采面上覆岩层运动和破坏的基本形式

煤矿现代化　２０１０年第６期　总第９９期　采面上覆岩层运动和破坏的基本形式　吉真宝　（大同煤矿集团公司晋华宫矿，山西大同０３７０００）　摘要本文分析了采煤工作面上覆岩层运动破坏的两种形式，弯拉破坏和剪切破坏，并给出了不同　运动形式破坏发生的力学条件，采场矿压显现特点以及控制要求方面存在重要差别，这是在煤矿生产过程　中要特别注意的。　关键词岩层运动；破坏；形式　中图分类号：ＴＤ３２５＋．１　文献标志码：Ａ　煤矿生产过程中，采煤工作面从切眼开始推进，促使围岩　运动的矿山压力取决于悬露岩层的面积、厚度及压力传递情　况。随着采场不断推进，矿山压力的大小和分布处于不断变化　过程中。巷道和采场支架上的受力是围岩运动的结果，受力的　性质、大小和发展变化的规律与上覆岩层运动更是不可分割，　因此，探讨采面上覆岩层运动的基本形式有非常重要的意义。　研究和现场观测表明，上覆岩层悬露后变形发展到破坏，基本　有两种运动形式。　１弯拉破坏的运动形式　弯拉破坏的发展过程：随采场推进，上覆岩层悬露后在其　重力作用下弯曲（图１（ａ））一岩层悬露达到一定跨度，弯曲沉　降发展至一定限度后，在伸人煤壁的端部开裂（图１（ｂ））一中　部开裂形成“假塑性岩梁”（图１（ｃ））一当其沉降值超过“假塑　性岩梁”允许沉降值时，悬露岩层即自行跨落（图１（ｄ））。　（ｄ）　图１上覆岩层弯曲破坏发展至跨落　２弯拉破坏的力学条件　岩层运动由弯曲沉降发展至破坏的力学条件是岩层中的　最大弯曲拉应力达到其抗拉强度。即：　盯ｔｍ　＝【【Ｔｔ】　（１）　・８４・　文章编号：１００９—０７９７（２０１０）０６—００８４—０２　式中　仃ｔ　ｍａｘ一悬露岩层中的实际最大拉应力，Ｐａ；　［盯ｔ卜悬露岩层中允许拉应力，Ｐａ。　悬露岩层中部拉开以后，是否会发生跨落，则有其下部允　许运动的空间高度决定。只有其下部允许运动的空间高度超　过运动岩层的允许沉降值，岩层运动才会由弯曲沉降发展至　跨落。否则，将保持“假塑性岩梁”状态，如图２所示。　（ｈ）　图２岩层弯曲破坏形成“假塑性岩梁”结构　由此，煤层上方第ｎ个岩层弯曲破坏发展至跨落的条件　可由式（２）表示。　ｎ—ｌ　ｓ　，　一∑ｍｉ（Ｋ，一１）　（２）　式中Ｓ　悬露岩层下部允许运动空间高度，ｍ；　Ｓ．『悬露岩层发展为“假塑性岩梁”的允许沉降值，ｍ；　ｈ一煤层开采高度，ｍ；　ｎ—ｌ　∑ｍｉ一已跨落岩层的总厚度，ｍ；　Ｋ　一已跨落岩层的碎胀系数。　反之，悬露岩层弯曲破坏后保持“假塑性岩梁”状态的条　件为：　Ｓ　＜Ｓ　（３）　在岩层可以由弯曲发展至破坏的条件下，由于其运动是　逐渐发展的。所以，采场矿压显现比较缓和。如图２（ａ）所示，为　保证岩层运动时采场安全，支架必须能支撑跨落岩层（直接　顶）在控顶区Ｊ二方的全部岩重，此时必须把“假塑性岩梁”的运　煤矿现代化　２０１０年第６期　总第９９期　动控制在要求的位置上。当允许“假塑性岩梁”沉降至最终位　为此，要控制采场顶板整体切断，采场支架必须具有高初　置（即无需控制）时，支撑“假塑性岩梁”的支架阻力可以为零。　撑力，其工作阻力应能防止顶板沿煤臂切断，而把切断线推至　但最大不必超过岩梁跨度１，４的岩重。即支护阻力Ｐ可以表示　控顶距之外。支架缩量可按在煤壁处出现台阶下沉而支柱又　为：　不致被压死考虑。对于图４（ｂ）所示情况，估算的支护强度Ｐｒｒ　Ａ≤Ｐ≤Ａ＋里智　（４）　和支柱额定缩量ｓ分别为　式中　Ａ一支撑跨落岩层（直接顶）所必须的支护阻力，Ｐａ；　ｍ　一“假塑性岩梁”的厚度，ｍ；　一“假塑性岩梁”的容重，ｋＮ／ｍ　；　。一“假塑性岩梁”初次裂断步距或跨度，ｍ；　ｌ　一控顶距，ｍ。　３剪（切）断破坏的运动形式　岩层剪（切）断破坏的发展过程：岩层悬露后产生很小的　弯曲变形，悬露岩层端部开裂（图３（ａ））一在岩层中部未开裂　（ｂ）　（或开裂很少）的情况下，突发性整体切断跨落（图３（ｂ））。　图４剪断运动形式对工作面的威胁　Ｐｒ≥Ａ＋　（３）　二‘　￡≥ｈ—ｍｚ（ＫＡ－－１）　（４）　式中　一可能整体切断的岩层厚度，ｍ；　可能整体切断的岩层平均容重，；　Ｌ．＿＿　———————　旦————————————————　＿．一　Ｌ　一可能整体切断的岩层极限跨度（或切断步距），ｍ；　其他符号同前。　４结语　两种岩层破坏形式在运动发展过程，采场矿压显现特点　以及控制要求方面存在重要差别。因此，深入研究这两种破坏　形式形成的力学条件及其在生产实践中的判断方法，在煤矿　生产过程中充分考虑，是十分必要的。　（ｂ）　参考文献　图３岩层剪断破坏的运动形式　［１］郭奉贤，魏胜利等．矿山压力观测与控制【Ｍ】．北京：煤炭工　悬露岩层剪断的充分必要条件是：当采场推进至岩梁端　业出版社．２００５．　部开裂位置附近，剩余抗剪断面上的剪应力超过限度，虽其中　［２】黄庆国，崔晓立．采掘安全技术［Ｍ】．北京：化学工业出版社，　部还未裂开，只要岩层下部有少量运动空间，岩层即被剪断。　２００６．　对这类破坏形式，由于岩层剪断运动迅猛，采场将受到明　作者简介　显的动压冲击。此时如果支架阻力不足，极易发生顶板沿煤壁　吉真宝（１９６８一），男，山西大同人，工程师，毕业于太原　切下的重大冒顶事故（图４（ａ）ｏ即使采场顶板不垮落，也会发　科技大学，现在大同煤矿集团公司晋华宫矿从事技术工作。　