“双曲线”在坐标系中位置,直接影响和决定着支架控制程度及基本顶断块运动程度,因此,对“双曲线”在坐标系中位置影响因素的分析,就是对支架控制程度、基本顶断块运动程度影响因素分析。

依据的关系,当我们赋予QSm不同数值时,如Q1Sm1,Q2Sm2,Q3Sm3时,且Q1Sm1＞Q2Sm2＞Q3Sm3,我们将绘制出如图1-6的“双曲线”图。该图它充分证明了不同运动参数基本顶断块的“双曲线”在坐标系中所对应位置是不相同的。运动参数大的“双曲线”较运动参数小的“双曲线”离开坐标原点的距离就大,反之亦小。由此看出,“双曲线”在坐标系中位置取决于基本顶断块运动参数QSm。因此,QSm就成了影响“双曲线”在坐标系中位置的决定性因素。

图1-6　基本顶断块运动参数QSm对“双曲线”在坐标系中位置影响示意图

对于运动参数不同的基本顶断块,如其运动程度一定,也就是将其运动控制在同一下沉量上时,如图1-7中的Sa,其所对应的控制程度是不一样的,即对应支架额定工作阻力是不相同的(图1-7中Pre1,Pre2,Pre3),而且这种控制程度伴随基本顶断块运动参数增加,即“双曲线”离开坐标原点距离增大而增大(图1-7中Pre1＞Pre2＞Pre3)。

同样,我们用同一支架额定阻力,即同一控制程度去控制不同运动参数基本顶断块运动时,它们所对应的基本顶断块来压下沉量,即基本顶断块运动程度也不相同(图1-8 中支架控制程度为Prea时,其所对应的基本顶断块运动程度分别为S1,S2,S3,且有S1＞S2＞S3)。这就充分说明了,基本顶断块运动参数QSm在影响着“双曲线”在坐标系中位置的同时,也决定着支架控制程度(图1-7)与基本顶断块的运动程度(图1-8),也就是决定着支架额定工作阻力及顶板来压下沉量。

图1-7　同一运动程度条件下,基本顶断块运动参数QSm对支架控制程度影响示意图

图1-8　同一控制程度条件下,基本顶断块运动参数QSm对顶板运动程度影响示意图

基本顶断块运动参数中的Q 就是基本顶断块重量,即Q=Lrhrγr,而Sm为基本顶断块末端下沉量,其值如式(1-6)。

因此,基本顶断块运动参数为:(www.daowen.com)

式中基本顶断块本身的运动参数lrhrrr以及煤层采高m,直接顶厚度hz及其碎胀系数k 就是影响支架对基本顶断块控制程度及基本顶断块运动程度的全部因素。同时,它也是影响“双曲线”在坐标系中位置的全部因素。

据此,将式(1-7)代入式(1-5)中,就能解析出上述因素对支架的控制程度,基本顶断块运动程度影响定量关系,其式如下:

该式它充分揭示了基本顶断块运动程度、支架控制程度以及它们与基本顶断块运动参数之间的定量关系,也就是说,式(1-8)中的每一个参数都对“双曲线”在坐标系中的位置产生着影响。该式它充分反映了各因素对矿山压力控制及显现的影响程度,同时,它也为矿山压力控制实践及矿山压力显现规律的阐明提供了依据。

基本顶断块来压长度、厚度、容重及直接顶岩层的厚度、碎胀性、煤层采高等参数,取决于它们的赋存条件与物理力学性质,所以煤层及其围岩的赋存条件,物理力学性质又成了影响支架控制程度、顶板运动程度及“双曲线”在坐标系中位置的自然地质因素。自然地质条件往往影响着基本顶断块的来压运动方式,进而通过其运动参数而对矿山压力控制和显现产生深刻影响。

上面我们讨论了基本顶断块、直接顶岩层运动参数及煤层采高对“双曲线”在坐标系中位置的影响。作为不可控下沉量,在常规开采条件下它的量值虽不大,而且在开采条件基本不变情况下,它不会发生变化,对“双曲线”在坐标系中的位置当然也不存在影响。但是当开采深度,不可控岩层岩性、赋存条件、物理力学性质,也就是它的自撑能力及开采深度发生变化时,不可控下沉量也会发生微小变化。作为工作面煤壁以内发生弹性变形不可控运动段岩层岩性、赋存条件、物理力学性质,它是影响工作面顶板不可控下沉量的直接因素,当其岩性、赋存条件、物理力学性质好时,不可控岩层自身支撑能力强,变形小,由其运动在工作面顶板上形成不可控下沉量就很小,反之则稍大;而采深越大,当然由不可控岩层运动在工作面上形成不可控下沉量就稍大。作为基本顶岩层、直接顶岩层运动参数及煤层采高也对不可控下沉量产生着影响,当然这种影响是间接的影响。如跨落碎胀直接顶岩层,对采空空间充填程度越高,不可控岩层沿推进方向不可控下沉曲线曲率就越小,延伸长度就越长,当然由其运动在工作面上形成不可控下沉量就越小,反之则稍大。又如基本顶岩层,如其岩性、力学性质、赋存条件皆好、厚度又大,它对不可控岩层运动控制能力强,工作面顶板不可控下沉量就小。再如煤层采高越大,越松软破碎,不可控岩层的不可控下沉量就稍大(图2)。虽然基本顶岩层、直接顶岩层运动参数及煤层采高也对不可控下沉量产生着影响,但这种间接影响相对不可控岩层及开采深度造成直接影响更小。上述不可控下沉量变化只对支架额定阻力、整体弯沉带岩层运动关系Sb直线在坐标系中位置产生着影响,如图1-9中的Sb1、Sb2所对应直线。正是由于如此,所以它在影响着整体弯沉带岩层运动关系Sb直线在坐标系中位置的同时,也影响着支架额定阻力、整体弯沉带岩层运动关系Sb直线与“双曲线”的交点即临界点在坐标系中位置,如图1-9中的F1、F2点,而对“双曲线”在坐标系中位置不产生影响。

图1-9　不可控下沉量变化对不可控下沉Sb直线及临界点位置影响图

上文分析了在常规开采条件即常规开采深度与常规推进速度条件下,直接顶、基本顶、煤层及不可控岩层运动参数对支架控制程度、顶板运动程度也就是“双曲线”在坐标系中位置的影响。而在非常规开采条件下,即在超深度开采与工作面超高速推进条件下,煤层开采深度及工作面推进速度将通过变形重力即深度效应、速度即时间效应而对不可控岩层运动产生着重要影响,从而也对“双曲线”在坐标系中的位置产生着深刻的影响。

最后,需要说明的是:还有一种极为罕见的特殊顶板,这就是缓慢下沉的顶板,这种顶板在采场覆岩中,它既不存在直接顶,也不存在基本顶,采场上方所有岩层都实现了整体弯沉运动,而成为了不可控岩层。这种顶板虽然罕见,但在开采实践中,它还是存在的,如山东陶阳煤矿的8层煤就是这种顶板。在这种情况下,“支架-围岩”关系应该是支架额定工作阻力与不可控岩层运动作用机理。但是为了防止采场上方第一个岩层运动方式改变而对采场安全造成威胁,以及保证该岩层与其上岩层同步运动,支架还是应具备一定额定工作阻力,并在采空侧辅以木垛支护来控制采场上方第一个岩层的运动。这个阻力应不小于控顶范围内该岩层的重量,甚至大于它。这就是缓慢下沉顶板的支架额定工作阻力与顶板运动的关系。