采煤工作面上覆巖層移動規(guī)律

1、最新 精品 Word 歡迎下載 可修改第三章 采煤工作面上覆巖層移動規(guī)律第一節(jié) 概 述一、煤層頂?shù)装鍘r層的構(gòu)成煤層處于各種巖層的包圍之中。處于煤層之上的巖層稱為煤層的頂扳；處于煤層之下的巖層稱為煤層的底板。根據(jù)頂、底板巖層離煤層的距離及對開采工作的影響程度不同，煤層的頂、底板巖層可分為：(l)偽頂。緊貼在煤層之上，極易垮落的薄巖層稱為偽頂。通常由炭質(zhì)頁巖等軟弱巖層組成，厚度一般小于0.5m，隨采隨冒。(2)直接頂。位于偽頂或煤層之上，具有一定的穩(wěn)定性，移架或回柱后能自行垮落的巖層稱為直接頂。通常由泥質(zhì)頁巖、頁巖、砂質(zhì)頁巖等不穩(wěn)定巖層組成，具有隨回柱放頂而垮落的特征。直接頂?shù)暮穸纫话阆喈?dāng)于冒落帶

2、內(nèi)的巖層的厚度。(3)老頂。位于直接頂或煤層之上堅(jiān)硬而難垮落的巖層稱為老頂。常由砂巖、石灰?guī)r、砂礫巖等堅(jiān)硬巖石組成。(4)直接底。直接位于煤層下面的巖層。如為較堅(jiān)硬的巖石時，可作為采煤工作面支柱的良好支座；如為泥質(zhì)頁巖等松軟巖層時，則常造成底臌和支柱插入底板等現(xiàn)象。二、采煤工作面上覆巖層移動及其破壞在采用長壁采煤法時，隨著采工作面的不斷向前推進(jìn)，暴露出來的上覆巖層在礦山壓力的作用下，將產(chǎn)生變形、移動和破壞。根據(jù)破壞狀態(tài)不同，上覆巖層可劃分為三個帶(圖3l)。冒落帶。指采用全部垮落法管理頂板時，采煤工作面放頂后引起的煤層直接頂?shù)钠茐姆秶?圖3l，)。該部分巖層在采空區(qū)內(nèi)已經(jīng)垮落，而且越靠近煤層的

3、巖石就越紊亂、破碎。在采煤工作面內(nèi)這部分巖層由支架暫時支撐。裂隙帶。指位于冒落帶之上、彎曲帶之下的巖層。這部分巖層的特點(diǎn)是巖層產(chǎn)生垂直于層面的裂縫或斷開，但仍能整齊排列(圖3l，)。彎曲下沉帶。一般是指位于裂隙帶之上的巖層，向上可發(fā)展到地表。此帶內(nèi)的巖層將保持其整體性和層狀結(jié)構(gòu)(圖3l，)。生產(chǎn)實(shí)踐和研究表明，采煤工作面支架上受到的力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其上覆巖層的重量。只有接近煤層的一部分巖層的運(yùn)動才會對工作面附近的支承壓力和工作面支架產(chǎn)生明顯的影響。所謂采煤工作面礦山壓力控制，也就是對這部分巖層的控制。這部分巖層大約相當(dāng)于上述三帶中的冒落帶和裂隙帶的總厚度，一般為采高的68倍。圖3-1 采煤工作面上覆

4、巖層移動分帶示意圖采煤工作面上覆懸露巖層運(yùn)動破壞的形式?jīng)Q定著礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律及對控制的要求。上覆巖層自懸露發(fā)展到破壞，基本上有兩種運(yùn)動形式，即彎拉破壞和剪斷破壞。巖層彎拉破壞的發(fā)展過程如圖32所示。隨工作面的推進(jìn)，上覆巖層懸露(圖3-2a)，在重力作用下彎曲(圖32b)，巖層彎曲沉降到一定程度后，伸入煤體的端部裂開(圖32c)，中部開裂(圖32d)，巖層冒落(圖32e)。圖3-2 上覆巖層彎曲破壞發(fā)展過程懸露的巖層中部拉開后，是否發(fā)展至冒落，由其下部允許運(yùn)動的空間高度所決定。只有其下部允許運(yùn)動的空間高度大于沉降巖層的可沉降值時，巖層運(yùn)動才會由彎曲沉降發(fā)展至冒落。否則，巖層將彎曲下沉并與煤層底

