复杂应力条件下矿压显现研究及围岩控制设计.pdf

1 0 童 晨 科技 2 0 0 0 年 增 刊 复杂应力条件下 矿压显现研究及围岩控制设计 新汶矿业集团翟镇煤矿杨光玉朱衍利 摘要该文以系统科学和控制论的基本思想为指导， 根据现代矿压理论， 对新汶矿业集团翟镇煤矿3 4 0 1 W 工作面在复杂条件下的矿压显现情况作了全面分析， 探讨了工作面的控制原则， 提出了 具体的控制措施。 关键词 围岩 应力 系统 非线性 控制 长壁工作面顶板控制的基本任务是限定顶板破 碎和顶板下沉的发育程度， 保证安全可靠的临时工 作空间。 翟镇煤矿3 4 0 1 W工作面开采条件复杂， 在 推进过程中出现了强烈的矿压显现， 工作面中下部 1 0 m范围内出现了明显的台阶下沉。因而深入分析 该工作面的矿压显现情况对于加强顶板管理既有重 要的现实意义， 又有重要的理论指导意义。 I 工作面的开采条件 3 4 0 1 W工作面采用单一走向长壁区内后退式一 次采全高， 全部垮落法管理顶板， D Z 2 5 --2 8 型单体支 柱与皿J A 一8 0 0 型铰接顶梁配合使用， 以齐梁直线 式支护顶板。正常推进阶段实行“ 三四” 排控顶， 排 距0 ． 8 m， 柱距O ． 7 m， 支护密度 1 ． 7 8 5 根／ 。 据 地质资料， 翟镇井田二层煤与四层煤的间距 在1 ． 2 4 3 7 ． 1 2 m 之间， 为近距离煤层。3 4 o 1 w工作 面断层、 裂隙均较发育， 在本区 段内与二层煤的间距 为 1 3 ． 2 m 。 原 3 2 0 1 W工作面和原 3 2 0 2 W工作面留设 的煤柱构成了一个走向长度约2 7 0 m 、 形状极不规范 的煤柱群。 2 工作面出现台阶下沉的矿压显现机理 现 代矿压理论认为， 工作面整体上是由“ 煤壁、 矸石、 支架一 基本顶” 构成的支撑结构体系， 基本顶 存在弯拉 破断和剪切破断两种破断形式， 而且在一 定条件下这两种破断形式可以相互转化。 1 由于2 o 一 4 o 节油槽附近存在多条近倾向断 层和多条纵贯二层和四 层的垂直裂隙， 致使基本顶 岩层由正常 情况下的弯拉破断向 剪切破断转化。 2 -层煤柱群的集中应力及地质残余构造应 力通过断层面和裂隙面对工作面形成强烈影响。由 于3 4 0 1 W工作面布置在背斜轴附近， 且大、 中、 小断 层均较发育， 因而其周围的应力场必然为非均布的 天然应力场。据三维有限元分析， 工作面超前支承 压力不低于3 r H， 加之本区段内二层煤与四层煤的间 距为1 3 ． 2 m ， 一般情况下， 二层煤柱的高应力传递至 四层煤时， 应力约为2 r H， 需要强调的是， 在较大的断 层和裂隙附近， 传递应力还会大大增加， 再考虑到背 斜轴附近残余地质构造应力的作用， 3 4 0 1 W工作面 超前支承压力一般情况不会低于5 r H 。 其中 一上覆岩层平均容重 H _ 一 采深 3 i作面直接顶为 2 a 类顶板， 质量较好， 2 5 节 油槽以下， 直接顶分层厚度在0 ． ． 8 m之间， 质量 更高； 同时由于采高较大， 下区段为仰采， 煤壁片帮 深度达 1 ． 5 2 ． 0 m， 致使机道端面距超宽， 机道内顶 板下沉加剧。 总之， 由于多种因素的共同作用， 上覆岩层出现 了 剪切破断， 破坏了相 对稳定的结构体系， 因在剪切 破断条件下， 支护强度相对不足， 因而在直接顶质量 较高的区段 2 O 一 2 5 节 出现了台阶下沉。 3 工作面的控制与管理 控制顶板下沉量是以 支护系统具有足够的支护 强度为基 础的， 因而必须根据工作面的实际情况进 行支护设计。 