第九章-厚煤层综放开采岩层控制

矿山压力与岩层控制12020/2/28《矿山压力与岩层控制》之–第九章中国矿业大学厚煤层综放开采岩层控制厚煤层综放开采岩层控制2020/2/28矿山压力与岩层控制29.1顶煤破碎机理与运移规律9.2放顶煤开采矿山压力显现的基本规律9.3本章小结本章内容提要第九章厚煤层综放开采岩层控制在厚煤层（一般煤厚≥5m）下部布置一个综采工作面回采，采高2～3m，顶部煤层依靠矿山压力作用，使其自行破碎和冒落，且自行流动和放出。2020/2/28矿山压力与岩层控制3第一节顶煤破碎机理与运移规律一、综采放顶煤开采的概念1)顶煤的力学特征对顶煤破碎过程起重要作用2020/2/28矿山压力与岩层控制4二、顶煤的力学特征与应力场条件顶煤的强度顶煤的原生裂隙第一节顶煤破碎机理与运移规律2)采动应力场与约束条件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）。2020/2/28矿山压力与岩层控制5第一节顶煤破碎机理与运移规律若按岩体性质分，可将其分为弹性区（E）和塑性区（D）（也称极限平衡区）。不同围压下煤体应力—应变曲线2020/2/28矿山压力与岩层控制6第一节顶煤破碎机理与运移规律当顶煤位于支承压力峰值区时，顶煤所受的主应力差达到最大值，顶煤形成剪切破坏。随着工作面推进，顶煤周边的约束条件逐渐减弱，甚至消失，为顶煤的冒落提供了条件。2020/2/28矿山压力与岩层控制7第一节顶煤破碎机理与运移规律顶煤的破坏机理：1）顶煤在支承压力峰值区主要是以剪切破坏为主。2）在支承压力峰值区以后随着靠近工作面，顶煤的破坏逐渐以拉伸破坏为主，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。2020/2/28矿山压力与岩层控制8第一节顶煤破碎机理与运移规律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强度顶煤、顶板位移量与到煤壁距离的关系2020/2/28矿山压力与岩层控制9第一节顶煤破碎机理与运移规律顶煤位移场2020/2/28矿山压力与岩层控制10第一节顶煤破碎机理与运移规律2020/2/28矿山压力与岩层控制11第一节顶煤破碎机理与运移规律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。6～8m厚煤层，h=6m处，顶煤始动点超前工作面的距离软煤层（f=0.3～0.5）15m中硬煤层（f=2～3）10m硬煤层（f≥3.5）5m2020/2/28矿山压力与岩层控制12第一节顶煤破碎机理与运移规律（2）不同高度顶煤始动点的位置不同，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。2020/2/28矿山压力与岩层控制13第一节顶煤破碎机理与运移规律1)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。2020/2/28矿山压力与岩层控制14第一节顶煤破碎机理与运移规律三、顶煤的破坏过程描述与分区2)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挤压作用，整体处于塑性状态，可视为“似连续体”。2020/2/28矿山压力与岩层控制15第一节顶煤破碎机理与运移规律3)工作面继续推进，当顶煤进入到支架上方后，将逐渐冒落，并堆积在支架掩护梁上形成散体。中硬煤裂隙发育过程实测结果顶煤分区图1.原始状态区Ⅰ2.压缩变形区Ⅱ3.拉剪破裂区Ⅲ4.散体冒放区Ⅳ2020/2/28矿山压力与岩层控制16第一节顶煤破碎机理与运移规律顶煤冒放性是指顶煤冒落与放出的难易程度。影响顶煤冒放性的因素：1)煤体强度软煤（f1），冒落块度小，块径在0.2～0.3m以下，可放性好；顶煤的冒落角α大于90°。