矿山压力与岩层控制厚煤层综放开采岩层控制

1、第八章 厚煤层综放开采岩层控制第一节 顶煤破碎机理与运移规律顶煤的变形与破碎是一个十分复杂的过程，在支架与顶板所组成的系统中，支架通过顶煤对顶板实施控制，同时顶板的压力通过顶煤传递到支架上，顶煤在传递力的过程中也要发生移动、变形、破碎、冒落和放出，因此顶煤起到了一种媒介作用。一、顶煤的力学特征与力场条件（一）顶煤的力学特征图81所示为不同围压下煤体的应力应变全过程曲线。从图中可以看出，随着围压升高，煤体的强度增加。 图81 不同围压下煤体应力应变曲线（二）采动应力场与约束条件ABCEDtr图8-2 支承压力分布见图8-2所示，工作面前方的支承压力（切向应力t）分为减压区（A）、增压区（B）、稳

2、压区（C）。若按岩体性质分，可将其分为弹性区（E）和塑性区（D）（也称极限平衡区）（三）顶煤的变形与位移图8-3是典型的顶煤位移观测曲线，其中横坐标O点为工作面煤壁位置，h为测点距煤层底板的距离。观测的煤层厚度平均为9.1m，割煤高度2.2m，煤层硬度系数f=0.3，属于极软煤层。观测结果表明，在工作面前方15m处顶煤开始发生移动，并且随着到工作面距离减小，累计位移量迅速增加，上位顶煤的累计位移量明显大于下位顶煤的。一般情况下可采用负指数函数拟合顶煤的累计位移量S与距工作面距离L的关系，即：式中，a、b 为回归系数。 图83 顶煤、顶板位移量与到煤壁距离关系不同顶煤的移动特征：（1）煤体的硬度

3、系数不同，顶煤开始移动的位置不同。如同为厚度68m的煤层，在h=6m处，软煤层（f=0.30.5）、中硬煤层（f=23）和硬煤层（f3.5）的顶煤始动点超前工作面的距离分别为15m、10m、5m左右。煤层的硬度系数越低，顶煤始动点超前工作面的距离越大，累计位移量越大，顶煤破碎的越充分。（2）不同高度顶煤始动点的位置不同，无论是软煤、中硬煤或是硬煤，顶煤位置越高，其始动点超前工作面距离越远，累计的位移量越大。（3）在顶煤移动初期，以水平移动为主，随着工作面推进，垂直位移逐渐增大，在工作面支架上方垂直位移量超过水平位移量，具体位置根据煤层的硬度系数不同而变化，软煤在煤壁前方附近，而硬煤在煤壁后方0

4、.51m处。二、顶煤的破坏过程描述与分区顶煤从开始移动、破裂到冒落是一个连续的、渐进的破坏过程，随着工作面推进，这一过程也自然动态地向前推移。为了对顶煤破坏过程有一清晰认识，可将顶煤自原始状态至冒落这一连续渐进破坏过程进行人为划分。这一划分称为对顶煤的分区，即根据顶煤裂隙发育和破坏程度，沿工作面推进方向，将顶煤进行分区。一般来说，可以划分为四个区，见图8-4所示。IIIIIIIV图8-4 顶煤分区图支承压力分布曲线（1）原始状态区（）顶煤进入支承压力区以前未受到采动应力场的影响，处于原岩应力状态，其内部只包含一些成煤及构造等作用形成的裂隙和层理等地质弱面。（2）压缩变形区（）顶煤进入支承压力区

