1、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5 m）下部布置一个综采工作面,高23 m,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,顶煤的强度与受力状态有关。,图91 不同围压下煤体
2、应力应变曲线,围压升高，煤体的强度增加,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94 顶煤、顶板位移量与到煤壁距离的关系,图95 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
3、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68 m的煤层，在h=6m处，软煤层（f=0.30.5）、中硬煤层（f=23）和硬煤层（f3.5）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，累计位移量越大，顶煤破碎越充分。,（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
4、近，而硬煤在煤壁后方0.51m处。,三、顶煤的破坏过程描述与分区,图97 顶煤分区图 1.原始状态区 2.压缩变形区 3.拉剪破裂区 4.散体冒放区,三、顶煤的破坏过程描述与分区,原始状态区： 顶煤进入支承压力以前未受到采动应力场的影响，处于原岩应力状态； 压缩变形区： 顶煤进入支承压力区以后，煤体处于加载阶段，煤体内原有裂隙和空隙受压闭合，体积收缩，顶煤开始发生小量的变形移动； 拉剪破坏区： 随着工作面继续推进，煤体发生拉伸和剪切破坏，煤体中原有裂隙逐渐张开，随着上部岩层压力作用和侧向约束逐渐减弱，煤体中产生纵向拉伸裂隙，在原有裂隙尖端出现拉应力集中，导致裂隙扩张； 散体冒放区： 在支架顶梁
5、尾部，顶煤开始冒落，以散体形态堆积在支架掩护梁上。,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0.20.3m以下，可放性好；中硬煤（1f3），块径多为0.30.6m，可放性较好；硬煤（f3），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210m。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910 夹矸对顶煤冒落的影响,0
6、.3m以下的夹矸多呈片状和板状冒落，对冒放性影响不大，但大于0.4m厚的夹矸多呈大块状冒落，冒落后有时堵塞放煤口，其上的顶煤无法放出。,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（f3.5），为了改善顶煤的冒放性，常采用：,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、综放采场支架与围岩力学系统模型,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，该顶煤的存在，不仅增大了直接顶的厚度，而且改变了直接顶的整体力学特性。 老顶活动队采场及支架的影响程度取决于直接顶与顶煤的性质、顶煤破坏的发展程度以及支架
7、的刚度。,一、综放采场支架与围岩力学系统模型,图912 综放采场支架围岩整体力学模型与单元简图,1、直接顶的整体力学特性,综放采场条件下，把顶煤和其上的直接顶岩层统一视为直接顶。直接顶称为具有一定刚度的可变形介质，而非完全刚性体。其作用一方面是作为施力介质将其自身的重量作用于支架上，另一方面是作为传力介质，传递老顶回转变形产生的回转变形压力。 直接顶传递老顶回转产生的作用力的能力取决于其承载特性。,2、综放采场支架的工作状态,支架受力的大小及其载荷分布取决于直接顶的整体力学特性以及与支架的相互作用。 直接顶处于似刚性条件下，顶板下沉量与老顶的位态有关，并不取决于支架的工作阻力。 直接顶为似零刚
8、度条件是，老顶回转作用于直接顶的回转变形压力为零，因此，支架的载荷与老顶的位态无关，指取决于直接顶的重量。 直接顶为中间刚度时，其在老顶回转过程中的变形量介于前两者之间，支架的载荷由直接顶的重量和老顶的回转变形压力两部分组成，后者取决于直接顶的刚度。,第二节 放顶煤开采矿山压力显现的基本规律,一、工作面矿山压力显现的基本规律,(1)综放面的支承压力分布规律与单一煤层开采相比，在顶板以及煤层条件、力学性质相同情况下，综放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913 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，仅和煤的强度有关
9、。 煤的强度大，则顶煤的完整性好，支架载荷稍大。放顶煤工作面仍有周期来压现象，但不明显，初次来压强度也不大。,（3）放顶煤工作面的煤壁及断面顶板的维护特别重要。煤壁片帮、煤顶节理和裂隙比较发育、遇有局部断层和老顶来压时，容易产生端部冒顶。,（4）放顶煤工作面的端头压力和两端平巷压力并不大，虽然由于一次采高增加引起支承压力增加，但由于是一次采全厚，回采巷道的矿压显现较分层开采缓和。 （5）支架前柱的工作阻力大于后柱工作阻力。 （6）下分层综放时矿压显现规律。,三、支架的合理工作阻力,1、估算法,P-支架合理支撑力 Q1-顶煤重 Q2-直接顶重 K-考虑“砌体梁”失稳时附加力的动载压系数 R-顶板在煤壁断线处的摩擦阻力 N-碎矸和部分规则垮落带的横撑力 F-块矸和顶煤、岩石间摩擦力,碎矸支撑力：,实测统计法,随着采煤厚度的增加，顶板来压时支架的循环末支护强度随之升高，但增加幅度很小。,q-支架支护强度 k-安全系数 n-折算系数 M-煤层全厚 r-岩石体积力,本章结束！,
