难冒落顶板矿压显现规律的研究.pdf

难冒落顶板矿压显现规律的研究 第六图书馆 冒顶 矿山压力 显现规律矿山压力与顶板管理戈.,ЛН 望曙不详1990第六图书馆 第六图书馆 } 蟹 ＼ ， y 一1 一 够难冒落顶板 压显现规律的研究 ≯ ， ／ Ⅱ 戈 巴诺 维 契c H 加 里 宁戈 ‘ 曙 F I 译 “ 米 洛 耋 蠢 望 曙 译 李 鸿 昌 校 工 ’ 库兹巴斯的托姆一乌申斯克地区矿区 地质条件的特点，是在局部地带煤层直接 顶赋 存有 大量后 生成的 冲蚀岩 石 。l 这些地 带为中等难 冒落的粗粒至细粒粉砂岩，岩 石抗压强度为 3 0 ～7 0 MP a ，厚选 1 2 m，作 为老顶岩层赋存。后生成带 占已采煤 田总 面积的 2 6 ％，极厚且异常坚硬的细粒砂岩 层直接赋存于煤层上部 ，有悬顶和大块冒 落倾 向。狭备矿的最广泛直接赋存后生成 冲蚀地带的煤层与围岩情况列在附表。 附表 顶 板 底 杠 煤层厚度 煤层倾 后生成冲蚀带 煤 盆 岩石厚度 抗压强 度 岩石厚度 抗压强度 面积 ， 1 O m ‘ m 角， 。 ㈤ ‘ M 1 f m MP a 细粒砂 岩 中粗粒粉 砂岩 7 7 a 2． 65 ～ 4 ． 2 6 ～ 8 8 O～ I 2 0 3 0～ 卯 3 8 0 36 4 0 2 7 细 粒砂岩 中粗 粒粉砂 岩 6 6 a 3 ． 5～ 4 ． 7 6 ～ 8 8 0～ l 2 0 3 0～ 5 0 3 2 0 l 0 ～ 3 2 2～ 5 在 1 9 7 5 1 9 8 3 年期间，后生成冲蚀带 回 采 区 段 内 使 用 3 OKF I KM8 l 、 2 OK I - I -7 0 、KM-1 3 0和 2 YKF I型综 机开 采时， 曾进行试验研究。 使用机械化支架发现，后生成冲蚀带 内顶板下沉产生的力是极不平衡的。每经 过近于均衡的 5 ～6 次下沉之后，就会发生 一 次载荷很高的顶板下沉。 当KM一8 1 、 3 OKn， KM一1 3 0 和 2 0K H- 7 0综采机组工作时 ，实际上在顶 板下沉之际所有支架处于极限载荷状态， 产生下缩，甚至压死或变形。综机需要重 新修理。在此下沉过渡期间，M- 8 1 型和 3 OK n 型支架伴有严重变形工作，个别架 组严 重 下 缩 ，而 M-1 3 0型 2 0KF I -7 0型 支架则能满足支撑难冒落岩层顶板。当 2 5 ～ 3 0节 2 YK F I 型支架达到极值载荷时 ， 其中仅有 1 ～2 架液压支拄的伸缩量用尽。 在矿上推广 2 YK F I 型综采机组前，为 减少顶板 下沉期间工作面支架的压死，对 顶板岩石进行了超前爆破。钻孔采取对角 布置，孔长 4 5 ～5 0 m，间隔 1 5 mi n爆破一 次 。利用爆 破顶板 的 4 7 3号工作面回采 7 - 7 a煤层，区段长 2 4 0 m，使用 K M- 1 3 0 型综机，以及利用 4 6 7 号工作面回采 6 6 a 煤 层 ， 推 进3 5 0 m， 配 备2 0 KF I 一7 0 上条带式开采渭北 5 煤层，合理的采留比 为 3 0 2 5 m。蒲白矿务局在白水河下采煤 应用这 参数取得成功。 责任编辑朱明华1 一 5 9 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 综机，支架均未达到极限载荷，支架部件 未发生变形。与未采取超前爆破的工作面 比较 效果令人信服 因此，在开采难冒 落顶板煤层时，每 当出现极限载荷的顶板 下沉 ，就应 使用这些 支架 。鉴 于爆破 钻 孔 工序复杂，应该优先考虑使用具有高阻力 支架的综机设备，而避免使用超前爆破 。 因此，近年来在所有的后生成冲蚀带的厚 煤层只使用 2 YKI I 型综采机组回采。 