倾斜综放采场矿压控制研究.pdf

山东科技大学 硕士学位论文 倾斜综放采场矿压控制研究 姓名冯增强 申请学位级别硕士 专业矿业工程 指导教师邹德蕴;黄福昌 20050301 山东科技大学工程硕士学位论文 摘要 摘要 本文通过对南屯煤矿9 3t 0 1 倾斜综放工作面进行常规矿压观测，摸清了工作面顶 板、顶煤的活动规律和矿压显现特征，评价了支架对工作面顶板运动和采煤方法的适应 性，为采场顶板管理提供了科学依据。为了研究倾斜综放采场倾向岩层运动与侧向支承 压力显现规律，布置了覆岩破坏测区和侧向支承压力测区。通过观测认为倾斜岩层向 开挖边界方向运动；采空区两侧煤体支承压力分布规律基本相同。本课题在实验室做了 “仰斜开采覆岩结构破坏规律相似材料模拟”试验，通过试验研究了倾斜综放采场覆岩 移动破坏规律。本文对倾斜综放采场矿压控制的研究，对于其他类似条件的工作面设计 和生产具有指导意义。 关键词倾斜综放采场 矿压观测矿压显现 支架适应性倾向岩层运动 侧向支承压力相似材料模拟覆岩结构 山东科技大学工程硕士学位论文 A b s t r a c t T h i sp a p e rs t u d i e st h ew o r k f a c e ’Sr o o fa n dt o pc o a lm o v e m e n tl a wa n dp h e n o m e n o no f u n d e r g r o u n dp r e s s u r et r a i tb ys t r a t ac o n t r o lo b s e r v a t i o ni n9 3 0 1i n c l i n ef u l l ym e c h a n i z e d c o a lf a c eo fN a n t u nc o l l i e r y ．I te v a l u a t e ss u p p o r t ss u i t a b l et ow o r k f a c e ’Sr o o fm o v e m e n ta n d m i n i n gm e t h o d st h e np r o v i d e ss c i e n t i f i cp r o o ff o rw o r k f a c er o o fm a n a g e m e n t ．I no r d e rt o s t u d yt h ed i ps t r a t ad i s p l a c e m e n t a n ds i d ea b u t m e n tp h e n o m e n o nl a wi ni n c l i n ef u l l y m e c h a n i z e dc o a lf a c ew eo b s e r v e dp h e n o m e n o no fu n d e r g r o u n dp r e s s u r ei nc o v e rr o c kb r e a h a n dd i ps t r a t ad i s p l a c e m e n ta r e a s ．B yo b s e r v a t i n gw ek n o wt h at h et i l tr o c km o v e m e n tt od i g a r e aa n dt h es a m ed i ps t r a t ad i s p l a c e m e n td i s t r i b u t i o ni ns i d e s ．W ec a r r i e ds i m i l a rm a t e r i a l i m i t a t i o nw i t hu p d i pm i n i n gm e t h o de x p e r i m e n t ，w i t hi tw es t u d i e dt h ec o v e rr o c km o v e m e n t a n db r e a c hl a w si ni n c l i n ef u l l ym e c h a n i z e dc o a lf a c e ．