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、煤层顶底板岩层的构成煤层处于各种岩层的包围之中。处于煤层之上的岩层称为煤层的顶扳；处于 煤层之下的岩层称为煤层的底板。根据顶、底板岩层离煤层的距离及对开采工作的影响程度不同，煤层的顶、 底板岩层可分为：伪顶。紧贴在煤层之上，极易垮落的薄岩层称为伪顶。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，具有一定的稳定性，移架或回柱后能自行 垮落的岩层称为直接顶。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的特征。直接顶的厚度一般相当于冒落带内的岩层的厚 度。(3) 老顶。位于

2、直接顶或煤层之上坚硬而难垮落的岩层称为老顶。常山砂岩、 石灰岩、砂砾岩等坚硬岩石组成。(4) 直接底。直接位于煤层下面的岩层。如为较坚硬的岩石时，可作为采煤工 作面支柱的良好支座；如为泥质页岩等松软岩层时，则常造成底戯和支柱插入底 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，随着采工作面的不断向前推进，暴露出来的上覆岩层 在矿山压力的作用下，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3-l)o冒落带。指采用全部垮落法管理顶板时，采煤工作面放顶后引起的煤层直接 顶的破坏范围(图3 1, I)。该部分岩层在采空区内已经垮落，而且越靠近煤层 的岩石就越

3、紊乱、破碎。在采煤工作面内这部分岩层山支架暂时支撑。裂隙带。指位于冒落带之上、弯曲带之下的岩层。这部分岩层的特点是岩层 产生垂直于层面的裂缝或断开，但仍能整齐排列(图3 1, II)。弯曲下沉带。一般是指位于裂隙带之上的岩层，向上可发展到地表。此带内的岩层将保持其整体性和层状结构（图3-1, III）o生产实践和研究表明，采煤工作面支架上受到的力远远小于其上覆岩层的重 量。只有接近煤层的一部分岩层的运动才会对工作面附近的支承压力和工作面支 架产生明显的影响。所谓釆煤工作面矿山压力控制，也就是对这部分岩层的控制。 这部分岩层大约相当于上述三带中的冒落带和裂隙带的总疗度，一般为采高的 68倍。图3

4、-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的形式决定着矿山压力的显现规律及对 控制的要求。上覆岩层自悬露发展到破坏，基本上有两种运动形式，即弯拉破坏 和剪断破坏。岩层弯拉破坏的发展过程如图3-2所示。随工作面的推进,上覆岩层悬露（图 3-2“），在重力作用下弯曲（图3 2坊，岩层弯曲沉降到一定程度后，伸入煤体的 端部裂开（图32。），中部开裂（图32），岩层冒落（图320。(C) hh(d)(e)图32上覆岩层弯曲破坏发展过程悬露的岩层中部拉开后，是否发展至冒落，山其下部允许运动的空间高度所 决定。只有其下部允许运动的空间高度大于沉降岩层的可沉降值时，岩层运动才 会由弯

5、曲沉降发展至冒落。否则，岩层将弯曲下沉并与煤层底板（或底部已冒落 岩层）接触。在岩层可以由弯曲发展至破坏的条件下，由于其运动是逐步发展的，所以工 作面矿压显现一般比较缓和。此时，支架应能支撑将要冒落岩层在控顶区上方的 全部岩重，并能控制冒落岩层之上部分弯曲岩层的下沉量。岩层剪断破坏的发展过程如图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 3）,在岩层中部未开裂（或开裂很少）的情况下，岩层大面 积的整体塌垮（图3 3b）。产生悬露岩层剪断破坏的条件是：当工作面煤壁推进至岩梁端部开裂位置附 近时，断裂面上的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

6、层即可能被剪断而整体塌垮。这类破坏形式运动范用大、速度快，采煤工作面将受到明显的动压冲击。此 时，如果支架工作阻力不足，极易发生顶板沿煤壁切下的重大冒顶事故。即使工 作面顶板不垮落，也会发生台阶下沉，使支柱回撤工作非常困难。要控制这类顶 板破坏，工作面支架必须有较高的初撑力，其工作阻力应能防止顶板沿煤壁线切 断，而把切顶线推至控顶距之外。支柱的可缩量可按在煤壁处出现台阶下沉而支 柱乂不被压死考虑。47Lg(b)图33岩层的剪切破坏形式图34断层对岩层破坏形式的影响岩层的两种破坏形式随地质及开采条件的变化而相互转化。(1) 当工作面推至岩层端部开裂位置附近，提高推进速度可能会使原来呈弯拉 破坏的

