薄基岩综放采场覆岩结构运动与控制研究
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摘要
我国薄基岩煤炭资源储量丰富，由于薄基岩开采覆岩结构运动力学机理研究不足，开采实践中经常发生压垮支架事故，迫切需要对该地质条件下采动覆岩运动规律进行系统研究，使其煤炭资源得到安全高效开采。本文以潞安矿区司马煤矿为研究基地，针对该矿薄基岩、厚松散层、厚煤层的开采地质条件，综合运用理论分析、数值计算、物理模拟、现场实测等方法，对薄基岩综放采场覆岩结构运动规律及支架围岩关系进行了深入研究，取得了如下创新性成果：
(1)建立了薄基岩厚松散层综放开采覆岩运动的结构力学模型，揭示了薄基岩与厚松散层条件下，覆岩“梁-拱”复合平衡结构的形成及顶板不易发生周期性整体切落的力学机理，并给出了覆岩复合平衡结构的稳定性判据。
(2)薄基岩厚松散层综放开采条件下，工作面支架支护阻力与顶板下沉量（P l）之间仍然满足双曲线关系，适当提高支架工作阻力可有效地控制顶板下沉量，并给出了支架支护阻力、顶板下沉变形随基岩层岩性、厚度变化的规律，揭示了薄基岩厚松散层综放开采的支架—围岩作用关系，可为其工作面支架选型提供理论基础。
(3)依据潞安司马矿区的研究，得到了薄基岩厚松散层综放开采矿压显现具有：初次来压和周期来压的步距短、顶板下沉速度大、静压大、动压小、动载系数小等特点。并给出了来压步距、来压强度等随基岩层的岩性和厚度的变化规律。研究结果可为薄基岩厚松散层综放采场的矿压显现预测及顶板管理提供依据。
(4)依据薄基岩厚松散层条件下覆岩的成拱特征及载荷传递特点，将基岩层很薄，采场矿压不明显、支架需承受拱内土体和基岩载荷，称为超薄基岩；对关键层破断后能形成“砌体梁”结构，采场矿压明显，但来压强度弱，支架主要承受关键层下方岩层和“砌体梁”下沉变形引起的载荷，称为薄基岩。并给出了相应开采方案的选取原则。
本文的研究成果在司马矿薄基岩区采煤实践中得到了成功的应用，并为其它类似薄基岩条件下开采提供了一定的理论研究和参考。
In Lu’an coal field which is characterized by rich coal resource with thin overlyingrock mass, working face stents failure accidents caused by ground pressure oftenhappened during the past mining practices, therefore, it is quite necessary tosystematically study the overlying rock mass movement rule under this geologicalcondition to make this coal resource mine safely and efficiently. In this paper, we takeSima coal mine in Lu’an coal field as the research base, and in view the geologicalcondition of thin overlying rock, thick loose bed and coal seam in this coal mine, carryout deep investigation on the overlying rock mass movement rule and stents-surroundingrock mass relationship by systematically applying theoretical analysis, numericalsimulation, physical simulation and practical measurement, obtaining the followinginnovative achievements:
(1) We build a structural mechanical model for thin overlying rock mass with thickloose bed under condition of fully mechanized mining, and revealed the formation ofcomposite beam-arch balance structure as well as the mechanical mechanism that theroof will be hard to happen periodic failure under this geological condition, then weproposed the stability criterion condition for this composite structure.
(2) Hyperbolic relationship between supporting force P and roof subsidencedistance lcan still be satisfied under fully mechanized mining with thin overlyingrock mass, so increasing the stent working force and effectively control the roofsubsidence distance. Furthermore, we obtained the relationship between stent supportforce, roof subsidence deformation and lithology, thickness of rock, and revealed thestent-surrounding rock interaction relationship, which can provide theoretical basis forstent choose when mining with thin overlying rock mass.
(3) We obtained the ground pressure appearance character under fully mechanizedmining with thin overlying rock mass and thick loose bed according to the research inLu’an coal seam, that is to say, both the first weighting distance, and periodic weightingdistance are small, roof subsidence velocity was large, and ground pressure ischaracterized by shorter weighting distance, larger static pressure, smaller dynamicpressure and dynamic load coefficient. This study can provide basis for ground pressureprediction and roof management under fully mechanized mining with thin overlying rockmass and thick loose bed
(4) According to the structural characteristic and load transfer property of overlying rock mass under condition of thin overlying rock with thick loose bed, we defined rockmass which have characteristics include small thickness, less evident ground pressureand stent bear load from weight of rock and clay in arch as super thin rock mass. Whilefor rock mass which have property that voussoir beam structure can form after the keyrock strata failed, ground pressure is obvious with weak strength, and stent bear loadcased by subsidence deformation of voussoir beam and weight of rock below key rockstrata, we classified this type of rock as thin rock mass. Furthermore, we proposed thecorresponding mining scheme and choose principle.
