岱庄煤矿回采工作面矿压显现规律研究.pdf

东北大学 硕士学位论文 岱庄煤矿回采工作面矿压显现规律研究 姓名王泽诺 申请学位级别硕士 专业矿业工程 指导教师王青;徐恩虎 20030701 东北大学硕士学位论文摘要 岱庄煤矿回采工作面矿压显现规律研究 摘要 煤矿生产条件特殊，生产环境艰苦，人们在进行生产、创造效益的同时，还 要高度重视煤矿自然灾害的威胁，顶板事故是煤矿生产主要的自然灾害之一，由 于煤矿地质条件的复杂性，顶板事故还时有发生，常常给人民的生命财产和国家 资源造成重大损失。 煤矿的安全生产工作是关系到煤矿职工安全和健康、保护国家财产和资源的 大事，国家高度重视煤矿企业的安全生产，安全第一是党的一贯生产方针，是我 国工业生产建设的一项基本原则。 面对煤矿复杂的生产条件，采用科学的研究方法，研究煤矿生产中顶板的运 动规律，掌握工作面老顶来压显现、步距和强度，掌握矿压显现的基本规律，综 合分析矿压控制问题，分析回采空间支架与围岩相互作用关系，为煤矿合理的安 排工序、合理确定采煤参数、支护方式和顶板管理方法提供科学依据，最终确保 安全生产。所以，正确实施工作面矿压观测，特别是对我们岱庄煤矿来说，有着 深远的技术意义和政治意义。 我国顶板支护状况原来基本上处于一种盲目状态，支护密度不合理，缺乏科 学性，严重地影响煤矿的生产效益和生产安全。随着生产的发展和科学技术的进 步，煤矿顶板管理已纳入科学的研究轨道，支护理论日趋成熟，为煤矿顶板管和 支护提供了科学依据。本文以宋振琪院士为代表的“传递岩梁”理论和钱鸣高院 士为代表的“砌体梁”理论为基础，对山东省岱庄煤矿3 2 4 1 6 工作面和3 1 4 0 8 工 作面进行了系统全面地矿压观测研究分析，观测内容主要有支护参数、顶板状 态参数以及顶板动态状况，其中对3 2 4 1 6 工作面的观测活动从2 0 0 3 年1 月2 5 日 至3 月1 日历经3 6 天，此段期间内经历了3 次老顶周期来压，取得了1 0 8 0 0 个 观测数据，对3 1 4 0 8 工作面的观测活动从2 0 0 2 年8 月2 2 日至1 0 月2 8 日共6 8 天，经历了直接顶初次垮落、老顶初次来压和4 次周期来压等几个典型活动阶段， 通过观测，为分析整个岱庄煤矿工作面顶板活动规律和支架工作状况提供了可靠 依据。 本文还对坚硬顶板的岩石力学性质进行了深入分析，从坚硬岩石的强度、变 形和碎胀性方面进行了物理力学性质的分析；从坚硬顶板的岩体强度、裂隙性和 层理性方面进行了工程力学性质的分析。通过以上分析和严格计算，得出了坚硬 I I 东北大学硕士学位论文摘要 顶板的显著的采场矿山压力显现特征，具体为周期性的破断来压步距大、动载 系数高；支柱荷载低，且不均匀，合力点靠近前排支拄；项板下沉量平时很小， 来压时突然增大，坚硬顶板来压具有明显的时间差和步距差。 总之，本文通过对岱庄煤矿两个回采工作面的矿压观测分析及对坚硬顶板岩 石的力学性质分析，进一步确定了岱庄煤矿采场顶板的分类，得出了岱庄煤矿回 采工作面矿压显现的基本规律，为岱庄煤矿3 。和3 ，煤层的回采工作提供了一系 列可靠的依据，在生产中取得了较为满意的效果。 关键词矿山压力显现回采工作面坚硬顶板岩石力学特性矿压显现 基本规律矿压控制顶板管理 I I I 东北大学硕士学位论文A B S T R A C T P h e n o m e n o nL a wo ft h e U n d e r g r o u n d P r e s s u r eo ft h e M i n i n g F a c eo ft h e D a i z h u a n gC o l l i e r y A b s t r a c t T h ep r o d u c t i o nt e r mo fc o a lm i n ei s s p e c i a l ，a n dt h eh a r d s h i po f p r o d u c t i o ne n v i r o n m e n t ．C r e a t i n gt h ee c o n o m i c a lb e n e f i to ft h ec o a l ， p e o p l es t i l lw a n tt h et h r e a to fn a t u r a ld i s a s t e ro fh i g ha n dt h o u g h t f u l o fc o l1 ie r y ．