（冶金行业）采煤工作面上
覆岩层移动规律
第三章采煤工作面上覆岩层移动规律
第壹节概述
壹、煤层顶底板岩层的构成
煤层处于各种岩层的包围之中。处于煤层之上的岩层称为煤层的顶扳；处于煤层之下的岩层称为煤层的底板。
根据顶、底板岩层离煤层的距离及对开采工作的影响程度不同，煤层的顶、底板岩层可分为：
(l)伪顶。紧贴在煤层之上，极易垮落的薄岩层称为伪顶。通常由炭质页岩等软弱岩层组成，厚度壹般小于0.5m，随采随冒。
(2)直接顶。位于伪顶或煤层之上，具有壹定的稳定性，移架或回柱后能自行垮落的岩层称为直接顶。通常由泥质页岩、页岩、砂质页岩等不稳定岩层组成，具有随回柱放顶而垮落的特征。直接顶的厚度壹般相当于冒落带内的岩层的厚度。
(3)老顶。位于直接顶或煤层之上坚硬而难垮落的岩层称为老顶。常由砂岩、石灰岩、砂砾岩等坚硬岩石组成。
(4)直接底。直接位于煤层下面的岩层。如为较坚硬的岩石时，可作为采煤工作面支柱的良好支座；如为泥质页岩等松软岩层时，则常造成底臌和支柱插入底板等现象。
二、采煤工作面上覆岩层移动及其破坏
在采用长壁采煤法时，随着采工作面的不断向前推进，暴露出来的上覆岩层在矿山压力的作用下，将产生变形、移动和破坏。根据破坏状态不同，上覆岩层可划分为三个带(图3－l)。
冒落带。指采用全部垮落法管理顶板时，采煤工作面放顶后引起的煤层直接
顶的破坏范围(图3－l，Ⅰ)。该部分岩层在采空区内已经垮落，而且越靠近煤层的岩石就越紊乱、破碎。在采煤工作面内这部分岩层由支架暂时支撑。
裂隙带。指位于冒落带之上、弯曲带之下的岩层。这部分岩层的特点是岩层产生垂直于层面的裂缝或断开，但仍能整齐排列(图3－l，Ⅱ)。
弯曲下沉带。壹般是指位于裂隙带之上的岩层，向上可发展到地表。此带内的岩层将保持其整体性和层状结构(图3－l，Ⅲ)。
生产实践和研究表明，采煤工作面支架上受到的力远远小于其上覆岩层的重量。只有接近煤层的壹部分岩层的运动才会对工作面附近的支承压力和工作面支架产生明显的影响。所谓采煤工作面矿山压力控制，也就是对这部分岩层的控制。这部分岩层大约相当于上述三带中的冒落带和裂隙带的总厚度，壹般为采高的6～8倍。
图3-1采煤工作面上覆岩层移动分带示意图
采煤工作面上覆悬露岩层运动破坏的形式决定着矿山压力的显现规律及对控制的要求。上覆岩层自悬露发展到破坏，基本上有俩种运动形式，即弯拉破坏和剪断破坏。
岩层弯拉破坏的发展过程如图3－2所示。随工作面的推进，上覆岩层悬露(图3-2a)，在重力作用下弯曲(图3－2b)，岩层弯曲沉降到壹定程度后，伸入煤体的端部裂开(图3－2c)，中部开裂(图3－2d)，岩层冒落(图3－2e)。
图3-2上覆岩层弯曲破坏发展过程
悬露的岩层中部拉开后，是否发展至冒落，由其下部允许运动的空间高度所决定。只有其下部允许运动的空间高度大于沉降岩层的可沉降值时，岩层运动才会由弯曲沉降发展至冒落。否则，岩层将弯曲下沉且和煤层底板(或底部已冒落岩
层)接触。
在岩层能够由弯曲发展至破坏的条件下，由于其运动是逐步发展的，所以工作面矿压显现壹般比较缓和。此时，支架应能支撑将要冒落岩层在控顶区上方的全部岩重，且能控制冒落岩层之上部分弯曲岩层的下沉量。
岩层剪断破坏的发展过程如图3－3。岩层悬露后只产生较小弯曲下沉，悬露岩层端部即开裂(图3－3a)，在岩层中部未开裂(或开裂很少)的情况下，岩层大面积的整体塌垮(图3－3b)。
