[EQ情商]9矿山压力及其控制(第九章).ppt

第九章厚煤层综放开采岩层控制9.1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，在支架和顶板组成的系统中，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。9.1.1顶煤的力学特征和应力场特征（2）采动应力场与约束条件
如图9-2所示，放顶煤开采的工作面前方应力场分布与单一煤层开采具有类似的规律，即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）。同时径向应力（垂直工作面方向的应力σr）自煤壁向远方逐渐升高。在稳压区，使顶煤处于三向等压应力状态，此时煤体不易破坏。随着距煤壁距离减小，顶煤所受的应力差（σt-σr）增大，即顶煤中的剪应力增大，当顶煤处于支承压力峰值区时，顶煤所受的主应力差达到最大值，由此时的两个主应力所绘制的莫尔园与莫尔—库仑强度曲线相切，顶煤形成剪切破坏，见图9-3。进入塑性区后，顶煤破裂，煤体的强度曲线为破坏顶煤的强度曲线，即为煤体的残余强度曲线，而由此时的σt和σr所绘制的莫尔圆与残余强度曲线始终处于相切状态，即顶煤处于极限平衡状态。σr的变化规律实际上也反映了沿工作面推进方向对顶煤的约束条件，即随着工作面的推进，顶煤的约束条件逐渐减弱，甚至消失，这就为顶煤的冒落提高了条件。由岩石力学理论，岩石处于多向压应力状态下，其破坏的机理主要为剪切破坏，即破坏面上的剪应力大于该面的抗剪强度所致，且破坏面与最大主应力的夹角α为锐角（α=45°-φ/2，φ为岩石的内摩擦角）。当岩石处于单向压缩状态时，如无侧向约束或侧向约束很小时，岩石会发生侧向拉伸变形，当拉伸变形大于岩石的极限应变时，岩石将发生拉伸破坏：顶煤在支承压力峰值区主要以剪切破坏为主，是由于顶煤体中的采动应力场形成的剪应力大于顶煤抗剪强度所致。在支承压力峰值以后随着靠近工作面，沿工作面方向的约束减弱，顶煤的破坏逐渐以拉伸破坏为主，工作面继续推进，顶煤失去侧向约束，在顶板压力和顶煤自重作用下，顶煤将产生冒落，堆积在支架上方或掩护梁上。（3）顶煤的变形与位移
顶煤累计位移量往往反映顶煤的破碎程度和块度。位移量大说明顶煤破碎充分，破碎的块度小，具有很好的流动性，易于放出。反之，顶煤破碎不充分。
图9-4是典型的顶煤位移观测曲线，其中横坐标0点为工作面煤壁位置，h为测点距煤层底板的距离。观测的平均煤厚为9.1m，割煤高2.2m，煤层硬度系数f=0.3，属于极软煤层。观测结果表明，在工作面前方15m处顶煤开始发生移动，且随着距工作面越近，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。一般情况下可采用负指数函数拟合顶煤的累积位移量s与距工作面距离L的关系，即
S=ae-hL
式中a、h——为回归系数。
根据顶煤移动观测以及综合数值模拟计算结果，可以推测顶煤的位移场图，见图-5。通过比较不同厚度、不同硬度煤层的实测结果，可得到不同顶煤的移动特征：
①煤体的硬度不同，顶煤开始移动的位置不同。如同为厚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，顶煤始动点超前距离越大，累积位移量越大，顶煤破碎越充分。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。9.1.2顶煤的破坏过程描述及分区
软煤的内部结构不致密，且含有大量微裂隙；
中硬煤的内部结构致密，微裂隙较少，但裂隙的延展性较好。因此可认为软煤层的变形、破碎是由众多微裂隙和不致密（强度低）的煤块共同完成的，所以，软煤层累计的位移量大，破碎的块度小且均匀。
对硬煤层而言，由于煤体致密，强度大，在采动应力场作用下，应力水平难以达到破坏致密煤块的程度，因此，硬煤的变形、移动、破碎主要由煤体内部的裂隙完成，致使破碎的硬煤块体带有明显裂隙分割的迹象。硬煤层顶煤破坏状况
开采中硬煤层是顶煤的破坏状况如图9—6所示。由图可知，顶煤的裂隙始于煤壁前方支承压力峰值区内，在支承压力作用下，顶煤发生剪切和拉伸破坏，出现裂隙或扩展煤体内的原有裂隙。随着工作面推进、顶板的回转下沉，顶煤裂隙进一步发展，这些被裂隙和层理等弱面切割成块体的顶煤由于受到约束和积压作用，整体处于塑性状态，可视为“似连续体”。随着工作面继续推进，当顶煤进入到