5、以后，煤体处于加载阶段，煤体内原有裂隙和空隙受压闭合，体积收缩，顶煤开始发生小量的变形移动。随着工作面继续推进，顶煤继续受压变形，但处于弹性阶段，符合广义虎克定律，整体体积仍然处于收缩阶段，但收缩的速率逐渐减小。（3）拉剪破裂区（）随着工作面继续推进，煤体发生拉伸和剪切破坏，煤体中原有裂隙逐渐张开，随着上部岩层压力作用和侧向约束逐渐减弱，煤体中也会产生一些纵向拉伸裂隙和与支承压力呈锐角的剪切裂隙，在原有裂隙和新产生裂隙的尖端会出现拉应力集中，导致这些裂隙扩展、张开和贯通，顶煤的整体强度逐渐失效。随着各种裂隙的急剧产生扩展和贯通，进入到支承压力峰值后，顶煤整体强度失效，维持残余强度值，各种裂隙将

6、煤体切割成碎裂的块体，各种裂隙就成了顶煤破碎时的煤块界面，由于支架的支托，顶煤的破裂块体中大部分仍处于原位的镶嵌状态，或以平动为主。煤体体积已经开始增大（即产生“扩容”），顶煤的整体位移迅速增加，整体位移增加的原因既有由于顶煤中宏观裂隙的扩张而产生的移动，也有由于煤体内微裂隙的产生和发育导致体积膨胀而产生的移动。（4）散体冒放区（）在支架顶梁尾部，顶煤开始冒落，以散体形态堆积在支架掩护梁上。在顶煤位移观测中，由于顶煤的冒落或观测基点的失效或以散体形态的大位移流动，所以难以观测到此阶段的顶煤移动量。三、影响顶煤冒放性的因素（1）煤体强度顶煤硬度系数f越大，顶煤的冒落角越小，对于坚硬煤层（f3），

7、通常冒落角小于；对于中硬煤层（f=13），冒落角介于80°；对于软煤层（f<1），冒落角大于; 对于极软煤层（f0.5），由于顶煤在达到支架上方以前已经表现出了散体流动状态，无法分辨软煤层顶煤的冒落边界，因此不能简单地用冒落角反映软煤的冒落形态。（2）煤体裂隙分布的影响顶煤破裂过程中受煤体中的原生裂隙影响很大，如果顶煤中贯通裂隙多，发育，则这些贯通裂隙往往就会成为顶煤破裂的块度边界。对于非贯通裂隙而言，在支承压力作用下，裂隙尖端会产生应力集中，裂隙扩展，最终成为分割块体的边界。裂隙的方位和组数影响着顶煤的冒放性。一般来说，顶煤中含有平行于工作面的裂隙较含垂直工作面的裂隙更容易冒

8、落，见图8-5，图a较图b更容易冒落。如果顶煤中含有多组裂隙，则更有利于改善顶煤的冒放性，如图c所示。工作面方向（a）工作面方向（b）工作面方向（c）图8-5 裂隙分布对顶煤冒放性的影响（3）顶煤厚度放顶煤开采中，会有一个合理的顶煤厚度，在该厚度下适宜于顶煤的放出与提高顶煤采出率。过薄的顶煤相当一种伪顶，随采随冒，很难控制它一定在支架尾部冒落，而且冒落也没有规律可循，由于这种伪顶的存在，还使支架不能有效控制直接顶，导致直接顶超前破碎，到放煤口时，与顶煤混在一起放出，增加了出煤口的含矸率。过厚的顶煤在控顶区内，尤其是上部顶煤很难得到充分松动，直至放煤过程中才开始松动，至使其冒落在采空区难以回收。

9、因此，一般认为顶煤厚度介于210m之间会好一些，对于硬煤层，顶煤厚度不超过6m，否则上部顶煤将冒落在采空区内。（4）夹矸影响对于放顶煤开采,0.3m以下的夹矸多呈片状和板状冒落,对冒放性影响不大,但大于0.4m厚的夹矸多呈大块状冒落,冒落后有时堵塞放煤口,其上的顶煤无法放出。另外顶煤中的厚层夹矸会起到悬臂支托上部顶煤的作用，以至于上部顶煤无法及时冒落，最后冒落在采空区无法回收。四、改善坚硬顶煤冒放性的人工辅助措施对于裂隙不发育的坚硬厚煤层（f3.5），实施综放开采时，通常需采用顶煤爆破或注水方法改善顶煤的冒落形态和冒落块度。大同煤矿（集团）公司在忻州窑矿实施了顶煤预爆破技术弱化顶煤收到了良好效

