【正文】 響，而且對確定支護(hù)強(qiáng)度、支架具備的可縮量以及選擇采空區(qū)處理方法等，都起著決定性作用。根據(jù)老頂取得平衡的條件，在采用全部垮落法的工作面中，一般情況下，老頂巖層對工作面的頂板壓力的影響主要決定于直接頂?shù)暮穸取ｏ@然，老頂離煤層越遠(yuǎn)，即直接頂厚度越大，破斷后形成“結(jié)構(gòu)”和呈現(xiàn)緩慢下沉式平衡的可能性也越大大。這時(shí)巖層移動(dòng)曲線也越緩和。因此，長時(shí)期以來，生產(chǎn)上常以老頂離被開采煤層的遠(yuǎn)近作為預(yù)計(jì)影響工作面礦山壓力顯現(xiàn)的重要指標(biāo)之一。有的將巖層厚度大于 2 米，單向抗壓強(qiáng)度 RC≥600～800kg/cm178。的巖層稱為老頂。但在有些礦井，雖然巖層的強(qiáng)度指標(biāo)較高，巖層厚度也大，但為一系列的構(gòu)造裂隙所切割。則這種堅(jiān)硬巖層對工作面頂板壓力的影響也將顯著減弱。由于裂隙發(fā)育，周期來壓并不明顯。在開始使用長壁工作面采煤法時(shí)，由于難于控制老頂失穩(wěn)時(shí)所引起的初次來壓與周期來壓。因而常把老頂離被開采煤層的距離作為采空區(qū)處理方法的重要指標(biāo)。即根據(jù)此指標(biāo)將頂板劃分為Ⅰ－Ⅳ級。當(dāng)直接頂厚度在采高的 6～8 倍以上時(shí)成為Ⅰ級頂板，此時(shí)可采用全部垮落法處理采空區(qū)。而對直接頂厚度不到煤層采高的 6～8 倍的Ⅱ、Ⅲ級頂板，則相應(yīng)地要求采用部分垮落法與部分充填法處理采空區(qū)。近幾十年來，由于工作面支護(hù)設(shè)備的改善和頂板管理技術(shù)的日趨熟練，以及由于大量礦山壓力井下實(shí)測而逐步掌握了周期來壓的規(guī)律，大多數(shù)工作面都采用了全部垮落法管理頂板。在此分類中引入了直接頂厚度 Σh 與采高的比值 Km，Km=Σh/m。具體為：I、Km＞5，老頂垮落與錯(cuò)動(dòng)對工作面支架五多大影響。II、2＜Km＜5，老頂失穩(wěn)對工作面支架有較嚴(yán)重的影響，為有周期來壓頂板。38 / 85III、Km＜2，甚至沒有直接頂。這時(shí)，老頂?shù)膽衣杜c垮落都將對工作面支架有嚴(yán)重影響。IV、老頂特別堅(jiān)硬，又無直接頂，稱為極堅(jiān)硬頂板。這時(shí)頂板常處在采空區(qū)懸露上萬平方米不垮落。當(dāng)其垮落時(shí)，則形成暴風(fēng)，頂板沿工作面切落，造成事故。對這種情況，很多礦井都只能采用煤柱支撐法管理。但最有效的辦法是采用爆破放落部分頂板，即強(qiáng)制放頂法清除影響。V、能塑性彎曲的頂板。這類頂板隨工作面推進(jìn)而緩慢下沉后逐漸與煤層底板接觸。一般只在薄煤層或厚度不大的中厚煤層的石灰?guī)r頂板中中才會(huì)出現(xiàn)。二、影響回采工作面礦山壓力顯現(xiàn)的主要因素采高與控頂距在一定推進(jìn)下，采高是影響上覆巖層破壞狀況狀況的最重要因素之一。眾所周知，采高越大、采出的空間越大，必然導(dǎo)致采場上覆巖層破壞越嚴(yán)重。根據(jù)我國部分礦區(qū)的實(shí)際測定，在單一煤層或厚煤層第一分層開采時(shí)，冒落帶與裂縫的總厚度與采高基本上成正比關(guān)系。 