頂板垮落角概述

頂板垮落是指采掘工作面或采空區(qū)頂板暴露面積增大到一定程度，頂板巖石出現(xiàn)析斷、冒落的現(xiàn)象。頂板垮落角簡稱垮落角，是頂板垮落后其斷裂面與頂板層面之間朝采空區(qū)方向形成的夾角α，具體如《垮落角示意圖》所示?？迓浣堑拇笮∨c頂板巖石穩(wěn)定性、跨度、支護形式等因素有關。頂板垮落角的大小會對采場支承壓力造成不同影響 。

頂板垮落角是確定三帶分布及高瓦斯礦井抽采工程設計的主要參數。頂板垮落角受許多因素的影響，垮落角主要取決于煤體的強度，煤體強度高、整體性好，垮落角小，反之，垮落角大；提高切頂阻力能增大垮落角，當切頂阻力不變時，頂板垮落角隨頂板厚度的增大而減小；頂板垮落角與采高有一定的相關性，隨一次采厚的增加，后垮落角逐漸增大并趨于一定值，而前垮落角基本不變。斷裂線與地基初始接觸位置的相對距離決定頂板垮落角的發(fā)育，相對距離與頂板垮落角度值呈反比 。2100433B

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頂板垮落（roof caving）指的是回柱或移架后采空區(qū)內頂板自然塌落的現(xiàn)象。

中文名稱

頂板垮落

英文名稱

roof caving

定　　義

回柱或移架后采空區(qū)內頂板自然塌落的現(xiàn)象。

應用學科

煤炭科技（一級學科），煤礦開采（二級學科），礦山壓力與巖層控制（三級學科）

傳統(tǒng)短壁連采主要是利用在工作面留置大量煤柱以支撐頂板，這導致煤炭資源回收率低，且易造成采空區(qū)頂板大面積懸頂進而引發(fā)沖擊災害事故。本書介紹的頂板全垮落法短壁連采技術主要在工程實踐的基礎上，采用理論分析、數值計算模擬、現(xiàn)場實測等多種研究方法，推導出取消煤柱后的可控最大采空區(qū)懸空面積、上覆巖層運動規(guī)律，進行通風安全及頂板可控安全評價。此研究成果是對傳統(tǒng)短壁連采頂板控制的補充與完善，豐富了礦壓控制理論。

