综放面顶板结构研究.doc

综放面顶板结构研究 吴士良 宋 扬 来存良 席京德 综放工作面推进过程中顶板破断后形成的岩体的平衡和失稳的动态过程形成了顶板结构的平衡和失稳。顶板结构的这种平衡、失稳特点引起了工作面和巷道围岩变形过程中的矿压显现特征，对顶板结构及其运动特征的研究，有利于综放工作面围岩控制技术的发展。 1 顶板结构特征 由于综放开采煤层一次性采出厚度的增加，直接顶、老顶的组成和运动有新的特点。 1.1 直接顶的厚度及冒落形态 1.1.1 直接顶的厚度 直接顶的冒落将充填满采空区空间，考虑到放顶煤采场，顶煤从垮落到放出是一个动态过程。加之顶煤的残留厚度是一个与放出率有关的参数，因此，直接顶的厚度将是一个相对变化的值MZ。直接顶厚度可由下式表示一次采全厚采场。参见直接顶厚度推算图1。 图1 放顶煤采场直接顶厚度推断图 MZHT-SA-C/KA-1 SA0.15～0.25h hHηT η1-C/TKm CPHT 式中 MZ直接顶厚度，m； H采高，m； T顶煤厚度，m； C采空区残留浮煤厚，m； KA直接顶碎胀系数，1.3； P工作面采出率； SA老顶在触矸处的沉降值，m； η顶煤采出率； Km顶煤垮落后碎胀系数。 对上式取值举例如下表1，得到不同顶煤厚度和工作面采出率P时直接顶的计算厚度。 P0.98HηT/HT 表1 不同顶煤厚度和采出率对应的直接顶计算厚度 H/m T/m SA/m KA P/ η/ C/m MZ/m a a 0.38a 1.30 94 90 0.12a 5a 2.5 a a 0.36a 1.30 85 80 0.30a 4.46a 2.23 a a 0.32a 1.30 79 60 0.42a 4.2a 2.2 a 2a 0.56a 1.30 92 90 0.24a 7.3a 2.4 a 2a 0.52a 1.30 86 80 0.42a 6.8a 2.3 a 2a 0.44a 1.30 72 60 0.84a 5.7a 1.9 注a为任一假设煤层采高。 表中给出了顶煤厚度T为采高H的1倍和2倍厚度情形，可以反映我国适宜开采的放顶煤采场情况。由表可知，放顶煤开采条件下，直接顶的可能冒落厚度仍然为一次采出厚度的倍数，在一般采场条件下该数值约为1.9～2.5倍。这一计算推导结果也为我国放顶煤开采的部分实测研究所证实。参见表2。直接顶的厚度与采厚的这一比例关系，与分层开采的采场有类似的规律，只不过其厚度的具体数值受到了采空区浮煤厚度C的直接制约略有变化。 据相似模拟研究，正常开采阶段该值才能稳定到一个与采出率P有关的常数值2倍左右采高。稳定的直接顶厚度MZ可分为运动特征有差异的上位直接顶MZ2和下位直接顶MZ1两部分。其中下位直接顶1.0～1.2倍采厚由于冒落后回转空间大，冒落最终形态为不规则，而其上位直接顶断裂后能形成较为稳定的块状体，参见图2。 表2为我国部分放顶煤工作面直接顶垮落高度和垮落分带特征。 表2 我国部分放顶煤工作面直接顶垮落高度 工作面 煤层厚度 HT/m 直 接 顶 不规则垮落带 规则垮落带 高度 MZ1/m 高度MZ /m MZ2/m 三河尖7131 9.0 20.32 2.31 10.49 1.17 10.33 1.15 扎局某综放面 12.0 32 2.67 11.9 1.00 20.1 1.67 三河尖7121 6.5 13.34 2.05 6.58 1.01 6.77 1.04 旗山3119 4.5 10.6 2.33 4.5 1.0 6.0 1.33 大屯徐庄矿综放面 5.5 15.18 2.76 5.95 1.08 9.23 1.68 王庄4309 7.02 14.2 2.02 7.6 1.08 6.6 0.94 鹤壁六矿2503-2 5.2 10.79 2.08 6.26 1.20 4.53 0.88 扎局灵北矿综放面 12.0 22.0 1.83 12.0 1.0 10.0 0.83 阳泉一矿8603 6.38 13.2 2.04 7.8 1.22 6.64 1.04 兴隆庄5306 7.83 17.56 2.24 11.4 1.46 6.27 0.8 平均值 2.23 1.12 1.11 图2 放顶煤采场直接顶分带特征 1.1.2 直接顶和顶煤的冒落特点 由于顶煤放出过程的动态特征，放煤口上方直接顶和顶煤可能形成某种传递力的暂时结构。 1“煤-煤”结构。在顶煤较厚，煤层结构复杂的条件下，很可能出现支架上方未冒顶煤与采空区已冒顶煤之间的拱式平衡结构，且这个结构不易人为破坏，简称为“煤-煤”结构。