对非正规采煤方法顶板冒落规律的探讨.pdf

对非正规采煤方法顶板冒落规律的探讨 高顺平 汾西矿业集团公司双柳矿，山西柳林0 3 3 3 0 0 摘要阐述了非正规采煤方法中几种顶板冒落的特点及其规律，并进行了理论分析研究。 关键词采煤法顶板冒落规律 分类号T D 3 2 7 ．2文献标识码B文章编号1 6 7 2 3 8 8 0 2 0 0 5 0 1 0 0 4 5 0 2 随着科学技术的不断提高，绝大多数国有煤矿 和部分乡镇煤矿都采用了机械化正规采煤方法采 煤。但是一部分国有煤矿和部分乡镇煤矿受地质条 件、技术力量、资金等因素的制约，还采用旧的非正 规方法采煤。由于非正规采煤法顶板管理不规范，支 护落后，顶板事故时有发生，给国家和人民生命财产 带来较大的损失。另外，因非正规采煤方法种类繁 多，对顶板冒落规律很少有人研究，对非正规采煤方 法顶板冒落规律认识不清，因此，有必要对非正规采 煤方法顶板冒落规律进行探讨。 1椭四形冒落 1 ．1 冒落特点 顶板冒落后，冒落面比较规则，圆滑 如图1 ， 图1椭圆形冒落 冒落形状一般呈椭圆状。冒落高度变化于0 ．4 ～ 4 ．0 m 。巷道两帮围岩的破坏角为6 0 。一7 0 。。这类顶板 一般为泥岩、砂质页岩含有泥质夹层等的松软岩层， 由于这类岩层强度低，分层厚度小，自持能力差，往 往在巷道扩帮或端头空顶面积大，或放炮震动时引 起这类冒顶。 1 ．2理论分析 首先将巷道周围岩体力学性质如下简化①巷 道形状为圆形；②巷道周围岩体是均质连续弹性体； 收稿日期2 0 0 4 一l O l l ③巷道周围岩体内的应力是由无限远处的均布载荷 所引起，岩体内各点的垂直应力为盯t ，各点的水平应 力为叮，④巷道是处在岩体中，巷道在轴向不能产生 位移，围岩只能在断面范围内变化，即空间问题可作 为平面问题处理。 先看圆形断面巷道周围岩体内的应力分布 侧压系统入 仃2 ／盯l ， O ≤入≤1 用弹性力学的方法，可求得巷道围岩切向应力 ∞ 应力方向与圆形断面巷道半径垂直 与径向应力 盯。 圆形断面巷道半径方向的应力 的计算公式如下 盯。 盯l 仃2 1 坼／1 2 [ 仃l 一仃2 1 3 入0 4 ／入4 c o s 2 0 ] ／2 盯。 叮I 仃2 1 一坼／一y 2 一[ 仃l 一盯2 1 4 ／1 2 3 W ／ y 4 c o s 2 。] ／2 式中1 0 _ 圆形巷道的半径； y 一围岩内沿圆形断面巷道半径方向上的 任一点； O 一半径与水平轴线夹角 如图2 。 辔一 a 嵌固状态 b 筒支状态 图2岩梁的支承条件与弯矩 其它形状的巷道围岩应力分布，也可以圆形巷 道之理推导出来，也可用光弹实验或有限元法求出 围岩中的应力。 椭圆形巷道围岩受力最好，均为压力，我们知道岩 体抗压能力很强，而抗拉能力最弱，因而在破碎的围岩 万方数据 4 6 高顺平对非正规采煤方法顶板冒落规律的探讨第1 期 中，巷道冒落最终稳定下来，一定是形成椭圆形断面。 实际上，圆形巷道刚掘好时，在巷道的周边就形 成集中应力，其切向应力分布为仉，。随着时间的推移 和围岩的运动，巷道周围就形成破碎圈，破碎圈内的 切向应力和径向应力随着向深部发展而逐渐增加， 此时，其切向应力分布为研。。 在采矿中常将切向应力分布曲线称为支承压力曲 线，这种支承压力曲线在采矿工程中具有普遍意义。 2 层状顶板裂断冒落 2 ．