放頂煤開(kāi)采頂煤的裂移度及頂煤可放性

第29卷 第5期中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報Vol. 29 No. 52000年9月Journal of China University of Mining & TechnologySep.2000文章編號: 1000 1964(2000)05- 0506-04放頂煤開(kāi)采頂煤的裂移度及頂煤可放性張勇，吳健(中國礦業(yè)大學(xué)資源開(kāi)發(fā)工程系，北京10083)摘要:通過(guò)綜合運用頂煤實(shí)測位移觀(guān)測、力學(xué)模型和理論分析方法,研究了頂煤內部裂隙的發(fā)展進(jìn)程,提出了評價(jià)頂煤可放性的指標裂移度及其在不同條件下的變化規律，并從強度等方面對頂煤可放性進(jìn)行了分析,提出了改進(jìn)頂煤可放性的原理和方法.關(guān)鍵詞:放頂煤;裂隙;抗拉(壓)強度;位移;裂移度中圖分類(lèi)號: TD 823. 4文獻標識碼: A1頂煤的 破壞機理變形而引起的位移量可以忽略不計.因此可以認眾所周知，放頂煤開(kāi)采利用支承壓力破碎頂為:在支承壓力作用下,頂煤的破壞首先從其內部I煤，而頂煤的破碎是由大量的裂隙互相貫穿、切割缺陷開(kāi)始,逐步生成微裂隙。進(jìn)而擴展成為裂隙，并而成.由于煤體內部存在數量眾多的結構弱面(孔且若干裂隙貫通;隨著(zhù)與工作面距離的接近，頂煤|隙、層理和微裂隙等，統稱(chēng)“內部缺陷”)，可以認為內部的裂隙數量逐漸增多,裂隙張開(kāi)量逐漸增大.煤體是由孔隙介質(zhì)組成的煤塊群和裂隙組成的孔由于頂煤內部裂隙的發(fā)展，至工作面附近時(shí)，頂煤隙裂隙結構，根據煤層的這種結構特性以及煤的已從個(gè)整體演變?yōu)楸涣眼櫱懈畛傻膲K體群，塊體脆性介質(zhì)特性，可以運用A A Griffith“拉應力準的幾何尺寸將直接決定頂煤是否可放及放煤效果則”對頂煤的破壞進(jìn)行分析，由此建立頂煤破裂移表1有限元計算結果 與頂煤實(shí)測位移的對比Table 1 Contrast between FEM calculated動(dòng)的力學(xué)模型，并用彈塑性有限元方法結合損傷力and measured results of top-coal dspl acement學(xué)原理計算求解°).實(shí)測位移開(kāi)算位移絕對誤差筆者在陽(yáng)泉。邢臺、大同、靖遠、鄭州和淮南等位置Su/mn S2/mmSy/S2S1-S82/mm工作面前方4m處115!57.7100軟煤礦區進(jìn)行的頂煤運移觀(guān)測結果表明:在放頂煤工作煤壁處450617. 34241 001面煤壁附近，頂煤產(chǎn)生了較大位移，而根據彈塑性(03)工作面后方2m處62. 7.8誤差逐漸增大.這種計算值與實(shí)測值的巨大誤差說(shuō)明:作為一種脆性材料，煤的彈塑性變形很小，在遠從頂煤破壞所形成塊體的幾何尺寸來(lái)考慮，影離工作面的區域，頂煤的移動(dòng)可以用彈塑性位移解響頂煤可放性的因素是頂煤內部裂院的數量和裂釋?zhuān)瑑烧哒`差不大.但在工作面煤壁附近，頂煤內隙張開(kāi)量.由于頂煤內部的裂蹤數量難以統計，而的裂隙非常發(fā)育，在頂煤中煤體由于彈塑性變形所裂張開(kāi)量也難以測量，因此從裂隙數量和張開(kāi)量產(chǎn)生的位移量遠小于頂煤的位移量，頂煤位移主出們VT中國煤 化工定性分析要是由煤體內部原生裂隙的張開(kāi)量次生裂隙的產(chǎn)生數量和張開(kāi)量、頂煤塊體的剛體轉動(dòng)等組成在2MHECNMH G分析頂煤的位移狀況時(shí),對于煤體內部由于彈塑性由于成煤過(guò)程不同,軟煤的抗拉壓)強度低、收稿日期: 2000-02 - 25基金項目:國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項目資助(59734090)作者簡(jiǎn)介:張勇(1968- ),勇，中國礦業(yè)大學(xué)講師,工學(xué)博士,從事放頂煤研究第5期張勇等:放頂煤開(kāi)采頂煤的裂移度及頂煤可放性507彈性模量小、內部缺陷發(fā)育，硬煤的抗拉(壓)強度由于觀(guān)測手段的限制，目前難以同時(shí)測得頂煤的水|高、彈性模量大、較致密;而且在一般情況下，硬煤平位移量、垂直位移量，而且也不能將頂煤位移量的項底板巖性較軟煤的頂底板巖性好.