煤矿开采过程中采煤工作面老顶初次来压步距及周期来压步距的计算方法.pdf

收稿日期 2013 06 11 作者简介 常龙 1986 男 山东日照人 毕业于中国矿业大学 徐州 采矿工程专业 助理工程师 现在山东鲁能菏泽煤电开发 有限公司计划经营部工作 煤矿开采过程中采煤工作面 老顶初次来压步距及周期来压步距的计算方法 常龙 田庆祝 周伟 菏泽煤电公司 山东 菏泽 274704 摘要 本文主要介绍了采煤工作面老顶初次来压步距及周期来压步距的计算方法及彭庄煤矿 1306 采煤工作面的计算实例 关键词 老顶初次来压 老顶初次来压步距 老顶载荷 梁式断裂 板式断裂 doi 10 3969 j issn 1008 0155 2013 10 056 中图分类号 F403 7 TD92文献标志码 B文章编号 1008 0155 2013 10 0094 03 1306 采煤工作面位于彭庄煤矿东翼采区 地面标 高 465 8m 585 3m 轨道下山以南 西至 1304 面皮 带顺槽 南至三维物探煤层冲刷区 工作面走向长 1670m 回采长度 1537m 工作面长度 150m 左右 开采 煤层为 3 下煤 煤层赋存稳定 结构简单 普氏硬度系 数 1 8 煤层倾角 7 5 14 煤层厚度变化较大 平均 2 19m 3 下煤为低灰 低硫 特低磷 高挥发份 高发热 量 富油 中等黏结性的气煤 其中 3 下煤上距中 粗 砂岩 24 87m 下距 6 煤 40 08m 下距三灰 55 32m 工 作面直接顶为细砂岩 厚度约为 5 76m 岩石硬度系数 f 5 5 老顶为粉砂岩 厚度约为6 77m 岩石硬度系数 f 5 5 直接底为粉砂岩 平均厚度 10 68m 岩石硬度 系数 f 5 5 考虑到初次放顶前支架初撑力的作用 则不至于 形成离层的条件为 1 1 式中 q1 加于老顶上的载荷 rh1 老顶自身单位 长度的载荷 L1 初次垮落步距 h 直接顶厚度 h1 老顶厚度 E1 E2 老顶 直接顶的弹模 J1 J2 老 顶 直接顶的断面惯矩 p 支架的支护强度 以单位面 积的支撑力计算 r 上覆岩层的平均体积力 kN m3 一 老顶梁式断裂时的极限跨距 1 按照固支梁的计算 最大弯矩发生在梁的两端 Mmax 1 12qL 2 因此 该处的最大拉应力 max为 max qL2 2h2 1 2 当 max T时 即岩层在该处的正应力达到该处 的抗拉强度极限 岩层将在该处拉裂 为此 这种梁断 裂时的极限跨距为 L1 h 2 T q 槡1 1 3 2 按照简支梁的计算 若以最大剪应力最为岩层断裂的依据 最大剪切 力发生在梁的两端 Qmax qL 2 因 此 最 大 剪 应 力 xy max 3qL 4h 当 xy max达到极限强度 S 形成的极限跨距为 L1 4h s 3q 1 4 考虑为简支梁 当 max T时 梁达到极限跨距 L1 2h T 3q 槡1 1 5 关键是确定老顶岩层梁所承受的载荷 q 一般老 顶上方的岩层由好几层岩层组成 因此 老顶岩梁的极 限跨距所应考虑载荷的大小 需根据各层之间的互相 影响来定 采动覆岩中的任一岩层所受载荷除其自重外 一 般还受上覆邻近岩层的相互作用产生的载荷 根据组 合梁原理 组合梁上每一截面上的减力 Q 和弯矩 M 都 由 n 层岩层各自的小截面负担 其关系为 Q Q1 Q2 Qn M M1 M2 Mn 每个岩层梁在其自重作用下形成的曲率 Ki 与弯 矩 Mi x 的关系为 ki 1 Mi x EiJi 1 6 此时由于各层岩层组合在一起 上下层的曲率必 然趋于一致 从而导致各层岩层弯矩形成上述的重新 分配 这样便形成了如下的关系 M1 E1J1 M2 E2J2 Mn EnJn 1 7 即 M1 x M2 x E1J1 E2J2 M1 x M3 x E1J1 E3J3 M1 x Mn x E1J1 EnJn 49 而 Mx M1 x M2 x Mn x Mx M1 x 1 E2J2 E3J3 EnJn E1J 1 M1 x E1J1Mx E1J1 E2J2 EnJn 由于dM dx Q 故 Q1 