淺埋煤層開采巖層控制教學(xué)

淺埋煤層開采巖層控制1淺部煤層長壁工作面上覆巖層活動特點(diǎn)1背景我國賦存有大量埋深在150m以內(nèi)的淺部煤田，如神府、東勝、靈武、黃陵等。最典型的是神府、東勝煤田。神府、東勝煤田探明儲量2236億t，占全國探明儲量的1/3，相當(dāng)于70個大同礦區(qū)、160個開灤礦區(qū)，是我國目前探明儲量最大的煤田，也是世界七大煤田之一。神東淺埋煤層的典型賦存特點(diǎn)是埋深淺、基巖頂板比較薄、表土覆蓋層比較厚。產(chǎn)實(shí)踐表明，煤層埋藏淺并不一定礦壓小，淺埋煤層長壁工作面普遍出現(xiàn)“臺階下沉”現(xiàn)象，支架壓毀，礦壓顯現(xiàn)劇烈（圖4-1）[1]，頂板控制具有特殊性。2意義掌握淺埋煤層工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律和上覆巖層的活動特點(diǎn)，是進(jìn)行淺埋煤層頂板控制的基礎(chǔ)。由于淺埋煤層工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律具有明顯的特點(diǎn)，從巖層控制的角度建立淺埋煤層的概念，對巖層控制具有重要意義。通常將具有淺埋深、基巖薄、上覆厚松散層賦存特征的煤層稱為淺埋煤層。1.1工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及上覆巖層活動特點(diǎn)本節(jié)采用具有代表性的工作面礦壓實(shí)測結(jié)果，說明淺埋煤層工作面礦壓顯現(xiàn)基本規(guī)律和上覆巖層活動的特點(diǎn)[2]。[例1]C202工作面地層條件大柳塔煤礦C202工作面開采2-2煤層，厚度3.8m，傾角約3°，埋藏深度平均65m。煤層頂板直接頂3m左右，粉砂巖、砂質(zhì)泥巖；老頂，厚度17.3m，巖性為砂巖和砂質(zhì)泥巖；開采區(qū)上方燒變巖厚度20m左右，其上為毛烏素沙漠風(fēng)積沙覆蓋層。生產(chǎn)技術(shù)條件工作面長度為102m，采高2.2m，爆破落煤，日進(jìn)1循環(huán)1.2m。采用HZWA摩擦支柱，HDJA-1200鉸接頂梁，見四回一，全部垮落法管理頂板。層序柱狀厚度（m）容重（MN/m3）巖層巖性125.00.0170沙土層風(fēng)化層風(fēng)積沙，礫石，風(fēng)化層27.40.01401-2煤層火燒區(qū)31.10.0240泥巖、炭質(zhì)泥巖、煤線414.80.0243老頂軟基巖14.9m較松散塊狀粉砂巖50.10.0140煤線64.20.0239老頂關(guān)鍵層12.9m中粒砂巖74.50.0243砂質(zhì)泥巖82.40.0239粉砂巖90.30.0245砂質(zhì)泥巖101.50.0239細(xì)砂巖114.40.0245直接頂砂質(zhì)泥巖、泥巖、煤線124.00.0130煤層2-2煤層131.80.0241底板砂質(zhì)泥巖圖9-1C202普采工作面煤系地層典型柱狀[例2]1203工作面大柳塔1203工作面開采1-2煤層，地質(zhì)構(gòu)造簡單，傾角3°，厚度6m，埋深50~65m；覆巖上部為15~30m風(fēng)積沙松散層，其下為約3m風(fēng)化基巖；頂板基巖厚度為15~40m；直接頂為泥巖互層。老頂主要為砂巖，巖層完整。工作面長度150m，采高4m，循環(huán)進(jìn)尺0.8m，日進(jìn)2.4m。采用YZ3500-23/45掩護(hù)式液壓支架，初撐力2700kN/架，工作阻力3500kN/架。來壓步距不大老頂初次來壓步距一般為20~30m，周期來壓步距一般為8~15m。C202工作面觀測了6次來壓（圖9-2），初次來壓步距24m，周期來壓步距8m。1203工作面實(shí)測初次來壓步距27m，周期來壓步距9.4~15.0m，平均12m。圖9-2C202工作面周期來壓顯現(xiàn)規(guī)律2.來壓強(qiáng)烈，動載明顯C202工作面來壓期間“三量”的增值倍數(shù)比較大，平均為2.6~3.8。1203工作面來壓動載明顯，工作面中部約91m范圍頂板沿煤壁切落，造成支架立柱油缸壓裂，大部分支架變形損壞（圖9-1）。3.來壓的主要特征是頂板沿煤壁產(chǎn)生切落并出現(xiàn)臺階下沉C202工作面來壓期間頂板臺階下沉量為350~600mm，最大范圍長達(dá)到70m。1203工作面來壓期間，工作面中部90m范圍出現(xiàn)頂板臺階下沉，達(dá)1000mm。以上礦壓顯現(xiàn)表明，淺埋煤層老頂巖塊難以形成穩(wěn)定的“砌體梁”結(jié)構(gòu)。4.工作面頂板破斷運(yùn)動直接波及地表實(shí)測1203工作面初次來壓期間，在地表的出現(xiàn)了高差約20cm的地塹，覆巖破斷貫通地表。工作面周期來壓時也發(fā)生了類似的破斷（圖9-3）。頂板關(guān)鍵層的破斷運(yùn)動，不僅影響著工作面的礦壓顯現(xiàn)，而且直接影響到地表的破壞，這是淺埋煤層工作面上覆巖層破壞運(yùn)動的主要特點(diǎn)。圖9-31203工作面第一個周期來壓地表下沉剖面5.工作面覆巖垮落基本上為冒落帶和裂隙帶“兩帶”根據(jù)地表巖移觀測，基巖頂板破斷失穩(wěn)表現(xiàn)出單組老頂關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)特征；工作面覆巖將不存在“三帶”，基本上為冒落帶和裂隙帶“兩帶”（圖9-4）。冒落帶冒落帶裂隙帶圖9-4工作面上覆巖層整體切落與臺階下沉1.2基巖厚度和推進(jìn)速度對工作面礦壓特征的影響[3][背景]以20604工作面為例：地質(zhì)條件：20604工作面正常推進(jìn)速度為22循環(huán)/d（17.6m/d），最快推進(jìn)速度34循環(huán)/d（29m/d），日產(chǎn)煤3.7萬t，創(chuàng)全國最高記錄。工作面埋深80~110m，煤層傾角0.5°~2.6°，開采2-2煤層，煤層厚度4.5m。煤層頂板基巖厚度較大，約42.6m。沙土層和沙礫層、亞粘土層平均厚度56m。地層特點(diǎn)：基巖厚度加大。生產(chǎn)條件：工作面煤壁長220m，采用美國久益公司生產(chǎn)的6LS-03型雙滾筒電牽引采煤機(jī)割煤，采高4.3m，循環(huán)進(jìn)尺0.8m。