礦山壓力與巖層控制厚煤層綜放開采巖層控制

1、第八章 厚煤層綜放開采巖層控制第一節(jié) 頂煤破碎機理與運移規(guī)律頂煤的變形與破碎是一個十分復雜的過程，在支架與頂板所組成的系統(tǒng)中，支架通過頂煤對頂板實施控制，同時頂板的壓力通過頂煤傳遞到支架上，頂煤在傳遞力的過程中也要發(fā)生移動、變形、破碎、冒落和放出，因此頂煤起到了一種媒介作用。一、頂煤的力學特征與力場條件（一）頂煤的力學特征圖81所示為不同圍壓下煤體的應力應變全過程曲線。從圖中可以看出，隨著圍壓升高，煤體的強度增加。 圖81 不同圍壓下煤體應力應變曲線（二）采動應力場與約束條件ABCEDtr圖8-2 支承壓力分布見圖8-2所示，工作面前方的支承壓力（切向應力t）分為減壓區(qū)（A）、增壓區(qū)（B）、穩(wěn)

2、壓區(qū)（C）。若按巖體性質分，可將其分為彈性區(qū)（E）和塑性區(qū)（D）（也稱極限平衡區(qū)）（三）頂煤的變形與位移圖8-3是典型的頂煤位移觀測曲線，其中橫坐標O點為工作面煤壁位置，h為測點距煤層底板的距離。觀測的煤層厚度平均為9.1m，割煤高度2.2m，煤層硬度系數f=0.3，屬于極軟煤層。觀測結果表明，在工作面前方15m處頂煤開始發(fā)生移動，并且隨著到工作面距離減小，累計位移量迅速增加，上位頂煤的累計位移量明顯大于下位頂煤的。一般情況下可采用負指數函數擬合頂煤的累計位移量S與距工作面距離L的關系，即：式中，a、b 為回歸系數。 圖83 頂煤、頂板位移量與到煤壁距離關系不同頂煤的移動特征：（1）煤體的硬度

3、系數不同，頂煤開始移動的位置不同。如同為厚度68m的煤層，在h=6m處，軟煤層（f=0.30.5）、中硬煤層（f=23）和硬煤層（f3.5）的頂煤始動點超前工作面的距離分別為15m、10m、5m左右。煤層的硬度系數越低，頂煤始動點超前工作面的距離越大，累計位移量越大，頂煤破碎的越充分。（2）不同高度頂煤始動點的位置不同，無論是軟煤、中硬煤或是硬煤，頂煤位置越高，其始動點超前工作面距離越遠，累計的位移量越大。（3）在頂煤移動初期，以水平移動為主，隨著工作面推進，垂直位移逐漸增大，在工作面支架上方垂直位移量超過水平位移量，具體位置根據煤層的硬度系數不同而變化，軟煤在煤壁前方附近，而硬煤在煤壁后方0

4、.51m處。二、頂煤的破壞過程描述與分區(qū)頂煤從開始移動、破裂到冒落是一個連續(xù)的、漸進的破壞過程，隨著工作面推進，這一過程也自然動態(tài)地向前推移。為了對頂煤破壞過程有一清晰認識，可將頂煤自原始狀態(tài)至冒落這一連續(xù)漸進破壞過程進行人為劃分。這一劃分稱為對頂煤的分區(qū)，即根據頂煤裂隙發(fā)育和破壞程度，沿工作面推進方向，將頂煤進行分區(qū)。一般來說，可以劃分為四個區(qū)，見圖8-4所示。IIIIIIIV圖8-4 頂煤分區(qū)圖支承壓力分布曲線（1）原始狀態(tài)區(qū)（）頂煤進入支承壓力區(qū)以前未受到采動應力場的影響，處于原巖應力狀態(tài)，其內部只包含一些成煤及構造等作用形成的裂隙和層理等地質弱面。（2）壓縮變形區(qū)（）頂煤進入支承壓力區(qū)

