第1章 绪论
1.1 浅埋煤层开采压架灾害问题
我国西北部广泛赋存着浅埋的侏罗纪煤田，主要有神府东胜煤田、陕北榆神煤田、宁夏灵武煤田等。因其可采煤层多、煤层厚、煤质优良、构造简单而为世人瞩目。神府东胜矿区(以下简称神东矿区)作为我国典型的浅埋煤层赋存矿区，已成为我国重要的新型煤炭生产基地和亿吨级生产矿区。近年来，随着设备配套和开采效率的不断提高，该矿区回采工作面支架的额定工作阻力水平也逐年攀升，目前已达到18000kN的国际领先水平(支护强度1.52MPa)。然而，就在这种先进的生产装备和简单的地质开采条件下，仍发生了支架立柱急剧下缩、端面切冒等压架现象，严重威胁作业人员和设备的安全。据不完全统计(表1-1)，自2007年以来，仅神东矿区已累计发生各类严重压架事故13起[1～9]，直接经济损失近5亿元。压架灾害已成为影响神东矿区浅埋煤层安全高效生产的重要因素之一。因此，研究揭示上述压架灾害的发生机理及防治对策，对于神东等浅埋煤层开采矿区的安全高效生产意义重大。
已有的研究结果表明，浅埋煤层开采矿压显现并不因其埋深浅、采动支承压力小而缓和，相反常呈现出压架等强烈的矿压显现，并伴有地表台阶下沉等现象的发生。根据神东矿区的开采实践和统计结果，浅埋煤层开采主要存在5种压架类型，即厚风积沙复合单一关键层结构条件下的压架[10～13]、过沟谷地形上坡段时的压架[3，6，7]、下煤层工作面采出上覆集中煤柱时的压架[4，5，8，14，15]、上覆房采煤柱下开采时的压架[16]，以及特大采高开采时的压架[17]。其中，第1种压架类型主要是在20世纪90年代神东矿区浅埋煤层开采初期出现的，当时尤以西安科技大学的石平五、侯忠杰、黄庆享等教授对此类问题研究较多，他们从地表厚风积沙的载荷传递作用导致覆岩发生全厚切落的角度，阐述了该类压架发生的原因，有力指导了神东矿区浅埋煤层开采初期压架灾害的防治实践。而后，随着支架工作阻力的不断提升，以及煤层开采深度的不断加大，第1种类型的压架逐渐减少，但在下部第2层近距离煤层重复开采过程中又呈现出新的压架问题，即上述第2、第3、第4种类型的压架灾害。为此，作者从覆岩关键层结构稳定性及其运动规律的角度就上述第2、第3、第4种压架灾害的发生机理、影响因素，以及防治对策等问题进行了深入研究。如今，随着液压支架及其配套设备制造水平的快速提升，神东矿区煤层综采一次采出厚度也得到显著提高(已超过7.0m)，但随之而来的是覆岩破坏范围急剧增大后出现的强烈矿压显现问题，即上述第5种类型的压架。对此本书作者也开展了部分研究，从煤层采高增大造成的覆岩关键层结构形态及其稳定性变化角度，分析了该类压架发生的机理，并提出了相应的支架阻力确定方法及防治对策。
事实上，无论在何种开采条件下，若上覆关键层破断块体不能形成稳定的结构，而支架工作阻力又不足以平衡失稳结构岩体的重量时，就会引起压架灾害的出现。因此，掌握具体条件下浅埋煤层长壁开采时覆岩关键层的结构形态及其稳定状态，是科学解决上述压架灾害问题的关键。因此，本书将综合已有的研究成果，按照各类条件下覆岩关键层结构的失稳特征，将浅埋煤层开采的压架灾害类型、发生机理及防治对策形成一个完整的体系，从而更好地为神东矿区及我国西部类似浅埋煤层开采压架灾害防治提供借鉴和参考。
1.2 浅埋煤层矿山压力研究综述
1.2.1 在采动覆岩破坏规律研究方面
随着地下煤炭资源的采出，岩层将产生移动和破坏，并导致矿山压力显现、地表塌陷、煤岩体中水与瓦斯的流动，从而引发一系列的环境与安全问题，如地表建筑物和土地的破坏、地下水资源的破坏和井下突水事故、井下瓦斯事故与瓦斯排放污染大气等。煤炭开采引起的上述采动损害问题的发生都与采动岩层移动破坏有关，因此，研究掌握采动岩层移动破坏规律是解决上述采动损害问题的关键。长期以来，采矿研究工作者对此投入了很大的研究力量，对采场上覆岩层移动破断规律提出了如图1-1所示的“横三区”“竖三带”的总体认识[18]，即沿工作面推进方向上覆岩层将分别经历煤壁支承影响区、离层区、重新压实区，由下而上岩层移动划分为垮落带、断裂带、整体弯曲下沉带。