T h er o o fa c c i d e n tiSo n eo ft h em a i nn a t u r ed i s a s t e ri nt h e c o u r s eo fc o a lm i n ep r o d u c t i o n ．T h er o o ft r o u b l es t i l ls o m e t i m e st a k e p l a c ea n dm a k et h ep e o p l el i f ep r o p e r t ya n dn a t i o n a lr e s o u r c e ss u f f e rt h e h e a v yl o s sB e c a u s eo fc o m p l e x i t yg e o l o g i c a lt e r mo fc o a lm i n e ． T h es a f ep r o d u c t i o no ft h ec o a lm i n ei sa ni m p o r t a n tm a t t e rt h a ti t r e l a t et Ob es a f e t ya n dh e a l t ho ft h em i n e r s ，a n ds a f e g u a r dt h en a t i o n a l p r o p e r t ya n dr e s o u r c e s ．T h en a t i o ni sh i g ht op a ya t t e n t i o nt ot h es a f e p r o d u c t i o no fc o a lm i n ee n t e r p r i s e ，t h es a f ep r o d u c t i o ni st h ec o n s i s t e n t p o l i c yo fo u rp a r t y ，a n dt h eb a s i cp r i n c i p l eo fi n d u s t r i a lp r o d u c t i o n ， F a c i n gt ot h ec o m p l i c a t e dp r o d u c t i o nt e r mo fc o a lm i n e ，w em u s tm a k e u s eo fs c i e n c er e s e a r c hm e t h o dt os t u d yt h em o v a b l er e g u l a t i o no ft h er o o f i nt h ec o a lm i n ep r o d u c t i o n ，a n dm a s t e r t h eb a s i cr e g u l a t i o no ft h em a i nr o o ft oc o m ep r e s s u r e ，a n ds y n t h e s i z e t oa n a l y z et h ec o n t r o lp r o b l e mo fu n d e r g r o u n dp r e s s u r e ，a n di n t e r a c t b e t w e e nt h es u p p o r ta n de x t r a c t i o na tt h es t o p e ．T h es c i e n c eb a s i Si S p r o v i d e d f o r s u p p o r ta n dm a n a g e m e n tw a yo ft h er o o f ．