煤层采出后所引起的采场上覆岩层运动是支承压力形成的根本原因,因此阐明采场上覆岩层运动基本规律及其控制特性,就成了研究支承压力成因机理的基础。

实践告诉我们,从运动角度出发,整个采场上覆岩层自上而下,由整体弯沉带岩层、基本顶(老顶)岩层、直接顶岩层所组成。

采场上方的直接顶岩层,它采取垮落的运动方式,如对其因自重产生的运动控制不当,它将直接危及采场的安全,所以对于采场上方的直接顶岩层,必须以支架工作阻力控制它因自重产生的运动。因此,根据直接顶岩层的这一控制特性,我们称它为必须被支架工作阻力控制的岩层,简称“必控岩层”(图7-2下部)。

回采工作面的支架工作阻力顶板下沉实测曲线,即调压试验曲线(图7-1),它不仅是采场支架工作阻力与围岩运动相互作用机理的客观反映,同时它也是整个采场上覆岩层运动规律的客观反映。

图7-1　回采工作面支架额定工作阻力顶板下沉实测曲线

由回采工作面支架额定工作阻力顶板下沉曲线(图7-1)看出,该曲线的下半部分呈“双曲线”规律变化,这种规律已由本书第一章所论证。它说明,该“双曲线”部分所对应顶板岩层因自重产生的下沉运动在工作面上所形成的下沉量,随着控制它运动支架所具备工作阻力的增加而按“双曲线”关系减少。这就是说,“双曲线”部分所对应岩层因自重而产生运动,即它运动在工作面上所形成的下沉量,取决于支架额定工作阻力对它的控制程度,支架工作阻力对它运动控制程度越高,它运动在工作面顶板上所形成的下沉量就越小,反之则大。“双曲线”部分所对应岩层就是基本顶岩层。因此更明确地说,基本顶岩层断块因自重运动程度取决于支架控制度,支架的控制程度决定着基本顶断块因自重运动程度。所以,从控制的角度出发,我们又将基本顶岩层称为程度控制岩层,简称“程控岩层”(图7-2中间部分即“双曲线”部分)。

而回采工作面支架工作阻力顶板下沉曲线的上半部分则基本上呈与坐标纵轴平行的“直线”规律变化(图7-1),它说明该直线部分所对应岩层的下沉运动已不再伴随支架工作阻力的增加而减少,而是基本稳定在某一常数上保持不变。由此断定,这部分岩层因自重产生的运动是不可以也是不能够被支架工作阻力控制的,因此,从控制的角度出发,定义该岩层为“不可以控制岩层”,简称“不可控岩层”(图7-2上部)。不可控岩层就是我们所说的整体弯沉带岩层。整体弯沉带岩层的运动不可控性,这是由它的运动范围所决定的,在沿工作面推进方向上,它的运动跨度长达70～200m,甚至更长,它的运动厚度约占整个覆岩厚度的90%以上。因此,这样大运动范围的岩体的重量级别是非常高的,这样高级别重量的岩体的运动是不能够实现人为控制的。

作为基本顶岩层即程控岩层,它的运动程度取决于支架对它的控制程度,因此它的运动是可以控制的。但是在某些条件下,它的运动幅度及运动速度也会超过工作面顶板的允许下沉量及允许下沉速度而对采场安全造成危害,甚至是灾难性的危害。在这种情况下,它又是需要支架阻力控制的。而其下面直接顶岩层即必控岩层因自重产生的运动不仅可以被支架工作阻力控制,而且必须被支架工作阻力控制。因此,我们把采场上方的直接顶岩层、基本顶岩层统称为可以被支架工作阻力控制的岩层,简称“可控岩层”(图7-2)。为了保证采场安全,它们也是需要支架阻力控制的岩层,因此,也可以称为“需控岩层”。

由上述分析看出,根据覆岩运动被支架阻力控制的可能性,我们将整个采场上覆岩层划分为“不可控岩层”与“可控岩层”。在可控岩层中,又根据组成该岩层各岩层被支架工作阻力控制的程度,将其划分为“必控岩层”与“程控岩层”。这就是整个采场上覆岩层运动的控制特性(图7-2)。

(www.daowen.com)

