礦山壓力及其控制第九章課件

第九章厚煤層綜放開采巖層控制

綜合機(jī)械化放頂煤開采綜合機(jī)械化放頂煤開采，簡(jiǎn)稱綜放開采。其基本原理是在厚煤層（一般煤厚≥5m）下部布置一個(gè)縱采工作面，高2~3米，支架尾部有放煤功能，在工作面前后分別布置一臺(tái)刮板輸送機(jī)，采煤機(jī)組切割的煤炭有前輸送機(jī)運(yùn)出，工作面上方的煤炭冒落放出后，由后輸送機(jī)送出。第九章厚煤層綜放開采巖層控制綜合機(jī)械化放頂煤開采9.1頂煤破碎機(jī)理與運(yùn)移規(guī)律

放頂煤開采的實(shí)質(zhì)是實(shí)現(xiàn)工作面煤炭和頂部煤炭的同時(shí)采出，頂部煤炭的開采是依靠礦山壓力作用，使其自行破碎和冒落，且自行流動(dòng)和放出。

9.1頂煤破碎機(jī)理與運(yùn)移規(guī)律

頂煤的變形與破碎是一個(gè)十分復(fù)雜的過(guò)程，在支架和頂板組成的系統(tǒng)中，支架通過(guò)頂煤對(duì)頂板實(shí)施控制，同時(shí)頂板的壓力通過(guò)頂煤傳遞到支架上，頂煤在傳遞力的過(guò)程中也要發(fā)生移動(dòng)、變形、破碎、冒落和放出，因此頂煤起到了一種媒介作用。頂煤的變形與破碎是一個(gè)十分復(fù)雜的過(guò)程，在支9.1.1頂煤的力學(xué)特征和應(yīng)力場(chǎng)特征（1）頂煤的力學(xué)特征在頂煤破碎過(guò)程中，原有裂隙擴(kuò)展與貫通將會(huì)起到重要作用。因此，煤體中的裂隙發(fā)育程度和分布密度對(duì)頂煤的破碎塊度有很大的影響。同時(shí)，煤體所反映出來(lái)的強(qiáng)度與應(yīng)力狀態(tài)有很大關(guān)系，不同應(yīng)力狀態(tài)的煤體表現(xiàn)出不同的強(qiáng)度特征，見圖9-1（不同圍壓下煤體的應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)^(guò)程曲線）。從圖中可以看出，隨著圍壓升高，煤體的強(qiáng)度增加。9.1.1頂煤的力學(xué)特征和應(yīng)力場(chǎng)特征（2）采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)與約束條件工作面前方的支承壓力（切向應(yīng)力σt）分為減壓區(qū)（A）、增壓區(qū)（B）、穩(wěn)壓區(qū)（C）。若按巖體性質(zhì)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)）。同時(shí)徑向應(yīng)力（垂直工作面方向的應(yīng)力σr）自煤壁向遠(yuǎn)方逐漸升高。（2）采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)與約束條件

在穩(wěn)壓區(qū)，使頂煤處于三向等壓應(yīng)力狀態(tài)，此時(shí)煤體不易破壞。隨著距煤壁距離減小，頂煤所受的應(yīng)力差（σt-σr）增大，即頂煤中的剪應(yīng)力增大，當(dāng)頂煤處于支承壓力峰值區(qū)時(shí)，頂煤所受的主應(yīng)力差達(dá)到最大值，由此時(shí)的兩個(gè)主應(yīng)力所繪制的莫爾園與莫爾—庫(kù)侖強(qiáng)度曲線相切，頂煤形成剪切破壞，見圖9-3。在穩(wěn)壓區(qū)，使頂煤處于三向等壓應(yīng)力狀態(tài)，此時(shí)

進(jìn)入塑性區(qū)后，頂煤破裂，煤體的強(qiáng)度曲線為破壞頂煤的強(qiáng)度曲線，即為煤體的殘余強(qiáng)度曲線，而由此時(shí)的σt和σr所繪制的莫爾圓與殘余強(qiáng)度曲線始終處于相切狀態(tài)，即頂煤處于極限平衡狀態(tài)。σr的變化規(guī)律實(shí)際上也反映了沿工作面推進(jìn)方向?qū)斆旱募s束條件，即隨著工作面的推進(jìn)，頂煤的約束條件逐漸減弱，甚至消失，這就為頂煤的冒落提高了條件。進(jìn)入塑性區(qū)后，頂煤破裂，煤體的強(qiáng)度曲線為

由巖石力學(xué)理論，巖石處于多向壓應(yīng)力狀態(tài)下，其破壞的機(jī)理主要為剪切破壞，即破壞面上的剪應(yīng)力大于該面的抗剪強(qiáng)度所致，且破壞面與最大主應(yīng)力的夾角α為銳角（α=45°-φ/2，φ為巖石的內(nèi)摩擦角）。由巖石力學(xué)理論，巖石處于多向壓應(yīng)力狀態(tài)下

當(dāng)巖石處于單向壓縮狀態(tài)時(shí)，如無(wú)側(cè)向約束或側(cè)向約束很小時(shí)，巖石會(huì)發(fā)生側(cè)向拉伸變形，當(dāng)拉伸變形大于巖石的極限應(yīng)變時(shí)，巖石將發(fā)生拉伸破壞：頂煤在支承壓力峰值區(qū)主要以剪切破壞為主，是由于頂煤體中的采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)形成的剪應(yīng)力大于頂煤抗剪強(qiáng)度所致。在支承壓力峰值以后隨著靠近工作面，沿工作面方向的約束減弱，頂煤的破壞逐漸以拉伸破壞為主，工作面繼續(xù)推進(jìn)，頂煤失去側(cè)向約束，在頂板壓力和頂煤自重作用下，頂煤將產(chǎn)生冒落，堆積在支架上方或掩護(hù)梁上。當(dāng)巖石處于單向壓縮狀態(tài)時(shí)，如無(wú)側(cè)向約束或（3）頂煤的變形與位移