T h e r e f o r e ，w e r e a s o n a b l yc a r r yo u tt h eo b s e r v a t i o no fu n d e r g r o u n dp r e s s u r ea tt h es t o p e t oo u rD a i z h u a n gc o a lm i n e ，t h e r ew i l lb et h ep r o f o u n d t e c h n i q u ea n d p o l i t i c a ls e n s e ． S u p p o r tw a yi nO u rc o u n t r yw a sb a s i ct ob ep l a c e di nak i n do fb l i n d s t a t e ，a n dt h es u p p o r td e n s i t yi sa l S Ou n r e a s o n a b l ea ts t o p e ．T h eb e n e f i t a n d s a f e t y o fc o a lm i n ei s s e r i o u s l ya f f e c t e db yt h o s e ．W i t ht h e d e v e l o p m e n to fp r o d u c t i o na n ds c i e n c e 。t h es u p p o r tw a yo ft h ec o a lm i n e h a sj e n t e r e dt ot h ew a yo fs c i e n c er e s e a r c h ．W i t h s u p p o r tt h e o r y i s g r a d u a li ym a t u r e ，t h et h e o r yb a s i sw i l lb ep r o v i d e df o rr o o fm a n a g e m e n t a n ds u p p o r to fc o a lm i n e ．T h i st e x to nt h eb a s i so ft h eo nt h eb e h a l fo f I V 东北大学硕士学位论文A B S T R A C T S o n gZ h e n q ia c a d e m i c i a n ’s “t h ed e l i v e rr o c kb e a m ”a n dQ i a nM i n g g a o a c a d e m i c i a n ’s “t h el a yb e a m ”i st h a tt h e3 2 4 1 6a n d3 1 4 0 8f a c ea r e c a r r i e do u tt h eo v e r a l lo b s e r v a t i o na n da n a l y s i s ，i n c l u d i n gt h es u p p o r t a n dr o o fp a r a m e t e ra sw e l ld y n a m i cs t a t eo ft h er o o f ．T h e3 2 4 1 6f a c eh a s b e e no b s e r v e df o r3 6d a y sf r o mJ a n u a r y2 5t oM a r c h1i n2 0 0 3 ，t h em a i n r o o fh a st a k e np l a c et h e p e r i o d i cp r e s s u r e o ft h i r dti m e si nt h e o b s e r v a t i o np e r i o d ，a n dw eg o t1 0 8 0 0d a t u mf r o mi t ．T h e3 1 4 0 8f a c eh a s b e e no b s e r v e df o r6 8d a y sf r o mA u g u s t2 2t oO c t o b e r2 8i n2 0 0 2 ，i tw a s e x p e r i e n c e dw i t h s e v e r a l t y p i c a ls t a g e s t h ef i r s tp r e s s u r eo ft h e i m m e d i a t ea n dm a i nt o o f t h ep e r i o dp r e s s u r eo ft h em a i nr o o fw i t hf o u r t i m e s ．