走向短壁水力采煤顶板周期垮落规律研究
短壁采煤法中的完全垮落法采煤工艺介绍
顶板 中等稳定 的近水平 中厚煤层。 ｌ ＿ １巷道掘进与支护 如图２ 所示，利 用连采机与锚杆 机交叉作业依次 向前掘进七条 平巷，平巷 宽度一般应在５ ｍ 以上， 保证放 下两 台行走 支架 。平 巷采 用锚杆支护，相邻平巷 间隔１ １ ｍ 在平巷掘进过 程中，沿平巷 每隔 ２ ８ ｍ 掘一联络巷 ，联络巷采用锚杆 支护，整个开 采区域被切割成长
１ 言
传 统的短壁开采在我 国煤矿应用 已有几 十年， 它 是柱式开采体 系 的总称，包括房式采煤法 、房柱式采煤法及在此基础上演变而来 的其它一些采煤方法，一般 以短工作面采煤为基本特征 。 长 期以来， 回采率一直是 困扰短壁机械化开采在我 国推广应用 的首要 问题 。 目 前我 国应用 的短壁开采多为不垮落或不完全垮落 的短壁开采，且开 采 的区域多为埋藏浅 、瓦斯低 、顶底板条件较好 的残采煤 区、残 留 煤柱和 “ 三下 ”压煤等 。随着行走支架 的研制成功和推广应用，无 煤柱完全垮落 的短壁机械化开采技术成为现实， 该采煤技术有 效地 解决 了顶板垮落较难控制、 煤炭回收率低的问题， 是一种 非常优越高 效的短壁开采技术，在 国外应用 已比较普遍，特 别是在美 国、澳大 利亚 、南非等一些 国家 。按照 回采方式不 同，该技术又可 以分 为单 侧无煤柱短壁机械化开采技术和双侧无煤柱短壁机械化开采技 术， 下面分别予 以介绍 。
２ ８ ｍ 、宽ｌ １ ｍ 的方 形 煤 柱 。 １ ． ２煤柱回收 在整个巷 道系 统掘进完 成后， 即可进 行煤 柱的回收。首先将行
放顶煤采场顶板运动规律的研究
放顶煤采场顶板运动规律的研究放顶煤采场的顶板是煤矿生产的重要组成部分。
顶板的运动规律是煤矿安全生产的关键，研究顶板的运动规律对于煤矿的安全和有效生产具有重要意义。
随着煤矿开采的深入，顶板的运动规律日益复杂化，从空间上、运动类型上两方面研究顶板的运动规律变得越来越重要。
从空间上来看，顶板运动可以分为水平运动和垂直运动。
水平运动又分为静态水平运动和动态水平运动，垂直运动又分为静态垂直运动和动态垂直运动。
从运动类型来看，顶板运动可以分为旋转运动、振动运动、拉伸运动和塌陷运动等。
放顶煤采场顶板运动规律的研究主要由三方面组成，即空间形态、时空特征和顶板运动的力学性质。
首先，要研究顶板在采场不同深度和宽度的空间结构及其特性，包括上下层煤床之间及其他深部结构和失稳体之间的空间结构。
其次，要研究顶板运动的时空特征，主要对顶板运动的能量、时间、位移变化规律进行研究。
最后，要探究顶板运动的力学性质，这就要考虑顶板受什么样的外力激发，力学模型是怎样的，顶板运动的力学机理是怎样的。
为了更好地研究顶板的运动规律，采矿公司在顶板运动现场安装了监控系统，以进行实时监测和分析。
这些监测系统一般由传感器、监测设备及相关软件组成，能够实时采集煤场的顶板晃动、位移和速度变化等信息，并分析传感器反馈的信息，以一定的数据统计，为控制顶板运动提供依据。
此外，也可利用煤矿开采过程中产生的数据，通过计算机软件来分析、处理和研究顶板运动规律。
计算机统计分析可以将大量煤矿数据从时间上、空间上分析归纳，为预测顶板变形和破坏的发生提供依据，从而更好地防范和控制煤矿安全事故。
本文通过分析顶板的空间形态、时空特征以及顶板运动的力学特性，以及结合采矿公司安装的监控系统和计算机统计分析，对放顶煤采场顶板运动规律进行研究，以期达到更好地防范和解决煤矿安全问题的目的。
顶板活动规律分析报告
顶板活动规律分析报告XXX综采工作面顶板活动规律分析报告生产技术科2020年3月5日综采工作面顶板活动规律分析报告一、工作面概况该工作面采用走向长臂一次采全高全部垮落后退式综合机械化采煤法。
