放顶煤开采顶煤的裂移度及顶煤可放性

第29卷 第5期中国矿业大学学报Vol. 29 No. 52000年9月Journal of China University of Mining & TechnologySep.2000文章编号: 1000 1964(2000)05- 0506-04放顶煤开采顶煤的裂移度及顶煤可放性张勇，吴健(中国矿业大学资源开发工程系，北京10083)摘要:通过综合运用顶煤实测位移观测、力学模型和理论分析方法,研究了顶煤内部裂隙的发展进程,提出了评价顶煤可放性的指标裂移度及其在不同条件下的变化规律，并从强度等方面对顶煤可放性进行了分析,提出了改进顶煤可放性的原理和方法.关键词:放顶煤;裂隙;抗拉(压)强度;位移;裂移度中图分类号: TD 823. 4文献标识码: A1顶煤的 破坏机理变形而引起的位移量可以忽略不计.因此可以认众所周知，放顶煤开采利用支承压力破碎顶为:在支承压力作用下,顶煤的破坏首先从其内部I煤，而顶煤的破碎是由大量的裂隙互相贯穿、切割缺陷开始,逐步生成微裂隙。进而扩展成为裂隙，并而成.由于煤体内部存在数量众多的结构弱面(孔且若干裂隙贯通;随着与工作面距离的接近，顶煤|隙、层理和微裂隙等，统称“内部缺陷”)，可以认为内部的裂隙数量逐渐增多,裂隙张开量逐渐增大.煤体是由孔隙介质组成的煤块群和裂隙组成的孔由于顶煤内部裂隙的发展，至工作面附近时，顶煤隙裂隙结构，根据煤层的这种结构特性以及煤的已从个整体演变为被裂踪切割成的块体群，块体脆性介质特性，可以运用A A Griffith“拉应力准的几何尺寸将直接决定顶煤是否可放及放煤效果则”对顶煤的破坏进行分析，由此建立顶煤破裂移表1有限元计算结果 与顶煤实测位移的对比Table 1 Contrast between FEM calculated动的力学模型，并用弹塑性有限元方法结合损伤力and measured results of top-coal dspl acement学原理计算求解°).实测位移开算位移绝对误差笔者在阳泉。邢台、大同、靖远、郑州和淮南等位置Su/mn S2/mmSy/S2S1-S82/mm工作面前方4m处115!57.7100软煤矿区进行的顶煤运移观测结果表明:在放顶煤工作煤壁处450617. 34241 001面煤壁附近，顶煤产生了较大位移，而根据弹塑性(03)工作面后方2m处62. 7.8误差逐渐增大.这种计算值与实测值的巨大误差说明:作为一种脆性材料，煤的弹塑性变形很小，在远从顶煤破坏所形成块体的几何尺寸来考虑，影离工作面的区域，顶煤的移动可以用弹塑性位移解响顶煤可放性的因素是顶煤内部裂院的数量和裂释，两者误差不大.但在工作面煤壁附近，顶煤内隙张开量.由于顶煤内部的裂踪数量难以统计，而的裂隙非常发育，在顶煤中煤体由于弹塑性变形所裂张开量也难以测量，因此从裂隙数量和张开量产生的位移量远小于顶煤的位移量，顶煤位移主出们VT中国煤 化工定性分析要是由煤体内部原生裂隙的张开量次生裂隙的产生数量和张开量、顶煤块体的刚体转动等组成在2MHECNMH G分析顶煤的位移状况时,对于煤体内部由于弹塑性由于成煤过程不同,软煤的抗拉压)强度低、收稿日期: 2000-02 - 25基金项目:国家自然科学基金重点项目资助(59734090)作者简介:张勇(1968- ),勇，中国矿业大学讲师,工学博士,从事放顶煤研究第5期张勇等:放顶煤开采顶煤的裂移度及顶煤可放性507弹性模量小、内部缺陷发育，硬煤的抗拉(压)强度由于观测手段的限制，目前难以同时测得顶煤的水|高、弹性模量大、较致密;而且在一般情况下，硬煤平位移量、垂直位移量，而且也不能将顶煤位移量的项底板岩性较软煤的顶底板岩性好.