頂板垮落角

頂板垮落角是確定三帶分布及高瓦斯礦井抽采工程設(shè)計(jì)的主要參數(shù)。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(qiáng)度，煤體強(qiáng)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(dāng)切頂阻力不變時(shí)，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(guān)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(duì)距離決定頂板垮落角的發(fā)育，相對(duì)距離與頂板垮落角度值呈反比 。2100433B

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(jiǎn)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。垮落角的大小與頂板巖石穩(wěn)定性、跨度、支護(hù)形式等因素有關(guān)。頂板垮落角的大小會(huì)對(duì)采場(chǎng)支承壓力造成不同影響 。

本詞條由“科普中國(guó)”科學(xué)百科詞條編寫與應(yīng)用工作項(xiàng)目 審核 。

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

應(yīng)用學(xué)科

煤炭科技（一級(jí)學(xué)科），煤礦開(kāi)采（二級(jí)學(xué)科），礦山壓力與巖層控制（三級(jí)學(xué)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(dǎo)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(jìn)而引發(fā)沖擊災(zāi)害事故。本書(shū)介紹的頂板全垮落法短壁連采技術(shù)主要在工程實(shí)踐的基礎(chǔ)上，采用理論分析、數(shù)值計(jì)算模擬、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等多種研究方法，推導(dǎo)出取消煤柱后的可控最大采空區(qū)懸空面積、上覆巖層運(yùn)動(dòng)規(guī)律，進(jìn)行通風(fēng)安全及頂板可控安全評(píng)價(jià)。此研究成果是對(duì)傳統(tǒng)短壁連采頂板控制的補(bǔ)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(wèn)題 2

1.2 研究?jī)?nèi)容 3

1.3 研究方法與技術(shù)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(cè)目的和內(nèi)容 5

2.1.1 監(jiān)測(cè)目的 5

2.1.2 監(jiān)測(cè)內(nèi)容 5

2.1.3 監(jiān)測(cè)人員與時(shí)間 7

2.2 試驗(yàn)區(qū)域概況和監(jiān)測(cè)方案 8

2.2.1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件 8

2.2.2 監(jiān)測(cè)方案 10

2.2.3 監(jiān)測(cè)工作統(tǒng)計(jì) 11

2.3 頂板運(yùn)動(dòng)及其控制實(shí)踐 12

2.3.1 頂板運(yùn)動(dòng)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(shù) 35

2.3.5 回采率分析 38

2.4 本章小結(jié) 38

第3章 短壁連采頂板運(yùn)動(dòng)與極限面積理論計(jì)算 40

3.1 神東礦區(qū)短壁連采采場(chǎng)覆巖分類 40

3.1.1 單一復(fù)合關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)——厚沖積層薄基巖 48

3.1.2 多層關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)——薄沖積層厚基巖 49

3.1.3 含有復(fù)合關(guān)鍵層的多層關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)——厚沖積層厚基巖 49

3.2 短壁連采采場(chǎng)的關(guān)鍵層判別 50

3.2.1 短壁連采采場(chǎng)的關(guān)鍵層位置判別 51

3.2.2 短壁采場(chǎng)單一組合關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)形成條件、判別以及載荷和極限面積 53

3.2.3 含有復(fù)合關(guān)鍵層的多層關(guān)鍵層判別 55

3.3 單一復(fù)合關(guān)鍵層(兩關(guān)鍵層)結(jié)構(gòu)頂板運(yùn)動(dòng)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(guān)鍵層結(jié)構(gòu) 57

3.3.3 強(qiáng)放以后的頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律 60

3.3.4 單一復(fù)合關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)短壁連采頂板控制措施 61

3.4 薄表土層多關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)頂板運(yùn)動(dòng)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(guān)鍵層結(jié)構(gòu) 65

3.4.3 上灣強(qiáng)放后的頂板極限懸頂面積計(jì)算 66

3.4.4 薄表土層多層關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)短壁連采頂板控制措施 66

3.5 厚表土層多關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)頂板運(yùn)動(dòng)及控制 67