7、岩层转变为剪切破坏的运动形式。这就是在日常来压比较均匀的工作面， 高产后往往岀现切顶事故的原因。（2）强制放顶改变坚硬岩层的厚度，可以排除整体塌垮的威胁，从而使剪切破 坏形式转化为弯拉破坏形式。（3）分层开釆的厚煤层，如果分层间釆用上行式开采程序，通过下部儿个分层 的开采，使坚硬（可能发生剪切破坏）的顶板岩层受到重复的采动影响，产生裂缝, 大大减小突然剪断的可能性，从而可转化为弯拉破坏的运动形式。（4）在工作面推进方向上遇到与煤壁平行的断层，使原来弯拉破坏的岩层可能 向整体切断的运动形式转化（图34）。这是因为断层破坏了岩层的连续性，当工 作面推到断层部位时，岩层悬露尚未达到中部裂断所必须的跨

8、度，可能出现整体 切断的危险。第二节直接顶的移动规律选择采煤工作面顶板管理方法、支架设计和选型，日常顶板管理等问题，都 与采煤工作面直接顶有关。直接顶卑度（顶板冒落高度）的大小，决定着裂隙带 发展的高度，也决定着各岩层稳定期的长短，对“三下采煤”、地表移动的控制 设计等都有重要影响。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 的初次垮落（初次放顶）。初次放顶后，直接顶岩层随采煤工作面的推进而冒落。 在正常推进过程中，直接顶是一种山采煤工作面支架支撑的悬臂梁。其结构特点 是在推进方向上不能保持水平力的

9、传递。因此，控制直接顶的基本要求是其运 动时，支架应能承担其全部重量。一、直接顶厚度（冒高）的确定直接顶的冒落高度有一定规律性，在一定的釆动条件下有确定的数值。在同 一岩层条件下，不同的采动条件、不同的开采程序和时空关系，可能有不同的冒 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的预计方法。II前，有关推断冒高值的方法基本上有两种：1. 不考虑岩梁本身沉降值的推断方法如图3-5所示，悬空的直接顶岩层山下而上冒落，一直发展到自然接顶为止。 在自然冒落的发展过程中不考虑岩层本身的沉降值。其冒高表达式推导如下：E/? z+m =KY.h z(3-1)山此导出的直接顶厚度 U：K-式中

10、加一釆高，m：K已冒落岩层的碎胀系数。图3-5不考虑岩层弯曲沉降时的冒高这种推断方法对于厚度不大，强度不高的岩层覆盖的采煤工作面，特别是笫 一次来压阶段，讣算结果与实际情况比较接近。但是，这种方法没有考虑多数岩层冒落是山弯曲沉降发展而来的实际情况， 没有考虑未冒落岩层本身的沉降。因此，还没有能完善地解释和表达冒高变化的 各种情况。例如，对于实际冒落值为零的缓沉型采煤工作面，用该公式就无法做 出解释。2. 考虑岩层本身沉降的推断方法这种方法认为，除整体切断岩层外，所有岩层的冒落都是由弯曲沉降运动发 展而来的。因此，确定冒落高度必须考虑岩梁的沉降值和岩层变形能力的影响， 以及下部允许运动空间的高度

11、。这种推断方法的儿何模型如图3-6所示。图中未冒落岩梁(/“)的沉降值满足下列表达式：Sa=ihLh- (Ka1 ) WSo(3-2)式中Sa岩梁实际沉降值；So该岩梁保持假塑性允许的沉降值;/采高;口“ 直接顶厚度（即冒落高度）；心一岩梁触肝处已冒落岩层的碎胀系数。m 一 S為山式32可推导出直接顶厚度:E/x的表达式：(3-3)其中S” WS。对照图3-6可以发现，当用式3-3推断冒落高度时，要遵守小值与血值在 同一地点选择的原则。可以用离煤壁任何位置处的数值代入都不影响讣算结果。 但是，绝不能认为Sa与心的值可以在任意位置选取。因为公式中规定SaW, 而So是保持该岩梁处于“假塑性”状态

