6矿山压力及其控制(第六章)

矿山压力及其控制主讲：王家臣教授中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院第六章回采工作面顶板控制及支护方法6.1基本概念6.2回采工作面顶板岩层组成分类6.3回采工作面支架与围岩的关系6.1基本概念回采工作面是地下移动着的工作空间，为了保证生产工作的正常进行与矿工的安全，必须对它进行维护。工作空间维护一方面是维护直接顶，另一方面又要控制老顶的活动规律，对老顶的控制是通过直接顶岩层进行的。在维护空间位置来讲，对回采工作面顶板控制包含对回采空间的支护以及对采空区的处理，采空区处理的具体措施则对老顶的活动起着明显的影响。控制采场矿山压力的一个基本方法就是回采工作面支架。回采工作面支架是平衡回采工作面顶板压力的一种构筑物，由于回采工作面支架形成的构筑物必须与开采后形成的上覆岩层大结构相适应，回采工作面支架必须具备以下两个特性：一是必须具备一定的可缩性；二是必须具有良好的支撑性能。支架性能：一般指支架的支撑力与支架可缩量的关系特征。常用P-ΔS曲线表示。回采工作面支架主要由梁和柱组成，一般，金属顶梁属于刚性结构，支柱常由活柱和底柱组成。它们之间的伸缩关系形成了支柱的可缩性。因此支架的特性主要由支柱的特性来决定的。6.1基本概念支柱的撑力：支柱对顶板的主动作用力；支柱的工作阻力：支柱受顶板压力作用而反映出来的力；初撑力P0＇：支架支设时，支架对顶板的主动支撑力，液压支柱时，由泵站压力确定；始动阻力P0：在顶板压力下，活柱开始下缩的瞬间，支柱上所反映出来的力；初工作阻力P1：在支架性能曲线中，活柱下缩时，工作阻力的增长率由急剧增长转为缓慢增长的转折点处的工作阻力；最大工作阻力P2：支柱所能承受的最大负载能力，又称额定工作阻力。6.1基本概念目前所使用的工作特性有如下几种：P’0P0P2ΔS/mmP/KNP0P2ΔS/mmP/KNP’0P1P2ΔS/mmP/KNP0急增阻式微增阻式恒阻式6.1基本概念急增阻式——支柱开始支设时，有一个极小的人为的初撑力P0＇，当支柱在顶板压力作用下，活柱开始下缩时便形成了始动阻力P0，而后随活柱下缩，工作阻力呈直线性急增，这种支柱的可缩性量较小。微增阻式——较小的初撑力P0＇与始动阻力P0，随着活柱下缩先有一个急剧增长过程，达到工作阻力P1后，随着支柱继续下缩，工作阻力的增长变得极为缓慢，一直到支柱的最大可缩性，也就是支柱的最大工作阻力时为止，此类支柱具有较大的可缩量。6.1基本概念恒阻式——随着活柱下缩，很快达到额定工作阻力P2，以后尽管活柱继续下缩，支柱的工作阻力保持不变。从支柱工作阻力适应顶板压力的特点进行分析，恒阻式的支柱较为有利，但结构较复杂，成本较高。急增阻式性能比较差，但成本较低，结构较简单。6.1基本概念回采工作面的围岩，一般指直接顶、老顶及直接底的岩层。这三者对回采工作面的生产有着直接的影响。但一般来说，直接顶与老顶对回采工作面矿山压力及支护方式的选择影响更大一些。6.2.1对直接顶的分析直接顶是工作空间直接维护的对象，显然直接顶的完整程度将直接影响到工作的安全及工作面生产能力的发挥，而且直接影响到所选择的支护方式。6.2回采工作面顶板岩层组成分类直接顶的完整程度取决于岩层本身的力学性质，和直接顶岩层内由各种原因造成的层理和裂隙的发育情况。综合这两者，结合我国的实际情况，曾将直接顶分为三种状态：（1）破碎的顶板：如页岩、再生顶板及煤顶等，这种顶板若护顶不及时，很易造成局部冒顶；（2）中等稳定顶板：此类直接顶板的岩层力学强度较大。有些岩层如砂页岩或粉砂岩等，虽由于受到一系列裂隙所切割，但局部尚较完整，因而仍属于中等稳定型；（3）完整顶板：允许悬露面积大，稳定性好，不易发生局部冒顶。如砂岩或坚硬的砂页岩等。6.2回采工作面顶板岩层组成分类有的学者从节理裂隙的发育情况研究直接顶的稳定性，一般可将各种裂隙分为三类：（1）原生裂隙：在成岩过程中形成的;（2）压裂裂隙：在采动过程中形成的；（3）构造裂隙：在地质构造运动过程中形成的。