3采煤工作面上覆岩层移动规律

1、第三章采煤工作面上覆岩层移动规律第一节概 述一、煤层顶底板岩层构成煤层处于各种岩层包围之中.处于煤层之上岩层称为煤层顶扳；处于煤层之 下岩层称为煤层底板.根据顶、底板岩层离煤层距离及对开采工作影响程度不同,煤层顶、底板岩 层可分为：(l)伪顶.紧贴在煤层之上,极易垮落薄岩层称为伪顶.通常由炭质页岩等软 弱岩层组成,厚度一般小于0.5m,随采随冒.(2)直接顶.位于伪顶或煤层之上,具有一定稳定性, 移架或回柱后能自行垮 落岩层称为直接顶.通常由泥质页岩、页岩、砂质页岩等不稳定岩层组成,具有 随回柱放顶而垮落特征.直接顶厚度一般相当于冒落带内岩层厚度.(3)老顶.位于直接顶或煤层之上坚硬而难垮落岩

2、层称为老顶.常由砂岩、 石 灰岩、砂砾岩等坚硬岩石组成.(4)直接底.直接位于煤层下面岩层.如为较坚硬岩石时, 可作为采煤工作面 支柱良好支座；如为泥质页岩等松软岩层时,那么常造成底和支柱插入底板等现 象.二、采煤工作面上覆岩层移动及其破坏在采用长壁采煤法时,随着采工作面不断向前推进,暴露出来上覆岩层在矿 山压力作用下,将产生变形、移动和破坏.根据破坏状态不同,上覆岩层可划分 为三个带(图31).冒落带.指采用全部垮落法治理顶板时,采煤工作面放顶后引起煤层直接顶 破坏范围(图31, I )0该局部岩层在采空区内已经垮落,而且越靠近煤层岩石 就越紊乱、破碎.在采煤工作面内这局部岩层由支架暂时支撑

3、.裂隙带.指位于冒落带之上、弯曲带之下岩层.这局部岩层特点是岩层产生垂直于层面裂缝或断开,但仍能整洁排列(图31, 11)0弯曲下沉带.一般是指位于裂隙带之上岩层,向上可开展到地表.此带内岩层将保持其整体性和层状结构(图31,田).生产实践和研究说明,采煤工作面支架上受到力远远小于其上覆岩层重量.只有接近煤层一局部岩层运动才会对工作面附近支承压力和工作面支架产生明 显影响.所谓采煤工作面矿山压力限制,也就是对这局部岩层限制.这局部岩层 大约相当于上述三带中冒落带和裂隙带总厚度,一般为采高68倍.图3-1采煤工作面上覆岩层移动分带示意图采煤工作面上覆悬露岩层运动破坏形式决定着矿山压力显现规律及对

4、限制要求.上覆岩层自悬露开展到破坏,根本上有两种运动形式,即弯拉破坏和剪断 破坏.岩层弯拉破坏开展过程如图3-2所示.随工作面推进,上覆岩层悬露 图3-2a,在重力作用下弯曲图3 2b,岩层弯曲沉降到一定程度后,伸入煤体端 部裂开图3 2c,中部开裂图3-2d,岩层冒落图3-2e0图3-2上覆岩层弯曲破坏开展过程悬露岩层中部拉开后,是否开展至冒落,由其下部允许运动空间高度所决定 只有其下部允许运动空间高度大于沉降岩层可沉降值时,岩层运动才会由弯曲沉 降开展至冒落.否那么,岩层将弯曲下沉并与煤层底板 或底部已冒落岩层接触.在岩层可以由弯曲开展至破坏条件下,由于其运动是逐步开展,所以工作面 矿压显

5、现一般比拟缓和.此时,支架应能支撑将要冒落岩层在控顶区上方全部岩 重,并能限制冒落岩层之上局部弯曲岩层下沉量.岩层剪断破坏开展过程如图3-3.岩层悬露后只产生较小弯曲下沉,悬露岩 层端部即开裂图3 3a,在岩层中部未开裂或开裂很少情况下,岩层大面积整 体塌垮图3 3b.产生悬露岩层剪断破坏条件是：当工作面煤壁推进至岩梁端部开裂位置附近 时,断裂面上剪应力超过一定限度,虽然其中部尚未开裂,但只要下部有少量运 动空间,岩层即可能被剪断而整体塌垮.这类破坏形式运动范围大、速度快,采煤工作面将受到明显动压冲击.止匕时, 如果支架工作阻力缺乏,极易发生顶板沿煤壁切下重大冒顶事故. 即使工作面顶 板不垮落