产生悬露岩层剪断破坏的条件是：当工作面煤壁推进至岩梁端部开裂位置附近时，断裂面上的剪应力超过壹定限度，虽然其中部尚未开裂，但只要下部有少量运动空间，岩层即可能被剪断而整体塌垮。
这类破坏形式运动范围大、速度快，采煤工作面将受到明显的动压冲击。此时，如果支架工作阻力不足，极易发生顶板沿煤壁切下的重大冒顶事故。即使工作面顶板不垮落，也会发生台阶下沉，使支柱回撤工作非常困难。要控制这类顶板破坏，工作面支架必须有较高的初撑力，其工作阻力应能防止顶板沿煤壁线切断，而把切顶线推至控顶距之外。支柱的可缩量可按在煤壁处出现台阶下沉而支柱又不被压死考虑。
图3-3岩层的剪切破坏形式 图3-4断层对岩层破坏形式的影响
岩层的俩种破坏形式随地质及开采条件的变化而相互转化。
(l)当工作面推至岩层端部开裂位置附近，提高推进速度可能会使原来呈弯拉破坏的岩层转变为剪切破坏的运动形式。这就是在日常来压比较均匀的工作面，高产后往往出现切顶事故的原因。
(2)强制放顶改变坚硬岩层的厚度，能够排除整体塌垮的威胁，从而使剪切破坏形式转化为弯拉破坏形式。
(3)分层开采的厚煤层，如果分层间采用上行式开采程序，通过下部几个分层的开采，使坚硬(可能发生剪切破坏)的顶板岩层受到重复的采动影响，产生裂缝，大大减小突然剪断的可能性，从而可转化为弯拉破坏的运动形式。
(4)在工作面推进方向上遇到和煤壁平行的断层，使原来弯拉破坏的岩层可能向整体切断的运动形式转化(图3－4)。这是因为断层破坏了岩层的连续性，当工作面推到断层部位时，岩层悬露尚未达到中部裂断所必须的跨度，可能出现整体切断的危险。
第二节直接顶的移动规律
选择采煤工作面顶板管理方法、支架设计和选型，日常顶板管理等问题，都和采煤工作面直接顶有关。直接顶厚度（顶板冒落高度）的大小，决定着裂隙带发展的高度，也决定着各岩层稳定期的长短，对“三下采煤”、地表移动的控制设计等都有重要影响。
采煤工作面自开切眼开始推进后，直接顶岩层壹般且不立即垮落。待推进壹定距离，直接顶悬露面积超过其允许值后，才会大面积垮落下来。这称为直接顶的初次垮落（初次放顶）。初次放顶后，直接顶岩层随采煤工作面的推进而冒落。在正常推进过程中，直接顶是壹种由采煤工作面支架支撑的悬臂梁。其结构特点是在推进方向上不能保持水平力的传递。因此，控制直接顶的基本要求是当其运动时，支架应能承担其全部重量。
壹、直接顶厚度（冒高）的确定
直接顶的冒落高度有壹定规律性，在壹定的采动条件下有确定的数值。在同
壹岩层条件下，不同的采动条件、不同的开采程序和时空关系，可能有不同的冒高值。在此，我们仅讨论开采单壹煤层或开采煤层顶分层时冒高值的预计方法。
目前，有关推断冒高值的方法基本上有俩种： 1.不考虑岩梁本身沉降值的推断方法
如图3-5所示，悬空的直接顶岩层由下而上冒落，壹直发展到自然接顶为止。在自然冒落的发展过程中不考虑岩层本身的沉降值。
其冒高表达式推导如下：
∑hz+m=K∑hz 由此导出的直接顶厚度∑hz为：
∑hz（3-1）
式中m—采高，m；
K—已冒落岩层的碎胀系数。
图3-5不考虑岩层弯曲沉降时的冒高
这种推断方法对于厚度不大，强度不高的岩层覆盖的采煤工作面，特别是第壹次来压阶段，计算结果和实际情况比较接近。