T h er e s u l t so ft h i sp a p e rh a v et h e i m p o r t a n td i r e c t i n gm e a n i n gt ot h es i m i l a rw o r k f a c e ’d e s i g na n dp r o d u c t i o n ． K e yw o r d s i n c l i n ef u l l ym e c h a n i z e dc o a lf a c e p h e n o m e n o no f u n d e r g r o u n dp r e s s u r e d i ps t r a t ad i s p l a c e m e n t s i m i l a rm a t e r i a I i m i t a t i o n s t r a t ac o n t r o lo b s e r v a t i o n s u i t a b i l i t yo fs u p p o r t s s i d ea b u t m e n t c o v e rr o c ks t r u c t u r e 山东科技太学工程硕士学位论文绪论 1 绪论 1 ．i 课题的研究意义 综采放顶煤技术经过十多年的试验研究推广，目前已经成为我国煤炭机械化开采高 产高效的主要方法之一。特别是近年来随着综放开采技术经验的积累、研究的深入及装 备的更新，在近水平煤层走向长壁综放工作面不断创造出举世瞩且的高产高效新记录Ⅲ。 但是在倾斜、缓倾斜煤层仰斜综放开采条件下尚无可借鉴的技术经验和配套技术设备。 兖矿集团南屯煤矿9 3 。O l 工作面煤层埋藏较深，一般为5 5 0 ～7 5 0 m ，平均为6 5 0 m 左右。该工作面开采的3 上煤层平均厚5 ．7 m ，倾角较大，最大可达2 5 0 。根据九采区巷 道布置设计，该工作面采用倾斜长壁仰斜综放开采采煤方法。 为了解决倾斜煤层仰斜综放开采的综合技术问题，兖矿集团专门立项招标开展“2 5 。 倾角松软煤层日产万吨综放工作面成套设备与工艺研究”。本课题是该招标项目的第八子 项目。 本课题主要是对倾斜综采放顶煤工作面的顶板控制进行研究，就是要摸清倾斜综放 采场的顶板、顶煤活动规律，矿山压力显现特征；研究倾向岩层运动和侧向支承压力显 现规律；通过实验室相似材料模拟试验，研究倾斜综放采场上覆岩层结构破坏规律。通 过对倾斜综放采场顶板控制研究，可评价支架对工作面顶板运动和采煤方法的适应性， 以及巷道支护设计对采场上下顺槽支护的可靠性。并且，利用采场覆岩破坏规律指导采 场顶板矿压控制设计和现场施工，保证工作面安全生产。 本课题的研究为其他子项目提供了理论依据，为整个招标项目的完成奠定了基础。 并且本课题的研究对于其他类似条件的工作面设计和生产具有指导意义。 1 ．2 国内外研究现状 虽然对倾斜煤层的综采放顶煤开采尚无成熟的经验，但是国内外众多学者和专家对 倾斜采场的顶板控制有了一定研究。 大家普遍认为‘2 石】，仰斜开采条件下，由于顶板岩层自重产生的沿层面指向采空区的 的分力使得直接顶岩层有一向采空区滑动的趋势，使直接顶岩层受拉力作用，易于出现 裂隙和加剧破碎，不利于端面顶板冒落平衡拱的平衡稳定。并且顶板在顶梁后端易于向 采空区冒落，造成支架顶梁后端空顶，恶化了支架工况。当仰采角度超过某一临界值时， 直接顶因受拉而破坏，处于难以维护的状况，若支护不好，则必然加剧顶板冒落。仰采 l 些查型垫查堂三望堡主堂垡笙苎 堕堡 角是影响仰采工作面直接顶稳定性的主要因素。仰斜角越大，水平位移量越明显，对顶 板造成的拉破坏越突出。初撑力较小时．会造成控顶区顶板的离层、断裂及失稳。 