θ SLO SO圖 231 上覆巖層移動(dòng)與工作空間下沉關(guān)系根據(jù)對開采后上覆巖層的測定，鄰近工作面的上覆巖層移動(dòng)曲線是按照 Sx=Sm（1e azb）的關(guān)系變化。工作面支架的支撐力不能改變此曲線的性質(zhì)。因此從采場支護(hù)的小結(jié)構(gòu)必選與圍巖形成的大結(jié)構(gòu)相適應(yīng)的觀點(diǎn)出發(fā)，工作面頂板下沉量基本上按此規(guī)律進(jìn)行。圖 231 即表示了這種關(guān)系。圖中 θ 為煤壁支承區(qū)的影響角，L O為移動(dòng)曲線中由前最大曲率點(diǎn)到39 / 85后最大曲率點(diǎn)的距離，L 為控頂距，S O和 SL則分別是 LO和 L 范圍內(nèi)的巖層與頂板的下沉量。其關(guān)系為：SL/L=SO/LO （公式 231）式中 SO=Σh+mK OΣh（K。是指在 LO處冒落矸石的碎脹系數(shù)，一般相當(dāng)于裂隙帶巖層在采空區(qū)與冒落矸石基本接觸處冒落矸石的碎脹系數(shù)） 。顯然，上述關(guān)系，在一定巖層組成的條件下（如特定礦區(qū)的特定煤層），K O及 LO均為常數(shù)。因而可令 η 為每米采高每米推進(jìn)度的頂板下沉量，稱為下沉系數(shù)。這樣可將上述公式簡化為：SL=ηmL （公式 232）巖層，回采工作面的頂板下沉量與采高及控頂距的大小成正比關(guān)系。用同樣原理可以推得采用充填或局部填法處理采空區(qū)時(shí)，回采工作面頂板下沉量要比采用垮落法小。根據(jù)實(shí)際統(tǒng)計(jì)，控頂距為 4 米處的頂板下沉量僅是采高的 4～5%，即 η= 左右。顯然。采高越高，在同樣位置的老頂取得平衡的機(jī)率越小。而且，在支承壓力的作用下，工作面煤壁也越不穩(wěn)定，易于片幫。因此采高大的工作面中礦壓顯現(xiàn)也越嚴(yán)重。采高越低，頂板活動(dòng)越緩和，煤壁也較為穩(wěn)定。工作面推進(jìn)速度的影響工作面推進(jìn)速度對頂板下沉量的影響，也可用頂板下沉量 S 與時(shí)間 t的座標(biāo)關(guān)系表示。在一定的生產(chǎn)條件下，時(shí)間 t 本身包含有工作面推進(jìn)速度的因素。在實(shí)際測定中也常常反映出頂板下沉量是時(shí)間的函數(shù)。在有些工作面中，當(dāng)推進(jìn)速度比較慢時(shí)，容易出現(xiàn)局部冒頂?shù)炔焕谏a(chǎn)的礦山壓力現(xiàn)象，而當(dāng)工作面推進(jìn)速度加快時(shí)，則頂板狀況明顯好轉(zhuǎn)。但國外有資料證明，隨著回采工作面推進(jìn)速度加快，頂板下沉速度卻也明顯地加快。因此，在什么條件下加快推進(jìn)速度能改善工作面狀況，以及能否把頂板壓40 / 85力“甩掉” ，必須從原理上進(jìn)行分析。從一般分析可知，因?yàn)橹С袎毫γ罕诘膲毫堰^程以及在采空區(qū)的壓實(shí)過程，均為時(shí)間過程。并且上覆巖層破斷后，巖塊間的相互咬合也經(jīng)常要經(jīng)歷失穩(wěn)階段以及處于極限平衡狀態(tài)。所以，反映在工作面，頂板的下沉也是一個(gè)時(shí)間過程。由實(shí)測可知，在工作面中進(jìn)行落煤與放頂時(shí)，頂板下沉表現(xiàn)最為劇烈。平時(shí)則比較緩和。