图7-2　支架额定工作阻力与直接顶、基本顶、整体弯沉带岩层运动关系全图

可控岩层其下就是煤层采出后的采空空间,它将采取垮落、破断的运动方式,在其垮落破断后,具有碎胀充填采空区的性能,当它经垮落破断碎胀充满整个采空空间使其上岩层不再存在自由运动空间时,其上岩层就成了不可控岩层,因此,不可控岩层的下层面就成了它与可控岩层的分界层面,其上为不可控岩层,而其下就是可控岩层。此时,不可控岩层将以其下经垮落碎胀的矸石、断块为垫层,并在该垫层的控制下,通过压实该垫层而做缓慢的不可以控制的弯沉运动。不可控岩层的这种弯沉运动,沿推进方向上,由前向后,伴随时间的延续,垮落碎胀可控岩层被压实,不可控下沉量越来越大,最终垮落破断碎胀可控岩层被压实,不可控岩层运动终结变平为止。该变平点就是整个运动着的不可控运动段岩层的终点,那么不可控运动段岩层的运动始点又在哪里呢?

沿推进方向上,不可控岩层运动不仅受到其下垮落、破断岩块及其底板所组成力学体系的控制,更重要的是受到由工作面前方煤层、直接顶底板及基本顶岩层所组成力学体系的控制。因此,它也不仅仅通过压实其下矸石做不可以控制的弯沉运动,在沿推进方向上,它还要通过强制煤壁以内一定长度的一段煤层产生三向压缩变形而做不可以控制的弯沉运动。但是进入工作面壁以内煤层以后,由外向内深入,伴随围压的增大,煤层的三向压缩变形也在逐渐减小,当煤层某一位置的三向压缩变形减小到零时,采场上方沿推进方向运动着的不可控岩层的运动就到达了它因采动而开始发生运动的位置,该位置以内的不可控岩层就因不受采动影响而处于原始应力应变状态,这就是不可控岩层变形零点位置,即它因采动而开始产生运动变形的位置,该位置所对应的截面就成了不可控岩层运动与不运动的分界断面,该分界断面就是不可控岩层运动的起点位置。它在其下煤层上所对应的位置,就是煤层开始发生三向压缩变形位置,该位置就成了运动着的不可控岩层的第一个固定端。由于该固定端处在原始应力状态,所以我们定义它为“原始应力固定端”(图7-3)。

图7-3　采场上覆岩层变形特征及煤层应力应变图

1.煤层原始应力应变区;2.原始应力固定端;3.煤层支撑压力区(弹性变形区);4.煤层上峰值支承压力位置即弹性极限定端;5.煤层弹塑性变形区;6.塑性破坏变形区

沿推进方向原始应力固定端以外,变平点以内的这段不可控岩层就是采场上方运动着的不可控岩层,它就是不可控运动段岩层,简称不可控运动段(图7-3)。不可控运动段岩层沿推进方向的长度可达70～200m,甚至更长。该段岩层在沿推进方向上不仅自身连续,而且与其前后处于原始应力状态的不可控岩层也连续(见下文分析)。因此整个不可控运动段岩层在采场上方形成了一个大的力学结构。这个大的力学结构,伴随回采工作的推进,它将因自重产生运动而对其下煤岩体施加不可以控制的压力。不可控岩层是在原始应力固定端所对应的截面上开始发生弯沉运动的,它在绕原始应力固定端转动下沉过程中,其下沉量由原始应力固定端处所对应的零值向采空区方向,伴随离开原始应力固定端距离的增加而逐渐增大。由原始应力固定端开始做弯沉运动的不可控岩层,将通过其下基本顶、直接顶岩层强制煤层产生三向压缩变形,其变形量也是由原始应力固定端处的零值伴随向着采空区方向距离增加而逐渐增大,在煤壁处达到最大值。