采用德國D.D.T公司生產(chǎn)的WS1.7型掩護(hù)式液壓支架支護(hù)頂板，支架初撐力4098kN/架，工作阻力6708kN/架。工作面共布置130臺支架，支架編號為自運(yùn)輸順槽至回風(fēng)順槽1~130號。生產(chǎn)特點(diǎn)：推進(jìn)速度加快。基巖厚度和推進(jìn)速度對工作面礦壓特征的影響：1.在基巖變厚，推進(jìn)速度加大的條件下，工作面來壓步距增大。初次來壓步距為54.2m，周期來壓步距平均14.6m。2．加快推進(jìn)速度時來壓減小。當(dāng)工作面推進(jìn)速度小于15循環(huán)/d時，初撐力為額定的84%；工作阻力為額定的81%。當(dāng)推進(jìn)速度快時，工作面壓力減緩，初撐力僅為58%；工作阻力為69%。3．頂板基巖厚度增大，周期來壓存在大小周期現(xiàn)象。工作面連續(xù)快速推進(jìn)時表現(xiàn)為大周期，頂板臺階下沉減緩。小周期步距12m，大周期步距20m。工作面大小周期來壓現(xiàn)象的根本原因是雙關(guān)鍵層的疊合運(yùn)動。機(jī)理分析：20604工作面頂板基巖比較厚，其主要承載頂板為28m厚的砂巖組老頂。老頂分為下16m和上12m的2組關(guān)鍵層。對于2組關(guān)鍵層頂板，工作面來壓主要取決于下位關(guān)鍵層。上位關(guān)鍵層的破斷一般滯后，主要以載荷形式對下位關(guān)鍵層起作用。雙關(guān)鍵層的疊合運(yùn)動，是構(gòu)成工作面大小周期來壓現(xiàn)象的根本原因。1.3淺埋煤層上覆巖層運(yùn)動特征及淺埋煤層定義1．淺埋煤層上覆巖層運(yùn)動的主要特征根據(jù)礦壓觀測結(jié)果（表9-1），淺埋煤層工作面上覆巖層運(yùn)動有如下主要特征：頂板基巖沿全厚切落，破斷直接波及地表。來壓期間有明顯的頂板臺階下沉和動載現(xiàn)象。工作面上覆巖層基本上為冒落帶和裂隙帶“兩帶”。典型的淺埋煤層頂板為單一關(guān)鍵層類型，老頂不易形成穩(wěn)定的砌體梁結(jié)構(gòu)。頂板基巖厚度大時，會出現(xiàn)兩個關(guān)鍵層，形成大小周期來壓現(xiàn)象。（6）基巖與載荷層厚度之比Jz（簡稱基載比），對來壓顯現(xiàn)有重要影響。當(dāng)Jz<0.8時工作面都出現(xiàn)了頂板沿煤壁臺階下沉，而當(dāng)Jz>0.8時一般不出現(xiàn)頂板臺階下沉。表1工作面地層組成與礦壓顯現(xiàn)一覽表工作面頂板組成（m）來壓步距（m）支架陰力（kN/架）臺階下沉（mm）基巖層載荷層Jz初次周期Dz初撐力工作阻力初次周期C20217.348.30.3624.07.563.230×6234.6×6458120318.032.00.5627.012.01.26201228001000架后120923.231.50.732012280010002060145.042.51.0635.411.11.1647285283很小很小2060442.661.40.6954.214.61.5836665063200100注：基載比Jz=基巖厚度/載荷層厚度；Dz為動載系數(shù)；1203工作面周期來壓Jz＝1～1.52．淺埋煤層的定義淺埋煤層類型：典型的淺埋煤層近淺埋煤層典型的淺埋煤層：對于基巖比較薄、松散載荷層厚度比較大的淺埋煤層，其頂板破斷運(yùn)動表現(xiàn)為整體切落和臺階下沉，稱為典型的淺埋煤層。即，埋藏淺、基載比小、老頂為單一關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)的煤層。近淺埋煤層：對于基巖厚度比較大、松散載荷層厚度比較小的淺埋煤層，其礦壓顯現(xiàn)規(guī)律介于普通工作面與淺埋煤層工作面之間，頂板一般呈現(xiàn)兩組關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)，存在輕微的臺階下沉現(xiàn)象，可稱為近淺埋煤層。淺埋煤層采場的主要礦壓特征：老頂破斷運(yùn)動直接波及地表，頂板不易形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，來壓明顯，支架處于給定失穩(wěn)載荷狀態(tài)。淺埋煤層的判定指標(biāo)：埋深不超過150m，基載比Jz小于1，頂板體現(xiàn)單一主關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)特征，來壓具有明顯動載現(xiàn)象。2淺埋煤層長壁開采頂板砌體梁結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性淺埋煤層頂板結(jié)構(gòu)形態(tài)：淺埋煤層長壁工作面在開采過程中，頂板關(guān)鍵層將產(chǎn)生周期性破斷，破斷后形成的巖塊也將相互鉸接形成砌體梁結(jié)構(gòu)。由于淺埋煤層頂板的特點(diǎn)，其頂板砌體梁結(jié)構(gòu)也將呈現(xiàn)新的形態(tài)。根據(jù)頂板巖塊的幾何特征和鉸接狀態(tài)，淺埋煤層頂板形成“短砌體梁”和“臺階巖梁”兩種結(jié)構(gòu)形態(tài)。2.1老頂?shù)摹岸唐鲶w梁”結(jié)構(gòu)分析1．老頂“短砌體梁”結(jié)構(gòu)模型根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測分析和模擬研究[5]，淺埋煤層工作面頂板關(guān)鍵層周期性破斷，形成的巖塊比較短，巖塊的塊度i（巖塊厚度與長度之比）接近于1，形成的鉸接巖梁可以形象地稱為“短砌體梁”結(jié)構(gòu)[6]。ⅠⅡ按照砌體梁結(jié)構(gòu)關(guān)鍵塊分析法[7]，建立“短砌體梁”結(jié)構(gòu)模型如圖4-5ⅠⅡ圖4-5“短砌體梁”結(jié)構(gòu)關(guān)鍵塊的受力P1、P2—塊體承受的載荷；R2—Ⅱ塊體的支承反力；θ1、θ2—Ⅰ、Ⅱ塊體的轉(zhuǎn)角；a—接觸面高度；QA，QB—A，B接觸鉸上的剪力；l1，l2—Ⅰ，Ⅱ巖塊長度結(jié)構(gòu)的幾個參數(shù)：圖4-5中很小，作用點(diǎn)的位置忽略了cos項(xiàng)。