生產(chǎn)工序?qū)敯逑鲁劣绊憚×业谋举|(zhì)原因是，由于放炮后增大回采工作面的控頂距，因而破壞了煤壁前方的應(yīng)力平衡，使支承壓力產(chǎn)生一個(gè)向煤壁深處移動(dòng)的過程。另一極為重要的原因，是由于落煤，使工作面推進(jìn)逐步接近圖 224b 所示的位置，使 A 巖塊逐漸趨向失穩(wěn)。其受力關(guān)系如圖 232 所示。TF1AF2TBQTP1PROOA、 B巖 塊 不 平 衡 時(shí) 受 力 圖 放 頂 對 頂 板 下 沉 的 影 響下沉速度，m/h0051055ABLm圖 232 A、B 巖塊不平衡時(shí)受力圖 圖 233 放頂對頂板下沉的影響在工作面推進(jìn)前，B 巖塊處于懸露狀態(tài)。因而 R。 。的作用方向應(yīng)如圖中所示。又由于 A 巖塊剛剛斷裂，因此傾斜度較小。此處可暫設(shè) A 巖塊兩側(cè)的水平力 T 作用在一個(gè)平面上。圖中 P1為支架通過直接頂對老頂?shù)淖饔昧?，F(xiàn) 2為煤壁對 A 巖塊的支撐力，它隨著工作面向前也使 B 巖塊朝相反方向回轉(zhuǎn)，直至出現(xiàn)如圖 224c 的穩(wěn)定狀態(tài)。再分析放頂對頂板下沉的影響，圖 233 表示了放頂對工作面頂板下沉速度的影響過程。其特征與落煤時(shí)影響相仿。41 / 85根據(jù)測定，放頂?shù)挠绊懛秶毓ぷ髅嫦蛏蠟?20 米，向下位 10 米。劇烈影響范圍向上為 10 米，向下為 5 米左右。有前述可知，裂縫帶的下位巖層形成的“結(jié)構(gòu)”是由“煤壁工作面支架采空區(qū)已冒落的矸石”支撐體系所支撐。放頂過程就是撤除了靠近采空區(qū)一側(cè)的支架支撐力。即撤除了對裂隙帶下位巖層的部分支撐力。這樣必須使“支架圍巖”的力學(xué)系統(tǒng)發(fā)生變化，形成新的平衡。從而導(dǎo)致采空區(qū)一側(cè)已冒落矸石進(jìn)一步壓實(shí)。這種變化將使頂板下沉量急劇增加。直到新的平衡開始形成時(shí)，頂板下沉速度才能重新趨向于緩和。使用自移支架時(shí)，放頂過程就是移架過程。一般來說，其影響遠(yuǎn)較落煤時(shí)形成的下沉量要大，有時(shí)可達(dá)到落煤時(shí)下沉量的 4～6 倍。在單體支架工作面中，落煤與放頂?shù)挠绊懩膫€(gè)較大，必須具體條件而定，有時(shí)放頂?shù)挠绊懘笥诼涿旱挠绊懀袝r(shí)則相反。由以上分析可知，所謂工序?qū)敯逑鲁亮康挠绊憣?shí)質(zhì)上就是開采后上覆巖層形成的“結(jié)構(gòu)” ，在其前后支承力不斷推移過程中，對工作面頂板所帶來的影響。事實(shí)上，加快工作面的推進(jìn)速度只是縮短了落煤與放頂兩個(gè)主要生產(chǎn)過程的時(shí)間間隔。從道理上說，其結(jié)果肯定能減小頂板下沉量。但同時(shí)必然使頂板下沉速度加劇。例如，根據(jù)前蘇聯(lián)一回采工作面的測定，工作面推進(jìn)速度由 ，平時(shí)的頂板下沉速度加劇了一倍。由于落煤與放頂所造成的劇烈影響都是在較短的時(shí)間內(nèi)（如 1～2 小時(shí)）完成的。因此，加快推進(jìn)速度只能消除一部分平時(shí)的下沉量。但不能消除此工序的劇烈影響所造成的下沉量。所以，只有在原先的工作面推進(jìn)速比較緩慢的條件下，加快工作面推進(jìn)速度，才會(huì)對工作面頂板狀態(tài)有所改善。