综放面顶煤冒放性以及上覆煤岩移动规律的研究

摘要：本文首先从地质条件和采煤工艺两方面分析了对顶煤冒放性的影响，然后概述了上覆岩层的“三带”划分，推算了垮落带高度的计算方法，在此基础上对上覆岩层的移动规律进行了分析。

关键词：综放面；顶煤冒放性；上覆煤岩；移动规律

中图分类号：P618文献标识码： A

1.影响顶煤冒放性的因素

影响顶煤冒放性的因素有地质因素和技术因素。地质因素包括：开采深度、煤层强度、顶煤节理裂隙的影响、夹石层的影响、顶板岩层的影响。技术因素包括：采放比、放煤步距、放煤方式，因此，改变顶煤冒放性主要在于改善开采技术[1]。

1.1 地质条件对顶煤冒放性的影响

（1）开采深度

煤层开采深度决定原岩应力和支承压力的大小，当开采深度越大时，煤层上方的原岩应力也越大，煤体的支承压力是煤体破碎和散落的主要原因。所以，煤层的开采深度对顶煤是否可以放出有决定性作用。

根据Griffith 强度理论，顶煤破坏的临界深度为[2]：

由公式可看出，其他条件一定时，采深H 越大，煤的支承压力越大，顶煤也就越容易放出；当采深H 越小时，煤层的支承压力达不到煤体破碎的临界值，顶煤无法破碎充分，这时需要采用其他技术手段来使顶煤破碎充分。

（2）煤层强度

煤层强度直接反应了煤层对支承压力的承受程度。当煤层强度较大时，顶煤的破坏不充分，导致顶煤破碎为较大块煤，顶煤块度越大，煤层的冒落性也就越差。

（3）煤层厚度

煤层厚度对顶煤冒放性的影响主要表现在采煤厚度与放煤厚度的比值上。工作面顶煤的冒落主要靠支架与顶煤相互作用和前方支承压力对顶煤的作用。一般而言，放顶煤采放比最好为1:1～1:2，最高不超过1:3。但是煤矿地质条件有自身复杂性，在特殊地形下某些矿区的采放比大于1:3。

（4）顶煤节理裂隙

煤体中裂隙主要分两类：原生裂隙和采动裂隙。原生裂隙是在煤体为采动时由于原岩应力或者地壳构造变化对煤体产生力的作用，原生裂隙一般以微裂隙形式存在。采动裂隙为在开采煤层时所产生的支承压力对煤体作用所形成的裂隙，采动裂隙在很多程度上促使了煤体破碎和冒落。

顶煤裂隙对顶煤强度的影响还与裂隙的走向，顶煤的摩擦系数和裂隙的粘结力等因素有关。北京煤炭科学总院的贾光胜教授对顶煤裂隙研究得出以下公式[3]：

（5）夹石层

我国厚煤层中普遍存在夹矸层现象，而且夹矸煤层中矸石的厚度和强度也各不同。由于煤层中有夹矸层存在，提高了顶煤整体的抗压强度，使得顶煤破裂块度大，影响顶煤的放出率。

根据夹矸层在煤层中的位置，一般分为三类：①上部夹矸层；②中部夹矸层；③下部夹矸层。煤矿中夹石层处于三向应力中，当工作面开始推进的时候，夹石层下部顶煤由于冒落与夹石层失去了接触，而上部煤层由于重力作用成为夹矸层的载荷，夹石层的受力如图1-1 所示。

当放顶煤矸石层悬臂长了1.0m 时，其最大临界夹矸层厚度mj为[4]：

当hm 为2～6m，R f 取砂岩和页岩的最大抗拉强度时，由公式(1-3)可得，临界夹矸层厚度砂岩为0.3m，页岩为0.4m。

图1-1 夹矸层受力状态

（6）顶板岩层

岩层顶板对顶煤冒放性的影响主要表现在直接顶与基本顶对顶煤的作用。

直接顶对顶煤的压裂作用效果不明显，直接顶对顶煤冒落主要表现在当直接顶太薄或直接顶冒落的矸石无法填满采空区时，会有一部分顶煤无法从放煤口放出。理想冒落方式是直接顶随着顶煤一起冒落且冒落的矸石可以填满采空区。所以，直接顶冒落必须满足。式中M为采放高度，Kp为岩石碎胀系数。此公式表示直接顶的跨落可以完美的充填采空区。

