第三章采场上覆岩层运动的基本规律

第三章采场上覆岩层运动的基本规律

采场中一切矿压显现的根源，是采动引起的上覆岩层的运动。由于上覆岩层的岩性、厚度、层位关系及构造情况不同，因此，它们存在着多种多样的运动规律。

第一节

直接顶和老顶

上覆岩层，即为需控岩层，它包括直接顶和老顶。直接顶－－是指能在老塘不规则冒落、不能向煤壁前方和老塘矸石上永久传递力的、其作用力必须由支架全部承担的那部分岩层的总和。如图1-1（a）所示。老顶－－是指自身能形成平衡结构、能永久地向煤壁前方和老塘矸石上传递力的、其运动对采场有明显影响的、作用力无需支架全部承担的那部分岩层。如图1-1（b）所示。

也有学者把直接顶与老顶定义为：直接在煤层上面、有一定强度、并会随回柱放顶而冒落的岩层叫直接顶；常见的直接顶岩层有页岩、砂页岩等。直接在直接顶上面、强度比较大、厚度在1.5m以上，大面积暴露后才冒落的岩层叫老顶。常见的老顶岩层有砂岩、砂砾岩、石灰岩等。这是从地质角度来定义的。第二节上覆岩层的基本运动规律本节主要内容有四个方面：一、“三带”的形成二、对采场矿压有明显影响的上覆岩层范围三、直接顶运动规律四、老顶的基本运动规律五、采场顶板分类一、“三带”的形成

垮落带：长壁工作面煤层采出后，煤层上的顶板要垮落一部分去充填采空区，这一部分岩层一般称为垮落带岩层（相当于直接顶）；裂隙带：在采空区，随着未垮落岩层的沉降，自由空间的高度越来越小，直到不满足垮落的几何条件，此刻下位裂隙岩层带就会自身形成一种平衡结构，若该结构的运动对采场矿压有明显的影响，则该部分岩层相当于老顶，有些学派称裂隙岩层带为裂隙带（值得注意的是，裂隙带中包括老顶，但不一定全部属于老顶）。缓沉带：裂隙带往上直至地表为缓沉带，缓沉带的运动被认为对采场矿压无明显的影响。

图1-2岩层移动的“三带”关系图

二、对采场矿压有明显影响的上覆岩层的范围采场一般位于地下数百米乃至上千米的深度，开采实践表明，有些矿井以每平方米1～2根的单体支柱就能支护住采动空间，这个事实证明了对采场矿压有明显影响的上覆岩层范围是有限的。通过国内外的研究，特别是我国开滦矿区和大屯矿区的深孔布网研究，得到了一般采场的需控岩层厚度范围，它为6～8倍的采高。

三、直接顶的运动规律(一)直接顶的垮落采场从开切眼推进到一定距离后，直接顶将垮落。从开始推进到直接顶岩层初次垮落完成为止，这个阶段称为直接顶初次垮落阶段，如图所示，垮落剧烈程度用初次垮落步距Lz和直接顶厚度Mz与采高之比N间接地表示。直接顶初次垮落

（二）直接顶的厚度

在一般顶板条件的采场，只要采空区有自由空间，顶板就可能冒落，且冒落直接顶厚度为

式中h—采高，m；

Mz——直接顶厚度，m；kA—岩层垮落后的碎胀系数，kA=1.15～1.5，一般采场为1.25～1.35；SA—未垮落岩层在触矸处的沉降量，m；

SA=(0.1～0.5)h，一般采场为(0.25～0.3)h。将这些数据代入上式，可见Mz大约为(2～3)h。以上这些经验数据来源于我国北京、大同、开滦、大屯、徐州、肥城等矿区的实测结果。在坚硬顶板采场老顶初次来压前，式中的SA=0，显然公式变为：即直接顶厚度将比正常推进阶段大1.5～2倍。“传递岩梁”理论还提出了一套厚煤层及近距离煤层直接顶厚度的计算方法。（具体方法见宋振骐教授主编的《实用矿山压力控制》（三)直接顶的形态及特征

我国主要矿区按组成直接顶岩层的弱面及组份情况将其形态归纳为颗粒型、膨胀型、团块型、分层裂隙共生型、双向裂隙型、单向裂隙型、上软下硬型、下软上硬型、分层型及整体性10种（见下页表）。直接顶的形态是随其组成岩层的强度、弱面及其组合关系而变化的，它能从非常软弱一直发展到非常坚硬。颗粒型直接顶主要存在于顶煤松软的放顶煤工作面及顶板胶结性差的工作面（包括无顶网且胶结差的假顶）。在放顶煤工作面，顶煤由于受超前支承压力的预先破坏和支架的“重复”支撑，一般情况下将很破碎，如果机道上方护顶及护帮不及时，将出现大范围漏顶及片帮。在顶板胶结性差的采场，如护顶不及时，机道上方将出现大的“高冒”空穴，此类采场直接顶厚度一般超过2～3倍采高，确切的厚度将由颗粒型岩层的厚度决定。这种顶板现场也称为“豆腐渣”顶板（见后页图）。直接顶形态分析表