1 据工作面柱状图判定基本顶岩层的运动条 件， 工作面柱状图见图 1 。 当E 下i v ≥ I c 4 E E M E 时， 两岩层同时运动； 当E 下i v ≤ K 4 E E M E 时， 两岩层单独运动； ，一 t 一 维普资讯 一 2 0 0 0 年 增 刊 未 娃晨 斜 技 1 1 柱状 J 度 m 岩性 ＼ ＼ ＼ ＼ 2 ．0 二 层 煤 ● ● 1 ．8 粉砂岩 1 ．2 砂页岩互 ● ● 2 ． 9 细砂岩 ● 粉砂岩 ● ● 3 ． I ● ● ● 3 ． 0 中细砂岩 ● ● ● 1 ．5 粉砂岩 ＼ ＼ 2 ．8 四 层 煤 3 ． 0 泥质粉砂岩 ● ● 3 ． 2 灰白色细砂岩 图 1 工作面综合柱状图 卜岩层的弹性模量； 一 岩层厚度； l 上下岩层跨度差别系数， 取1 ．2 5 o 可知 ①正常情况下， 3 ．0 m的中细砂岩为第一岩梁， 3 ． 1 m的粉砂岩为第二岩梁， 2 ． 9 m的细砂岩、 1 ． 2 m的互 层、 1 ． 8 m的粉砂岩及二层煤共同构成第三岩梁， 从 而在整体上形成“ 梁上有梁” 的多岩梁式结构。 ②若工作面存在近倾斜的落差较大的断层或者 贯穿二 层与四层的纵向裂隙时， 基本顶第一、 第二， 甚至第一、 第二、 第三岩梁都有可能同时下沉， 但由 于本区段的内二层煤与四层煤的间 距仅为1 3 ． 2 m ， 二 层基本上为采空区， 即使存在煤体， 粘结力也相对较 弱， 因 而三 个 岩梁 同 时 下沉的 情况 更 易出 毋， 在 此条 件下， 单体支架的支护强度无法达到要求， 工作面出 现大面积切顶是必然的。 2 复杂开采条件下工作面支护强度的 确定 ①基本顶岩层出 现弯拉破断情况下所需的支护 强度 L 0 4 ． 3 3 M z 6 ． 5 Lt o ／ 2 ． 4 5 P r M z Y 2 f z 2 M E Y z L ／ K T k M r一 直接顶厚度， 取I ． 5 m ； 1 0 -_ 基本顶初次来压步距； I 一 基本顶周期来压步距； 一 直接顶容重， 取2 ． 2 m j ； ‘ 直接顶悬顶系数， 取 1 ； P r支护强度 M E 基本顶岩梁厚度， 取3 m ； k控顶距， 取3 ． 7 m ； 7 r 基本顶容重， 取2 ． 5 t ／ m 3 ； K 广岩梁传递系数， 取2 。 得 1 9 ． 4 m， L 8 m， P T 1 9 5 ． 1 6 k N ／ m 2 ②基本顶岩层出 现剪切破断情况下所需的支护 强度 为安全起见， 以基本顶3 个岩梁同时切落的情 况为准进行计算， 则基本顶岩梁厚度取 1 2 m ， 公式同 上。 得 P T 6 4 8 ． 6 k N ／ m 由于单体支架的最大支护强度在 4 5 0 k N ／ m 2 左 右， 除非在保证支柱阻力的情况下增加支护密度， 上 述条件下的支护强度根本无法达到。 3 基本顶岩层出现剪切破断情况下工作面的 支护设计 n P lT ／ R t R t 】 g K 水b K n l ／ a b R 卜～ 支柱实际工作阻力； R 卜支柱额定工作阻力， 取3 1 ． 8 1VlP a K 支柱工作系数， 取0 ． 9 9 ； I z 一支柱增阻系数， 取0 ． 9 5 ； 一 支柱不均匀系数， 取0 ． 9 5 ； K a 一工作面倾角系数， 取1 ； l l r_采高系 数， 取0 ． 9 ； r一 排距， 取0 ． 8 m； ‘ 卜柱距； 一 支护密度。 经计算， 得 b 0 ． 3 6 6 m ， n 3 、 4 1 5 根／ 为安全起见， b 取 0 ． 3 5 m 。 总之， 在矿压显现强烈的区段， 应以0 ． 