1绪论
1.1课题来源及背景
虽然我国在逐步调整资源结构，煤层气和页岩气等新兴非常规油气资源也在得到很大发展，我国国民经济结构决定煤炭在我国一次能源消费比率中的主体地位在短期内不会发生根本变化。我国煤炭资源储备中45%左右是厚煤层，因此如何保证厚煤层安全高效开釆，减少厚煤层煤炭资源开釆过程中的浪费现象，提高资源回收率，进而提高厚煤层资源开釆效益是决定未来我国煤炭市场面貌的重要环节。目前，受开釆工艺技术条件和地质条件的制约，我国厚煤层幵采方式主要为综放、大釆高和分层三种综采方式[4-6]。由于我国地域广阔，区域经济水平差异的影响，这三种开釆方式均在大量使用。经过多年的实践经验表明，综放开采目前应用最为广泛，其与分层开釆相比,具有对地质条件适应性强、巷道掘进率低、单面产能高、生产成本低等优点；但是综放幵釆仍存在煤炭资源回收率偏低、上隅角瓦斯聚集较大、采空区发火几率大不足等现象。煤层开采过程中，采场矿山压力显现根本原因是煤层开采造成上覆岩层空间结构变化，研究煤层开釆与顶板空间结构形式及变化之间的关系是对矿山压力理论的重要补充与深入由于顶板空间结构形式与煤层幵采的关系受到顶板自身岩性，厚度，构造及工作面所处幵釆条件有关，从理论上全面分析有一定歯难。姜福兴等通过对多起煤矿顶板事故的详细调查，最终确定事故相关的应力场的范围和岩层范围超过了传统意义上的基本顶为6-8倍釆高的概念，并基于微震监测技术，研究了不同幵采条件下的上覆岩层空间结构，根据一面釆空、两面采空、三面采空和四面采空的条件将上覆岩层空间结构命名为0型、S型、C型和e型，初步建立了覆岩结构理论，为本文的研究提供了方向性指导。
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1.2课题研究目的
本课题结合彬县水帘洞煤矿特厚煤层3802工作面的特殊地质条件，充分调研国内外特厚煤层综放技术运用情况，认真研究与学习国内覆岩空间结构理论相关知识，配合地质调查、理论分析、实验室试验、数值模拟、现场监测等多种研究方法，系统地研究3802工作面釆场覆岩结构转化期间覆岩结构构成、运移规律和应力分布特征，在上述研究基础之上进行控制方案设计和运用效果监测等。主要目的可分为以下几点：
(1)研究工作面一面釆空和两面釆空边界条件下，0型和S型覆岩结构形成、发展和演化过程，包括煤柱及3802工作面上方基本顶与老顶的演化过程、多层结构应力特征和结构形态变化,研究覆岩多层空间结构的动态发展过程等。
(2)研究0型到S型覆岩结构转化过程中，即"0-S"型覆岩构成时的应力位移变化特征等；
(3)从数值分析的角度，通过对工作面上方不同层次岩层压力特征进行监测，结合矿压压力拱相关理论，反演处两面采空边界条件下“S"型覆岩空间结构具体形态，利用图形处理软件生成四维结构图（应力和三维方向）。
(4)通过研究，设计出围岩控制方案，并通过工程实践对研究成果进行验证。
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2工程地质条件分析
2.1工程概况
水帘洞煤矿3802工作面长度160m，西邻大佛寺煤矿，南面为未来开采的3804工作面，北面为因构造无法开采的实体煤和3801采空区，构造无法幵采区域长360m, 3802工作面在幵釆过程中会首先遇到自身釆空区和三侧实体煤的“一面釆空”边界条件；在推进到3801开切眼处，会逐步遇到自身采空区、3801工作面采空区和两侧实体煤的“两面采空”边界条件；在这期间会经历“一面采空”到“两面采空”边界条件转变过程。
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2.2工程地质特征
水帘洞煤矿煤层为黄陳侏罗纪煤田，在陕西黄晚侏罗纪煤田中部，属于侏罗系延安组下8号煤层。8号煤赋存稳定，全部可釆，根据已采工作面运输顺槽、轨道顺槽和切眼实际揭露的情况分析，煤层总厚度8.71-10.45m，平均厚度9.58m;厚度变化为由南向北逐渐变厚。煤层结构总体较简单，部分地区复杂，煤层含0.5m厚夹奸一层，位于煤层上方，煤质较好，属于低硫、高热值煤。具体煤层顶、底板情况见表2.1。3802沿空巷道顶底板名称、厚度及岩性详细描述见图2.1所示。国外采煤发达国家中对沿空掘巷研究较早，60年代初，美国采用长壁式开采方法合理控制煤柱宽度，对煤柱强度、尺寸与围岩压力之间的关系做出了相关研究；澳人利亚釆用条带幵采技术，研究开采宽度与煤柱宽度的比值与压力之间的关系。英国人A.H威尔逊则直接简化推导出煤柱宽度设计公式，并在此基础上推导出煤柱承载能力的计算公式。我国关于沿空掘巷的研究也较早，在20世纪70年代，我国便在开溁，阳泉等矿区进行了相关试验，取得了大量宝贵数据。李学华[4546]等人通过建立覆岩大结构模型，从理论上分析其稳定性，探讨了覆岩结构与围岩变形的规律，提出大小结构的观点；柏建彪[47-48]等通过建立掘巷老顶三角块结构模型，研究其在不同阶段稳定性系数，对沿空掘巷围岩稳定性进行了定量分析；杨淑华等通过分析综放采场顶板结构静态和动态力学特征，研究综放支架载荷变化机理，对综放支架设计与选型具有重要指导意义。
