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薄基岩浅埋煤层采场顶板运动规律研究摘要:鄂尔多斯地区蕴含着丰富的煤炭资源，该区煤层储量大，埋藏浅，倾角小，瓦斯含量低，煤层厚，被誉为世界八大煤田之一，是我国重要的商品煤基地。其特点是埋藏浅基岩薄，上覆较厚的松散层，在开采过程中出现了矿山压力的剧烈显现，顶板台阶下沉地面塌陷，甚至出现工作面涌水溃沙的严重事故。但是以往并没有针对该区基岩厚度的不同进行系统的分析，对载荷的确定也没有细致的研究。因此全面系统的进行浅埋煤层覆岩运动规律研究与应用是目前巫待解决的问题。针对本区矿压显现的特殊问题，本文综合运用理论研究、数值模拟和现场实测的方法，初步分析了采场上覆松散层载荷确定及传递规律，按照基岩厚度不同提出了不同的开采方法和支护设计。关键词:薄基岩；浅埋煤层；载荷传递；采煤方法；支护设计1绪论1.1问题的提出和研究意义煤炭作为一次性能源，在我国能源构成比例中占70%以上，其主要地位将在以后年内不会发生变化[1]。根据专家预测[2]，为保证我国国民经济的正常发展，2020年、2050年的原煤产量占一次性能源的比重分别达68%、50%左右。煤炭不仅是我国的基本燃料，而且是重要的工业原料，从煤炭中可以提取二百多种产品，这些产品都是我国社会主经济建设和人民生活所必需的。因此，加速煤炭工业现代化步伐对我国实现工业、业、国防和科学技术的现代化至关重要。20世纪80年代初期，在我国陕西、内蒙交界处的毛乌素沙漠下发现了储量丰富的优质煤炭，仅神府和东胜煤田储量达2000多亿吨，该侏罗纪煤田是我国现己探明煤炭量最大的煤田，约占全国的25%，被誉为世界八大煤田之一，且煤层埋藏浅，赋存稳定、近水平、低灰、低硫、低磷、高发热量，开采条件优越，开采效益极佳。根据国家规划，这里将成为我国西部优质动力煤的供应和出口煤基地，且地理位置又具承东启西的作用，是21世纪煤田工业战略西移的首选基地，对本世纪国民经济的发展具有重大意义。该地区煤层赋存的最大特点是埋藏浅，基岩薄，基本顶为单一关键层结构，属典型浅埋煤层。基岩上为厚度较大的风积沙(30～60m)，具有典型浅层地压特征[3]。部分区域沙层之下蕴藏着大量潜水，在这种特殊条件下开采，矿井容易受到涌水溃沙的严重威胁，加之矿区位于生态环境比较脆弱的沙漠地带，很容易导致土地沙漠化的加重和生态的破坏。目前，除神东煤炭公司的数对大型现代化矿井和少数煤炭企业的矿井采用长壁开外，其它上百个矿井受浅层地压的影响，只能采用落后的房式开采方法，不仅采出率低(仅为20%～35%)，极大地浪费煤炭资源，而且还具有大面积突陷灾变危险，严重威胁人身安全[4]。浅埋煤层十几年的开采实践表明，开采引起的特殊岩层控制问题，主要有顶板覆岩出现全厚切落形成剧烈的矿山压力显现，支架压死。开采导致的裂隙贯通，从而造成水沙溃入工作面，致使工作面报废，井下设备被掩埋，无法撤出，水资源流失，加重了生态恶化的程度。目前对厚松散层薄基岩浅埋煤层采场上覆岩层载荷的研究主要是以静态的方式将厚松散层的全部重量作为基岩的载荷进行计算。在井下实际开采的观测中，基本顶基岩全部塌落后，上覆表土松散层黄土并不是全部塌落下来，这说明上覆松散层并不是以全部重量作用在基岩上的，而是存在一定的结构。并且随着开采的进行，松散层的载荷也在不断的变化，因此找到其变化的规律，合理确定基岩的载荷对于设采场的支护参数是很重要的。1.2采场岩层控制理论19世纪后期到20世纪初，相继提出了多种采场矿压假说，开始利用比较简单的力学原理解释实践中出现的一些矿压现象，具有代表性的是认为巷道上方能形成自然平衡拱的所谓“压力拱假说”。60年代至80年代初是采场顶板结构学说百花齐放的阶段。各学派学说的争鸣，促进了顶板结构学说的发展与成熟，其中主要有“压力拱假说”和“悬臂梁假说”。20世纪80年代初是我国矿压理论研究最活跃的时期，山东科技大学宋振骇院士在长期岩层控制实践的基础上特别是基本顶来压预测预报的基础上，提出了“传递岩梁假说”。宋振骇院士提出了“给定变形”和“限定变形”的观点，指出支架在一定的“位态方程”下工作，并可通过限定变形，使基本顶在一定层位形成平衡。还提出了“内外应力场”，通过对开采中内外应力场的形成及变化的认识和观测，成功地预报基本顶来压[5]。在这一时期，中国矿业大学的钱鸣高院士提出了“砌体梁假说”，对基本顶进行了薄板的板破断分析，建立了基本顶空间运动与巷道来压预报的关系[6]。在此基础上，钱鸣高院士提出了采场围岩大、小结构，所谓“大结构”是指采场上覆岩层破断后形成的结构，由于这一结构的存在，采场支架所受的力仅仅是其上覆岩层总重量的一部分;所谓“小结构”则是指空顶区内“支架——围岩”相互作用形成的结构，对这一结构的认识及控制，是保证工作面支架正常工作，实现采煤的基础：“小结构”在“大结构”下形成并受其作用。1.2.