頂煤累計(jì)位移量往往反映頂煤的破碎程度和塊度。位移量大說(shuō)明頂煤破碎充分，破碎的塊度小，具有很好的流動(dòng)性，易于放出。反之，頂煤破碎不充分。圖9-4是典型的頂煤位移觀測(cè)曲線，其中橫坐標(biāo)0點(diǎn)為工作面煤壁位置，h為測(cè)點(diǎn)距煤層底板的距離。觀測(cè)的平均煤厚為9.1m，割煤高2.2m，煤層硬度系數(shù)f=0.3，屬于極軟煤層。（3）頂煤的變形與位移

觀測(cè)結(jié)果表明，在工作面前方15m處頂煤開始發(fā)生移動(dòng)，且隨著距工作面越近，累計(jì)位移量迅速增加，上位頂煤的累計(jì)位移量明顯大于下位頂煤。一般情況下可采用負(fù)指數(shù)函數(shù)擬合頂煤的累積位移量s與距工作面距離L的關(guān)系，即

S=ae-hL

式中a、h——為回歸系數(shù)。根據(jù)頂煤移動(dòng)觀測(cè)以及綜合數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，可以推測(cè)頂煤的位移場(chǎng)圖，見圖9-5。觀測(cè)結(jié)果表明，在工作面前方15m處頂煤開

通過(guò)比較不同厚度、不同硬度煤層的實(shí)測(cè)結(jié)果，可得到不同頂煤的移動(dòng)特征：

①煤體的硬度不同，頂煤開始移動(dòng)的位置不同。

②不同高度頂煤始動(dòng)點(diǎn)的位置不同，無(wú)論是軟煤、中硬煤或是硬煤，頂煤位置越高，其始動(dòng)點(diǎn)超前工作面距離越遠(yuǎn)，累計(jì)的位移量越大。

③在頂煤移動(dòng)初期，以水平移動(dòng)為主，隨著工作面推進(jìn)，垂直位移逐漸增大，在工作面支架上方垂直位移量超過(guò)水平位移量，具體位置根據(jù)煤層的硬度系數(shù)不同而變化，軟煤在煤壁前方附近，而硬煤在煤壁后方0.5～1m處。通過(guò)比較不同厚度、不同硬度煤層的實(shí)測(cè)結(jié)

9.1.2頂煤的破壞過(guò)程描述及分區(qū)軟煤的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不致密，且含有大量微裂隙；中硬煤的內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密，微裂隙較少，但裂隙的延展性較好。因此可認(rèn)為軟煤層的變形、破碎是由眾多微裂隙和不致密（強(qiáng)度低）的煤塊共同完成的，所以，軟煤層累計(jì)的位移量大，破碎的塊度小且均勻。對(duì)硬煤層而言，由于煤體致密，強(qiáng)度大，在采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)作用下，應(yīng)力水平難以達(dá)到破壞致密煤塊的程度，因此，硬煤的變形、移動(dòng)、破碎主要由煤體內(nèi)部的裂隙完成，致使破碎的硬煤塊體帶有明顯裂隙分割的跡象。9.1.2頂煤的破壞過(guò)程描述及分區(qū)

硬煤層頂煤破壞狀況開采中硬煤層是頂煤的破壞狀況如圖9-6所示。由圖可知，頂煤的裂隙始于煤壁前方支承壓力峰值區(qū)內(nèi)，在支承壓力作用下，頂煤發(fā)生剪切和拉伸破壞，出現(xiàn)裂隙或擴(kuò)展煤體內(nèi)的原有裂隙。隨著工作面推進(jìn)、頂板的回轉(zhuǎn)下沉，頂煤裂隙進(jìn)一步發(fā)展，這些被裂隙和層理等弱面切割成塊體的頂煤由于受到約束和積壓作用，整體處于塑性狀態(tài)，可視為“似連續(xù)體”。隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，當(dāng)頂煤進(jìn)入到支架上方后，將逐漸冒落，并堆積在支架掩護(hù)梁上形成散體。硬煤層頂煤破壞狀況

頂煤分區(qū)

為了對(duì)頂煤的破壞過(guò)程有一清晰認(rèn)識(shí)，可將頂煤自原始狀態(tài)至冒落這一連續(xù)漸進(jìn)過(guò)程進(jìn)行劃分，稱為頂煤分區(qū)，即根據(jù)頂煤裂隙發(fā)育和破壞程度，沿工作面推進(jìn)方向，一般可劃分為四個(gè)區(qū)，見圖9-7所示。頂煤分區(qū)①原始狀態(tài)區(qū)Ⅰ②壓縮變形區(qū)Ⅱ③拉剪破裂區(qū)Ⅲ

④

散體冒放區(qū)Ⅳ

①原始狀態(tài)區(qū)Ⅰ9.1.3影響頂煤冒放性的因素一是頂煤冒落的形態(tài)，二是放出特性，放出特性與頂煤冒落的塊度分布密度有關(guān)。影響頂煤冒放性的因素很多，如煤層自身強(qiáng)大、各種弱面（裂隙、層理等)的發(fā)育與分布情況、夾矸情況、開采深度、頂煤厚度、頂板巖型、工作面長(zhǎng)度、支架的架性與開采工藝等。