2020/2/28矿山压力与岩层控制17第一节顶煤破碎机理与运移规律四、影响顶煤冒放性的因素中硬煤（1f3），块径多为0.3～0.6m之间，可放性较好；顶煤的冒落角α介于60°～80°硬煤（f≥3），块径多为1.0m以上，且顶煤有悬顶，可放性差,顶煤的冒落角α小于60°2020/2/28矿山压力与岩层控制18第一节顶煤破碎机理与运移规律顶煤冒落形态2020/2/28矿山压力与岩层控制19第一节顶煤破碎机理与运移规律顶煤垮落角与煤层强度的关系2)煤体裂隙分布的影响裂隙密度大，顶煤块度小，易于冒放。裂隙的方位和组数影响着顶煤的冒放性。顶煤中含有平行于工作面的裂隙较含垂直工作面的裂隙更容易冒落，如果顶煤中含有多组裂隙，则更有利于改善顶煤的冒放性，如图(c)所示。2020/2/28矿山压力与岩层控制20第一节顶煤破碎机理与运移规律3)顶煤厚度合理顶煤厚度2～10m。硬煤层不应超过6m。顶煤太薄会混矸，顶煤太厚会使顶煤回收率降低。4)夹矸影响大于0.4m厚的夹矸多呈大块状冒落，冒落后有时堵塞放煤口，上部顶煤放出困难。图9－8夹矸对顶煤冒落的影响图9－8夹矸对顶煤冒落的影响2020/2/28矿山压力与岩层控制21第一节顶煤破碎机理与运移规律另外顶煤中的厚层夹矸会起到悬臂支托上部顶煤的作用，以至使上部顶煤无法及时冒落。改善裂隙不发育的坚硬顶煤（f≥3.5）冒放性，常采用：顶煤专用巷道顶煤爆破架间顶煤专用巷道顶煤注水两巷道钻孔注水2020/2/28矿山压力与岩层控制22第一节顶煤破碎机理与运移规律五、改善坚硬顶煤冒放性的人工辅助措施改善顶煤冒放性顶煤预爆破示意图2020/2/28矿山压力与岩层控制23第一节顶煤破碎机理与运移规律综放开采与单一煤层开采在围岩性质方面的差异就是支架上方存在着一层破碎的、强度低的顶煤，不仅增大了直接顶（包含顶煤）的厚度，而且改变了直接顶的整体力学特性。2020/2/28矿山压力与岩层控制24第二节放顶煤开采矿山压力显现的基本规律一、综放采场支架与围岩力学系统模型综放采场支架与围岩力学系统模型：①老顶，由于综放开采一次采出煤厚大于分层开采，因而形成稳定的砌体梁结构层的高度必将大于分层开采。②直接顶（包括顶煤），不仅直接顶的厚度大于分层开采情况，而且损伤破碎程度也严重。③支架，不仅综放支架结构复杂，而且，由于受放煤等影响，综放支架更加复杂，并受动载影响严重。④底板，综放采场底板的完整性较分层要好。2020/2/28矿山压力与岩层控制25第二节放顶煤开采矿山压力显现的基本规律根据综放采场支架—围岩整体力学模型中各单元的受力状态和结构特性，可将其简化为相应的受力体。①老顶，为刚体，在整体力学模型中起主动力作用，给定整个系统转动和滑移变形。2020/2/28矿山压力与岩层控制26第二节放顶煤开采矿山压力显现的基本规律②直接顶，可简化为损伤或破碎体，其作用一是给支架加载，二是传递老顶给支架的作用。③支架，在考虑到支架安全阀起动情况下，可作为弹性—滑移体支架为采场矿压控制的主体。④底板，为弹性体或刚体。2020/2/28矿山压力与岩层控制27第二节放顶煤开采矿山压力显现的基本规律综放采场支架—围岩整体力学模型，老顶形成稳定的砌体梁结构，刚性转动量有一定范围，作用于直接顶，即称为给定变形。对于直接顶，在综放开采情况下，考虑到顶煤的可放性，其部分介质必定进入破碎状态。2020/2/28矿山压力与岩层控制28第二节放顶煤开采矿山压力显现的基本规律(1)支承压力分布放顶煤开采的支承压力分布范围大，峰值点前移，但支承压力集中系数没有明显变化。放顶煤开采与单一煤层开采的支承压力分布对比2020/2/28矿山压力与岩层控制29第二节放顶煤开采矿山压力显现的基本规律二、放顶煤开采矿山压力显现规律2020/2/28矿山压力与岩层控制30第二节放顶煤开采矿山压力显现的基本规律综放面支承压力的分布同时受到煤层强度、煤层厚度等影响。①煤层愈软，支承压力分布范围愈大，峰值点距煤壁愈远。