Ⅰ巖塊在采空區(qū)的下沉量與直接頂厚、采高m及巖石碎脹系數(shù)有如下關(guān)系：（4-1）根據(jù)巖塊回轉(zhuǎn)的幾何接觸關(guān)系，巖塊端角擠壓接觸面高度近似為：（4-2）鑒于巖塊間的是塑性鉸接關(guān)系，水平力T的作用點(diǎn)可取0.5a處。2．“短砌體梁”結(jié)構(gòu)關(guān)鍵塊的受力力系平衡由于老頂周期性破斷的受力條件基本一致，可以認(rèn)為l1=l2=l。在圖中取=0，并近似認(rèn)為=[8]可得：（4-3）同理對Ⅱ巖塊取=0、=0可得：（4-4）（4-5）確定兩個關(guān)鍵力由幾何關(guān)系，，。根據(jù)文獻(xiàn)[8]，，令老頂巖塊的塊度，由（4-3）、（4-4）、（4-5）式求出：（4-6）（4-7）初步的分析為老頂巖塊與前方巖層間的剪力，頂板穩(wěn)定性取決于與水平力T的大小。淺埋煤層工作面頂板周期破斷的塊度比較大，水平力T隨塊度i的增大而減小，隨回轉(zhuǎn)角的增大而減小。當(dāng)i=1.0～1.4時，剪力=（0.93~1），工作面上方巖塊的剪切力幾乎全部由煤壁之上的前支點(diǎn)承擔(dān)，這是“短砌體梁”結(jié)構(gòu)容易失穩(wěn)的根本原因。3．“短砌體梁”結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析周期來壓期間，頂板結(jié)構(gòu)失穩(wěn)一般有兩種形式——滑落失穩(wěn)(Sliding)和回轉(zhuǎn)變形失穩(wěn)(Rotation)。下面分析“短砌體梁”結(jié)構(gòu)關(guān)鍵塊的穩(wěn)定性，探討淺埋煤層工作面頂板臺階下沉的機(jī)理。（1）回轉(zhuǎn)失穩(wěn)分析頂板結(jié)構(gòu)不發(fā)生回轉(zhuǎn)變形失穩(wěn)的條件為：（4-8）式中，表示老頂巖塊端角擠壓強(qiáng)度；T/a表示接觸面上的平均擠壓應(yīng)力。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測定[9]η=0.4，令為載荷層作用于老頂巖塊的等效巖柱厚度，并將、及有關(guān)參數(shù)代入（10-8）式可得：（4-9）按照神府淺埋煤層厚梁特點(diǎn)，分別取塊度i=1.0、1.4，基巖強(qiáng)度取40Mpa（實(shí)線）、60Mpa（虛線），將與的關(guān)系繪入圖2中。由圖可知，只要載荷層厚度小于180m都不會出現(xiàn)回轉(zhuǎn)失穩(wěn)。顯然，老頂“短砌體梁”結(jié)構(gòu)難以發(fā)生回轉(zhuǎn)失穩(wěn)。i=1.0i=1.4i=1.0i=1.4圖4-7及與回轉(zhuǎn)失穩(wěn)的關(guān)系圖4-8滑落失穩(wěn)與及i的關(guān)系（2）滑落失穩(wěn)分析防止結(jié)構(gòu)在A點(diǎn)發(fā)生滑落失穩(wěn)，必須滿足條件：（4-10）式中，為巖塊間的摩擦系數(shù)，由實(shí)驗(yàn)確定為0.5。將(10-6)、(10-7)式代入(10-10)式可得：（4-11）將上式關(guān)系繪于圖4-8中，可見i值在0.9以上將出現(xiàn)滑落失穩(wěn)。淺埋煤層工作面周期來壓期間i一般在1.0以上，頂板易于出現(xiàn)滑落失穩(wěn)。2.2老頂“臺階巖梁”結(jié)構(gòu)分析1．老頂?shù)摹芭_階巖梁”結(jié)構(gòu)模型及其穩(wěn)定性分析根據(jù)淺埋煤層工作面現(xiàn)場實(shí)測和模擬實(shí)驗(yàn)，開采過程中頂板存在架后切落（滑落失穩(wěn)）現(xiàn)象。其原因是在切落前關(guān)鍵塊的前鉸點(diǎn)位于架后（圖4-9），老頂懸伸巖梁端角受水平力和向下的剪切力的復(fù)合作用，端角擠壓系數(shù)僅為0.13[9]。根據(jù)“S—R”穩(wěn)定條件，此時更容易出現(xiàn)滑落失穩(wěn)。老頂架后切落形成的結(jié)構(gòu)形態(tài)如圖4-10所示，可以形象地稱為“臺階巖梁”結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)中N巖塊完全落在垮落巖石上，M巖塊隨工作面推進(jìn)回轉(zhuǎn)受到N巖塊在B點(diǎn)的支撐。此時N巖塊基本上處于壓實(shí)狀態(tài)，可取=。N巖塊的下沉量為：其中，為直接頂厚度；m為采高；KP為巖石碎脹系數(shù)，可取1.3。取、，并代入可得：（4-12）圖4-9關(guān)鍵塊架后切落前的狀態(tài)圖4-10老頂“臺階巖梁”結(jié)構(gòu)模型P1、P2—塊體承受的載荷；R2—N塊體的支承反力；θ1—M塊體的轉(zhuǎn)角；a—接觸面高度；QA，QB—A，B接觸鉸上的剪力；l—巖塊長度從圖10-10可知，M巖塊達(dá)到最大回轉(zhuǎn)角時（4-13）則有：（4-14）分別取為8°（實(shí)線）和12°（虛線），繪出水平力與塊度及回轉(zhuǎn)角的關(guān)系如圖4-11所示。水平力隨回轉(zhuǎn)角的增大而減小，隨塊度i的增大明顯下降，隨最大回轉(zhuǎn)角的增大而增大。將（4-12）、（4-14）式及=0.5代入（10-10）式，可得“臺階巖梁”結(jié)構(gòu)不發(fā)生滑落失穩(wěn)條件為：（4-15）按照淺埋煤層工作面一般條件，取=8°～12°，如圖10-12所示，只有在塊度小于0.9時才不出現(xiàn)滑落失穩(wěn)。淺埋煤層老頂周期破斷塊度i一般在1.0以上，所以“臺階巖梁”也容易出現(xiàn)滑落失穩(wěn)。圖4-11水平推力T與及i的關(guān)系圖4-12滑落失穩(wěn)與及i的關(guān)系2.3控制老頂結(jié)構(gòu)滑落失穩(wěn)的支護(hù)力確定根據(jù)淺埋煤層“短砌體梁”和“臺階巖梁”結(jié)構(gòu)分析，兩種結(jié)構(gòu)形態(tài)都難以保持自身穩(wěn)定而出現(xiàn)滑落失穩(wěn)，這是淺埋煤層工作面頂板來壓強(qiáng)烈和存在頂板臺階下沉現(xiàn)象的根本原因。淺埋煤層老頂周期來壓控制的基本任務(wù)是控制頂板滑落失穩(wěn)，必須對頂板結(jié)構(gòu)提供一定的支護(hù)力R才能控制滑落失穩(wěn)。確定維持頂板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的合理支護(hù)力條件為：（4-16）1.