5、板(或底部已冒落巖層)接觸。在巖層可以由彎曲發(fā)展至破壞的條件下，由于其運(yùn)動是逐步發(fā)展的，所以工作面礦壓顯現(xiàn)一般比較緩和。此時，支架應(yīng)能支撐將要冒落巖層在控頂區(qū)上方的全部巖重，并能控制冒落巖層之上部分彎曲巖層的下沉量。巖層剪斷破壞的發(fā)展過程如圖33。巖層懸露后只產(chǎn)生較小彎曲下沉，懸露巖層端部即開裂(圖33a)，在巖層中部未開裂(或開裂很少)的情況下，巖層大面積的整體塌垮(圖33b)。產(chǎn)生懸露巖層剪斷破壞的條件是：當(dāng)工作面煤壁推進(jìn)至巖梁端部開裂位置附近時，斷裂面上的剪應(yīng)力超過一定限度，雖然其中部尚未開裂，但只要下部有少量運(yùn)動空間，巖層即可能被剪斷而整體塌垮。這類破壞形式運(yùn)動范圍大、速度快，采煤工作

6、面將受到明顯的動壓沖擊。此時，如果支架工作阻力不足，極易發(fā)生頂板沿煤壁切下的重大冒頂事故。即使工作面頂板不垮落，也會發(fā)生臺階下沉，使支柱回撤工作非常困難。要控制這類頂板破壞，工作面支架必須有較高的初撐力，其工作阻力應(yīng)能防止頂板沿煤壁線切斷，而把切頂線推至控頂距之外。支柱的可縮量可按在煤壁處出現(xiàn)臺階下沉而支柱又不被壓死考慮。圖3-3 巖層的剪切破壞形式圖3-4 斷層對巖層破壞形式的影響巖層的兩種破壞形式隨地質(zhì)及開采條件的變化而相互轉(zhuǎn)化。(l)當(dāng)工作面推至巖層端部開裂位置附近，提高推進(jìn)速度可能會使原來呈彎拉破壞的巖層轉(zhuǎn)變?yōu)榧羟衅茐牡倪\(yùn)動形式。這就是在日常來壓比較均勻的工作面，高產(chǎn)后往往出現(xiàn)切頂事故

7、的原因。(2)強(qiáng)制放頂改變堅(jiān)硬巖層的厚度，可以排除整體塌垮的威脅，從而使剪切破壞形式轉(zhuǎn)化為彎拉破壞形式。(3)分層開采的厚煤層，如果分層間采用上行式開采程序，通過下部幾個分層的開采，使堅(jiān)硬(可能發(fā)生剪切破壞)的頂板巖層受到重復(fù)的采動影響，產(chǎn)生裂縫，大大減小突然剪斷的可能性，從而可轉(zhuǎn)化為彎拉破壞的運(yùn)動形式。(4)在工作面推進(jìn)方向上遇到與煤壁平行的斷層，使原來彎拉破壞的巖層可能向整體切斷的運(yùn)動形式轉(zhuǎn)化(圖34)。這是因?yàn)閿鄬悠茐牧藥r層的連續(xù)性，當(dāng)工作面推到斷層部位時，巖層懸露尚未達(dá)到中部裂斷所必須的跨度，可能出現(xiàn)整體切斷的危險。第二節(jié) 直接頂?shù)囊苿右?guī)律選擇采煤工作面頂板管理方法、支架設(shè)計(jì)和選型，日