根据裂隙面与工作面顶板岩层层面的位置关系，西德学者O.雅可毕曾将其分为五类，见下图：分为R1、R2、……R5五种基本裂隙。6.2回采工作面顶板岩层组成分类实际情况可能是这五种基本裂隙的组合，如R12、R23……R34等，这种组合裂隙对顶板的支护极为不利。roofR1R2R3R4R5R12R34R23R136.2回采工作面顶板岩层组成分类直接顶冒空将使支架顶梁与顶板的接顶情况恶化，无法利用支架的工作阻力通过直接顶防止老顶岩块的失稳与滑落，及由此引起的对工作面不良影响和由此造成的一系列影响生产的事故。理论上讲，可通过对裂隙面方位、位置等对直接顶的顶板岩块受力进行分析。但实际上，直接顶常为甚多的裂隙交割，很难精确地分析，因此原则上支架应能承受全部直接顶的重量。同时，支架要有通过直接顶而控制老顶的任务。因此任何情况下都希望直接顶完整，能传递给老顶以支架的约束力。然而实际上直接顶往往破碎，支架的护顶性能占有重要位置。6.2回采工作面顶板岩层组成分类为了定量分析直接顶的稳定程度，通常采用直接顶的端面破碎度作为衡量直接顶稳定性的指标，它反映了支架前梁端部到煤壁间顶板破碎的程度。其含义见下图所示。FAFh6.2回采工作面顶板岩层组成分类顶板破碎度为%100FFAwhere：FA—cmh10~5时的破碎面积；F—整个梁端到煤壁的面积；h—冒高。为了比较，我国以端面距b=1m时的破碎度进行计算分析，称之为顶板破坏指数E。i.ecLbF*式中Lc—工作面长度。当b=1时，F=Lc。右图为端面距b对顶板破碎度FFA的影响。当E10％时，b对FFA的影响小。(FA/F)%b,cmE30%E=11~30%E=0~10%6.2回采工作面顶板岩层组成分类6.2.2对老顶的分析直接顶：对支架选型、支护方式、局部冒顶等起主导作用；老顶：对直接顶稳定性、支护强度、支架性能、采空区处理等起决定性作用。如前所述，根据老顶取得平衡的条件，在采用全部垮落法的工作面中，一般情况下，老顶岩层对工作面顶板的压力影响主要取决于直接顶的厚度。显然，老顶离煤层越远，即直接顶越厚，破断后形成“结构”和呈现缓慢下沉式平衡的可能性也越大。因此长期以来，生产单位常以直接顶厚度作为预计影响工作面矿山压力显现的重要指标之一。6.2回采工作面顶板岩层组成分类为了对老顶有个定量的认识以及预计老顶来压强度，在对老顶的分类中引入直接顶厚度h与采高m的比值Km，即mhKm。一般认为：Ⅰ、5mK时：老顶的垮落与错动对工作面无多大影响，称为无周期来压或周期来压不明显的顶板。Ⅱ、52mK时：老顶失稳对工作面支架有较为严重的影响，称有周期来压的顶板。Ⅲ、2mk时，甚至没有直接顶：老顶的悬露与垮落都将对工作面支架有严重的影响。6.2回采工作面顶板岩层组成分类Ⅳ、老顶特别坚硬，又无直接顶：这时顶板常在采空区悬露上万平方米而不垮落，当其垮落时，常常形成冲击，造成事故。这类顶板称为极坚硬顶板。目前通常采用爆破方法强制放顶或高压水方法使顶板软化。Ⅴ、能塑性弯曲的顶板：赋存在煤层之上的顶板，随着工作面的推进能缓慢下沉，而后逐渐与煤层底板相接触。这种情况的形成，显然与顶板岩层的性质、采高及岩层厚度有关。一般只可能在薄煤层或厚度不大的中厚煤层的石灰岩顶板中才出现。显然老顶的失稳不仅与Km有关，还与节理裂隙的发育程度及其在岩层中的分布有关，以及与老顶的厚度和含水情况有关。因此对于具体条件，必须进行具体分析。6.2回采工作面顶板岩层组成分类6.2.3我国试用的缓倾斜工作面顶板分类为了指导回采工作面的顶板管理，选择合适的液压支架形式，单体支架的支护方式和采空区处理措施，以及为了确定液压支架的支护强度和单体支柱的支护密度，以提高工作面的安全程度，减少顶板事故等，近几年来，煤炭工业部颁发了缓斜煤层工作面的顶板分类试行方案。根据350个回采工作面的观测与统计，按稳定性不同，将直接顶分为四类。见下表。