控制“短砌體梁”結(jié)構(gòu)滑落失穩(wěn)的支護(hù)力將（10-6）、（10-7）式代入（10-16）式，取=0.5可得：（4-17）由圖10-6可知，回轉(zhuǎn)角由下式確定：支護(hù)力與塊度和回轉(zhuǎn)角的關(guān)系如圖4-13所示，可見控制“短砌體梁”結(jié)構(gòu)滑落失穩(wěn)的支護(hù)力隨老頂塊度i的增大而增大，隨回轉(zhuǎn)角的增大而減小。圖4-13控制“短砌體梁”結(jié)構(gòu)的支護(hù)力R與i和的關(guān)系2.控制“臺階巖梁”結(jié)構(gòu)滑落失穩(wěn)的支護(hù)力確定將（4-12）、（4-14）式代入（4-16）式，取=0.5可得：（4-18）支護(hù)力與i、和（8°為實(shí)線，12°為虛線）的關(guān)系如圖4-14所示，支護(hù)力隨老頂塊度i的增大而增大，隨回轉(zhuǎn)角的增大而減小。圖4-14控制“臺階巖梁”結(jié)構(gòu)的支護(hù)力與i和的關(guān)系一般條件下，淺埋煤層頂板結(jié)構(gòu)i=1.0~1.4，=8~12°，一般為4~6°，控制“臺階巖梁”滑落失穩(wěn)的支護(hù)力=(0.23～0.59)，控制“短砌體梁”結(jié)構(gòu)滑落失穩(wěn)的支護(hù)力一般為R=(0.2～0.5)。這兩類結(jié)構(gòu)所需的支護(hù)力都隨老頂塊度的增大而增大，“短砌體梁”結(jié)構(gòu)所需的支護(hù)力隨回轉(zhuǎn)角的增大而減小，而“臺階巖梁”結(jié)構(gòu)則相反。總體上，“臺階巖梁”的頂板壓力比較大。鑒于“臺階巖梁”結(jié)構(gòu)和“短砌體梁”結(jié)構(gòu)都有可能存在，為了確保工作面安全，確定頂板支護(hù)力時應(yīng)當(dāng)分別按兩種結(jié)構(gòu)情況考慮，取其最大值作為控制滑落失穩(wěn)的支護(hù)力。對于典型的淺埋煤層工作面，一般可以按照“臺階巖梁”結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。2.4淺埋煤層頂板結(jié)構(gòu)理論小節(jié)（1）淺埋煤層老頂周期來壓期間可能存在兩種結(jié)構(gòu)形態(tài)，即老頂“短砌體梁”結(jié)構(gòu)和“臺階巖梁”結(jié)構(gòu)。（2）淺埋煤層老頂“短砌體梁”結(jié)構(gòu)的水平力隨塊度的增加而減小，隨回轉(zhuǎn)角的增大而增大。工作面上方老頂巖塊的載荷基本上全由前支點(diǎn)承擔(dān)。（3）淺埋煤層“短砌體梁”結(jié)構(gòu)參數(shù)決定了該結(jié)構(gòu)不易出現(xiàn)回轉(zhuǎn)變形失穩(wěn)，而具有強(qiáng)滑落失穩(wěn)特性。（3）根據(jù)實(shí)驗(yàn)和實(shí)測發(fā)現(xiàn)的頂板架后切落現(xiàn)象不是偶然的，當(dāng)老頂巖塊塊度比較大或回轉(zhuǎn)角比較大時都比較容易出現(xiàn)架后切落，形成“臺階巖梁”結(jié)構(gòu)。“臺階巖梁”結(jié)構(gòu)的水平力隨回轉(zhuǎn)角的增大而減小，隨塊度的增大明顯下降，隨最大回轉(zhuǎn)角（落差）的增大而增大。工作面上方老頂巖塊的載荷基本上全由前支點(diǎn)承擔(dān)?！芭_階巖梁”結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)形式為滑落失穩(wěn)。（4）根據(jù)淺埋煤層的一般條件，“短砌體梁”結(jié)構(gòu)和“臺階巖梁”結(jié)構(gòu)都將出現(xiàn)滑落失穩(wěn)，這就是工作面周期來壓強(qiáng)烈和出現(xiàn)臺階下沉的根本原因。（5）通過頂板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析，必須對頂板施加一定的支護(hù)力才能維持頂板結(jié)構(gòu)的平衡?？刂祈敯濉芭_階巖梁”結(jié)構(gòu)的支護(hù)力比“短砌體梁”略大，但是兩者隨回轉(zhuǎn)角的變化有區(qū)別。鑒于“臺階巖梁”和“短砌體梁”結(jié)構(gòu)都有可能存在，確定支護(hù)力時應(yīng)當(dāng)分別按兩種結(jié)構(gòu)計算，取其最大值?？刂啤岸唐鲶w梁”結(jié)構(gòu)滑落失穩(wěn)的支護(hù)力為：控制“臺階巖梁”結(jié)構(gòu)滑落失穩(wěn)的支護(hù)力為：3淺埋煤層采場支護(hù)3.1淺埋煤層采場的支架圍巖動態(tài)作用關(guān)系采場支護(hù)是頂板控制基本手段，確定合理支護(hù)阻力是頂板支護(hù)的關(guān)鍵參數(shù)。確定合理的支護(hù)阻力，首先必須根據(jù)頂板結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性研究支架與圍巖的相互作用關(guān)系，以便確定最危險狀態(tài)下的頂板壓力。根據(jù)淺埋煤層采場周期來壓的結(jié)構(gòu)分析，頂板主要有“短砌體梁”和“臺階巖梁”兩種結(jié)構(gòu)形狀。兩種結(jié)構(gòu)都屬于滑落失穩(wěn)類型，支架主要承受結(jié)構(gòu)失穩(wěn)形成的壓力，最危險狀態(tài)的載荷可以說是“給定”的，支架工作處于“給定失穩(wěn)載荷”狀態(tài)。必須提供必要的支護(hù)力才能維持頂板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，即由支架和頂板結(jié)構(gòu)共同作用來平衡頂板的滑落失穩(wěn)力、維持頂板結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。由上一節(jié)關(guān)于合理的頂板結(jié)構(gòu)支護(hù)力的分析可知（圖4-13、圖4-14），雖然淺埋煤層工作面支架處于“給定失穩(wěn)載荷”狀態(tài)，但控制頂板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定所需的支護(hù)阻力不是恒定值，而是隨巖塊的回轉(zhuǎn)運(yùn)動而變化的。