矿山压力与岩层控制第八章-厚煤层综放开采岩层控制
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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8-1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8-1 不同围压下煤体应力-应变曲线
(二)采动应力场与约束条件
见图8-2所示,工作面前方的支承压力(切向应力σt )分为减压区(A )、增压区(B )、稳压区(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
,属于极图8-2 支承压力分布
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8-3 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)煤体的硬度系数不同,顶煤开始移动的位置不同。如同为厚度6~8m 的煤层,在h=6m 处,软煤层(f=0.3~0.5)、中硬煤层(f=2~3)和硬煤层(f ≥3.5)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0.5~1m 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。
bL ae S -=图8-4 顶煤、顶板位移量与到煤壁距离的关系
(1)原始状态区(Ⅰ)
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(Ⅱ)
顶煤进入支承压力区以后,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(Ⅲ)
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(Ⅳ)
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(f ≥3),通常冒落角小于;对于中硬煤层(f=1~3),冒落角介于~80°;对于软煤层(f<1),冒落角大于; 对于极软煤层(f ≤0.5),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。
ααο60αο60α
ο90α
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。
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。因此,一般认为顶煤厚度介于2~10m 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(f ≥3.5),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果。见图8-6。
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
工作面方向 (a )
工作面方向 (b )
工作面方向 (c )
I —I 剖面