6.2回采工作面顶板岩层组成分类ⅠⅡⅢⅣ类别指标不稳定顶板中等稳定顶板稳定顶板坚硬顶板主要指标强度指标D3031～7071～100120参考指标直接顶初次垮落步距/m89~1819~2525无直接顶，岩层厚度在2~5m以上，RC60~80Mpa,I和h1m6.2回采工作面顶板岩层组成分类测定岩石单向抗压强度RC的岩样，可取自老塘，制成直径48～56㎜、高径比为1.8～2.2的试样，然后按部颁标准在实验室测定。节理间距I以在巷道内肉眼可见的最发育的一组构造裂隙为准。用测定的有代表性的10～15个观测数据的平均值作为计算指标。分层厚度h指的是不同岩性的岩层间和同一岩性内沿层理的离层面间距。可在巷道或工作面控顶区等进行统计。直接顶的初次垮落步距是当冒高在1～1.5m以上，范围占全工作面长度1/2以上时，从工作面切顶线到开切眼煤壁之间的距离作为分类计算指标。6.2回采工作面顶板岩层组成分类老顶的分级除采取直接顶厚度与采高的比值外，另参照老顶初次来压步距L，将老顶分成Ⅳ级。见下表。老顶分级ⅠⅡⅢⅣ老顶来压显现不明显明显强烈极强烈指标Km3~55~33.0mKL=25~30m5~33.0mK,L50；3.0mK,L=25～503.0mK且L506.2回采工作面顶板岩层组成分类6.3.1回采工作面支架与围岩关系的特点整个回采工作面上覆岩层中邻近煤层老顶岩层形成的结构是由“煤壁—回采工作面支架—采空区已冒落的矸石”支撑体系所支撑。又由于煤壁与已冒落的矸石具有截然不同的特性，因此支架的特性对支架受力状况就有很大影响。这样，为了使支架既能维护顶板，又只需使用最小的支撑力，研究支架的性能及结构就很重要。同时支架性能要与上覆岩层运动规律相适应，即充分发挥上部结构的自撑能力。因此，支架与围岩关系的实质就是要分析支架性能，结构对支架受力及围岩运动的影响，以及在各种围岩状态下支架呈现什么反映，从中分析支架应具有的最合理结构及参数。6.3回采工作面支架与围岩的关系回采工作面支架与围岩关系的特点如下：（1）支架和围岩是相互作用的一对力。在小范围内，围岩形成的顶板压力可看作是一个作用力，支架可视为一个反力，两者应互相适应，使其大小相等，而且尽可能地作用在一个作用点上。（2）支架受力大小及其在回采工作面分布的规律与支架性能有关。（3）支架结构及尺寸对顶板压力的影响：实际生产中证明，在支架架型选择合适时，可以用最小的工作阻力维护好整个顶板。6.3回采工作面支架与围岩的关系从上述情况可知，支架结构设计必须适应围岩条件，支架性能尽可能设计成恒阻式，在支架受力过程中应尽可能使其与顶板压力相一致，在支架参数中最主要的是确定工作阻力与可缩量。对围岩来说，主要是考虑在各种支架反力作用下的顶板状态，由此引出评定围岩完整性与否的质量标准问题。6.3回采工作面支架与围岩的关系支架与顶板协调关系的一个主要方面就是建立和利用支架工作阻力P与顶板下沉量ΔL的关系。一般情况下，二者曲线关系见下图，近似为一条双曲线。当支架工作阻力达到一定值后，阻力P的增加对顶板下沉量的影响很小。一般情况下减小顶板下沉量，可对顶板管理带来一定的好处。但对顶板下沉量的控制有限度，超过此限度，支架是无能为力，事实上只有在工作阻力偏低时，提高工作阻力才有可能对顶板下沉量有显著的效果。6.3回采工作面支架与围岩的关系6.3.2支架规格的选定一般情况下，顶板下沉量SL由下式估算：式中:η—顶板下沉系数（单位采高、单位推进度的顶板下沉量，㎜）；L—推进米数；M—采高，m；这一公式来自上覆岩层的活动规律而确定的。但顶板的下沉量并不等于支柱的下缩量，这是因为“支柱、顶梁、支设条件及围岩性质”形成了一个系统。这个系统共同承担了老顶弯曲变形时形成的下沉量。因此顶板下沉量应是活柱下缩量、顶梁的压缩量及支柱插入顶、底板量的总和。MLSL6.3回采工作面支架与围岩的关系据淮南谢一矿等工作面的统计：底板松软、支柱插入量较大时，采用木柱帽，活柱下缩量只占顶板下沉量的20％左右。另外，据统计，当支柱不易插入底板，使用木柱帽或木顶梁时，