矿山压力与岩层控制第八章-厚煤层综放开采岩层控制

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