9.1.3影響頂煤冒放性的因素（1）煤體強(qiáng)度（2）煤體裂隙分布的影響（3）頂煤厚度（4）夾矸影響見圖9—10所示。（1）煤體強(qiáng)度（4）夾矸影響見圖9—10所示。9.1.4改善堅(jiān)硬頂煤冒放性的人工輔助措施

對(duì)于裂隙不發(fā)育的堅(jiān)硬厚煤層（f≥3.5），實(shí)施綜放開采時(shí)，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。9.1.4改善堅(jiān)硬頂煤冒放性的人工輔助措施

9.2放頂煤開采礦山壓力顯現(xiàn)的基本規(guī)律

9.2.1綜放采場(chǎng)支架與圍巖力學(xué)系統(tǒng)模型綜放開采與單一煤層開采在圍巖性質(zhì)方面的差異就是支架上方存在著一層破碎的、強(qiáng)度低的頂煤，該頂煤的存在，不僅增大了直接頂（包括頂煤）的厚度，而且改變了直接頂?shù)恼w力學(xué)特征。9.2放頂煤開采礦山壓力顯現(xiàn)的基本規(guī)律

老頂活動(dòng)對(duì)采場(chǎng)及支架的影響程度取決于直接頂和頂煤的性質(zhì)、頂煤破壞的發(fā)展程度以及支架的剛度。根據(jù)支架與圍巖體系各組分的力學(xué)性質(zhì)和作用影響程度，建立如圖9-12所示的綜放采場(chǎng)支架與圍巖力學(xué)系統(tǒng)模型。構(gòu)成綜放菜場(chǎng)支架—圍巖整體力學(xué)模型的基本單元與一般長(zhǎng)壁開采工作面是相同的，即①老頂。②直接頂。③支架。④底板。老頂活動(dòng)對(duì)采場(chǎng)及支架的影響程度取決于直

在綜放采場(chǎng)—圍巖整體力學(xué)模型分析中,老頂單元和直接頂單元是關(guān)鍵,老頂單元作為覆巖中的第一關(guān)鍵層,要形成穩(wěn)定的砌體梁結(jié)構(gòu),它的剛性轉(zhuǎn)動(dòng)量是有一定范圍的,作為直接頂,即稱為給定變形。

在綜放采場(chǎng)—圍巖整體力學(xué)模型分析中,老頂單元

(1)直接頂(包含頂煤)的整體力學(xué)特征綜放采場(chǎng)條件下,把頂煤和其上的直接頂巖層統(tǒng)一視為直接頂.在經(jīng)歷工作面前方超前支承壓力作用后,該直接頂一般進(jìn)入塑性狀態(tài),因此,處在采場(chǎng)支架上方的直接頂其力學(xué)狀態(tài)是處于α—ε全程曲線的峰后區(qū).另一方面作為傳力介質(zhì),傳遞老頂回轉(zhuǎn)變形產(chǎn)生的回轉(zhuǎn)變形壓力。

(2)綜放采場(chǎng)支架的工作狀態(tài)支架受力的大小及載荷分布取決于直接頂?shù)恼w力學(xué)特性以及與支架的相互作用.(1)直接頂(包含頂煤)的整體力學(xué)特征(2)

9.2.2工作面礦壓顯現(xiàn)的基本規(guī)律

放頂煤工作面也具有單一煤層采面的一般礦壓顯現(xiàn)規(guī)律,如初次來(lái)壓,周期來(lái)壓等.但由于一次采高增大,煤炭開采對(duì)直接頂巖層和老頂?shù)臄_動(dòng)范圍增大,加之直接頂力學(xué)特征的變化,勢(shì)必引起采面礦壓顯現(xiàn)的新特點(diǎn).9.2.2工作面礦壓顯現(xiàn)的基本規(guī)律

(1)支承壓力分布

我國(guó)關(guān)于綜放面的支承壓力分布規(guī)律進(jìn)行了許多觀測(cè)和研究.所得到的基本規(guī)律是與單一煤層開采相比,在頂板以及煤層條件力學(xué)性質(zhì)相同情況下,綜放開采的支承壓力分布范圍大,峰值點(diǎn)前移.支承壓力集中系數(shù)沒有顯著變化.(1)支承壓力分布.①煤層愈軟,支承壓力分布范圍愈大,峰值點(diǎn)距煤壁愈遠(yuǎn).

軟煤層,峰值點(diǎn)為15～25m,分布范圍40~50m；對(duì)于硬煤層，峰值點(diǎn)為5～8m，分布范圍20～30m。.①煤層愈軟,支承壓力分布范圍愈大,峰值點(diǎn)距煤壁愈遠(yuǎn).②煤層愈厚，支承壓力分布范圍愈大，峰值點(diǎn)距煤壁愈遠(yuǎn)。放頂煤工作面支承壓力峰值點(diǎn)前移的原因是由于頂煤強(qiáng)度較低引起的。②煤層愈厚，支承壓力分布范圍愈大，峰值點(diǎn)距煤壁愈遠(yuǎn)。放頂煤工③如果頂煤中存在一層較厚的強(qiáng)度較大夾矸層，夾矸層除了影響到頂煤冒放形態(tài)外，還會(huì)影響到支承壓力分布，使其顯現(xiàn)出較硬煤層的支承壓力分布特征。③如果頂煤中存在一層較厚的強(qiáng)度較大夾矸層，夾矸層除了影響到頂