10、果。见图8-6。炮孔II剖面图8-6 顶煤预爆破示意图在工作面产量较低的工作面，也可在工作面支架间向顶煤钻孔进行爆破，破碎支架上方顶煤。采用注水软化顶煤时，可在顶煤中开掘专用注水施工巷道，向两侧顶煤中钻进注水钻孔，也可利用工作面两巷施工注水钻孔。第二节 放顶煤开采矿山压力显现的基本规律放顶煤工作面也具有单一煤层采煤工作面的一般矿压显现规律，如初次来压，周期来压等。但由于一次采高增大，对直接顶和老顶的扰动范围增大，顶板势必对工作面支架的载荷会成倍增加，为此我国进行了大量的现场观测与理论研究，基本结论如下。（1）支承压力分布我国关于综放工作面的支承压力分布规律进行了许多观测与研究。所得到的基本结论

11、是与单一煤层开采相比，在顶板以及煤层条件、力学性质相同情况下，综放开采的支承压力分布范围大，峰值点前移。支承压力集中系数没有显著变化。综放工作面支承压力的分布同时受到煤层强度、煤层厚度等影响。1）煤层愈软，支承压力分布范围愈大，峰值点距煤壁愈远。一般来说，对于软煤层，峰值点为1525m，分布范围4050m；对于硬煤层，峰值点58m，分布范围2030。2）煤层愈厚，支承压力分布范围愈大，峰值点距煤壁愈远。放顶煤工作面支承压力峰值点前移的原因是由于较低强度顶煤存在引起的。3）如果顶煤中存在一层较厚的强度较大夹矸层，夹矸层除了影响到顶煤冒落形态外，还会影响到支承压力分布，使其显现出较硬煤层的支承压力

12、分布特征。 由于顶煤强度低，因此在直接顶与老顶载荷作用下，靠近工作面的顶煤首先发生破坏，进入塑性区，破坏的顶煤刚度迅速降低，顶煤变成弹塑性介质，当载荷继续增加，大于顶煤残余强度时，顶煤不再具有抗载能力，致使顶板载荷向远处逐渐转移，煤体内形成塑性区的范围大，载荷向前方转移的距离较远。煤层强度越低，转移的距离越大，所以支承压力峰值处越远离工作面，见图8-7。图8-7 放顶煤开采与顶分层开采的支承压力分布对比单一煤层开采放顶煤开采（2）放顶煤工作面支架工作阻力不大于顶分层工作面的工作阻力综放工作面的初次来压、周期来压规律同样存在，来压强度与顶分层的大体相当，有时甚至小于顶分层的情况。综放采场矿压显现

13、程度不仅取决于上覆岩层的活动，更主要地取决于顶煤的破碎状况及其刚度大小。支架上方破碎的顶煤，由于进入了塑性状态，具有较小的刚度，岩层活动压力向煤壁前方迁移，同时也可缓冲老顶来压时的动载作用，因此，虽然放顶煤开采的一次采高增大，但工作面矿压显现并不强烈。由于上覆岩层的压力向煤壁前方迁移，所以相对于顶分层工作面而言，煤壁片帮程度轻一些。（3）支架前柱的工作阻力大于后柱工作阻力 放顶煤工作面综采支架前柱的工作阻力普遍大于后柱，一般为1015，最高的可达到37%。具体情况与顶煤的硬度和冒落形态有关。对于软煤而言，顶煤破碎和放出较充分，支架顶梁后部上方的顶煤较少，不利于传递上覆岩层的作用，因此相对硬煤而言，支架前柱的工作阻力大于后柱工作阻力这一特点表现的更加明显。（4）下分层综放时的矿压显现规律有些情况为了排放瓦斯的需要，或是由于煤层厚度过大，不利于提高煤炭采出率