放顶煤开采顶煤的裂移度及顶煤可放性.pdf

第2 9 卷第5 期 中豳矿业大学学报V 。I ．2 9N o ．5 2 0 0 0 年9 是 J o l a r r m i “C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n 。l o g y S e p ．2 0 0 0 文章编号1 0 0 01 9 6 4 2 0 0 0 0 5 0 5 0 6 ．0 4 、 放顶煤开采顶煤的裂移度及顶煤可放性 张勇，吴健 串祷矿藏丈学资群开发工程系，乾京1 0 0 0 8 3 摘簧通过综合运用顶爆实测位移观测、力学模型和理论分析方法，研究了顶煤内部裂隙的发展 进程，提出了译伶顼堞可放挂的插标～襞移度麓英在不黼条件下的变亿规律，并从强度等方面 对顶堞可放性进行了分柝，提出了改进颁煤可放性她艨理和方法。 关键词放颁煤；裂隙；抗拉 鹰 强度；位移；裂移度 中阐分类号；T D8 2 3 ．4 文献标识码；A 1 顶煤的破坏机瑰 众所周知，放顶煤开采利用支承压力破碎顶 煤，而预煤的破碎是由大餐的裂隙甄相贯穿、切割 瑟戏．鑫l 予煤捧内部存在数量众多麴结构弱露 孔 隙、层理和微裂黢等，统称“内郏缺照” ，可以认为 煤体是由孔隙介质组成的煤块群和裂隙组成的孔 隙一裂隙结构．根据煤层的这种结构特性以及煤的 脆性奔震特性，帮戳运翔AAG r i f f i t h “拉斑力准 则”对顶煤的破螺进褥分辑，由此建立骥煤破裂移 动的力学模测，并用弹塑性有限元方法结合损伤力 学原理计算求解[ 1 ] ． 笔者在阳泉、邢台、大淘、靖远、郑州和灌南等 矿区进纡的臻煤运移观测结果袭明在效褒煤王弦 面煤壁附近，顶煤产生了较大使移，而檄据弹塑性 有限元计算得到的顶煤弹魍性位移掇相对较小，前 者麓后者的2 ～2 3 倍 觅液1 ；煤的硬度越高，两 者螅误差越小；骧着与工{ 筝嚣距离鹣缝小，嚣誊静 误蓑逐渐增大．这种计算值与实测域的巨大误差说 明作为一种脆性材料，煤的弹魍性变形很小，在远 离工作衙的区域，顶漾的移动可以用弹塑性位移解 释，舞者误差不太．毽在王佟囊煤壤辫避，瑗煤内 的裂隙非常发育，在顶煤中煤体由于弹塑性变形所 产生的位移嚣远小于顶煤的位移量．顶煤位移主 要怒由煤体内部原生裂陈的张汗量、次生裂隙的产 生数量秘张拜量、疆潆挟体静剐体转葫等缰簸；巍 分析顶煤的位移状况时，对于煤体内部虫于弹塑性 变形而引起的位移量可以忽略不计。因此可以认 为；在支承压力作用下，顶煤的破坏首先从其内部 缺陷开始，逐步生成徽袭隙．进而扩展成为裂隙，并 且耱干裂骧赏通；疆蓑与董作鞭距鬻静接近，臻煤 内部的裂隙数量逐濒增多，裂涨张搿量逐濒增大． 由于顶煤内部裂隙的发展，至工作丽附近时，顶煤 已旗一个整体演变为被裂隙切割成的块体群。块体 鳇扎傍足寸将壹接决定覆煤是甭哥歉及放媒效果， 表1 有限元计算绒果与顶燃实潮位移的对比 T a b l e1C o n t r a s tb e t w e e nF E Mc a l c u l a t e d a n dm e a s u r e dr e s u l t so ft o p - c t m ld i s p l a c e m e n t 位鼍实涮位移计算位移岛，＆绝埘误差 』墅生然L ￡碰堡笙_ 垦童l 蜜 被煤工作鬻蠹删。1 5 1 。5 。D O o J ” 工作面后方2 m 处6 27 ．