因此，硬煤准确分解,不能准确了解顶煤在水平和垂直两个方中支承压力峰值区的范围要小于软煤中相应的范向上的变化状况，但是沿工作面走向顶煤位移的变围(见表2)，裂隙发育期短;而软煤由于内部缺陷化可以综合反映顶煤的破碎程度，因此，定义:某多,支承压力区的范围大，裂隙发育期长，因此裂隙时刻某位置顶煤的总位移量(单位mm)对该位置|极其发育与工作面距离(单位m)的导数中为裂移度，并以中表2支承压力区 范围和峰值为评价顶煤可放性的指标[4]:Table 2 The range and peak of abutment= as/aL .pressure in top-coal由于顶煤位移量是一个综合了顶煤裂隙数量|峰值点超前应力集中I范围/m工作面距离/m系数k和裂张开量的指标(该指标为标量)，因此顶煤裂软煤(米村矿)62261. 88移度综合体现了顶煤破碎的程度，根据顶煤裂移度中硬煤阳泉)81. 99硬煤(大同)3202.02.可以确定顶煤的可放性.表3和图1为根据实测顶煤位移量得到的顶煤裂移度及其变化曲线。由图软煤破坏过程中裂隙的分布特征是:裂隙间距1和表3可以看出:小而密度大，形成裂隙贯通时裂隙的长度小、裂隙1)无论何种煤层条件，在工作面前方，与煤壁|间距小，所以裂隙贯通后切割所形成的破碎块体距离L越近，顶煤裂移度越大.小;顶煤整体失稳前，单条裂隙的张开量不大.因2)软煤的φ值变化区城大、数值大，超前工作|此，在软煤中,顶煤位移量大意味着裂隙众多，顶煤面的距离远,而在煤壁前方若干距离内φ值有一极其破碎，顶煤位移体现在众多的裂隙与一定 的裂个激增的变化，说明此处的顶煤已经整体失稳隙张开量之间，当顶煤的若干块体失稳时，由于顶3)中硬煤层顶煤的中值随着与工作面距离的|煤破坏后所形成的块体小，大量小尺寸块体很难形缩小而增大,顶煤整体的破坏失稳发生在支架上方成平衡结构因此软煤的失稳是种滑落，顶煤垮(般位于支架顶梁的中前部).落角一般大于90[2].4)坚硬煤层的φ值开始变化的位置距离工作|硬煤的破坏则与软煤有着明显的不同:由于硬面较近，而且开始增大得极为缓慢，从煤壁前方煤内部缺陷少，而裂隙的产生、扩展主要围绕内部2 m处开始中值产生较大的变化，尤其是在支架缺陷进行，加之裂陳发育期短，良好的顶板贮存了上方顶梁和掩护梁附近中值显著增加，接近中硬I大部分上覆岩层的变形能，因此硬煤中裂隙生成数煤的φ值量较少，裂隙分布呈现间距大而密度小的特征，贯500450通时裂原间距大、裂隙长度大,因此裂隙切割所形米村(/=0.3)谢桥(/-0.7)成的块体几何尺寸较大，顶煤整体失稳前,裂隙张e 250阳泉(f/-2.5)大同(/-3.5)开量较大，顶煤位移表现为定的裂隙数量与较大200的裂隙张开量即使顶煤的若干块体失稳,少量较大几何尺的顶煤块体不仅 有可能形成拱式平衡,防止顶煤的整体失稳，而且仍然能够承担部分载与煤壁距离L/m荷，因此硬煤的失稳是一种类似于梁的端部断裂后图1不同条件下顶煤的裂移度曲线的垮落,顶煤的垮落角较小3;如果处理不当,不能Fig. 1 Degree of crack movement of top coal保证获得满意的放煤效果.under different conditions中硬煤的破坏情况介于硬煤和软煤之间，视具中国煤化工煤裂移度degree of top-coal体条件而异，顶煤垮落角一般小于90°,但较硬煤MHCNMHGseams明显增大.与煤壁距离/m3顶煤可放性的评价指标裂移度及其软煤(米村矿) 429. 6298.1 156. 223.9 13. 7变化规律软煤(谢桥矿)240.543.5 16.3 10. 57.1中硬煤(阳泉)45.9 25.913.6 9.0 6.5顶煤位移量S是评价顶煤可放性的基本依据.硬煤(大国)45.520. 57.3 2.8 1.0508中国矿业大学学报第29卷支承压力区的范围小，但k值大，虽然顶煤破碎期顶煤裂移度的这些变化规律表明:1)软煤在工作面前方的某个区域已整体失短，但较高的支承压力有利于顶煤的破碎.然而，稳,并破碎成为散体;裂隙充分发育的顶煤，经过支由于裂隙的发育期短，裂隙数量少，因此顶煤破碎架降架支撑的多 次循环，受到进步的破碎，到的块度较大而且不均匀.