顺槽长度为610m，切眼长度为150m（中-中）。
采用97架ZZ4800/19/42型四柱掩护式普通液压支架，两端头各采用2架ZZD5200/19/42型四柱掩护式端头液压支架支护顶板。
两巷采用DW31.5-300/110X或DW35-300/110X型单体液压支柱超前支护，运输顺槽超前50m，回风顺槽超前30m。
二、顶板日常观测顶板日常观测主要包括液压支架压力表观测、两巷超前支柱压力检测、两巷顶板离层仪观测和两巷围岩表面位移观测。
由于工作面顶板动态观测设备未到货，暂未进行观测。
三、顶板活动情况一）运输顺槽1、超前支护内巷道运输顺槽超前支护内的巷道受采动压力和侧压影响较明显，巷道支护受顶板压力和巷道侧压挤压后，出现明显变形现象，工字钢梁扭结、弯曲，工字钢柱弯曲，甚至呈“V”字形变形情况。
变形逐渐加重，工作面刮板输送机机头附近变形最严重。
2、超前支护外巷道运输顺槽超前支护外的巷道受采动压力影响不明显，大部分巷道支护未出现明显变形现象，顶板离层仪也未发生变化，但个别工字钢出现变形现象。
二）回风顺槽1、超前支护内巷道回风顺槽超前支护内的巷道受采动压力影响明显，巷道支护有轻微变形现象，变形逐渐加重，工作面刮板输送机机尾附近变形最严重，部分工字钢梁出现弯曲现象。
回风顺槽总体比运输顺槽受压小，巷道支护变形量小。
2、超前支护外巷道回风顺槽超前支护外的巷道受采动压力影响不明显，大部分巷道支护未出现明显变形现象，顶板离层仪也未发生变化，但个别工字钢出现变形现象。
三）工作面工作面直接顶垮落可见，基本顶垮落不可见。
根据现场观测，工作面拉架后，4#煤直接顶随即垮落。
根据垮落时出现的声音，以及支架和超前支柱压力变化情况，判断周期来压情况。
走向短壁水力采煤顶板周期垮落规律研究
5# 6#
采完第 18 垛、平行四边形板结构、 采完第 26 垛、平行四边形板结构、 采完第 34 垛、平行四边形板结构、 采完第 37 垛、弧三角形板结构、 680 cm2 700 cm2 600 cm2 350 cm2 采完第 18 垛、平行四边形板结构、 采完第 18 垛、平行四边形板结构、 采完第 18 垛、平行四边形板结构、 采完第 18 垛、弧三角形板结构、 650 cm2 620 cm2 450 cm2 200 cm2
10
9# 8# 7
#
4.85
25.57 7.00
1.69 1.67 4.85 1.67
18.30 16.34 25.57 16.34
6# 5# 4# 3 2
# #
1.67 4.85
16.34 25.57
25.0 25.0
1#
2.2 相似模拟概况 模型尺寸 2 m×1 m×1 m， 相似比 1∶100， 模拟 岩层采用黄砂、石膏、石灰及云母粉等材料，模拟 煤层采用与煤层力学性能相似的聚脂泡沫材料，每 个煤垛尺寸 14 cm×8 cm×5 cm，模拟开采时，对待 采煤垛进行加热使之完全熔化，解决了立体模型内 煤层难以开采的问题 [2]。采用液压自动补偿载荷加 载系统，每隔 2 h 采一垛，进尺 8 cm，相当于实际 每天进尺 8 m。模拟试验满足几何相似、物理相似、 初始状态相似、边界条件相似。模型内巷道布置及 开采顺序如图 1 所示(图中：1～40 表示各采垛开采 顺序；停采线与分段上山留 5 cm 护巷煤柱)。 2.3 试验结果 经宏观观测测试，水采顶板垮落规律与长壁采 煤法有一定的差别。 4#顶板岩层在采第 2 垛过程中出现第 1 垮落，
2.1 试验条件 以某矿 7 煤走向短壁小阶段水力采煤法的水采 区为原型，煤层埋深 450 m，水采区四周的边界条 件为固支，水采区走向长度 85 m，倾斜宽度 68 m， 采垛宽度 14 m，移枪步距 8 m。煤岩物理力学性质 见表 1。
周期来压规律分析