T h ed e p e n d a b l eb a s i sh a sb e e np r o v i d e dt h em o v a b l er e g u l a t i o no f r o o fa n dw o r k i n gc o n d i t i o no fs u p p o r tf o rD a i z h u a n g ． T h er o c km e c h a n i c sc h a r a c t e ro ft h es o l i dr o o fh a sb e e ns t i l l c o n d u c t e dt h ep r o f o u n da n a l y s i si nt h e s t r e n g t ha n dd e f o r m a t i o n ，a n d b r o k e nb u l g ea s p e c t s ．T h ee n g i n e e r i n gm e c h a n i cc h a r a c t e ro ft h eh a r dr o o f l a y e rh a sb e e nw e n to nt h ei t ss t r e n g t ha n dc r a c k ．a n ds t r a t i f i c a t i o n a s p e c t s ．P a s s i n gt h r o u g ha b o v et h es t r i c ta n a l y s i sa n dc o m p u t a t i o n ，W e h a sg o ti np r e s e n t i n gf e a t u r e so ft h ep r e s s u r ew i t ht o u g h l yr o o fa tt h e f a c e ．C o n c r e t ef o r i ti sh i g h l yi n t e r v a lw i t hp e r i o d i c a lr u p t u r e ，a n d d y n a m i cc o e f f i c i e n ti sh i g h ．S u p p o r tl o a d e di sl o wa n dn ou n i f o r m ，i t s j o i nf o r c ec l o s et ot h ef r o n tr O Wo fs u p p o r t ．I ti su s u a l l yv e r ys m a l l t h a tt h er o o fs i n k sd o w n ，b u ti tw i i ib es u d d e n l ye n l a r g e dw h e nt h er o o f c o m et op r e s s u r e ．T h e r ew i l lb eo b v i o u si n t e r v a lo ft i m ea n ds t e pd i s t a n c e w h e nt h es o li dr o o fc o m et op r e s s u r e ． I nb r i e f ，w ea n a l y z e dt h em e c h a n i cc h a r a c t e ro ft h es o l i dr o o f ，a n d o b s e r v e dt h et w of a c e s ，a n dm a d es u r et h ec l a s s i f i c a t i o no ft h ef a c er o o f i nt h eD a i z h u a n gc o l l i e r y ，a n dg o tt h eb a s i cr e g u l a t i o no ft h er o o f p r e s s u r ep r e s e n t i n ga tt h ef a c e ，a n dp r o v i d e das e r i e so fd e p e n d a b l eb a s i s f o r t h es t o p eo fD a i z h u a n g3u pa n d3d o w nc o a ls e 锄．