此外，在頂板切落運(yùn)動過程中，關(guān)鍵塊上的載荷層作用于關(guān)鍵塊上的載荷不是上方巖柱的靜態(tài)重量，存在載荷傳遞效應(yīng)。必須提供足夠的支護(hù)阻力控制頂板的初始切落運(yùn)動，才能防止頂板結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步惡化所引起的失穩(wěn)載荷增大，達(dá)到以最小的支護(hù)阻力控制頂板的目的，這就是淺埋煤層周期來壓期間的“支架—圍巖”動態(tài)作用關(guān)系。3.2合理支護(hù)阻力的確定下面首先以“短砌體梁”結(jié)構(gòu)為例，說明支護(hù)阻力的確定方法。淺埋煤層工作面周期來壓時頂板最危險的狀態(tài)如圖4-15所示，工作面支架的支護(hù)阻力Pm由直接頂巖柱重量W和老頂滑落失穩(wěn)所傳遞的壓力RD組成：（4-19）圖4-15“短砌體梁”結(jié)構(gòu)的“支架—圍巖”關(guān)系老頂結(jié)構(gòu)滑落失穩(wěn)作用于支架的壓力為：代入（10-17）可得：（4-20）周期來壓期間老頂關(guān)鍵塊上載荷層的計算仍然借鑒太沙基巖土壓力計算原理，頂板載荷P1的構(gòu)成如圖4-16所示。圖4-16周期來壓頂板載荷根據(jù)文獻(xiàn)[10]中圖3-25，老頂關(guān)鍵塊上的載荷層處于采場上覆巖層的離層區(qū)，該區(qū)的載荷層處于非壓實(shí)狀態(tài)。實(shí)測神府1203工作面地表最大下沉速度點(diǎn)滯后采場約30m，表明淺埋煤層工作面關(guān)鍵塊上的載荷也不是載荷層的全部重量，存在載荷傳遞效應(yīng)。載荷傳遞系數(shù)KG（0）可以表示為：式中，Kr為載荷傳遞巖性因子；Kt為載荷傳遞的時間因子。由圖10-15可知，老頂關(guān)鍵塊的載荷P1由老頂關(guān)鍵層重量PG和載荷層傳遞的重量PZ組成：P1=PG+PZ（4-21）（4-22）（4-23）式中，h為老頂關(guān)鍵層厚度；l為關(guān)鍵塊長度（周期來壓步距）；為基巖容重；h1為載荷層厚度；為載荷平均容重；KG（0）為載荷傳遞系數(shù)。由于載荷層厚度大，仍然按太沙基土壓力計算原理近似估算載傳遞系數(shù)。參照文獻(xiàn)[11]（3-128）式可得作用于老頂巖塊的載荷為：，（4-24）在長時間狀態(tài)下取Kt=1，聯(lián)立（10-23）和（10-24）可得周期來壓時載荷傳遞巖性因子：（4-25）由此可得周期來壓時的載荷傳遞系數(shù)為：（4-26）式中，ψ為載荷層的內(nèi)摩擦角；λ為載荷層側(cè)應(yīng)力系數(shù)。由（10-21）、（10-22）、（10-23）可得作用于關(guān)鍵塊的載荷為：=+，（4-27）由（10-18）、（10-19）可得，控制頂板所需的支護(hù)阻力為：（4-28）按與“短砌體梁”結(jié)構(gòu)支護(hù)阻力計算相同的方法，可以求得“臺階巖梁”結(jié)構(gòu)條件下的控制頂板所需的支護(hù)阻力為：（4-29）考慮支架的支護(hù)效率，工作面支架的工作阻力為：（4-30）其中，μ為支架的支護(hù)效率。3.3淺埋煤層工作面支護(hù)設(shè)計基本方法為了說明支護(hù)阻力確定的方法，針對幾個工作面實(shí)際參數(shù)給出實(shí)例進(jìn)行說明，在此基礎(chǔ)上總結(jié)出了淺埋煤層的支護(hù)設(shè)計基本方法。1.支護(hù)阻力確定的實(shí)例分析[實(shí)例4-1]：以大柳塔煤礦1203工作面為例，已知老頂關(guān)鍵層的厚度h=13.4m，基巖容重=0.024MN/m3，載荷層厚度h1=32m，載荷層容重=0.018MN/m3，周期來壓步距為l=10.4~15m，平均12m，采高m=4m，支架寬度為b=1.5m，兩柱掩護(hù)式支架支護(hù)效率μ=0.9，控頂距l(xiāng)k=2.2m，直接頂厚度=6m（有2m頂煤未采），確定控制頂板所需的支架工作阻力。（1）按“短砌體梁”結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算巖塊回轉(zhuǎn)角：=10°巖塊塊度為：=1.1根據(jù)神府大柳塔1203工作面或載荷層條件，取沙土層平均參數(shù)=27°，λ=1-=0.65，采用（4-26）式得：周期來壓期間，仍取，求得：將相關(guān)參數(shù)代入（4-28）式可得周期來壓時的合理支護(hù)阻力為：kN/架由（4-30）求得合理支架工作阻力為：kN/架（2）按“臺階巖梁”進(jìn)行計算由（4-13）式，最大回轉(zhuǎn)角：10°按最大回轉(zhuǎn)角的一半取巖塊回轉(zhuǎn)角，5°。代入（4-29）式可得控制頂板所需的支護(hù)阻力為：4614kN/架由（4-30）求得支架工作阻力為：5127kN/架按“短砌體梁”和“臺隊(duì)巖梁”結(jié)構(gòu)求得1203工作面周期來壓的控制頂板的工作阻力分別大于2793kN/架和5127kN/架。實(shí)測周期來壓間支架平均最大工作阻力達(dá)3850kN/架，大大超過了支架額定工作阻力（3500kN/架），工作面支架曾出現(xiàn)支柱油缸受壓膨脹現(xiàn)象?？梢姡础芭_階巖梁”計算比較安全，計算結(jié)果與實(shí)際情況基本吻合。[實(shí)例4-2]：再次以神府煤田東勝補(bǔ)連塔礦2211工作面（1997年12月完成觀測）為例，驗(yàn)證周期來壓工作阻力計算公式的可靠性和準(zhǔn)確性[12]。該工作面老頂關(guān)鍵層厚度h=14m，基巖巖重=0.024MN/m3，工作面中測區(qū)周期來壓步距平均為l=9.2m。載荷層厚度h1=40m,荷載層平均容重=0.018MN/m3，直接頂厚度=5.8m，采高m=4.5m。采用國產(chǎn)ZY600025/50型液壓支架支護(hù)，支架寬度為b=1.5m，兩柱掩護(hù)式支架支護(hù)效率μ＝0.9，控頂距l(xiāng)k=2.2m，確定控制頂板所需的支架工作阻力。