1354综采工作面周期来压分析综采一队1354综采工作面周期来压分析依照《神华集团本质平安治理体系考核评级及奖惩方法》的有关规定，为了1354工作面的第一次来压后确信周期来压步距，保证周期来压期间的正常回采，进一步增强顶板的治理，对顶板周期来压进行分析，为了及时观测顶板压力的转变，及时进行分析，采取有效的方法特编写以下分析材料：一、成立领导小组：组长：王长安纪天扬组员：曹宏宾陈维星张贵文郑利平徐玉旺冯军高金贵刘喜儿闫学旗刘辉二、顶板第一次来压与第一次跨落：一、顶板第一次跨落（1）直接顶第一次跨落1354综采工作面自2021年1月9中班开始回采，由于初采期间，推动速度较慢，到2月2日推动26m,40号-90号支架直接顶跨落。
本顶第一次跨落，2月2日至2月11日推动65m后顶全数跨落。
（2）直接顶第一次跨落步距的确信大体顶第一次跨落步距取决于直接顶岩层的强度、分层厚度和直接顶内节理裂隙的发育程度等，一样为8—17米。
依照规定：当大体顶跨落高度达到0.5m且范围超过工作面长度二分之一时，称作直接顶的第一次跨落。
二、故确信1354综采工作面大体顶第一次跨落步距为：9m（1）直接顶跨落造成的阻碍直接顶跨落除产生轻微的冲击波外，对生产无阻碍。
三、大体顶第一次跨落与第一次来压一、大体顶第一次跨落步距确信1354综采工作面截止2月2日中班推动26米后，煤壁局部有片帮，支架压力明显增大，顶板显现断裂响声等第一次来压预兆。
大体顶第一次跨落步距受大体顶强度、厚度和上部岩层作用载荷及不同的受力状态、地质构造的因素阻碍，结合实际情形确信1354综采工作面第一次来压步距为: L初=35m二、第一次来压预防方法在顶板第一次来压期间采取了加速推动速度、操纵采高、增强支架初撑力等的方式，有效的操纵了顶板第一次来压期间造成的阻碍，使生产平安顺利进行。
3、顶板第一次跨落造成的阻碍顶板第一次跨落期间没造成设备破坏，对生产无造成较大阻碍。
倾斜分层走向长壁下行垮落采煤法
5.倾斜分层走向长壁下行垮落采煤法
5.1 示例 5.2 采煤系统分析 5.3 采煤工艺特点
*
2
5 倾斜分层下行垮落采煤法
倾斜分层：将厚煤层分成若干与煤层层面相平行的分层，然后逐层 开采。
回采顺序：下行式（descending）— 先采顶分层，依次下行回采
各分层，垮落法管理顶板，称倾斜分层下行垮落采煤法。
11
*
10 12
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三、生产系统（productive system ） 系统演示
1.运煤系统
2.材料运输系统 3.排矸及掘进出煤系统 4.通风系统
5.供电系统：地面35kV变电站—副井6kV —井底车场中央变电 所—6kV送至采区变电所— 送采掘面（1140V或3300V、660V、 380V、127V）
布置区段集中平巷的优点
1.为超前掘进和多头掘进创造条件，利于采掘衔接； 2.实现上下分层同采，利于增加采区产量和集中生产；
3.第二分层以下运输平巷易于维护，各超前平巷维护时间和 长度短，费用低；
4.集中运输平巷运输煤炭，运输系统简单，管理集中，占用设备少。
*
（一）区段集中平巷的布置方式
1.一煤一岩集中巷布置：区段轨道集中平巷服务上区段分层采
➢ 轨上5和运上4均布置在距煤层15m 的底板岩石中，且在层位上
错距 ≮2m（运“上”在下，轨“上”在上）。
➢ 集中运输巷10布置在距煤层810m的底板岩石中。 ➢ 区段集中轨巷9提前在下区段顶分层回风巷位置开掘，超前
10掘进，为10定向。
*
（3）集中巷与分层平巷用联络石门和溜煤眼联系
从9每隔200m 开11沟通各分层。最后一个11距采区边界约
采煤方法分类
2.壁式体系采煤法的类型
（1）根据开采技术条件煤层按倾角分类：
“三下一上”采煤方法
