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东北大学硕士学位论文 摘要 松软顶板条件下采场支护控制设计 摘要 随着矿井开采深度的增加，武所屯煤矿面临着一系列问题，例如在松软顶板条件下开采， 原有的支护设计已不能满足矿井安全、经济、高效生产蒜要，这就迫切要求支护设计的合理性， 以避免因支护设计的盲目性而导致顶板事故。针对上述情况，本文以传递岩梁为基础，通过对 两个典型工作面的动态监测，具体分析两个工作面煤层顶底板综合柱状图、观测数据。在分析， 计算大量矿压观测数据过程中，运用连续插值法，明确老顶初次来压、周期来压时间与运动步 距，确定了回采工作面上覆岩层需控范围、工作面顶底板在推进方向的运动规律、支架实际工 作状况与台理支护参数。在分析三条测线支柱初撑力、末阻力之后，画出支架受力的拆线图和 直方图，运用数理统计知识，确定了增阻系数( k z ) 支柱工作( 承载) 不均匀系数( k 。) ，确保 支护设计满足现场的要求。为此，支架必须具备合理的架型、较高的工作阻力、较大的增阻速 度、足够大的可缩量以及工作阻力、增阻速度和可缩量的合理匹配。大量实践表明，松软顶板 条件下采场围岩变形强烈，刚性支架不能适应这些要求，这就要求采用一些伸缩性交好的支架， 在上述观测内容中，支架初撑力、工作阻力可以通过直方图来反映实际支护状况的分布特 点，评价支架效能的发挥情况，还可利用工作面方向或推进方向的变化特点分析顶板的压力分 布规律及顶板运动过程。除巷遭移动测站的顶底板移近量( 移近速度) 外，其它各项只需作一 些简单的算术处理，然后按推进步距( 或时间) 表述即可，无须复杂的数据转换。对于超前顺 槽的顶底板相对移近量或移近速度，由于各监测动态仪与煤壁的距离是不断变化的，若以其编 号( 或位置) 为准来描述顶板的动态，显然不妥，因为基准不稳定，不同时刻的结果没有可比 性。因此，在应用中一般选择一些与煤壁始终保持等距离的点，称为固定点，如5 m 点、1 0 m 点、1 5 m 点等，用这些点的值来表征顶板的动态，则意义比较明确，也很直观但这些固定点 的值须由各动态仪的测量值转换得到随后将固定点的顶底板移近曲线值，按工作面推进步距 ( 时阔) 画在同一坐标平面中，依据不同点的变化趋势及峰值交替出现的情况，可推断煤壁塑 性区的扩张情况、范围，老顶的运动状态及超前断裂位置、滞后影响范围等。 通过井下动态监测，搞清了武所屯煤矿采场矿压显现规律提出了科学地设计支护方案， 从保证支护技术上可行、经济上合理，安全上可靠。 关键词：松软顶板矿压显现控制设计矿压观测连续插值法塑性区 查i ! 垄茎翌主鲎堡垒查塑兰 m i n i n gs u p p o r t d e s i g nu n d e rt h e c o n d o no f 皿n d e r r o o ff o rw us u o t u n a b s t r a c t w u t u o t u nc o a lm i n ei sf a c e dw i t has e r i e so fp r o b l e m sw i t ht h ei n c r e a s eo fm i n i n g d e p t ho f c o a lm i n e ，f o re x a m p l e ，s u p p o h e dd e s i g n c a n tm e e tt h es e c u r i t yo ft h em i n e u n d e rt h et e n d e rr o o fa n d e c o n o m y m a dt h e h i 曲- e f f i c i e n t l yn e e d ，t h i sd e m a n d s t h e r a t i o n a l i t yd e s i g n e du r g e n t l yi no r d e rt oa v o i d s o m ea c c i d e n t so fr o o f sb e c a u s eo fm e b l i n d n e s so fs u p p o r t i n gd e s i g n t oa b o v e m e n t i o n e ds i t u a t i o n s ，t h ep a p e ra n a l y z e s p a r t i c u l a r l yc o m p o s i t ec o l u m n a r o fr o o fa n df l o o ro fc o a ls e a m ，o b s e r v i n gd a t u m t h r o u g h d y n a m i cm o n i t o r i n gt w ot y p i c a lw o r k i n gf a c e ，a n do n t h eb a s i so ft r a n s f e rr o c kb e a m si n t h ec o u r s eo fa n a l y z i n ga