第九章厚煤层综放开采岩层控制

第九章厚煤层综放开采岩层控制第一节顶煤破碎机理与运移规律第二节放顶煤开采矿山压力显现的基本规律第一节顶煤破碎机理与运移规律一、综放开采的概念在厚煤层（一般煤厚≥5m）下部布置一个综采工作面,高2～3m,支架尾梁有放煤功能,在工作面前后分别布置一台刮板输送机,采煤机组切割的煤炭由前输送机运出,工作面上方的煤炭冒落放出后,由后输送机运出。放顶煤开采的实质是实现工作面煤炭和顶部煤炭同时采出，顶部煤炭的开采是依靠矿山压力作用，使其自行破碎和冒落，且自行流动和放出。放顶煤开采示意图二、顶煤的力学特征与应力场条件1.顶煤的力学特征对顶煤破碎过程起重要作用顶煤的强度顶煤的原生裂隙顶煤的强度与受力状态有关。图9－1不同围压下煤体应力－应变曲线2.采动应力场与约束条件支承压力分布据此可对顶煤的破坏机理给予定性解释：顶煤在支承压力峰值区主要是以剪切破坏为主,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。在支承压力峰值区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强度。图9－4顶煤、顶板位移量与到煤壁距离的关系图9－5顶煤位移场通过比较不同厚度、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，累计位移量越（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（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。三、顶煤的破坏过程描述与分区图9－7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Ⅳ四、影响顶煤冒放性的因素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；中硬煤（1f3），块径多为0.3～0.6m，可放性较好；硬煤（f≥3），块径多为1.0m，且顶煤有悬顶，可放性差。2.煤体裂隙分布的影响裂隙密度大，顶煤快度小，易于冒放。裂隙的方位和组数影响着顶煤的冒放性。平行于工作面的裂隙更容易冒落。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.夹矸影响图9－10夹矸对顶煤冒落的影响五、改善坚硬顶煤冒放性的人工辅助措施对于裂隙不发育的坚硬顶煤（f≥3.5），为了改善顶煤的冒放性，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道施工注水钻孔五、改善坚硬顶煤冒放性的人工辅助措施第二节放顶煤开采矿山压力显现的基本规律一、放顶煤开采矿山压力显现规律(1)支承以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。图9－13放顶煤开采与单一煤层开采的支承压力分布对比(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。何故？图9－12综放采场支架－围岩整体力学模型与单元简图顶煤越硬，则支架载荷相对越大。（3）综放面仍有初次来压何周期来压，但一般来压不明显。（4）支架前柱的工作阻力大于后柱工作阻力。fsrKKKK111110浅埋煤层开采岩层控制10.1浅埋煤层长壁面上覆岩层活动特点10.2浅埋煤层长壁开采顶板砌体梁结构及其稳定性10.3浅埋煤层采场支护10.1浅埋煤层长壁面上覆岩层活动特点浅埋煤层指具有浅埋深、基岩薄、上覆厚松散层赋存特征的煤层。浅埋煤层上覆岩层活动主要特点：（1）顶板基岩沿全厚切落，破断直接波及地表。来压期间有明显的顶板台阶下沉和动载现象。工作面覆岩基本上分冒落带和裂隙带“两带”。（2）老顶岩块不易形成稳定的砌体梁结构。（3）基岩与载荷层厚度之比Jz（简称基载比）对矿压显现具有重要影响。当Jz0.8时，一般都出现顶板沿煤壁台阶下沉；而Jz0.8时，一般不出现顶板台阶下沉。浅埋煤层分典型浅埋煤层、近浅埋煤层二种类型。10.1浅埋煤层长壁面上覆岩层活动特点图10－4工作面上覆岩层整体切落于台阶下沉10.1浅埋煤层长壁面上覆岩层活动特点图10－3某矿工作面第一个周期来压地表下沉剖面采高M=4m面长L=150m埋深H=50~65m10.1浅埋煤层长壁面上覆岩层活动特点10.2浅埋煤层顶板砌体梁结构及其稳定性老顶“短砌体梁”结构模型岩矿厚度与长度之比i接近1。图10－610.2浅埋煤层顶板砌体梁结构及其稳定性“短砌体梁”结构关键块受力111111111)2(cossin24sin34)2(cossin2cos2sin4PiiQPiiTA10.2浅埋煤层顶板砌体梁结构及其稳定性“短砌体梁”结构的稳定性分析lhhPPiiQPiiTA)()2(cossin24sin34)2(cossin2cos2sin411111111111当i=1.0~1.4时，QA=（0.93~1.0）P10RQmR10i0i000ii)(20000iiiiiishQmLT“砌体梁”结构计算式：浅埋煤层老顶上有较厚表土层载荷作用决定了其矿压特征！10.2浅埋煤层顶板砌体梁结构及其稳定性“台阶岩梁”结构模型图10－10老顶“台阶岩梁”结构模型10.2浅埋煤层顶板砌体梁结构及其稳定性浅埋煤层顶板结构理论要点（1）浅埋煤层老顶周期来压期间可能存在两种结构形态，即老顶“短砌体梁”结构和“台阶岩梁”结构。（2）浅埋煤层老顶“短砌体梁”结构的水平力随块度的增加而减小，随回转角的增大而减小。工作面上方老顶岩块的载荷基本上全由前支点承担。（3）浅埋煤层“短砌体梁”结构参数决定了该结构不易出现回转变形失稳，而具有强滑落失稳特性。10.2浅埋煤层顶板砌体梁结构及其稳定性浅埋煤层顶板结构理论要点（4）浅埋煤层顶板架后切落现象不是偶然的，当老顶岩块块度比较大或回转角比较大时都比较容易出现架后切落，形成“台阶岩梁”结构。“台阶岩梁”结构的水平力随回转角的增大而减小，随块度的增大明显下降，随最大回转角（落差）的增大而增大。工作面上方老顶岩块的载荷基本上全由前支点承担。“台阶岩梁”结构的失稳形式为滑落失稳。10.2浅埋煤层顶板砌体梁结构及其稳定性浅埋煤层顶板结构理论要点（5）浅埋煤层条件，“短砌体梁”结构和“台阶岩梁”结构一般都将出现滑落失稳，这就是工作面周期来压强烈和出现台阶下沉的根本原因。（6）通过顶板结构稳定性分析，必须对顶板施加一定的支护力才能维持顶板结构的平衡。控制顶板“台阶岩梁”结构的支护力比“短砌体梁”略大，但是两者随回转角的变化有区别。鉴于“台阶岩梁”和“短砌体梁”结构都有可能存在，确定支护力时应当分别按两种结构计算，取其最大值。10.3浅埋煤层采场支护浅埋煤层采场的合理支护阻力的确定图10－10太沙基岩土压力计算原理lhKPGZ1tGKhlKtan21hlPG10.3浅埋煤层采场支护浅埋煤层采场的合理支护阻力的确定lhlhKhlPPPGZG)5.2~5.1(1111，关键岩块载荷：控制顶板需要的支护阻力：111111)2(cossin24cos2sin3)sin1(4bPiiihblPkm短砌体梁：11max11max1sinsin25.0sinsin2bPiiihblPkm台阶岩梁：神府浅埋煤层条件需要支护阻力7000kN/架（1.5m宽）！