工作面顶板岩石移动与破断规律研究.pdf

2 Q 塑 Q Sci ence an d Tech nol ogy l nno vat i on He r al d 工作面顶板岩石移动与破断规律研究① 李 伟 郑州煤业集团规划发展部 河南郑州4 5 0 0 0 1 工 业 技术 摘要 以某矿西l 采区首采工作 面为研究对象， 对茁工作面顶板岩栗的直接顶的初次跨落步距。 老顶初次来压步距及岩某的周期来压 步距进行 了计算研 究 ， 叉通过 对工作 面支架的工作 阻 力实 测 ， 验证 了理论 计算 的上述各 值 ， 从 而为该 工作 面顶板管理提 供 了理论依据 。 关键词 采煤工作面 矿山压力 步距 中图分类号 T D3 2 7 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 4 0 9 8 x 2 0 0 9 0 l a - 0 0 7 0 0 2 郑 煤集 团某矿西 1 采 区首采 工作面为 综合机械化采煤工作面 ， 开采水平一 5 5 0 m， 地面 标高 3 5． 0 m， 工 作面 走 向长度 约 1 2 0 0 m， 倾斜长度l 2 0 m， 工作面面积1 4 ． 4 万 i n 。 该工作面主采 二l 煤层， 煤种为低硫、 高 热煤 ， 平均厚度3 ． O m， 煤层结构简单 ， 属于 稳定煤 层 ， 煤 层底板 变化较 小 ， 煤 层倾 角 7 。 。 煤层顶 板为砂 质泥岩 、 细砂岩 ， 底板为 泥岩、 细砂岩 和粉 砂岩 。 根据 传递梁理论 ， 两带 中每一组 同时 运动或 近似 同时运 动 的岩层 作为一 个整 体， 称为一个“ 传递岩梁” [ 1 - 2 ] 。 本文对煤层顶 板岩梁的 几个运 动步距参数进行 了计 算 ， 然后通过现场 矿压观测和巷道变 形分析 ， 确 定并验 证顶板 岩梁 的几 个运动 步距 参 数 ， 从而为该工 作面顶板管理提供 了技 术 及 理 论 依 据 。 1煤层顶板岩梁几个运动步距参数计算 工作面煤层顶板岩梁的几个运动参数 主 要 包括 了 直 接 顶 的 初 次 垮 落 步 距 、 老 顶 的初次来 压步 距和老顶 的周期来 压步距。 确定这 几个岩 粱的运动步距 参数 ， 对于有 效的管理顶板具有积极的意义。 1 ． 1 直接顶 、 老顶初次垮落步距的确定 根 据 山东科技 大学相关 专家 的“ 传递 梁 ” 理论 ， 直接 顶、 老 顶初次来压垮落步距 的计算方法包括两种 一是“ 板” 理论计算 ， 一 是 “ 梁 ” 理论 计算 。 两种方法均可得到直 接顶 、 老顶的初次垮落步距一个 ， 然后运用 数学理论 ， 计算得出直接顶 、 老顶的初次垮 落步距[2 - s 1 。 根据 “ 板 ” 理论 ， 将直接顶 老顶 视为工 作面上放 的“ 板 ” 体 ， 利用弹性力学理论推 导而得到 的极 限破坏步 距公式 为 跞㈩ 式 中 Loz l 一直接顶、 老顶初次垮落步距 ； 一 岩层抗拉强度； 一 岩层的龟裂系数 ， 取0 ． 2 5 ～0 ． 7 5 { m一参与运动岩层的厚度 ； 6 一工作面斜长 ； 工作面倾 角。 该工作面 直接顶 、 老顶的相关 参数按 下表 1 取值 。 代入数据到公式 1 得到卢 和 的值为 JB 老顶 6 4 ． 1 直接顶4 1 ． 4 则 为 l 2 7． 2 m 、 i 一--4 6． i m 根据“ 梁 ” 理论 ， 可以把 工作面 明显大 干岩层的初次垮 落步距的工作面顶板岩层 看作梁 ， 来直接计算直接顶 、 老顶的初次垮 落步距 代入数据 ， 得到 L 0 5 2 ． 