n dc a l c u l a t i n gal a r g em u n b e ro fo b s e r v i n gd a t u mo fs t r a t a c o n t r o lo b s e r v a t i o n ，t h ea u t h o ru s e st h el a wo f i n s e r t i n gv a l u ei ns u c c e s s i o n ，c o n f i r m st h e t i m eo fi n i t i a lw e i g h i n ga n dp e r i o d i c a lo fm a i nr o o fa n dm o v e m e n td i s t a n c eb e t w e e nt w o s t e p s ，t h ed e p t ho fc o v e rf o rw o r k i n gf a c e ，m o v e m e n tr e g u l a t i o no fr o o fa t f l o o ra t a d v a n c i n g d i r e c t i o no f w o r k i n gf a c e ，p r a c t i c a ls u p p o r t i n gr e s i s t a n c eo fp r o p sa n d r a t i o n a l s u p p o r t i n gp a r a m e t e r s i n t h ec o u r s eo fa n a l y z i n ga n dc a l c u l a t i n g s e t t i n g l o a da n d t e r m i n a ls u p p o r to ft h r e es u r v e yl i n e s ，t h e nd r a w i n gp o l y g o n a ll i n ea n dh i s t o g r a m ，t h e a u t h o ru s e sm a t h e m a t i c a ls t a t i s t i c sa n a l y s i s ，c o n f i r m st w oc o e f f i c i e n t s ( k z ) a n du n e v e n c o e f f i c i e n t ( k s ) o fp r o p s ，g u a r a n t e e f i e l ds u p p o s i n gn e e df o rt h e s er e a s o n s ，t h es u p p o r t m u s tp o s s e s st h er a t i o n a lt y p eo f p r o p s ，h i g h e rw o r k i n gr e s i s t a n c ea n dl a r g e rs p e e do f i n c r e a s i n gp r o p sa n de n o u g hf l e xc a p a c i t ya n dm a t c h e sw o r k i n g r e s i s t a n c ea n ds p e e do f i n c r e a s i n gp r o p sa n d f l e xc a p a c i t y a l a r g en u m b e r o f p r a c t i c e si n d i c a t e ，s u r r o u n d i n gr o c k d i s t o r t sv i o l e n c eu n d e rt h et e n d e rr o o f , t h er i g i d i t ys u p p o r tc a n tm e e tt h e s en e e d s ，t h i s d e m a n d st oa d o p tt h es u p p o r to f e n o u g hh i g h e rf l e xc a p a c i t y a m o n ga b o v e m e n t i o n e do b s e r v a t i o nd a t u m ，s e t t i n gl o a d ，w o r k i n gr e s i s t a n c e o f p r o p sc a nr e f l e c tt h ed i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i co f t h ea c t u a ls t a t eo f s u p p o r tt l _ l r o u g ht h e h i s t o g r a m ，a p p r a i s ee x e r t i o ns t a t eo fe f f i c