大倾角综放面区段煤柱合理参数研究.pdf

Y8 ／t 2 2 5 8 H * eI H i ～ ≈‰，A _ 丑 单位代码业韭L 工程硕士学位论文 大倾角综放面区段煤柱合理参数研究 甲请学位级别王摆亟 校内导师姓名韭珏塑 校外导师姓名孤厘蕴 程秀洋 领域名称矿业工程 职 称越援 职 称直缝王理 匝 山东科技大学 二o o 四年十一月 山东科技大学硕七学位论文 摘要 摘要 本文以崔家寨煤矿E 1 1 j 1 工作面为研究对象，通过采用B A ～I I 型松动圈测试仪实测 井下回采巷道围岩松动圈发育规律；采用煤孔钻屑法测定工作面引起的侧向支承压力分 布规律运用日本研发的数值计算模拟软件2 D o 对煤柱合理宽度各方案进行数值模 拟利用弹塑性理论分析煤柱内弹性区宽度及煤柱稳定性。研究表明煤层的埋藏深度 和顶、底板岩层结构与性质是影响煤柱两侧极限平衡区宽度、弹性区煤性承载能力即整 个煤柱临界尺寸的主要因素之一；在复杂应力状态下，塑性区煤柱与弹性区煤柱共同承 担采动压力；合理煤柱的留设宽度是两侧极限平衡区宽度和中心弹性区煤体的I 临界尺寸 之和。工作面支承压力峰值位于煤壁前方3 m 附近；煤体破坏范围 松动圈 大致在 1 ．1 ～1 ．5 m 之间；煤层倾角增大后煤柱上下侧塑性区范围均呈减小趋势，在倾角大于2 0 0 后尤为明显；煤柱大于6 m 时其可靠性迅速增加。最后通过理论分析并结合现场实际情 况提出煤柱的合理留设尺寸为8 m 。 关键词2 D ～o数值模拟破坏范围弹塑性理论 山东科技人学硕f 二学位论文 摘受 A B S T R A C T T h i st e x tr e g a r d sE l1 5 1w o r k i n gf a c eo fC u i J i a Z h a ic o a lm iR ea st h er e s e a r c h o b j e c t ．A d o p tB A 1 1t y p ee n c l o s et e s t e rs u r v e yt h ee n t r yb e c o m e sf l e x i b l ea n d e n c l o s e st h ed e v e l o p m e n t1 a wi nt h ep i tt ob e c o m ef 】e x i b l e A d o p tc o a lh o l eg e t i n t ob i t sm e t h o dd e t e r m i n et h ed i s t r i b u t el a wo fs i d ed i r e c t i o ns u p p o r tp r e s s u r e t h a tw o r m n gf a c ec a u s e db ye x t r a c t i o n U s ec a l c u l a t eS i m u l a t i o ns o f t w a r e2 D 一0t h a tJ a p a nr e s e a r c ha n dd e v e l o pc a r r yo nt h en u m e r i c a lS i m u l a t i o nt oc o a l c o l u m nr e a s o n a b l ew i d t ha 1 1s c h e m e U s i n gt h ep l a s t iC i t yt h e o r ya n da n a l y z et h e e l a s t i Cd i S t r i c tw i d t ha n ds t a b i l i t yi nt h ec o a lp i l l a r ．S t u d i e sh a v es h o w n D e p t h o fb u r y i n go ft h ec o a ls e a ma n dt h er o c ks t r a t u ms t r u tL u r ea n dn a t u r eo fr o o f T h i Sj So n eo ft h em a i nf a c t o rt h a tj n f 】u e n c eb o t hs i d e sl j m i tb a l a n c ed i S t r i e r w i d t ho fc o a lp i l l a r ，e l a s t i cd is t r i c tc o a lh e a r i n gc a p a c i t yn a m e l yw h o l ec o a l p i l I a rc r i t i c a lo fS i z e ．