由于頂煤強(qiáng)度較低，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(jìn)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(zhì)，當(dāng)載荷繼續(xù)增大，大于頂煤殘余強(qiáng)度時(shí)，頂煤不再具有抗載能力，致使頂板載荷向遠(yuǎn)處逐漸逐漸轉(zhuǎn)移，煤體內(nèi)形成塑性區(qū)的范圍大，載荷向前方轉(zhuǎn)移的距離較遠(yuǎn)。煤層強(qiáng)度越低，轉(zhuǎn)移的距離越大，所以支承壓力峰值處越遠(yuǎn)離工作面，見圖9-13。由于頂煤強(qiáng)度較低，因此在直接頂與老頂載荷作（2）實(shí)測(cè)資料表明，工作面支承載荷不大，說(shuō)明離工作面不遠(yuǎn)的高處就形成平衡結(jié)構(gòu)。支架受載并不因采高增大而增加，僅與煤的強(qiáng)度有關(guān)，煤的強(qiáng)度大，則頂煤的完整性愈好，支架載荷較大。放頂煤工作面仍有周期來(lái)壓現(xiàn)象，但不明顯，初次來(lái)壓強(qiáng)度也不大。這是由于破斷巖板離工作面較高的原因。（2）實(shí)測(cè)資料表明，工作面支承載荷不大，說(shuō)明離工作面不遠(yuǎn)的高

（3）放頂煤工作面的煤壁及端面頂板的維護(hù)顯得特別重要。因?yàn)轫敯迦菀灼屏眩绕洚?dāng)煤壁片幫、煤頂節(jié)理和裂隙比較發(fā)育、遇有局部斷層、褶區(qū)結(jié)構(gòu)，老頂來(lái)壓時(shí)，加上放頂煤工作面推進(jìn)速度較慢，容易產(chǎn)生端部冒頂。因此，改善端部支架結(jié)構(gòu)，加大支架的實(shí)際端面初撐支護(hù)強(qiáng)度就十分重要。（3）放頂煤工作面的煤壁及端面頂板的維護(hù)顯得特別重要。因?yàn)?/p>

（4）放頂煤工作面，端頭壓力和工作面兩端平巷壓力并不大，雖然由于一次采高增加引起支承壓力增加，但由于一次采全厚，故回采巷道的礦壓顯現(xiàn)較分層多次開采緩和，在兗州、鄭州及石炭井等局的測(cè)定均是這樣。（4）放頂煤工作面，端頭壓力和工作面兩端平巷壓力并不大，雖

（5）支架前柱的工作阻力大于后柱阻力。放頂煤工作面綜放支架前柱的工作阻力普遍大于后柱，一般為10﹪～15﹪，最高可達(dá)37﹪。(6)下分層綜放時(shí)的礦壓顯現(xiàn)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(guò)大,不利于提高煤炭采出率等,采取了先用綜采方法預(yù)采頂分層,然后剩余的下部煤層采取綜放開采技術(shù).下分層綜放開采時(shí)的礦壓顯現(xiàn)仍然具有一般開采的礦壓規(guī)律,但礦山壓力顯現(xiàn)程度有所減弱.（5）支架前柱的工作阻力大于后柱阻力。放頂煤工作面綜放支架

9.2.3支架的合理工作阻力直接頂跨落高度與采高有關(guān).放頂煤支架因一次采高在6m以上,甚至更高,支架必須支撐住由此產(chǎn)生的靜壓和動(dòng)壓.支架工作阻力的增加,可有效地控制頂板.但如果阻力過(guò)大,往往阻力利用率不高還增加支架重量、造價(jià),經(jīng)濟(jì)效益會(huì)降低.因此必須合理選擇支架的工作阻力.9.2.3支架的合理工作阻力

(1)估算法估算支架阻力的力學(xué)模型(圖9-14)可按下列原則考慮:①采場(chǎng)上方頂板在靠煤壁一側(cè)為頂板破裂線,即頂煤及頂板斷裂線一般超前發(fā)生在煤壁內(nèi),當(dāng)斷裂線移至煤壁附近時(shí)為支架受載最大的時(shí)刻,應(yīng)作為計(jì)算基礎(chǔ).②采空區(qū)一側(cè)頂煤、巖層按跨落角上伸,其側(cè)面有跨落后的矸石支承,且對(duì)頂煤、巖層的下沉具有相應(yīng)的摩擦阻力.(1)估算法

③老頂載荷Q3,或稱為裂隙體梁結(jié)構(gòu)失穩(wěn)形成的載荷,對(duì)頂煤及直接頂?shù)钠茐目缏淦鹬匾饔?但由于放頂煤開采跨落帶較高,此平衡結(jié)構(gòu)有可能在下位裂隙帶中,即使巖塊間有剪切滑移的情況下仍能保持橫撐力而形成裂隙體梁式平衡結(jié)構(gòu),而此結(jié)構(gòu)以上的載荷對(duì)支架的影響可忽略不計(jì).③老頂載荷Q3,或稱為裂隙體梁結(jié)構(gòu)失穩(wěn)形

可按建立下列方程

式中P—支架合理支承力,KN/架

Q1—頂煤重,Q1=M2·L·γmQ2—直接頂重,Q2=h·L·γ2K—砌體梁失穩(wěn)時(shí)附加力的動(dòng)載壓系數(shù),取1.8;R—頂板在煤壁斷裂線處的摩擦阻力;N—碎矸和部分規(guī)則跨落帶的摩擦力;F—塊矸和頂煤、巖石間的摩擦力,F=N·tanψ.