i e n c yo fp r o p s ，a n dm a k e u s eo ft h ed i r e c t i o no f w o r k i n gf a c ea n da d v a n c i n gc h a r a c t e r i s t i co fc h a n g et oa n a l y z et h ep r e s s u r ed i s t r i b u t e d l a wa n dt h ec o u r s eo fm o v e m e n to fr o o fe x c e p tm o v i n gq u a n t i t y ( m o v i n gs p e e d ) o f m o v i n gm e a s u r i n gs t a t i o no fr o a d w a y , o t h e r so n l yn e e dm a k es o m es i m p l ea r i t h m e t i c o p e r a t i o n ，t h e ns t a t er e s u l tb ym o v e m e n td i s t a n c eb e t w e e nt w os t e p s ，t h ed a t u mn e e d n t b e c o m p l i c a t e d a st or e l a t i v em o v i n gq u a n t i t yo rs p e e do fr o o fa n df l o o rf o ra d v a n c e d w o r k i n g s i t i s n t p r o p e ri ft h em o n i t o r i n gd y n a m i c a lt r e n do fr o o fi s d e s c r i b e db yi t sn u m b e ro r 东北大学硕士学位论文 摘要 p o s i t i o n t h er e s u l to f d i f f e rt i m ei s n tn oc o m p a r a t i v eb e c a u s et h ed i s t a n c eb e t w e e ns o m e d y n a m i c a li n s t r u m e n t sa n dw o r k i n g f a c ei sc h a n g i n g ，b a s ep o i n tt o o s ot h ea u t h o rc h o o s e s o m ep o i n tt h a tr e m a i nt h es a m ed i s t a n c et h r o u g h o u tw o r k i n gf a c e ，b e i n gc a l l e dt h e f i x i n gp o i n t ，f o re x a m p l e ，5 m a n d l o ma n d1 5 ma n ds oo n ，s i g n i f yt h ed y n a m i c a lt r e n do f t h er o o fw i t ht h e s ev a l u e s ，t h e nt h em e a n i n gi sm o r ec l e a ra n di n t u i t i o n i s t i c ，b u tt h ev a l u e o ft h e s ef i x i n gp o i n t sm u s tb et r a n s f o r m e da n db e g o tb ym e a s u r i n gv a l u e so fs o m e d y n a m i c a li n s t r u m e n t s ，t h e nr o o fa n df l o o rm o v i n gc u r v eo ff i x i n gp o i n ta r ed r a w nt h e s a m ec o o r d i n a t ep l a n eb ya d v a n c i n gd i s t a n c eb e t w e e nt w os t e p so rt i m e a tl a s t ，t h e a u t h o ri n f e r st h ee x p a n s i o ns i t u a t i o n sa n dr u p t u r i n gc o v e r a g eo f w o r k i n gf a c e ，m o v i n g s i t u a t i o n sa n da d v a n c i n gb r e a k i n gp o s i t i o na n dt h ei m p a c t i n go fl a gc o v e r a g eo fm a i