U n d e rt h ec o m p l i c a t e ds t r e s ss t a t e ．T h ee l a s t i Cc o a l p i l l a rd i s t r i c ta n dp l a s t i c i t yp i l l a rd is t r ic tu n d e r t a k et h ep r e s s u r eo fm o v i n g t o g e t h e r ．T h er e a s o n a b l ec o a lp i l l a rs e tu pw i d t hi St h es u mo fh o t hs i d e s1i m i t b a l a n c ed is t r ic tw i d t ha n dc e n t r ee l a s t i cd i s t r ic tc r i t ic a ls i z e ，T h ep e a k s u p p o r t Sp r e s s u r ev a l u eo ft h ew o r mn gf a c e1 ie sa b o u t3 mi nf r o n to fi t ．T h e d e s t r o yr a n g eo fc o a ] b o d yr o u g h ] yb e t w e e n1 ．1a n d1 ．5m e t e r s ．T h er a n g eo f p 1a s t i c i t yd i s t rJc to fu p p e ra n d ] o w e rs i d e so fc o a lc o l u m ns h o w sat e n d e n c yt o r e d u c ea f t e rt h ec o a ls e a mi n c ] i n a t i o ni n c r e a s e s ，T h i SjSp a r t ic u ] a r l yo b v i O U S a f t e rt h ei n c l i n a t i o ni Sg r e a t e rt h a n2 0d e g r e e I t sd e p e n d a b i l i t yr u n su pw h e n t h ec o a lc o l u m ni sg r e a t e rt h a n6m e t e r s C o m b in et h r o u g ha n a l y z ea n dt h e o r y a c t u a lc o n d i L i o n sg e tt ot h ec o a lc o l u m nr a tJ o n a l l ys e ts i z ei S8 m f i n a ] ] y ． K e y w o r d s 2 D - 一0 n u m e r i c a ls i m u ] a t i o n d e s t r o yr a n g ee l a s t je - p l a s tJCt h e o r y 山东科技人学硕t 学位论文 l 绪论 1 绪论 1 ．1 课题研究的意义 目前，我国留设煤柱保护采准巷道仍是许多煤矿采取的主要护巷方法，国外大多数 国家也是如此。煤柱留设对采准巷道的保护起到了关键作用，但同时也损失了大量的煤 炭资源。据统计，采用综放开采时，工作面外的煤炭损失占采区总损失的6 1 9 6 ，而仅区 段煤柱的损失量就占到3 6 ．7 ％，而且随区段煤柱宽度的增大而增加。采准巷道护巷煤柱 的稳定性决定着巷道的维护状况，是回采工作面的口风喉，巷道支护状况直接影响着回采 工作面的J 下常生产和安全管理。