x E1J1 E2J2 E2J2 EnJnQx 且dQ dx Q 则 q1 x E1J1 E2J2 E2J2 EnJnqx 式中 qx rh1 rh2 rnhn J1 bh3 1 12 J2 bh3 2 12 Jn bh3 n 12 q1 x即为考虑到 n 层对第一层影响时形成 的载荷 即 qn 1 由此可得 qn 1 E1h3 1 rM1h1 r2h2 rnhn E1h3 1 E2h 3 2 Enh 3 n 1 8 上式即为计算老顶上载荷的公式 表 1 1 岩层岩性层厚 m 抗拉强度 1粉砂岩6 77 2中砂岩10 327MPa 3粉砂岩2 02 4中 粗砂岩12 59 5粉 细砂岩11 84 第 1 层本身的载荷 q1为 q1 r1h1 6 77 25 169 25kPa 考虑到第 2 层对第 1 层的作用 则 q2 1 E1h3 1 r1h1 r2h2 E1h3 1 E2h 3 2 94 1 kPa 计算到第 3 层 则第 1 层的载荷为 q3 1 E1h3 1 r1h1 r2h2 r3h3 E1h3 1 E2h 3 1 E3h 3 3 104 6 kPa 由此可知 只需考虑第一层本身载荷的影响 第 二 三层由于本身强度大 岩层厚 对第一层载荷不起 作用 按照梁式断裂计算其极限跨距分别为 按固支梁L1 h 2 T q 槡1 6 77 2 7 103 槡 169 25 61 57m 按简支梁L1 2h T 3q 槡1 2 6 77 7 103 槡 3 169 25 50 27m 考虑最大剪应力L1 4h s 3q1 4 6 77 33 3 169 25 1 76 103m 在一般情况下 由于弯矩形成的极限跨距 Llt要比 剪切应力形成的极限跨距 Lls小 因此常常按照弯矩来 计算极限跨距 二 老顶板断裂的极限跨距 1 老顶初次破断前板的边界支撑条件有四种形 式 四周均为实体煤固支的板 一边采空区或断 层简支 三边固支的板 两邻边简支 两邻边固支的 板 三边简支 一边固支 即俗称孤岛工作面条件下 的板 2 为进一步分析老顶的破断步距 由板模型的应 力分析表明 在四周固支条件下 老顶处于极限悬露状 态时 四固支边形成负弯矩区 其最大弯矩值 Ma 在长 固边中部 而在采空区中心处形成正弯矩区 其最大主 弯矩为 Mc M2 x M 2 槡 y 根据 Marcus 修正解可得 Ma 1 2 12 1 41 1 21 qa 2 1 3 1 Mc 1 2 12 1 41 21 qb 2 3 2 式中 岩层的泊松比 q 岩层自重及其上载荷 1 采空区几何形状系数 1 a1 b a1 工作面推进距离 b 工作面长度 由弯矩与应力关系式得 Ma h2 s 6 3 3 式中 h 老顶岩层厚度 s 老顶岩层抗拉强度 将 3 3 代入式 3 1 可求得四周固支边界条 件下老顶初次断裂步距的关系式 a1 h 1 2 2 s q 1 41 1 槡 2 1 3 4 同理可求得上述第 2 3 4 类条件下断裂步距的关 系式分别为 a2 2h 1 2 s q 1 41 4 3 槡 2 1 3 5 a3 2h 1 2 s 3q 2 43 1 槡 2 3 3 6 a4 2h 1 2 2 s 15q 5 2 44 1 槡 2 4 3 7 式中 a 的下角标1 2 3 4 表示相应的边界条件 在式 3 4 3 7 中 令 lm h 1 2 2 s 槡 q 3 8 1 1 41 1 槡 2 1 2 2 2 42 4 3 槡 2 2 3 2 3 1 43 1 槡 2 3 4 2 2 15 5 2 44 4 槡 2 4 3 9 步距准数 lm h 1 2 2 s 槡 q 仅由岩层自身性质 s h q 决定 而与工作面长和边界条件无关 老顶的初次断裂步距为 59 ai lm i i 1 2 3 4 分别代表四类边界条件 3 10 i主要由采空区几何形状系数 和边界约束条件 决定 i称为 边 长 系数 lm h 1 2 2 s 槡 q h 老顶岩层厚度 s 老顶岩层抗拉强度 q 岩石自重及其上载荷 岩层的泊松比 在第 2 种边界条件下 a2 lm2 2 