n r o o f b yv a r i e t yt r e n do f d i f l 奄r e n tp o i n ta n da l t e r n a t i n ga p p e a r a n c e o f p e a k v a l u e t h ep a p e ry o r k so u tt h er e g u l a ro f w o r k i n gf a c eg r o u n db e h a v i o u rf o rw u s u o t u n c o a lm i n ea n db r i n gf o r w a r ds c i e n t i f i cs c h e m eo fd e s i g nb yd y n a m i c a lm o n i t o r i n gi n g r o u n d ，w h i c hg u a r a n t e e sf e a s i b l et e c h n i q u ea n dr a t i o n a le c o n o m ya n dc r e d i b l es a f e t y k e yw o r d s ：t h et e n d e rr o o fg r o u n db e h a v i o r c o n t r o l l i n gd e s i g n s t r a t ac o n t r o lo b s e r v a t i o nl a wo f i n s e r t i n gv a l u e i ns u c c e s s i o n p i a s t i ca r e a 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 久 ” 参， 盯 哆 、l r 一列 2 查! ! 查兰三堡堡主堂堡垒查 i 堡主一竺童! 一 1绪论 早期的采煤方法是采用房柱式开采，工作面基本上不支护、工作面支护理论是在长壁工 作面开采之后才出现，由此，一些顶板控制理论也随之产生，自七十年代以来，我国煤矿岩 层控制领域不少成果处于国际领先水平。在采场矿压理论研究方面，建立并逐步完善了以岩 层运动为中心，以预测预报、控制设计和控制效果判断三位一体的实用矿压理论体系；岩层 运动和矿山压力规律及其预测预报、顶板结构及支架一围岩关系、支护设计与支护质量监控 等内容取得具有中国特色的系统性和创造性成果；在手段上成功地研制和推广了一批近距离 监测和远距离遥测仪器系统，所建立的顶板预测预报和控制设计专家系统已经得到推广应 用。其中以宋振骐院士为代表的“传递岩梁”理论与体系和钱鸣高院士口1 为代表的“砌体 粱”理论，是采场支护设计的基础+ 岩层运动和矿山压力控制的理论假说是采矿工程的决策 基础。以岩层运动为中心的矿压理论假说是研究者在长期深人煤矿研究和实践基础上，针对 工程特点建立并逐步完善起来的，成为我国一个具有重要影响的矿压学派，其目标是把我国 矿压的理论研究从定性推向定量，利用现代高新技术把岩层运动和矿山压力控制推进到能针 对具体煤层条件进行定量决策的发展阶段，为我国采矿工程学科理论的发展及煤矿安全生产 作出贡献。 1 1“传递岩梁”理论 其研究主要要点围绕建立采场和回采巷道矿压控制定量设计的结构模型，确定其参数和 控制原理【1 l ，进行了系统的研究工作，“传递岩粱”理论要点如下： ( 1 ) 明确了控制对象提出了明显影响采场矿压显现的岩层范围( 即控制设计需要考虑 的范围) 的概念，指出了该范围是有限的、可知的，可以随采动条件的变化而变化，也是可 以控制的，并给出确定该范围的方法 ( 2 ) 建立了岩层运动和矿山压力分布的预测方法和监测预报方法为实现控制设计的 定量化建立了岩层运动参数和矿压分布特征参数的定量预测方法；根据岩层运动和矿山压 力与矿压显现之间的因果关系，建立了井下岩层动态研究方法，实现了通过监测易捕捉的矿 压显现信息预报未知的岩层运动和矿山压力规律、特征及参数可以从预测和监测预报两个 方面确定采场和巷道结构力学模型的参数，为控制设计提供决策依据。 ( 3 ) 在研究老顶运动全过程的基础上，揭示了采场支架围岩关系，正确提出支架可以 在“给定变形”和“限定变形”两种状态下工作，建立了岩粱位态方程及其实测确定方法， 为顶板控制及效果判断提供了基础。在上百起顶板事故分析及三十多个采场顶板控制实践的 基础上，给出了顶板控制设计的安全、经济准则。 f 4 ) 研究了支架井下实际工作状况，提出支架有效支撑能力的概念及计算方法，形成 东北大学工程硕士学位论丈 第一章绪论 了控制效果和支护质量判断的科学标准与方法。以多发性顶板事故控制实践和分析为基础， 研究了煤矿顶板事故的分类以及各类事故的原因和条件，提出针对具体煤层条件进行顶板控 制设计的具体内容、方法和步骤l i j 。 ( 5 ) 理论与实践相结合，应用理论成果开展煤矿岩层运动和矿山压力预测、监测预报。 ( 6 ) 在研究老顶运动全过程的基础上，揭示了采场支架围岩关系，正确提出支架可以 在“绐定变形”和“限定变形”两种状态下工作，建立了岩梁位态方程及其实测确定方法， 为顶板控制及效果判断提供了基础。