超长综放工作面顶板破断规律研究_图文

1、 收稿日期 :2009-11-16 作者简介 :崔树江 (1972- , 男 , 内蒙古赤峰人 , 工程师 , 毕业于山西矿业学院 , 现任余吾煤业公司副总经理 , 主要从事生产管理工作 。超长综放工作面顶板破断规律研究崔树江(山西潞安矿业集团 余吾煤业有限责任公司 , 山西 长治 046013 摘 要 :超长综放工作面除了在工艺和设备配套等方面有自身的特点之外 , , 面必须采取一些特殊的措施 , 。 、 数值模拟 和现场实测等研究手段 , 山压力显现规律 , , 。 ; ; 数值模拟 文献标识码 :B 文章编号 :1671-0959(2010 0220032203 在大功率和高可靠性设备配

2、备的基础上 , 为了充分发 挥工作面设备的综合效能 , 工作面尺寸 (尤其是工作面长 度 不断增大 , 工作面单产随工作面长度的加长而增加 。此 外 , 工作面长度加大后 , 可减少巷道掘进率和工作面搬家 次数 , 从而大幅度提高工作面工效 。 因此在设备配备 (尤其 是工作面刮板输送机的能力 和地质条件一定的前提下 , 加 长工作面长度 , 已成为工作面高产高效主要技术方向之一 。布置超长综放工作面 , 实现高度集中生产 , 由此引起 采场覆岩的大范围破坏与运动 , 对采场矿压和岩层移动会 产生变化 , 文章主要针对超长综放工作面的顶板岩层破坏规律展开相应的研究工作 。1 工作面概况余吾煤业

3、公司 S1201工作面为大采高超长综放工作面 , 工作面走向长度 937m, 倾斜长度 280m, 所采 3#煤层厚度 为 51716115m, 平均 5185m, 煤层普氏系数为 018, 地应 力为 650750k N /m2; 煤层整体为向西倾斜的单斜构造 , 坡度为 0°5°, 平均坡度 3°, 煤层含一层 0105m 夹矸 。 工 作面煤层顶底板岩性见表 1。表 1 S 1201工作面顶底板岩性表顶板名称 岩石名称 厚度 /m岩石描述老 顶 砂泥岩互层 >9以细粒砂岩为主 , 夹薄层粉砂岩 , 粉砂岩中含植物化石 , 局部炭化 , 含少量云母 片

4、, 裂隙较发育 , 具交错层理和微波状层理直接顶 细粒砂岩31855150深灰色 , 薄层状 , 具滑面。 性脆、 易碎 , 裂隙较发育 , 含植物化石 , 断口参差状伪 顶 泥 岩 00174灰黑色 , 薄层状 , 易碎直接底 泥岩 粉砂岩 01300196深灰色 , 薄层状 , 裂隙较发育 , 中部含云母片 , 含植物化石印痕 , 顶部有 0110m 砂 质泥岩老 底中粒砂岩 细粒砂岩11003125灰色 , 薄层状 , 含云母碎片 , 下部裂隙比较发育 , 分选差 , 含杂基 , 硅质胶结2 物理模拟随着回采工作面自开切眼开始推进 , 根据已采空面积 的情况 , 悬露的基本顶岩层由于与上

5、部岩层的离层因而可 以视为薄板 。 对于薄板的破断规律 , 可以采用相似材料模 拟试验 , 研究在不同支承条件下 , 不同工作面长度时的板 的破断形状 。 由于考虑基本顶岩层的初次断裂及 S1201综 放面两巷均处于实体煤范围的条件下 , 因此主要考虑薄板 在四边固支条件下的破断规律 。在实验室模拟了两种工作面长度条件下的薄板破断规 律 , 见表 2。随着工作面推进 , 采空区顶板岩层的破断形状随着 a /b 的值变化而变化 (a 为初次破断距 , b 为工作面长度 , 当a /b <1时发生竖 X 型破坏 , 当 a /b =1或接近 1时 , 则形成X 型破坏 , 而当 a /b &

6、gt;1时 , 则形成横 X 型破坏 , 如图 1所示 。23 生产技术 煤 炭 工 程 2010年第 2期 表 2 基本顶岩层破断的相似模拟试验工作面实 际长度 /m模型长 度 /m模型厚 度 /m配比 模型 2801150118715 6125 6125模拟试验结果如图 2所示 。可以看出 , 两种工作面长 度的顶板破断形式均为竖 X 型破坏 , 并且随着工作面的推 进 , 顶板板结构模型也要发生周期性断裂 。 在板的四周形 成上部张开 , 下部闭合的裂隙 , 而在 X 型部位则形成上部 闭合而下部张开的裂缝 。图 2 模拟试验情况两种模型竖 X 型破断过程以及形成的周期性断裂过程 存在明

7、显差异 , 其差异主要为 :1 模型 (面长 180m 板的破坏过程为 :破断裂缝先短边裂缝延伸 裂缝在四周形成贯通 板中央沿 Y 向裂缝延伸 板的竖 X 型破坏 , 如图 3所示 。 2 模型 (面长 280m 板的破坏过程为 :板的中央部位出现局部 X 型破坏 破断裂缝沿长边向两边延伸两侧出现新的短边裂缝 裂缝在四周贯通 板中央 Y 向裂缝延伸板的竖 X 型破坏 , 如图 4所示 。3 模型 板的初次断裂步距为 21c m, 模型 板的初次断裂步距为 14c m; 模型 板的周期性断裂步距 11c m, 模 型 板的周期性断裂沿工作面方向出现不同步特性 , 周期 性断裂步距平均为 7c m