考慮到支架阻力處于極限情況,R=0.可按建立下列方程

碎矸支撐力可表示為

支架外載形成的力矩一般靠液壓支架阻力的分布來(lái)平衡.

設(shè)tanψ=0.8,α=200,γm=2.5,L=5m,當(dāng)采放高為6、8、10及12m時(shí),支架阻力分別為3504kN/架,4229kN/架,4566kN/架,4560kN/架,相應(yīng)的支護(hù)強(qiáng)度為467～609kPa.碎矸支撐力可表示為(2)實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)法據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)所得,隨著采放煤厚增加,頂板來(lái)壓時(shí)支架的循環(huán)末支護(hù)強(qiáng)度隨之升高,但增加幅度很小.如以煤層厚度與巖石體積力的乘積表示支架支護(hù)強(qiáng)度,可寫成:q=knM·γ

式中q—支架支護(hù)強(qiáng)度,kPa;k—安全系數(shù),取k=1.2～1.5;n—折算系數(shù);M—煤層全厚,m;γ—巖石體積力,取25kN/m3;(2)實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)法

據(jù)統(tǒng)計(jì),此折算系數(shù)在來(lái)壓與非來(lái)壓期間是不同的,來(lái)壓時(shí)其關(guān)系為:n=9.768M-0.79

如果以頂板來(lái)壓時(shí)支架的載荷作為設(shè)計(jì)支架工作阻力的基礎(chǔ),則可寫成:q=kbMγ=9.768M0.21γ

如支架工作阻力利用率按75﹪考慮,即k=1.33,則上式為q=325M0.21.據(jù)統(tǒng)計(jì),此折算系數(shù)在來(lái)壓與非來(lái)壓期間是不同的演講完畢，謝謝觀看！演講完畢，謝謝觀看！第九章厚煤層綜放開采巖層控制

綜合機(jī)械化放頂煤開采綜合機(jī)械化放頂煤開采，簡(jiǎn)稱綜放開采。其基本原理是在厚煤層（一般煤厚≥5m）下部布置一個(gè)縱采工作面，高2~3米，支架尾部有放煤功能，在工作面前后分別布置一臺(tái)刮板輸送機(jī)，采煤機(jī)組切割的煤炭有前輸送機(jī)運(yùn)出，工作面上方的煤炭冒落放出后，由后輸送機(jī)送出。第九章厚煤層綜放開采巖層控制綜合機(jī)械化放頂煤開采9.1頂煤破碎機(jī)理與運(yùn)移規(guī)律

放頂煤開采的實(shí)質(zhì)是實(shí)現(xiàn)工作面煤炭和頂部煤炭的同時(shí)采出，頂部煤炭的開采是依靠礦山壓力作用，使其自行破碎和冒落，且自行流動(dòng)和放出。

9.1頂煤破碎機(jī)理與運(yùn)移規(guī)律

頂煤的變形與破碎是一個(gè)十分復(fù)雜的過(guò)程，在支架和頂板組成的系統(tǒng)中，支架通過(guò)頂煤對(duì)頂板實(shí)施控制，同時(shí)頂板的壓力通過(guò)頂煤傳遞到支架上，頂煤在傳遞力的過(guò)程中也要發(fā)生移動(dòng)、變形、破碎、冒落和放出，因此頂煤起到了一種媒介作用。頂煤的變形與破碎是一個(gè)十分復(fù)雜的過(guò)程，在支9.1.1頂煤的力學(xué)特征和應(yīng)力場(chǎng)特征（1）頂煤的力學(xué)特征在頂煤破碎過(guò)程中，原有裂隙擴(kuò)展與貫通將會(huì)起到重要作用。因此，煤體中的裂隙發(fā)育程度和分布密度對(duì)頂煤的破碎塊度有很大的影響。同時(shí)，煤體所反映出來(lái)的強(qiáng)度與應(yīng)力狀態(tài)有很大關(guān)系，不同應(yīng)力狀態(tài)的煤體表現(xiàn)出不同的強(qiáng)度特征，見圖9-1（不同圍壓下煤體的應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)^(guò)程曲線）。從圖中可以看出，隨著圍壓升高，煤體的強(qiáng)度增加。9.1.1頂煤的力學(xué)特征和應(yīng)力場(chǎng)特征（2）采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)與約束條件工作面前方的支承壓力（切向應(yīng)力σt）分為減壓區(qū)（A）、增壓區(qū)（B）、穩(wěn)壓區(qū)（C）。若按巖體性質(zhì)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)）。同時(shí)徑向應(yīng)力（垂直工作面方向的應(yīng)力σr）自煤壁向遠(yuǎn)方逐漸升高。（2）采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)與約束條件

在穩(wěn)壓區(qū)，使頂煤處于三向等壓應(yīng)力狀態(tài)，此時(shí)煤體不易破壞。隨著距煤壁距離減小，頂煤所受的應(yīng)力差（σt-σr）增大，即頂煤中的剪應(yīng)力增大，當(dāng)頂煤處于支承壓力峰值區(qū)時(shí)，頂煤所受的主應(yīng)力差達(dá)到最大值，由此時(shí)的兩個(gè)主應(yīng)力所繪制的莫爾園與莫爾—庫(kù)侖強(qiáng)度曲線相切，頂煤形成剪切破壞，見圖9-3。在穩(wěn)壓區(qū)，使頂煤處于三向等壓應(yīng)力狀態(tài)，此時(shí)