达放煤口时顶煤已极其破碎，块煤率并不高，这与5)煤的弹性模量顶煤裂移度 与弹性模量的|生产过程中观察到的情况非常吻合因此对于软煤关系在于，随着顶煤裂隙的发展，从宏观上降低了I层，由于煤体破碎,支架的作用除了支撑顶煤外,在顶煤整体的弹性模量，弹性模量的减小又使得支承很大程度上是为了保持顶煤完整,封闭支护空间.压力区加大，峰值区前移,从而使得顶煤裂隙的发2)对于中硬煤层,顶煤裂隙的发展进程比较展时间延长，碎裂更加充分均匀，虽然破坏失稳较晚(主要发生在煤壁后0~6)煤的强度普 氏系数大的煤层其煤体的抗|2m范围内)，但裂隙均匀的发展使得顶煤破碎的拉强度也大，因此煤越软，抗拉强度越小越易受拉|块度均匀块煤率高，而且端面顶煤不易冒落,工作应力破坏从郑州、阳泉、大同3个采深、采厚相近的矿区实测顶煤位移量所得到的顶煤裂移度,结合面安全生产条件好,经济效益显著3)对于坚硬煤层,只是在工作面附近裂隙才淮南矿区的数据进行分析，得出顶煤裂移度与普氏|得以快速发展，而且在支架上方并接近掩护梁的区系数的关系(见图2).200 I域变化最快，在这个区域，由于裂隙数量少，顶煤120φ=41.734f 1.205破碎后的块体较大，相应块体的刚体转动量较大，80因此虽然顶煤的位移量和相应的裂移度在量值上40接近中硬煤，但顶煤破碎不充分，对放煤不利此外，支架的多次降架支撑循环也对破碎后的大块普氏系数f顶煤有再破碎的作用，因此对于坚硬煤层，支架除图2顶煤裂移度与煤的普氏系数(抗压强度)的关系Fig.2 The relationship between crack movement degree了支护顶煤外还兼有破煤的功能.of top-coal and Protodyakonov coefficient of coal影响顶煤裂移度的因素有赋存深度(采深)、煤目前我国判定是否可以采用放顶煤开采的依厚(采厚)、顶煤节理裂隙发育程度，顶板岩性、煤的据主要是煤的普氏系数，一般认为普氏系数f < 3强度、煤的弹性模量等[().的煤层可以采用放顶煤开采，由于放顶煤开采具有1)赋存深度煤层的赋存深度决定了原岩应成本低的优越性，部分f>3的煤层也采用放顶煤力的大小，相应地对支承压力具有决定性的影响.开采.但是对于坚硬煤层和部分裂隙不发育的中硬随着开采深度的增加,支承压力增大，有利于顶煤煤层,必须采取有效的煤体软化措施，才能保证放的破碎,顶煤裂移度有可能增大.顶煤开采的回收率指标2)煤厚煤厚对顶煤裂移度 的影响在于提供4改善顶煤可放性的原理和方法给顶煤可移动空间的大小顶煤厚度大，放出的煤体多，需要充填的空间范围大，相应的顶煤移动空影响顶煤可放性的主要因索是煤的力学特性间和裂隙发展范围增大裂隙发育的时间延长，有和赋存状态,而煤的赋存状态是客观存在因此改利于顶煤的破碎;反之，顶煤厚度小，不利于顶煤的善顶煤可放性应从改善煤的力学特性人手，目前破碎，采用的注水、松动预爆破等方法就是改善顶煤可放3)顶煤节理裂隙状况煤层的 节理裂隙越发性的可行措施育,其整体性越差，在支承压力作用下越容易破碎.1)注水不仅可以降低割煤时的产尘量，而且4)顶板岩性顶板 性状对顶煤裂移度的影响可中国煤化工水，降低了煤的强度和在于支承压力集中系数k的大小和支承压力区的弹c N M H C成裂隙的可能性，但对范围，由于顶板的岩性不同，上覆岩层所能够形成于 亲求性较差或煤体群常致密的煤层，注水软化煤的平衡结构的范围不同,相应的k值和支承压力区层 的效果待研究.的范围不同.顶板岩层薄而破碎,支承压力区的范2)松动爆破可直接生成裂隙，但生成裂隙的|園大，但k值小，裂隙发育期长，因此顶煤破碎期数量(即爆破的效果)与爆破位置和爆破参数的选长，破碎顶煤的块度较小而且均匀;顶板厚而坚硬，择有很紧密的联系，爆破位置布置在原岩应力区，第5期张勇等:放顶煤开采顶煤的裂移度及顶煤可放性509爆破生成的高温高压气体可以全部用于对煤体做仍不能改善顶煤可放性，就不宜采用放顶煤开采.