1.2 放煤工艺对顶煤冒放性的影响

（1）采放比

顶煤的破坏因素主要表现在：一是工作面液压支架对顶煤不断的反复支撑引起顶煤的破裂；二是煤层开采后顶板支承压力对顶煤的破坏。现场观测表明，支架与顶煤相互作用引起顶煤的破坏范围一般只限于顶煤2m 以内，往上作用力呈现急速的衰减现象。所以，在厚煤层中，采高越大，则顶煤的放出率越高。

（2）放煤步距

放煤步距是相邻两次放煤之间采煤机的推进距离，是影响顶煤采出率的重要指标之一。科学的放煤步距应在保持最小混矸率的同时让顶煤完全放出，但由于煤矿生产条件复杂，一般很难达到此要求。放煤步距一般等于采煤机的截深或为截深的倍数。合理的放煤步距与煤层的地质条件，液压支架的型号，顶煤跨落角，煤岩松散体的移动规律等因素有关系。根据多年来的现场实践，得出经验公式[5]：

由公式可看出，顶煤厚度越大，放煤步距就必须加大。这是因为当顶煤厚度增加时，煤层的抗压强度增大，此时只有增加放煤步距，加大顶煤中的支承压力才可以使得顶煤得到有效的破碎，提高采出率。

2.综放面上覆岩层的移动规律

2.1 采场上覆岩层分类

当煤层开采后，由于上覆岩层收到采场支承压力作用，将使上覆岩层在垂直方向分为 “三带”，即垮落带、裂隙带和弯曲下沉带，如图2-1所示。研究“三带”对顶煤的欲裂与工作面的支护有着重大的指导意义。

图2-1 采空区上覆岩层移动规律的结构模型

（1）跨落带

跨落带岩层对顶煤有直接作用，岩层的跨落所造成的支承压力是影响顶煤冒落的重要因素。在放顶煤开采的条件下，垮落带的高度约为采高的3.7倍。

（2）裂隙带

裂隙带岩层一般排列比较整齐，且碎胀系数较小。

（3）弯曲下沉带

弯曲下沉带是传递矿山压力的主要岩层，对顶煤的预裂有着重大的作用。

2.2上覆岩层跨落带高度

垮落带高度取决于煤层的采高、上覆岩层的岩性、碎胀系数和煤层的倾角，对于中倾斜及以下的煤层，当煤层顶板覆岩中有极坚硬岩层，开采过程中能形成悬顶，则当能充满采空区时，垮落带的高度可由下式计算。

当煤层顶板为坚硬、中硬、软弱岩层或其互层时，则要考虑顶板的下沉因素，煤层开采后形成的垮落带高度可由下式计算：

其他同上。

综采放顶煤开采时工作面矿压显现特征与上方垮落带高度有密切关系，而垮落带高度与煤层上方各垮落岩层的碎胀系数、以及裂隙岩梁的弯曲下沉有关。

直接顶一般是随着回柱放顶而在采空区垮落，跨落的散体杂乱堆积在采空区内，且堆积的高度要大于原来直接顶岩层的厚度。但由于综放工作面端头区，随着工作面的推进而不断的变换位置，受上覆岩层的影响，其后方的垮落带并没有达到充满的状态，因此，直接顶岩层垮落后与老顶之间留下一个空隙，其空隙Δ的大小以下式计算：