图1-1 覆岩移动破坏的“横三区”与“竖三带”
A.煤壁支承影响区(a～b)；B.离层区(b～c)；C.重新压实区(c～d)；α.支承影响角；
Ⅰ.垮落带；Ⅱ.断裂带；Ⅲ.整体弯曲下沉带
在岩层移动破坏研究方面，由于各自关注的问题方面不同，以及研究手段和方法的差异，形成了几个相对独立的学科研究领域和体系，如矿山压力学科和开采沉陷学科等。20世纪60年代至80年代初是采场顶板结构假说百花齐放的阶段，也是“砌体梁”结构假说形成时期，这一阶段对覆岩可能形成的结构提出了众多假说，用以解释采场各种矿压现象。各派假说的争鸣，促进了顶板结构假说的发展与成熟，其中主要有压力拱假说、悬臂梁假说，以及比利时学者 A.拉巴斯提出的预成裂隙假说和苏联学者г.H.库兹涅佐夫提出的铰接岩块假说。到70年代末80年代初，我国学者钱鸣高院士根据岩层内部移动实测，提出了采场上覆岩层“砌体梁”结构假说并给出了力学模型，创造性地发展了上述有关假说[19，20]。“砌体梁”结构理论代表了我国学者对采场上覆岩层结构理论的贡献，并成为这一时期的代表作。
20世纪80年代后期，是“砌体梁”结构理论的大实践与大发展时期，也是“砌体梁”结构理论力学模型向体系化和定量化的发展阶段。在80年代中后期，展开了对基本顶岩层形成“砌体梁”结构前的连续介质力学模型分析，视其为弹性地基梁和板结构，分析了这些结构的断裂形态及断裂前后对工作面来压的影响，奠定了采场超前来压预报的理论基础。钱鸣高院士所提出的“砌体梁”理论已被广泛应用，并不断在实践中得到发展。进入90年代后，给出了“砌体梁”结构受力的理论解[21]，建立了“砌体梁”关键块体的 S-R稳定理论[22]；证明了顶板下沉与支架载荷的 P-Δl双曲线关系[23]；建立了采场矿山压力整体力学模型，阐明了支架受力来源问题，成功地解释了包括放顶煤采场在内的支架受力问题[24]。
20世纪90年代中期，为了解决采动损害中更为广泛的问题，钱鸣高院士及其带领的课题组，在“砌体梁”结构理论的基础上，进一步提出了岩层控制的关键层理论[25～27]。岩层控制的关键层理论的基本学术思想为：由于成岩时间及矿物成分不同，煤系地层形成了厚度不等、强度不同的多层岩层。实践表明，其中一层至数层厚硬岩层在岩层移动中起主要的控制作用，将对岩体活动全部或局部起控制作用的岩层称为关键层。关键层判别的主要依据是其变形和破断特征，即在关键层破断时，其上部全部岩层或局部岩层的下沉变形是相互一致的，前者称为岩层活动的主关键层，后者称为亚关键层。也就是说，关键层的断裂将导致全部或相当部分的上覆岩层产生整体运动。覆岩中的亚关键层可能不止一层，而主关键层只有一层。关键层运动上可影响至地表，下可影响至回采工作面。为了弄清开采时由下向上传递的岩层移动动态过程，并对岩层移动过程中形成的采场矿压显现、煤岩体中水与瓦斯的流动和地表沉陷等状态的变化进行有效的监测与控制，关键在于弄清关键层的变形破断及其运动规律，以及在运动过程中与软岩层间的相互耦合作用关系。
岩层控制的关键层理论为采动岩层移动破坏规律的深入研究提供了强有力的理论和思想工具。关键层理论学术思想的创新主要体现在以下两个方面：一是将采动覆岩作为统一的研究整体，避免了以往各学科相对分割的研究现状，实现了采场矿压、开采沉陷、采动岩体中水与瓦斯运移等方面研究的有机统一；二是抓住了岩层运动的主要矛盾，突出了重点，避免了传统学科中对岩层进行统计均化的不足。该理论自提出以来，在关键层判别方法、关键层上的载荷分布规律、关键层的破断规律及其复合效应、关键层运动对采场矿压显现、覆岩移动与地表沉陷及采动裂隙场分布的影响、关键层理论在开采沉陷控制、卸压瓦斯抽采和保水开采等方面的工程应用上取得了显著进展[28～48]。目前已得到学术界和采矿工程技术人员的普遍认可，并在浅埋煤层开采矿山压力控制领域得到广泛应用。