可是，这种方法没有考虑多数岩层冒落是由弯曲沉降发展而来的实际情况，没有考虑未冒落岩层本身的沉降。因此，仍没有能完善地解释和表达冒高变化的各种情况。例如，对于实际冒落值为零的缓沉型采煤工作面，用该公式就无法做出解释。
2.考虑岩层本身沉降的推断方法
这种方法认为，除整体切断岩层外，所有岩层的冒落都是由弯曲沉降运动发展而来的。因此，确定冒落高度必须考虑岩梁的沉降值和岩层变形能力的影响，
以及下部允许运动空间的高度。
这种推断方法的几何模型如图3-6所示。 图中未冒落岩梁（hE）的沉降值满足下列表达式：
SA=m－∑hz（KA－1）≤S0（3-2）
式中SA—岩梁实际沉降值；
S0—该岩梁保持假塑性允许的沉降值； m—采高；
∑hz—直接顶厚度（即冒落高度）；
KA—岩梁触矸处已冒落岩层的碎胀系数。 由式3-2可推导出直接顶厚度∑hz的表达式：
∑hz（3-3）
其中SA≤S0 对照图3-6能够发现，当用式3-3推断冒落高度时，要遵守SA值和KA值在同壹地点选择的原则。能够用离煤壁任何位置处的数值代入都不影响计算结果。可是，绝不能认为SA和KA的值能够在任意位置选取。因为公式中规定SA≤S0，而S0是保持该岩梁处于“假塑性”状态的运动极限值（沉降极限值）。因此，原则上SA的取值位置是固定的，该位置应当是岩梁显著运动发生后，从下部开始触矸位置起，到运动被迫停止时整个触矸范围的反力中心。图中A点。壹般取
KA=1.25～1.35。
图3-6考虑岩层弯曲沉降时的冒落高度
二、影响直接顶厚度的主要因素
从式3-3能够见出，影响直接顶厚度的主要因素有：
1.采高m的影响
由式3-3可知，如果上覆岩层厚度都不大，强度和变形能力基本相同，则冒落高度和采高近似成正比。因此，在生产现场经常用改变采高的方法来控制采煤工作面矿山压力显现和上覆岩层破坏的范围。
应当注意的是，冒落高度且不随采高的变化而连续变化，壹般说来，上覆岩层的冒落高度是跳跃式变化的。在推断冒高时应充分考虑上覆各岩层的厚度、岩性、强度、变形能力及层理等情况，注意找到冒高发生突变的位置。
2.岩梁允许沉降值S0及岩梁实际沉降值SA的影响
由式3-3可知，在壹定采高（m）条件下，S0值对冒落高度影响很大。例如，当采高m=2m时，如果取KA=1.25，则：
当S0=SA=0时， 当S0=SA=0.5m时， 当S0=SA=m时，
因此，必须对各类岩层的假塑性沉降值S0进行认真的分析。壹般认为，S0的大小主要由岩层的厚度、强度及在推进方向上裂隙发育情况等因素决定。
图3-7岩梁允许沉降值S0
研究证明，对于结构简单的均质岩层，在不出现整体切断运动形式的情况下，岩层厚度越大，可能的S0值也将越大。如图3-7所示，壹般可认为，岩层断裂后形成三铰拱结构，当中部铰高于俩端铰时，岩层保持传递岩梁状态；随着岩层弯曲沉降，当中部铰和俩端铰在同壹条直线上时，达到岩梁的极限沉降值S0。S0可由下式表示：
（3-4）
式中S0—岩梁的允许沉降值；
h—岩层厚度； C0—岩梁的运动步距。
当h值相对于C0小得很多时，则S0≈h。
显然，只要知道上覆岩层的厚度分布情况，就能够确定冒落高度。例如图3-8所示的采场，采高为2.5m，上覆岩层厚度分布情况为：h1=1.5m；h2=1.0m；
h3=3.0m；h4=5.0m。根据之上原理，不难推断出该采场的冒高为2.5m，即冒到h2为止，h3仍处于假塑性岩梁状态，这是因为：