在上百起顶板事故分析及三十多个采场顶板控制实践的 基础上，给出了顶板控制设计的安全、经济准则。 ( 7 ) 研究了支架井下实际工作状况，提出支架有效支撑能力的概念及计算方法，形成 了控制效果和支护质量判断的科学标准与方法。以多发性顶板事故控制实践和分析为基础， 研究了煤矿顶板事故的分类以及各类事故的原因和条件，提出针对具体煤层条件进行顶板控 制设计的具体内容、方法和步骤。 ( 8 ) 理论与实践相结合，应用理论成果开展煤矿岩层运动和矿山压力预测、监恻预报 和控制设计，取得了极其丰富的实践成果，验证和完善了理论体系。 该理论强调“矿山压力”及“矿山压力显现”两个基本概念间的差别联系认为：“矿 山压力”( 即采动后促使围岩运动的力) 的存在是绝对的，在任何已采空间的周围岩体中都 存在着。但是矿山压力的显现( 包括围岩变形、位移和破坏，以及支架受力、下缩和折损等) 则是相对的，有条件的，因而也是可以控制的。进行矿山压力研究的目的，就是要创造条件， 把矿山压力的显现控制在安全上可靠、技术上可行、经济上合理的范围内。 明确“直接顶”和老顶的定义和界限【ij 。不能简单的只考虑岩层的冒落性能，必须从岩 层运动可能的发展程度，从其运动是对压力显现的作用和影响，特别是控制要求上的差别， 从定性和定量两个方面给予更确切的含义。为此，所谓直接顶，应该是指在老塘以冒落的岩 层的总和。由于他们在推进方向上不能始终保持传递力的联系，因此一旦运动，其作用力将 有支架全部承担。“老顶”则是由运动对采场矿山压力显现有明显影响色“传递岩梁”( 简称 岩梁) 组成。对于“老顶”中每一“岩梁”，由于始终能保持向煤壁前方和老塘矸石上传递 的联系，因此，当其运动时，其作用力无须有支架全部承担。支架承担“岩梁“作用力的大 小，由对岩梁”位态“的控制情况决定。显然，从“定性”和“定量”两个方面给出了“直 接顶”和“老顶”的含义，也就最终找到了需要研究的岩层范围及其研究的方法和道路。 1 2 “砌体梁”理论 众所周知，煤层开采后上覆岩层将形成结构”，此结构的形态及其稳定性将直接影响到 采场支架的受力大小，参数和性能，同时也将影响到开采后岩层运动的形态及地表坍陷形态 的描述。因此，采场上覆岩层形成结构特点及其形态一直为采矿工作者所重视。从6 0 年代 初，一直到7 0 年代末，借助于大屯孔庄矿的开采后岩层内部移动观测，上覆岩层开采后呈 “砌体粱”式平衡的结构力学模型被正式提出来，结合该项研究所提出的典型论文有：“采 场上覆岩层活动规律及其对矿山压力的影响”1 2 1 和“采场上覆岩层结构的形态与受力分析”， 2 东北大学工程硕士学位论文 第一章绪论 该项研究的意义主要是由于开采以后上覆岩层的结构形态的解决为采场给出了具体的上都 边界条 牛，同时为论证各项采场矿山压力控制参数奠定了基础。由于“砌体梁”结构的叙述 是限于采场中部沿走向的平面问题，因而随着对采场矿山压力的深入研究，尤其是老顶来压 预测预报的发展，必然讨论到将老顶岩层视为四周各种支撑条件的“板”的破断规律以及老 顶在煤体上方的断裂位置及断裂前后所引起的力学变化口】，由此提出了岩层断裂前后的弹性 基础梁力学模型及各种不同支撑条件下的w i n k l e r 弹性基础的k i c h h o f f 板力学模型。结合此 项研究工作，发表的典型文章有“老顶岩层断裂形式及其对工作面来压的影响”、“老顶断裂 前后的矿山压力变化”、“长壁工作面老顶破断的计算机模拟”，该项研究提出的主要成果 为：f 】) 老顶断裂前后在煤壁前方将引起扰动，即在梁的被夹持的端部形成了“反弹”区，而 在深入定距离则形成了“压缩”区；( 2 ) 老顶断裂位置在煤体之内，因此由老顶断裂到工作 面来压存在时间差，利用此时间差即可对老顶来压进行预报；( 3 ) 老顶岩层板破断时呈“o x ” 型，即先是周边破断呈“o ”型，而后是。型板内部呈“x ”型破断；( 4 ) 根据“板”破断时引 起的扰动，可在回采工作面上下两侧的巷道内测得“反弹”与“压缩”现象，( 5 ) 根据上覆岩 层以坚硬岩层作为形成结构主体的观念，提供了经开采后上覆岩体变形破断后形成的离层区 及压实区位置被判定的可能性口j 。 1 3 武所屯采场支护现状及存在问题 1 2 3 0 1 工作面是武所屯煤矿的一个工作面，原有的支护采用单体液压支柱配铰接顶粱支 护，三、四排控顶，最大控顶距4 0 5 m 。最小控顶距3 0 5 m ，放顶步距1 0 m 。单排密集切顶， 全部垮落法管理顶板。支柱型号为d z l 4 d z 2 2 ，顶梁型号为h d j b 1 0 0 0 。人工支护超过回柱 点两个基本柱回柱法，分组分段作业，分茬应选在顶板完好处，错距不少于1 5 m ，且由下向 上进行。基本支护的支柱排距i 0 m ，柱距o 8 m ，临时支柱2 4 m ，支护密度1 2 5 根m 2 。其蔽 据是k 煤矿安全规程要求8 倍的采高和现场的经验进行支护，这种支护方式是盲目的、 不科学，不切合实际，工作面顶板支护应根据矿压观测，理论分析其岩层需控范围，确定合理 的支护参数。因此，它要求支架能有效的控制采动引起围岩的变形而本身不受到严重破坏。