对于软煤层，峰值点为15～25m，分布范围40～50m；对于硬煤层，峰值点5～8m，分布范围20～30m。②煤层愈厚，支承压力分布范围愈大，峰值点距煤壁愈远。放顶煤工作面支承压力峰值点前移的原因是由于顶煤强度较低引起的。2020/2/28矿山压力与岩层控制31第二节放顶煤开采矿山压力显现的基本规律③如果顶煤中存在一层较厚、强度较大夹矸层，夹矸层除了影响到顶煤冒落形态外，还会影响到支承压力分布，使其显现出较硬煤层的支承压力分布特征。2020/2/28矿山压力与岩层控制32第二节放顶煤开采矿山压力显现的基本规律(2)支架载荷并不因采高加大而增加顶板压力估算公式p＝（4～8）M·γ按上式，随M↑，p↑。但综放面支架p并没有较一般综采面增大。支架受载并不因采高加大而增加，仅与煤的强度有关，煤的强度大，则顶煤的完整性愈好，支架载荷稍大。2020/2/28矿山压力与岩层控制33第二节放顶煤开采矿山压力显现的基本规律fsrKKKK1111K-支架与围岩体系刚度；Kr-直接顶刚度；Ks-支架刚度；Kf-底板刚度（3）综放面仍有初次来压和周期来压，但一般来压不明显，这是由于破断顶板离工作面较高的原因。（4）放顶煤工作面的煤壁及端面顶板的维护特别重要。（5）支架前柱的工作阻力大于后柱工作阻力。放顶煤工作面综放支架前柱的工作阻力普遍大于后柱，一般为10%～15％，最高的可达到37%。对于软煤而言，顶煤破碎和放出较充分，支架顶梁后部上方的顶煤较少，因此相对硬煤而言，支架前柱工作阻力大于后柱工作阻力这一特点表现得更加明显。同时，支架承受冒落煤矸冲击造成的动载荷影响明显。2020/2/28矿山压力与岩层控制34第二节放顶煤开采矿山压力显现的基本规律2020/2/28矿山压力与岩层控制35第二节放顶煤开采矿山压力显现的基本规律南屯矿73上19综放工作面支架循环阻力变化曲线2020/2/28矿山压力与岩层控制36兴隆庄3303综放工作面支架循环阻力变化曲线第二节放顶煤开采矿山压力显现的基本规律（6）下分层综放时的矿压显现规律。下分层综放开采时的矿压显现仍然具有一般开采的矿压规律，但矿山压力显现程度有所减弱。2020/2/28矿山压力与岩层控制37第二节放顶煤开采矿山压力显现的基本规律直接顶垮落高度与采高有关。放顶煤支架必须支撑静压和动压。支架工作阻力的增加，可有效地控制顶板。但如果阻力过大，往往阻力利用率不高还增加支架重量、造价，经济效益降低。因此，必须合理选择支架的工作阻力。根据已有的试验，缓斜放顶煤开采时支架的工作阻力情况见表9-2所列。2020/2/28矿山压力与岩层控制38第二节放顶煤开采矿山压力显现的基本规律三、支架的合理工作阻力2020/2/28矿山压力与岩层控制39第二节放顶煤开采矿山压力显现的基本规律放顶煤工作面支架阻力kN支护强度kN/m2动压系数阳泉FD440-1.65/2.6540143317042621.4潞安ZFD4000-17/331237178420592331.15平顶山FD440-161800204022323851.3阜新BYC400-16/28358101113602001.23使用矿区架型初撑力0PkN平均阻力tPkN末阻力mP支架的实际支护强度一般为200～380kPa。老顶来压强度对支架受载的变化影响并不大，采放高度与对支架受载影响也不大。1)估算法估算支架阻力的力学模型如图所示2020/2/28矿山压力与岩层控制40第二节放顶煤开采矿山压力显现的基本规律估算支架阻力的力学模型可按下列原则考虑：(1)采场上方顶板在靠煤壁一侧为顶板破裂线，当断裂线移至煤壁附近时为支架受载最大的时刻。(2)采空区一侧顶煤、岩按垮落角上伸，其侧面有垮落的矸石支撑，且对顶煤、岩层的下沉具有相应的摩擦阻力。(3)老顶载荷Q3，或称为裂隙体梁结构失稳形成的载荷，此结构以上的载荷对支架的影响可忽略不计。2020/2/28矿山压力与岩层控制41第二节放顶煤开采