a n do b t a i n e da s a t i s f a c t o r yr e s u l t si nt h ep r o d u c t i o n ． K e yw o r d s p h e n o m e n o no ft h eu n d e r g r o u n dp r e s s u r e 。t h em i n i n gf a c e ，t h e s o l i dr o o f , t h em e c h a n i cc h a r a c t e r i s t i co fr o c k ，t h eb a s i c r e g u l a t i o n o f g r o u n db e h a v i o u r ，p r e s s u r ec o n t r o l ， r o o f m a n a g e m e n t V 声明 本人声明所呈交的学术论文是在导师的指导下完成的。论文中 所取得的研究成果除加以标注的地方以外，不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含本人为获得其他学位使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 本人签名砂气{ 葛 日 期沙弓．7 。f 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 ．1 问题的提出 第一章绪论 山东省岱庄生建煤矿自8 4 年建矿至今，在一个年产量仅7 万吨的地方小煤 矿的基础上，历经2 0 年的创业发展，设计生产能力由2 l 万吨／年，经改扩建达 到了6 0 万吨／年，现已成为一座年产原煤1 0 0 多万吨，年刨利税过亿元，集煤炭 产、运、销一条龙，多种经营全面发展的国家大型 二 企业。 2 0 年来，国内外形势在发生着不断的变化，国际人权斗争日趋尖锐，对煤 矿特别是监狱煤矿的安全生产提出了更高的要求。因此，岱庄煤矿积极筹措资金， 不断加大安全技术措施投入，机械化程度不断提高，井下工作面支护材料，实现 了由木支柱一金属摩擦支柱一单体液压支柱和悬移支架的改变。虽然，工作面支 护强度加大了，安全系数提高了，但由于本矿没有对采场进行过系统的矿压观测， 不了解采场矿压显现的基本规律，只是借鉴其他煤矿的做法和本矿的生产经验， 确定并一直延用现在的支护方式。现行的支护参数是否合理、能否为煤矿创造最 佳的经济效益和社会效益 那么，只有通过回采工作面矿压现场观测，才能掌握 工作面老顶来压显现、步距和强度，掌握矿压基本规律、综合分析矿压控制问题； 才能分析回采空间支架与围岩相互作用关系；才能为岱庄生建煤矿合理地安排工 序、合理地选择采煤参数、支护方式和顶板管理方法提供科学依据。 1 ．2 国内外研究现状 早期的采煤方法是采用房柱式开采，工作面基本上不支护，工作面支护理论 是在长壁工作面开采之后才出现，由此，一些顶板控制理论也随之产生，七十年 代以来，我国煤矿岩层控制领域不少成果处于国际领先水平。在采场矿压理论研 究方面，建立并逐步完善了以岩层运动为中心，以预测预报、控制设计和控制效 果判断三位一体的实用矿压理论体系；岩层运动和矿山压力规律及其预测预报、 顶板结构及支架一围岩关系、支护设计与支护质量监控等内容取得具有中国特色 的系统性和创造性成果；在手段上成功地研制和推广了一批近距离监测和远距离 遥测仪器系统，所建立的顶板预测预报和控制设计专家系统已经得到推广应用。 1 东北大学硕士学位论文第一章绪论 其中以宋振骐院士为代表的“传递岩梁”理论和钱鸣高院士为代表的“砌体梁” 理论，是采场支护设计的基础。岩层运动和矿山压力控制的理论假说是采矿工程 的决策基础。以岩层运动为中心的矿压理论假说是研究者在长期深入煤矿研究和 实践基础上，针对工程特点建立并逐步完善起来的，成为我国一个具有重要影响 的矿压学派。其目标是把我国矿压的理论研究从定性推向定量，利用现代高新技 术把岩层运动和矿山压力控制推进到能针对具体煤层条件进行定量决策的发展 阶段，为我国采矿工程学科理论的发展及煤矿安全生产作出贡献。 