（1）按“短砌體梁”結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算巖塊回轉(zhuǎn)角：=17.5°巖塊塊度為：=1.52根據(jù)東勝補(bǔ)連塔礦2211工作面載荷層條件，取沙土層平均參數(shù)=27°，λ=1-=0.65，采用（4-26）式得：取0.85，求得：0.3將相關(guān)參數(shù)代入（4-28）式可得周期來壓期間的支護(hù)阻力為：2488kN/架由（4-30）求得控制頂板所需的支架工作阻力為：2764kN/架（2）按“臺階巖梁”進(jìn)行計算由（4-13）式可得：θmax=17.5°取回轉(zhuǎn)角θ1=6°,將θmax=17.5°及相關(guān)參數(shù)代入（10-29）式可得周期來壓期間的合理支護(hù)阻力為：5145kN/架由（4-30）求得控制頂板所需的支架工作阻力為：5717kN/架根據(jù)“短砌體梁”和“臺階巖梁”兩種結(jié)構(gòu)的計算結(jié)果分別為2764kN/架和5717kN/架，差別比較大。2211工作面采用的支架額定工作阻力為6000kN/架，頂板沒有出現(xiàn)臺階下沉與現(xiàn)象。實(shí)測4次周期來壓時中測站支架最大工作阻力為5581-5941（kN/架），平均5798kN/架，來壓期間各測站總平均5330kN架，可見，“臺階巖梁”計算結(jié)果與實(shí)測情況比較吻合。2.工作面頂板控制的基本方法通過工作面的實(shí)例分析，說明周期來壓一般以“臺階巖梁”結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算比較安全。實(shí)例分析又從另一個側(cè)面說明，頂板結(jié)構(gòu)模型基本上能夠地反映支架與圍巖的關(guān)系，應(yīng)用頂板結(jié)構(gòu)理論可以實(shí)現(xiàn)頂板控制的定量化分析。實(shí)踐證明，淺埋煤層工作面頂板的臺階下沉是可以控制的。在神府淺埋煤層條件下，頂板臺階下沉可在7000kN/架（支架寬度按1.5m計）左右得到控制。合理工作阻力確定的基本方法如下：（1）判斷關(guān)鍵層。根據(jù)頂板賦存情況和力學(xué)性質(zhì)判斷關(guān)鍵層的位置和厚度；（2）確定來壓步距。未采工作面可按照初次來壓和周期來壓步距的計算公式（必要時配合模擬研究）確定來壓步距，已采工作面可實(shí)測確定；（3）確定合理的工作阻力。分別計算初次來壓和周期來壓的工作阻力，取其最大者作為工作面支護(hù)設(shè)計的依據(jù)。4留煤柱支撐控制技術(shù)淺埋煤層采場除了采用機(jī)械化長壁工作面開采方法外，部分地方煤礦由于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面的問題，而采用簡易的頂板控制方法——留煤柱支撐控制方法。由于淺埋煤層頂板覆蓋層薄，平均地應(yīng)力小，采用留煤柱支撐方法存在支護(hù)設(shè)備投資少等優(yōu)點(diǎn)，留煤柱支撐控制頂板的采煤方法得到了一定的應(yīng)用。此類方法比較典型的有長壁刀柱式采煤方法和現(xiàn)代房柱式采煤方法。4.1柱式體系采煤方法的特點(diǎn)在分析房柱式采煤方法的礦壓方法之前，先回顧一下柱式體系采煤方法及其特點(diǎn)。1．柱式體系采煤方法的分類柱式體系采煤方法根據(jù)煤柱的留設(shè)、回采特點(diǎn)可分為多種類型。按照留設(shè)煤柱所起的作用可以分為[15]：1）部分回采方式——煤柱起永久支承作用，用以支撐上覆巖層，煤柱的尺寸根據(jù)具體情況確定。2）全部回采方式——回收大煤柱時，局部留小煤柱，小煤柱起臨時支撐作用，以利安全采煤。回采后，小煤柱隨即壓垮，頂板及上覆巖層相繼垮落。按照是否回收房間煤柱，可分為：房式——不回收房間煤柱；房柱式——回收房間煤柱。按照煤柱形狀，可分為：切塊式——方形或矩形煤柱；肋條式——肋條形煤柱；條帶式——長條形煤柱。按照工作面布置及頂板管理，可分為：房柱式——房式，房柱式采煤方法；短壁式——介于柱式、壁式體系之間的采煤方法。采煤方法分類：房柱式開采方法，在美國、澳大利亞、加拿大、印度、南非等國家已獲得廣泛應(yīng)用。美國的井工開采，84%的煤是由這種采煤方法采出的。澳大利亞、印度等也均以柱式開采為主，長壁開采僅占10%左右。2．柱式體系采煤方法的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)與長壁式開采，柱式體系采煤方法有如下主要優(yōu)點(diǎn)：1）設(shè)備投資少。一般一套房柱式采煤設(shè)備的價格為長壁綜采的1/5~1/6，而其單產(chǎn)一般為長壁工作面的1/2~1/3。因此，房柱式采煤方法的設(shè)備投資較低。2）采掘合一，建設(shè)期短，出煤快。3）設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)靈活，搬遷快。4）巷道壓力小，便于維護(hù)，出矸量少。5）留煤柱控制頂板，有利于保護(hù)地表，減少地表治理費(fèi)用。6）全員效率高。但是，房柱式開采也存在以下缺點(diǎn)：1）資源回收率比較低。在美國，采用傳統(tǒng)的房柱式開采一般回收率為50~60%左右。在某些條件下，采用全部回收方式（現(xiàn)代房柱式）開采，回收率可達(dá)70%以上。目前，回采率低的缺點(diǎn)正在被克服。澳大利亞采用汪格維里采煤方法，在采深300~500m條件下，回采率達(dá)到80%以上。我國神府東勝礦區(qū)采用汪格維里采煤方法取得了較高的回采率，一般可達(dá)75~85%。2）通風(fēng)條件差。由于進(jìn)回風(fēng)巷道并列，通風(fēng)構(gòu)筑物多，漏風(fēng)大。3．適用條件1）開采深度較淺，一般不宜超過300~500m；2）近水平薄及中厚煤層；頂板中等穩(wěn)定以上；底板平整，不太軟，且保持無積水。煤質(zhì)較硬；瓦斯含量??；煤層不宜自燃；非近距離煤層組開采。4.2刀柱式長壁采煤方法的頂板控制長壁留煤柱支撐采礦方法，又稱為刀柱式長壁采煤方法。這種方法在山西雀兒山煤礦和陜西神木縣大砭窯煤礦采用[13]。目前，在我國陜北的神府和榆林地區(qū)采用還比較廣泛。刀柱式長壁采煤方法，其工作面一般采用長壁式布置，工作面長度一般150m左右。當(dāng)工作面推進(jìn)到直接頂?shù)臉O限垮落步距時停采，留煤柱控制頂板，所留煤柱稱為控頂煤柱。根據(jù)頂板條件，開采條帶推進(jìn)距離一般8~14m，煤柱尺寸小于一次連續(xù)推進(jìn)距離，一般在6~8m。