7 m为间 距加使 型钢， 保证一梁二柱， 切顶排处联柱无间 距 布置， 使排距达到0 ． 3 5 m ， 确保初撑力， 全面穿铁鞋； 支好戗棚， 棚腿支柱阻力不得小于6 ． 5 M P a ； 每隔5 m 打一木垛， 要求四角有力， 增强支护稳定性。 ． 3 ．4 工作面的控制 控制论认为， 为实现对复杂系统的有效控制， 必 须采用“ 前馈一反馈” 控制系统。 对于3 4 0 1 W工作面 维普资讯 l 2 撼晨 纠 技 2 0 0 0 年 增 刊 煤矿架线机 车气刹系 统的应用 新汶矿业集团翟镇煤矿杨国英 仉兴华李成银 摘要架线机车的安全运行是安全生产的头等大事， 电机车制动的关键因素一是制动力的大4 、 ； 二是制动 重量多少； 三是轮轨之间的摩擦系数的大小。 关键词架线机车 气刹系统运输安全 1 问题的提出 煤矿架线机车的 安全运行是安全生产的头等大 事， 制动系统是安全运行的基本手段。制动的关键 因素一是制动力的大小； 二是制动重量多少； 三是轮 轨之间摩擦系数的 大小。以往架线机车制动装置只 配备了机械手动和电阻制动， 机械制动空行程时间 长约6 s 左右， 制动力小， 制动效果差， 在额定速度重 车下坡实行紧急制动， 制动距离无法达到煤矿安全 规程4 0 m的要求。而电阻制动无法瞬时将制动力提 高， 只能用于机车的减速制动。由于矿井生产能力 大， 运输集中， 原有的制动装置不能适应运量大、 速 度高的要求。 2 气刹系统主要结构及功能 2 ． 1 系统的组成 本系统由直流电动机、 空气压缩机组、 气压继电 器、 制动缸、 综合制动箱、 脚踏阀、 气喇叭、 各种卡套 式铜接头、 铜管及高压胶管组成。 2 ． 2 系统工作原理 在直流电动机的驱动下， 将电能转换为机械能， 压 风机产生的0 ． 4 5 ～ 0 ． 6 5 M P a 压缩空气进入制动 缸， 从而推动机械制动闸瓦， 对电机车轮实行制动， ， 使电机车达到制动的目的。 ’ 2 ． 2 ． 1 充气 直流电动机驱动压风机， 空气从过虑器吸人到 主风缸， 当主风缸的压力达到所需的最大值时， 压力 控制器就自 动切断电动机电源， 当气压降到一定值 时， 重新接通电动机电源， 使主风缸压力达到最大 值。 主风缸装有安全阀， 压力超限时会自 动卸压， 压 缩空气从主风缸通过管道， 到达司机室的控制阀。 2 ． 2 ． 2 制动 实行制动时， 司机将制动阀推向制动位置， 使压 缩空气从主风管通过排气管泄入大气中。这一动作 将使主风管和分支管路内的气压 下降， 于是三 通阀 来 说， 所谓的“ 反馈” 是指以初撑力为中心的工作面 的全面质量管理问题， 即通过对工作面的及时监控， 及时整改， 保护支护系统具有较高的系统刚度、 系统 强度和系统稳定性， 从而有效地控制顶板下沉量； 所 谓的“ 前馈” 是指工作面的地质预报和矿压预报问 题， 即及时预测不安全隐患的发生时间、 发生地点， 通过一定的措施对系统进行调节， 达到控制工作面 矿压显现的目的。如果解决了这两方面的问题， 就 可以 牢牢地掌握管理的主动权， 将不安全隐患降到 最低限度。 4 结语 矿压理论的核心是压力分布、 压力显现与上覆 岩层运动之间存在必然的内在关系的理论。 通过矿 压显现推断支承压力分布和上覆岩层的运动， 实现 对顶板活动和压力分布的预测预报已有了广泛的实 践基础， 而将系统科学、 控制论的思想和方法与矿压 理论相结合， 进行系统的观测、 分析和控制， 已成为 当前矿压研究的一个发展方向。 作者简介 杨光玉 1 9 6 3 年出生， 1 9 8 8 年毕业于新 汶矿业集团公司职工大学采矿系， 工程师， 现任新汶 矿业集团公司翟镇煤矿副矿长。 t I ， - 维普资讯