1 ．2 ．1 “传递岩梁”理论 其研究主要要点围绕建立采场和回采巷道矿压控制定量设计的结构模型，确 定其参数和控制原理，进行了系统的研究工作，“传递岩梁”理论要点如下 1 明确了控制对象。提出了明显影响采场矿压显现的岩层范围 即控制 设计需要考虑的范围 的概念，指出了该范围是有限的、可知的，可以随采动条 件的变化而变化，也是可以控制的，并给出确定该范围的方法。 2 建立了岩层运动和矿山压力分布的预测方法和监测预报方法。 为实现控制设计的定量化，建立了岩层运动参数和矿压分布特征参数的定量 预测方法根据岩层运动和矿山压力与矿压显现之间的因果关系，建立了井下岩 层动态研究方法，实现了通过监测易捕捉的矿压显现信息预报未知的岩层运动和 矿山压力规律、特征及参数。可以从预测和监测预报两个方面确定采扬和巷道结 构力学模型的参数，为控制设计提供决策依据。 3 在研究老顶运动全过程的基础上，揭示了采场支架与围岩关系，正确 提出支架可以在“给定变形”和“限定变形”两种状态下工作，建立了岩梁位态 方程及其实测确定方法，为顶板控制及效果判断提供了基础。在上百起顶板事故 分析及三十多个采场顶板控制实践的基础上，给出了顶板控制设计的安全、经济 准则。 4 研究了支架井下实际工作状况，提出支架有效支撑能力的概念及计算 方法，形成了控制效果和支护质量判断的科学标准与方法。以多发性顶板事故控 制实践和分析为基础，确定了煤矿顶板事故的分类以及各类事故的原因和条件， 提出针对具体煤层条件进行顶板控制设计的具体内容、方法和步骤。 5 理论与实践相结合，应用理论成果开展煤矿岩层运动和矿山压力预测、 监测预报和控制设计，取得了极其丰富的实践成果，验证和完善了理论体系。 2 东北大学硕士学位论文第一章绪论 6 该理论强调矿山压力及矿山压力显现两个基本概念间的差别、联系。 认为矿山压力 即采动后促使围岩运动的力 的存在是绝对的，在任何己采空间 的周围岩体中都存在着。但是矿山压力的显现 包括围岩变形、位移和破坏，以 及支架受力、下缩和折损等 则是相对的，有条件的，因而也是可以控制的。进 行矿山压力研究的目的，就是要创造条件，把矿山压力的显现控制在安全上可靠、 技术上可行、经济上合理的范围内。 7 明确了直接顶和老顶的定义和界限。不能简单的只考虑岩层的冒落性 能，必须从岩层运动可能的发展程度，从其运动是对压力显现的作用和影响，特 别是控制要求上的差别，从定性和定量两个方面给予更确切的含义。为此，所谓 直接顶，应该是指在老塘以冒落的岩层的总和。由于他们在推进方向上不能始终 保持传递力的联系，因此，一旦运动，其作用力将由支架全部承担。老顶则是由 运动对采场矿山压力显现有明显影响的“传递岩梁” 简称岩梁 组成。对于老 顶中每一岩梁，由于始终能保持向煤壁前方和老塘矸石上传递的联系，因此，当 其运动时，其作用力无须有支架全部承担。支架承担岩粱作用力的大小，由对岩 梁位态的控制情况决定。显然，从定性和定量两个方面给出了直接顶和老顶的含 义，也就最终找到了需要研究的岩层范围及其研究的方法和道路[ 1 , 1 5 , 6 】。 1 ．2 ．2 “砌体梁”理论 众所周知，煤层开采后上覆岩层将形成结构，此结构的形态及其稳定性将直 接影响到采场支架的受力大小、参数和性能，同时也将影响到开采后岩层运动的 形态及地表坍陷形态的描述。因此，采场上覆岩层形成结构的特点及其形态一直 为采矿工作者所重视。主要的研究工作从6 0 年代初，一直到7 0 年代末，借助于 大屯孔庄矿的开采后岩层内部移动观测，上覆岩层开采后呈“砌体梁”式平衡的 结构力学模型被正式提出来，结合该顶研究所提出的典型论文有“采场上覆岩层 活动规律及其对矿山压力的影响”和“采场上覆岩层结构的形态与受力分析”， 该项研究的意义主要是由于开采以后上覆岩层的结构形态的解决为采场给出了 具体的上部边界条件，同时为论证各项采场矿山压力控制参数奠定了基础。由于 “砌体梁”结构的叙述是限于采场中部沿走向的平面问题，因而随着对采场矿山 压力的深入研究，尤其是老顶来压预测预报的发展，必然讨论到将老顶岩层视为 四周各种支撑条件的“板”的破断规律以及老顶在煤体上方的断裂位置及断裂前 后所引起的力学变化，由此提出了岩层断裂前后的弹性基础梁力学模型及各种不 3 - 东北大学硕士学位论文第一章绪论 同支撑条件下的w i n l 1 e r 弹性基础的K i c k o f f 板力学模型。