12、的运动极限值（沉降极限值）。因此，原 则上Sa的取值位置是固定的，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的反力中心。图中A点。一般取 KA=.25 1.35。图36考虑岩层弯曲沉降时的冒落高度J :K.11.25-1二、影响直接顶厚度的主要因素从式3-3可以看出，影响直接顶厚度的主要因素有：1. 采高加的影响由式3-3可知，如果上覆岩层厚度都不大，强度和变形能力基本相同，则冒 落高度与采高近似成正比。因此，在生产现场经常用改变釆高的方法来控制采煤 工作面矿山压力显现和上覆岩层破坏的范围。应当注意的是，冒落高度并不随采高的变化而连续变化，一般说来，上

13、覆岩 层的冒落高度是跳跃式变化的。在推断冒高时应充分考虑上覆各岩层的厚度、岩 性、强度、变形能力及层理等情况，注意找到冒高发生突变的位置。2. 岩梁允许沉降值So及岩梁实际沉降值Sa的影响111式3-3可知，在一定采高（加）条件下，So值对冒落高度影响很大。例如, 当采高匸2m时，如果取Kq1.25,则:当 So=Sa=O 时，V /? = 一一 = = 4 加=8 m当 So=SA=O.5m 时,当 So=Sa=hi 时,J z Ka -11.25-1因此，必须对各类岩层的假塑性沉降值5进行认真的分析。一般认为，5 的大小主要山岩层的厚度、强度及在推进方向上裂隙发育情况等因素决定。I-_-_

14、H仝 1. . 皆LVu i -5 f-A图3-7岩梁允许沉降值必研究证明，对于结构简单的均质岩层，在不出现整体切断运动形式的情况下， 岩层厚度越大，可能的S。值也将越大。如图3-7所示，一般可认为，岩层断裂后 形成三狡拱结构，当中部餃高于两端較时，岩层保持传递岩梁状态；随着岩层弯 曲沉降，当中部钱与两端较在同一条直线上时，达到岩梁的极限沉降值So。So 可由下式表示：= /? cos(tg! )(3-4)Cq式中So岩梁的允许沉降值；h岩层片度；C。一岩梁的运动步距。当值相对于C。小得很多时,则 Soho显然，只要知道上覆岩层的厚度分布情况，就可以确定冒落高度。例如图所示的釆场,釆高为25m

15、,上覆岩层厚度分布情况为:/?i=1.5m； /?2=1.0m；/?3=3.Om； /?4=5.0nio根据以上原理,不难推断出该采场的冒高为2.5m,即冒到2为止，加仍处于假塑性岩梁状态，这是因为：对加层：5o=/?i=1.5m,如保持层不冒，则下部必须的冒落岩层厚度为：. m S2.5 1.5.h. = = 4mKa -11.25-1而该岩层下部实际冒落厚度为零，因此加必然冒落。对力2层：5o=/i2= 1.0m,保持不冒下部岩层必须的冒落片度为:.in - 502.5-1.0 乙h. = = 6m1.25-1而该岩层下部的岩层厚度仅有1.5m,所以加必然冒落。对力3层，5o=/?=3.Om,保持不冒落下部必须的冒落岩层片度为:=/h-S1= 2.-3.()=_2mQ-11.25-1即该岩层不会冒落。在下部已冒25m的情况下，其实际沉降值为为:S.a 二 mHz(Ka 1)=2.5-2.5x( 1.25-1)=1.785mSo,因此，老顶中的岩梁可能转化为直 接顶；相反，降低采高，原直接顶则可能转化为老顶。在同样采高条件下，如果 因岩层的岩性或厚度变化而扩大了直接顶的范围，则允许岩梁运动的空间减小， 运动减缓，山此影响采煤工作面的老顶范围会相应地减小；随着直接顶的变薄， 老顶范圉将相应扩大。改变推进速度到一定限度，也可能造成两者间的转化。肥城大封矿