因此，硬煤準確分解,不能準確了解頂煤在水平和垂直兩個(gè)方中支承壓力峰值區的范圍要小于軟煤中相應的范向上的變化狀況，但是沿工作面走向頂煤位移的變圍(見(jiàn)表2)，裂隙發(fā)育期短;而軟煤由于內部缺陷化可以綜合反映頂煤的破碎程度，因此，定義:某多,支承壓力區的范圍大，裂隙發(fā)育期長(cháng)，因此裂隙時(shí)刻某位置頂煤的總位移量(單位mm)對該位置|極其發(fā)育與工作面距離(單位m)的導數中為裂移度，并以中表2支承壓力區 范圍和峰值為評價(jià)頂煤可放性的指標[4]:Table 2 The range and peak of abutment= as/aL .pressure in top-coal由于頂煤位移量是一個(gè)綜合了頂煤裂隙數量|峰值點(diǎn)超前應力集中I范圍/m工作面距離/m系數k和裂張開(kāi)量的指標(該指標為標量)，因此頂煤裂軟煤(米村礦)62261. 88移度綜合體現了頂煤破碎的程度，根據頂煤裂移度中硬煤陽(yáng)泉)81. 99硬煤(大同)3202.02.可以確定頂煤的可放性.表3和圖1為根據實(shí)測頂煤位移量得到的頂煤裂移度及其變化曲線(xiàn)。由圖軟煤破壞過(guò)程中裂隙的分布特征是:裂隙間距1和表3可以看出:小而密度大，形成裂隙貫通時(shí)裂隙的長(cháng)度小、裂隙1)無(wú)論何種煤層條件，在工作面前方，與煤壁|間距小，所以裂隙貫通后切割所形成的破碎塊體距離L越近，頂煤裂移度越大.小;頂煤整體失穩前，單條裂隙的張開(kāi)量不大.因2)軟煤的φ值變化區城大、數值大，超前工作|此，在軟煤中,頂煤位移量大意味著(zhù)裂隙眾多，頂煤面的距離遠,而在煤壁前方若干距離內φ值有一極其破碎，頂煤位移體現在眾多的裂隙與一定 的裂個(gè)激增的變化，說(shuō)明此處的頂煤已經(jīng)整體失穩隙張開(kāi)量之間，當頂煤的若干塊體失穩時(shí)，由于頂3)中硬煤層頂煤的中值隨著(zhù)與工作面距離的|煤破壞后所形成的塊體小，大量小尺寸塊體很難形縮小而增大,頂煤整體的破壞失穩發(fā)生在支架上方成平衡結構因此軟煤的失穩是種滑落，頂煤垮(般位于支架頂梁的中前部).落角一般大于90[2].4)堅硬煤層的φ值開(kāi)始變化的位置距離工作|硬煤的破壞則與軟煤有著(zhù)明顯的不同:由于硬面較近，而且開(kāi)始增大得極為緩慢，從煤壁前方煤內部缺陷少，而裂隙的產(chǎn)生、擴展主要圍繞內部2 m處開(kāi)始中值產(chǎn)生較大的變化，尤其是在支架缺陷進(jìn)行，加之裂陳發(fā)育期短，良好的頂板貯存了上方頂梁和掩護梁附近中值顯著(zhù)增加，接近中硬I大部分上覆巖層的變形能，因此硬煤中裂隙生成數煤的φ值量較少，裂隙分布呈現間距大而密度小的特征，貫500450通時(shí)裂原間距大、裂隙長(cháng)度大,因此裂隙切割所形米村(/=0.3)謝橋(/-0.7)成的塊體幾何尺寸較大，頂煤整體失穩前,裂隙張e 250陽(yáng)泉(f/-2.5)大同(/-3.5)開(kāi)量較大，頂煤位移表現為定的裂隙數量與較大200的裂隙張開(kāi)量即使頂煤的若干塊體失穩,少量較大幾何尺的頂煤塊體不僅 有可能形成拱式平衡,防止頂煤的整體失穩，而且仍然能夠承擔部分載與煤壁距離L/m荷，因此硬煤的失穩是一種類(lèi)似于梁的端部斷裂后圖1不同條件下頂煤的裂移度曲線(xiàn)的垮落,頂煤的垮落角較小3;如果處理不當,不能Fig. 