8、常頂板管理等問題，都與采煤工作面直接頂有關(guān)。直接頂厚度（頂板冒落高度）的大小，決定著裂隙帶發(fā)展的高度，也決定著各巖層穩(wěn)定期的長短，對“三下采煤”、地表移動的控制設(shè)計(jì)等都有重要影響。采煤工作面自開切眼開始推進(jìn)后，直接頂巖層一般并不立即垮落。待推進(jìn)一定距離，直接頂懸露面積超過其允許值后，才會大面積垮落下來。這稱為直接頂?shù)某醮慰迓洌ǔ醮畏彭敚３醮畏彭敽?，直接頂巖層隨采煤工作面的推進(jìn)而冒落。在正常推進(jìn)過程中，直接頂是一種由采煤工作面支架支撐的懸臂梁。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在推進(jìn)方向上不能保持水平力的傳遞。因此，控制直接頂?shù)幕疽笫钱?dāng)其運(yùn)動時，支架應(yīng)能承擔(dān)其全部重量。一、直接頂厚度（冒高）的確定直接頂?shù)拿奥涓?/p>

9、度有一定規(guī)律性，在一定的采動條件下有確定的數(shù)值。在同一巖層條件下，不同的采動條件、不同的開采程序和時空關(guān)系，可能有不同的冒高值。在此，我們僅討論開采單一煤層或開采煤層頂分層時冒高值的預(yù)計(jì)方法。目前，有關(guān)推斷冒高值的方法基本上有兩種：1. 不考慮巖梁本身沉降值的推斷方法如圖3-5所示，懸空的直接頂巖層由下而上冒落，一直發(fā)展到自然接頂為止。在自然冒落的發(fā)展過程中不考慮巖層本身的沉降值。其冒高表達(dá)式推導(dǎo)如下：h z+m =Kh z由此導(dǎo)出的直接頂厚度h z為：h z （3-1）式中 m采高，m； K已冒落巖層的碎脹系數(shù)。圖3-5 不考慮巖層彎曲沉降時的冒高這種推斷方法對于厚度不大，強(qiáng)度不高的巖層覆蓋

10、的采煤工作面，特別是第一次來壓階段，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況比較接近。但是，這種方法沒有考慮多數(shù)巖層冒落是由彎曲沉降發(fā)展而來的實(shí)際情況，沒有考慮未冒落巖層本身的沉降。因此，還沒有能完善地解釋和表達(dá)冒高變化的各種情況。例如，對于實(shí)際冒落值為零的緩沉型采煤工作面，用該公式就無法做出解釋。2. 考慮巖層本身沉降的推斷方法這種方法認(rèn)為，除整體切斷巖層外，所有巖層的冒落都是由彎曲沉降運(yùn)動發(fā)展而來的。因此，確定冒落高度必須考慮巖梁的沉降值和巖層變形能力的影響，以及下部允許運(yùn)動空間的高度。這種推斷方法的幾何模型如圖3-6所示。圖中未冒落巖梁（hE）的沉降值滿足下列表達(dá)式：SA=mhz（KA1）S0 （3-2）式中

11、 SA巖梁實(shí)際沉降值； S0該巖梁保持假塑性允許的沉降值； m采高； hz 直接頂厚度（即冒落高度）； KA巖梁觸矸處已冒落巖層的碎脹系數(shù)。由式3-2可推導(dǎo)出直接頂厚度hz 的表達(dá)式：hz （3-3）其中 SAS0對照圖3-6可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)用式3-3推斷冒落高度時，要遵守SA值與KA值在同一地點(diǎn)選擇的原則?？梢杂秒x煤壁任何位置處的數(shù)值代入都不影響計(jì)算結(jié)果。但是，絕不能認(rèn)為SA與KA的值可以在任意位置選取。因?yàn)楣街幸?guī)定SAS0，而S0是保持該巖梁處于“假塑性”狀態(tài)的運(yùn)動極限值（沉降極限值）。因此，原則上SA的取值位置是固定的，該位置應(yīng)當(dāng)是巖梁顯著運(yùn)動發(fā)生后，從下部開始觸矸位置起，到運(yùn)動被迫停止時