为了研究顶板下沉产生极限载荷的实 质，并揭示后生成冲蚀带下位难 冒落岩石 矿压显现 的共 同规 律，进 行 了广泛 的现 场 观测 。利用 M- 7 2型 自记仪、 深基 点 ，以 及对回采工 作面状 况．顶 板 冒落进行 目 测。在每个特定瞬间量测其参数。 大量的研究 工作是在狭谷矿 7 -7 a煤 层西 四采 区 ，4 7 5 ，4 7 7 、4 7 9 ，4 7 1 1工 作 面，使用 2 Y K I I 型综采机组时做的 研究 工作所在的后生成冲蚀带，该处煤层上覆 的坚硬砂岩 f 8 ～1 0 厚度近 4 0 m。综 采机组沿煤层走向推进总长 1 5 0 m ； 图 1 抉谷矿 4 7 9工作面顶板冒落 a _ 书 l 工 作面推 进厚 砂岩 顶板破 坏赢 长度不 同的 岩块。 b _ I 回采推进 中支架载荷循环圈， p _ _ 支架载荷，Ⅱ 一循环数 6 0 第一项研究任务是确定回采工作面推 进各阶 段期 间对支架产生压 力的岩 石厚 度。通过滚基点查 明，综采机组回采时 ， 厚 4 0 m 的整体砂岩发生离层，8 ～1 0 m厚 的下部岩层最 先冒落，然后是剩余部分岩 层冒落。这孙离层经常发生，所以根据研 究结果确定 r琶顶的 F 部和上部分层冒落 周期的 步距 ，以 及形 成的岩 块对 液压支 架 的载荷。经观察证实，该研究所得的参数 有广泛应 用范围。 老 顶 下 分 层 岩 块 长2 ～ 1 6 m 平 均 7 ． 2 m 。 支 架 液 压 支 柱 阻 力 为1 6 0 ～ 2 5 7 5 k N 平均 1 5 7 8 k N 。液压 支柱在 岩 块 为 3 ． 5 ～ 1 6 m 平 均 9 ． 1 m 时 ，安 全 阀 开启 P K 1 8 0 0 N ，而 支柱在弹性可 缩范 围 内 I 二 作 时 的 岩 块 长 2 ～ 1 l m 平 均 5 ． 5 m 。断裂裂缝相对 于支架前探梁的位 置的变化范围为一 2 至 1 ． 2 m 表示位于 前探粱前方 一 表示位于支架上方 。 老顶上分 层岩块 长度为 2 2 ． 5 ～6 5 ． 5 m 平均 4 6 ． 6 m 当老顶岩块随 同直接顶最 后岩块一起下沉时 ，支柱工作阻 力在 1 2 0 0 2 3 4 1 k N 之 间变化 平 均值 1 7 5 1 k N1 裂缝与相对于前探 粱的位置在 一 0 ． 5至 7 m 之 间 变 化 平 均 2 6 m 。 顶板上分层岩块下沉时与下分层 岩块下沉时相比，支柱平均工作阻力 增加 1 7 3 k N，顶板裂缝位置平均超 前 1 ． 4 m。 为了查明顶板这种动态的原因， 以及恰当地整理在上述 4 个工作面进 行研究取得的资料，对老顶下分层岩 块按下列顺序标出 图 1 顶板下 分层下沉的第一块岩块 I ；第二岩块 Ⅱ ；倒 数第二岩块 N一 1 ；最末岩块 N ，以及中间岩块 x ，中间岩块的数 目 可能是不同的。这就可以按相应岩块区分 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 取得的参数．并可以解释这些岩块形成的 原因和其与相邻岩块及老顶上分层的相互 作用。 研究表 明，第一岩块的平均长度最大 一 1 0 ． 8 m， 最 末 岩 块 一 7 ． 7 m， 第 三 岩 块 一 7 ． 2 5 m，倒数 第二岩块一 6 7 m， 中阃岩块 -- 5 ． 2 m 。 岩块 下沉 重 力根据 支柱最大 阻 力平均 值确定。支架最大载荷发生在第一岩块下 沉一 l 8 0 5 k N。处 于第二位 的是 顶板 上分层 与最末岩块共同下沉时一“5 l k N。倒数第 二块 和第二岩 块 下沉 时 支柱 阻力值 接近 和 等于 1 6 3 5和 1 6 0 5 k N。因 中间岩块下沉 ， 支架承受 最低 的载荷一 1 4 4 0 k N。 