1 Degree of crack movement of top coal保證獲得滿(mǎn)意的放煤效果.under different conditions中硬煤的破壞情況介于硬煤和軟煤之間，視具中國煤化工煤裂移度degree of top-coal體條件而異，頂煤垮落角一般小于90°,但較硬煤MHCNMHGseams明顯增大.與煤壁距離/m3頂煤可放性的評價(jià)指標裂移度及其軟煤(米村礦) 429. 6298.1 156. 223.9 13. 7變化規律軟煤(謝橋礦)240.543.5 16.3 10. 57.1中硬煤(陽(yáng)泉)45.9 25.913.6 9.0 6.5頂煤位移量S是評價(jià)頂煤可放性的基本依據.硬煤(大國)45.520. 57.3 2.8 1.0508中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報第29卷支承壓力區的范圍小，但k值大，雖然頂煤破碎期頂煤裂移度的這些變化規律表明:1)軟煤在工作面前方的某個(gè)區域已整體失短，但較高的支承壓力有利于頂煤的破碎.然而，穩,并破碎成為散體;裂隙充分發(fā)育的頂煤，經(jīng)過(guò)支由于裂隙的發(fā)育期短，裂隙數量少，因此頂煤破碎架降架支撐的多 次循環(huán)，受到進(jìn)步的破碎，到的塊度較大而且不均勻.達放煤口時(shí)頂煤已極其破碎，塊煤率并不高，這與5)煤的彈性模量頂煤裂移度 與彈性模量的|生產(chǎn)過(guò)程中觀(guān)察到的情況非常吻合因此對于軟煤關(guān)系在于，隨著(zhù)頂煤裂隙的發(fā)展，從宏觀(guān)上降低了I層，由于煤體破碎,支架的作用除了支撐頂煤外,在頂煤整體的彈性模量，彈性模量的減小又使得支承很大程度上是為了保持頂煤完整,封閉支護空間.壓力區加大，峰值區前移,從而使得頂煤裂隙的發(fā)2)對于中硬煤層,頂煤裂隙的發(fā)展進(jìn)程比較展時(shí)間延長(cháng)，碎裂更加充分均勻，雖然破壞失穩較晚(主要發(fā)生在煤壁后0~6)煤的強度普 氏系數大的煤層其煤體的抗|2m范圍內)，但裂隙均勻的發(fā)展使得頂煤破碎的拉強度也大，因此煤越軟，抗拉強度越小越易受拉|塊度均勻塊煤率高，而且端面頂煤不易冒落,工作應力破壞從鄭州、陽(yáng)泉、大同3個(gè)采深、采厚相近的礦區實(shí)測頂煤位移量所得到的頂煤裂移度,結合面安全生產(chǎn)條件好,經(jīng)濟效益顯著(zhù)3)對于堅硬煤層,只是在工作面附近裂隙才淮南礦區的數據進(jìn)行分析，得出頂煤裂移度與普氏|得以快速發(fā)展，而且在支架上方并接近掩護梁的區系數的關(guān)系(見(jiàn)圖2).200 I域變化最快，在這個(gè)區域，由于裂隙數量少，頂煤120φ=41.734f 1.205破碎后的塊體較大，相應塊體的剛體轉動(dòng)量較大，80因此雖然頂煤的位移量和相應的裂移度在量值上40接近中硬煤，但頂煤破碎不充分，對放煤不利此外，支架的多次降架支撐循環(huán)也對破碎后的大塊普氏系數f頂煤有再破碎的作用，因此對于堅硬煤層，支架除圖2頂煤裂移度與煤的普氏系數(抗壓強度)的關(guān)系Fig.2 The relationship between crack movement degree了支護頂煤外還兼有破煤的功能.of top-coal and Protodyakonov coefficient of coal影響頂煤裂移度的因素有賦存深度(采深)、煤目前我國判定是否可以采用放頂煤開(kāi)采的依厚(采厚)、頂煤節理裂隙發(fā)育程度，頂板巖性、煤的據主要是煤的普氏系數，一般認為普氏系數f < 3強度、煤的彈性模量等[().的煤層可以采用放頂煤開(kāi)采，由于放頂煤開(kāi)采具有1)賦存深度煤層的賦存深度決定了原巖應成本低的優(yōu)越性，部分f>3的煤層也采用放頂煤力的大小，相應地對支承壓力具有決定性的影響.開(kāi)采.但是對于堅硬煤層和部分裂隙不發(fā)育的中硬隨著(zhù)開(kāi)采深度的增加,支承壓力增大，有利于頂煤煤層,必須采取有效的煤體軟化措施，才能保證放的破碎,頂煤裂移度有可能增大.