通过相似材料模拟和数值模拟得出结论‘ E 】大倾角煤层开采时上位岩层的变形和 破断不仅具有走向变化规律，更有因为倾角较大而引起倾向的变化，变化的显著程度及其 对采场空间的影响又受上覆岩层项板结构 力学特征和结构特征 及采煤方法所决定。 大倾角煤层顶板空间显现特征与缓倾斜煤层开采时有明显不同 1 大倾角煤层顶板 挠曲变形以中部偏上最大，明显比下部大，就变形梯度变化率而言，随采面推进沿走向有 明显的周期性变化，裂隙的形成和发展以至断裂即是顶板挠曲变化明显的标志，沿倾向在 采空区矸石充填带上方呈现规律性影响变形挠曲变化梯度。 2 顶板断裂到失稳是个渐变 过程，而失稳则是瞬间发生的，发生冒落时最大裂隙所绘轮廓为垮落边界。 3 顶板运动、 裂隙断裂、垮落发展过程中，在两次断裂失稳之时空上，往往有一些裂隙，它一方面对顶板 起软化作用，延缓失稳，另一方面又是顶板最终失稳时的突破地带。 4 从顶板空间运动规 律及破断、垮落特征、顶板破断过程中经历了弹性变形阶段、破裂阶段和失稳阶段。同 时由于变形挠曲梯度变化的周期性和与顶板破断的吻合，可在工作面通过观测作预测预 报工作。 随着采面继续推进，顶板呈周期性断裂，无论是仰伪斜还是俯伪斜，裂隙的发展呈凸 向采面推进方向，仰伪斜开采时，于采空区冒矸上方产生裂隙并向上发展，而俯伪斜开采 时，裂隙则主要产生于采场中部并向上、下两侧发展，顶板断裂时以张性裂隙为主，随着开 采推进，由张性变为挤压，在顶板垮落时，垮落区域的裂隙破坏加剧，产生二次断裂，在一 定程度上可减缓来压强度。 近年来，学者们对倾斜开采的矿压显现特点有了一定的研究。文献[ 9 ] 提出 1 基 本顶岩梁初次破坏时，岩梁上下两部分长度不同，上端较小，下端较大。由于挠度相同，因 此两断裂岩梁倾斜度不同。由此可知，初次来压时仰斜推进的顶板下沉量大于俯斜推进时 的顶板下沉量，相应的支架工作阻力也比较大。 2 俯斜开采顶板岩层在分力的作用下， 其基本顶周期来压步距比仰斜开采基本顶周期来压步距要大。同时俯斜开采时断裂后的 岩层块一部分力传递给工作面前方煤壁，使工作面支架压力减小。 文献[ 1 0 ] 认为倾斜长壁开采，煤、岩层均受层向分力的影响，无论是仰采还是俯 采，初次来压时老顶岩层均是先在上支承端的上表面受拉破坏，随之在下支承端的上表 面和中部靠上的下表面断裂，其来压步距相等。由于老顶初次断裂后的不对称性，造成 仰采时的顶板下沉量大于俯采。 2 山东科技大学T 程碾士学位论冀 1 绪论 许家林等对仰斜开采综采面支架与围岩作用关系进行了研究⋯J ，认为 1 仰采面 支架顶粱后端空顶易导致顶粱低头和初撑力低下，使端面顶板处于无支护状态，导致端 面“滑坡式”冒顶的发展。 2 四柱支撑掩护式支架的支撑力特性曲线分为三个区。支 架顶梁尺寸及前、后立柱位置不同，初撑力特性曲线三个区的范围不同，支架对顶梁后 端空顶的适应性也不同。 3 为了保证支架的初撑力达到可能的最大值而又不致顶梁低 头，仰采面正确的升架方法应是先升前柱达最大值后，再升后柱以顶梁不低头为限，避 免同时升前后柱。 1 ．3 课题研究的主要内容 本课题通过现场矿压观测和实验室相似模拟材料试验，主要对以下几个问题进行探讨 1 倾斜综放采场顶板活动规律和矿压显现特征。 2 倾斜综放采场岩层倾向运动规律。 3 倾斜综放采场上下顺槽侧向支承压力和煤体破坏规律。 4 倾斜综放采场覆岩结构破坏规律。 4 倾斜综放采场覆岩结构破坏规律。 山东科技大学工程硕士学位论文 2 采场项板活动规律及矿压显现特征研究 2 采场顶板活动规律及矿压显现特征研究 2 ．1 采场地质及生产技术条件 2 ．I ．1 采场地质条件 9 3t0 1 工作面是南屯煤矿深部九采区一分区南部的第二个回采工作面，为四周实体 煤工作面。北部为未开采的9 3t 0 2 工作面，南部为未开采的9 3t 0 3 工作面，东北部为 3t F 2 0 0 及3t F 2 0 l 断层，西部为九采二分区皮带上山。工作面相对地面位置大部分为农田， 有部分村庄及公路。