12、整個觸矸范圍的反力中心。圖中A點(diǎn)。一般取KA=1.251.35。圖3-6 考慮巖層彎曲沉降時的冒落高度二、影響直接頂厚度的主要因素從式3-3可以看出，影響直接頂厚度的主要因素有：1. 采高m的影響由式3-3可知，如果上覆巖層厚度都不大，強(qiáng)度和變形能力基本相同，則冒落高度與采高近似成正比。因此，在生產(chǎn)現(xiàn)場經(jīng)常用改變采高的方法來控制采煤工作面礦山壓力顯現(xiàn)和上覆巖層破壞的范圍。應(yīng)當(dāng)注意的是，冒落高度并不隨采高的變化而連續(xù)變化，一般說來，上覆巖層的冒落高度是跳躍式變化的。在推斷冒高時應(yīng)充分考慮上覆各巖層的厚度、巖性、強(qiáng)度、變形能力及層理等情況，注意找到冒高發(fā)生突變的位置。2. 巖梁允許沉降值S0及巖梁

13、實(shí)際沉降值SA的影響由式3-3可知，在一定采高（m）條件下，S0值對冒落高度影響很大。例如，當(dāng)采高m=2m時，如果取KA=1.25，則：當(dāng)S0=SA=0時，當(dāng)S0=SA=0.5m時，當(dāng)S0=SA=m時，因此，必須對各類巖層的假塑性沉降值S0進(jìn)行認(rèn)真的分析。一般認(rèn)為，S0的大小主要由巖層的厚度、強(qiáng)度及在推進(jìn)方向上裂隙發(fā)育情況等因素決定。圖3-7 巖梁允許沉降值S0研究證明，對于結(jié)構(gòu)簡單的均質(zhì)巖層，在不出現(xiàn)整體切斷運(yùn)動形式的情況下，巖層厚度越大，可能的S0值也將越大。如圖3-7所示，一般可認(rèn)為，巖層斷裂后形成三鉸拱結(jié)構(gòu)，當(dāng)中部鉸高于兩端鉸時，巖層保持傳遞巖梁狀態(tài)；隨著巖層彎曲沉降，當(dāng)中部鉸與兩端鉸

14、在同一條直線上時，達(dá)到巖梁的極限沉降值S0。S0可由下式表示： （3-4）式中 S0巖梁的允許沉降值； h巖層厚度； C0巖梁的運(yùn)動步距。當(dāng)h值相對于C0小得很多時， 則S0h。顯然，只要知道上覆巖層的厚度分布情況，就可以確定冒落高度。例如圖3-8所示的采場，采高為2.5m，上覆巖層厚度分布情況為：h1=1.5m；h2=1.0m；h3=3.0m；h4=5.0m。根據(jù)以上原理，不難推斷出該采場的冒高為2.5m，即冒到h2為止，h3仍處于假塑性巖梁狀態(tài)，這是因?yàn)椋簩1層：S0=h1=1.5m，如保持h1層不冒，則下部必須的冒落巖層厚度為：而該巖層下部實(shí)際冒落厚度為零，因此h1必然冒落。對h2層：

15、S0=h2=1.0m，保持不冒下部巖層必須的冒落厚度為：而該巖層下部的巖層厚度僅有1.5m，所以h2必然冒落。對h3層，S0=h3=3.0m，保持不冒落下部必須的冒落巖層厚度為：即該巖層不會冒落。在下部已冒2.5m的情況下，其實(shí)際沉降值SA為：SA=mhz(KA1)=2.5-2.5(1.25-1)=1.785mS0，因此，老頂中的巖梁可能轉(zhuǎn)化為直接頂；相反，降低采高，原直接頂則可能轉(zhuǎn)化為老頂。在同樣采高條件下，如果因巖層的巖性或厚度變化而擴(kuò)大了直接頂?shù)姆秶?，則允許巖梁運(yùn)動的空間減小，運(yùn)動減緩，由此影響采煤工作面的老頂范圍會相應(yīng)地減小；隨著直接頂?shù)淖儽?，老頂范圍將相?yīng)擴(kuò)大。改變推進(jìn)速度到一定限度，也可能造成兩者間的轉(zhuǎn)化。肥城大封礦八層煤，石灰?guī)r