结合此项研究工作， 发表的典型文章有“老顶岩层断裂形式及其对工作面来压的影响”、“老顶断裂前 后的矿山压力变化”、“长壁工作面老顶破断的计算机模拟”，该项研究提出的主 要成果为 1 老顶断裂前后在煤壁前方将引起扰动，即在梁的被夹持的端部形成了 “反弹”区，而在深入一定距离则形成了“压缩”区。 2 老顶断裂位置在煤体之内，因此由老项断裂到工作面来压存在时间差， 利用此时间差即可对老顶来压进行预报。 3 老顶岩层板破断时呈“0 X ’型，即先是周边破断呈“o ”型，而后是 “O ”型板内部呈“X ”型破断。 4 根据“板”破断时引起的扰动，可在回采工作面上下两侧的巷道内测 得“反弹”与“压缩”现象。 5 根据上覆岩层以坚硬岩层作为形成结构主体的观念，提供了经开采后 上覆岩层体变形破断后形成的离层区及压实区位置被判定的可能性【2 ，5 0 0 , 2 1 3 ”。 1 ．3 主要研究内容与方法 本文的主要研究内容及方法是以宋振琪院士为代表的“传递岩梁”理论为基 础，通过对若干个典型工作面的动态监测，总结岱庄煤矿采场及顶板运动、矿压 显现规律、支架实际工作状况。在此基础上对现有支护进行合理优化，从而保证 支护技术上可行，经济上合理，安全上可靠。 主要研究内容包括如下几个方面 1 回采工作面上覆岩层需控范围的确定 2 工作面顶板在推进方向的运动规律 3 支柱的实际工作状况与合理支护参数 4 东北大学硕士学位论文第二章回采工作面矿压显现的一般规律 第二章回采工作面矿压显现的一般规律 2 ．1 回采工作面上覆岩层需控范围的确定 煤体采出后，原来的平衡地应力场被破坏，伴随着向新平衡状态的过渡，岩 层将产生移动破坏。若时间无限长，岩层的运动将由下往上最终波及到地表。但 是，从采场顶板控制的角度来讲，由于回采工作面处于不断前移的动态变化之中， 对采场安全空间有影响的上覆岩层 亦即需控岩层 必然是有限的，而且是可控 的，其上的岩层因运动滞后，影响程度越来越弱，对支护系统的作用可以忽略。 一般情况下，采场上覆需控岩层包括直接项和老顶两部分。直接顶是指在老塘已 冒落，在采场内支架暂时支撑的悬臂梁，因垮落后里无规则状态，其结构特点是 在推进方向上不能始终保持层向力的传递，它与采场支架之间属于“给定载荷” 的相互作用关系，即无论直接顶岩层沉降到什么位置，它给支架的作用力可以近 似看成是恒定的，其值由直接顶厚度和垮落状态决定。老顶是指运动时采场矿压 显现有明显影响的传递岩梁的总和，而传递岩梁是指一组同时运动 或近乎同时 运动 的岩层构成的一个整体，初次来压后，是一组在推进方向上能传递层向力 的不等高裂隙梁，其作用力由老塘矸石、采场支架及工作面煤壁共同承担，它与 支架一般属于“给定变形”的作用关系，即在老顶的沉降过程中，支架只在一定 范围内降低岩梁运动速度，但不能对岩梁的运动起到阻止作用，老顶岩梁可以沉 降至老塘矸石所决定的最低状态，支架基本不需要承担老顶的作用力，只要最大 允许的活柱缩量满足要求即可口2 j 0 1 。 2 ．2 工作面上覆需控岩层在推进方向的运动规律 2 ．2 ．1 直接顶的运动和垮落特点 在长壁工作面，直接顶岩层初垮前处于双嵌固状态，随悬跨度增加，其弯沉 挠度 也增大，岩层中的原生竖向裂隙不断扩展并伴有新裂隙产生。当推进步 距达到其极限跨度，直接顶两端因拉应力超限产生断裂，此时其垮落机制形成， 便产生冒落。直接顶初次垮落是指一次垮落的长度超过工作面长度的2 ／3 ，初垮 5 东北大学硕士学位论文第二章回采工作面矿压显现的一般规律 后的直接顶呈悬臂梁状态，可能在回柱放顶时随采随冒，也可能保持一定的悬顶 距，周期性垮落。 2 ．2 ．2 老顶的运动规律及特点 2 , 2 ．2 ．1 老项初次垮落过程 对于长壁工作面，当面长大于老顶初次来压步距时。按照薄板的力学模型， 顶板第一次破坏的发展过程为 1 推进方向两端拉应力超限，开裂从工作面中部开始逐步向两侧方向延 伸，直至贯穿整个工作面长度，如图2 ．1 a 中虚线①所示。 2 “岩板”随平行于工作面的裂断发展，其约束条件由四边嵌固逐步向两 侧嵌固的状态转化，弯矩进一步向两侧转移，从而导致“岩板”沿两侧嵌固端裂 断，断线贯通后，如图2 ．1 a 中虚线②所示。 3 “岩板”四周裂断后，其最大弯距将转向中央，促使其沿着图2 ，l a 中虚线③所示位置断裂，“岩板”的沉降加速。 