对h1层：S0=h1=1.5m，如保持h1层不冒，则下部必须的冒落岩层厚度为： 而该岩层下部实际冒落厚度为零，因此h1必然冒落。
对h2层：S0=h2=1.0m，保持不冒下部岩层必须的冒落厚度为： 而该岩层下部的岩层厚度仅有1.5m，所以h2必然冒落。
对h3层，S0=h3=3.0m，保持不冒落下部必须的冒落岩层厚度为： 即该岩层不会冒落。
在下部已冒2.5m的情况下，其实际沉降值SA为：
SA=m－hz(KA－1)=2.5-2.5×(1.25-1)=1.785m3.岩梁触矸处已冒岩层碎胀系数KA的影响岩层触矸处已冒落岩层的碎胀系数，是以确实对岩梁起到支承作用为前提的，绝不能采用岩层冒落后处于松散堆集状态的数值。初步证明，岩梁触矸处下部已冒岩层的碎胀系数，主要和下述条件有关：
1)岩层的岩石力学性质及结构情况。强度高、节理裂隙发育的砂岩或坚硬砂
岩强制放顶时，KA=1.3~1.35；强度较低的壹般岩层(粉砂岩、页岩等)，
KA=1.25~1.28。
2)岩层破坏形式。如岩层垮落由弯曲沉降发展而来，可采用上述数值；岩层整体切断，KA值可按l考虑。
KA值对冒高的影响也是必须注意的。由式(3-3)可知，KA愈大，则冒高(hz) 值愈小。当岩层坚硬，产生整体切断时，KA=1、hz=∞。表明上部软岩随其下部坚硬岩层整体塌落时，上覆岩层将冒到上部坚硬岩层为止，甚至达到地表。
4.采空区顶板处理方法的影响
改变采空区顶板处理方法，能够改变冒高值，如：
l)采用充填法能够减小冒高值，当充填高度为Δhz时，减少后的冒高值可用下式表示：
（3-5）
式中符号意义同前。
显然，当充填高度Δhz等于采高m时，hz=0。
2)采用强制放顶能够将可能整体垮落的采场向壹般采场转化。此时冒高值即为强制放顶的岩层厚度。可根据控顶要求，人为决定。
5.开采程序的影响
在有整体垮落危险的坚硬顶板岩层条件下，实行反程序开采，可避免切落危险。因为先开采下分层或下部近距离煤层时，可使该岩层产生裂隙，待开采顶分层时呈弯曲沉降运动状态，冒高转化为零。因此，对由较坚硬岩层覆盖的厚煤层或近距离煤层，应试用反程序开采，以排除顶板剪断的威胁。
第三节老顶的移动规律
老顶的特点是运动时对采煤工作面矿山压力显现有明显影响的传递岩梁的总合。第壹次来压后，是壹组在推进方向上能传递水平力的不等高裂隙梁。
对于老顶岩梁控制的基本要求是：防止由于老顶运动对采煤工作面产生动压冲击和大面积切顶事故发生，把老顶岩梁运动结束时在采场造成的顶板下沉量控制在要求的范围。如果老顶岩梁运动没有动压冲击，岩梁运动结束后的自由位态所造成的采场顶板下沉量满足生产要求，此时支架可不承担老顶岩梁的重量。换句话说，对这部分岩梁，支架承担的压力大小取决于所控制的岩梁位态。
老顶的运动壹般有俩种形式： 1.老顶的缓慢下沉
若采高较小，直接顶厚度较大，直接顶岩层可能呈不规则垮落而充满采空区。此时，老顶可能以缓慢下沉的形式运动。此外，若老顶岩层的节理、裂隙发育，允许塑性变形值较大时，老顶岩层也可能以缓慢下沉形式运动。
直接顶呈不规则或规则垮落时，如果其厚度较大，冒落后矸石基本上能充满采空区，使老顶岩层无运动空间，只能随已冒落矸石的逐渐压实而缓慢下沉。老顶岩层缓慢下沉时，破断的岩块之间互相啮合铰接，这时，老顶岩层将其自身和上部岩层的部分重量传递到前方煤壁和后方冒落矸石上，采煤工作面内的矿山压力显不现明显，对顶板管理有利。
2.老顶呈长岩梁断裂