二、建筑物压煤开采
(一)地表移动和变形对建筑物的影响
1.地表下沿的影响 ❖ 建筑物主要管路的坡度会发生变化，四周的防水坡
也可能造成破坏。特别是由于地表下沉造成潜水位 相对上升，造成建筑物长期积水或过度潮湿时，就 会影响建筑物的强度，以至影响建筑物的使用。 2.地表倾斜的影响 ❖ 地表倾斜后，建筑物也随之歪斜，重心偏移，影响 其稳定性，而且承重结构内部将产生附加盈利，基 础的承压也会发生变化。
斜分层采煤法，适当减小分层开采的厚度，禁用一 辞采全稿采煤法。
“三下一上”采煤方法
三、铁路压煤开采
（二）开采技术措施 5、开采急斜煤层时，应尽量采用沿走向推进ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ小姐端伪倾斜
掩护支架采煤法，水平分层采煤法。 6、煤层顶板坚硬，不易冒落时，应进行人工放顶，以防止空
顶面积达到极限时突然冒落而引起地表突然下沉。 7、铁路位于煤层露头附近，或在其下方浅部有煤层或石灰岩
柱式采煤方法特点及适用条件
适用条件及评价
❖ 主要缺点： ①采区采出率低，一般为50—60%左右，回 收煤柱时可提高到70—75%左右； ②通风条件差，进回风并列布置，通风构筑 物多，漏风大，采房及回收煤柱时，出现多 头串联通风。
第二节 柱式采煤方法特点及适用条件
适用条件及评价
❖ 适用条件为： ①开采深度较浅，一般不宜超过300-500m； ②顶板较稳定的薄及中厚煤层； ③倾角在10º以下，最好为近水平煤层，煤层赋
第三章 采场顶板活动规律
2、板式结构——将顶板岩层视为一个板或经断层、裂隙切割后，多块板相 互咬合组成的板，按板式结构承载变形及强度理论分析顶板破坏现象。
3、顶板结构端部支撑条件： 固定支座——顶板被煤岩层夹持，未断裂，无自由端； 简支梁支座——顶板端部断裂或埋深较浅（可转动）；
第三章 采场顶板活动规律
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课件制作：曹云钦
④通过一定方式检验。
第三章 采场顶板活动规律
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课件制作：曹云钦
一、压力拱假说：
德国，哈克）
（1928，
认为：回采空间上方形成自然平衡
拱（压力拱）。由松散体自然冒落拱得 出。工作面始终处于拱的保护之下。 “压力拱”将随工作面的推进而前移。
评价：可解释免压现象；但对岩层
移动过程中各层之间的力学联系未作分 析。
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课件制作：曹云钦
老顶按梁式结构计算其极限跨度为： 固定梁 简支梁
按弯矩计算
LLT
2 Rt h q
LLT
Rt 2h 3q
按剪力计算
LLS
结论：
4hRs 3q
LLS
4hRs 3q
对一般厚度岩层，弯矩极限跨度小于剪力极限跨度； 简支梁弯矩极限跨度小于固定梁弯矩极限跨度。 （顶板岩层在固定端断裂后，随即在中间断裂）
第三章
采场顶板活动规律
本章介绍：本章主要介绍全部垮落法开采，回采工作面顶板下沉、断
裂、移动规律，使学生建立顶板移动的空间概念。在基本假设的条件下， 对顶板破坏进行定量分析。
重点：顶板划分及其移动规律、工作面顶板来压产生及其过程。 难点：顶板力学结构分析
第三章 采场顶板活动规律
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课件制作：曹云钦
深厚表土层条带短壁采煤工作面顶板矿压规律研究