6 m c 6 3 ． 9 m 根据数学原理 ， 分别对直接顶 、 老顶利 用二理论求得的初次来压步距求几何平均 数 ， 得到直接顶 、 老顶的初次来压步距为 L o z 3 9 ． 9 m 5 5 ． O m 1 ． 2 煤层顶板岩梁周期来压步距的确定 和煤层顶板岩梁初次 来压步距确定方 法相似 ， 周期来压 的确定方式也包括两种 一 是 按“ 地推 公式” 计算 ， 一是按 “ 经验 公 式 计算。 初 次 来 压 后 的 工 作 面 顶 板 岩 层 的 受 力 条件和支撑条 件发生了明显变化 ， 其受 力 状态 从嵌 固梁 变化为 不等高 支撑 的铰接 梁。 因此， 老顶的周期来压步距与初次来压 将 明显 不 同 。 根 据递推公式 一 c， 面 、 『 式 中 Y e 2 6 k N／m ； 【 o 1 一岩梁的允许拉应力。 可 见， 周期来 压步 距随 着岩梁厚度m 和强度【 叫的增大而增大 ， 且各次周期来压 步距并非 完全相等 ， 而是呈周期性 变化的 规律 ， 且 最大值与最小值的差值呈减 小趋 势 。 表1 计算参数取值 岩层 参数名称 单 位 老顶 直接顶 b 1 2 O 】 2 O k O ． 6 5 O ． 4 o 1 MP a 6 ．0 3 ．O 8 ． 5 6 ．O K m 2 5 “ 1 0 3 1 ．3 1 0 ’ 7 7 由递推公式 ， 分 别求得前 三个周期来 压 步 距 为 C1 1 0． 2 m C2 21． 5 m C 3 1 7． 2 m 取三次周期 来压步距 的平均值 ， 作为 岩梁的周期来压步距为 c l 6 ．3 m j 根据经验 公式 由于支 撑条件和受 力 条件的不同 ， 周期来压步距 比初次来压步 距要小 ， 经验值一般认为可按 下式计算 1 1 c ～ 斗 j 式中 c 一 周期来压步距； 初次来压步距 。 因此 ， 可确定该工作面 老顶的周期来 压步距为 1 1 c ～ C 1 2 ． 5 ～t 6 ． 7 m 斗 j 取 两 极 值 的 平 均 值 ， 即 为 按 经验 公式 计算得到的周期来压步距值 ， C 1 4 ． 6 m 根据两种理论计算所得的老顶来压步 距的几何平均数 ， 即为老顶 周期 来压步 距 值 l 5 ． 5 m。 上述为从理论上确定的岩梁运动步距 二参数值大 小 ， 即 直接顶初次垮落步距 L 。 z 3 9 ． 9 m 老顶初次来压步距 C o 5 5 ． O m 老 顶 周期 来 压 步 距为 l 5． 5 m 2煤层顶板岩梁运动步距实测 为 了验证理论 所得的各个运动参数值 的正确性 ， 本文对该工作面的上、 下部分别 布 置 测 线 ， 进 行 了 为 期 2 个 月 的 实 时 监 测 ， 得到 了综采支架 工作 阻力的变化曲线。 此 期 间工 作 面 推进 距 离 为3 0 0 m。 随 着 工作 面 的推进 ， 支 架的 压力 均呈 增 大趋势 ， 在推进 度为3 9 ． 5 m时 ， 压力达到峰 值 ， 直接顶开始垮落 。 继续推进至5 7 ． 5 m时 ， 煤 壁开 始 偏 帮发 生 、 顶 板掉 渣 ， 支 架压 力 大 副度升高 。 因此 ， 可以判断 此时为老顶初次 来压步距。 在此阶段里 ， 共经历了l 2 次周期 来压， 周期来压步距为8 ． O ～2 2 ． 1 m， 平均为 l 5 ． 5 m， 由此可以得出工作面的直接顶初次 垮落步 距为3 9 ． 5 m， 老顶初次来压步距为 5 7 ． 5 m， 老顶周期来压步距为l 5 ． 5 m。 