淺談頂煤活動基本規律

摘要：放頂煤開采頂煤與頂板活動是比較復雜的過程。對它的研究，有助于掌握頂煤與頂板活動規律，確定頂煤的可放性，有效控制工作面端面冒頂和煤壁片幫，確定合理的放煤工藝和支架參數，從而提高煤炭回收率，提高實際生產效益

關鍵詞：放頂煤 活動規律

1.頂煤活動過程

對于放頂煤工作面，頂煤屬于一種特殊的松軟頂板壓力作用下從最初的整體狀態到松散顆粒狀態。

圖1-1是距工作面支架不同高度基點相對工作面位置的位移曲線。反映了頂煤從開采底分層到最后放出的全部位移過程，具有如下幾個特征：

(1)在工作面煤壁前方，頂煤在采動影響下開始產生位移，并且上部位移大于下部位移。如在前方1m處剖面上，在距支架頂梁高度為2.4、4.7、7m處的頂煤位移分別為3、4.5、7cm，在工作面深部、高層位煤體首先開始移動，說明在這個期間頂煤的位移量主要是以水平位移為主，是煤體在壓力作用下向采空區自由面膨脹所產生的結果。

(2)到了工作面后方1m左右位移雖急別增加，而且是上部位移滯后下部位移，位移曲線發生相交現象．這表明當支架前移形成新的采空區時，頂煤在頂部壓力和自重作用下發生了一次破壞，此時垂直位移開始大于水平位移。

(3)無論在哪個層位上的位移點，其位移曲線形態基本相同，均可分為四個主要階段A、B、C、D如圖1—2所示。

圖2-3是頂煤的位移進度曲線，以每米下沉量做為位移速度指標，反映了頂煤運動狀態，由圖1—3可見，頂煤運動同樣可以分為四個階段A、B、C、D。在A區頂煤運動速度比較緩慢，在B區運動速度急劇增加，頂煤在第一次垮落形成散體后的下部散體煤運動速度遠大于上部散體煤的運動速度，上部煤層運動滯后下部煤層運動表明頂煤破碎是緩慢由下至上發展的，而不是整體地沿著切項線落入采空區，頂煤這種破壞方式不同于穩定巖體破壞方式，對支架不會產生沖擊力，有利于頂煤放出。在C區下部煤體運動速度迅速減緩，而上部煤體運動進度則有增加趨勢，這時，支架還未放煤，上部運動速度大于下部運動速度表明散體煤處于壓實階段。在D區頂煤運動速度又急劇增加，說明在這個區間頂煤由下至上被放入工作面內。

圖1—2描述的是頂煤位移靜態，而圖1—3確反映了頂煤位移的運動狀態，但是它們反映頂煤從開始產生理陷到最終放出的屬性是—致的。

（1）裂隙發育階段

層狀巖層在形成過程中，總伴隨著原生弱面和節理產生，其向主要以平行煤巖層為主即層理。然而在采動過程中，除了這原生弱面、節理外，還會有采動裂隙產生；裂隙多少和方向視體和巖體物理力學性質及支承壓力大小而定。對照圖1-1，1-3，和1-4，隨著工作面推進，對于頂煤內任意層面P點(圖1—4)依次位于三個區域。最初位于遠離工作面的X3區，該區域不受采動影響，P點不動，當進入x2區時，P點處應力超過原巖應力，P點煤體開始產生彈塑性形變在強大的支撐壓力作用下，向采空區自由面膨脹，伴隨眾多采動裂隙產生，此時P點位移以水平方向為主，當P點處于x1、x2交界處，位移膨脹速度達到最大值，裂隙發育及達到最大值，在進入XI區時采動應力減小，P點位移速度相應也減小。

圖1-4 支撐壓力示意圖

（2）頂煤第一次破碎

頂煤在期隙發展發育階段，雖然已被節理、理防、弱面切割成塊體結構，但并沒有失去它的整體性。當工作面繼續向前推進形成新的采空區，頂煤在沒有支架支托下，在頂板壓人和自置作用下克服煤體裂隙間的摩擦阻力而垮落、破壞充填采空區。

由圖1-1可見：頂煤在工作面后方1m左右開始垮落，其破壞速度較快，最大值可達300cm／m，并且下部頂煤位移值超過了上部頂煤位移值，位移曲線出現交叉點，此時煤體破壞產生的位移是以垂直位移為主，下部破碎的頂煤充填了采空區，由于頂煤的非整體性垮落伴隨著碎脹系數產生，緩沖和阻止了上部頂煤的運動。

（3）頂煤再壓實階段

頂煤在第一次垮落過程中并非直接通過放煤口放入工作面內 而是先充填支架后方采空區，而后再根據放煤工序打開放煤口使已破碎的煤體放入工作面，在這之前，頂煤要經歷期暫的再壓實過程，此時破碎頂煤位移位繼續增大，但變化速度明顯變緩，所產生的位移值也只是對煤體的壓實量，由下層位煤體碎脹系數減小而造成的。

（4）頂煤放出階段

頂煤在經歷前三個階段活動后，當打開放放口時，完全已變成了松散的顆粒結構，在自重作用下沼溜放煤口。此時在媒體內所設置的基點已與周圍煤體相脫離，以一個獨立顆粒移向放煤口，這時測出的位移值不再是頂煤位移值，而是基點本身的位移值，但從整體上也反映了松散煤體的位移及位移速度。

總之，頂煤在整個開采過程中要經歷受力、運動、破壞過程。其中，頂煤裂隙發育階段是保證頂煤在支架前移后能及時充分垮落前提，當然頂煤裂隙的發育程度取決于煤體自身的力學性質和原少狀態及外部壓力大小，從放頂煤角度來講，頂煤裂隙發言越充分越好。頂煤在放出階段已變成了松散頓粗狀態，內聚力幾乎等于零，在實驗室可以把已破碎的頂煤抽象成純散體介質進行研究頂煤的放出規律。頂煤位移曲線上下層位交叉，反映了媒體松軟、脆性的主要力學特性，在堵落前具有整體的固體受力狀態，在垮落后具有效散體的流動性。

參考文獻：

[1]中國原煤層綜采技術現狀和發展方向(高產高效綜采技術國際研討會論文集，中國煤炭學會)，范維唐、蔡，1992年

[2]我國繞采放頂煤開采現狀及展望(高產高效綜采技術國際研討會論文集，中國煤炭學會)，賈悅謙，1992年