深厚表土层条带短壁采煤工作面顶板矿压规律研究孙长军（济宁矿业集团有限公司，山东济宁272000）摘要根据1301工作面地质采矿条件，设计顶板运动规律研究方案，并进行井下矿压观测，掌握支架在采场中的工作状况以及巷道围岩变形特征，对顶底板岩石进行取样，在试验室进行压力试验，确定顶底板岩石基本力学参数；分析矿压观测资料，总结深厚表土层条带短壁采煤工作面顶板运动规律。
关键词厚表土层条带开采短壁工作面顶板管理中图分类号TD323文献标识码B*收稿日期：2012－08－21作者简介：孙长军（1969－），男，高级工程师，工程硕士，现任职济宁矿业集团有限公司科技中心主任，主要从事煤矿开采及技术研发方面的研究。
花园煤矿位于山东省金乡县城西约1km ，表土层厚约480m ，基岩段较薄，不足100m ，对工作面回采后的顶板管理不利；为此，必须通过全面矿压观测和分析，摸清顶板运动规律，为井下回采期间的工作面顶板管理及顺槽支护设计提供科学依据。
1地质采矿条件1301工作面为一单斜构造，煤层走向95 125ʎ，煤层赋存不稳定，煤厚变化较大，平均煤厚2．70m ，煤层倾角8 15ʎ；煤层结构较简单，顶板为粉砂岩和中粒砂岩，底板为泥岩。
2研究方法根据1301工作面条件，设计顶板运动规律研究方案，并进行井下矿压观测，掌握支架在采场中的工作状况以及巷道围岩变形特征，对顶底板岩石取样，在试验室进行压力试验，确定顶底板岩石基本力学参数；分析矿压观测资料，总结深厚表土层条带短壁采煤工作面顶板运动规律。
2．11301工作面顶底板及煤层力学性质试验方法在1301工作面典型位置选取煤层及顶底板岩块，加工成标准煤、岩试件。
试件形状为圆柱形，尺寸为Ф5ˑ10cm 。
试验在MTS815．03电液伺服岩石试验机上进行，控制方式采用位移控制。
岩石试件的抗压强度σc 的计算式为：σc =P F 式中：P －破坏载荷，N ；F －试件初始断面积，m 2；2．2矿压观测设计方案采用ZYDC —Ⅲ型综采支架工作阻力连续记录仪监测液压支架初撑力和工作阻力；采用十字布点法观测顺槽表面位移；采用锚杆测力计进行顺槽的锚杆工作阻力监测；具体布置如图1 图3所示。
综采工作面顶板压力周期来压规律热
摘要：文章针对不同顶板条件对矿山压力显现规律及过程进行了分析。
关键词：直接顶；老顶；周期来压；采煤工艺中图分类号：TD82 文献标识码：A文章编号：1007—6921(2010)16—0069—02 长壁采煤工艺包括采煤、装煤、运煤、支护和采空区处理5大工序，为确保5大工序的合理完成，就应对长壁工作面矿压显现的主要因素加强了解和掌握。
在长壁工作面采出煤炭后，由于应力重新分布，必然会引起各种矿山压力显现，而矿山压力显现的程度又与组成工作面围岩的性质、工作面对上述情况采取恰当的技术与有效地安全措施，借助力学、实验、经验和理论方法，掌握不同时期、不同条件下的矿山压力显现规律，就能对矿山压力的显现实现适时有效地控制，进而对遏制长壁工作面顶板事故的发生具有十分重要的意义。
1 工作面围岩类别采煤工作面围岩主要是顶板和底板，围岩对工作面的回采起决定性作用，而顶板岩性对工作面的周期来压起着决定性作用。
顶板由下到上可分为伪顶、直接顶、老顶及松散层。
伪顶一般为泥岩，随采随冒，伪顶并不是每个煤层顶板都有的，有的煤层顶板没有伪顶，对顶板压力影响不大。
松散层位于老顶上部，松散层之间可视为没有黏结力，其产生的重力均匀向下，对综采工作面周期来压大小有一定影响，对周期来压的周期性影响不大。
直接顶和老顶是综采工作面周期来压的主要原因。
2 综采工作面初次来压压力显现过程分析工作面开始回采时，顶板第一次来压称为初次来压。
一般初次来压都产生飓风，对工作面人员的人身安全产生巨大威胁，控制顶板初次来压对煤矿的安全生产具有十分重大的意义。
控制顶板的初次来压就要了解顶板初次来压产生的机理，下面就顶板初次来压的机理进行简要分析。