功，充分利用爆破产生的能量制造尽可能多的裂5结论隙;若爆破位置位于支承压力区内，甚至更接近于工作面，则燥破生成的高压气体将有直接的排泄通1)煤层是由孔隙介质组成的煤块群和裂原组道一已存在的裂隙，爆破产生的能量有很大一部成的孔隙裂r结构，顶煤的破坏是由于大量裂隙分用于扩展原有裂隙而不是生成新裂隙，结果是裂互相贯穿、切割煤体造成的.隙张开量显著增大而裂隙数量增加较少，并不利于2)通过实测结果与有限元计算结果的比较，顶煤的充分破碎，此外，同样级别的爆破当量,集可以发现煤体中弹塑性变形很小，构成位移的主体中于一点产生的裂隙数量少于分散在若干点爆破是裂隙的张开量和煤体破坏后形成块体的刚体转产生的裂隙数量.因此，松动爆破应选择在原岩应动量力区进行，而且尽可能采用多点小当量爆破，以充3)不同硬度的煤具有不同的可放性特征软分提高爆破效率。但是这样做的结果是增加了放煤具有裂隙数量多、张开量小顶煤破碎块体小和顶煤开采的工序,增加了人员、材料和能源消耗，从失稳滑落的特征;硬煤则为裂隙数量少、张开量大、而增加了开采成本;如何既不增加开采的复杂性和顶煤破碎块体大、破碎块体的刚体转动量大且易成开采成本,又充分提高爆破效果，是一个需要深人拱和断裂垮落的特征，研究的课题。4)顶煤位移量S是评价可放性的基本依据，3)支架类型及参数对顶煤可放性也有影响，本文提出的顶煤裂移度可作为评价顶煤可放性的但影响程度要小得多.支架影响范围主要是煤壁和指标，该指标综合反映了顶煤随工作面推进时裂隙支架上面的煤体，而且这种影响主要体现在支架工的动态变化程度，影响顶煤裂移度的因素有煤层的作阻力和顶梁长度，支架工作阻力的影响体现在支赋存深度、煤厚(采厚)、顶煤节理裂隙状况、顶板岩架的加载、卸载过程:卸载是为顶煤的移动提供相性、煤的强度、煤的弹性模量等.煤层赋存深度大、对自由的运动空间.使裂隙张开量有急剧增加的可采厚大、裂隙发育，则裂移度增大;顶板岩性好、煤能，促使裂隙的扩展和顶煤的破碎，支架卸载对项的强度高、弹性模量大，裂移度减小煤破碎的影响不仅仅局限于支架上方,对煤壁前方5)对于部分自然条件不适宜采用放顶煤开采的顶煤也产生不同程度的影响，由于卸载降架,顶的煤层，可按本文提出的原理和方法，从改善煤的煤运移的空间短时间内迅速增加,并从支架上方向力学特性人手，并采用顶梁较长的支架，适当增大煤壁深处转移,这种自由空间的转移造成了煤壁深支架工作阻力处顶煤裂隙的扩展和张开，促使顶煤破碎.支架加参考文献:载将加剧对支架上方顶煤的再破坏，由于加载而造成支架上部空间缩小，引起煤块体间的挤压、剪切，[1]吴健,张勇.顶煤裂隙的发展趋势及其对注水防使媒体继续破碎,块度继续降低支架顶粱长度对尘的影响[J].煤炭学报，1998, 23(6) 580-584.[2]于海涌,吴健“三软”煤层综放工作面矿压显现特顶煤可放性的影响在于支架加、卸载的次数，工作征C[J].矿山压力与顶板管理, 1993(3):11-14.面每完成个作业循环，顶梁上部的顶煤经历一次[3]金智新.大同忻州窑放顶煤工作面顶煤破碎机理特征加、卸载循环，顶梁长,煤体经受加、卸载循环的次与矿压显现[D].北京中国矿业大学北京校区图书数多,煤体破碎程度好西值大顶粱短,相应的循馆，1993环次数少,煤体φ值小因此，强度大且致密的煤Co中国煤化工煤损伤及破坏机理研究层采用放顶煤开采应适当加大支架的工作阻力,并MHCNMHG京校区图书馆,1998.采用具有较长整体顶粱的支架.[5]贸光胜，樊运 策.综放开采頂煤冒放性研究[A].见:顶煤裂移度决定了放顶煤开采的适用范围,部吴健主编. 综合机械化放顶煤开采论文集[C].徐分赋存条件不适宜采用放顶煤开采的煤层，通过采州:中国矿业大学出版社，1995.65-71.取注水、松动爆破等措施,采用放顶煤开采也可以(下转514页)达到满意的效果,但有部分煤层即使采用上述措施(上接509页)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 )中国煤化工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