進(jìn)入塑性區(qū)后，頂煤破裂，煤體的強(qiáng)度曲線為破壞頂煤的強(qiáng)度曲線，即為煤體的殘余強(qiáng)度曲線，而由此時(shí)的σt和σr所繪制的莫爾圓與殘余強(qiáng)度曲線始終處于相切狀態(tài)，即頂煤處于極限平衡狀態(tài)。σr的變化規(guī)律實(shí)際上也反映了沿工作面推進(jìn)方向?qū)斆旱募s束條件，即隨著工作面的推進(jìn)，頂煤的約束條件逐漸減弱，甚至消失，這就為頂煤的冒落提高了條件。進(jìn)入塑性區(qū)后，頂煤破裂，煤體的強(qiáng)度曲線為

由巖石力學(xué)理論，巖石處于多向壓應(yīng)力狀態(tài)下，其破壞的機(jī)理主要為剪切破壞，即破壞面上的剪應(yīng)力大于該面的抗剪強(qiáng)度所致，且破壞面與最大主應(yīng)力的夾角α為銳角（α=45°-φ/2，φ為巖石的內(nèi)摩擦角）。由巖石力學(xué)理論，巖石處于多向壓應(yīng)力狀態(tài)下

當(dāng)巖石處于單向壓縮狀態(tài)時(shí)，如無(wú)側(cè)向約束或側(cè)向約束很小時(shí)，巖石會(huì)發(fā)生側(cè)向拉伸變形，當(dāng)拉伸變形大于巖石的極限應(yīng)變時(shí)，巖石將發(fā)生拉伸破壞：頂煤在支承壓力峰值區(qū)主要以剪切破壞為主，是由于頂煤體中的采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)形成的剪應(yīng)力大于頂煤抗剪強(qiáng)度所致。在支承壓力峰值以后隨著靠近工作面，沿工作面方向的約束減弱，頂煤的破壞逐漸以拉伸破壞為主，工作面繼續(xù)推進(jìn)，頂煤失去側(cè)向約束，在頂板壓力和頂煤自重作用下，頂煤將產(chǎn)生冒落，堆積在支架上方或掩護(hù)梁上。當(dāng)巖石處于單向壓縮狀態(tài)時(shí)，如無(wú)側(cè)向約束或（3）頂煤的變形與位移

頂煤累計(jì)位移量往往反映頂煤的破碎程度和塊度。位移量大說(shuō)明頂煤破碎充分，破碎的塊度小，具有很好的流動(dòng)性，易于放出。反之，頂煤破碎不充分。圖9-4是典型的頂煤位移觀測(cè)曲線，其中橫坐標(biāo)0點(diǎn)為工作面煤壁位置，h為測(cè)點(diǎn)距煤層底板的距離。觀測(cè)的平均煤厚為9.1m，割煤高2.2m，煤層硬度系數(shù)f=0.3，屬于極軟煤層。（3）頂煤的變形與位移

觀測(cè)結(jié)果表明，在工作面前方15m處頂煤開始發(fā)生移動(dòng)，且隨著距工作面越近，累計(jì)位移量迅速增加，上位頂煤的累計(jì)位移量明顯大于下位頂煤。一般情況下可采用負(fù)指數(shù)函數(shù)擬合頂煤的累積位移量s與距工作面距離L的關(guān)系，即

S=ae-hL

式中a、h——為回歸系數(shù)。根據(jù)頂煤移動(dòng)觀測(cè)以及綜合數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，可以推測(cè)頂煤的位移場(chǎng)圖，見圖9-5。觀測(cè)結(jié)果表明，在工作面前方15m處頂煤開

通過(guò)比較不同厚度、不同硬度煤層的實(shí)測(cè)結(jié)果，可得到不同頂煤的移動(dòng)特征：

①煤體的硬度不同，頂煤開始移動(dòng)的位置不同。

②不同高度頂煤始動(dòng)點(diǎn)的位置不同，無(wú)論是軟煤、中硬煤或是硬煤，頂煤位置越高，其始動(dòng)點(diǎn)超前工作面距離越遠(yuǎn)，累計(jì)的位移量越大。

③在頂煤移動(dòng)初期，以水平移動(dòng)為主，隨著工作面推進(jìn)，垂直位移逐漸增大，在工作面支架上方垂直位移量超過(guò)水平位移量，具體位置根據(jù)煤層的硬度系數(shù)不同而變化，軟煤在煤壁前方附近，而硬煤在煤壁后方0.5～1m處。通過(guò)比較不同厚度、不同硬度煤層的實(shí)測(cè)結(jié)

9.1.2頂煤的破壞過(guò)程描述及分區(qū)軟煤的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不致密，且含有大量微裂隙；中硬煤的內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密，微裂隙較少，但裂隙的延展性較好。因此可認(rèn)為軟煤層的變形、破碎是由眾多微裂隙和不致密（強(qiáng)度低）的煤塊共同完成的，所以，軟煤層累計(jì)的位移量大，破碎的塊度小且均勻。對(duì)硬煤層而言，由于煤體致密，強(qiáng)度大，在采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)作用下，應(yīng)力水平難以達(dá)到破壞致密煤塊的程度，因此，硬煤的變形、移動(dòng)、破碎主要由煤體內(nèi)部的裂隙完成，致使破碎的硬煤塊體帶有明顯裂隙分割的跡象。9.1.2頂煤的破壞過(guò)程描述及分區(qū)