依次類推，當(dāng)工作面推進(jìn)到煤柱支撐頂板的采區(qū)極限范圍后，留20m左右的隔離煤柱，分割頂板垮落區(qū)，防止大面積垮落（圖4-15）。隔離煤柱隔離煤柱控頂煤柱隔離煤柱控頂煤柱頂板塌陷區(qū)圖隔離煤柱控頂煤柱頂板塌陷區(qū)刀柱式長壁工作面采煤方法的巖層控制，主要是確定安全開采跨度、控頂煤柱寬度，采留比和隔離煤柱寬度。1.安全開采跨度的確定刀柱式工作面開采條帶的一次推進(jìn)距離，即安全開采跨度，根據(jù)直接頂和老頂?shù)姆€(wěn)定性確定，以在無支護(hù)狀態(tài)下頂板不垮落為條件。h2h1h2h1xL圖4-16頂板巖層固支梁力學(xué)模型（1）確定作用于頂板巖層的載荷一般煤層頂板是由幾層巖層組成，首先必須確定第一層巖層所受的載荷的大小。按照平面應(yīng)變模型，取梁寬度b=1。當(dāng)只考慮一層作用，等于單位長度自重，即： ——第一層巖層容重； ——第一層巖層厚度。當(dāng)考慮兩層同時作用時，兩層頂板同時彎曲下沉，兩層巖層的最大撓度相等。由材料力學(xué)可知，雙固支點(diǎn)梁在均布載荷下，其某一點(diǎn)撓度為：梁的最大撓度發(fā)生于處，代入上式可得：當(dāng)考慮兩層共同作用時，看作一個梁時，其最大撓度為：若將第二層的作用考慮到第一層上時，第一層的最大撓度為：顯然，這兩種撓度是相等的，即。因此，有：可以求出：同理，按照層作用時，第一層巖梁上的載荷為：（4-31）根據(jù)頂板復(fù)合巖層的層數(shù)，按照（10-31）式分別計算考慮第n層作用時的載荷。當(dāng)計算到時，則作用于第一巖層的載荷：（4-32）（2）安全開采跨度的確定根據(jù)固支梁力學(xué)模型，巖梁按照拉破壞準(zhǔn)則進(jìn)行計算，巖梁的極限跨距為：——巖層的抗拉強(qiáng)度。當(dāng)采用刀柱式開采時，由于煤柱比較小，巖梁并不完全處于固支梁狀態(tài)，按照固支梁計算的結(jié)果偏于危險。因此，為了保證工作空間頂板的完整性，刀柱式長壁工作面應(yīng)當(dāng)采用巖梁的安全跨距?？梢钥紤]一個安全系數(shù)n，鑒于巖層大多屬于脆性破壞，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)一般取。則，刀柱式長壁工作面安全開采跨度為：（4-33）2.控頂煤柱寬度的確定控頂煤柱的作用主要是作為臨時支撐頂板和保持頂板合理的跨度。即以安全開采跨度為間隔距離合理地留設(shè)控頂煤柱（又稱支撐煤柱），非永久性支護(hù)頂板。煤柱維護(hù)頂板的時間，一般為兩個隔離煤柱之間的本采礦區(qū)采完為止。煤柱的寬度為在該采礦區(qū)服務(wù)期間的最小寬度，這樣可以保障最佳的采留比?？仨斆褐姆€(wěn)定性和尺寸計算是一個復(fù)雜的問題，可以通過理論進(jìn)行計算，同時需要鑒戒工程經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行確定。煤柱寬度的確定與煤層厚度、煤層強(qiáng)度、頂板巖層壓力有關(guān)。確定控頂煤柱寬度的步驟如下[14]：第一步，選擇煤柱強(qiáng)度公式，計算煤柱強(qiáng)度；第二步，計算煤柱平均應(yīng)力P；第三步，選擇安全系數(shù)n，一般為1.2~1.5；第四步，按照確定煤柱寬度；第五步，驗(yàn)證回采率，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)調(diào)整。（1）計算煤柱強(qiáng)度大量的研究表明，煤柱的強(qiáng)度小于煤塊強(qiáng)度。主要原因是，（1）煤塊小試樣內(nèi)含缺陷少，不能代表大煤柱中宏觀發(fā)育的大量節(jié)理、裂隙；（2）加工試樣難以煤柱原有濕度。由于煤柱強(qiáng)度的尺寸形態(tài)效應(yīng)，如何將實(shí)驗(yàn)室小試件強(qiáng)度換算成現(xiàn)場大試件的強(qiáng)度，便成為人們研究和關(guān)注的熱點(diǎn)。這方面比較成熟的有赫斯特里（Hustrulid）的研究，指出現(xiàn)場立方體試件強(qiáng)度可以按照以下公式與實(shí)驗(yàn)室單向抗壓強(qiáng)度進(jìn)行換算：式中：——實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)試件單向抗壓強(qiáng)度，MPa;——現(xiàn)場臨界立方體試件強(qiáng)度，MPa;D——試件直徑或立方體邊長?，F(xiàn)場的大試件強(qiáng)度仍然不能代表煤柱的強(qiáng)度，為此人們又提出了大量的煤柱計算公式，最常用的有以下幾種：1）歐伯特—德沃/王（Obert—Dwvall/Wang）公式式中：——煤柱強(qiáng)度，MPa;——現(xiàn)場臨界立方體試件強(qiáng)度，MPa;W，h——分別為煤柱的寬和高，m。該公式是基于硬巖提出的，適用于寬高比為1~8的煤柱。2）浩蘭德（Holland）公式（4-34）式中參數(shù)意義同上。該公式適用于寬高比為2~8的煤柱。以上兩種計算公式，第一種偏于安全。對于刀柱式工作面，建議采用浩蘭德公式。（2）確定煤柱載荷煤柱應(yīng)力分布變化的一般規(guī)律如圖10-17所示，大體可以分為7個階段：核區(qū)塑性區(qū)q核區(qū)塑性區(qū)q（a）采前均布載荷（b）采一側(cè)支承壓力分布（c）兩側(cè)采空“馬鞍形”分布（d）“極限馬鞍形”分布（e）“平臺型形”應(yīng)力分布（f）“拱形”應(yīng)力分布圖4-17煤柱應(yīng)力分布動態(tài)演變過程（a）回采之前，煤層受上覆巖層均布載荷;（b）煤柱一側(cè)采空，煤柱邊緣出現(xiàn)小的塑性區(qū)，形成支承壓力，支承壓力峰值不大于煤柱的極限強(qiáng)度。（c）煤柱兩側(cè)采空，若煤柱具有足夠的寬度和強(qiáng)度，保持穩(wěn)定支撐狀態(tài)，煤柱上的應(yīng)力分布為“馬鞍形”。煤柱兩側(cè)均有一定寬度的的塑性區(qū)，煤柱邊界支撐能力為零，峰值應(yīng)力不大于煤柱極限強(qiáng)度。