因此，研究综放丌采采准巷道护巷煤柱稳定性和护巷煤 柱宽度确定方法，使煤柱的留设有利于巷道的维护，以尽量减少煤炭的损失，对提高综 放丌采的采区回采率非常重要。 本论文的研究意义在于①可最大限度的减少煤炭资源的损失，提高采区回采率； ②可提前掘进下一区段的回采巷道．保证在工作面与顺槽相向推进的条件下巷道不被破 坏，不会引起大的变形，采区内工作面可实行连续顺序回采，不会出现孤岛工作面丌采 的情况；③可缓解矿井采掘接替紧张的情况。此外，研究成果对条件类似的矿井有借鉴 作用，可在蔚州矿业有限责任公司或者其他相应的矿区广泛推广应用。 1 ．2 国内外研究现状 大倾角煤层是指倾角3 56 ～5 5 。，局部达6 0 。的煤层，该类煤层倾角处于倾斜上限 和急倾斜下限之问，在地质、矿山压力、采煤方法、井下运输和回采机械化诸方面有许 多不同点和特殊性，采煤方法难以选择。 1 ．2 ．1 国外研究现状 目前，国外对区段煤柱的研究大都集中在缓倾斜煤层上，对大倾角采煤工作面的研 究主要集中在防止输送机下滑和液压支架防倒防滑上。如输送机因煤层倾角过大有自 重而引起的下滑；由于煤层倾角过大，支架重力沿煤层倾向的分力大于支架底座和底版 M 的摩擦力，便可产生侧向移动；随煤层倾角的增大，支架重力的作用线超出支架底座 宽度边缘时便会倾倒。但是到目前为止，尚未见在大倾角条件下沿底掘进综放面区段煤 山东科技大学碗上学位论文 】 绪论 柱合理值的理论研究成果与实测资料。 1 ．2 ．2 国内研究现状 对于大倾角煤层的安全高效开采问题，淮南矿区自1 9 5 8 年开始在倾角3 6 。’4 8 。的 煤层中进行了长期的研究与探索，先后试验了木结构的平板型、撬板型、“ ”型、“人” 字型；钢结构的弧型、弓型、“ ”型等掩护支架。通过多次工业性试验并对所试验的掩 护支架进行了一系列改革和完善，形成了目前常用的“八”字型单腿支撑式柔性掩护支 架。该掩护支架是一种经济指标先进、技术工艺成熟的开采大倾角煤层采煤方法。 大倾角煤层开采，随着1 9 8 3 年单体液压支柱在淮南矿区采煤工作面的首次使用，再 次带动了柔性掩护支架的改革与创新。1 9 9 1 年以前，掩护支架架内点柱普遍采用木柱、 钢管支柱作为支撑点柱，1 9 9 1 年以后则将柔性掩护支架架内点柱改成单体液压支柱．并 不断发展、完善成能实现半机械化操作的液压支柱。同时改掩护支架架后铺设荆条大笆 或竹笆为菱型金属网，且将架I 刨等宽方木或大板改为塘材棍 捆 充塞。1 9 9 4 年以后，又 在所有的掩护支架工作面推广应用了毫秒爆破技术，这些措施均有效地提高了大倾角煤 层伪倾斜柔性掩护支架采煤法的单产、效率与安全，有力地促进了生产的发展。定型后 的“八”字型单腿支撑式柔性掩护支架因具有稳定性好，适用性强，单产、效率与安全 可靠性高等优越性而被广泛应用。 目的关于煤柱的设计有两个理念一是极限强度理论；另一个是渐进破坏理论。极 限强度理论认为当煤柱应力达到煤柱的抗压强度时，煤柱的承载能力立即减少到零，即 发生完全破坏；渐进破坏理论认为煤柱的破坏是从煤柱周边向内部逐渐发展的过程，当 破坏发展到煤柱核心时煤柱才完全失去承载能力。在实际应用中，极限强度理论由于其 简单易行而获得了较为广泛的应用，但是该理论没有反映煤柱的破坏机理渐进破坏理 论自七十年代以来得到了某些应用，但其某些参数的取值存在模糊性和随意性。 但是不管采用何种设计理论，进行煤柱设计时必须考虑的数据或要素有 1 煤柱所受载荷的大小，包括回采前的煤杜载荷和回采后引起的支承压力； 2 煤柱内应力的分布规律； 3 1 煤柱的实际强度。 煤柱内应力的分布不均匀性已经得到试验室试验、现场实测数据和计算机数值模拟 计算所证实。一般认为，煤柱内较大应力出现于煤柱与顶、底版相接触的位置附近。煤 柱首先在这些位置发生破坏，然后向四周扩展，最后影响到整个煤柱的稳定性。因此， 山东利拄大学碰L 学位论文I 错论 在进行煤柱设计时，一定要校核这些位置的安全性。由于煤柱应力分布的理论计算极其 复杂，目前应力校核工作一般利用计算机模拟的方法来进行。 煤柱的实际强度与煤柱的尺寸、形状以及煤本身的物理力学性质有关，前两者分别 被称为煤柱的尺寸效应、形状效应。