如图1所示：在综采工作面开始回采前，切眼由锚杆锚索加强支护，直接顶和老顶发生的变形可忽略不计，随着工作面的推进，支架后方悬顶面积越来越大，直接顶和老顶此时类似是一个梁支撑在前后煤壁上，正因为前后的支撑，直接顶和老顶很难在短跨度内垮落，工作面继续推进，当直接顶变形达到极限开始断裂，垮落，此时老顶尚未达到断裂极限，工作面继续推进，老顶达到断裂极限时，因为此时悬顶面积过大，同时垮落，造成初次来压，产生飓风，易造成事故。
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第23卷 第15期岩石力学与工程学报 23(15)：2547～25502004年8月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Aug .，20042003年1月14日收到初稿，2003年3月20日收到修改稿。
作者 涂 敏 简介：男，1987年毕业于淮南矿业学院采矿工程专业，现为博士研究生、副教授，主要从事矿山压力与岩层控制方面的教学和研究工作。
E-mail ：mtu@ 。
走向短壁水力采煤顶板周期垮落规律研究涂 敏 谢广祥(安徽理工大学资源开发与管理工程系 淮南 232001)摘要 通过三维相似材料模拟试验，得到走向短壁水力采煤顶板周期垮落规律：顶板初次垮落及周期垮落的形状分别为三角形板结构和平行四边形板结构，垮落线与煤层走向呈一定角度。
建立顶板周期垮落的力学模型，并运用工程近似分析法得出周期垮落时顶板允许悬落面积S c 与跨距比值p 的函数关系。
研究结果的应用，已取得了较好的技术经济效益，对水力采煤矿井的生产实践具有一定的指导意义。
关键词 采矿工程，水力采煤，三维模拟试验，周期垮落，平行四边形板结构分类号 TD 315 TD 323 文献标识码 A 文章编号 1000-6915(2004)15-2547-04RESEARCH ON PERIONDIC ROOF CA VING REGULARITY OFSHORTWALL HYDRO-MECHANICAL MINING ALONG STRIKETu Min ，Xie Guangxiang(Department of Resource Development and Management ， Anhui University of Sciences and Technology ，Huainan 232001 China )Abstract Through three-dimensional similarity experiment ，periodic roof caving regularity of shortwall hydro- mechanical mining along strike is obtained. The shapes of initial roof caving and periodic caving are of triangle and parallelogram plate texture. There is a certain angle between caving line and coal layer strike. The mechanical model of periodic roof caving is established and used to determine functional relationship between allowable area of hanging roof and ratio p of its span along dip to that along strike during periodic caving by approximate analytical method. The