第4章 矿压显现与上覆岩层运动间的关系

4.1回采工作面矿山压力显现与上覆岩层运动间的关系采动过程中，矿山压力显现的基本形式包括围岩的明显运动产生的位移和支架受力等。矿压显现产生的根源在于上覆岩层运动。3.4.1围岩变形、破坏与垮落围岩变形、破坏与垮落包括两帮、顶板和底板三个部位。这里只重点介绍顶板垮落。3.4.1.1直接顶的初次垮落长壁工作面从开切眼开始采煤后，直接顶跨度不断增加，其弯曲下沉也不断增加。一般在直接顶跨距达6m～20m后，发生初次垮落。当直接顶垮落高度达到1m以上、垮落长度达工作面长度一半以上时，就叫做直接顶初次垮落。直接顶初次垮落时自开切眼到支架后排放顶线的距离叫做初次垮落步距，如图3-13所示。图3-13直接顶初次垮落直接顶初次垮落又称工作面初次放顶。直接顶初次垮落步距是衡量顶板完整程度的重要指标。直接顶的初次垮落现象是一种典型的矿压显现。3.4.1.2基本顶初次来压如果直接顶垮落后不能填满采空区，基本顶把自身及上位岩层的重量都加到工作面周围的煤柱上，工作面支架感觉不到基本顶的压力。随着回采工作面的推进，基本顶逐渐弯曲下沉，当达到极限跨距时断裂下沉。这时工作面顶板下沉加快，煤壁片帮严重，支架受力增大，甚至发生顶板的台阶下沉。这就是回采工作面开采以来基本顶初次断裂，使工作面支架承受较大的静载荷或冲击载荷，这种矿山压力显现叫做基本顶初次来压，如图3-14所示。基本顶初次来压时，由开切眼到工作面煤壁的距离叫做基本顶的初次来压步距，一般为20～50m。（a）（b）图3-14基本顶初次来压3.4.1.3基本顶周期来压基本顶初次来压后，随着工作面的继续推进，基本顶呈周期性断裂与下沉，工作面周期性出现顶板下沉加快、煤壁严重片帮、支架受力增大以及顶板台阶下沉等。这种由于基本顶周期性断裂引起的矿山压力显现叫做基本顶周期来压，如图3-15所示。相邻两次基本顶周期来压的平均距离，即基本顶周期断裂的平均值叫做基本顶周期来压步距。一般为基本顶初次来压步距的1/2～1/4。EmZmh1L2L图3-15基本顶周期来压3.4.2回采工作面支架受力与上覆岩层运动间的关系研究回采工作面支架上的压力来源、形成的条件及其影响因素，特别是与上覆岩层运动间的关系，认识支架上压力显现的相对性，是正确掌握回采工作面顶板运动规律、评价支架有效支承能力和判断支护工作状态及控制效果的基础。回采工作面支架受力（支架载荷）是顶板运动的结果，其值取决于支架对顶板运动控制的方式和抵抗程度。当支架对顶板的运动不加限制时，其最终受力大小由支架的力学特性和顶板最终沉降值△hA决定；相反，当支架对顶板运动进行限制时，其受力的大小取决于对岩梁位态的控制程度。对于增阻支架来说，在回采工作面工作过程中，可以用支架受力模型（图3-16）表示，其受力值RT为mEmzhLzLk¦¤hZSAR0ERT图3-16支架受力模型ERRT0(3-8)式中TR——支架阻力，N；R0——支架的始动阻力，N；E——支架的刚度，N/m；ε——支架的压缩量，m。支架的压缩量为iTdf()h(3-9)式中△hi——回采工作面顶板下沉量，m；δT——支架钻入顶板的深度，m；δd——支架钻入底板的深度，m；δf——辅助性支护结构（如戴帽、穿鞋等）的压缩量，m。在回采工作面推进过程中，如果采高不变，则回采工作面推进至任一位置时，顶板下沉量△hi可近似表示为KAiiSLhL(3-10)由式（3-8）~式（3-10）可以得出以下结论：（1）回采工作面支架受力大小受多方面因素影响，包括支架本身的力学特性E、回采工作面顶板下沉量ih、顶底板的抗压强度（影响δT，δd）及辅助性支架结构的压缩量δf等。由于这些因素影响，往往会使支架的设计工作阻力（或设计支撑能力）与支架在回采工作面的实际工作阻力（实际承载值）不完全一致，有时相差很大。（2）回采工作面顶板下沉量ih不仅随岩梁的悬跨度变化，而且取决于来压结束时支架的实际工作状态。