1 冒落特点 当巷道或煤房宽度大，顶板岩层分层厚度较小 时，在自重作用下，层状顶板岩层端部产生裂断引起 冒落。如果煤房两侧煤体塑性破坏比较严重，或顶板 强度大，层状顶板岩层裂断时，端部裂断线也有可能 进入到两侧煤帮内部。 这类顶板事故一般发生在强度较低，分层厚度 小于O ．5 ～0 ．8 m 的页岩、砂页岩或砂质泥岩等巷柱 式采煤法的顶板岩层条件下，或顶板强度相对较大 的房柱式采煤法的顶板。 2 ．2 理论分析 这类顶板属弯 拉 破坏的第一阶段，是其跨度 达到极限后，岩层在伸人煤壁的两端部裂断，而在悬 梁跨度的中部未来得及裂断而实现的。岩层弯坏的 力学过程就是其支承条件由双嵌固梁向简支梁发展 的过程。图2 为岩梁的支承条件和弯矩。 对于双嵌固梁来说，其端部和中部弯矩分别为 端部M g L 0 2 ／ 9 1 一9 2 I J 0 2 ／1 2 中部Mo g k 2 ／2 4 9 1 一9 2 L 0 2 ／2 4 而应力盯 M ／w ，W 为岩梁的截面模量。 即端部拉应力为中部的1 倍。端部岩梁先断裂， 此时双嵌固梁转变成简支梁。 而简支梁端部和中部弯矩为 端部M n O中部M o g 。一9 2 I J 0 2 ／8 即中部应力最大，若能达到岩梁极限强度，则中 部破断，若达不到则中部不断，顶板呈层状冒落。实 际上，煤体强度有限，若煤体弹性状态破坏，即煤体 被压酥，弹性区内移，则双嵌固梁固定端就内移，即顶 板端部裂断线进入到两侧煤帮内部。 3 板状冒落 这类顶板冒落特点如图3 所示，若房柱式采煤法 煤房跨度为b ，直接顶跨落步距 长壁式开采时的跨 落步距 为C ，当b ／C l 时，无论煤房开多长，都不 会如此垮落。若1 b ／C 1 ．5 2 ．0 时，则形成“x ”型 垮落。若b ／c 1 ．5 9 ，c O 为老顶 来压步距 ，则是由房柱式采煤法向短壁式或长壁式 采煤法转化了。 图3板状冒落 这类顶板是形成图3 a 的冒落形式，还是形成图 3 b 的冒落形式，要看煤房参数和煤及顶板的强度。一 般煤房跨度大，顶板薄且强度大，煤质软，以图3 a 形 式冒落。反之则以图3 b 形式冒落。采空区上方坚硬 顶板“板”的活动规律，理论上还需进一步研究。 4 其它类型冒落 这类顶板冒落的特点是冒落形状不规则，有三 角形冒落、梯形冒落、破碎带冒落和危岩抽条冒 落。三角形冒落、梯形冒落和破碎带冒落，多发生在 断层等地质构造破碎带，或顶板破碎不稳定地段。 抽条冒落，多发生在巷柱式采煤法倾角大的煤层中 的冒落。 总之，非正规采煤法种类繁多，顶板管理不规范， 多为硐室扩帮开采，再加上采矿条件落后，顶板冒落规 律很少有人研究。今后这方面的研究路子还很长，还有 待进一步研究。 作者简介高顺平 1 9 6 2 一 ，采煤工程师，现任汾西矿业 集团双柳矿总工程师。 P r o b ei n t or e g u l a r i t yo fp a r t i a lc o U a p s et h r o u g ht h ei r r e g u l a r l ys y s t e mo fm i n i n g 能DS M 印i 昭 S h u a n l i uC o a lM i n eo fS h a n x iF e n x iM i n eG r o u pC o I p o r a t i o n ，L i u l i n ，S h a n x i ，0 3 3 3 0 0 责任编辑杨惠民 万方数据