顶板垮落角是确定三带分布及高瓦斯矿井抽采工程设计的主要参数。顶板垮落角受许多因素的影响，垮落角主要取决于煤体的强度，煤体强度高、整体性好，垮落角小，反之，垮落角大；提高切顶阻力能增大垮落角，当切顶阻力不变时，顶板垮落角随顶板厚度的增大而减小；顶板垮落角与采高有一定的相关性，随一次采厚的增加，后垮落角逐渐增大并趋于一定值，而前垮落角基本不变。断裂线与地基初始接触位置的相对距离决定顶板垮落角的发育，相对距离与顶板垮落角度值呈反比 。2100433B

顶板垮落是指采掘工作面或采空区顶板暴露面积增大到一定程度，顶板岩石出现析断、冒落的现象。顶板垮落角简称垮落角，是顶板垮落后其断裂面与顶板层面之间朝采空区方向形成的夹角α，具体如《垮落角示意图》所示。垮落角的大小与顶板岩石稳定性、跨度、支护形式等因素有关。顶板垮落角的大小会对采场支承压力造成不同影响 。

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顶板垮落（roof caving）指的是回柱或移架后采空区内顶板自然塌落的现象。

中文名称

顶板垮落

英文名称

roof caving

定　　义

回柱或移架后采空区内顶板自然塌落的现象。

应用学科

煤炭科技（一级学科），煤矿开采（二级学科），矿山压力与岩层控制（三级学科）

传统短壁连采主要是利用在工作面留置大量煤柱以支撑顶板，这导致煤炭资源回收率低，且易造成采空区顶板大面积悬顶进而引发冲击灾害事故。本书介绍的顶板全垮落法短壁连采技术主要在工程实践的基础上，采用理论分析、数值计算模拟、现场实测等多种研究方法，推导出取消煤柱后的可控最大采空区悬空面积、上覆岩层运动规律，进行通风安全及顶板可控安全评价。此研究成果是对传统短壁连采顶板控制的补充与完善，丰富了矿压控制理论。