地面平均标高 5 2 ．9 4 m ，工作面高程．3 8 5 m ～．5 8 5 m ，平均埋深5 3 8 m 。 工作面走向1 4 0 5 m ，倾斜长1 7 5 m ，煤层倾角1 9 。～1 2 。／1 5 。。煤层赋存情况见图2 ．1 煤层柱状图。 图2 ．1 煤层柱状图 F i g ．2 ．1C o a ls e a mc o l u m n a rs e c t i o n 2 ．1 ．2 采场生产技术条件 上下顺槽方位同为北偏东4 54 ，巷道沿3t 煤底板按中线掘进；巷道断面形状为半 圆拱形，采用锚网另加锚索的复合支护形式。上顺槽为材料巷，巷道净宽4 ．0 m ，净高3 ．2 m 。 下顺槽为回风和运轨巷，净宽4 ．0 m ，净高2 ．8 3 ．2 m 。切眼掘进与主要扩宽分两次进行， 掘进时为上宽3 ．7 m 的工字钢梯形断面，扩宽后为上净宽7 ．3 m 的矩形断面，净高为2 ．8 m 。 工作面上端头采用十字铰接顶梁，配合单体液压支护；下端头采用工字钢梁或棚梁 支护，布设一路或两路点柱或柱棚，跨溜头前布设一对迈步柱棚。端头切顶线布设密集 支柱，柱间距不大于0 ．5 m ，并留有一出口。采煤方法为伪倾斜长壁综采放顶煤一次全高 全部垮落采煤法。当煤层倾角大于1 5 。，采煤机下行采煤，上行空返。 山东科技大学工程硕士学位论文 2 采场顶扳活动规律及矿压显现特征研究 采煤工艺是初次放煤步距7 ～8 m ，循环放煤步距0 ．8 m 。 采放比为割煤高度2 ．6 ～2 ．8 m 顶煤厚度2 ．6 8 ～2 ．4 8 m 。平均采放比1 1 ．0 3 ～1 0 ．8 9 。 采用一刀放两轮顺序放煤方式，第一个放煤口放2 ／3 煤量，第二个放煤口见矸关闭 2 ．2 采场顶板活动规律 2 ．2 ．1 矿压监测内容和方法 9 3 。0 1 综放厦是南屯煤矿类似地质采矿条件新配套设备回采试验的第一个工作面， 为摸清工作面顶板、顶煤的活动规律，矿压显现特征，评价支架对工作面顶板运动和采 煤方法的适应性，为工作面顶板管理、回采工艺确定提供科学依据，自工作面投产开始， 便对9 3t 0 1 综放面进行了连续的矿压观测。主要进行常规的矿压监测工作，共布设三个 类型的测区 I 支架载荷测区。在工作面布置5 条压力观测线，布设5 台电脑圆图压力自测仪， 支架位置分别为上部1 0 5 。支架、中部8 5 4 、5 5 4 、3 5 。支架和下部的1 5 。支架。支架对应 的分机号为1 、2 、3 、4 和5 号。另外，布设5 条即时显示的支架工作阻力监测线，布置 1 0 个电子数显式压力表，支架位置分别为2 5 4 、4 5 4 、6 5 。、7 5 。和9 5 4 支架。 2 顶板 煤 破碎度测区。沿工作面长度方向，每隔1 0 m 布置一个顶板破碎度观测 断面，观测计算综放支架的端面顶板 煤 控制效果。 3 两顺槽超前压力观测。上下顺槽设置2 ～3 对顶底和两帮移近量测区，上顺槽3 对6 个观测断面位于切眼前方6 3 m 、6 6 m 、1 5 0 m 、1 5 2 m 、2 5 0 m 和2 5 2 m ；下顺槽2 对4 个观测断面位于切眼前方6 5 m 、6 7 m 、1 5 0 m 和1 5 2 m 。 2 ．2 ．2 顶煤活动规律 顶煤活动规律主要包括顶煤初次垮落步距和正常放煤阶段的垮落形式。 工作面开采初期，因推进距离较短，采空区顶煤几乎不受上覆岩层力的作用，项煤 主要是靠自重下沉垮落，加上该面切眼采用了锚杆支护，增强了顶煤的整体性，支架未 移出切眼之前，顶煤垮落比较困难。随工作面推进下位顶煤在工作面中部开始垮落 主 要指锚固范围整体垮落 ，随后向两端头垮落，在垮落的区域内部分顶煤己破碎，但因顶 网挡住放煤口顶煤放不出来。工作面推出切眼后，部分支架已能放出顶煤，但放煤量较 少，且块度大，工作面推至8 ．5 m 时，大部分顶煤已能放出，且能见到矸石，说明大部分 顶煤己全部垮落。由此确定顶煤的初跨步距为8 ．