1.2.2 在浅埋煤层开采矿山压力及其控制研究方面
浅埋煤层开采采场矿压非但没有因采深变浅而减少，反而出现异常强烈的矿压显现，工作面出现台阶下沉，甚至压坏支架。例如[49，50]，神东矿区大柳塔煤矿正式投产的第一个工作面1203，埋深50～60m，采高3.5～4.0m，使用 YZ3500-23/45型液压支架支护顶板。初次来压期间，工作面中部91m范围顶板出现大范围台阶下沉现象，其中中部31m范围顶板台阶下沉量高达1000mm，部分支架立柱被压死，并出现溃沙现象，大量地面风积沙进入机尾。周期来压时，不少支架的立柱因动载强烈而出现涨裂，支架损坏严重。矿区周围几个地方国有煤矿，如郭家湾、大砭窑煤矿曾经设计和应用了长壁工作面开采方式，但因为难以控制工作面来压时出现的顶板台阶下沉，严重影响了生产和安全，为此又改回为各种方式的柱式开采。这说明在神东煤田浅埋深、薄基岩、厚上覆松散沙层的条件下，工作面顶板岩层破断运动具有特殊性。
国外对于浅埋煤层顶板岩层控制方面做了大量的研究工作，较早的有苏联 M.秦巴列维奇根据莫斯科近郊煤田浅埋深条件提出的台阶下沉假说[51]。该假说指出当煤层埋深较浅时，上覆岩层可视为均质。随工作面推进，顶板将呈斜方六面体沿煤壁斜上方垮落直至地表，支架上所受的载荷应考虑整个上覆岩重的作用。苏联 B.B.布德雷克研究认为[52，53]，在埋深100m且存在厚黏土层条件下，放顶时支架出现动载现象；约12%的采区煤柱出现动载现象。动载现象说明浅埋煤层顶板来压迅猛，与普通采场顶板逐层次垮落，以及基本顶回转失稳形成的比较缓和的来压特征有明显区别。 Holla和 Buizen[54]认为浅部开采顶板破断直接影响到地表，顶板破断角大，地表下沉速度快，来压明显且难以控制。
20世纪90年代初，随着神东矿区的开发，我国许多学者开始了浅埋煤层采场矿压问题的研究。其中尤为突出的是西安科技大学石平五、侯忠杰、黄庆享等学者所开展的卓有成效的研究工作[10～13，54，55]。他们曾先后开展了神东矿区大柳塔煤矿 C202工作面、1203工作面等浅埋煤层开采采场矿山压力的工程实测研究工作。在此基础上，在实验室开展了大量的浅埋煤层采场矿山压力的相似材料模拟试验研究工作，掌握了神东矿区浅埋煤层长壁开采采场矿压显现的主要特点。工作面来压表现为图1-2所示的煤层上覆基岩全厚切落，导致工作面顶板出现台阶下沉，支架工作阻力不够将导致压架事故。
图1-2 浅埋煤层顶板全厚切落形式
在掌握神东矿区浅埋煤层采场矿压基本规律的基础上，侯忠杰等应用岩层控制的关键层理论对浅埋煤层上覆基岩全厚切落的机理进行了合理的解释，提出了浅埋煤层复合关键层的概念，并基于关键层理论建立了判别浅埋煤层覆岩是否为复合关键层及是否全厚切落的条件如下：
(1-1)
式中：ρig为第i层岩层的质量密度；hi为第i层岩层的厚度；Ei为第i层岩层的弹性模量；q为地表松散层(风积沙)载荷； m为从第一层基本顶算起的岩层总层数；n+1为第二层关键层；n为第二层关键层之下的岩层层数。
地表厚松散层浅埋煤层覆岩中若有两层坚硬岩层，则这两层坚硬岩层均为关键层。因为这两层关键层和其中所夹的弱岩形成一个整体，协调变形，同步破断，属于关键层的一种组合效应。可将这种主要由两层关键层组成的岩层组称为组合关键层。显然，地表厚松散层浅埋煤层这种组合关键层具有一般赋存条件下煤层关键层所具有的岩性特征、变形特征、破断特征和支承特征，但组合关键层的厚度要比关键层厚度大得多。组合关键层破断后，砌体梁结构的滑落失稳是导致浅埋煤层长壁开采矿压显现异常强烈的根本原因。
黄庆享等[55，56]基于“砌体梁”结构理论研究了浅埋煤层基岩基本顶切落的短块“砌体
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