因此，回采工作面支架受力值与回采工作面推进的时空变化及支架对顶板的工作状态密切相关。（3）支架上的压力显现是相对的，取决于回采工作面上覆岩层运动的状态。3.4.2.1“给定变形”状态下支架的压力显现规律当支架在“给定变形”状态下工作时，支架对顶板的运动不加限制，来压结束时，岩梁沉降至最终沉降位置，回采工作面顶板下沉量将达到最大值，即iAmaxhhh。此条件下采用不同特性支架时的压力显现特征如下所述。1.增阻支架增阻支架为“等压”支架，采用始动阻力为零的增阻支架，例如不发生破顶钻底等情况，其缩量由顶板下沉量ih决定，即ε=ih。由式（3-8）和式（3-9）可知，支架受力值RT表达式为KATiiLSREhEL（3-11）由式（3-11）可知，支架上的压力大小与回采工作面顶板下沉量ih成正比，与岩梁的悬跨度iL成反比。当岩梁处于相对稳定阶段，岩梁的悬跨度iL随工作面推进逐渐增大，而回采工作面顶板下沉量ih会逐渐减少，支架受力值RT也将逐渐下降；当岩梁达到其稳定运动步距b时，在端部断裂前夕，悬跨度iL达最大值（imaxLcbL）。此时，回采工作面顶板下沉量与支架受力均为最低值，即KATminminmaxLSREEhRL(3-12)相反，当岩梁处于显著运动阶段，随着岩梁迅速沉降触矸，悬跨度迅速减少，回采工作面顶板下沉量和支架受力值均会明显增大，直至岩梁达到无阻碍最终沉降位置时，回采工作面顶板下沉量达最大值（iAmaxhhh），支架受力值也相应达到最大值，即TAmaxREHR(3-13)显然，“给定变形”条件下的增阻支架，在回采工作面推进过程中，其压力显现规律与回采工作面顶板下沉量的变化规律相同，如图3-17所示。图3-17“给定变形”条件下增阻支架压力显现规律2.恒阻支架恒阻支架的工作过程可以用曲线描述，如图3-18所示。恒阻支架上的压力显现主要是初撑力0R和始动工作阻力0R，其中minR=0R，maxR=0R。支架在下缩过程中，其阻力是恒定的，即TR=0R，在不破顶、不钻底的情况下，与回采工作面顶板下沉量无关。在“给定变形”状态下工作的恒阻支架，并不改变顶板的运动规律。当岩梁前次来压结束，重新进入相对稳定运动过程时，由于重新悬露的岩梁自身具有稳定性，加上煤壁的支撑作用，支架只承担直接顶的部分作用力，顶板压力将很小，在低于始动阻力的情况下，支架凭借初撑力支撑顶板，而当岩梁进入显著运动时，支架将承担基本顶岩梁的作用力，顶板压力将明显增加，当达到支架的始动阻力0R后，支架开始下缩，阻力不再上升，并趋于稳定，成一平直的直线。由于岩梁周期性的运动，恒阻支架受力变化过程也会呈现周期性的规律，如图3-18所示。图3-18“给定变形”条件下恒阻支架压力显现规律3.4.2.2“限定变形”状态下支架的压力显现规律当支架在“限定变形”状态下工作时，来压时的顶板运动受到支架阻力限制，来压结束时，岩梁不可能沉降至无阻碍最终沉降位置（最低位态），回采工作面实际的顶板下沉量Th将小于“给定变形”条件下的最大顶板下沉量Ah。在“限定变形”条件下，回采工作面来压前后，最小和最大顶板下沉量（h，h）分别为h=KAmLSLb（3-14）Th=KAmLSL（3-15）式中h——来压前夕回采工作面最小顶板下沉量；Th——来压结束时回采工作面最大顶板下沉量，Th＜Ah；mL——来压结束时岩梁的悬跨度，mL＜c。在这种条件下采用不同特性支架的压力显现规律如下所述。1.增阻支架增阻支架在“限定变形”状态下工作时，其受力大小完全由回采工作面顶板下沉量决定。由式（3-14）和式（3-15）可知，来压前后支架受力值分别为R=hE，TR=TEh。在回采工作面推进过程中，支架受力的规律是：在岩梁相对稳定运动阶段中，随岩梁悬跨度iL由mL增加至mL+b，回采工作面顶板下沉量ih由来压结束时的最大值Th逐渐下降至最小值h。