5 m 。 S 些堡型苎查兰三堡堡主兰丝兰苎 墨塑堡堡垩垫壑堡墨芝曼星翌壁堡里壅 顶煤初次垮落后，工作面即正常放煤。观测发现，工作面顶煤冒落及时，放出流畅。 2 ．2 ．3 顶板活动范围 综放工作面顶板组成部分仍为直接顶 M D 和老顶 № 两部分。 2 ．2 ．3 ．1 直接顶厚度 冒高 的确定 1 按冒高公式计算直接顶厚度 直接顶冒高公式为 m 晏兰等 ‘K 一与s ．相适应 2 ．1 式中m z 直接顶厚度 h 煤厚，5 ．0 8 ～5 ．4 8 m 。 S ．岩梁触矸处沉降值，由实测而定，一般取 0 ．3 ’0 ．4 h ； K ．岩梁触矸处已冒落岩层的碎胀系数。 把h - - - - 5 ．4 ，K A 1 ．2 5 ，S ． O ．4 0 h 代入式中，求得直接顶厚度 m 。 1 3 ．1 ～1 2 ．1 9 m 2 利用来压前夕支架承载值反推直接顶厚度 来压前夕老顶处于相对稳定运动阶段，支架上的受力可视为直接顶的重量及顶煤重 量引起，两者建立平衡关系，则有 m ．竺肇 华 当门，o ．5 时 2 ．2 。 。{ 7 { j 一 ’ 式中P ’来压前夕实测支架承载值，3 1 0 6 k N ／架； P 。顶煤厚度在支架上引起的重量，3 3 ．7 5 k N ／m 2 ； f 悬顶系数，根据顶煤冒放性好的情况，这里取1 ； Y 岩层容重，取2 6 k N ／m 3 。 实测各周期来压前夕支架阻力平均值见表3 ．3 ，其总平均值为3 1 0 6 k N ／架，换算为 4 3 1 ．3 k N ／m 2 ，将该值代入上式得 m 1 5 ．2 9 m 综合上述二种计算方法，结合柱状图2 ．1 中岩层层位分布，我们可以得出直接顶是 由2 ．5 9 m 粉砂岩以及l O ．4 7 m 的细砂岩共同组成。累计直接顶厚度为 m ， 2 ．5 9 1 0 ．4 7 1 3 ．0 6 m 些查型茎查堂三堡堡圭兰篁笙苎 墨塑堡堡亟垫堡堡墨笙垦里型笪堑雯塞 未冒岩层 老顶 与冒落矸石之间的空间 S A - - 1 3 ．0 6 5 ．3 - 1 3 ．0 6 X1 ．2 5 2 ．0 3 5 m 根据综合柱状图2 ．1 可知，本工作面的直接顶由3 煤上部的2 个岩层，即平均2 ．5 9 m 的粉砂岩和1 0 ．4 7 m 的细砂岩构成，总厚度平均1 3 ．0 6 。 2 ．2 ．3 ．2 老顶厚度 按照工作面岩层综合柱状图可知，3 煤层上部的第3 号岩层为5 ．11 3 ．6 3 ／4 ．3 7 m 的粉砂岩，岩层致密坚硬，是9 3t 0 1 工作面老顶的主要组成部分。该岩层上部强度较低 的4 号层3 。．煤层 1 ．1 i m 和5 号层泥岩 1 ．2 7 m 作为老顶的荷载参量与老顶运动。 另外，这一推论可以通过顶板运动矿压显现得到证实。 用老顶来压时实测支架阻力值反推工作面老顶厚度 P P ’ 名 2 ．3 而圪2 券 式中P _ 来压对实测值，6 4 1 ．5 7 k N ／m 2 ； P ’来压前实测值，4 3 1 ．3k N ／m 。； K 广一压力作用系数，一般情况下K ， 2 ； L 。岩梁来压结束后的悬跨度，近似视为岩梁周期来压步距C 1 3 ．8 t a L 。控顶距，4 ，8 ～5 。6 m ，平均5 ．2 m 。 由 2 ．3 式得 埘。垒墨 幺 P - P K r L x ‘ yE L E yE L E 坐 二 坐 望6 ．0 9 m 1 2 6 X 1 3 ．8 结合柱状图可知，老顶的实际厚度为6 ．7 5 m ，其中3 号层强度较高的4 ．3 7 m 粉砂岩 为主体岩层，4 号层l _ 1 1 m ，3 一煤层和5 号层1 ．2 7 m 泥岩为老顶的荷载。 2 ．2 ．4 老顶来压步距 可以利用实测支架阻力随推进步距关系曲线推断顶板 老顶 来压步距。工作面中 间布置5 条连续监测的压力线测点，从下至上支架号依次为1 5 、3 5 、5 5 、8 5 和1 0 5 4 。以 下对实测阻力值与推进步距的关系进行分析。 