當(dāng)工作面推進(jìn)速度提高到一定程度后，頂板下沉量的變化將逐漸減小。因而想把頂板壓力甩掉的企圖，實(shí)際上是不可能實(shí)現(xiàn)的。同時(shí)可以這樣認(rèn)為：在一定的生產(chǎn)技術(shù)條件下（如采高、頂?shù)装鍡l件42 / 85以及截深、放頂距等） ，在工作面中測得的“St”曲線。事實(shí)上代表著在具體條件下頂板壓力顯現(xiàn)的綜合反映。另外，對于單體支架工作面。 《煤礦安全規(guī)程》中規(guī)定：“放炮、割煤等工序與回柱工序平行作業(yè)時(shí)，其安全距離要在作業(yè)規(guī)程中規(guī)定” 。這是因?yàn)槁涿号c放頂對工作面頂板下沉量影響都很大，單體支架的結(jié)構(gòu)又無法在這種情況下絕對保證人身安全。所以，不允許落煤與放頂工序在同一地點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行，必須錯(cuò)開一定的距離。從上述資料分析，兩者的錯(cuò)距在10～15m 以上比較合適。但對已液壓自移支架來說，由于其工作特點(diǎn)決定了落煤與放頂（移架）幾乎在同一地點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行（特別是采用及時(shí)支護(hù)方式） ，又因?yàn)橐萍軙r(shí)大部分采用整架降柱而后再升柱的辦法，因而頂板比采用單體支架時(shí)易于破碎。但是，這種支架的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，能夠保證人身安全。所以，這時(shí)采用平行作業(yè)是完全允許的。開采深度的影響開采深度直接影響著原巖應(yīng)力大小，同時(shí)也影響著開采后巷道或工作面周圍巖層內(nèi)支承壓力值。從這個(gè)意義上講，開采深度對礦山壓力具有絕對的影響。但對礦山壓力顯現(xiàn)的影響則不盡相同。開采深度對巷道礦山壓力顯現(xiàn)的影響可能比較明顯，如在松軟層中開掘巷道，隨著深度的增加，巷道圍巖的“擠、壓、臌”現(xiàn)象將更為嚴(yán)重。據(jù)前西德有關(guān)材料統(tǒng)計(jì)，當(dāng)開采深度達(dá) 1400 米以上時(shí)，估計(jì)有 30%發(fā)的巷道不能采用現(xiàn)有的維護(hù)方法。這是因?yàn)殡S著深度增加，巷道圍巖的變形與支架上承受的壓力都將增加。根據(jù)前述分析可知，巖層受重力而變形，它所積聚的能量與深度的平方成正比。因此，對有沖擊地壓危險(xiǎn)的礦井，隨著深度增加，發(fā)生沖擊地壓的次數(shù)與強(qiáng)度都將顯著增加。國內(nèi)外的經(jīng)驗(yàn)都已證明，在一般條件下，一定的開采深度是出現(xiàn)沖擊地壓的一個(gè)必要條件。但開采深度對回采工作面頂板壓力大小的影響并不突出，因而對礦山43 / 85壓力顯現(xiàn)的影響也不明顯。尤其是對頂板下沉量的影響。這顯然是由于回采工作面頂板的撓曲情況及支架所受載荷的大小，與裂隙帶形成“結(jié)構(gòu)”的條件有關(guān)，因而主要應(yīng)視煤層采高，直接頂和老頂?shù)牧W(xué)性質(zhì)、厚度等因素而定。而開采深度對這些參數(shù)的影響不會(huì)太大。在目前的開采深度（600～800 米）條件下，實(shí)際測定表明，回采工作面的頂板下沉量與采深之間并無直接關(guān)系。