87 ．gs 4 从顶煤破坏所形成块体的几何尺寸来考虑，影 响顶煤可放性的因素是顶煤内部裂隙的数量和裂 豫张开豢。由于顶煤内部韵袭藩数慧难黻统计，而 裂嗽张弹量墩难以溅爨，因她从裂皲数量穰张舞量 出发对顶煤可放性只能进行定性分析． 2 顶煤的W 放性特征 由予成煤过瑕不鞠，软煤戆撬控 压 强度低、 坟稿醋麓2 0 0 0 一0 2 2 3 基金项目斟家自然科学基金蘸点项目赍助 5 9 7 3 4 0 9 0 作者筒弁强勇 1 9 6 8 ～ ，男，中国矿韭太学讲那，工学博士，从事放顶螭I 研究． 万方数据 第5 期 张勇等放顶煤开采顶煤的裂移度及顶煤可放性 弹性模量小、内部缺陷发育，硬煤的抗拉 压 强度 高、弹性模量大、较致密；而且在一般情况下，硬煤 的顶底板岩性较软煤的顶底板岩性好．因此，硬煤 中支承压力峰值区的范围要小于软煤中相应的范 围 见表2 ，裂隙发育期短；而软煤由于内部缺陷 多，支承压力区的范围大，裂隙发育期长，因此裂隙 极其发育． 表2 支承压力区范围和峰值 T a b l e2T h er a n g ea n dp e a ko fa b u t m e n t p r e s s u r ei nt o p c o a l 软煤破坏过程中裂隙的分布特征是裂隙间距 小而密度大，形成裂隙贯通时裂隙的长度小、裂隙 问距小，所以裂隙贯通后切割所形成的破碎块体 小；顶煤整体失稳前，单条裂隙的张开量不大．因 此，在软煤中，顶煤位移量大意味着裂隙众多，顶煤 极其破碎，顶煤位移体现在众多的裂隙与一定的裂 隙张开量之间．当顶煤的若干块体失稳时，由于顶 煤破坏后所形成的块体小，大量小尺寸块体很难形 成平衡结构，因此软煤的失稳是一种滑落，顶煤垮 落角一般大于9 0 吐“． 硬煤的破坏则与软煤有着明显的不同由于硬 煤内部缺陷少，而裂隙的产生、扩展主要围绕内部 缺陷进行，加之裂隙发育期短，良好的顶板贮存了 大部分上覆岩层的变形能，因此硬煤中裂隙生成数 量较少，裂隙分布呈现问距大而密度小的特征，贯 通时裂隙间距大、裂隙长度大，因此裂隙切割所形 成的块体几何尺寸较大．顶煤整体失稳前，裂隙张 开量较大，顶煤位移表现为一定的裂隙数量与较大 的裂隙张开量．即使顶煤的若干块体失稳．少量较 大几何尺寸的顶煤块体不仅有可能形成拱式平衡， 防止顶煤的整体失稳，而且仍然能够承担部分载 荷，因此硬煤的失稳是一种类似于梁的端部断裂后 的垮落，顶煤的垮落角较小o ] ；如果处理不当，不能 保证获得满意的放煤效果． 中硬煤的破坏情况介于硬煤和软煤之间．视具 体条件而异，顶煤垮落角一般小于9 0 。，但较硬煤 明显增大． 3 顶煤可放性的评价指标裂移度及其 变化规律 顶煤位移量S 是评价顶煤可放性的基本依据． 由于观测手段的限制，目前难以同时测得顶煤的水 平位移量、垂直位移量，而且也不能将顶煤位移量 准确分解，不能准确了解顶煤在水平和垂直两个方 向上的变化状况，但是沿工作面走向顶煤位移的变 化可以综合反映顶煤的破碎程度．因此，定义某 时刻某位置顶煤的总位移量 单位m m 对该位置 与工作面距离 单位m 的导数垂为裂移度，并以西 为评价顶煤可放性的指标“] 西一a S ／a L ． 由于顶煤位移量是一个综合了顶煤裂隙数量 和裂隙张开量的指标 该指标为标量 ，因此顶煤裂 移度综合体现了顶煤破碎的程度，根据顶煤裂移度 可以确定顶煤的可放性．表3 和凰1 为根据实测顶 煤位移量得到的顶煤裂移度及其变化曲线．