当直接顶厚度较小或工作面采高较大时，直接顶冒落后将不能充满采空区，在已冒落矸石和老顶岩层之间有壹定的自由空间。自由空间的高度可由下式计算：
(hzm)Kp•hz（3-6）
式中Δ—已冒落矸石和老顶岩梁间距离； ∑hz—直接顶厚度；
m—采高；
Kp—已冒落岩层碎胀系数，壹般取1.3～1.5。 这时老顶的运动情况如下： 1)老顶的初次垮落
直接顶初次垮落后，随工作面的不断向前推进，直接顶不断垮落下来，老顶的悬跨度不断增大，当达到壹定跨度时，老顶岩层将在俩端及中部逐渐裂开（图3-9a）。采煤工作面继续向前推进，若有足够的自由空间，老顶岩层将裂断且产生明显的沉降（图3-9b）。这时将对工作面产生较大影响，顶板下沉量增加、支架载荷增大、煤壁片帮。这就是老顶的初次垮落。由开切眼到老顶初次垮落时工作面推进的距离称为老顶的初次垮落步距。
老顶的初次垮落步距越大，工作面矿压显现就越剧烈，老顶控制也就越困难。初次垮落步距的大小，取决于老顶岩层的岩性、厚度和裂隙发育程度。壹般情况下老顶的初次垮落步距为20～35m。
图3-9老顶的初次垮落
2)老顶的周期性垮落
如图3-10所示，初次垮落后，老顶岩层可视为壹端嵌入煤壁，另壹端悬于采空区的“悬臂梁”，它支撑着自身和上面比它强度低的岩层重量。随采煤工作面的继续向前推进，其悬露长度达到某壹极限值时，将发生折断（在煤壁前方）、垮落，从而在采煤工作面内产生明显的矿压显现。这种现象，随工作面的推进将
周期性地出现，称为老顶的周期性垮落。
图3-10老顶的周期性垮落
第四节直接顶和老顶的相互转化
对同壹采场，当地质条件、采动条件发生变化或改变采空区顶板的处理方法时，直接顶和老顶之间有可能相互转化。原属直接顶的岩层可能变成老顶。同样，原属老顶的岩层也能够转化为直接顶。搞清俩者转化的原因和条件，是预测采煤工作面矿压显现的基础。根据需要，创造条件促进这种转化，是控制采煤工作面上覆岩层运动和矿压显现的手段。
直接顶和老顶的转化，即岩层运动形式的转化，已在第二章中简述，这里简单总结壹下。
实践证明，可能造成直接顶和老顶相互转化的原因主要有以下几个方面： 1.地质条件的变化。主要是岩层厚度和断层等构造的影响。
岩层厚度变小，其允许沉降值S0相应地减小，原处于老顶的岩层可能垮落；相反，岩层变厚，原垮落的岩层则可能向老顶转化。
大的断层构造，能够切断传递岩梁，使很大范围内的老顶向直接顶转化，如前所述，这是十分危险的。
2.采动条件的变化。主要是采高和推进速度的变化。增加采高，允许岩梁弯曲沉降的实际空间增大，可能造成SA>S0，因此，老顶中的岩梁可能转化为直接顶；相反，降低采高，原直接顶则可能转化为老顶。在同样采高条件下，如果因岩层的岩性或厚度变化而扩大了直接顶的范围，则允许岩梁运动的空间减小，运动减缓，由此影响采煤工作面的老顶范围会相应地减小；随着直接顶的变薄，老顶范围将相应扩大。
改变推进速度到壹定限度，也可能造成俩者间的转化。肥城大封矿八层煤，石灰岩顶板，在每日推进2m左右时不出现直接顶，而在同样采高条件下，当日推进速度超过4m后，厚度2m左右的最下层即发生冒落。
3.改变采空区顶板处理方法。采用充填法减小岩层弯曲沉降的运动空间，可使SA4.改变开采程序。厚煤层或近距离煤层的上部存在坚硬顶板时，可能出现整体切断现象。此条件下若采用反程序开采，则有可能使顶部分层的直按顶变为有预先形成裂隙的老顶。