与理论计算 值比较可 知 ， 理论计算 值 和 实际观测值吻 合较好 。 下转7 2 页 ①作者简介 李伟 1 9 7 8 ， 男， 毕业于河南理工大学采矿工程专业 ， 主要从事煤炭开采及煤矿安全方面的研究。 7 0科技创新导报 S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y I n n o v a t i o n H e r a l d 丫 ， V Q 盟 Q 业 Sc i en ce e nd Te chn ol og y l n nove t i on Her a l d ／ l 卜 ＼ ／ ／＼ l ＼ 量 f ／ ＼ ／ ， 以 ＼ { 0 l ／ ＼ ／ { l ／ 『 ， ／ f ＼ ／ X 垂 ／ ／ 星 ～ 9 妻 ／ f 3 三 图 5 用V型块定位加工键槽 图6 定位基准的位置误差与工序基准不重合误差的相对运动方向 上始终保持不变 ， 即该 工序定位基准的位 置误 差为零 △ 6 0 而本道工序加工的基准为过外 圆回转 中心的假想垂直面B’ B， 与定位基准A不重 合。 当工件定位面外 圆柱 面由最大直径 的 状态 l 变为 最小直径的状态2 时 ， 工序基准 面 变动到假想 垂直面B” B l ， 中心 由0变动 到0l 。 此时工序基准面的位 置最大 变动量 即为基准不重合 ， 其大小 △ 6 a 三 ／ 2 则有键槽位置误 差一一键 槽对称度误 差 △ 三 A Y b 4 - a 6 r， d ／ 2 而用两 垂直面定位时键槽深度定位误 差分析如下 本 道工序定位基准为 与水平 定位平面相切的外圆下母线B， 而本道工序 的加 工基 准亦 为 工 件 外 圆下 母 线 B。 所 以 ， 定位 基准与加工基准重合 ， 即 △ H 0 与键 槽位 置 的定位 基 准位 置误 差类 似 ， 不论工件外圆的公差是 多少 ， 工件下母 线的位 置在工序 尺寸 方向上 始终保 持不 变 ， 即该工序定位基准的位 置误 差为零 △ H O 总 起 来 ， 有 △ H 一 AY H AB H 0 需要特别注意 的是 ， 工件 的内孔与外 圆的同轴度e 在本定位方案 中是非 相关因 素 ， 故在此不起作用 。 2 ． 3 V 形块定位 对于以下母 线为工序基准时的情景 当 定位基准 由0l 变动到O 2 时 ， 工序的定位基 准由A1 变动到A 2 。 此时定位基准的位置误 差为 A／ 1 ----T d ／ 2 s i n 0 [ ／ 2 。 因为工序基准为 A， 而 定 位基 准 为 O， 工 序 基 准 和 定 位 基 准 工业 技术 不重合， 存在基准不重合误差 ， 我们考察一 下它的大小。 假设O1 、 0 2 位置重合 ， 这意味 着基准位置误差为零 ， Al t H 对于0即为工件 的最小半径 ， A2 相对于OH p 为工件的最大半 径。 所以这时工序尺寸偏差为 A B T d ／ 2 。 由 于这个偏差完全 由工序基准所至 ， 与基准 位置无关， 故为基准不重合误 差。 鉴于基准位置的变动由上至下 ， 而工序 基准 由下至上 ， 使得总体工序尺寸偏差减 小 ， 起 到 “ 补 偿 ” 作 用 ， 即此 时 的 定位误 差 为 △ △ T d ／ 2 s i n 0 【 ／ 2 - ／ 2 ／2 1 ／ s i n 0 【 ／ 2 一1 对 于 以 上 母 线 为 工 序 基 准 的 情 景 ， 此 时定位基准的位置误差仍为△ y __T d ／ 2 s i n o 【 ／ 2 。 