此外，由于地表保护的要求，对煤柱长时强度 r L o n g - t e r mS t r e n g t h 的研究电丌始受到重视。 阳泉荫营煤矿的张满贤和张占林根据有限元计算原理，建立了综放面合理区段煤柱 ／ 计算的数值模拟模型，并得出以下结论； a 煤柱宽度列巷道围岩变形影响很大，一般来 说，随煤柱宽度的增加，巷道围岩变形减小；但当煤柱宽度增加到一定范围时，巷道围 岩变形程度减弱。 b 煤柱宽度越小，煤柱上支承压力叠加程度越高．煤柱的稳定性也越 差；相反，煤柱宽度越大，煤柱上支承压力的应力集中系数越小，煤柱的稳定性越好。 煤柱的稳定性和强度随煤柱高度的增加和宽度的减小而显著下降。 c 当煤柱宽度B ≥2 0 m 时，在煤柱中央形成一稳定的弹性核，但如果应力集中系数增加，煤柱中的弹性核又 会消失。因此，在矿压显现剧烈的情况下，留较大煤柱仍不能避开支承压力对巷道的影 响。 1 ．2 ．3 国内外研究现状综合评述 从国内外对课题的研究现状分析得出，目前国内外对综放歼采区段煤柱合理参数的 研究大都集中在对煤柱体本身性状的研究上，主耍研究方法也大都是借鉴“刀柱”或“房 柱”式开采的矿柱留设计算方法来进行的。对影响煤柱稳定性的参数也未进行定量研究， 尤其是不同煤柱宽度时顺槽巷道稳定性的可靠性分析更是研究的空白。为此，根掘蔚州 矿业有限责任公司崔家寨煤矿煤层实际赋存条件，对二采区首采大倾角综放面区段煤柱 合理留设尺寸进行系统研究，力求分析得出在大倾角条件下台理区段煤杜留设参数，参 数确定时不仅要对煤柱体本身的特性进行研究，结合开采引起的超前支承压力与侧向支 承压力的影响．对不同煤柱宽度条件下巷道的稳定性进行研究，进一步讨论不同煤柱宽 度时巷道稳定性的可靠性，将煤柱尺寸与巷道稳定性有机地组成一个系统来研究，从而 实现为开拓巷道布置服务之目的。 13 ．1 主要研究内容 1 、工程地质调查分析 1 、工程地质凋查分析 1 ．3 研究内容、方法 山东科技大学硕【j 学位论文I 绪论 2 、煤壁破坏区与支承压力显现特征的实测研究 3 、区段煤柱参数的计算机模拟； 4 、区段煤柱力学分析与围岩结构力学模型 5 、合理参数的综合研究与设计。 1 ．3 ．2 研究方法 1 、采用B A I I 型松动圈测试仪实测井下回采巷道围岩松动圈发育规律； 2 、煤孔钻屑法测定工作面回采引起的超前支承压力与侧向支承压力分布规律； 3 、利用从日本引进的先进的数值分析软件2 D 一盯对不同顺槽布置方案区段煤柱合 理宽度进行数值定量分析与评价； 4 、根据弹塑性理论分析煤柱内弹性区宽度及煤柱稳定性可靠性评价； 5 、理论分析结合现场实际情况提出合理煤柱宽度。 山东科技大学硕} 学位论文2 现场实测研究分析 2 现场实测研究分析 蔚州矿业有限责任公司崔家寨煤矿的E 1 1 5 1 工作面为巳二采区首采工作面，由于无开 采实测资料可借鉴，该矿在工作面巷道的的布置设计时，区段煤柱留设尺寸大小暂时按经 验取值1 5 m ，由于本采区开采的煤层为大倾角，平均倾角2 4 。，最大达3 2 。，开采引起的采 动超前支承压力和侧向支承压力势必与缓倾斜煤层丌采时有所不同。 本次现场实测研究工作，观测地点为崔家寨煤矿E 1 1 5 l 工作面，观测时间从7 月2 2 同 一。8 月1 5F 1 ，历时2 5 天，实测分析了几千个数据，对钻孔煤粉量，工作面 巷道 煤壁松动圈 破坏发育规律、机巷围岩位移变化规律、顶板动态变化特征进行了全方面系统的现场实 测研究。 2 ．1E 1 1 5 1 工作面概况 2 ．1 ．1 工作面位置 该采面位于巳二采区东部第一区段，机巷标高3 7 4 ～2 4 3 m ，风巷标高一2 ll ～1 9 7 m 东至候 村保安煤柱，西到上山保护煤柱边界，l L 至l J 防水煤柱，南部尚未布罱工作面。工作面走向长 1 2 9 5 m ，倾斜长1 3 0 m ，回采面积1 6 8 3 5 0 m 2 。四周为尚未丌采的实体煤。详见图2 ．1 所示。 2 ．1 ．2 采煤工作面地质条件 采煤工作面地质条件见表2 ．1 。 图2 ．1l 。作面的位置 F i g ．21 P o s i o no f 恤w o d d n g f a c e 山东科技大学顾I 。学位论文 2 现场实测研究分析 表2 ．IE 1 1 5 1 。