application of obtained results yielded good technological and economical benefits and has a guiding significance to the production practice of hydro -mechanized mine.Key words mining engineering ，hydro-mechanical mining ，three-dimensional similarity experiment ，periodic caving ，parallelogram plate texture1 引 言走向短壁水力采煤法是利用高压水射流破煤、并借助水力来完成运提等工序的开采工艺，是复杂难采煤层机械化采煤的有效途径之一。
但由于其巷道布置及生产工艺等与一般的长壁采煤方法有着较大差别，因此，不仅水力采煤(以下简称水采)顶板的垮落特征与长壁采煤方法有较大差异，并且水采巷道矿压显现剧烈，在冲采过程中直接顶经常垮落，造成冒矸埋枪等事故[1]，从而严重影响其劳动生产率和煤炭采出率的提高，并影响采场的通风和工作面的安全生产。
因此，研究水采顶板周期垮落规律，对于合理确定采垛参数和水采巷道布置、改善水采巷道的维护状况、促进工作面的安全生产具有一定的指导意义。
• 2548 • 岩石力学与工程学报 2004年2 三维相似模拟试验2.1试验条件以某矿7煤走向短壁小阶段水力采煤法的水采区为原型，煤层埋深450 m，水采区四周的边界条件为固支，水采区走向长度85 m，倾斜宽度68 m，采垛宽度14 m，移枪步距8 m。
煤岩物理力学性质见表1。
表1 煤岩物理力学性质 Table 1 Physicomechanical property of coal and rock序号岩层名称层厚/m抗压强度/MPa抗拉强度/MPa弹模/GPa容重/kN·m－314#砂质泥岩12.13 26.64 1.67 16.34 25.0 13#粉砂岩 1.10 52.50 2.00 19.30 25.5 12#砂质泥岩9.55 26.64 1.67 16.34 25.0 11#粉砂岩 1.45 52.50 2.00 19.30 25.5 10#泥岩 3.80 15.00 7.00 25.0 9#粉砂岩 5.50 88.40 4.85 25.57 26.0 8#泥岩13.30 15.00 7.00 25.0 7#砂泥岩互层8.17 29.50 1.69 18.30 25.0 6#砂质泥岩 3.00 26.64 1.67 16.34 25.0 5#细砂岩 3.00 88.40 4.85 25.57 26.0 4#砂质泥岩 1.00 26.64 1.67 16.34 25.0 3#7煤 5.00 17.83 15.0 2#砂质泥岩 1.00 26.64 1.67 16.34 25.0 1# 细砂岩22.00 88.40 4.85 25.57 25.02.2相似模拟概况模型尺寸2 m×1 m×1 m，相似比1∶100，模拟岩层采用黄砂、石膏、石灰及云母粉等材料，模拟煤层采用与煤层力学性能相似的聚脂泡沫材料，每个煤垛尺寸14 cm×8 cm×5 cm，模拟开采时，对待采煤垛进行加热使之完全熔化，解决了立体模型内煤层难以开采的问题[2]。
采用液压自动补偿载荷加载系统，每隔2 h采一垛，进尺8 cm，相当于实际每天进尺8 m。
模拟试验满足几何相似、物理相似、初始状态相似、边界条件相似。
模型内巷道布置及开采顺序如图1所示(图中：1～40表示各采垛开采顺序；停采线与分段上山留5 cm护巷煤柱)。
2.3试验结果 经宏观观测测试，水采顶板垮落规律与长壁采煤法有一定的差别。