3.5.1 大柳塔煤礦12406-3切眼外側(cè)旺采區(qū)概況 67

3.5.2 大柳塔煤礦12406-3切眼外側(cè)旺采上覆關(guān)鍵層結(jié)構(gòu) 68

3.5.3 厚表土層多層關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)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(jì)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(jì)算 72

3.6.3 計(jì)算實(shí)例——榆家梁42213短壁連采塊段 73

3.7 本章小結(jié) 81

第4章 短壁連采覆巖運(yùn)動(dòng)與應(yīng)力分布數(shù)值模擬 82

4.1 數(shù)值仿真原理 82

4.1.1 FLAC3D程序計(jì)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(diǎn) 83

4.1.4 五種計(jì)算模式 84

4.1.5 多種結(jié)構(gòu)形式 84

4.1.6 強(qiáng)大的前后處理功能 85

4.2 采場(chǎng)數(shù)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?jī)?nèi)容 89

4.4 模擬結(jié)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(jìn)式 102

4.4.3 方案Ⅲ——支巷后退式 107

4.5 本章小結(jié) 117

第5章 短壁連采覆巖組合運(yùn)移規(guī)律相似材料模擬研究 119

5.1 相似材料模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)康?119

5.2 相似材料模擬實(shí)驗(yàn)原理 120

5.2.1 幾何相似 120

5.2.2 容重及強(qiáng)度相似 120

5.2.3 初始動(dòng)力狀態(tài)相似 120

5.2.4 邊界條件相似 121

5.2.5 時(shí)間相似常數(shù) 121

5.3 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì) 121

5.3.1 相似參數(shù)的確定 121

5.3.2 相似材料配比 122

5.3.3 模型監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì) 123

5.3.4 模型制作 124

5.4 短壁連采覆巖組合運(yùn)動(dòng)規(guī)律與支承壓力分布 125

5.4.1 工作面開(kāi)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(guān)鍵層組合初次斷裂階段 129

5.4.4 頂板周期來(lái)壓階段 131

5.4.5 綜合結(jié)果分析 131

5.5 本章小結(jié) 132

第6章 通風(fēng)與安全 133

6.1 通風(fēng)風(fēng)路暢通性 133

6.1.1 42209工作面通風(fēng)概況 133

6.1.2 通風(fēng)通道 133

6.2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究 134

6.2.1 通風(fēng)監(jiān)測(cè)布置方案 134

6.2.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析 135

6.2.3 采空區(qū)自燃發(fā)火危險(xiǎn)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(yùn)移規(guī)律數(shù)值模擬 140

6.3.1 模擬軟件ANSYS CFD/CFX 140

6.3.2 模擬結(jié)果分析 141

6.4 采硐通風(fēng)安全分析 144

6.4.1 采硐內(nèi)氣體成分實(shí)測(cè) 144

6.4.2 硐口硐底風(fēng)流流動(dòng) 144

6.4.3 煤機(jī)司機(jī)位置 146

6.4.4 神東多年安全實(shí)踐 147

6.5 本章小結(jié) 148

第7章 全垮落法短壁連采安全評(píng)價(jià) 149

7.1 頂板控制的安全性評(píng)價(jià) 149

7.1.1 評(píng)價(jià)因素及評(píng)分標(biāo)準(zhǔn) 149

7.1.2 42209工作面的各評(píng)價(jià)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(píng)價(jià) 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(fēng)安全評(píng)價(jià) 154

7.2.1 評(píng)價(jià)原理 154

7.2.2 主要影響因素分析及評(píng)價(jià)函數(shù)建立 155

7.2.3 通風(fēng)安全評(píng)價(jià)及適用條件 159

7.3 本章小結(jié) 159

第8章 主要研究結(jié)論 161

8.1 頂板控制方面 161

8.2 通風(fēng)安全方面 162

主要參考文獻(xiàn) 163 2100433B