1 作面地质条件 项目序号内容说明 l 产状走向 “5 一1 3 5 。 倾向2 0 5 2 2 5 。倾角1 8 2 2 。 2煤昆吲懒 F O ．5 1 ．0 煤层赋 存条件 3瓦斯绝对涌出量02 03 m 。／m i n 相对涌Ⅲ量 牌号水份挥发份煤尘爆炸指数自燃倾向性 4 煤质 焦煤 0 ．6 8 ％ 2 04 7 ％2 0 ．4 2 24 ％Ⅲ类 1可采储量1 1 64 2 万吨 仳量 2储量损失87 7 万吨 顶板岩性技 l岩层直接为砂质泥岩，厚度为1 ．9 m ．老顶为中掌『l 粒砂岩．厚度为8 ～1 0 m 关系 顶 顶板跨落 直接顶跨落步距老顶卡J J 次 | 乇j 卡步趴 | { } 顶刷期束抹 底 2 步距 柬压 步距 板1 2 m3 5 m75 m 特 直接顶类别 老顶级别 3 顶板分类 件 2 类I I 级 4 底扳特性底板为砂质泥岩f n f l l l 砂岩，厚度为1 2 m 。 5底板比压 涌水方式正常涌水量最大涌水量预计用水地点P H 值 l 涌水 涌⋯ 4 5 m ’ h 水 2 老窄水无 文 钻卞水 3七 裂隙水 该采区共揭露大小断层2 8 条，走向大致趋向于N E 向，其中逆断层4 条，其余皆为正断 层。落差大于2 ．0 m 的有9 条，大于3 m 的有4 条，这些断层对采面的正常回采造成一定的影响， 特别是吖’正断层，贯穿三个采面，且落差大，内巷揭露为8 ．O m ，机巷揭露为1 0 m ，对回采影 响极大，煤层节理、裂隙发育，煤质较软，易造成片帮，端冒，应加强顶板管理，煤层倾角自 早向外1 8 ～2 0 。之间变化，平均2 4 。。 2 ．1 ．3 两巷支护 风巷自外向早依次采用锚喷和1 1 工字钢会属梯形支护 梁8 J B 3 2 0 0 r a m X 2 8 0 0 r a m 。 机巷自外向罩依次采用锚喷和1 1 工字钢金属梯形支护，其中外段金属梯形支护规格为梁 山东科技大学硕，L 学位论文 2 现场实铡研究分析 X 腿 3 2 0 0 m m X2 8 0 0 m m ，罩端金属梯形支护规格为梁腿 3 2 0 0 m m 2 8 0 0 m m 。 2 ．1 ．4 采煤方法 采用综合机械化放顶煤后退式长壁采煤法回采。 2 ．2 实测内容及测区布置 2 ．2 ．1 主要内容 根据项目要求，确定实测内容包括开采引起的支承压力分布规律，超前顺槽围岩变形 规律及煤壁破坏范围 塑性区 等几个方面。具体为 1 实测工作面内，风巷、机巷内不同地点处钻孔深度与煤粉量变化关系； 2 实测工作面煤壁、风巷、机巷上下帮煤壁破坏范围； 3 机巷内固定测点围岩表面位移与距工作面距离关系 4 机巷内不同固定点处顶板下沉速度 顶板动态 变化规律。 2 ．2 ．2 测区布置 上述所测内容，确定测区布置如图2 ．2 所示。 ．．．．一一一．．一，．．．．，．． j ．．．； ．． ．．．．．．．．．．．，．．．．．．．．．．．．一 圉例口⋯- 松础1 B l 捌区‘⋯- 攥耪盈恻魄 △⋯一固定血谢区中- ⋯．功拳仅驯R 图2 ．2测R 布置 F i g ．2 ．2 M e a s u r ea r e al a yo u t 采用监测仪器 1 、l d B I l 型围岩松动圈测试仪 2 、K Y 一8 2 机械式顶板动念仪 3 、台秤、测枪、米尺 铡区 山东科技大学硕上学位论文2 现场实测研究分析 2 ．3 实测结果分析 2 ．3 ．1 钻孔煤粉量变化规律 ①煤体压力理论计算公式 利用钻孔煤粉量变化来推测煤体压力分规律的研究己有比较成熟的研究成果，尤其 是在利用煤粉量变化监测支承压力峰值位置从而预测煤层冲击危险区域方面取得长足进 展。据已有研究成果，距煤壁为爿处的某一点煤体压力为 最 吒 c ．c ，g 州e x p 2 t g P 寺 _ 1 ] 怛 2 ．1 式中E 一煤体压力 C 一煤岩交界处粘结力 盯。一煤体单向抗压强度 x 一距煤壁距离 M 一采高 巷道高度 口一煤岩交界处摩擦角 考虑到煤壁距压力峰值段煤体己经局部破坏或完全破裂，因而C O ；且支承压力峰值 带并非所有煤体均同时达到极限平衡，故q 盯。十K G ，中仃。 0 ，K 为三轴残余强度系 数。据此，可将 2 ．1 式简化 只 G Oe x p [ k t g ≯ 2 L 一1 】 L ≥o ．