頂煤開(kāi)采的回收率指標2)煤厚煤厚對頂煤裂移度 的影響在于提供4改善頂煤可放性的原理和方法給頂煤可移動(dòng)空間的大小頂煤厚度大，放出的煤體多，需要充填的空間范圍大，相應的頂煤移動(dòng)空影響頂煤可放性的主要因索是煤的力學(xué)特性間和裂隙發(fā)展范圍增大裂隙發(fā)育的時(shí)間延長(cháng)，有和賦存狀態(tài),而煤的賦存狀態(tài)是客觀(guān)存在因此改利于頂煤的破碎;反之，頂煤厚度小，不利于頂煤的善頂煤可放性應從改善煤的力學(xué)特性人手，目前破碎，采用的注水、松動(dòng)預爆破等方法就是改善頂煤可放3)頂煤節理裂隙狀況煤層的 節理裂隙越發(fā)性的可行措施育,其整體性越差，在支承壓力作用下越容易破碎.1)注水不僅可以降低割煤時(shí)的產(chǎn)塵量，而且4)頂板巖性頂板 性狀對頂煤裂移度的影響可中國煤化工水，降低了煤的強度和在于支承壓力集中系數k的大小和支承壓力區的彈c N M H C成裂隙的可能性，但對范圍，由于頂板的巖性不同，上覆巖層所能夠形成于 親求性較差或煤體群常致密的煤層，注水軟化煤的平衡結構的范圍不同,相應的k值和支承壓力區層 的效果待研究.的范圍不同.頂板巖層薄而破碎,支承壓力區的范2)松動(dòng)爆破可直接生成裂隙，但生成裂隙的|園大，但k值小，裂隙發(fā)育期長(cháng)，因此頂煤破碎期數量(即爆破的效果)與爆破位置和爆破參數的選長(cháng)，破碎頂煤的塊度較小而且均勻;頂板厚而堅硬，擇有很緊密的聯(lián)系，爆破位置布置在原巖應力區，第5期張勇等:放頂煤開(kāi)采頂煤的裂移度及頂煤可放性509爆破生成的高溫高壓氣體可以全部用于對煤體做仍不能改善頂煤可放性，就不宜采用放頂煤開(kāi)采.功，充分利用爆破產(chǎn)生的能量制造盡可能多的裂5結論隙;若爆破位置位于支承壓力區內，甚至更接近于工作面，則燥破生成的高壓氣體將有直接的排泄通1)煤層是由孔隙介質(zhì)組成的煤塊群和裂原組道一已存在的裂隙，爆破產(chǎn)生的能量有很大一部成的孔隙裂r結構，頂煤的破壞是由于大量裂隙分用于擴展原有裂隙而不是生成新裂隙，結果是裂互相貫穿、切割煤體造成的.隙張開(kāi)量顯著(zhù)增大而裂隙數量增加較少，并不利于2)通過(guò)實(shí)測結果與有限元計算結果的比較，頂煤的充分破碎，此外，同樣級別的爆破當量,集可以發(fā)現煤體中彈塑性變形很小，構成位移的主體中于一點(diǎn)產(chǎn)生的裂隙數量少于分散在若干點(diǎn)爆破是裂隙的張開(kāi)量和煤體破壞后形成塊體的剛體轉產(chǎn)生的裂隙數量.因此，松動(dòng)爆破應選擇在原巖應動(dòng)量力區進(jìn)行，而且盡可能采用多點(diǎn)小當量爆破，以充3)不同硬度的煤具有不同的可放性特征軟分提高爆破效率。但是這樣做的結果是增加了放煤具有裂隙數量多、張開(kāi)量小頂煤破碎塊體小和頂煤開(kāi)采的工序,增加了人員、材料和能源消耗，從失穩滑落的特征;硬煤則為裂隙數量少、張開(kāi)量大、而增加了開(kāi)采成本;如何既不增加開(kāi)采的復雜性和頂煤破碎塊體大、破碎塊體的剛體轉動(dòng)量大且易成開(kāi)采成本,又充分提高爆破效果，是一個(gè)需要深人拱和斷裂垮落的特征，研究的課題。4)頂煤位移量S是評價(jià)可放性的基本依據，3)支架類(lèi)型及參數對頂煤可放性也有影響，本文提出的頂煤裂移度可作為評價(jià)頂煤可放性的但影響程度要小得多.支架影響范圍主要是煤壁和指標，該指標綜合反映了頂煤隨工作面推進(jìn)時(shí)裂隙支架上面的煤體，而且這種影響主要體現在支架工的動(dòng)態(tài)變化程度，影響頂煤裂移度的因素有煤層的作阻力和頂梁長(cháng)度，支架工作阻力的影響體現在支賦存深度、煤厚(采厚)、頂煤節理裂隙狀況、頂板巖架的加載、卸載過(guò)程:卸載是為頂煤的移動(dòng)提供相性、煤的強度、煤的彈性模量等.煤層賦存深度大、對自由的運動(dòng)空間.