益厚度为1.12～3.46m，煤层平均厚度2.45m。经过计算，=920，老顶属于II类，来压显现明显。
4、 结束语
回采工作面顶板事故发生的原因，一是对采煤工作面的顶底板地质情况及其活动规律了解不清；二是缺乏针对性的防治措施。实践证明，顶板事故的发生基本上是有规律的，只要能用正确的理论和手段实现对顶底板的监测与控制，掌握其运动规律，顶板事故是可以预防的。本文通过理论研究分析3102急斜煤层综采工作面采场矿山压力显现问题，掌握急斜煤层采场的矿山压力显现规律，为急倾斜煤层采场矿压显现规律的完善及控制有一定的借鉴意义。
作者简介
王毅，男，1983年生，山西运城人，硕士，讲师，现就职于重庆工程职业技术学院，主要从事采矿工程专业教学与科研工作。