The research results have been successfully applied in mining practice Sima coalmine with thin overlying rock mass, and can provide theoretical study and reference ofother coal mine under this similar geological condition.
(1)建立了薄基岩厚松散层综放开采覆岩运动的结构力学模型，揭示了薄基岩与厚松散层条件下，覆岩“梁-拱”复合平衡结构的形成及顶板不易发生周期性整体切落的力学机理，并给出了覆岩复合平衡结构的稳定性判据。
(2)薄基岩厚松散层综放开采条件下，工作面支架支护阻力与顶板下沉量（P l）之间仍然满足双曲线关系，适当提高支架工作阻力可有效地控制顶板下沉量，并给出了支架支护阻力、顶板下沉变形随基岩层岩性、厚度变化的规律，揭示了薄基岩厚松散层综放开采的支架—围岩作用关系，可为其工作面支架选型提供理论基础。
(3)依据潞安司马矿区的研究，得到了薄基岩厚松散层综放开采矿压显现具有：初次来压和周期来压的步距短、顶板下沉速度大、静压大、动压小、动载系数小等特点。并给出了来压步距、来压强度等随基岩层的岩性和厚度的变化规律。研究结果可为薄基岩厚松散层综放采场的矿压显现预测及顶板管理提供依据。
(4)依据薄基岩厚松散层条件下覆岩的成拱特征及载荷传递特点，将基岩层很薄，采场矿压不明显、支架需承受拱内土体和基岩载荷，称为超薄基岩；对关键层破断后能形成“砌体梁”结构，采场矿压明显，但来压强度弱，支架主要承受关键层下方岩层和“砌体梁”下沉变形引起的载荷，称为薄基岩。并给出了相应开采方案的选取原则。
本文的研究成果在司马矿薄基岩区采煤实践中得到了成功的应用，并为其它类似薄基岩条件下开采提供了一定的理论研究和参考。
In Lu’an coal field which is characterized by rich coal resource with thin overlyingrock mass, working face stents failure accidents caused by ground pressure oftenhappened during the past mining practices, therefore, it is quite necessary tosystematically study the overlying rock mass movement rule under this geologicalcondition to make this coal resource mine safely and efficiently. In this paper, we takeSima coal mine in Lu’an coal field as the research base, and in view the geologicalcondition of thin overlying rock, thick loose bed and coal seam in this coal mine, carryout deep investigation on the overlying rock mass movement rule and stents-surroundingrock mass relationship by systematically applying theoretical analysis, numericalsimulation, physical simulation and practical measurement, obtaining the followinginnovative achievements:
(1) We build a structural mechanical model for thin overlying rock mass with thickloose bed under condition of fully mechanized mining, and revealed the formation ofcomposite beam-arch balance structure as well as the mechanical mechanism that theroof will be hard to happen periodic failure under this geological condition, then weproposed the stability criterion condition for this composite structure.
(2) Hyperbolic relationship between supporting force P and roof subsidencedistance lcan still be satisfied under fully mechanized mining with thin overlyingrock mass, so increasing the stent working force and effectively control the roofsubsidence distance. Furthermore, we obtained the relationship between stent supportforce, roof subsidence deformation and lithology, thickness of rock, and revealed thestent-surrounding rock interaction relationship, which can provide theoretical basis forstent choose when mining with thin overlying rock mass.
(3) We obtained the ground pressure appearance character under fully mechanizedmining with thin overlying rock mass and thick loose bed according to the research inLu’an coal seam, that is to say, both the first weighting distance, and periodic weightingdistance are small, roof subsidence velocity was large, and ground pressure ischaracterized by shorter weighting distance, larger static pressure, smaller dynamicpressure and dynamic load coefficient. This study can provide basis for ground pressureprediction and roof management under fully mechanized mining with thin overlying rockmass and thick loose bed
(4) According to the structural characteristic and load transfer property of overlying rock mass under condition of thin overlying rock with thick loose bed, we defined rockmass which have characteristics include small thickness, less evident ground pressureand stent bear load from weight of rock and clay in arch as super thin rock mass. Whilefor rock mass which have property that voussoir beam structure can form after the keyrock strata failed, ground pressure is obvious with weak strength, and stent bear loadcased by subsidence deformation of voussoir beam and weight of rock below key rockstrata, we classified this type of rock as thin rock mass. Furthermore, we proposed thecorresponding mining scheme and choose principle.
The research results have been successfully applied in mining practice Sima coalmine with thin overlying rock mass, and can provide theoretical study and reference ofother coal mine under this similar geological condition.
引文
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