由图 1 和表3 可以看出 1 无论何种煤层条件，在工作面前方，与煤壁 距离工越近，顶煤裂移度越大． 2 软煤的中值变化区域大、数值大，超前工作 面的距离远，而在煤壁前方若干距离内垂值有一 个激增的变化，说明此处的顶煤已经整体失稳． 3 中硬煤层顶煤的中值随着与工作面距离的 缩小而增大，顶煤整体的破坏失稳发生在支架上方 一般位于支架顶梁的中前部 ． 4 坚硬煤层的垂值开始变化的位置距离工作 面较近，而且开始增大得极为缓慢，从煤壁前方 2m 处开始垂值产生较大的变化，尤其是在支架 上方顶梁和掩护梁附近予值显著增加，接近中硬 煤的中值． e 与煤壁距离￡，n l 图1 不同条件下顶煤的裂移度曲线 F i g ．ID e g r e eo fc r a c k m o v e m e n to ft O p c o a l u n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s 衰3 不同煤层顶煤裂移度 T a b l e3C r a c k - m o v e m e n td e g r e eo ft o p - c o a l f o rd i f f e r * n tc o a I , f 汜l l m g 与煤壁距离／m 一42 软煤 米村矿 4 2 9 ．6 软煤 谢桥矿 中硬煤 阳泉 4 5 ．9 硬煤 太同 4 5 ．5 2 9 8 ．1 2 4 0 ．5 2 5 ．9 2 0 ，5 1 5 6 ．22 3 ．91 3 ．71 1 ．2 4 3 ．51 6 ．3 1 0 ．5 7 ．1 1 3 ．69 ．06 ．54 ．2 7 ．32 ．8 1 ．0 万方数据 中国矿业大学学报第2 9 卷 顶煤裂移魔的这些变化规律表明 1 较煤在工作面前方的菜个区域已繁体失 稳，并被碎残鸯散嚣；裂黢充分发鸯戆瑗堞，经避支 架降架一支撑的多次循环，受到进一步的破碎，到 达放煤1 7 1 时顶煤已极其破碎，块煤率并不高，这与 生产过程中观察到的情况非常吻合．因此对于软煤 瑟，由于煤律破粹，支架翦律耀除了支撑褒煤努，在 缀太程度土是为了保持顶煤完整。封闭支护空阃． 2 对于中硬煤层，顶煤裂隙的发展进程比较 均匀，照然破坏失稳较晚 主要发生在煤壁后o ～ 2 m 范围内 ，毽裘溱均匀静发展使得疆煤破碎鹩 块度均匀，块煤攀毫，瑟鼹端瓣瑷燃不易冒辫，工终 面安垒生产条件好，经济效益显著． 3 对于坚硬煤层，熙是在工作面附近裂隙才 褥阪抉速发展，而且在支架上方并接近掩护粱的区 域变他最抉，褒这个区域，囊于裂隙数量少，联煤 破碎麝的块体较大，相应块体的剐体转动懿较大， 因此缀然顼煤的位移量和相应的裂移度在量值上 接近申硬煤，值顶煤破碎不充分，对放煤不和．诧 羚，支檠熬多次降槊～支撑德琢也对破碎磊鳇太块 顶煤穗再破碎的作用，因此对于坚硬煤层，支架除 了支护顶煤外还兼有破煤的功能． 影响顶煤裂移度的隔素有赋存深度 采深 、煤 捧 采簿 、疆潆节理爱豫发育程度、疆援岩性、煤静 强度、煤的弹性摸量筹o ] 1 赋存深度煤层的赋存深度决定了原岩应 力的大小，相应地对支承压力具有决定性的影响． 随着歼采深度的增船，支承蕊力增大，有乖j 手餮煤 的玻醛，褒煤裂移度骞可毙增大， 2 煤厚煤厚对顶煤裂移度的影响在于提供 给顶煤可移动空间的太小．