为 此，支架必须具备台理架型、较高的工作阻力、较大的增阻速度、足够的可缩量以及工作阻力、 增阻速度和可缩量的合理匹配，大量事实证明，顶板来压时，支架越密并不能有效控制顶板， 相反支架破坏严重f 1 。 1 4 本文的主要研究内容及方法 以传递岩梁为基础，通过对若干个典型工作面的动态监测，总结武所屯煤矿采场及顶板 运动、矿压显现规律、支架实际工作状况。在此基础上对现有支护进行合理优化其主要研 究内容包括如下几个方面： ( 1 ) 回采工作面上覆岩层需控范围的确定 ( 2 ) 工作面顶板在推进方向的运动规律 3 - 东北大学工程硕士学位论文第一章绪论 ( 3 ) 支柱的实际工作状况与合理支护参数 通过井下动态监测，搞清武所屯煤矿采场矿压显现规律，对现有的支护技术进行合理优 化，从而保证支护技术上可行、经济上合理、安全上可靠。 4 查! ! 垄堂三垦翌主兰堡丝圭 笠三主婴坚兰翌垒翌苎呈翌垫堡 2 顶板运动及矿压显现规律 2 1 测区的设置 2 1 1 巷道移动测站 在轨道巷超前工作面2 0 m 范围内，安设4 台顶板动态仪，间隔4 5 m ，如图2 - 1 所示， 监测巷道顶底板的相对移近量，用来推断顶板的运动过程和状态。在此规定：动态仪的编号 始终由煤壁起依次为1 、2 、3 、4 ，当1 号动态仪距煤壁约1 个循环进尺时，将其回撒，重 新支设在原4 号动态仪的前面。此时，各动态仪的编号须改变，仍然从煤壁起依次为1 、2 、 3 、4 。各动态仪的间距及i 号动态仪至煤壁的距离，观测时必须量测和记录0 】。 轨顺d 32 t 运顾 图2 1 巷道移动测站 f i g 2 1 m o b i l em e a s u r i n gs t a t i o no f r o a d w a y 观测间隔时间一般1 2 小时，当临近顶板来压时应适当加密，可视情况变化每1 0 3 0 分钟观测一次，观测时必须注明观测时间。 2 1 2 巷道固定测站 为监测超前动压的影响范围和程度，以及在此过程中巷道围岩的变形破坏规律，在巷道 内工作面前方一定距离的范围内，设置若干个固定的观测点，一般应选择老顶初次来压和周 期来压能够影响到的区段，如图2 2 ，每个测点即为一个巷道横截面，如图2 3 所示。 在巷道顶底和两帮的中间位置打人一定长度的钢钎，定期量测a c 、b d 之间的距离。 相邻两次的测量值之差，即为该时间段内的巷道顶底和两帮移近量。该测站的观测周期可视 情况不断调整，当测点未受动压影响时，间差可长一些，如每周或几天量测一次；若测点已 进入动压影响区，巷道变形速度加快，应及时缩小问差，如每天或每班量测次。测站的观 测结果，还可以推广到工作面侧向，作为确定合理区段煤柱宽度及巷道台理位置的依据”。 5 东北大学工程硕士学位论文第二章顶板运动及矿压显现规律 固定测区 2 2 工作面测区 老顶周期来压老顶初压位置 图2 2 巷道固定测站 f i g 2 2 f i x e dm e a s u r i n gs t a t i o no f r o a d w a y 在工作面内设三条测线，第一、二条测线距工 作面七，下端头1 5 m 左右，第三条测线设在工作 面中间位置。每条测线为第一至末控顶排的几根支 柱，如图2 4 所示。 观测内容包括支柱初撑力、各控顶排工作阻力、循 环来阻力、活柱缩量等。这些量用来反映工作面推 进过程中，支护强度的变化规律( 一般与老顶来压 同步) 和支护体系对顶板的控制效果( 如控板区顶 板完整性、切顶效果等) 、支柱的实际工作状态及 其对围岩的适应性。观测周期与巷道移动测站相同 jj ? j ? 一 ，厂：百弋 0 量- 、= 、显镊 j j 、立“门 扩、f ，q ； l 。一；譬一 2 3 巷道固定测点设置 f i g 2 3s e t t i n gu pf i x e dm e a s u r i n g s t a t i o no f r o a d w a y 对煤壁片帮、端面顶板破碎度及直接顶悬顶情况，原则上不设固定测线，如遇到片深较 大、顶板超前破碎或存在较大悬顶( 7 0 5 m ) ，要求观测人员随时记录，并标明所在位置。 2 3 数据处理与分析方法 在上述观测内容中，支架初撑力、工作阻力可以通过直方图来反映实际支护状况的分 布特点，评价支架效能的发挥情况，还可利用工作面方向或推进方向的变化特点分析顶板的 压力分布规律及顶板运动过程。除巷道移动测站的顶底板移近量( 移近速度) 外，其它各项 6 查! ! 垄兰三堡翌主茎堡笙圭 苎三主堡垫兰塑墨竺璺墨墨垫堡 三测线 二测线 一测线一一。一? 。 _ _ _ _ _ - 图2 4 工作面测区 f i g 2 4m e a s u r i n gd i s t r i c to f w o r k i n g f a c e 只需作一些简单的算术处理，然后按推进步距( 或时间) 表述即可，无须复杂的数据转换， 对于超前顺槽的顶底板相对移近量或移近速度，由于各监测动态仪与煤壁的距离是不断 变化的，若以其编号( 或位置) 为准来描述顶板的动态，显然不妥，因为基准不稳定，不同 时刻的结果没有可比性。