硬煤層頂煤破壞狀況開采中硬煤層是頂煤的破壞狀況如圖9-6所示。由圖可知，頂煤的裂隙始于煤壁前方支承壓力峰值區(qū)內(nèi)，在支承壓力作用下，頂煤發(fā)生剪切和拉伸破壞，出現(xiàn)裂隙或擴(kuò)展煤體內(nèi)的原有裂隙。隨著工作面推進(jìn)、頂板的回轉(zhuǎn)下沉，頂煤裂隙進(jìn)一步發(fā)展，這些被裂隙和層理等弱面切割成塊體的頂煤由于受到約束和積壓作用，整體處于塑性狀態(tài)，可視為“似連續(xù)體”。隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，當(dāng)頂煤進(jìn)入到支架上方后，將逐漸冒落，并堆積在支架掩護(hù)梁上形成散體。硬煤層頂煤破壞狀況

頂煤分區(qū)

為了對(duì)頂煤的破壞過(guò)程有一清晰認(rèn)識(shí)，可將頂煤自原始狀態(tài)至冒落這一連續(xù)漸進(jìn)過(guò)程進(jìn)行劃分，稱為頂煤分區(qū)，即根據(jù)頂煤裂隙發(fā)育和破壞程度，沿工作面推進(jìn)方向，一般可劃分為四個(gè)區(qū)，見圖9-7所示。頂煤分區(qū)①原始狀態(tài)區(qū)Ⅰ②壓縮變形區(qū)Ⅱ③拉剪破裂區(qū)Ⅲ

④

散體冒放區(qū)Ⅳ

①原始狀態(tài)區(qū)Ⅰ9.1.3影響頂煤冒放性的因素一是頂煤冒落的形態(tài)，二是放出特性，放出特性與頂煤冒落的塊度分布密度有關(guān)。影響頂煤冒放性的因素很多，如煤層自身強(qiáng)大、各種弱面（裂隙、層理等)的發(fā)育與分布情況、夾矸情況、開采深度、頂煤厚度、頂板巖型、工作面長(zhǎng)度、支架的架性與開采工藝等。

9.1.3影響頂煤冒放性的因素（1）煤體強(qiáng)度（2）煤體裂隙分布的影響（3）頂煤厚度（4）夾矸影響見圖9—10所示。（1）煤體強(qiáng)度（4）夾矸影響見圖9—10所示。9.1.4改善堅(jiān)硬頂煤冒放性的人工輔助措施

對(duì)于裂隙不發(fā)育的堅(jiān)硬厚煤層（f≥3.5），實(shí)施綜放開采時(shí)，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。9.1.4改善堅(jiān)硬頂煤冒放性的人工輔助措施

9.2放頂煤開采礦山壓力顯現(xiàn)的基本規(guī)律

9.2.1綜放采場(chǎng)支架與圍巖力學(xué)系統(tǒng)模型綜放開采與單一煤層開采在圍巖性質(zhì)方面的差異就是支架上方存在著一層破碎的、強(qiáng)度低的頂煤，該頂煤的存在，不僅增大了直接頂（包括頂煤）的厚度，而且改變了直接頂?shù)恼w力學(xué)特征。9.2放頂煤開采礦山壓力顯現(xiàn)的基本規(guī)律

老頂活動(dòng)對(duì)采場(chǎng)及支架的影響程度取決于直接頂和頂煤的性質(zhì)、頂煤破壞的發(fā)展程度以及支架的剛度。根據(jù)支架與圍巖體系各組分的力學(xué)性質(zhì)和作用影響程度，建立如圖9-12所示的綜放采場(chǎng)支架與圍巖力學(xué)系統(tǒng)模型。構(gòu)成綜放菜場(chǎng)支架—圍巖整體力學(xué)模型的基本單元與一般長(zhǎng)壁開采工作面是相同的，即①老頂。②直接頂。③支架。④底板。老頂活動(dòng)對(duì)采場(chǎng)及支架的影響程度取決于直

在綜放采場(chǎng)—圍巖整體力學(xué)模型分析中,老頂單元和直接頂單元是關(guān)鍵,老頂單元作為覆巖中的第一關(guān)鍵層,要形成穩(wěn)定的砌體梁結(jié)構(gòu),它的剛性轉(zhuǎn)動(dòng)量是有一定范圍的,作為直接頂,即稱為給定變形。

在綜放采場(chǎng)—圍巖整體力學(xué)模型分析中,老頂單元

(1)直接頂(包含頂煤)的整體力學(xué)特征綜放采場(chǎng)條件下,把頂煤和其上的直接頂巖層統(tǒng)一視為直接頂.在經(jīng)歷工作面前方超前支承壓力作用后,該直接頂一般進(jìn)入塑性狀態(tài),因此,處在采場(chǎng)支架上方的直接頂其力學(xué)狀態(tài)是處于α—ε全程曲線的峰后區(qū).另一方面作為傳力介質(zhì),傳遞老頂回轉(zhuǎn)變形產(chǎn)生的回轉(zhuǎn)變形壓力。

(2)綜放采場(chǎng)支架的工作狀態(tài)支架受力的大小及載荷分布取決于直接頂?shù)恼w力學(xué)特性以及與支架的相互作用.(1)直接頂(包含頂煤)的整體力學(xué)特征(2)