4#顶板岩层在采第2垛过程中出现第1垮落，垮落面积约150 cm2；以后随工作面的交替推进而呈现不规则垮落，垮落面积80～90 cm2，垮落的岩石呈不规则排列，碎胀系数大。
图1 巷道布置及开采顺序Fig.1 Roadway layout and cutting sequence5#，6#顶板岩层由于受台阶交替推进影响，垮落线与煤层走向有一定角度，并且随煤层垂距的增加而逐渐增大，实测5#，6#顶板岩层垮落角分别为50°～60°，55°～65°；顶板初次垮落形状可近似看作三角形板结构，并且随工作面的推进而呈现周期性垮落，其垮落形状近似呈平行四边形板结构，直接顶板(5#，6#)周期垮落特征如图2所示。
(a)5#顶板岩层(b)6#顶板岩层图2 板周期垮落特征Fig.2 Periodic caving characteristics of roof在距煤层7～25 cm范围内岩层依旧折断垮落，但垮落线逐渐与煤层走向垂直，垮落的形状向矩形板结构方向转化，7#岩层第1次垮落形状近似为矩形板结构。
顶板岩层周期垮落特征见表2。
单位：cm第23卷 第15期 涂 敏等. 走向短壁水力采煤顶板周期垮落规律研究 • 2549 •表2 顶板岩层周期垮落特征Table 2 Periodic caving characteristics of roof strata顶板垮落时间、垮落岩石形状、面积顶板第1次第2次第3次第4次4# 初次垮落以后，随面推进而垮落，垮落岩石呈不规则排列，垮落面积为80～90 cm 2 5# 采完第18垛、平行四边形板结构、680 cm 2 采完第26垛、平行四边形板结构、700 cm 2 采完第34垛、平行四边形板结构、600 cm 2 采完第37垛、弧三角形板结构、350 cm 2 6#采完第18垛、平行四边形板结构、650 cm 2 采完第18垛、平行四边形板结构、620 cm 2 采完第18垛、平行四边形板结构、450 cm 2 采完第18垛、弧三角形板结构、200 cm 23 顶板周期垮落力学分析根据模拟试验结果建立了如图3所示的顶板周期垮落力学模型。
为了研究三边固支平行四边形板的挠曲变形，采用工程近似分析法，即用正交矩形结构板代替平行四边形板结构，如图4所示。
将正交矩形板结构中的弯矩m x ，m y 乘以适当的修正系数即可得平行四边形板结构的近似弯矩[3]。
三边固支的正交矩形板结构的挠曲微分方程为[4]⋅⎥⎦⎤⎢⎣⎡11π+π⎟⎠⎞⎜⎝⎛−=444222410531544116)(b a b a D qa y x w μ，bya x a x π⎟⎠⎞⎜⎝⎛−222sin 31 (1) 式中：D 为板的弯曲刚度，)1(1223μ−=Eh D ；q 为板承受的载荷(MPa)；a ，b 分别为板沿走向、倾向方向的长度(m)；h 为板的厚度(m)。
由屈服准则可知，板结构的最大弯距位于固支长边的中部，即在固支长边中部的上表面(0，b /2，h /2)处首先达到最大拉应力而断裂，根据弹性薄板理论[5]并由式(1)可得最大拉应力为)1(1053154411624442222maxμμσ−⎦⎤⎢⎣⎡11π+π⎟⎠⎞⎜⎝⎛−=Ehb a ba D qa x (2)令⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫===abS a bp x c t max σσ(3)图3 顶板周期垮落力学模型Fig.3 Mechanics model of periodic roof caving(a) 平行四边形板结构(b) 正交矩形板结构图4 替代的板结构 Fig.4 Superseded plate structure式中：t σ为板的极限抗拉强度(MPa)，p 为悬露顶板沿倾向与走向方向跨距比值，S c 为顶板允许悬露面积(m 2)。