因此，在应用中一般选择一些与煤壁始终保持等距离的点，称为固 定点，如5 m 点、1 0 m 点、1 5 m 点等，用这些点的值来表征顶板的动态，则意义比较明确， 也很直观。但这些固定点的值须由各动态仪的测量值转换得到。连续插值法f l 目是本项目研究 人员在总结各种不同数据处理方法的基础上首次提出的，其基本原理和方法如下： 设在某一时刻，由各位移传感器的值所构成的数据列为 x ，k f - 1 , 2 ，n ) ，n 是传感器的 台数，它们与煤壁的间距列为p ，) 。首先对 x ， 进行非负化，即取x 0 = m i n x ， ，若x 。2 0 ， 令= 0 。令y ，= 一一，得非负序列饥 。再对砂，j 作一次连续累加，即令 2 i = y l 2 1 ) f = ，= ：h + ( s 一s h ) ( y ，+ y 川) ，2 i 茎 ( 2 2 j 所谓连续累加，实质上是考虑了相邻 两点s 和s + 间所有点的值，而不是仅考 虑这些孤立点的值，因此在最后累减求原 值时便可以得到每一点的值。当y 在s ，和 s 。之间的变化如图2 , 5 中s 。s ，所示或 线性变化时，累加计算后的误差应是极小 的但若s ：s ，或s j s 。变化时，则会 带来一定的误差。 由上面所得 z ， 是一个单调增加的序 列，对其可用单调曲线如多项式型或指数 型来拟合，也可建立灰色模型( g m ) 。下 7 图2 5 连续累加的误差 f i g 2 5 c o n t i n u o u sa c c u m u l a t i v ee r r o r 羔兰苎耋登翌主兰堡笙圭 苎三主一翌坚兰垄墨生墨墨塾望堡 面以二阶多项式为例予以简要说明。取 w = 。l s2 + a z s + 。3 r 2 3 1 ，2 善( 一书22 善( q 口+ a z e + q - ( 24 ) 令 瓦8 9 = 2 喜( q g + 吒s 蚓= 。( = 】，2 ，3 ) 解此联立方程组可得a l 、。：和口，的值，代人( 3 ) 式即可求出任一点的w 值，依此进 行连续累减，便可得到所需的值，公式如下： 当s = s ，( f = 1 , 2 ，n ) l q - 当s ，( s s 。时 y = 等等1 1 1 互! 一二垡二生曼二型 s ，一s 2 ( a l s2 + a , s + q z 。) s s 。 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 当0 s s t 时，上面所建的模型是不适用的，此时须按s 的反方向建立新的坐标系， 如图2 6 所示，将原来的最后一个点s 。作为起点，重复上述的连续累加及参数辨识过程便可 得到 y = 垫坠翌睾s 譬s 尘趟m ( 2 。) 。 一 ，l l 0 6j 其中，z 。、口、d ：、口，分别是反方向的相应值”i 。 最后，取 即得所要求的值 z 2 一+ x 。 、 8 堡! ! 苎兰兰堡翌主堂堡垒查 笙三主蔓坚兰黧墨竺墨呈翌丝堡 图26 反方向求外插值 f i g 2 6 r e v e r s ed i r e c t i o nw o r k i n go a te x t r a p o l a t i o nn u m e r i c a lm e t h o d 2 4 理论分析 2 4 1回采工作面上覆岩层需控范围的确定 煤体采出后，原始的平衡地应力场被破坏，伴随着向新平衡状态的过渡，岩层将产生移 动破坏。若时间无限长，岩层的运动将由下往上最终波及到地表。但是，从采场顶板控制的 角度来讲，由于回采工作面处于不断前移的动态变化之中，对采场安全空间有影响的上覆岩 层( 亦即需控岩层) 必然是有限的，而且是可控的，其上的岩层因运动滞后，影响程度越来 越弱，对支护系统的作用可以忽略 3 1 。一般情况下，采场上覆需控岩层包括直接顶和老顶两 部分。直接顶是指在老塘已冒落，在采场内支架暂时支撑的悬臂梁，因垮落后呈无规则状态， 其结构特点是在推进方向上不能始终保护层向力的传递，它与采场支架之间属于“给定载荷” 的相互作用关系即无论直接顶岩层沉降到什么位置，它给支架的作用力可以近似看成是恒 定的，其值由直接顶厚度和垮落状态决定。老顶是指运动时采场矿压显现有明显影响的传递 岩梁的总和，而传递岩梁是指一组同时运动( 或近乎同时运动) 的岩层构成的个整体，初 次来压后，是一组在推进方向上能传递层向力的不等高裂隙梁，其作用力由老塘矸石、采场 支架及工作面煤壁共同承担，它与支架一般属于“给定变形”的作用关系，即在老顶的沉降 过程中，支架只在一定范围内降低岩梁运动速度，但不能对岩粱的运动起到阻止作用，老顶 岩梁可以沉降至老塘矸石所决定的最低状态支架基本不需要承担老顶的作用力，只要最大 允许的话柱缩量满足要求即可1 4 1 。 2 4 2 工作面上覆需控岩层在推进方向的运动规律 ( i ) 直接顶的运动和垮落特点 在长壁工作面，直接顶岩层初垮前处于双嵌固状态，随悬跨度增加，其弯沉( 挠度) 也 增大，岩层中的原生竖向裂隙不断扩展并伴有新裂隙产生。当推进步距达其极限跨度，直接 9 东北大学工程硕士学位论文 第二章顶板运动及矿压显现规律 顶两端因拉应力超限产生断裂，此时其垮落机制形成，便产生冒落。