原始应力固定端以外,工作面煤壁以内处于三向压缩变形的这段煤层,它所对应的应力状态为三向应力状态。其应力也由原始应力固定端的零值向着煤壁方向距离增大而增大。当煤层上某一位置的三向弹性压缩量达到极限弹性压缩量时,其该位置的应力状态也达到了它的三向极限应力状态,当然这个位置上的三向应力值也达到了极限值,相应地该位置煤层的强度也达到了它的三向极限抗压强度。具有极限强度位置以内且处于弹性变形的煤层所具有的阻力就能够平衡由不可控岩层运动施加在它上面的压力,因此该三向极限抗压强度位置以内、原始应力固定端以外的煤层就控制住了它所对应的不可控岩层的运动,这时具有三向极限强度位置的煤层就成了不可控岩层运动的第二个固定端(图7-3)。正是由于该固定端的煤层处在三向极限弹性变形状态,所以我们定义该固定端为不可控岩层运动的“弹性极限固定端”(图7-3)。也正是由于弹性极限固定端与原始应力固定端之间的煤层处于三向弹性压缩变形状态,所以我们定义该段煤层为“弹性压缩变形区”(图7-3)。不可控岩层运动施加在该弹性压缩变形区煤层上的压力统称为由不可控岩层运动在该段煤层上所形成的“支承压力”。因此,我们把弹性极限固定端与原始应力固定端之间的煤层也可称为由不可控岩层运动所形成的“支承压力区”(图7-3)。支承压力区的煤层的三向弹性压缩量、三向应力,即支承压力量值,沿推进方向由原始应力固定端向外,也同样伴随离开原始应力固定端距离增加而增大(图7-3),在煤层弹性极限固定端上达到了极限状态(图7-3)。当然,由不可控运动段岩层,在因自重运动过程中,通过它自身所形成的这个大的力学结构,将自身运动所形成的压力转嫁到工作面前方煤层弹性极限固定端上的支承压力也达到了极限值,也就是达到了最大值即峰值。因此弹性极限固定端就成了由不可控岩层运动形成的支承压力峰值位置,峰值位置上的支承压力量值就是由不可控岩层运动所形成的峰值支承压力。由此看出,无论是支承压力区上的支承压力,还是弹性极限固定端上的峰值支承压力,都是由采场上方运动着的不仅自身连续,且与前后处于原始应力状态也连续的不可控岩层所形成的这个大的力学结构因自重运动所形成的。这就是煤层上支承压力及峰值支承压力的成因机制。

不可控岩层在进行不可以控制的运动过程中,它还要强制其下面的基本顶岩层及直接顶岩层与之同步运动。一起对弹性极限固定端煤层施加压力,因此更确切地说,煤层上的这个支承压力是由不可控岩层及可控岩层共同作用而形成的,也就是说,煤层上的这个支承压力是由整个采场上覆岩层运动所形成的。但是不可控岩层运动是支承压力形成决定因素,可控岩层是被不可控岩层强制而被动与不可控岩层共同起作用的,且由于其运动范围小,所以它是支承压力形成的被动因素和次要因素。正是由于支承压力主要由不可控岩层运动所形成,所以该支承压力也可称为不可以控制的支承压力,简称“不可控支承压力”。

弹性极限固定端以内及原始应力固定端以外的不可控岩层的不可控运动是被该两固定端之间产生了一定弹性变形且达到足够阻力的煤层给控制住了,但弹性极限固定端以外的不可控岩层的不可控运动并不能得到由其下直接顶底板岩层及处于残余应力状态煤层所组成力学体系控制,因此,弹性极限固定端以外的不可控岩层,将以该固定端为支点,通过再压缩它下面的煤层、采场支架及采空区矸石继续做不可以控制的弯沉运动。由于弹性极限固定端煤层的弹性变形已达到了其极限弹性变形值,所以弹性极限固定端以外被不可控岩层运动强制变形煤层的变形就不再属于弹性变形,而是成了超过其极限弹性变形的弹塑性、压酥变形及坍塌片帮变形而使其处于残余应力状态,它就是使得弹性极限固定端以外不可控岩层绕该固定端继续做弯沉运动的根本原因。沿推进方向上,我们把弹性极限固定端以外发生弹塑性变形的一段煤层称为“弹塑性变形区”(图7-3);把产生压酥变形的一段煤层称为“压酥变形区”(图7-3);把坍塌片帮变形煤层称为“片帮变形区”(图7-3)。

对于在弹塑性变形区的煤层上所形成的残余强度,它虽然不高,但它对不可控岩层的运动还是产生一定阻力。也就是说,在不可控岩层运动作用下,该段煤层还产生一定的残余应力,这个阻力或这个应力就等于由不可控岩层运动作用在它上面的压力。所以说在弹塑性变形区上的煤层,也还存在着由不可控岩层运动施加在它上面的支承压力,我们把这一支承压力定义为“残余支承压力”。但这个支承压力已很小了,它取决于弹性极限固定端以外的不可控岩层的变形,正是由于弹性极限固定端以外的煤层为弹塑性变形,所以不可控岩层变形越大,对其下煤层破坏也越大,其残余强度就越小,相应由不可控岩层作用在它上面的残余支承压力也越小,反之则大。而对于压酥及片帮变形区的煤层,它已彻底地发生了破坏,因此它就无强度可言,所以在该煤体上也就不存在由不可控岩层运动所形成的支承压力。