初次来压步距的计算.doc

活鸡兔井21303综采工作面顶板初次来压步距的计算神东煤炭公司生产技术部 石 飞摘 要 综采工作面在从切眼推进一段距离以后老顶初次来压自然冒落，在老顶垮落时，工作面出现程度不同的切顶，采面大部分液压支架安全阀动作，个别支架甚至压死。同时，顶板冒落将形成较大范围的飓风，严重威胁到采面工作人员的安全。因此，如何科学合理地确定综采工作面的初次来压步距显得尤为重要。通过对神东公司活鸡兔井顶板岩石力学性质进行科学分析，为综采工作面初次来压步距的确定提供一定的理论依据。关键词 综采工作面 初次来压步距 计算根据近年来神东公司各矿井顶板情况，普遍直接顶较厚，基岩厚度较薄，一般为3040m，综采面实行初放后，可以实现随采随冒，基本充填了采空区。但是2004年先后出现的活鸡兔井1-2煤三盘区及榆家梁5-2煤的初次放顶，由于没有直接顶，老顶为砂岩，强度比较大，造成初次来压步距与以往工作面所测步距发生较大偏差，给安全生产造成了影响，虽经过多次放顶及采取安全措施，但是放顶期间及初次来压前的安全风险仍较大。因此，解决直接顶薄、老顶为砂岩、强度比较大的顶板的初放是目前存在的技术难题。通过理论分析，确定初次来压的步距范围，可对安全生产起到指导作用。 活鸡兔井是神东煤炭公司大柳塔煤矿所属的一个自然井，年设计生产能力500万t，目前生产能力突破1000万t。活鸡兔井井田面积63km2，地质储量9.5亿t，可采储量6.24亿t。21303工作面位于活鸡兔井田西北部，是三盘区的第二个综采工作面。1 顶板岩层条件和力学模型建立由厚层整体性强的中砂岩、细砂岩和粉砂岩组成的来压强烈的坚硬顶板，最大厚度18.2224.35m，工作面长240m，顶板柱状图如图1所示。煤层的埋藏深度147.19161.22m，平均155m；中砂岩的抗拉强度t=10MPa，抗剪强度=25MPa；粉砂岩的抗拉强度t=1.95MPa，抗剪强度=9MPa；细砂岩的抗拉强度t=11.8MPa，抗剪强度=36MPa；覆岩容重按=0.025MN/m3计算。初次来压力学模型如图2所示。图1 21303工作面HB1和HB5的顶板砂岩结构图2 21303工作面初次来压分析模型2 21303工作面初次来压步距的计算1）按整层18.22m中砂岩老顶（基本顶）的情况考虑。此时，因砂岩顶板厚度太大，在初次来压之前，考虑为嵌固厚梁模型较为恰当。按嵌固厚梁的拉破断考虑时，初次来压步距为：L0l = h（2t/q）1/2. =18.22210/（16.410.025） 1/2 （载荷厚度按刚度、厚度公式估计） =127.21 m.按照梁的模型计算，21303工作面18.22m中砂岩老顶的初次来压步距应为127.21m。2）按中砂、粉砂和细砂岩组成24.35m老顶（基本顶）的情况考虑。 顶板载荷计算，取中砂岩的弹性模量E1 =59.8GPa，细砂岩的弹性模量E3 =30.4GPa，粉砂岩的弹性模量E2 = 11.3GPa，则 （q1）1=1h1 = 0.228 MPa. （q2）1= 0.387 MPa. （q3）1= 0.461 MPa.（q4）1= 0.478 MPa. （q5）1= 0.504 MPa. （q6）1= 0.315 MPa.由于（q6）1（q5）1，因此，大柳塔煤矿活鸡兔井21303工作面的顶板岩层初次来压断裂的载荷应为1-2煤层上的5层岩层的综合影响，载荷层总厚度为28.22m，为采高的8.8倍，均布载荷数值为0.504MPa。在这种顶板结构条件下，第一层中粒砂岩厚度9.47m，其厚度大于3m，整体性强，且直接赋存于1-2煤层之上，此层中砂岩即为工作面的老顶(基本顶)。若按嵌固厚梁的拉破断考虑时，初次来压步距为： 即按照9.47m的中砂岩破断角度作为21303工作面的初次来压判据，初次来压步距应为60m。考虑1-2煤层上的中砂岩和粉砂岩作为老顶，厚度为18.81m，老顶的抗拉强度按厚度比例因素综合计算，则其折算强度为t=6MPa，因此初次来压断裂步距为如考虑1-2煤层上的中砂岩、粉砂岩和细砂岩共同作为老顶，厚度为24.35m，老顶的抗拉强度按厚度比例因素综合计算，则其折算强度为t=7.32MPa，因此初次来压断裂步距为： 3 结论1)活鸡兔井1-2煤层21303综采面的顶板岩层结构具有特殊性，煤层之上直接赋存有18.2224.35m的坚硬砂岩老顶，并没有通常意义的直接顶(切眼附近的HB1与HB5钻孔可以佐证)。2）按照我国缓倾斜煤层采煤工作面的顶板分类标准，采空区充填系数（或称直接顶与采高之比）K=0，符合K0.3，且初次来压步距大于60m以上，应为来压极强烈的IV级老顶，因此该工作面的初次来压强度将是非常强烈的，应引起足够重视。3）21303工作面，无论是按照HB1钻孔还是HB5钻孔，理论分析预测的初次来压步距都大于60m以上，整层18.22m中砂岩老顶的初压步距为127.21m；第一层厚度9.47m中砂岩老顶，初次来压步距60m； 厚度18.81m由中砂岩和粉砂岩2层组成老顶， 初次来压步距92m； 厚度24.35m由中砂岩、粉砂岩和细砂岩3层作