硬煤厚度犬，放出的煤 俸多，需要充填的奎间藏匿大，相应的预煤移动空 潮纛裂羰发震燕晷增大，裂隙发帮戆慰闺延长，喜 剥于顶煤的破碎；反之，顶煤厚度小，不利于顶煤的 破碎， 3 顶煤节理裂隙状况煤层的节理裂隙越发 脊，箕整体性越差，在支承压力作羯F 越容蹇襞簿． 4 顶板卷性硬扳性状对顶煤裂移魔的影响 在于支承压力集中系数≈的大小和支承压力区的 范围．由平顶板的岩性不同，上覆岩鼷所能够形成 的平衡结构的范器不溺，耜瘦静女筐和支承压力区 麴葱瓣不鞠 疆叛卷层薄囊皴殍，支承压力区的范 嘲大，但 值小，裂隙发育期长，因此顶煤破碎期 长，破碎顶煤的块魔较小而且均匀；顶扳厚而坚硬， 支承嚣力嚣懿蔫围小，僵女整大，摄然壤煤玻莽期 短，但较裹的支斌压力有制予顶煤的破碎．然耐， 由于裂隙的发育期趟，裂隙数蟹少，因此顶煤破碎 的块度较大而且不均匀． 5 媒瓣弹键模鬟疆煤裂移凌与弹性攫量鳇 关系在于，随着顶煤裂隙的发展，从宏观上降低了 顶煤整体的弹性模量，弹性模艇的减小又使得支承 压力区加大，峰值区前移，从而使得顶煤裂隙的发 展游潜延长，碎裂雯翔充分。 6 煤的强度蒋氏系数大的煤层其媒体的抗 拉强度也大，因此煤越软，抗披强度越小，越易受拉 应力破坏．从郑州、阳泉、大同3 个采深、采厚相近 静矿嚣实测璜媒位移量掰褥翻翡臻煤裂移菠，结合 熬悫矿区的数摄进姆分攒，碍出顶煤裂移度与普氏 系数的关系 见圈2 ． 2 0 0 1 6 0 o 1 2 0 8 0 4 0 0 5l} 522 5j3 ，4 普氏蓉散， 图2 顶煤裂移度与煤的普氏系数 抗压强度 的关系 F i g 。2 T h er e l a t i o n s h i p1 3 e t w e e nc r a c k l n o v e t n e l l td e g r e e o ft o p c o a la n dP r o t o d y a k o n o vc o e f f i c i e n to fc o a l 目前我国判定熙否可以采用放顶煤开采的依 据主簧是煤的瞢氏系数，一般谈为酱氐系数， 3 的煤层也采用放顶煤 开采．但是对于艇硬煤层和部分裂隙不发育的中硬 璨层，必须采取有效的煤俸软纯措施，才锯保证教 联煤弹采熬回收率攒括。 4 改善溪煤帮敲性的霖壤秘方法 影响磺煤可放往的燕要闲素楚煤的力学特住 稳赋存坟态，瑟煤的赋存状态是客双存在，霆戴改 善顶煤可放性成从改善煤的力学特性人手．目前 采用的注水、松动预爆破簿方法就是改善顶煤可放 饿的可行措施． 1 洼瘩不仅哥拨洚低割煤鞋的产尘爨，瑟且 可以软化煤层．通过煤体注水，降低了煤的强度和 弹性模量，增加煤体内部形成裂隙的可能性。但对 予亲永性较差或煤体非常致密的煤层，注永软毹煤 鼷蠹孽效果待研究． 2 松动爆破可直接生成裂隙，但生成裂黢的 数量 即爆破的效果 与爆破位置和爆破参数的选 撵有雒紧密的联系，爆破位鬣布黛在骤岩磁力酝， 万方数据 第5 期 张勇等放顶煤开采顶煤的裂移度及顶煤可放性 爆破生成的高温高压气体可以全部用于对煤体做 功，充分利用爆破产生的能量制造尽可能多的裂 隙；若爆破位置位于支承压力区内，甚至更接近于 工作面，则爆破生成的高压气体将有直接的排泄通 道已存在的裂隙，爆破产生的能量有很大一部 分用于扩展原有裂隙而不是生成新裂隙，结果是裂 隙张开量显著增大而裂隙数量增加较少，并不利于 顶煤的充分破碎．此外，同样级别的爆破当量，集 中于一点产生的裂隙数量少于分散在若干点爆破 产生的裂隙数量．