同时，支架受力值由来压结束时的最大值TR降至来压前夕的最小值R；相反，当岩梁进入显著运动阶段，随岩梁悬跨度由mL+b降至mL，回采工作面顶板下沉量由h增至Th，支架受力将由R迅速上升至TR。在上述过程中，支架受力与回采工作面顶板下沉量的变化规律是一致的，如图3-19所示。图3-19“限定变形”条件下增阻支架压力显现规律2.恒阻支架对“限定变形”状态下的恒阻支架，其压力显现的大小与回采工作面顶板下沉量无直接关系，在一定的初撑力0R和始动阻力0R条件下，仅取决于顶板压力。随岩梁每一次进入显著运动，顶板压力达到0R后，支架上的压力显现就会出现稳定的恒阻段，随岩梁每一次进入相对稳定运动，支架上的压力显现又降至初撑力0R。随岩梁周期性的运动，支架上的压力显现将周期性的出现稳定的恒阻段，这一显现规律如图3-20a所示。图3-20“限定变形”条件下恒阻支架压力显现规律在“限定变形”状态下的恒阻支架，其压力显现的大小与变化规律，并不随支架对顶板运动限制要求的改变而明显地改变，例如，将顶板下沉量控制在“限定变形”的上限，即Th=minh，尽管在回采工作面推进过程中，顶板下沉量几乎无变化，但恒阻支架上的压力显现的大小及其变化规律仍然与图3-20a相近，如图3-20b所示。同理，恒阻支架在“限定变形”和“给定变形”两种条件下工作，支架上压力的大小和变化规律也是相近的，如图3-18和图3-20所示。3.4.2.3不同类型顶板条件下支架压力显现特征回采工作面顶板情况不同，即岩层的运动规律不同，在推进过程中支架上的压力显现也就不同。对于强度高、厚度大的顶板，有可能发生整体垮落。在顶板垮落前，岩层大面积悬露，且无明显沉降，则支架上显现的压力将会很小，一旦切落，支架受力将迅速上升，甚至会切垮工作面。对于强度高的基本顶岩梁，当其下部直接顶垮落，不足以充填采空区时，由于岩梁显著沉降的空间较大，则在来压时刻，往往伴有动压冲击，支架受力会明显上升。相反，对于强度低的软岩顶板，岩梁的自稳性较低，当下部岩梁沉降时，上部岩梁会在不太长的时间内追随下部岩梁沉降。因此，回采工作面顶板下沉量及基本顶的厚度均随时间增加而增加，致使在回采工作面推进过程中，支架受力一直十分明显，且工作面推进速度越慢，支架受力将会越明显。回采工作面来压前后，支架压力显现的差异是客观存在的。不少单位采用“来压强度”或“动载系数”来反映和描述这一差异。其中动载系数所采用的指标归纳为如下三种情况：（1）采用回采工作面来压后与来压前顶板下沉量（单位为mm）之比。（2）采用回采工作面来压后与来压前支架工作阻力（单位为N/根或N/架）之比。（3）采用回采工作面来压后与来压前实际支护强度（单位为Pa）之比。在确定动载系数的基础上，根据其值大小来划分顶板来压强度的类型。基于压力显现的相对性，不讲条件地、简单地采用上述比值的方法来确定动载系数，并加以应用是不妥当的。因为动载系数不仅与支架对顶板的工作方式密切相关，而且在既定的工作状态下，与所采用的支架类型和所选用的不同指标也有密切关系。在给定变形条件下，岩梁将沉降至最终沉降位置，来压结束时回采工作面顶板下沉量为△hi=△hA=△hmax，在此情况下，若采用来压前后回采工作面顶板下沉量之比作为动载系数的指标，则无论采用增阻支架或恒阻支架控制顶板都会得到相同的结果；若采用来压前后支架工作阻力之比作为动载系数的指标，则动载系数与支架的力学特性相关。当采用增阻支架时，由于来压结束后回采工作面顶板下沉量为定值△hA，则动载系数随增阻支架刚度的增加而增大。当采用恒阻支架时，则动载系数由支架的初撑力和始动工作阻力决定。在限定变形状态下，岩梁的位态受到支架阻力的限制，来压结束时支架与顶板建立起力学平衡系统，回采工作面顶板下沉量为控制所要求的顶板下沉量△hT。在此情况下，若采用来压前后回采工作面顶板下沉量之比作为动载系数指标，则无论用增阻支架还是恒阻支架都会得到相同的结果，但是，限定变形状态下动载系数要比在给定变形状态下的动载系数值小，且岩梁控制的位态越高，差别越大。若采用来压