5、以后，煤體處于加載階段，煤體內原有裂隙和空隙受壓閉合，體積收縮，頂煤開始發(fā)生小量的變形移動。隨著工作面繼續(xù)推進，頂煤繼續(xù)受壓變形，但處于彈性階段，符合廣義虎克定律，整體體積仍然處于收縮階段，但收縮的速率逐漸減小。（3）拉剪破裂區(qū)（）隨著工作面繼續(xù)推進，煤體發(fā)生拉伸和剪切破壞，煤體中原有裂隙逐漸張開，隨著上部巖層壓力作用和側向約束逐漸減弱，煤體中也會產生一些縱向拉伸裂隙和與支承壓力呈銳角的剪切裂隙，在原有裂隙和新產生裂隙的尖端會出現拉應力集中，導致這些裂隙擴展、張開和貫通，頂煤的整體強度逐漸失效。隨著各種裂隙的急劇產生擴展和貫通，進入到支承壓力峰值后，頂煤整體強度失效，維持殘余強度值，各種裂隙將

6、煤體切割成碎裂的塊體，各種裂隙就成了頂煤破碎時的煤塊界面，由于支架的支托，頂煤的破裂塊體中大部分仍處于原位的鑲嵌狀態(tài)，或以平動為主。煤體體積已經開始增大（即產生“擴容”），頂煤的整體位移迅速增加，整體位移增加的原因既有由于頂煤中宏觀裂隙的擴張而產生的移動，也有由于煤體內微裂隙的產生和發(fā)育導致體積膨脹而產生的移動。（4）散體冒放區(qū)（）在支架頂梁尾部，頂煤開始冒落，以散體形態(tài)堆積在支架掩護梁上。在頂煤位移觀測中，由于頂煤的冒落或觀測基點的失效或以散體形態(tài)的大位移流動，所以難以觀測到此階段的頂煤移動量。三、影響頂煤冒放性的因素（1）煤體強度頂煤硬度系數f越大，頂煤的冒落角越小，對于堅硬煤層（f3），

7、通常冒落角小于；對于中硬煤層（f=13），冒落角介于80°；對于軟煤層（f<1），冒落角大于; 對于極軟煤層（f0.5），由于頂煤在達到支架上方以前已經表現出了散體流動狀態(tài)，無法分辨軟煤層頂煤的冒落邊界，因此不能簡單地用冒落角反映軟煤的冒落形態(tài)。（2）煤體裂隙分布的影響頂煤破裂過程中受煤體中的原生裂隙影響很大，如果頂煤中貫通裂隙多，發(fā)育，則這些貫通裂隙往往就會成為頂煤破裂的塊度邊界。對于非貫通裂隙而言，在支承壓力作用下，裂隙尖端會產生應力集中，裂隙擴展，最終成為分割塊體的邊界。裂隙的方位和組數影響著頂煤的冒放性。一般來說，頂煤中含有平行于工作面的裂隙較含垂直工作面的裂隙更容易冒

8、落，見圖8-5，圖a較圖b更容易冒落。如果頂煤中含有多組裂隙，則更有利于改善頂煤的冒放性，如圖c所示。工作面方向（a）工作面方向（b）工作面方向（c）圖8-5 裂隙分布對頂煤冒放性的影響（3）頂煤厚度放頂煤開采中，會有一個合理的頂煤厚度，在該厚度下適宜于頂煤的放出與提高頂煤采出率。過薄的頂煤相當一種偽頂，隨采隨冒，很難控制它一定在支架尾部冒落，而且冒落也沒有規(guī)律可循，由于這種偽頂的存在，還使支架不能有效控制直接頂，導致直接頂超前破碎，到放煤口時，與頂煤混在一起放出，增加了出煤口的含矸率。過厚的頂煤在控頂區(qū)內，尤其是上部頂煤很難得到充分松動，直至放煤過程中才開始松動，至使其冒落在采空區(qū)難以回收。

9、因此，一般認為頂煤厚度介于210m之間會好一些，對于硬煤層，頂煤厚度不超過6m，否則上部頂煤將冒落在采空區(qū)內。（4）夾矸影響對于放頂煤開采,0.3m以下的夾矸多呈片狀和板狀冒落,對冒放性影響不大,但大于0.4m厚的夾矸多呈大塊狀冒落,冒落后有時堵塞放煤口,其上的頂煤無法放出。另外頂煤中的厚層夾矸會起到懸臂支托上部頂煤的作用，以至于上部頂煤無法及時冒落，最后冒落在采空區(qū)無法回收。四、改善堅硬頂煤冒放性的人工輔助措施對于裂隙不發(fā)育的堅硬厚煤層（f3.5），實施綜放開采時，通常需采用頂煤爆破或注水方法改善頂煤的冒落形態(tài)和冒落塊度。大同煤礦（集團）公司在忻州窯礦實施了頂煤預爆破技術弱化頂煤收到了良好效