4 在“岩板”沉降加速的过程中，最大弯曲应力在虚线④的位置集中， 导致相应部位的开裂，“岩板”的高速沉降运动开始。 5 “岩板”沉降至中部 即图中虚线③的部位 触矸，采场来压结束。 ．’ ④ 卜c e ． c - - { 卜_ 一f 。斗6 f - { 【6 ‘f 图21老顶岩层运动及破坏的发展过程 F i g 2 ．1 D e v e l o p i n gp r o c e s so f m a v 岛Ⅱ衄ta n d f a i l t a to f m a i nr o o f s t r a t a 2 ．2 ．2 ．2 老顶周期垮落过程 ， 采场进入正常推进阶段后，顶板周期性破坏的机理如下 6 东北大学硕士学位论文第二章回采工作面矿压显现的一般规律 1 工作面推进至周期来压步距时，由自重及老塘搭接板的作用力所形成 的弯矩超过限度，“岩板”将在推进方向的嵌固端 即图2 ．1 b c ①所示部位 裂断。 2 由于工作面长度远比每次周期来压步距大得多，因此，进入两侧嵌固 状态的“岩板”，其端部弯矩很快上升到破坏的极限，从而促使“岩板”在两侧 即图2 ．1 b c 中②的位置 拉开。 3 “岩板”进入四周简支状态后，由于自重及搭接板的作用力的继续存在， 以两个方向嵌固端为轴的回转下沉运动将加速进行。最大弯矩将迅速向图2 ．1 b c 中③所示的中间部位转移，最后迫使“岩板”在端部拉开，进入高速回转运动， 一直到其作用力与老塘矸石及支架反力相平衡的位置为止。 老顶岩层第一次运动在采场的矿压显现称为初次来压，从初次来压结束到工 作面采完，老顶按一定周期有规律的断裂运动，称为周期性运动，所对应的矿压 显现称为周期来压。当项板为坚硬岩层，尤其不存在直接顶时，老顶来压时的矿 压显现一般比较明显，规律性较好，但随着直接顶厚度的增加，这种规律性的特 点越来越差，直至老顶来压很不明显。 上述顶板的运动、沉降、断裂、来压所导致的矿压显现如图2 ．2 ，其中， a 为 超前顺槽不同位置处的顶底板相对移近速度与推进的关系，1 、2 、3 、4 分别表 示测点距煤壁位置，即巷道移动测站的固定点； b 为工作面内不同位置测点的 顶底板相对移近速度。利用老顶运动与矿压显现之间的关系可以推断老顶岩层的 运动状态。 采场进入正常推进阶段后，老顶周期性破坏的过程一般为 1 老顶岩梁处于相对稳定运动过程 在岩梁达到极限跨度前，煤壁前方各测点移近速度变化平缓，其中测点距煤 壁距离愈近，移动速度愈大，如图2 ．2 a 中O A 段所示。当岩梁临近极限跨度， 支承压力会明显地向前方转移 压力的扩展变化 ，诸测点会由近及远相继出现 移近速度峰值，如图2 ．2 a 中A B 段所示。 2 岩梁端部断裂 岩梁端部断裂时，压力在断裂线两侧集中，利用支承压力显现高峰扩展所波 及的范围或“反弹”信息等，可以推断老顶岩梁断裂位置及其发生的时间。实测 中因岩梁断裂时的条件不同，有可能出现如下几种情况 ①压力显现的高峰由近及远向前方扩展，层次清楚，则扩展至最远处大致为 7 - 东北大学硕士学位论文第二章回采工作面矿压显现的一般规律 断裂线位置，图2 ．2 a 中A B 段即属此类型，可以看出1 、2 、3 测点相继出现峰 值，层次十分清楚，则岩梁断裂将发生在B 时刻，断裂线位置大致在3 测点附 近。 a 巷道动态 b 工作面动态 c 测点位置 图2 ．2 顶板初次运动过程中的矿压显现 F i g ．2 ．2 G r o Ⅱdb e h a v i o u ro f i n i t i a lr o o f d e v e l o p i n g p r o c e s s ②距煤壁最近的I 测点先出现峰值后，2 、3 测点又同时出现峰值，并不再 波及远处的4 测点，则同时出现峰值的时间为岩梁断裂发生的时间，断裂线位置 大致在2 、3 测点之间。 ③在l 、2 测点相继出现峰值后，3 测点的移近速度有上升趋势，转而明显 下降或出现“反弹” 移近速度为负值 ，则3 测点明显下降或反弹的时间为岩梁 断裂发生的时间，移近速度明显下降或反弹位置的内侧大致为岩梁断裂线的位 置。 3 岩梁显著沉降 岩梁端部断裂后，支承压力分布以断裂线为界形成内外应力场。随工作面推 进 工作面煤壁接近岩梁断裂线 ，当岩梁发生显著沉降时，则位于内应力场中 的诸测点由远及近相继再次出现或近乎同时出现移近速度峰值的变化