6、,也会发生台阶下沉,使支柱回撤工作非常困难.要限制这类顶板破坏, 工作面支架必须有较高初撑力,其工作阻力应能预防顶板沿煤壁线切断,而把切 顶线推至控顶距之外.支柱可缩量可按在煤壁处出现台阶下沉而支柱又不被压死图3-3岩层剪切破坏形式图3-4断层对岩层破坏形式影响岩层两种破坏形式随地质及开采条件变化而相互转化.(l)当工作面推至岩层端部开裂位置附近,提升推进速度可能会使原来呈弯拉破坏岩层转变为剪切破坏运动形式.这就是在日常来压比拟均匀工作面,高产后往往出现切顶事故原因.2强制放顶改变坚硬岩层厚度,可以排除整体塌垮威胁,从而使剪切破坏形 式转化为弯拉破坏形式.3分层开采厚煤层,如果分层间采用上行式

7、开采程序,通过下部几个分层开 采,使坚硬可能发生剪切破坏顶板岩层受到重复采动影响,产生裂缝,大大减 小忽然剪断可能性,从而可转化为弯拉破坏运动形式.4在工作面推进方向上遇到与煤壁平行断层, 使原来弯拉破坏岩层可能向整 体切断运动形式转化图3 4.这是由于断层破坏了岩层连续性, 当工作面推到 断层部位时,岩层悬露尚未到达中部裂断所必须跨度,可能出现整体切断危险.第二节直接顶移动规律选择采煤工作面顶板治理方法、 支架设计和选型,日常顶板治理等问题,都 与采煤工作面直接顶有关.直接顶厚度顶板冒落高度大小,决定着裂隙带发 展高度,也决定着各岩层稳定期长短,对“三下采煤、地表移动限制设计等都 有重要影响

8、.采煤工作面自开切眼开始推进后,直接顶岩层一般并不立即垮落.待推进一 定距离,直接顶悬露面积超过其允许值后, 才会大面积垮落下来.这称为直接顶 初次垮落初次放顶.初次放顶后,直接顶岩层随采煤工作面推进而冒落.在 正常推进过程中,直接顶是一种由采煤工作面支架支撑悬臂梁.其结构特点是在 推进方向上不能保持水平力传递. 因此,限制直接顶根本要求是当其运动时, 支 架应能承当其全部重量.一、直接顶厚度冒高确定直接顶冒落高度有一定规律性,在一定采动条件下有确定数值.在同一岩层 条件下,不同采动条件、不同开采程序和时空关系,可能有不同冒高值.在此, 我们仅讨论开采单一煤层或开采煤层顶分层时冒高值预计方法.

9、目前,有关推断冒高值方法根本上有两种：1 .不考虑岩梁本身沉降值推断方法如图3-5所示,悬空直接顶岩层由下而上冒落,一直开展到自然接顶为止. 在自然冒落开展过程中不考虑岩层本身沉降值.其冒高表达式推导如下:13 h z+m =K Z2h z由此导出直接顶厚度工hz为：Eh z m(3-1)K 1式中 m一采高,m；K一已冒落岩层碎胀系数.图3-5不考虑岩层弯曲沉降时冒高这种推断方法对于厚度不大,强度不高岩层覆盖采煤工作面,特别是第一次 来压阶段,计算结果与实际情况比拟接近.但是,这种方法没有考虑多数岩层冒落是由弯曲沉降开展而来实际情况,没有考虑未冒落岩层本身沉降.因此,还没有能完善地解释和表达

10、冒高变化各种情 况.例如,对于实际冒落值为零缓沉型采煤工作面,用该公式就无法做出解释.2 .考虑岩层本身沉降推断方法这种方法认为,除整体切断岩层外,所有岩层冒落都是由弯曲沉降运动开展 而来.因此,确定冒落高度必须考虑岩梁沉降值和岩层变形水平影响,以及下部允许运动空间高度.这种推断方法几何模型如图3-6所示.图中未冒落岩梁(hE)沉降值满足以下表达式：SA=m-Ehz (Ka-1) <S0(3-2)式中 Sa岩梁实际沉降值；So该岩梁保持假塑性允许沉降值；m一采高；Ehz 一直接顶厚度即冒落高度； Ka一岩梁触什处已冒落岩层碎胀系数.由式3-2可推导出直接顶厚度三hz表达式：Ehz m-A

11、3-3Ka 1其中 Saw so对照图3-6可以发现,当用式3-3推断冒落高度时,要遵守 Sa值与Ka值在 同一地点选择原那么.可以用离煤壁任何位置处数值代入都不影响计算结果. 但是, 绝不能认为SA与Ka值可以在任意位置选取.由于公式中规定Sa<So,而S0是保 持该岩梁处于“假塑性状态运动极限值沉降极限值.因此,原那么上,取值 位置是固定,该位置应当是岩梁显著运动发生后, 从下部开始触肝位置起,到运 动被迫停止时整个触肝范围反力中央.图中 A点.一般取Ka=1.251.35.图3-6考虑岩层弯曲沉降时冒落高度二、影响直接顶厚度主要因素从式3-3可以看出,影响直接顶厚度主要因素有：1.