生顶板台阶下沉（图４（ｂ）），使支柱回撤或支架前移工作非常　困难。　（收稿日期：２０１０—７—１５）　（上接第８３页）　文多篇。　国矿业大学采矿工程专业，现供职于淮北矿业集团刘店煤矿　生产技术科，主要从事采煤相关的技术与管理工作，已发表论　（收稿１３期：２０１０—６—４）　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　Ｇａｓ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　Ｄｏｕｂｌｅ　Ｔａｉｌ　Ｒｏａｄｗａｙ　ｆｏｒ　Ｇｒｅａｔ　ｌｅｎｇｔｈ　Ｆｕｌｌｙ　Ｍｅｃｈａｎｉｚｅｄ　Ｃａｖｉｎｇ　Ｆａｃｅ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｓｅｒｉｏｕｓ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｏｆ　ｅｘｃｅｅｄｉｎｇ　ｇａｓ，ｏｎｅ　ｍｉｎｅ　Ｋ８２０５　ｇｒｅａｔ　ｌｅｎｇｔｈ　ｆｕｌｌｙ　ｍｅｃｈａｎｉｚｅｄ　ｃａｖｉｎｇ　ｆａｃｅ　ｕｓｅ”Ｕ＋ＩＩ　（Ｄｏｕｂｌｅ　Ｔａｉｌ　Ｒｏａｄｗａｙ）”ｓｔｙｌｅ　ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅ，ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｖｅｒｉｆｙ　ｔｈｅ　ｅｆ　ｃｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｄｏｕｂｌｅ　Ｔａｉｌ　Ｒｏａｄｗａｙ　ｆｏｒ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ　ｇａｓ．ａｎａｌｙｓｉｓ　ｔｈｅ　ｇａｓ　ｅｍｉｓｓｉｏｎ　ｌａｗ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｋ８２０５　ｃａｖｉｎｇ　ｆａｃｅ　ｉｎ　ｐｉｃｋｓ　ｔｈｅ　ｐｅｒｉｏｄ，ａｎｄ　ｂｙ　ｃｏｍｐａｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｉｎｇｌｅ　ｔａｉｌ　ｒｏａｄｗａｙ　ｗｉｔｈ　ｄｏｕｂｌｅ　ｔａｉｌ　ｒｏａｄｗａｙ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｇａｓ　ｅｍｉｓｓｉｏｎ　ｌａｗ，ｏｂｔａｉｎｅｓ　ｔｈａｔ　ｕｓｉｎｇ　Ｄｏｕｂｌｅ　Ｔａｉｌ　Ｒｏａｄｗａｙ　ｃａｎ　ｒｅｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ｂｕｒｄｅｎ　ｏｆ　ｄｒａｗｉｎｇ　ｏｕｔ　ｇａｓ　ｆｏｒ　ｒｅｔｕｒｎ　ａｉｒｗａｙ．Ｔｈｅ　ｇａｓ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ’Ｓ　ａｍｐｌｉｔｕｄｅ　ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ　ｃａｎ　ｒｅａｃｈｅｓ　１　３　ｐｅｒｃｅｎｔ；ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ａｉｒ　ｖｏｌｕｍｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｒｅｔｕｒｎ　ａｉｒｗａｙ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅ　ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ，ｔｈｅ　ｆａｃｅ　ｏｕｔｐｕｔ　ｃａｎ　ｇｒｅａｔｌｙ　ｉｍｐｒｏｖｅ．Ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｄｏｕｂｌｅ　ｔａｉｌ　ｒｏａｄｗａｙ，ｔｈｅ　ｇａｓ　ｉｓ　ｏｎ　ｌｏｎｇｅｒ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｏｆ　ｌｉｍｉｔｉｎｇ　ｎｏｒｍａｌ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｇｒｅａｔ　ｌｅｎｇｔｈ　ｆｕｌｌｙ　ｍｅｃｈａｎｉｚｅｄ　ｃａｖｉｎｇ　ｆａｃｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｇｒｅａｔ　ｌｅｎｇｔｈ　ｆｕｌｌｙ　ｍｅｃｈａｎｉｚｅｄ　ｃａｖｉｎｇ　ｆａｃｅ；Ｄｏｕｂｌｅ　Ｔａｉｌ　Ｒｏａｄｗａｙ；Ｇａｓ　Ｃｏｎｔｒｏｌ；ｈｉｇｈ　ｙｉｅｌｄ　ａｎｄ　ｈｉｇｈ　ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ　・８５・