综放面顶板结构研究

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1、综放面顶板结构研究吴士良　宋　扬　来存良　席京德　　综放工作面推进过程中顶板破断后形成的岩体的平衡和失稳的动态过程形成了顶板结构的平衡和失稳。顶板结构的这种平衡、失稳特点引起了工作面和巷道围岩变形过程中的矿压显现特征，对顶板结构及其运动特征的研究，有利于综放工作面围岩控制技术的发展。1　顶板结构特征　　由于综放开采煤层一次性采出厚度的增加，直接顶、老顶的组成和运动有新的特点。1.1　直接顶的厚度及冒落形态1.1.1　直接顶的厚度　　直接顶的冒落将充填满采空区空间，考虑到放顶煤采场，顶煤从垮落到放出是一个动态过程。

2、加之顶煤的残留厚度是一个与放出率有关的参数，因此，直接顶的厚度将是一个相对变化的值MZ。直接顶厚度可由下式表示(一次采全厚采场)。参见直接顶厚度推算图1。图1　放顶煤采场直接顶厚度推断图MZ=(H+T-SA-C)/(KA-1)SA=(0.15～0.25)hh=H+ηTη=1-C/(TKm)C=P(H+T)式中　MZ——直接顶厚度，m；　　　H——采高，m；　　　T——顶煤厚度，m；　　　C——采空区残留浮煤厚，m；　　　KA——直接顶碎胀系数，1.3；　　　P——工作面采出率；　　　SA——老顶在触矸处的沉降值，

3、m；　　　η——顶煤采出率；　　　Km——顶煤垮落后碎胀系数。　　对上式取值举例如下表1，得到不同顶煤厚度和工作面采出率P时直接顶的计算厚度。　　P=(0.98H+ηT)/(H+T)　　　　表1　不同顶煤厚度和采出率对应的直接顶计算厚度H/mT/mSA/mKAP/%η/%C/mMZ/maa0.38a1.3094900.12a5a2.5aa0.36a1.3085800.30a4.46a2.23aa0.32a1.3079600.42a4.2a2.2a2a0.56a1.3092900.24a7.3a2.4a2a0.52

4、a1.3086800.42a6.8a2.3a2a0.44a1.3072600.84a5.7a1.9　　注：a为任一假设煤层采高。　　　　表中给出了顶煤厚度T为采高H的1倍和2倍厚度情形，可以反映我国适宜开采的放顶煤采场情况。由表可知，放顶煤开采条件下，直接顶的可能冒落厚度仍然为一次采出厚度的倍数，在一般采场条件下该数值约为1.9～2.5倍。这一计算推导结果也为我国放顶煤开采的部分实测研究所证实。参见表2。直接顶的厚度与采厚的这一比例关系，与分层开采的采场有类似的规律，只不过其厚度的具体数值受到了采空区浮煤厚度C的

5、直接制约略有变化。　　据相似模拟研究，正常开采阶段该值才能稳定到一个与采出率P有关的常数值(2倍左右采高)。稳定的直接顶厚度MZ可分为运动特征有差异的上位直接顶MZ2和下位直接顶MZ1两部分。其中下位直接顶(1.0～1.2倍采厚)由于冒落后回转空间大，冒落最终形态为不规则，而其上位直接顶断裂后能形成较为稳定的块状体，参见图2。　　表2为我国部分放顶煤工作面直接顶垮落高度和垮落分带特征。　　表2　我国部分放顶煤工作面直接顶垮落高度工作面煤层厚度(H+T)/m直　接　顶不规则垮落带规则垮落带高度MZ1/m高度MZ/m

6、MZ2/m三河尖71319.020.322.3110.491.1710.331.15扎局某综放面12.0322.6711.91.0020.11.67三河尖71216.513.342.056.581.016.771.04旗山31194.510.62.334.51.06.01.33大屯徐庄矿综放面5.515.182.765.951.089.231.68王庄43097.0214.22.027.61.086.60.94鹤壁六矿2503-25.210.792.086.261.204.530.88扎局灵北矿综放面12.022

7、.01.8312.01.010.00.83阳泉一矿86036.3813.22.047.81.226.641.04兴隆庄53067.8317.562.2411.41.466.270.8平均值　2.23　1.12　1.11图2　放顶煤采场直接顶分带特征1.1.2　直接顶和顶煤的冒落特点　　由于顶煤放出过程的动态特征，放煤口上方直接顶和顶煤可能形成某种传递力的暂时结构。　　(1)“煤-煤”结构。在顶煤较厚，煤层结构复杂的条件下，很可能出现支架上方未冒顶煤与采空区已冒顶煤之间的拱式平衡结构，且这个结构不易人为破坏，简称为

8、“煤-煤”结构。其结构形态如图3示，T1、T2为顶煤分层厚度。图3　放煤口附近“煤—煤”结构　　容易出现这种结构的采场条件是：①顶煤中存在较厚、较硬的夹矸，大块夹矸形成“煤-煤”结构的基底岩层。②上部顶煤坚硬，呈大块状垮落，或煤中含有粘土成分，呈团块状冒落。　　在这种结构下，由于下部顶煤已在采空区内放出，在支架后方出现空洞，空洞上方是“煤-煤”结构，尽管有时能见到该结构，