最末岩块形成的裂缝是超前于支架的 前 探 梁2 ． 6 m， 其 次 是 第 一 岩 块 a △ P， k N 1 ． 7 m ，倒数第二岩块 1 ． 6 ， 第二岩块 0 ． 8 m ，而中间岩块值最低 0 ． 7 m 因 而，当顶板上分层下沉看，第一岩块 冒落 时，形成支架的载荷最大 对裂缝与支架间距离，影响最大的是 顶板上分层的附加载荷值和岩块长度。支 架 较低的 工作载荷 出现在 中间岩 块下 沉 时 ，即当上部岩层弯 曲，使岩块 长度 减 少，但对支架尚未产生附加载荷时。 在进行试验研究时，出现 6种部分支 架压死的情况。该时，支架有 5 ～l 1 个循 环处 于恒阻状态工作 ，而岩块长度 l 0 ～ 1 6 m。因此，最大 的下沉发生在 顶板下部 岩层的岩块长度大于 1 0 m，支架出现最高 载荷不低 于 5个循环 的时 候。 图 2 给出了顶板急剧下沉时，支柱载 1 { 3f { 0 0 7 0 一 。 口 0 00 ⋯ l f f 1 4 ， 4』 j l I _ 8 1年 ’ _ I 一 1 t ／ 51 j 1 ‘ 俐 年 剖2 抉谷矿顶板急剧下沉的支柱载荷循环圈 a 一4 7 5 工作面； b 4 7 9 工作面 A p 一支架载荷变化； n 一 循环教 一 6 1 一 ． ． ． ～ 一 蜘M 一 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 荷循环图。根据 多数循环约 当 A P0 时 ， 戴荷分布可确定，有 5 种情况支架极限载 荷是 由第 一 块 与顶 板上分层 同时 冒落造 成 的 ，只有一 种情 况是 由最束 岩块 与顶板 上 分层同时 冒落引起的。 回采 工作面 发生 极端情 况的 特征 是超 前支架前探粱产生顶板裂缝，因此，支架 从岩块下方走出的时阃要增加 图 3 。在 每个回采循环中，支柱都处在恒阻状态工 作 ， 因 而 提 出 需 要 增 加 液 压 支 架的 伸 缩 量。 对垒部顶板急剧 下沉所做分析表明， 支柱阻力增长速度可以达到 2 2 0 k N／rai n ， 在液压极限伸缩量以内支柱下缩速度可达 到 2 ． 7 mm／rai n 。在如此剧烈的顶板位移 特性之 下 ，支架最 大载荷 作用时 阃， 或支 架从岩体下方走出的速度起着重要作用。 在 裂缝形 成后 的 巨大岩块 下 ，支架工作 的 总时间在 4 2 ～6 0 h之间变化，而在液压支 柱达到 极限 缩量前 ，处 于恒阻 状态 下的工 ， 作时间为 7 ． 3 ～4 5 h 。当提高支架从岩块下 方走出速度时，支架载荷特性并无明显改 变， 因此 ，可以 建议提 高从形成 支架极 限 载荷 的 岩 块 下的 支 架推 移 速 度 。使 用 2 yKⅡ 机组时 ，平 均回采工 作面大约 推进 1 7 0 m 后 出现形成 支架极 限载荷 F 沉 P Ml m 日 j b 妞 [ 蚴 凸 J 冬 l 3 2 YKI I型支 架 与顶板 F 分层 巨块 相互 作用 a 一顶板岩块下沉期间圊采工作面支絮状况 b _ _ 液压支架与岩悼相互作用时波形图 支絮载荷 难冒落顶板 条件下，机械化支架的工 怍特征之一，是周期重复的采煤循环数 多 达 7 ～1 4 。在此周期内，不会因工艺影 响一割煤、移架一而对液压支柱产生附加 压力 增阻为零 。在老顶下分层岩块冒落 时，则会出现少量 1 ～6 的 。 A P0 ” 循 环，而仅在老顶的下分层随着平均 7 ． 2 m 的冒落跨距 而 沉时 ，才出现大量 7 ～ 一 6 2 1 4 A P O 循环。因为顶板上分层悬梁对 下层增加压力而形成岩块时，才出现 少量 的 。 零增阻 循环。当其断裂后，整个岩层 呈 自撑状态，并由此导致大量的。 零增阻 循环 选一期间顶板下岩层是在没有上覆 岩层压力下形成岩块的。 