3 短工作面顶煤破坏过程的理论分析.doc

龙东煤矿短工作面综放开采技术研究 工作面顶煤破坏、顶板控制过程理论分析3 短工作面顶煤破坏、顶板控制过程理论分析为了提高顶煤的可放性，增强对煤层顶板的控制，本章应用理论分析方法，对短工作面顶煤的结构、顶煤的破坏过程进行了分析，以便为顶煤冒放性的评价以及合理开采参数的确定提供依据。3.1 短工作面煤层的结构及构造特点由于7303工作面长度为3362m，属于短工作面，在开采过程中，支承压力作用程度较低，矿压显现较弱。表现为煤层在破坏之前变形量较小，裂隙发育程度差，分层厚度较大。开采引起的支承压力作用低于煤层强度时，煤层表现为相对的坚硬，不利于顶煤的破碎与放出。因此，如何提高短工作面顶煤的冒放性，并使顶煤破碎后达到合适的块度将是推行短工作面综放开采工艺所面临的重要技术难题。3.2 短工作面顶煤的破碎规律3.2.1顶煤破坏过程顶煤自煤壁前方的完整煤体到由支架后方放出的松散煤体，其间经历了复杂的力学过程。一般认为，顶煤先后经历了支承压力、顶板回转和支架反复支撑等3方面的作用，但这3方面作用的程度是不同的。超前支承压力 预破坏作用顶板回转活动 再破坏作用支架反复支撑 助破坏作用顶煤破坏的发展通常情况下，顶煤依次在上述3方面的作用下破坏逐渐发展，但对于不同的煤层及开采条件，各过程作用的程度和顶煤破碎的效果具有显著的差异。在短工作面煤层条件下，易于出现支架后方顶煤悬露不冒或垮落后块度过大难以及时有效地放出，进而影响到煤炭的采出率。这也是龙东矿7323工作面推行综放开采所必须研究和解决的重点课题之一。基于对上述3种破坏作用的认识，依据顶煤的破坏发展程度，沿工作面推进方向，可将顶煤分为四个破坏区，如图3.1所示。自煤壁前方至采空区方向依次为完整区、破坏发展区、裂隙发育区和垮落破碎区。对我国潞安王庄矿、韩城象山矿及平顶山一矿等综放工作面所进行的实测结果与此是相吻合的，见表3.1。由于工作面的移动特性，顶煤将依次经过以上4个区，破坏逐渐发展，直到完全破碎而由放煤口放出。需要指出，当煤层及开采条件发生变化时，各破坏区的范围将有所不同。显然，当垮落破碎区进入煤壁前方时则易于发生端面冒顶，而当支架后部仍不出现破碎区时，则顶煤难以顺利放出。短工作面由于支承压力较弱，顶板来压步距较大，超前支承压力与顶板回转活动破坏作用减弱，顶煤在支架后方悬露面积较大，不利于顶煤的破碎及放出。图3.1 顶煤破坏发展分区（a）实测结果； （b）理论分析结果A完整区；B破坏发展区；C裂隙发育区；D垮落破碎区a顶煤变形分布；b顶煤拉伸破坏系数分布；c顶煤剪切破坏系数分布表3.1 顶煤破坏发展分区范围和特征破 坏 分 区完整区破坏发展区裂隙发育区垮落破碎区区域范围计算值+8+4m+4+1.0m+1.0-2.2m-2.2m实测值潞安王庄矿4309面实测结果+8+4m+4+0m0-2m-2m韩城象山矿综放面实测结果+8+3m+3+1.4m+1.4-2.4m-2.4m破坏特征 尚未发生强度破坏 煤体已破坏，裂隙扩展，水平变形大于垂直变形，但仍有连续性 裂隙进一步发育，表现为裂隙密度增大和裂隙张开 顶煤逐渐进入完全破坏状态，顶煤丧失其连续性由于煤层的地质结构特征，其破坏是一个损伤弱化的过程。为此，引入煤体损伤的概念可对顶煤的损伤破坏过程和特点进行描述。3.2.2 顶煤损伤演化过程及其分区由前述分析，顶煤在支承压力、顶板回转和支架的共同作用下实现破碎，其中支承压力是顶煤实现破碎的关键，而支架反复支撑仅对下位12m范围的顶煤作用较为明显。由于煤层的地质结构特征，其破坏是一个损伤弱化的过程。为此，引入煤体损伤的概念可对顶煤的损伤破坏过程和特点进行描述。3.2.2.1顶煤损伤演化分析据相关研究资料，顶煤损伤演化方程为 （3-1）式中，D损伤参量； 顶煤的应变值；max顶煤的峰荷应变值。 （3-2）式中，E顶煤的弹性模量； 顶煤过峰荷点的割线模量。由此可得顶煤受压全过程的本构关系模型为 （3-3）由上式可得顶煤屈服点的损伤值为 (3-4)将m=l代入式(34)，可得其临界值为D=0.5。残余强度为煤体在峰值后所具有的有限承载能力，其大小主要取决于颗粒间的咬合力和摩擦力。根据相关资料，单向压缩状态下煤体的残余强度约为极限强度的1/6，由此可得残余强度的损伤值为0.98。3.2.2.2 顶煤损伤破坏过程及分区根据上述考虑损伤的弹塑性物性方程，可对破坏分区作如下定义： 弹性区应力-应变关系符合虎克定律的煤体区域；塑性区存有残余应变的煤体区域；散体区单元体间失去联系而近乎散体介质的煤体区域。对应上述各区域的损伤参量D为：弹性区：0D0.5塑性区：0.5D0.98散体区：0.98D1据此，在综放面顶煤位移实测资料的基础上，可对顶煤的破坏过程进行分区，不同情形下顶煤的分区结果如图3-2图3-4所示。图3-2 松软顶煤的损伤过程及分区图3-3 中硬顶煤的损伤过程及分区图3-4 短工作面或坚硬顶煤的损伤过程及分区由图示可见，对于不同开采条件下的煤层，在综放开采时顶煤的破坏过程存在较大差异，松软顶煤的散体区有可能深入到煤壁前方，短工作面或坚硬顶煤在支架后部顶煤悬露，而煤