目录

第1章 研究概述 1

1.1 研究背景 1

1.1.1 神东矿区短壁连采顶板控制发展阶段 1

1.1.2 全垮落法短壁连采需解决的主要问题 2

1.2 研究内容 3

1.3 研究方法与技术路线 3

第2章 榆家梁42209顶板全垮落法短壁连采顶板控制 5

2.1 监测目的和内容 5

2.1.1 监测目的 5

2.1.2 监测内容 5

2.1.3 监测人员与时间 7

2.2 试验区域概况和监测方案 8

2.2.1 现场试验条件 8

2.2.2 监测方案 10

2.2.3 监测工作统计 11

2.3 顶板运动及其控制实践 12

2.3.1 顶板运动规律 12

2.3.2 极限回采面积 31

2.3.3 回采方案优化 34

2.3.4 顶板控制技术 35

2.3.5 回采率分析 38

2.4 本章小结 38

第3章 短壁连采顶板运动与极限面积理论计算 40

3.1 神东矿区短壁连采采场覆岩分类 40

3.1.1 单一复合关键层结构——厚冲积层薄基岩 48

3.1.2 多层关键层结构——薄冲积层厚基岩 49

3.1.3 含有复合关键层的多层关键层结构——厚冲积层厚基岩 49

3.2 短壁连采采场的关键层判别 50

3.2.1 短壁连采采场的关键层位置判别 51

3.2.2 短壁采场单一组合关键层结构形成条件、判别以及载荷和极限面积 53

3.2.3 含有复合关键层的多层关键层判别 55

3.3 单一复合关键层(两关键层)结构顶板运动及控制 56

3.3.1 榆家梁矿42209短壁连采工作面概况 56

3.3.2 榆家梁矿42209短壁连采工作面上覆关键层结构 57

3.3.3 强放以后的顶板运动规律 60

3.3.4 单一复合关键层结构短壁连采顶板控制措施 61

3.4 薄表土层多关键层结构顶板运动及控制 61

3.4.1 上湾矿51203CL短壁连采概况 62

3.4.2 上湾矿51203CL短壁连采工作面上覆关键层结构 65

3.4.3 上湾强放后的顶板极限悬顶面积计算 66

3.4.4 薄表土层多层关键层结构短壁连采顶板控制措施 66

3.5 厚表土层多关键层结构顶板运动及控制 67

3.5.1 大柳塔煤矿12406-3切眼外侧旺采区概况 67

3.5.2 大柳塔煤矿12406-3切眼外侧旺采上覆关键层结构 68

3.5.3 厚表土层多层关键层结构短壁连采顶板控制措施 70

3.6 三角形、梯形短壁连采块段顶板极限悬顶面积计算 70

3.6.1 三角形顶板极限悬顶面积 72

3.6.2 梯形顶板极限悬顶面积计算 72

3.6.3 计算实例——榆家梁42213短壁连采块段 73

3.7 本章小结 81

第4章 短壁连采覆岩运动与应力分布数值模拟 82

4.1 数值仿真原理 82

4.1.1 FLAC3D程序计算方法 82

4.1.2 FLAC3D基本功能和特征 83

4.1.3 软件的优点 83

4.1.4 五种计算模式 84

4.1.5 多种结构形式 84

4.1.6 强大的前后处理功能 85

4.2 采场数值建模 85

4.2.1 弹性阶段 86

4.2.2 塑性阶段 86

4.3 模拟方案 87

4.3.1 模拟方案 87

4.3.2 主要研究内容 89

4.4 模拟结果分析 89

4.4.1 方案Ⅰ——切块后退式 89

4.4.2 方案Ⅱ——切块前进式 102

4.4.3 方案Ⅲ——支巷后退式 107

4.5 本章小结 117

第5章 短壁连采覆岩组合运移规律相似材料模拟研究 119

5.1 相似材料模拟实验目的 119

5.2 相似材料模拟实验原理 120

5.2.1 几何相似 120

5.2.2 容重及强度相似 120

5.2.3 初始动力状态相似 120

5.2.4 边界条件相似 121

5.2.5 时间相似常数 121

5.3 实验模型设计 121

5.3.1 相似参数的确定 121

5.3.2 相似材料配比 122

5.3.3 模型监测设计 123

5.3.4 模型制作 124

5.4 短壁连采覆岩组合运动规律与支承压力分布 125

5.4.1 工作面开挖初期阶段 126

5.4.2 直接顶初次冒落阶段 128

5.4.3 覆岩关键层组合初次断裂阶段 129

5.4.4 顶板周期来压阶段 131

5.4.5 综合结果分析 131

5.5 本章小结 132

第6章 通风与安全 133

6.1 通风风路畅通性 133

6.1.1 42209工作面通风概况 133

6.1.2 通风通道 133

6.2 现场实测研究 134

6.2.1 通风监测布置方案 134

6.2.2 监测结果分析 135

6.2.3 采空区自燃发火危险性分析 136

6.2.4 采空区温度变化 139

6.3 采空区瓦斯运移规律数值模拟 140

6.3.1 模拟软件ANSYS CFD/CFX 140

6.3.2 模拟结果分析 141

6.4 采硐通风安全分析 144

6.4.1 采硐内气体成分实测 144

6.4.2 硐口硐底风流流动 144

6.4.3 煤机司机位置 146

6.4.4 神东多年安全实践 147

6.5 本章小结 148

第7章 全垮落法短壁连采安全评价 149

7.1 顶板控制的安全性评价 149

7.1.1 评价因素及评分标准 149

7.1.2 42209工作面的各评价因素分值 152

7.1.3 顶板全垮落法短壁连采工作面顶板安全评价 153

7.1.4 顶板全垮落法短壁连采顶板条件分析 154

7.2 通风安全评价 154

7.2.1 评价原理 154

7.2.2 主要影响因素分析及评价函数建立 155

7.2.3 通风安全评价及适用条件 159

7.3 本章小结 159

第8章 主要研究结论 161

8.1 顶板控制方面 161

8.2 通风安全方面 162

主要参考文献 163 2100433B