经对 不 同阻力的 支架 的 下缩 量和 下缩 速度的研究确知，随着顶板岩块位移的增 一 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 加 ，因其扩 展和劈 裂， 引起来 自冒落岩 体 的横撑 力，以及工作面一方岩块问摩擦力 的增加 ，使支架的载荷也在降低，从而证 实台阶 下沉的岩块和下一尚未形成岩块与 悬垂岩体边缘间具有铰接破坏特性 正如使用 2 yK Ⅱ 型支架经验表明，当 支架在 悬垂 岩块下方推 进时长 期处 于恒阻 工作状态，在个别情况下会造成液压支柱 伸缩量用尽和支架部件变形。为了消除这 些情况，应该在保持现有阻力水平基础上 合理地提高液压支柱结构的可缩量。 结论 1 ．在 后生成 冲蚀带 内 ，煤层上 直接赋 存有 4 0 m强度极高 R c 达 l 2 O MP a 的细粒砂 岩 ，为 难 冒落 老顶，研究 其 冒落 规律和参 数，以及 它与支撑 力为 4 5 0 ～ 1 3 0 0 k N／r n 的 各种 型式 支 架的 相互 作 用，确认 根据地质勘探资料，顶板整体岩层在 回采过程 中离层并呈块状冒落，分为两个 阶段开 始 是 8 ～ 1 0 m 的 岩 体 下 部 分 ， 尔后是整个剩余部分 上部分 ； 老 顶 下部 分 冒落 岩块的 长度为 2 ～ 1 6 m，该长度不取决于所取机械化支架的 支撑力，而只受其与上位老顶相互作用的 制约 ，主要 由上位老顶 的冒落步距确定 的，此悬梁长度的变化范围是很大的 2 3 ～ 6 5 m 老顶离层下位岩块的长度对机械化支 架载荷特性有着强烈影响； 随着支架支撑力的提高，液压支柱的 压死和支架部 件变形的 可能性在 减小。 2 ． 查明了当与煤层紧贴的极厚老顶呈 块体 冒落 时，回采 工作面形成压 力的特 征 。此时 液压 支架意外 地产 生最危 险极限 载荷 的原因是 在老顶整个岩层 下沉之后 ， 老顶下位岩块实际上缺 少来 自上位悬臂岩 梁的附加载荷。结果形成 了顶板下层最长 超过 1 0 m的岩块 ，造成支架在 5 个或 更多的循环中处于额定工作阻力状态。 3 ． 下位长岩块的冒落特征为随着液 压支柱的下缩，工作面后方底板对岩块支 撑力的增大，以及岩块和煤壁上方悬垂岩 体的 台阶错动 ，使支架的压力经常降低。 因此，使用大缩量的机械化支架可减少支 柱压死的危险性。在液压支架现有支撑力 水 平情况下 1 3 0 0 k N／m ，应制造和装 备双伸缩液压支柱的支架，以提高其伸缩 范围，使其得到合理地进一步改善。 原 文载[ 苏] yr 0 ， 1 9 8 9 ， 弛 1 2 责任编辑夏 津 评价岩石边坡稳定性的 断裂力学法 英国 诺 丁汉 大 学 采 矿 工程 系 R N 辛 、 G - x - 孙在第一 I - g t 届世界采矿大会 上发表论文， 舟绍 了一种评价多节理岩石边坡稳定性的新方法 断裂力学 法．诚浩的先 决条件是，主要由裂 隙端部应力强 度系敦代替常用的沿 节理 面的摩擦 阻力所引起的裂隙，来评价 多节理岩石边坡的稳 定性 。基于线弹性 断裂力学 LE T M原理．利 用 在 裂 隙 端 部 周 围 有 奇 异 元 的 有 限 元 程 序 P AFE C采模拟裂隙端部 附近的弹性应力场， 并校 正了张力裂隙、剪切裂隙和张剪混合裂练等 几种简化的加载模式的应力强度 系数 为确定岩 石 断裂 韧性 ，研 究 了一种 统一的试 验方 法 。然 后 ，以断袋韧性 与裂l l } c 端 部应力强度 系数之 比． 而不是以抗剪强度与沿节理面的摩擦阻力之比采 确定安垒 系数．文中提 出的方法已被证明． 对不 同的边坡破坏模式，它是设计最大边坡高度的有 用工具 。 丰 明单摘 一 6 3 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