10、果。見圖8-6。炮孔II剖面圖8-6 頂煤預爆破示意圖在工作面產量較低的工作面，也可在工作面支架間向頂煤鉆孔進行爆破，破碎支架上方頂煤。采用注水軟化頂煤時，可在頂煤中開掘專用注水施工巷道，向兩側頂煤中鉆進注水鉆孔，也可利用工作面兩巷施工注水鉆孔。第二節(jié) 放頂煤開采礦山壓力顯現的基本規(guī)律放頂煤工作面也具有單一煤層采煤工作面的一般礦壓顯現規(guī)律，如初次來壓，周期來壓等。但由于一次采高增大，對直接頂和老頂的擾動范圍增大，頂板勢必對工作面支架的載荷會成倍增加，為此我國進行了大量的現場觀測與理論研究，基本結論如下。（1）支承壓力分布我國關于綜放工作面的支承壓力分布規(guī)律進行了許多觀測與研究。所得到的基本結論

11、是與單一煤層開采相比，在頂板以及煤層條件、力學性質相同情況下，綜放開采的支承壓力分布范圍大，峰值點前移。支承壓力集中系數沒有顯著變化。綜放工作面支承壓力的分布同時受到煤層強度、煤層厚度等影響。1）煤層愈軟，支承壓力分布范圍愈大，峰值點距煤壁愈遠。一般來說，對于軟煤層，峰值點為1525m，分布范圍4050m；對于硬煤層，峰值點58m，分布范圍2030。2）煤層愈厚，支承壓力分布范圍愈大，峰值點距煤壁愈遠。放頂煤工作面支承壓力峰值點前移的原因是由于較低強度頂煤存在引起的。3）如果頂煤中存在一層較厚的強度較大夾矸層，夾矸層除了影響到頂煤冒落形態(tài)外，還會影響到支承壓力分布，使其顯現出較硬煤層的支承壓力

12、分布特征。 由于頂煤強度低，因此在直接頂與老頂載荷作用下，靠近工作面的頂煤首先發(fā)生破壞，進入塑性區(qū)，破壞的頂煤剛度迅速降低，頂煤變成彈塑性介質，當載荷繼續(xù)增加，大于頂煤殘余強度時，頂煤不再具有抗載能力，致使頂板載荷向遠處逐漸轉移，煤體內形成塑性區(qū)的范圍大，載荷向前方轉移的距離較遠。煤層強度越低，轉移的距離越大，所以支承壓力峰值處越遠離工作面，見圖8-7。圖8-7 放頂煤開采與頂分層開采的支承壓力分布對比單一煤層開采放頂煤開采（2）放頂煤工作面支架工作阻力不大于頂分層工作面的工作阻力綜放工作面的初次來壓、周期來壓規(guī)律同樣存在，來壓強度與頂分層的大體相當，有時甚至小于頂分層的情況。綜放采場礦壓顯現

13、程度不僅取決于上覆巖層的活動，更主要地取決于頂煤的破碎狀況及其剛度大小。支架上方破碎的頂煤，由于進入了塑性狀態(tài)，具有較小的剛度，巖層活動壓力向煤壁前方遷移，同時也可緩沖老頂來壓時的動載作用，因此，雖然放頂煤開采的一次采高增大，但工作面礦壓顯現并不強烈。由于上覆巖層的壓力向煤壁前方遷移，所以相對于頂分層工作面而言，煤壁片幫程度輕一些。（3）支架前柱的工作阻力大于后柱工作阻力 放頂煤工作面綜采支架前柱的工作阻力普遍大于后柱，一般為1015，最高的可達到37%。具體情況與頂煤的硬度和冒落形態(tài)有關。對于軟煤而言，頂煤破碎和放出較充分，支架頂梁后部上方的頂煤較少，不利于傳遞上覆巖層的作用，因此相對硬煤而言，支架前柱的工作阻力大于后柱工作阻力這一特點表現的更加明顯。（4）下分層綜放時的礦壓顯現規(guī)律有些情況為了排放瓦斯的需要，或是由于煤層厚度過大，不利于提高煤炭采出率