12、采高m影响由式3-3可知,如果上覆岩层厚度都不大,强度和变形水平根本相同,那么冒 落高度与采高近似成正比.因此,在生产现场经常用改变采高方法来限制采煤工作面矿山压力显现和上覆岩层破坏范围.应当注意是,冒落高度并不随采高变化而连续变化, 一般说来,上覆岩层冒落高度是跳跃式变化.在推断冒高时应充分考虑上覆各岩层厚度、岩性、强度、变形水平及层理等情况,注意找到冒高发生突变位置.2.岩梁允许沉降值So及岩梁实际沉降值Sa影响由式3-3可知,在一定采高m条件下,&值对冒落高度影响很大.例如, 当采高m=2m时,如果取Ka=1.25,那么：当 S0=Sa=O 时,hzm SaKa 1m 4m 8m

13、1.25 1当 So=SA=O.5m 时,m SaKa 1m O.5m 八 , 2 m 4m1.25 1当 So=SA=m 时,m SaKa 1mm Om1.25 1因此,必须对各类岩层假塑性沉降值 So进行认真分析.一般认为,So大小 主要由岩层厚度、强度及在推进方向上裂隙发育情况等因素决定.图3-7岩梁允许沉降值Sb研究证实,对于结构简单均质岩层,在不出现整体切断运动形式情况下, 岩 层厚度越大,可能Sb值也将越大.如图3-7所示,一般可认为,岩层断裂后形成 三校拱结构,当中部较高于两端钱时,岩层保持传递岩梁状态；随着岩层弯曲沉 降,当中部较与两端钱在同一条直线上时, 到达岩梁极限沉降值S

14、b.Sb可由下式 表不：_-1 hSo h ? cos(tg 一)(3-4)Co式中 Sb一岩梁允许沉降值；h岩层厚度；C.一岩梁运动步距.当h值相对于Co小得很多时,tg-1 b那么Sb=h.Co显然,只要知道上覆岩层厚度分布情况,就可以确定冒落高度.例如图 3-8 所示采场,采高为2.5m,上覆岩层厚度分布情况为：hi=1.5m； h2=1.bm； h3=3.bm； h4=5.bm.根据以上原理,不难推断出该采场冒高为 2.5m,即冒到h2为止,h3 仍处于假塑性岩梁状态,这是由于：对h1层：Sb=h1=1.5m,如保持h1层不冒,那么下部必须冒落岩层厚度为：hzm SoKa 12.5 1

15、.51.25 14m而该岩层下部实际冒落厚度为零,因此 h1必然冒落.对h2层：S0=h2=1.Om,保持不冒下部岩层必须冒落厚度为:hzm SoKa 12.5 1.O1.25 16m而该岩层下部岩层厚度仅有1.5m,所以h2必然冒落对h3层,S0=h3=3.0m,保持不冒落下部必须冒落岩层厚度为:, m So 2.5 3.0hz 2m 0Ka 11.25 1即该岩层不会冒落.在下部已冒2.5m情况下,其实际沉降值SA为:SA=m hz(KA- 1)=2.5-2.5 (t<25-1)=1.785m<S0图3-8采场冒高例如3 .岩梁触什处已冒岩层碎胀系数 Ka影响岩层触什处已冒落岩

16、层碎胀系数,是以确实对岩梁起到支承作用为前提, 绝 不能采用岩层冒落后处于松散堆集状态数值.初步证实,岩梁触什处下部已冒岩 层碎胀系数,主要与下述条件有关：1岩层岩石力学性质及结构情况.强度高、节理裂隙发育砂岩或坚硬砂岩强制放顶时,Ka=1.31.35;强度较低一般岩层粉砂岩、页岩等,Ka =1.251.28.2岩层破坏形式.如岩层垮落由弯曲沉降开展而来,可采用上述数值；岩层整体切断,Ka值可按l考虑.Ka值对冒高影响也是必须注意.由式3-3可知,Ka愈大,那么冒高hz值愈小.当岩层坚硬,产生整体切断时,Ka=1、hz=oo0说明上部软岩随其下部坚硬岩层整体塌落时,上覆岩层将冒到上部坚硬岩层为