例如比利時(shí)的彼丘爾煤礦，在 80 年代初期，開采深度已達(dá)到 1415 米，工作面采用的工作阻力為 30 噸的金屬支柱（可縮量為120mm、支護(hù)密度 根/m 2） ，仍然能把頂板管理得很好。隨著采深增加，支承壓力必然增加，可能導(dǎo)致煤壁片幫及底板臌起的機(jī)率增加，由此也可能導(dǎo)致支架載荷增加。煤層傾角的影響 實(shí)際觀測證明，煤層傾角對回采工作面礦山壓力顯現(xiàn)的影響也很大。例如，隨著煤層傾角增加，頂板下沉量將逐漸變小。眾所周知，急傾斜工作面的頂板下沉量比緩傾斜工作面小得多。 Q21Wа 570176。217180176。21819021圖 234 傾角對礦壓的影響 圖 235 各種傾角情況下冒落帶分布上覆巖層的重量 W，如圖 234 所示。由于傾角增大，必然使沿層面的切向滑移為 （即 Q2）增大，而使作用于層面的垂直壓力（即 Q1）減小。另外，由于傾角增加，采空區(qū)頂板冒落的矸石不一定能在原地留住，可能沿著底板滑移，從而改變了上覆巖層的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。44 / 85根據(jù)對不同傾角的兩帶（冒落帶、導(dǎo)水裂縫帶）觀測，也可以證明巖層移動(dòng)是不均勻的。尤其是在急傾斜層，基本上改變了原來的規(guī)律性。如圖 235 所示。采空區(qū)內(nèi)冒落矸石的滑移不僅與傾角有關(guān)，而且還與 h/m 的比值有關(guān)（h 為分層厚度，m 為采高） 。例如，當(dāng) h/m＞～ 時(shí)，即使傾角達(dá)到60176。，冒落后的矸石還可能留在原來位置保持不滑移。但當(dāng)h/m＜～ 時(shí)，冒落的矸石則發(fā)生滑移。由于冒落巖塊滑移，使形成了如圖 236a 所示的情況。即下部充填較滿，上部形成冒空。這樣必然使回采工作面支架受力不均勻。如圖 236b 所示。圖中表示了各種不同傾角時(shí)工作面支架載荷的分布情況。顯然，當(dāng)傾角為 60176。時(shí)顯得最不均勻。а034060176。4530(а ) (b)采 空 區(qū) 矸 石 的 滑 移 及 其 造 成 的 后 果 θ ?аQаTа +Raθ +?Rаθ Tа +RaQа沿 傾 斜 方 向 開 采 時(shí) 巖 塊 的 咬 合 關(guān) 系圖 236 采空區(qū)矸石滑移及其造成的后果當(dāng)回采工作面沿傾斜方向推進(jìn)時(shí)，即傾斜長壁回采工作面。開采后上覆巖層破斷巖塊間相互的咬合狀況如圖 237 所示。45 / 85а034060176。4530176。(а ) (b)采 空 區(qū) 矸 石 的 滑 移 及 其 造 成 的 后 果 θ ?аQаTа +Raθ +?Rаθ Tа +RaQа沿 傾 斜 方 向 開 采 時(shí) 巖 塊 的 咬 合 關(guān) 系圖 237 沿傾斜方向開采時(shí)巖塊的咬合關(guān)系這時(shí)咬合點(diǎn)保存平衡的條件是：f[(Ta+Ra)cosθQasinθ]＞(Ta+Ra)sinθ+Qacosθ即應(yīng)滿足tg(Φθ)＞Qa/（Ta+Ra） （公式 233）式中 f——破斷巖塊間摩擦系數(shù)；Ta——沿層面的橫向推力；Ra——由于巖塊本身重量形成的巖塊間壓力；Qa——兩巖塊間的剪切力，它由巖塊的自重及其載荷所