Ol 向下变动到0 2 时， 工序基准亦由 上至下变动 仍为 △B T d ／ 2 ， 进一步加大 了工序尺寸偏差 。 因此有定位误差 △， _A T d ／ 2 s i nⅨ ／ 2 ／ 2 对称度定位误差 在用V型块 定位时键槽 的位 置对 称 度是相对所在 圆柱面 轴心线的 ， 即以过 轴心 端面上的 圆心 的径 向假象平面 为工 序基准的 ， 则不论 工件 外圆柱面 如何变动 该径向假象平面始终不变 ， 即 △ 三 0 而该工序 的定位 基准同样是平分V型 块 c 【 角的假想平面 ， 不论实现定位的与V型 块 两工作面接触的工件外 圆柱面两条母线 的位置如可变动 ， 这个假想平面的位置始 终不变 ， 即 △ y 三 一 0 因 此 有 △ 三 A 职6 A 6 0 这就是V型块 的 自动对 中性。 综 上， 采用心轴定位 方案 ， 键槽尺 寸和 键槽对 称度得不到保证 ； 键槽尺 寸可以得 到很好保证 ， 但键槽对称度很可能超差 ； 只 有采用9 0 。 V型块定位方案， 才能保证键槽 尺 寸 和 键 槽 对 称 度 均 合 格 。 定位误差组成法基于定位误差的概念 和 加工 的定位 基准 与工序 基准的相 互关 系， 利用尺寸位置的相关性 ， 将一组相对复 杂 的几何关系运算转化为两组相对简单 的 几何关系运 算 ， 概念清晰 ， 易于理解 ， 操作 简便 ， 实用性强 ， 是分析和确定定位误差的 有 力 工具 和 有效 方 法 。 上 接 7 0 页 3结语 1 利用“ 板 ” 和“ 梁” 的理论计算得到了 直接顶 、 老顶初次 来压步距、 老顶周期来压 步距等岩梁运动参数 。 2 进行 了现 场观 测研究 ， 根据支架工 作阻力变化情况 ， 确定了直接顶、 老顶初次 来压步距 、 老顶周期来压步 距等岩梁运动 参数 。 3 根据两种情 况的研究 ， 发现所得的 岩粱运动 参数吻合较好 ， 也说 明本文利用 的理论计算方法效果较好 。 4 建议 该矿 在直 接顶初次 来压 、 老顶 初次 来压步距范 围内 ， 加 强支护和矿压观 测 ， 以利 于矿 井 的安 全 生 产 。 参考文献 [ 1 】孔德森 ， 孟庆辉 ， 张伟伟等 ． 综采 工作面 上覆岩层运动 与破 坏规律研 究[ J ] ． 煤 ， 2 0 0 8 ， 6 1 0 4 5 - 9 ． 【 2 】李 明亮 ． 试谈 采场 矿 山压力及 其控 制 [ J 】 ． 煤炭科技， 2 0 0 2 9 ． 【 3 】姜福兴 ． 矿 山压 力与岩 层控 制【 M】 ． 北 京 煤炭工业出版社 ， 2 0 0 4 ． 【 4 】宋振骐 ． 实用矿 山压力控 制【 M】 ． 泰安 山东矿业 学院 出版社 ， l 9 9 2 ． 【 5 】李金庆 ． 大压力条件下巷道压力控制的 研究【 J 1 ． 煤矿现代化 ， 2 0 0 7 ， 3 7 2 1 7 7 2科技创新导报 S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y I n n o v a t i o n H e r a l d l 8． 【 6 】 陈留武 ． 分层综采矿山压力显现规律探 析 【 J 】 ． 中 州煤 炭 ， 2 0 0 7， l 8 1 2 32 4． [ 7 】 高有存 ． 深部分层开采下层煤工作面巷 道合理位置的确定【 J 】 ． 煤矿开采， 2 0 0 6 ， 3 6 2 6 3 ． 【 8 】王合豹 ， 张 洪军 ， 程正 ， 等 ． 矿压分析 在 巷道掘进中的应用【 J 】 ． 水力采煤与管道 运输 ， 2 0 0 6 ， l 2 1 3 0 - 3 1 ．