采场覆岩两带高度与覆岩硬度的函数关系

    摘要：采用单一长壁式全部垮落法开采缓倾斜和倾斜煤层时，影响两带高度的主要因素有煤层采厚和覆岩硬度。煤层采厚与两带高度的关系已有成熟的计算公式。本文给出了该式中系数与覆岩硬度的关系曲线和计算公式，使覆岩硬度的影响更直观，计算结果更准确。

关键词　采场覆岩　两带高度　覆岩硬度　函数关系

　　井下采用单一长壁式开采，全部垮落法管理顶板，采空区覆岩要产生垮落、断裂和弯曲沉降，通常划分为垮落带、断裂带和弯曲或整体沉降带，即“三带”。本文所用两带高度，就是指垮落带高度和断裂带高度。两带高度在水体下采煤中具有十分重要的作用，在采矿工程的其他方面，以及地面建设工程评价中也有一定的作用。本文将《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中以煤层采厚为变量的两带高度计算公式，发展为以煤层采厚和覆岩硬度的双变量的计算公式。

1　影响两带高度的主要因素

1.1　煤层采厚和采空区面积

　　根据现场实测资料，在开采缓倾斜和倾斜煤层的单一薄、中厚及厚煤层的第一分层时，垮落带、断裂带的高度与采厚近似地呈直线关系。在分层开采煤层时，两带高度与累计采厚近似地呈分式函数关系。
　　垮落带最大高度出现在工作面后方垮落岩石堆接顶的地方，对于中硬顶板此时的工作面走向掘进长度一般为5～15m；断裂带最大高度则在经过采面第一次放顶和老顶周期来压，以及地表出现最大下沉速度时出现，对于中硬顶板此时的工作面走向掘进长度一般为20～60m。此后，两带高度不再随采空区走向长度的增加而增长了。

1.2　采煤方法和顶板管理方法

　　采煤方法和顶板管理方法是影响两带高度的重要因素。本文只讨论缓倾斜和倾斜煤层采用单一长壁开采，顶板管理常用方法有全部垮落法、全部充填法和煤柱支承三种。全部垮落法使覆岩破坏最严重，使两带高度发育最充分。充填和煤柱支承管理顶板，覆岩破坏较轻，两带高度得不到充分发育。

1.3　覆岩岩性

　　覆岩的破坏高度与其岩性及力学特性密切相关，不同的刚性、脆性、塑性和韧性及其搭配与厚薄组合的岩层，产生垮落开裂的范围变化较大。岩层硬度分坚硬、中硬、软弱和极软弱四种，通常还把从直接顶到断裂带上限范围内的覆岩结构划分为全坚硬型、全软弱型和坚硬软弱混合型。
　　全坚硬型覆岩结构，在垮落的发生、发展过程中，覆岩的下沉量较小，垮落发展得充分，开裂后不易密合和恢复，断裂带高度也最大，一般可达采厚的18～28倍；全软弱型覆岩结构，在垮落的发生、发展过程中，覆岩的下沉量较大，垮落发展不充分，开裂后易密合和恢复，断裂带高度相对较小，一般为采厚的9～12倍；坚硬软弱混合型覆岩结构又分两种情况，其一为下硬上软型，在直接顶垮落后，老顶跟随下沉，垮落发展不够充分，两带高度较小，基本接近于中硬型覆岩。其二为下软上硬型，垮落时老顶下沉慢，下沉量小，垮落发展较充分，两带高度较前者大。

1.4　采后时间过程

　　采场覆岩破坏有一个发生、发展和结束的全过程，这个时间过程的长短与覆岩岩性密切相关。软弱岩层持续时间短，坚硬岩层持续时间长，在达到最大高度后，断裂带的高度会逐渐有所降低。

2　两带高度计算公式

　　当煤层顶板覆岩为坚硬、中硬、软弱、极软弱岩层或其互层时，厚煤层分层开采的垮落带和断裂带最大高度计算公式见表1和表2。

表1　厚煤层分层开采的垮落带高度计算公式

覆岩岩性（单向抗压强度及主要岩石名称）（MPa）	计算公式（m）
坚硬（40～80，石英砂岩、石灰岩、砂质页岩、砾岩）
中硬（20～40，砂岩、泥质灰岩、砂质灰岩、页岩）
软弱（10～20，泥岩，泥质砂岩）
极软弱（＜10，铝土岩、风化泥岩、粘土、砂质粘土）

岩　性	计算公式(m)
坚　硬
中　硬
软　弱
极软弱