8、 。由此可以看出 , 超长工作面顶板 岩层的破断特征和一般工作面有明显的不同 , 工作面加长 以后 , 周期来压沿工作面方向出现不同步特性 , 初次来压 步距和周期来压步距都较相同地质条件而面长较短的工作 面小 。3 数值模拟为深入研究 S1201工作面围岩应力及变形特点 , 将该 工作面基本顶视为厚板进行了有限元数值分析 。计算分两 种情形 : 采场推进至 25m 时 , 模拟采场初次来压 , 计算 模型尺寸为 280m ×25m, 模型的边界条件为四边固支 ; 采场推进至 38m 时 , 模拟采场周期来压 , 计算模型尺寸为280m ×13m, 模型边界条件为三边固支一

9、边自由 。同时 ,为比较 S1201超长工作面与一般工作面的异同 , 分析计算 了同样推进距离而工作面长度为 180m 的情况 。 计算时取基 本顶的岩性参数为弹性模量 E =30GPa, 泊松比 =013。从计算结果可以看出 , 不同长度工作面相同推进距离 时 , 其变形及应力量值相差较大 。 表 3给出了基本顶下沉 量 , 走向应力 , 倾向应力的最大值 。结果表明 , 随着工作面长度的增加 , 其围岩变形及应 力明显增大 。 将 S1201工作面 (280m 与一般工作面 (180m 比较 , 基本顶的下沉量前者是后者的 1189倍 , 而应力则为11581177倍 。 这意味着超长工作

10、面的来压步距明显小于一般工作面的来压步距 。4 现场实测为验证理论分析的准确性 , 在 S1201超长综放面进行 了矿压观测 , 观测结果如下 :随 工作面的不断推进及顶煤和直接顶的不断冒落 , 基33 2010年第 2期 煤 炭 工 程 生产技术 收稿日期 :2009-04-22 作者简介 :齐光辉 (1972- , 男 , 甘肃金昌人 , 矿建工程师 、 注册咨询工程师 , 主要从事煤矿生产技术管理 、采矿设计等方面工作 , 现任靖远煤业集团有限责任公司科研设计院副总工程师 。松软 、 破碎岩层及过小窑巷道支护设计齐光辉(靖远煤业公司科研设计院 , 甘肃 白银 730913 摘 要 :针对

11、松软 、 破碎 、 膨胀岩石及穿过小窑采空区的巷道 , 、 钢 架配合钢筋混凝土背板及喷射混凝土联合支护支护行式 , , 从而实现 可靠支护 。 关键词 :软岩巷道 ; 破碎岩层 ; 中图分类号 :T D353:1671-0959(2010 02200342031 概 述长期以来 , 软岩巷道支护问题一直是煤矿生产建设过 程中的难题 , 也是目前国内外还未能很好解决的问题 。特 别是深部矿井 、 断层破碎带 、 岩石风化带以及老矿区穿越 小窑采空区等 , 使这类问题愈显突出 。对于松软岩层的支护 , 常用的有料石或混凝土砌碹 , 棚式支架支护以及锚网喷支护等 。以锚杆为主体构件的锚 网喷支护具

12、有较高的承载能力和很好的可缩性 , 并能进行 全方位的支护 , 能够实现主动深入围岩内部加固围岩 , 提 高围岩自身承载能力并和围岩一起形成一个加固圈 , 最大 限度地发挥围岩的承载能力 , 能够满足软岩支护性能的要 求 , 目前已在各种软岩条件下的井巷施工中得到应用 , 从 最初的单体锚杆支护发展到以锚杆为主的锚 、 网 、 梁 、索 、 桁架组合支护体系 。对于松软岩层及煤层中巷道采用锚网 喷支护已在全国各矿区得到广泛的运用 , 并取得了许多宝 本顶的悬跨度不断增大 , 基本顶的初次垮落步距为 211825m, 且沿工作面长度方向出现不同步特性 , 即工作面加长以后 , 基本顶来压呈现中间

13、段超前 、两端头落后的特征 , 并且工作面上 、 中 、 下部基本顶来压步距也不一致 。表 3 工作面基本顶变形及应力变化规律工作面推进 距离 /m下沉量 /mm工作面长度(280m 工作面长度(180m 走向应力 /MPa工作面长度(280m 工作面长度(180m 倾向应力 /MPa工作面长度(280m 工作面长度106105610211213140121507166 当工作面推进到基本顶的极限跨距时 , 基本顶分别在 两端和中部发生断裂 。基本顶在断裂后回转过程中形成力 矩所产生的支承压力主要由煤壁来承担 , 因此基本顶的来 压首先表现为煤壁片帮 , 随基本顶进一步回转和下沉 , 作 用在支架上的载荷范围增大 , 使支柱流量增加 , 支架阻力 也急剧上升 。S1201超长综放面基本顶的初次和周期来压对工作面造成比较强烈的矿山压力显现 , 主要表现为支架阻力急剧上 升 、 煤壁片帮等 。5 结 论针对余吾煤业公司 S1201超长综放工作面的赋存特征采用物理模拟 、 数值模拟及现场实测的手段分析了顶板的 破断规律 , 得到如下结论 :1 超长工作面顶板的破坏