因此，松动爆破应选择在原岩应 力区进行，而且尽可能采用多点小当量爆破，以充 分提高爆破效率．但是这样做的结果是增加了放 顶煤开采的工序，增加了人员、材料和能源消耗，从 而增加了开采成本；如何既不增加开采的复杂性和 开采成本，又充分提高爆破效果，是一个需要深人 研究的课题． 3 支架类型及参数对顶煤可放性也有影响， 但影响程度要小得多．支架影响范围主要是煤壁和 支架上面的煤体，而且这种影响主要体现在支架工 作阻力和顶梁长度．支架工作阻力的影响体现在支 架的加载、卸载过程卸载是为顶煤的移动提供相 对自由的运动空间．使裂隙张开量有急剧增加的可 能，促使裂隙的扩展和顶煤的破碎．支架卸载对顶 煤破碎的影响不仅仅局限于支架上方，对煤壁前方 的顶煤也产生不同程度的影响．由于卸载降架，顶 煤运移的空间短时问内迅速增加，并从支架上方向 煤壁深处转移，这种自由空间的转移造成了煤壁深 处顶煤裂隙的扩展和张开，促使顶煤破碎．支架加 载将加剧对支架上方顶煤的再破坏，由于加载而造 成支架上部空间缩小，引起煤块体问的挤压、剪切， 使煤体继续破碎，块度继续降低．支架顶梁长度对 顶煤可放性的影响在于支架加、卸载的次数，工作 面每完成一个作业循环，顶梁上部的顶煤经历一次 加、卸载循环．顶梁长，煤体经受加、卸载循环的次 数多，煤体破碎程度好，垂值大；顶梁短，相应的循 环次数少，煤体中值小．因此，强度大且致密的煤 层采用放顶煤开采应适当加大支架的工作阻力，并 采用具有较长整体顶梁的支架． 顶煤裂移度决定了放顶煤开采的适用范围，部 分赋存条件不适宜采用放顶煤开采的煤层，通过采 取注水、松动爆破等措施，采用放顶煤开采也可以 达到满意的效果，但有部分煤层即使采用上述措施 仍不能改善顶煤可放性，就不宜采用放顶煤开采． 5 结论 1 煤层是由孔隙介质组成的煤块群和裂隙组 成的孔隙一裂隙结构，顶煤的破坏是由于大量裂隙 互相贯穿、切割煤体造成的． 2 通过实测结果与有限元计算结果的比较， 可以发现煤体中弹塑性变形很小，构成位移的主体 是裂隙的张开量和煤体破坏后形成块体的刚体转 动量． 3 不同硬度的煤具有不同的可放性特征软 煤具有裂隙数量多、张开量小、顶煤破碎块体小和 失稳滑落的特征；硬煤则为裂隙数量少、张开量大、 顶煤破碎块体大、破碎块体的刚体转动量大且易成 拱和断裂垮落的特征． 4 顶煤位移量5 是评价可放性的基本依据， 本文提出的顶煤裂移度可作为评价顶煤可放性的 指标，该指标综合反映了顶煤随工作面推进时裂隙 的动态变化程度．影响顶煤裂移度的因素有煤层的 赋存深度、煤厚 采厚 、顶煤节理裂隙状况、顶板岩 性、煤的强度、煤的弹性模量等．煤层赋存深度大、 采厚太、裂隙发育，则裂移度增大；顶板岩性好、煤 的强度高、弹性模量大，裂移度减小． 5 对于部分自然条件不适宜采用放顶煤开采 的煤层，可按本文提出的原理和方法，从改善煤的 力学特性人手，并采用顶梁较长的支架，适当增大 支架工作阻力． 参考文献 [ 1 ] 吴健，张勇．顶煤裂隙的发展趋势及其对注水防 尘的影响[ J 3 ．煤炭学报，1 9 9 8 ，2 3 6 5 8 0 5 8 4 ． [ 2 ] 于海捐．吴健．。三软”煤层综放工作面矿压显现特 征D ] ．矿山压力与顶板管理．1 9 9 3 3 t 1 1 1 4 ． I - 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