直接顶初次垮落是指一 次垮落的长度超过工作面长度的；，初垮后的直接顶呈悬臂粱状态，可能在回柱放顶时随采 j 随冒，也可能保持一定的悬顶距，周期性垮落。 ( 2 ) 老顶的运动规律及特点 对于长壁工作面2 ，当面眭大于老顶初次来压步距时。按照薄板的力学模型，顶板第一 次破坏的发展过程为： ( 1 ) 推进方向两端拉应力超限，开裂从工作面中部开始逐步向两侧方向延伸，直至贯 穿整个工作面艮度，如图27 ( a ) 中虚线所示。 ( 2 ) “岩板”随平行于工作面的裂断发展，其约束条件由四边嵌固逐步向两侧嵌固的状 态转化，弯矩进一步向两侧转移，从而导致“岩板”沿两侧嵌固端裂断，断线贯通后，如图 2 7 ( a ) 中虚线所示。 ( 3 ) “岩板”四周裂断后，其最大弯矩将转向中央，促使其沿着图中虚线所示位置断 裂“岩板”的沉降加速。 ( 4 ) 在“岩板”沉降加速的过程中，最大弯曲应力在虚线的位置集中，导致相应部 位的开裂，“岩板”的高速沉降运动开始。 ( 5 ) “岩板”沉降至中部( 即图中虚线的部位) 触矸，采场来压结束。 采场进入正常推进阶段后，顶板周期性破坏的机理及一般发展过程如下： ( 1 ) 工作面推进至周期来压步距c 的位置，由自重及老塘搭接板的作用力所形成的弯 矩超过限度，“岩板”将在推进方向的嵌固端( 即图2 7 ( b ) 、( c ) 中所示部位) 裂断。 ( 2 ) 由于工作面长度远比每次周期来压步距大得多，因此，进入两侧嵌固状态的“岩 板”，其端部弯矩很快上升到破坏的极限，从而促使“岩板”在两侧( 即图27 ( b ) 、( c ) 中 的位置) 拉开。 ( 3 ) “岩板”进入四周简支状态后，由于自重及搭接板的作用力的继续存在，以两个方 图27 老顶岩层运动及破坏的发展过程 f i g 2 7d e v e l o p i n gp r o c e s so f m o v e m e n t a n df a i l u r eo f m a i nr o o f s t r a t a 东北大学工程硕士学位论文 第二章顶板运动及矿压显现规律 向嵌固端为轴的回转下沉运动将加速进行。最大弯矩将迅速向图2 7 ( b ) 、( c ) 中所示的 中间部位转移，最后迫使“岩板”在端部拉开，进入高速回转运动，一直到其作用力与老塘 矸石及支架反力相平衡的位置为止”。 另外，侧向的悬跨度( 图中的d 。、d ) 受推进方向的老顶来压步距制约。计算结果表明， 老顶初次来压期间的悬跨度为( 0 7 8 o8 2 ) c o ，老顶周期来压期间的悬跨度为( 0 9 1 0 ) c ，在老顶岩梁运动过程中，就推进和侧向两个方向而言，在时间上应是同步的，由此引起 的两个方向的煤层上的支承压力分布和显现变化也是同步的。 老顶岩层第一次运动在采场的矿压显现称为初次来压，从初次来压结束到工作面采完， 老顶按定周期有规律的断裂运动，称为周期性运动，所对应的矿压显现称为周期来压。当 顶板为坚硬岩层，尤其不存在直接顶时，老顶来压时的矿压显现一般比较明显，规律性较好， 但随着直接顶厚度的增加，这种规律性的特点越来越差，直至老顶来压很不明显 6 】。 上述顸板的运动、沉降、断裂、来压所导致的矿压显现如图2 8 ，其中，a 为超前顺槽不 同位置处的顶底板相对移近速度与推进的关系，1 、2 、3 、4 分别表示测点距煤壁位置，即 巷道移动测站的固定点；b 为工作面内不同位置测点的顶底板相对移近速度。利用老顶运动 与矿压显现之间的关系可以推断老顶岩层的运动状态1 ”。 ( 1 ) 老顶岩梁处于相对稳定运动过程 0 1 测点位置 j 工作面动态 图2 8 顶板初次运动过程中的矿压显现 f i g 2 8 g r o u n db e h a v i o u ro f i n i t i a lr o o f d e v e l o p i n gp r o c e s s 在岩梁达到极限跨度前，煤壁前方各测点移近速度变化平缓，其中测点距煤壁距离愈近， 移动速度愈大，如图中o a 段所示。当岩粱临近极限跨度，支承压力会明显地向前方转移( 压 力的扩展变化) ，诸测点会由近及远相继出现移近速度峰值，如图中a b 段所示。 ( 2 ) 岩梁端邵断裂 岩粱端部断裂时，压力在断裂线两侧集中，利用支承压力显现高峰扩展所波及的范围或 “反弹”信息等，可以推断老顶岩粱断裂位置及其发生的时间实测中因岩粱断裂时的条件 不同，有可能出现如下几种情况： 东北大学工程硕士学位论文第二章顶板运动及矿压显现规律 压力显现的高峰由近及远向前方扩展，层次清楚，则扩展至最远处大致为断裂线位置， 图中a b 段即属此类型，可以看出1 、2 、3 测点相继出现峰值，层次十分清楚，则岩梁断裂 将发生在b 时刻，断裂线位置大致在3 测点附近。 距煤壁最近的1 测点先出现峰值后2 、3 测点又同时出现峰值，并不再波及远处的4 测点，则同时出现峰值的时间为岩梁断裂发生的时间，断裂线位置大致在2 、3 测点之间。 在1 、2 测点相继出现峰值后，3 测点的移近速度有上升趋势，转而明显下降或出现 “反弹”( 移近速度为负值) ，则3 测点明显下降或反弹的时间为岩梁断裂发生的时间，移近 速度明显下降或反弹位置的内侧大致为岩梁断裂线的位置。