（d）受周圍其它條帶采動影響，煤柱兩側(cè)塑性區(qū)擴(kuò)展，煤柱核區(qū)應(yīng)力上升但小于峰值應(yīng)力，峰值應(yīng)力達(dá)到煤柱極限強(qiáng)度，應(yīng)力分布仍然為“馬鞍形”，此時稱為“極限馬鞍形”分布。（e）隨著充分采動程度的增加，煤柱兩側(cè)塑性區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大，核區(qū)中心應(yīng)力達(dá)到煤柱極限強(qiáng)度，核區(qū)應(yīng)力形成平臺形分布。此時，如果核區(qū)中心應(yīng)力稍有上升，煤柱將迅速失穩(wěn)，故“平臺形”應(yīng)力分布是煤柱由穩(wěn)定向失穩(wěn)轉(zhuǎn)過渡的標(biāo)志。（f）煤柱開始屈服，兩側(cè)塑性區(qū)連通，煤柱失去核區(qū)，支撐能力迅速下降。煤柱核區(qū)中心應(yīng)力小于原始煤柱極限強(qiáng)度，應(yīng)力分布形態(tài)呈現(xiàn)“拱形”。（g）煤柱以蠕變狀態(tài)繼續(xù)破壞，支撐能力繼續(xù)下降，核區(qū)應(yīng)力小于原巖應(yīng)力，拱形應(yīng)力呈癱軟式下降（圖4-17f），直至煤柱被壓潰。對于控頂煤柱，由于煤柱寬度小，煤柱的應(yīng)力分布應(yīng)當(dāng)為平臺型比較合理。從控頂煤柱優(yōu)化設(shè)計角度，可以采用煤柱“平臺形”應(yīng)力分布為臨界條件，確定煤柱的載荷，本方法稱為“平臺載荷法”。假設(shè)煤柱四周的塑性區(qū)寬度相同，采區(qū)上覆巖層自重由采區(qū)煤柱承擔(dān)，煤柱附加垂直應(yīng)力分布符合體積載荷平衡原理。根據(jù)圖10-18，有如下體積載荷平衡關(guān)系；式中：——煤柱塑性區(qū)的體積載荷，kg;——煤柱核區(qū)的體積載荷，kg;——由煤柱支撐的覆巖載荷，kg;為方便計算，令屈服區(qū)應(yīng)力分布由邊界零值向界面直線增長，則LWprprLWprprp覆巖重量綜合考慮非充分采動條件下的覆巖自重通過頂板堅硬巖層的轉(zhuǎn)移，可以考慮一個覆巖自重轉(zhuǎn)移系數(shù)k（一般小于0.3），則有：（3）確定合理的煤柱寬度為了工程安全，可以令。聯(lián)立上述三式，則控頂煤柱寬度的計算公式為：（4-35）式中：——覆巖平均容重，kg/m3;——平均采深，m;——條帶開采寬度，m;——煤柱長度，m;——煤柱塑性區(qū)半徑，m;——煤柱極限強(qiáng)度，MPa;——安全系數(shù)，可取1.2~1.5。對于刀柱式長壁工作面，由于>>，所以上式可以簡化為：（4-36）煤柱塑性區(qū)半徑可以按照以下公式計算：（4-37）式中：——煤柱高度，m;——開采影響因子，1.5~3.0，一般可取2.0;——塑性區(qū)與核區(qū)界面的側(cè)壓系數(shù)，一般取0.34;——煤層與頂?shù)装褰佑|面的粘聚力，一般強(qiáng)度弱者，MPa;—煤層與頂?shù)装褰佑|面的內(nèi)摩擦角，一般取煤層參數(shù)，（°）;——煤柱極限強(qiáng)度，MPa。3．隔離煤柱的位置隔離煤柱的受力模型，如同頂板與底板之間，夾持著大煤柱和煤柱之間一定數(shù)量彈簧（煤柱）的支撐體系，如圖4-19所示。圖4-19隔離煤柱力學(xué)模型（1）隔離煤柱的間距隔離煤柱間距的確定是一個復(fù)雜的問題，一般以在刀柱式長壁工作面連續(xù)開采期間，控頂煤柱不失穩(wěn)，頂板不發(fā)生大面積垮落為原則。鑒于力學(xué)模型的復(fù)雜性，隔離煤柱的設(shè)置應(yīng)當(dāng)采用物理相似模擬實(shí)驗(yàn)或計算機(jī)模擬，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行確定。對于淺埋煤層，根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)隔離煤柱的間距大于充分采動距離，大約為1~2倍采深。隔離煤柱形成的頂板垮落隔離區(qū)，一般能夠形成充分垮落，可以防止由于過度支撐頂板而引起的大范圍頂板垮落災(zāi)害。（2）隔離煤柱的尺寸根據(jù)隔離煤柱的作用，煤柱應(yīng)當(dāng)具有長期的穩(wěn)定性。因此，煤柱的載荷狀態(tài)應(yīng)當(dāng)為“馬鞍形”分布，避免出現(xiàn)“平臺形”應(yīng)力分布。如果說控頂煤柱屬于“動態(tài)”應(yīng)力狀態(tài)，隔離煤柱則應(yīng)當(dāng)按照“靜態(tài)”應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計。靜態(tài)應(yīng)力狀態(tài)指煤柱在一定時期內(nèi)，承受不變的應(yīng)力狀態(tài)，要求煤柱在形成或使用的短時期內(nèi)，達(dá)到靜態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)，并在整個使用期內(nèi)保持這種穩(wěn)定狀態(tài)。靜態(tài)煤柱的設(shè)計，主要考慮一個安全系數(shù)，一般在1.2~1.8之間。煤柱寬度可以按照下式確定：煤柱強(qiáng)度=安全系數(shù)×煤柱平均應(yīng)力根據(jù)淺埋煤層工作面的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，隔離煤柱的尺寸一般為2~4倍控頂煤柱寬度。4.2現(xiàn)代房柱式開采的礦壓控制點(diǎn)全部回收式房柱式采煤方法由于回收率高，在國際上得到較快的發(fā)展。美國經(jīng)過多年的不斷改進(jìn)，已經(jīng)形成了以連續(xù)采煤機(jī)為中心的現(xiàn)代房柱式采煤方法。50年代末期，在美國房柱式采煤方法的基礎(chǔ)上，澳大利亞和南非引進(jìn)美國連續(xù)采煤機(jī)，結(jié)合具體條件試驗(yàn)成功了一種采煤方法。在澳大利亞，這種采煤方法是首先在汪格維里煤層試驗(yàn)成功的，因此稱為“汪格維里”（Wongawilli）采煤方法。在南非，類似的方法首先在西格瑪?shù)V試驗(yàn)成功，稱為“西格瑪”采煤方法。近年來，以連續(xù)采煤機(jī)為核心的現(xiàn)代房柱式采煤方法在我國神府、東勝、黃陵等埋深不大的礦區(qū)得到推廣應(yīng)用，取