使裂隙張開(kāi)量有急劇增加的可采厚大、裂隙發(fā)育，則裂移度增大;頂板巖性好、煤能，促使裂隙的擴展和頂煤的破碎，支架卸載對項的強度高、彈性模量大，裂移度減小煤破碎的影響不僅僅局限于支架上方,對煤壁前方5)對于部分自然條件不適宜采用放頂煤開(kāi)采的頂煤也產(chǎn)生不同程度的影響，由于卸載降架,頂的煤層，可按本文提出的原理和方法，從改善煤的煤運移的空間短時(shí)間內迅速增加,并從支架上方向力學(xué)特性人手，并采用頂梁較長(cháng)的支架，適當增大煤壁深處轉移,這種自由空間的轉移造成了煤壁深支架工作阻力處頂煤裂隙的擴展和張開(kāi)，促使頂煤破碎.支架加參考文獻:載將加劇對支架上方頂煤的再破壞，由于加載而造成支架上部空間縮小，引起煤塊體間的擠壓、剪切，[1]吳健,張勇.頂煤裂隙的發(fā)展趨勢及其對注水防使媒體繼續破碎,塊度繼續降低支架頂粱長(cháng)度對塵的影響[J].煤炭學(xué)報，1998, 23(6) 580-584.[2]于海涌,吳健“三軟”煤層綜放工作面礦壓顯現特頂煤可放性的影響在于支架加、卸載的次數，工作征C[J].礦山壓力與頂板管理, 1993(3):11-14.面每完成個(gè)作業(yè)循環(huán)，頂梁上部的頂煤經(jīng)歷一次[3]金智新.大同忻州窯放頂煤工作面頂煤破碎機理特征加、卸載循環(huán)，頂梁長(cháng),煤體經(jīng)受加、卸載循環(huán)的次與礦壓顯現[D].北京中國礦業(yè)大學(xué)北京校區圖書(shū)數多,煤體破碎程度好西值大頂粱短,相應的循館，1993環(huán)次數少,煤體φ值小因此，強度大且致密的煤Co中國煤化工煤損傷及破壞機理研究層采用放頂煤開(kāi)采應適當加大支架的工作阻力,并MHCNMHG京校區圖書(shū)館,1998.采用具有較長(cháng)整體頂粱的支架.[5]貿光勝，樊運 策.綜放開(kāi)采頂煤冒放性研究[A].見(jiàn):頂煤裂移度決定了放頂煤開(kāi)采的適用范圍,部吳健主編. 綜合機械化放頂煤開(kāi)采論文集[C].徐分賦存條件不適宜采用放頂煤開(kāi)采的煤層，通過(guò)采州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1995.65-71.取注水、松動(dòng)爆破等措施,采用放頂煤開(kāi)采也可以(下轉514頁(yè))達到滿(mǎn)意的效果,但有部分煤層即使采用上述措施(上接509頁(yè))Crack- Movement Degree and Caving Characteristicof Top Coal in Longwall Top-Coal Caving MiningZHANG Yong, WU Jian( Department of Resource Exploitation Engineerir GIMT Piia 1China )中國煤化工Abstract : Based on the comprehensive research of measuredYHCNMHGInd theory analysis, theprocess of crack developing in top coal was investigated. A new concept, degree of crack movement, wasgiven to evaluate the caving characteristic of top coal. Based on the discussion of the factors infuencing thedegree of crack movement of top coal, the principles and methods to improve the degree of crack movementof were produced.Key words: top coal caving; crack; tensile (compressive) strength; movement degree of Ccrack movement