17、止,甚至到达地表.4 .采空区顶板处理方法影响改变采空区顶板处理方法,可以改变冒高值,如：1采用充填法可以减小冒高值,当充填高度为A hz时,减少后冒高值可用下 式表小:hz(mhz)SaKa 1(3-5)式中符号意义同前.显然,当充填高度A hz等于采高m时,hz=0o2采用强制放顶可以将可能整体垮落采场向一般采场转化.此时冒高值即为强制放顶岩层厚度.可根据控顶要求,人为决定.5 .开采程序影响在有整体垮落危险坚硬顶板岩层条件下,实行反程序开采,可预防切落危险. 由于先开采下分层或下部近距离煤层时, 可使该岩层产生裂隙,待开采顶分层时 呈弯曲沉降运动状态,冒高转化为零.因此,对由较坚硬岩层覆

18、盖厚煤层或近距 离煤层,应试用反程序开采,以排除顶板剪断威胁.第三节老顶移动规律老顶特点是运动时对采煤工作面矿山压力显现有明显影响传递岩梁总合.第一次来压后,是一组在推进方向上能传递水平力不等高裂隙梁.对于老顶岩梁限制根本要求是：预防由于老顶运动对采煤工作面产生动压冲 击和大面积切顶事故发生,把老顶岩梁运动结束时在采场造成顶板下沉量限制在 要求范围.如果老顶岩梁运动没有动压冲击,岩梁运动结束后自由位态所造成采 场顶板下沉量满足生产要求,此时支架可不承当老顶岩梁重量. 换句话说,对这 局部岩梁,支架承当压力大小取决于所限制岩梁位态.老顶运动一般有两种形式：1 .老顶缓慢下沉假设采高较小,直接顶厚

19、度较大,直接顶岩层可能呈不规那么垮落而充满采空区. 此时,老顶可能以缓慢下沉形式运动.止匕外,假设老顶岩层节理、裂隙发育,允许 塑性变形值较大时,老顶岩层也可能以缓慢下沉形式运动.直接顶呈不规那么或规那么垮落时,如果其厚度较大,冒落后什石根本上能充满 采空区,使老顶岩层无运动空间,只能随已冒落肝石逐渐压实而缓慢下沉. 老顶 岩层缓慢下沉时,破断岩块之间互相啮合较接,这时,老顶岩层将其自身和上部 岩层局部重量传递到前方煤壁和前方冒落肝石上,采煤工作面内矿山压力显不现明显,对顶板治理有利2 .老顶呈长岩梁断裂当直接顶厚度较小或工作面采高较大时,直接顶冒落后将不能充满采空区, 在已冒落什石与老顶岩层

20、之间有一定自由空间.自由空间高度可由下式计算：hz m Kp? hz卜3-6mhzKp 1.式中 A 一已冒落肝石与老顶岩梁间距离；!2hz一直接顶厚度；m一采高；Kp-已冒落岩层碎胀系数,一般取1.31.5.这时老顶运动情况如下：1老顶初次垮落直接顶初次垮落后,随工作面不断向前推进,直接顶不断垮落下来,老顶悬 跨度不断增大,当到达一定跨度时,老顶岩层将在两端及中部逐渐裂开图3-9a. 采煤工作面继续向前推进,假设有足够自由空间,老顶岩层将裂断并产生明显沉降 图3-9b.这时将对工作面产生较大影响,顶板下沉量增加、支架载荷增大、 煤壁片帮.这就是老顶初次垮落.由开切眼到老顶初次垮落时工作面推进

21、距离称 为老顶初次垮落步距.老顶初次垮落步距越大,工作面矿压显现就越剧烈,老顶限制也就越困难. 初次垮落步距大小,取决于老顶岩层岩性、厚度和裂隙发育程度.一般情况下老 顶初次垮落步距为2035m.(hl图3-9老顶初次垮落2老顶周期性垮落如图3-10所示,初次垮落后,老顶岩层可视为一端嵌入煤壁,另一端悬于 采空区“悬臂梁,它支撑着自身和上面比它强度低岩层重量.随采煤工作面继 续向前推进,其悬露长度到达某一极限值时,将发生折断在煤壁前方、垮落, 从而在采煤工作面内产生明显矿压显现. 这种现象,随工作面推进将周期性地出 现,称为老顶周期性垮落.图3-10老顶周期性垮落第四节直接顶和老顶相互转化对同一采场,当地质条件、采动条件发生变化或改变采空区顶板处理方法时, 直接顶和老顶之间有可能相互转化. 原属直接顶岩层可能变成老顶. 同样,原属 老顶岩层也可以转化为直接顶.搞清两者转化原因和条件,是预测采煤工作面矿