实测支架循环末工作阻力 P 。 随推进步距的变化关系见图2 ．2 a e 所示。其中 a 为工作面下部1 5 4 支架末阻力变化曲线， b 一 d 为工作面中部3 5 4 、5 5 4 和8 5 “支架， 山东科技大学工程硕士学位论文 2 采场项板活动规律及矿压显现特征研究 e 为工作面下部1 0 5 4 支架。 通过对上述各图的分析，我们计算得出了各个测线部位顶板初次来压步距和周期来 压步距数值如下表2 ．1 ，表中初次来压步距均不含切眼宽度7 ．8 m 。 应该指出的是，表2 ．1 中不包含中部5 54 支架的来压步距及相关信息。由图2 ．2 可 知．5 54 支架的工作阻力较低，不能反映支架的真实工作状态和顶板的运动及来压信息。 a 下部15 ’支架 猁l i ；| 5m ggl } 攫羝粥l | | ili嚣葛；嚣之 三三三；；；i ；；三i ；；吾；；；；；；；；三三兰墨量墨要曼兰量董墨重量里墨墨星l 参三 推进步距，m b 中部3 5 ‘支架 瑚 ∞ 善| 砌 姗 狮 ∞ 。 z { 山东科技大学工程硕士学位论文 2 采场顶板活动规律及矿压显现特征研究 ；；liiiiiii5 ；；；i2l ；；li5 ；i ；l 再；NN“““HN 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761 761 441 841 041 3 7 中部8 5 3 2 l1 04 l l21 041 281 2】041 61 2 1 281 6】521 68】61 32 上部1 0 5 3 65j 61 441 28 81 761 041 682 08】6l I 21 361 4 3 平均 3 2 2 3 8 由此可知 1 1 5 。支架代表的工作面下部，顶板初次来压步距2 8 ．9 m 周压步距9 ．6 ～2 0 m ，离 l o 山东科技大学工程硕士学位论文 2 采场项扳活动规律及矿压显现特征研究 散性较大，平均周压步距1 3 ．8 m 。 2 3 5 。支架代表的工作面中部，顶板初次来压步距3 1 ．3 m ；周压步距1 0 ．4 ～1 8 ．4 m ， 离散性较大，平均周压步距1 3 ．7 m 。 8 5 4 支架代表的工作面中部，顶板初次来压步距3 2 ．1 m ；周压步距1 0 ．4 ～1 6 ．8 m ，离 散性较大，平均周压步距1 3 ．2 m 。 3 1 0 5 。支架代表的工作面上部，项板初次来压步距3 6 ．5 m ；周压步距8 ．8 ～2 0 ．8 m ， 离散性较大，平均周压步距1 4 ．3 m 。 4 工作面各部位老顶初次来压步距2 8 ．9 ～3 6 ．5 m ，平均3 2 ．2 m ；周期来压步距平均 1 3 ．8 m 。总体而言，周期来压步距有较大的波动变化。 另外，据观测直接顶的初次垮落步距约为1 5 m 。正常阶段，直接顶基本随采而冒， 无悬顶。 2 ．2 ．5 顶板侧向断裂跨度d 的确定 2 ．2 ．5 ．1 侧向顶板运动基本规律 利用顶板岩层的“岩板”模型，基于屈服线分析法得出的矩形线屈服破坏结果来分 析顶板的运动与来压过程。当工作面长度大于初次来压步距时，顶板第～次破坏的发展 过程为 ①推进方向两端拉应力超限，开裂从工作面中部开始逐步向两侧方向延伸，直至贯 穿整个工作面长度，如图2 ．3 a 虚线①所示。 ②“岩板”随平行于工作面的裂断发展，其约束条件由四边嵌固逐步向两侧嵌固的 状态转化，弯矩进一步向两侧转移，从而导致“岩板”沿两侧嵌固端裂断，断线贯通后， 如图2 ．3 a 中虚线②所示。 ③“岩板”四周裂断后，其最大弯矩将转向中央，促使其沿着图中虚线③所示位置 断裂，“岩板”的沉降加速。 ④在“岩板”沉降加速的过程中，最大弯曲应力在虚线④的位置集中，导致相应部 位的开裂，“岩板”的高速沉降运动开始。 ⑤“岩板”沉降至中部 即图中虚线③的部位 触矸，采场来压结束。 