矿山压力及其控制第九章.pptx

第九章 厚煤层综放开采岩层控制;9.1 顶煤破碎机理与运移规律 放顶煤开采的实质是实现工作面煤炭和顶部煤炭的同时采出，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。 ; 顶煤的变形与破碎是一个十分复杂的过程，在支架和顶板组成的系统中，支架通过顶煤对顶板实施控制，同时顶板的压力通过顶煤传递到支架上，顶煤在传递力的过程中也要发生移动、变形、破碎、冒落和放出，因此顶煤起到了一种媒介作用。;顶煤的力学特征和应力场特征 （1）顶煤???力学特征 在顶煤破碎过程中，原有裂隙扩展与贯通将会起到重要作用。因此，煤体中的裂隙发育程度和分布密度对顶煤的破碎块度有很大的影响。同时，煤体所反映出来的强度与应力状态有很大关系，不同应力状态的煤体表现出不同的强度特征，见图9-1（不同围压下煤体的应力—应变全过程曲线）。从图中可以看出，随着围压升高，煤体的强度增加。;（2）采动应力场与约束条件 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）。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）。同时径向应力（垂直工作面方向的应力σr）自煤壁向远方逐渐升高。 ; 在稳压区，使顶煤处于三向等压应力状态，此时煤体不易破坏。随着距煤壁距离减小，顶煤所受的应力差（σt-σr）增大，即顶煤中的剪应力增大，当顶煤处于支承压力峰值区时，顶煤所受的主应力差达到最大值，由此时的两个主应力所绘制的莫尔园与莫尔—库仑强度曲线相切，顶煤形成剪切破坏，见图9-3。 ; 进入塑性区后，顶煤破裂，煤体的强度曲线为破坏顶煤的强度曲线，即为煤体的残余强度曲线，而由此时的σt和σr所绘制的莫尔圆与残余强度曲线始终处于相切状态，即顶煤处于极限平衡状态。; 由岩石力学理论，岩石处于多向压应力状态下，其破坏的机理主要为剪切破坏，即破坏面上的剪应力大于该面的抗剪强度所致，且破坏面与最大主应力的夹角α为锐角（α=45°-φ/2，φ为岩石的内摩擦角）。; 当岩石处于单向压缩状态时，如无侧向约束或侧向约束很小时，岩石会发生侧向拉伸变形，当拉伸变形大于岩石的极限应变时，岩石将发生拉伸破坏：顶煤在支承压力峰值区主要以剪切破坏为主，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块度。位移量大说明顶煤破碎充分，破碎的块度小，具有很好的流动性，易于放出。反之，顶煤破碎不充分。 图9-4是典型的顶煤位移观测曲线，其中横坐标0点为工作面煤壁位置，h为测点距煤层底板的距离。观测的平均煤厚为9.1m，割煤高2.2m，煤层硬度系数f=0.3，属于极软煤层。 ; 观测结果表明，在工作面前方15m处顶煤开始发生移动，且随着距工作面越近，累计位移量迅速增加，上位顶煤的累计位移量明显大于下位顶煤。一般情况下可采用负指数函数拟合顶煤的累积位移量s与距工作面距离L的关系，即 S=ae-hL 式中 a、h——为回归系数。 根据顶煤移动观测以及综合数值模拟计算结果，可以推测顶煤的位移场图，见图9-5。 ; 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。 ; 顶煤的破坏过程描述及分区 软煤的内部结构不致密，且含有大量微裂隙； 中硬煤的内部结构致密，微裂隙较少，但裂隙的延展性较好。因此可认为软煤层的变形、破碎是由众多微裂隙和不致密（强度低）的煤块共同完成的，所以，软煤层累计的位移量大，破碎的块度小且均匀。 对硬煤层而言，由于煤体致密，强度大，在采动应力场作用下，应力水平难以达到破坏致密煤块的程度，因此，硬煤的变形、移动、破碎主要由煤体内部的裂隙完成，致使破碎的硬煤块体带有明显裂隙分割的迹象。; 硬煤层顶煤破坏状况 开采中硬煤层是顶煤的破坏状况如图9-6所示。由图可知，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。随着工作面推进、顶板的回转下沉，顶煤裂隙进一步发展