5 2 ．2 式中，％一L2 击5 0 5 处煤体的残余强度。 ②煤粉量组成计算 如图2 ．3 所示，在以采高M 为直径的弹性圆筒周边上作用着均行压力P ，钻孔形成后，则 产生半径为R 的破碎带。由于载荷均布，变形具有平面轴对称规律，任意半径r 处的径向应 力盯，和切向应力％，即为两个应力。 研究表明煤粉量由以下四部分 1 钻孑L 实体煤芯 此部分煤粉量为钻孔周围出破碎带前的原始煤粉量 办称平衡粉量 ，若按钻孔单位 长度计算，则有 山东科技太学硕．L 学位论文2 现场实测研究分析 穰瞬 毽I | | l 趣| | 遘| l 心l | 薅| | 心心| | 遵| I 薅| | 心| 心j | 翅| | 电| t J J 活≥≮ ， 殖二一一L 一一．一 1，慰 剀2 ．3煤粉钻孔力学模型 F i g ．2 ．3 T h em e c h a n i cm o d e lo f c o a ld u s tb o r e h o l e ‰ ，％2 ‰ [ 公斤／米] 式中e 。一原始煤体容重 2 ．3 2 钻孔形成后，由于钻孔弹性卸载形成的附加煤粉量m 。． D 川，。 2 2 。％2 1 V 专[ 公斤／米] 2 4 式中v 一泊松比 E 一弹性模量。 3 钻孔形成后，孔壁周围破碎带内煤体扩容所形成的附加煤粉量m ． 1 破碎带半径R 只 丧c 嘉南，击 ㈦s ， 式中K 一破碎带煤体三轴残余强度系数。 c r o l r 1 ．5 r 0 处残余强度。 2 松散系数“ r 按J v ．M 佩图霍夫推荐的公式计算 月 r 』 2 ．6 式中A 、B 一待定系数。 孔壁处的松散系数可视为近似等于钻粉的松敖系数如”％，破碎带与弹性区交界处的 生銮型垫盔兰堡土鲎些堡苎 型塑兰 堕 i 坌塑 容重与原始煤体容重相当，其松散系数近似为】，由此可得 一胁墨二垒 2 ．7 ”R 一／ ／t O r o B 竺 二 2 ．8 R n r o r o 3 m 。计算 m p - - - - 等[ R 2 - r2 4 一1 一o ．6 7 B R3 一r 口3 】[ 公斤／米] 2 9 4 破碎带形成后。在弹性区与破碎带交界处由于弹性卸载而产生的附加煤粉量 ％砌∽讥∥№k 1 J 一剞如渊 综上各式可得煤粉量的计算公式为 2 ，1 0 Ⅲ 玳o m e I 埘已2 肌， [ 公斤／米] 2 ．1 1 由以上各式不难看出，煤粉量是煤体压力的函数。式 2 ．1 1 即为m P 理论关系的原 则表达式。 将式 2 ．2 代入 2 ．3 一 2 ．1 0 ，最后通过式 2 ．11 则可求得煤粉量Ⅲ．与煤体压力之 间的函数关系式。 由式 2 ．2 ～ 2 ．1 1 不难看出，煤粉量与距煤壁的距离有关。距离不同，煤粉量的数 值亦不同。反过来，用不同距离处煤粉量即可推断煤体压力分布规律。两者具有相同变化 趋势，如图2 ．4 钻孔潦度 丝 图2 ．4 煤粉趋与支承压力之间的关系 F i g ．2 ．4 R e l a t i o nb e t w e e nc o a ld u s ta n db e a r i n gp r e s s u r e ③煤粉量实测结果 霎～▲■L．。L。。Lr．Lr．，rll[▲■Lr●●r●●P●●L●●●r●●p●L t 皇v R 蠼 生蛋型丝查兰堡兰堂丝堡兰 翌塑兰型竺窒坌塑 在工作面内，风巷、机巷上下帮不同地点实测了九个钻孔煤粉量，实测结果汇总于表 2 ．2 。 表2 ．2 不同地点煤粉最分布特征 T a b l e2 ．2 D i s t r i b u t e sc h a r a c t e ro fa m o u n to fe o a ld u s ti nd i f f e r e n t1 0 c a t i o n 煤粉量变化特征立承压力分布特征 实测地点 开始增加位煤量 峰值 煤量蟛响区范围 峰值 位置平均位置F 均 置 m k g k g m m m 】 1 9 立架2I ．8 8 3452 ～5 作 2 533 面 i 1 支架 2l4 5326 82 - 5 ll43 ．7 53 ～j33 3 上帮42 m 机 』帮3 ．7 m31 ．9 33292 ～4 2 、43 4 卜帮3 0 m 巷 222 5327l ～43 下帮} I j ul 1 ．