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3上覆岩层结构分析与理论研究.......... 17
3.1“0”型覆岩空间结构 .........17
3.2“0-S”型覆岩空间结构......... 19
3.“S"型覆岩空间结构......... 21
3.4 小结 .........30
4上覆岩层结构运移和应力特征变化的FLAC数值......... 31
4.1软件简介......... 31
4.2模型的建立 .........31
4.3模拟过程简介......... 31
4.4岩层属性......... 32
4.5模拟具体步骤 .........32
4.6数值模拟结果分析......... 33
4.7 3801工作面和3802工作面开挖后侧向应力剖面线......... 36
4.8 3801工作面和3802工作面开挖后侧向应力分布......... 37
4.9"S"型覆岩结构数值反演......... 45
4.10控制原则 .........47
4.11控制方案......... 48
4.12 小结......... 51
5工程验证......... 52
5.1矿压监测与效果评价......... 52
5.2 本章小结......... 56
5工程验证
5.1矿压监测与效果评价
为客观评价控制方案参数的合理性，从支架受力、煤体侧向应力分布、巷道顶板离层、巷道表面位移和锚杆（索）5个方面对3802工作面及运输顺槽底鼓段矿压显现特征进行监测[71_74]，所需仪器如表5.1。按采煤工作面正常矿压监测系统执行，推进至监测站期间加强监测管理，确保监测数据充足、准确。2.钻孔应力计在每个监测站内设4个钻孔应力计，如图70，深度分别为6m、12m. 18m、24m,间距0.5-2m,布置在实体煤侧。安装应力在线监测系统，如图5.1,实现实时在线监测。目前国内钻孔应力计安装的深度一般不超过20m,深孔安装应力计存在塌孔、煤岩粉挤压堵塞等问题，需要准备多种安装预案确保顺利安装。安装预案1:常规安装方法，即使用可弯曲PVC专用安装杆；安装预案2:套钎安装法。套钎打体强度大，适用性较强，可分段连接加长；安装预案3:铺爪法。使用固定描爪配合定滑轮、钢丝绳牵引安装。注意事项：凿孔后立即冲孔，紧接着安装应力计，防止钻孔变形。
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结论
本课题结合彬县水帘洞煤矿特厚煤层3802工作面的具体条件的具体情况，在充分调研国内外特厚煤层综放技术运用的基础上，通过地质调查、理论分析、实验室试验、数值模拟、现场监测等综合性的研究方法，系统地研究特厚煤层采场覆岩结构转化期间覆岩结构构成、运移规律和应力分布特征，在上述研究基础之上进行控制方案设计和运用效果监测等。
(1)根据现场实际条件，研究了顶板运动规律，分别从顶板岩层力学性质特点、直接顶运动规律、基本顶运动规律、动压分析等方面进行了系统的分析。根据质量三因子理论，计算得出上位直接顶厚度为6.20m，下位直接顶厚度为17.84m,直接顶厚度为24.04m;通过计算求得顶厚度为14.36m，基本顶初次来压步距为32.lm~52.lm,基本顶周期来压步距为14.03-21.05m;
(2)根据顶板运动规律，得出3802沿空巷道侧向覆岩结构模型图；为覆岩空间结构理论在矿山动力事件进行分析与防治上的应用提供理论基础；
(3)通过实验室力学实验，测试工作面顶板不同岩层岩石物性参数，为数值模拟提供具体参数，也为顶板上覆岩层结构的反演提供科学依据；
(4)通过数值模拟分析，确定超前支承压力和侧向支承压力特征，并从数值分析角度反演“S”型结构的具体形态特征；
(5)根据研究成果，对3802沿空巷道设计支护方案，并从支架受力、煤体侧向应力分布、巷道顶板离层、巷道表面位移和销杆（索）5个方面对3802工作面及运输顺槽底鼓段矿压显现特征进行监测，监测结果显示基于覆岩结构理论的相关研究均基本正确，具有一定的可行性，为后续覆岩结构在其他方面的应用提供了一定的思路。
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参考文献（略）