9.2.2工作面礦壓顯現(xiàn)的基本規(guī)律

放頂煤工作面也具有單一煤層采面的一般礦壓顯現(xiàn)規(guī)律,如初次來(lái)壓,周期來(lái)壓等.但由于一次采高增大,煤炭開采對(duì)直接頂巖層和老頂?shù)臄_動(dòng)范圍增大,加之直接頂力學(xué)特征的變化,勢(shì)必引起采面礦壓顯現(xiàn)的新特點(diǎn).9.2.2工作面礦壓顯現(xiàn)的基本規(guī)律

(1)支承壓力分布

我國(guó)關(guān)于綜放面的支承壓力分布規(guī)律進(jìn)行了許多觀測(cè)和研究.所得到的基本規(guī)律是與單一煤層開采相比,在頂板以及煤層條件力學(xué)性質(zhì)相同情況下,綜放開采的支承壓力分布范圍大,峰值點(diǎn)前移.支承壓力集中系數(shù)沒有顯著變化.(1)支承壓力分布.①煤層愈軟,支承壓力分布范圍愈大,峰值點(diǎn)距煤壁愈遠(yuǎn).

軟煤層,峰值點(diǎn)為15～25m,分布范圍40~50m；對(duì)于硬煤層，峰值點(diǎn)為5～8m，分布范圍20～30m。.①煤層愈軟,支承壓力分布范圍愈大,峰值點(diǎn)距煤壁愈遠(yuǎn).②煤層愈厚，支承壓力分布范圍愈大，峰值點(diǎn)距煤壁愈遠(yuǎn)。放頂煤工作面支承壓力峰值點(diǎn)前移的原因是由于頂煤強(qiáng)度較低引起的。②煤層愈厚，支承壓力分布范圍愈大，峰值點(diǎn)距煤壁愈遠(yuǎn)。放頂煤工③如果頂煤中存在一層較厚的強(qiáng)度較大夾矸層，夾矸層除了影響到頂煤冒放形態(tài)外，還會(huì)影響到支承壓力分布，使其顯現(xiàn)出較硬煤層的支承壓力分布特征。③如果頂煤中存在一層較厚的強(qiáng)度較大夾矸層，夾矸層除了影響到頂

由于頂煤強(qiáng)度較低，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(jìn)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(zhì)，當(dāng)載荷繼續(xù)增大，大于頂煤殘余強(qiáng)度時(shí)，頂煤不再具有抗載能力，致使頂板載荷向遠(yuǎn)處逐漸逐漸轉(zhuǎn)移，煤體內(nèi)形成塑性區(qū)的范圍大，載荷向前方轉(zhuǎn)移的距離較遠(yuǎn)。煤層強(qiáng)度越低，轉(zhuǎn)移的距離越大，所以支承壓力峰值處越遠(yuǎn)離工作面，見圖9-13。由于頂煤強(qiáng)度較低，因此在直接頂與老頂載荷作（2）實(shí)測(cè)資料表明，工作面支承載荷不大，說(shuō)明離工作面不遠(yuǎn)的高處就形成平衡結(jié)構(gòu)。支架受載并不因采高增大而增加，僅與煤的強(qiáng)度有關(guān)，煤的強(qiáng)度大，則頂煤的完整性愈好，支架載荷較大。放頂煤工作面仍有周期來(lái)壓現(xiàn)象，但不明顯，初次來(lái)壓強(qiáng)度也不大。這是由于破斷巖板離工作面較高的原因。（2）實(shí)測(cè)資料表明，工作面支承載荷不大，說(shuō)明離工作面不遠(yuǎn)的高

（3）放頂煤工作面的煤壁及端面頂板的維護(hù)顯得特別重要。因?yàn)轫敯迦菀灼屏?，尤其?dāng)煤壁片幫、煤頂節(jié)理和裂隙比較發(fā)育、遇有局部斷層、褶區(qū)結(jié)構(gòu)，老頂來(lái)壓時(shí)，加上放頂煤工作面推進(jìn)速度較慢，容易產(chǎn)生端部冒頂。因此，改善端部支架結(jié)構(gòu)，加大支架的實(shí)際端面初撐支護(hù)強(qiáng)度就十分重要。（3）放頂煤工作面的煤壁及端面頂板的維護(hù)顯得特別重要。因?yàn)?/p>

（4）放頂煤工作面，端頭壓力和工作面兩端平巷壓力并不大，雖然由于一次采高增加引起支承壓力增加，但由于一次采全厚，故回采巷道的礦壓顯現(xiàn)較分層多次開采緩和，在兗州、鄭州及石炭井等局的測(cè)定均是這樣。（4）放頂煤工作面，端頭壓力和工作面兩端平巷壓力并不大，雖

（5）支架前柱的工作阻力大于后柱阻力。放頂煤工作面綜放支架前柱的工作阻力普遍大于后柱，一般為10﹪～15﹪，最高可達(dá)37﹪。(6)下分層綜放時(shí)的礦壓顯現(xiàn)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(guò)大,不利于提高煤炭采出率等,采取了先用綜采方法預(yù)采頂分層,然后剩余的下部煤層采取綜放開采技術(shù).下分層綜放開采時(shí)的礦壓顯現(xiàn)仍然具有一般開采的礦壓規(guī)律,但礦山壓力顯現(xiàn)程度有所減弱.（5）支架前柱的工作阻力大于后柱阻力。放頂煤工作面綜放支架

9.2.3支架的合理工作阻力直接頂跨落高度與采高有關(guān).放頂煤支架因一次采高在6m以上,甚至更高,支架必須支撐住由此產(chǎn)生的靜壓和動(dòng)壓.支架工作阻力的增加,可有效地控制頂板.但如果阻力過(guò)大,往往阻力利用率不高還增加支架重量