a2 b 4 4 3 a2 b 槡 2 3 1306 工作面上邻 1304 采空区 下邻 1308 工作 面 尚未开采 属于第 2 类边界条件 a2 lm2 2 a2 b 4 4 3 a2 b 槡 2 h 1 2 2 s 槡 q 2 2 a2 b 4 4 3 a2 b 槡 2 6 77 1 0 22 2 7 103 槡 169 25 2 2 a2 145 4 4 3 0 2 a2 145 槡 2 取 0 2 45 1m 三 结论 一般情况下 采煤工作面老顶初次来压步距和老 顶初次断裂的极限跨距相当 老顶周期来压步距相当 于 0 25 0 5 Lb 彭庄煤矿 1306 采煤工作面老顶初次来压极限跨 距为 45 1 50 3m 与老顶的初次断裂时的极限跨距 Lb相比 周期来压步距相当于 0 25 0 5 Lb 则 1306 工作面的周期来压步距为 16 25m 在实际推采过程 中 经过实测 1306 采煤工作面初次来压步距约为 49m 周期来压步距在 18 23m 之间 用事实验证了以 上计算方法的准确性 责任编辑 熊红婴 上接第 82 页 装药实施爆破后使工作面顶板内形成一条沟槽 使得 顶板在随着工作面推进过程中可沿该沟槽断折并跨 落 步距式深孔爆破其优点是能够保障顶板有效跨 落 且可根据意愿合理控制跨落步距 该法所具有的缺 点同样是在采面实施爆破影响生产作业 且具有一定 的安全隐患 超前深孔松动爆破在我国各大坚硬顶 板矿井进行顶板弱化时实施较多 该法具体是在工作 面进风顺槽和回风顺槽内 且距离工作面一定距离垂 直工作面煤壁 向着煤层顶板布置两排扇形钻孔 装药 并实施爆破对工作面顶板进行预先松动爆破 该法不 仅能够在不影响回采作业的前提下有效的破坏工作面 坚硬顶板岩层的连续性和整体强度 使工作面经过弱 化区域后顶板能够在自重和矿山压力下有效冒落 还 能够改变综放工作面顶煤冒放结构 增加煤体的节理 裂隙发育程度降低煤体强度 使煤体冒放性更好 且缺 点便是用药量大 影响进风巷道空气质量 2 2 压力注水弱化顶板 压力注水弱化顶板主要是通过注水溶解工作面顶 板岩层中部分矿物质 降低工作面顶板岩层内部的黏 结力 并提高顶板岩层节理裂隙发育程度增加岩体内 部孔隙率 进而使得工作面顶板岩层软化 根据注水 工艺可将压力注水弱化法细分为两种方法 即静压注 水弱化和高压注水弱化 6 静压注水弱化顶板工艺 为依据工作面参数在工作面进风巷道和回风巷道内向 煤层顶板岩层进行钻孔注水 可充分利用工作面回采 巷道内消防水管来向顶板钻孔进行静压注水 静压注 水法的优点是工艺较简单 其缺点是对顶板岩层物理 特性要求较高 对吸水性较强的顶板岩层弱化效果较 好 高压注水弱化法同样是根据工作面参数在工作 面进风巷道和回风巷道内向煤层顶板岩层进行钻孔注 水 然其水源需要经过注水泵加压之后方能向工作面 顶板岩层钻孔内进行注水 高压注水弱化法所具有的 优点是可利用强大的水压增大顶板岩层的节理裂隙发 育程度 增大顶板岩层内部的孔隙率 降低岩层内部黏 结力 降低顶板岩层的连续率和整体强度 该法同样对 顶板岩层物理特性要求较高 使用于吸水性较好的顶 板岩层弱化处理 2 3 其他主动措施 为方便综放工作面回采初期顶板管理 在对采面 进行设计时可将开切眼选择在靠近断层 褶曲等构造 带影响范围内或者相邻工作面采动影响或者淋水等特 殊地段 因为在此类特殊地段 工作面顶板岩层的原 生裂隙较多 顶板岩层致密性较差 可以充分利用该特 性减小老顶的初次来压步距和采空区悬顶面积 此 外 还应该考虑到开切眼的支护难度 要尽量方便掘进 刷打开切眼和其支护作业 确保工作面液压支架具有 合理的初撑力 保证其有效支撑强度防止直接顶与老 顶出现离层 使顶板不致产生倒台阶下沉现象 积极 主动的掌握综放坚硬顶板工作面矿山压力显现特征 对顶板来压进行预测 3 结语 文章只是从综述的角度介绍了 两硬 综放工作面 顶板控制管理 为该类似工作面开采提供借鉴 但具体 实施技术还应根据工作面实际情况进行 参考文献 1 侯志鹰 张英华 坚硬顶板控制技术在综放开采中的应用研 究 J 有色金属 矿山部分 200