目錄

第1章 研究概述 1

1.1 研究背景 1

1.1.1 神東礦區(qū)短壁連采頂板控制發(fā)展階段 1

1.1.2 全垮落法短壁連采需解決的主要問題 2

1.2 研究內容 3

1.3 研究方法與技術路線 3

第2章 榆家梁42209頂板全垮落法短壁連采頂板控制 5

2.1 監(jiān)測目的和內容 5

2.1.1 監(jiān)測目的 5

2.1.2 監(jiān)測內容 5

2.1.3 監(jiān)測人員與時間 7

2.2 試驗區(qū)域概況和監(jiān)測方案 8

2.2.1 現(xiàn)場試驗條件 8

2.2.2 監(jiān)測方案 10

2.2.3 監(jiān)測工作統(tǒng)計 11

2.3 頂板運動及其控制實踐 12

2.3.1 頂板運動規(guī)律 12

2.3.2 極限回采面積 31

2.3.3 回采方案優(yōu)化 34

2.3.4 頂板控制技術 35

2.3.5 回采率分析 38

2.4 本章小結 38

第3章 短壁連采頂板運動與極限面積理論計算 40

3.1 神東礦區(qū)短壁連采采場覆巖分類 40

3.1.1 單一復合關鍵層結構——厚沖積層薄基巖 48

3.1.2 多層關鍵層結構——薄沖積層厚基巖 49

3.1.3 含有復合關鍵層的多層關鍵層結構——厚沖積層厚基巖 49

3.2 短壁連采采場的關鍵層判別 50

3.2.1 短壁連采采場的關鍵層位置判別 51

3.2.2 短壁采場單一組合關鍵層結構形成條件、判別以及載荷和極限面積 53

3.2.3 含有復合關鍵層的多層關鍵層判別 55

3.3 單一復合關鍵層(兩關鍵層)結構頂板運動及控制 56

3.3.1 榆家梁礦42209短壁連采工作面概況 56

3.3.2 榆家梁礦42209短壁連采工作面上覆關鍵層結構 57

3.3.3 強放以后的頂板運動規(guī)律 60

3.3.4 單一復合關鍵層結構短壁連采頂板控制措施 61

3.4 薄表土層多關鍵層結構頂板運動及控制 61

3.4.1 上灣礦51203CL短壁連采概況 62

3.4.2 上灣礦51203CL短壁連采工作面上覆關鍵層結構 65

3.4.3 上灣強放后的頂板極限懸頂面積計算 66

3.4.4 薄表土層多層關鍵層結構短壁連采頂板控制措施 66

3.5 厚表土層多關鍵層結構頂板運動及控制 67

3.5.1 大柳塔煤礦12406-3切眼外側旺采區(qū)概況 67

3.5.2 大柳塔煤礦12406-3切眼外側旺采上覆關鍵層結構 68

3.5.3 厚表土層多層關鍵層結構短壁連采頂板控制措施 70

3.6 三角形、梯形短壁連采塊段頂板極限懸頂面積計算 70

3.6.1 三角形頂板極限懸頂面積 72

3.6.2 梯形頂板極限懸頂面積計算 72

3.6.3 計算實例——榆家梁42213短壁連采塊段 73

3.7 本章小結 81

第4章 短壁連采覆巖運動與應力分布數值模擬 82

4.1 數值仿真原理 82

4.1.1 FLAC3D程序計算方法 82

4.1.2 FLAC3D基本功能和特征 83

4.1.3 軟件的優(yōu)點 83

4.1.4 五種計算模式 84

4.1.5 多種結構形式 84

4.1.6 強大的前后處理功能 85

4.2 采場數值建模 85

4.2.1 彈性階段 86

4.2.2 塑性階段 86

4.3 模擬方案 87

4.3.1 模擬方案 87

4.3.2 主要研究內容 89

4.4 模擬結果分析 89

4.4.1 方案Ⅰ——切塊后退式 89

4.4.2 方案Ⅱ——切塊前進式 102

4.4.3 方案Ⅲ——支巷后退式 107

4.5 本章小結 117

第5章 短壁連采覆巖組合運移規(guī)律相似材料模擬研究 119

5.1 相似材料模擬實驗目的 119

5.2 相似材料模擬實驗原理 120

5.2.1 幾何相似 120

5.2.2 容重及強度相似 120

5.2.3 初始動力狀態(tài)相似 120

5.2.4 邊界條件相似 121

5.2.5 時間相似常數 121

5.3 實驗模型設計 121

5.3.1 相似參數的確定 121

5.3.2 相似材料配比 122

5.3.3 模型監(jiān)測設計 123

5.3.4 模型制作 124

5.4 短壁連采覆巖組合運動規(guī)律與支承壓力分布 125

5.4.1 工作面開挖初期階段 126

5.4.2 直接頂初次冒落階段 128

5.4.3 覆巖關鍵層組合初次斷裂階段 129

5.4.4 頂板周期來壓階段 131

5.4.5 綜合結果分析 131

5.5 本章小結 132

第6章 通風與安全 133

6.1 通風風路暢通性 133

6.1.1 42209工作面通風概況 133

6.1.2 通風通道 133

6.2 現(xiàn)場實測研究 134

6.2.1 通風監(jiān)測布置方案 134

6.2.2 監(jiān)測結果分析 135

6.2.3 采空區(qū)自燃發(fā)火危險性分析 136

6.2.4 采空區(qū)溫度變化 139

6.3 采空區(qū)瓦斯運移規(guī)律數值模擬 140

6.3.1 模擬軟件ANSYS CFD/CFX 140

6.3.2 模擬結果分析 141

6.4 采硐通風安全分析 144

6.4.1 采硐內氣體成分實測 144

6.4.2 硐口硐底風流流動 144

6.4.3 煤機司機位置 146

6.4.4 神東多年安全實踐 147

6.5 本章小結 148

第7章 全垮落法短壁連采安全評價 149

7.1 頂板控制的安全性評價 149

7.1.1 評價因素及評分標準 149

7.1.2 42209工作面的各評價因素分值 152

7.1.3 頂板全垮落法短壁連采工作面頂板安全評價 153

7.1.4 頂板全垮落法短壁連采頂板條件分析 154

7.2 通風安全評價 154

7.2.1 評價原理 154

7.2.2 主要影響因素分析及評價函數建立 155

7.2.3 通風安全評價及適用條件 159

7.3 本章小結 159

第8章 主要研究結論 161

8.1 頂板控制方面 161

8.2 通風安全方面 162

主要參考文獻 163 2100433B