“豆腐渣”顶板冒落情况

团块型直接顶一般存在于泥质胶结顶板及无网但胶结尚好的假顶工作面。团块尺寸有大有小，同一采场岩块的尺寸也差异较大，这类顶板的最大特点是团块无明显的压、剪断面，一般是毛糙且不规则的拉张断面。分层裂隙共生型及双向裂隙型直接顶节理裂隙较发育，特别是双向裂隙型顶板，它可能发生两种事故：一是“草帽”式滑落，在机道处伤人，二是尚未出露的、被裂隙切割的孤立块体从煤体中抽出，发生“抽芯”事故。当节理裂隙的密度较大时，这两种类型的直接顶现场称为“破碎顶板”。“豆腐渣”和“破碎顶板”采场的支护重点在“护”，及时护住煤帮和机道上方的顶板。单向裂隙型直接顶在华东地区十分普遍。它一般由被节理裂隙切割的砂岩、粉砂岩及砂页岩等组成，当厚度及采高满足一定的几何条件时，在采空区与控顶区之间能形成史元伟高级工程师提出的“短砌体梁”式的暂时平衡结构（最终还是要垮落）。该平衡结构垮落时，将导致顶板垂直压力和水平推力的突变，在现场观测中，可测得支架载荷突然变化和支架向煤壁倾斜的现象。有时现场称之为“小周期来压”，因为“短砌体梁”结构随采场的推进，在不断地“建立—破坏—再建立”，呈现出周期性（如图所示）。当采场支架阻力不足时，易出现台阶下沉，尤其在松软底板采场。

短砌体梁直接顶复合顶的两种形式

(a)—直接顶与老顶复合；(b)—直接顶自身复合

上软下硬和上硬下软型直接顶即为“复合顶板”，它是从岩层强度和层位关系上定义的。前者一般为直接顶和老顶复合（如图a所示），后者一般为自身复合（如图b所示）。这类采场的顶板事故极为惨痛。这类顶板发生事故的根本原因是支架阻力小导致离层，加上支架不稳定最终“推垮”工作面。分层型直接顶一般存在于强度中等以上、薄及中厚层状顶板的采场，各分层的强度、分层厚度差异不大，垮落后，呈倒台阶形。典型的岩层是粉砂岩、砂页岩及中小分层的中细砂岩，另一种是中小分层的石灰岩。对石灰岩顶板原来的认识是柔性弯曲的，一般不发生垮落，但在肥城、枣庄、徐州、新汶、南桐等矿务局的观测发现，下位石灰岩经常发生倒台阶式的冒落。分层型直接顶在悬顶到一定程度后，能够在煤壁前方形成整体断裂（另一种情况是在老顶断裂后的压迫下整体断裂）。当工作面推进到断裂线时，易形成较大的台阶下沉（如图所示）。

分层型直接顶整体型直接顶存在于强度中硬以上、厚度大于2m的砂岩类顶板采场。这类直接顶有周期断裂现象，断裂时产生冲击载荷，水平推力大，回柱困难。现场在控制时，一般采取扩大控顶距等措施。在倾角小于15°的采场，用切顶墩柱是解决坚硬直接顶下回柱困难的有效方法（如图所示），在大倾角的情况下，无法支设墩柱，此时，顶板断裂线煤壁侧应有2～3m的安全空间才能回柱，倾斜方向要打好防冲矸的戗棚（柱）。墩柱切顶示意图四、老顶的基本运动规律（一）老顶的初次来压与周期来压随着采场的继续推进，直接顶进入正常垮落阶段，老顶此刻开始发生离层、弯曲沉降、断裂，最后回转下沉，引起工作面压力的急增，这个阶段称为老顶初次来压阶段，初次来压步距用L0表示。初次来压完成后，采场进入正常推进阶段。此阶段老顶岩梁将随跨度的不断增加而发生断裂、回转下沉和引起工作面来压，此阶段的来压称为周期来压。周期来压的强度一般较初次来压此阶段的来压称为周期来压。周期来压的强度一般较初次来压小，它由直接顶的厚度和岩梁本身的力学、几何参数决定。此阶段的一个重要参数是老顶的周期来压步距L。三个推进过程如图所示。在一般情况下，周期来压步距为初次来压步距的1/2～1/4，即。

老顶在推进方向上的运动规律(二)老顶的结构及其运动规律

老顶的结构形式决定了其运动特征，因此也是决定顶板控制方式和方法的关键因素。1.“拱”结构

早期矿压研究者提出的结构是以“拱”结构为主的。其代表人物是前苏联工程师Ф·许普鲁斯。他认为，采场在一个“前脚在煤壁、后脚在采空区”的“拱”的保护之下。这种观点解释了两个重要的矿压现象：一是支架承受上覆岩层的范围是有限的；二是煤壁上和老塘矸石上将形成较大的支承压力，其来源即为控顶区上方的岩重。见图。2.铰接岩梁

由于“拱”结构难以解释采场周期来压等现象，现场也难以找到定量描述拱结构的参数，所以“拱”假说只