1 5327l ～4l ～433 llI36 ．2 8I ～4I ．5 ～433 下帮⋯u 风 下帮1 0 ．5 m 21 ．1 8344 52 - 43 巷 上帮1 05 ml1 ．j 34 30 21 ～4 1 ．4 44 分析表2 ．2 可得到支承压力有如下分布规律； 1 工作面内支承压力峰值范围为煤壁前方3 m 附近，影n 向范围为前方2 ～5 m 之间； 2 机巷上帮支承压力平均影响范围为2 ～4 ．3 m ，峰值位置3 ．3 m ；下帮分别为l ～4 J I 】、 3 m ； 3 风巷上帮支承压力影响范围1 ～4 m ，峰值位置4 m ；下帮平均值分别为1 ．5 4 m 、 4 m ； 4 工作面机巷、风巷上下出口处支承压力具有相同分布规律。 2 ．3 ．2 煤体破坏范围 松动圈 利用实测煤粉钻i L ，注入水后用M B I I 型松动圈测试仪实测了九个地点的煤体松动 圈范围，根据煤体完整性与波速之间的关系，分析其松动圈发育特征见表2 ．3 。 山东科技人学硕士学位论文2 现场实测研究分析 表2 ．3 松动圈发育特征 T a b l e2 ．3C h a r a c t e ro f s t a n d i n gc i r c l e 松动圈范围 m 平均值 r n 实测地点 毋大摄小最人最小 ’[ 1 l 支架处 1 ．61 ．O 作 1 ．5 5 1 ．1 面 2 0 支架处 1 ．51 ．2 上帮5 ．O m 上帮3 ．7 m 1 ．61 ．015 51 ．0 5 机巷 一 上帮3 0 ．O m 1 ．51 ．1 ‘卜帮山口 1 ．61 ．21 ．61 ．2 F 帮山口 1 ．6l3 1 ．4 51 ．1 5 风巷r 帮1 0 ．5 m1 。3l - 0 上帮I O ．5 m1 ．11 ，01 ．1 1 ．0 从表2 ．3 可以看出煤体松动圈发育规律如下 1 工作面与机巷上帮松动圈发育范围大致相同，在1 ．0 5 ～1 ．5 5 m 之问； 2 风巷下帮与机巷下帮松动圈发育规律相同，在1 ．1 5 ～1 ．6 m 之间，风巷下帮明显大 于其上帮之值。机巷上下帮松动圈范围相近 3 风巷上帮松动圈较小，为1 _ O ～1 ．1 m 。 2 ．3 ．3 机巷固定点位移变化规律 在机巷超前工作面煤壁3 ．8 5 m 、7 ．3 4 m 、1 0 ．2 m 三点分别设顶底、两帮围岩表面位移测 点，监测随工作面推进位移变化情况。位移变化规律见表2 ．4 。 表2 ．4 机巷表面位移变化规律 T a b l e2 ．4 C h a n g er u l eo f m a c h i n er o a d w a ys u r f a c ed i s p l a c e m e n t 测点监测范闹 I n 顶底板累计位移茸 f i l m 两帮累计位移量 m i l l I2 ．8 ～3 ．8 5 4 01 l I I 31 5 ～7 ．3 48 62 7 1 1 12 ，4 ～l O ．2 7 44 8 由表2 ．4 可知，I 、、I I I 号测点实测范围内顶底板与两帮累计移近量分别为4 0 m m 、 8 6 r a m 、7 4 m r n } N 1 1 1 2 m 、2 7 m m 、4 8 m m I I 号测点与I I I g - 测点实测范围内顶底板累计位移量 山东科技大学硕士学位论文2 现场实测研究分析 变化不大，尽管I 、I I N 点两帮累计移近量差别较大，但数值远小于相应测点累计顶底板移 近量，对巷道支护与维护起决定作用的仍是顶底板位移量。基于此，丌采引起的超前影响 范围大致为I I N 点所在位罱。即工作面前方7 ．3 4 m 附近。 1 0 售8 高6 蚓4 簿2 O 8 名6 3 删4 蚶 龄2 0 O2 4 6 趴T 作面距离 1 1 1 a 1 1 1 号测点围岩移近量 o2 缸T 作面胡距离 。P 1 0 b 削2 ．5I I 、I I I i 1 0 点位移 o 一顶底板移近量 顶底板累计移 近量 △一阿帮移近量 十两帮累计移近 量～ o 一顶底板移近蓝 顶底板累计移近量 ●一两帮移近量 ■一曲女l f 累计移近量 从测点位移量随工作面推进步距的关系可全面了解位移变化动态过程，如上图2 ．5 a 、 h 所示。