当Δ ＝0的条件下，即基本顶岩梁下沉量Δ 较小，可以忽略不计。该条件下直接顶较厚、强度较低，垮落后冒落矸石的上部边界与基本顶岩梁的下部边界基本相接触， 这是一种较理想的开采条件，在该条件下基本顶周期来压不明显，对端头支护十分有利， 即：

基本顶断裂后，其破断岩块变形下沉，迫使直接顶（顶煤）变形而向支护体上加载， 为保证足够的端头高度，支护体要承受得起这个载荷。

2.3 上覆岩层移动规律

上覆岩层移动主要受原岩应力和工作面推进后所产生的支承压力的影响。随着力的不断改变，在顶板垂直方向分为冒落带、裂隙带、弯曲下沉带。冒落带根据工作面推移产生支承压力的变化又分为直接顶跨落和老顶跨落。当煤层开采时，随着工作面的推进，直接顶悬漏面积增大，当达到其极限跨距时直接顶开始冒落。直接顶跨落的大小由直接顶强度、厚度以及直接顶中裂隙发育有关。当工作面继续推进时，老顶的冒露程度不断加大，弯矩不断增加，老顶岩层达到其极限强度时，将形成老顶冒落。

图2-2 上覆岩层移动规律

当煤层开采后，随着工作面的推移和顶煤不断放出，直接顶不断。当煤层开采后，部分的直接顶受力由三向应力变为两向应力，同时由于支承压力影响，上覆岩层中开始产生裂隙。随着工作面的继续推进，部分直接顶面积开始变大，此时直接顶可看似一简支梁结构，据材料力学可知，其余量一定时，随着长度增加简支梁弯矩不断加大，所以直接顶开始有离层现象发生。随着工作面更加深入推进，简支梁达到其极限弯矩，造成了直接顶的初次跨落。

从煤层开始推动到直接顶的初次跨落，此阶段称为上覆岩层的初次运动阶段，在此阶段上覆岩层受两端煤壁支撑，可以看做为一简支梁。直接顶初次跨落前，其变形量大于老顶，所以出现了直接顶离层的现象。

图2-3 直接顶初次垮落前的离层分析

当直接顶与老顶达不到公式2-9要求时，直接顶与老顶将会产生离层现象，如果此时支架不能给直接顶合理支撑阻力，很容易造成支架推垮。

直接顶初次跨落后，由于老顶强度较大，因而老顶呈现状态。随着工作面的继续推进，老顶的面积不断加大，由于回采工作面沿倾斜方向的长度远大于老顶的长度，因此此时可将老顶视为一边靠煤壁支撑另一边靠边界煤柱支撑的简支粱。随着简支梁长度的增加弯矩不断的增加，当老顶岩层达到其极限强度时老顶形成了断裂，老顶的初次断裂形成了工作面老顶的初次来压。当老顶初次断裂以后，老顶由原来的简支梁状态变为了一边靠煤壁支撑另外一边悬空的悬臂梁。根据材料力学可知，悬臂梁的极限弯矩主要由悬臂梁的长度所决定。则当工作面推进达到一定长度时，老顶再次跨落。

所以，当老顶初次来压以后，老顶由简支梁状态改变为悬臂梁状态，老顶也始终经历“稳定――失稳――再稳定”的变化，这种变化周而复始，此时上覆岩层进入了周期运动阶段[7]。

3.结论

通过上述内容，最终得出影响顶煤冒放性的理论依据和上覆岩层移动规律，为安全的提高顶煤回收率提供了理论基础。

参考文献

[1] 胡圣鹏.“悬移支架”放顶煤开采厚煤层的实践和认识[J].煤矿开采,2006，4

[2] 贾光胜.综放开采顶煤冒放性确定[J].煤炭科学技术，2001.7

[3] 放顶煤开采顶煤冒放性影响规律研究[J].山西矿业学院学报，1995.9.

[4] 张顶立.含夹矸顶煤破碎特点分析[J].中国矿业大学学报，2000.3.

[5] 刘胜志.综放工作面开采工艺参数对顶煤冒放性的影响研究[J].煤炭科技，2006.6