其结构形态如图3示，T1、T2为顶煤分层厚度。 图3 放煤口附近“煤煤”结构 容易出现这种结构的采场条件是① 顶煤中存在较厚、较硬的夹矸，大块夹矸形成“煤-煤”结构的基底岩层。② 上部顶煤坚硬，呈大块状垮落，或煤中含有粘土成分，呈团块状冒落。 在这种结构下，由于下部顶煤已在采空区内放出，在支架后方出现空洞，空洞上方是“煤-煤”结构，尽管有时能见到该结构，却很难人为破坏，这类采场，应在开采前用软化方法对顶煤进行预处理。 2上位直接顶“散体拱”结构。当煤层普氏系数较小f＜1且松散，直接顶的垮落高度达采出煤厚2倍以上时在老顶结构之下形成直接顶“散体拱”结构，其特点是具有散体介质属性，且在顶煤的流动过程中形成该顶板结构，如图4。 图4 上位直接顶“散体供”结构 3上位直接顶“裂隙体挤压拱”结构。当上位直接顶岩层较硬、且分层厚度较大或遭到预破坏时，断裂后的岩块裂隙岩体相互挤压可形成该结构，如图5。 研究发现网下放顶煤开采时由于采出空间增大，顶分层作为老顶结构的岩层也可作为直接顶而垮落，由于该块体的挤压也能形成该“裂隙岩体挤压拱”。 图5 上位直接顶“裂隙体挤压供”结构 4上位直接顶“裂隙体梁”结构。当直接顶中有坚硬岩层时，该岩层能产生周期性的断裂，断裂步距较裂隙体块大，该断裂尺寸较大的梁式结构能发生失稳和垮落，如图6。 图6 上位直接顶“裂隙体梁”结构 1.2 老顶结构及断裂形态 由于综放开采的特殊性即顶煤的存在和放出，老顶活动及其影响必然受到顶煤及直接顶介质特性的制约。亦即老顶的层位高度和断裂位置呈比较复杂的情况。 1.2.1 顶煤较厚、直接顶约2倍左右采高条件 由于老顶的活动受顶煤和直接顶的制约，老顶的断裂线一般产生于远离工作面的后方，老顶断裂后形成的梁式平衡结构的失稳也发生在远离工作面的采空区内。这种情况的老顶结构状态如图7示。 图7 老顶断裂线位于工作面后方 1.2.2 直接顶较薄的采场条件 当可能冒落的直接顶厚度与煤层厚度相等或小于煤层厚度时，直接顶上方厚度较大的老顶岩层，其断裂线位置根据顶板及煤层条件可能位于煤壁前方、煤壁上方或控顶区上方。 2 顶板结构对支架-围岩关系的影响 支架-围岩关系是指来压时支架受力与顶板运动状态之间的关系。在放顶煤采场，由于顶板结构类型的多样性，必然导致支架围岩关系的复杂性。 2.1 支架与顶煤间的力学联系 通过大量的放顶煤矿压实测，支架必须承担顶煤的全部重量已成为共识，即支架对顶煤采取“给定载荷”的工作方案。对综放支架而言，顶煤的重量可占支架载荷的1/5～1/4。 如果顶煤厚度为T，容重为γ，则顶煤的给定载荷为PZ1Tγ。如果顶煤有悬顶，则应进一步考虑该悬顶的作用影响。 2.2 支架与直接顶的力学联系 1直接顶在放煤口上方附近为“散体拱”结构。形成此种结构采场主要特点是直接顶松散且厚度较大2～3倍采厚，直接顶板冒落性好。控顶区内直接顶的作用须由支架全部承担。此时平衡直接顶的支护强度PZ2为 PZ2MZγZfZ 式中 MZ散体拱直接顶全厚，m； γZ直接顶容重，kN/m3； fZ直接顶的悬顶系数一般情况下fZ1.0。 2直接顶在放煤口上方为“裂隙体挤压拱”结构。支架上方直接顶的静作用力仍需支架全部承担。此时平衡直接顶的静支护强度PZ3为 PZ3MZγZfZ 式中符号意义同上。 3直接顶在放煤口上方为“裂隙体梁”结构。此时直接顶给支架的静载荷仅为其下位厚度的岩重，平衡直接顶的支架静支护强度PZ4为 PZ4MZ1γZfZ 式中 MZ1下位直接顶厚度。 直接顶的上位岩层“裂隙体梁”失稳引起的动载荷按一定的动载系数考虑，上、下位直接顶的动静荷载相加仍不会超过直接顶的全部约2倍左右采高的岩重。 2.3 支架与老顶间的力学联系 老顶运动对工作面支架阻力的影响较大。支架阻力的差异主要是受直接顶的厚度和直接顶的超前破坏强弱制约。一般而言，如果直接顶的厚度大约2倍左右的采厚而且直接顶的超前断裂不明显，如图7示老顶结构时，老顶对工作面矿压显现将不明显。反之，如果直接顶的厚度较小或很小，直接顶的超前破坏明显，则老顶运动与工作面的矿压显现有直接关系，一般老顶来压时动载系数较大。 所以考虑老顶对支架的作用力最实用的途径可按动载系数综合考虑，煤层顶板条件不同时动载系数有明显的差异。 作者简介 吴士良 1964年生，讲师，1989年毕业于山东矿业学院，毕业后一直从事矿山压力的教学和科研工作。发表论文10篇。地址山东省泰安市，邮码271019。 作者单位吴士良 宋 扬（山东矿业学院） 来存良 席京德（兖州矿业集团有限责任公司兴隆庄煤矿） 收稿日期1998-09-18；责任编辑曾康生