从图2 ．5 a 知，在工作面前方0 ～4 ．5 r n 范围内无论是顶底板还是两帮位移量变化曲线 均较陡，大于4 5 m 后位移变化曲线趋子平缓，位移量增加较慢。从图2 ．5 b 知，曲线由陡变缓 的位置大致在工作面前方6 ．O m 附近。可见，工作面前方受超前支承压力的影响，明显影响 范围大致为0 ～6 m ，这与煤粉量监测的结果基本相符。 2 ．3 ．4 顶板动态变化规律 现场实测期间，为了摸清顶板动态变化规律，于8 月1 0 同分别在机巷超前工作面前方 4 m 、1 4 m 、2 4 m 处安设了K y 一8 2 型顶板动态仪观测顶板位移速度，观测自上午1 0 时开始， 至第二天早6 时止，共连续观N t J 2 0 , J , u , 寸。每小时读数一次。观测结果见图2 ．6 。 山东科技大学硕l ‘学位论文 2 现场实测研究分析 日 一 c 斟 篁 制 怕 蒋 蟠 吕 一一。蓣晒悉变钇面万一 Ol 盯 一 1 5 观湖0 时i u j 时 图2G 顶扳动态变化 一 F i g2 ．6D y n a m i cc h a n g eo f r o o f - 一I 号动态仪 △一I I 号动态仪 o I I I 号动态仪 从观测结果得知，I I 、I I I 号动态仪由于距工作面较远，顶板下沉速度大都小于 0 ．0 1 m m ／h 。因此两点顶板可视为未受采动影响，而I 号动态仪能明显观测到的位移速度集 中在当天的1 0 小时至1 6 4 “ 时之间，其间最大下沉速度为3 ．2 5 m ／h ，最小为1 ．0 m m ／h 。顶板动 态变化具有明显的时间性。原因一方面是由于1 0 时至1 4 时为检修班，工作面没有生产， 机巷内主要进行超前替棚等辅助工作，对顶板动态影响较大。另一方面下午1 4 时至1 6 时， 替棚影响趋于稳定，此时的顶板下沉速度主要受工作面生产工艺 主要是割煤、移架 的影 响，平均下沉速度O ．0 6 m m ／h ，因此工作面生产期问机巷内项板动态变化不明显。机巷顶底 板位移量主要由超前替棚时撤除原永久支护，架设超日U 替棚时产生。由此可知，只要掘巷 时支护形式与支护参数合理，巷道有效断面一般均可保证回采的正常进行。 2 ．4 主要观测结论 1 、工作面支承压力峰值位置位于煤壁前方3 m 附近，影响范围主要集中在2 - - 4 m 。机巷、 风巷压力分布形式相同，但风巷下帮压力明显大于上帮压力，这是大倾角煤层开采造成的； 2 、工作面区段煤柱留设时，应避免支承压力影响范围的迭加，合理煤柱宽度约为8 m 3 、煤体破坏范围 松动圈 大致1 ．1 ～l _ 5 m 之间； 4 、巷道顶底板位移与两帮位移分布具有较明显的区域性，工作面静方0 - 6 m 为快速增 加段，大于6 m 位移量增加速度变慢。 5 、巷道位移量主要是检修班替棚工序产生的，工作面生产期问对巷道顶板动态变化 影响不大。 3 3 2 2 1 1 0 0 0 山东科技大学硕士学位论文 3 数值计算研究 3 大倾角沿底掘进综放面区段煤柱合理宽度数值计算 3 ．1 数值计算的现场条件 计算模型现场条件为崔家寨煤矿的E 1 1 5 1 工作面，走向长1 2 9 5 m ，倾斜长1 3 0 m ，煤层厚 i ．7 ～7 ．6 m ，平均5 ．3 3 m ，煤层倾角1 8 。～3 2 。，平均2 4 。，采用综合机械化～次采全高放顶 煤采煤法回采，机采高度2 ．3m ，放煤高度3 ．O m 。 由于煤层倾角较大，故风巷、机巷巷项存在较薄的三角煤，给支护带来一定困难。 风巷规格为梁腿 3 2 0 0 m m 2 8 0 0 m m 。 机巷规格为粱腿 3 2 0 0 m m 3 0 0 0 m m 。 工作面煤层、顶底板条件详见图3 ．1 所示。 幽3 ．1J 作面煤层综合牲 F i g3 ．1C o l l i g a t ep i l l a ro f w o r k i n g f a c es e a m 山东科技人学硕1 学位论义3 数值计算研究 3 ．2 模拟软件简介 本论文中计算机模拟采用日本软脑公司提供的2 D o - 岩土工程有限元模拟软件。 2 D - o 软件是基于w i n d o w s 系统的二维有限元模拟软件，它具有优秀的前后处理功能，专门 为岩土工程计