采场进入正常推进阶段后，顶板周期性破坏的机理及一般发展过程如下 ①工作面推进至周期来压步距f 的位置，由自重及老塘搭接板的作用力所形成的弯 矩超过限度，“岩板”将在推进方向的嵌固端 即图2 ．3 b 、 c 中①所示部位 裂断。 山东科技大学工程硕士学位论文2 采场顶板活动规律及矿压显现特征研究 ①j i 。 I {1 | ；} ～N I b 掣 o o f F _ 2 二_ 2 _ 亍 _ ； }3 {，百] | _ o 图2 ．3 老顶岩层运动及破坏的发展过程 F i g ．2 ．3D e v e l o p i n gp r o c e s so fm a i nr o o fm o v e m e n ta n dd e s t r o y ②由于工作面长度远比每次周期来压步距大得多，因此．进入两侧嵌固状态的“岩 板”，其端部弯矩很快上升到破坏的极限，从而促使“岩板”在两侧 即图2 ．3 b 、 C 中②的位置 拉开。 ③“岩板”进入四周筒支状态后，由于自重及搭接板的作用力的继续存在，以两个 方向嵌固端为轴的回转下沉运动将加速进行。最大弯矩将迅速向图2 ．3 b 、 c 中③ 所示的中间部位转移，最后迫使“岩板”在端部拉开，进入高速回转运动，一直到其作 用力与老塘矸石及支架反力相平衡的位置为止。 回采过程中形成的顶板侧向悬跨度 图中的d o 、d 受推进方向的老顶来压步距及工 作面长度的制约。下面就顶板不同运动阶段时的侧向悬跨度进行分析。 2 ．2 ．5 ．2 初次来压的侧向跨度 两侧固支 乩2 号 鲁 J 1 3 寺 2 _ 1 2 4 式中d 矿～初次来压时侧向跨度．m ； 甜～初次来压步距 含切眼宽度 ，m ； b 工作面长度。 将‰ 4 0 0 m ，b 1 7 7 m 代入 2 ．4 式d 3 0 ．4 r f l 2 ．2 ．5 ．3 周期来压侧向跨度 d 罟 J 1 0 争2 圳z 圳争 亿s ， 肆 山东科技大学工程硕士学位论文 2 采场顶板活动规律及矿压显现特征研究 式中d 周期来压时侧向跨度，m ； a 周期来压步距，m 。 将a 1 3 ．8 mb 1 7 7 m 代入 2 ．5 式d 1 5 ．2 m 2 ．3 顶板运动引起的矿压显现特征 2 ．3 ．1 支架阻力显现 顶板运动引起的工作面支架受力矿压显现特征见表2 ．2 和表2 ．3 。 表2 ．2 为工作面不同部位顶板来压对支架阻力的影响。共统计了初次来压和1 3 个周 期来压的顶板压力显现情况。表2 ．3 是表2 ．2 的统计信息。由此可知 1 老顶初次来压 ①就老顶初次来压前后支架的工作末阻力增加而言，来压前4 个支架平均工作阻力 为2 6 1 8 ．1 2 k N ，来压时阻力为4 8 3 8 ．5 4k N ，初次来压平均动载系数为1 ．8 4 ，属初次来压 明显的综放工作面。 ②工作面各部位来压动载系数有明显的差异，中部8 5 。支架动载系数晟大为2 ．7 9 ； 中部3 5 4 支架动载系数1 ．2 2 为最小。 ③初次来压前，支架静荷载2 0 6 2 ．5 4 ～3 3 8 9 ．6 3 k N中部3 54 支架的静荷载最大达 3 3 8 9 ．6 3 k N ；中部8 5 4 支架的静荷载最小为2 0 6 2 ．5 4 k N 动荷载4 1 4 6 ．1 6 ～5 7 4 6 ．2 3 k N ，中 部8 5 。支架最大为5 7 4 6 ．2 3 k N 。 2 老顶周期来压 ①就老顶周期来压前后支架的工作末阻力增加而言，来压前4 个支架平均工作阻力 为3 1 0 6 ．1 9 k N ，来压时阻力为4 6 1 9 ．3 1 k N ，周期来压平均动载系数为1 ．4 9 ，属周期来压 较明显的综放工作面。 ②工作面上部、中部和下部来压动载系数1 ．4 1 ～l ‘5 7 。动载均匀。 ③来压前，各部位的静荷载3 0 4 7 ．5 6 ～3 2 1 8 ．1 9 k N ，来压时支架动荷载4 3 4 7 ．0 6 ～ 4 9 7 1 ．4 7 k N ，来压前后支架工作阻力分布比较均匀。 