基本顶断块来压运动方式对矿山压力显现与控制影响是“支架-围岩”关系研究的核心,同时它也是课题研究的归宿。它的来压运动方式决定着矿山压力显现与支架对覆岩运动控制程度。

对于基本顶断块来说,它的来压运动方式按其来压速度划分为快速来压与缓慢来压;按其裂断类型又划分为构造预先裂断缓慢来压与构造预先裂断快速来压方式、采动预先裂断后缓慢来压、采动预先裂断后快速来压、采动裂断即缓慢来压及采动裂断即快速来压运动方式。

对于因构造或因采动而发生裂断的基本顶岩层来说,它裂断的位置有的在工作面煤壁附近,有的又在工作面煤壁以内较远的位置上,正是由于它裂断的位置距工作面煤壁有远有近,因此基本顶断块的来压运动方式也不相同。而不同运动方式的基本顶断块对采场矿压显现及控制影响程度的差别又很大,因此有必要分析一下基本顶岩层的裂断来压运动方式。

众所周知,基本顶断块在因自重来压运动时,对矿山压力显现及控制的影响,取决于基本顶断块运动参数及它来压时的运动速度及运动幅度。当直接顶底板岩层完整稳定时,在不考虑支架对基本顶断块运动控制的条件下,基本顶断块因自重而产生的来压运动速度及幅度又取决于该基本顶岩层在裂断时,其下煤层对裂断瞬时的基本顶断块运动的控制能力。在基本顶岩层裂断瞬时,该裂断的基本顶断块以下煤层就随即失去对它运动的控制能力时,该基本顶断块就呈现出“裂断即来压”的运动方式。而当其下煤层能够控制裂断后的基本顶岩层断块的立即运动时,则该基本顶断块就呈出现“先裂断后来压”的运动方式。因此,在基本顶岩层裂断瞬时,也仅仅是在它裂断瞬时,基本顶断块因自重对其前端的力矩与其下煤层所具备的阻力对该基本顶断块前端力矩的关系就成了基本顶岩层在裂断时刻是立即产生来压运动,还是滞后产生来压运动的判据。其式如下:

式中:

Pm——基本顶断块以下煤层对该基本顶断块运动的控制能力,也就是该煤层控制基本顶断块运动的合力,kN;(www.daowen.com)

Ld——煤层合力作用点至基本顶断块前端的距离,m。

这就是说,当时 时,裂断的基本顶岩层断块呈现出“裂断即来压”的运动方式。而当时,裂断的基本顶岩层断块在裂断瞬时因自重而产生的运动,随即得到了其下煤层阻力的控制,从而使裂断的基本顶断块在裂断瞬时不随即产生运动,而是伴随工作面的推进,煤层对基本顶断块运动控制能力即该控制能力合力作用点距基本顶断地前端的距离在逐渐减少,其力矩也相应地在下降,而基本顶断块对其前端的力矩却不因工作面的推进而发生变化,而是始终保持不变。所以,伴随工作面推进,当时,基本顶断块才在自重的作用下呈出现先裂断后缓慢来压的运动方式。

在直接顶底板岩层稳定的条件下,无论基本顶断块的运动方式是先裂断后来压还是裂断即来压,其来压时的运动速度取决于其下煤层的破坏方式及破坏程度。对于被其上不可控岩层运动强制而产生裂断的脆性、强脆性基本顶岩层,如果煤层在裂断的基本顶断块重力及不可控岩层运动强制作用下,在瞬时内发生彻底的脆性破坏,从而使该煤层也在基本顶岩层裂断同时而失去对其上基本顶断块运动的控制能力,使得基本顶断块因自重对其前端的力矩远远大于煤层阻力对该基本顶断块前端力矩,即,这时基本顶断块将在自重作用下,以很快的速度产生来压运动。我们将基本顶断块的这种来压运动方式称为“裂断即快速来压”运动方式。在基本顶岩层裂断时刻,其下煤层虽也失去了对裂断的基本顶断块的控制能力,同样也使基本顶断块呈现出裂断即来压的运动方式。但其下煤层的破坏并不像脆性破坏那样在瞬间内即彻底失去对基本顶断块运动控制能力,而此时其下煤层的阻力对基本顶断块前端力矩接近于基本顶断块因自重而对其前端的力矩,即在其后,伴随工作面的推进,基本顶断块以下的煤层才采取由外向内逐渐发生破坏而渐渐失去对基本顶断块运动的控制能力,从而使基本顶岩层在裂断后就呈现出缓慢地来压运动方式。我们称基本顶断块的这种运动方式为“裂断即缓慢来压”运动方式。对于先裂断后来压的基本顶断块,在其下煤层失去对它因自重运动控制能力而呈现脆性破坏时,它将呈现出先裂断后快速来压的运动方式。而当其下煤层呈现出由外向内逐渐破坏方式时,它就呈现出先裂断后缓慢的来压运动方式。

不论脆性、强脆性基本顶岩层断块是呈现裂断即快速来压,还是呈现先裂断后快速来压运动方式,其因自重产生来压运动时,基本顶岩层裂断断开的位置都在工作面煤壁附近。而对呈现裂断即缓慢来压及先裂断后缓慢来压的基本顶断块,其因自重而产生来压运动时,基本顶岩层裂断断开的位置一般都在煤壁以内深部或较深的部位。

由上述分析看出,基本顶岩层裂断后的运动方式取决于基本顶岩层的力学性质及其下煤层的破坏方式、破坏程度。当其下煤层呈现脆性破坏或破坏程度严重时,裂断的基本顶断块即呈现快速来压运动方式;而当其下煤层呈现出由外向内逐渐而缓慢破坏时,裂断的基本顶断块将呈现缓慢的来压运动方式。而基本顶断块下面的煤层的破坏方式,取决于煤层的力学性质(强度、硬度)及赋存条件(完整稳定性)。当煤层硬度大、强度高、整体性强时,它呈现脆性破坏方式;当其下煤层较松软破碎时,该煤层由外向内呈现缓慢而逐渐的破坏方式。