表2 ．2 各支架部位实测顶板来压时支架工作阻力变化 k N T a b l e 2 ．2S u p p o r tr e s i s t a n c ev a r i a t i o no fe v e r yl o c a t i o ns u p p o r tw h e nr o o fl o a d 1 3 压 老项初次 力来压 老顶 周期来压 部 23456 位 刚时 前 时 前时前时月Ⅱ时刖时刖时 下 部 2 4 3 64 8 2 82 7 2 43 5 1 02 7 4 73 7 8 22 9 1 75 8 1 02 4 2 55 4 7 04 3 6 2 5 8 3 35 1 0 05 1 1 9 1 5 4 中 部 3 3 9 04 1 4 62 7 0 44 3 4 83 8 1 55 8 2 53 8 6 54 3 6 03 1 4 05 1 4 43 2 8 73 5 8 22 0 6 33 8 4 6 3 5 0 由 部 2 0 6 3 5 7 4 6 3 8 4 95 9 3 14 7 1 85 2 6 53 6 9 43 8 5 41 4 3 43 3 5 83 5 1 8 4 1 5 33 8 8 75 6 7 9 8 5 。 上 部 2 5 8 54 6 3 42 7 4 24 6 9 I2 4 8 26 1 3 2 4 1 7 5 4 9 3 54 2 8 26 0 3 1 l8 8 3 4 2 1 03 9 1 34 9 4 4 1 0 5 0 压 老 顶周期来 压 力 7 891 01 11 21 3 部 位 刖 时 月U 时 前 时前时 前 时前时前时 下 部3 8 4 4 4 8 1 62 8 3 93 3 2 43 2 9 93 9 7 l2 3 9 24 2 1 92 8 7 54 5 2 62 3 6 94 5 5 53 9 4 34 9 0 5 1 5 8 中 部 2 4 1 9 3 0 7 62 3 5 04 3 0 71 5 5 83 8 9 8 3 4 3 55 6 8 l 3 7 5 l 5 8 6 92 6 4 54 4 7 l4 5 8 75 9 5 0 3 5 0 7 中 弃B1 9 3 5 3 1 5 3I8 6 93 5 5 22 1 4 93 4 0 22 3 9 44 0 2 71 7 9 94 3 5 53 7 9 75 3 5 33 9 7 75 3 7 6 8 5 4 上 部 1 9 8 72 5 3 7 2 7 7 4 5 3 0 0 2 2 2 34 3 8 03 7 9 】6 1 0 64 4 7 95 4 2 1 1 0 5 4 表2 ．3 各支架部位实测顶板来压时支架工作阻力统计 k N T a b l e 2 ．3S u p p o r tr e s i s t a n c es t a t i s t i c so fe v e r y L o c a t i o ns u p p o r tw h e nr o o fl o a d 老顶初次来压 老顶周期来压 压力部位 前 时时，前前时时／前 下部1 5 。 2 4 3 5 ．6 B4 8 2 75 9 1 ．9 83 2 1 8 ．1 94 5 5 2 ，9 7 l4 l 中韶3 5 83 3 8 9 ．6 3 4 1 4 6 ．1 6 l2 2 3 0 4 7 ．5 64 6 0 5 ．7 5 l5 l 中部8 5 4 2 0 6 2 ．5 45 7 4 62 3 2 ．7 93 0 0 1 ．6 64 3 4 7 ．0 6 I4 5 上部1 0 5 。2 5 8 4 ．6 4 4 6 3 4 1 9 1 ．7 9 3 1 5 73 64 9 7 1 ．4 7 l5 7 平均 2 6 1 8 1 24 8 3 85 4 18 43 1 0 6 1 9 4 6 1 93 l l4 9 表2 ．4 为工作面不同部位顶板来压前后的顶板运动持续步距。 表2 ．4 顶板来压持续步距