大采高综采采场顶板控制力学模型研究.pdf

第 27 卷 第 1 期 岩石力学与工程学报 Vol.27 No.1 2008 年 1 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Jan.，2008 收稿日期收稿日期2007–03–20；修回日期修回日期2007–09–29 作者简介作者简介弓培林1966–，男，博士，1987 年毕业于山西矿业学院采矿工程专业，现任教授，主要从事岩石力学、采矿工程等方面的教学与研究工 作。E-mailplgong 大采高综采采场顶板控制力学模型研究大采高综采采场顶板控制力学模型研究 弓培林，靳钟铭 太原理工大学 采矿工艺研究所，山西 太原 030024 摘要摘要采用现场实测及相似模拟技术研究大采高综采采场顶板结构特征，建立大采高综采采场的顶板控制力学模 型。根据直接顶岩层结构不同，将大采高直接顶划分为 I，II，III 型 3 种类型，I 型直接顶顶板载荷按给定载荷法 或采高倍数法计算；II 型直接顶暂不宜采用大采高开采技术；III 型直接顶顶板控制应主要考虑直接顶关键层厚度、 层位及工程力学特征，当直接顶关键层距离支架较近时，必须考虑冲击载荷影响。 关键词关键词采矿工程；大采高；结构；力学模型 中图分类号中图分类号TD 322 文献标识码文献标识码A 文章编号文章编号1000–6915200801–0193–06 MECHANICAL MODEL STUDY ON ROOF CONTROL FOR FULLY-MECHANIZED COAL FACE WITH LARGE MINING HEIGHT GONG Peilin，JIN Zhongming Institute of Mining Technology，Taiyuan University of Technology，Taiyuan，Shanxi 030024，China AbstractBy using in-situ measured data and the physical simulation technique，the structural characteristics of roof control with large mining height are studied. The mechanical model of roof control for the coal face with large mining height was put forward. According to different strata structures of the immediate roof，the immediate roof of the large mining height is divided into three typestype I，type II，and type III. Immediate roof type I will be calculated according to the given loading and multiplying mining height . Immediate roof type II is not suitable for large mining-height technique. The roof control of immediate roof type III should consider the thickness，location and engineering mechanical characteristics of the key layer of immediate roof. When the key layer of the immediate roof is closer to support load，the influence of shock loading should be considered. Key wordsmining engineering；large mining height；structure；mechanical model 1 引引 言言 大采高开采技术是厚煤层开采工艺的重要发展 方向之一。我国很多矿区赋存有 6.0 m 左右厚煤层， 如晋城、潞安、大同、阳泉、邢台、徐州、兖州、 阜新、神府及东胜煤田，在这种煤层条件下，大采 高开采是首选方法。近十余年来，大采高工艺得 到了一定发展，大采高采场矿压理论研究逐步深 入[1 ～13]，但现场实践表明，仍有一些大采高工作面 由于顶板控制存在问题而影响工作面生产能力发 挥；同时，有很多矿区煤层厚度适合于采用大采高 工艺技术，但由于没有成熟的顶板控制理论指导， 推迟了该技术的应用，主要问题是，现有的适用于 普通采高的顶板控制理论及相关的技术规范不能有 效指导大采高顶板控制设计。本文在大采高采场矿 压观测的基础上，通过实验室相似模拟技术研究了 大采高采场顶板结构特征，给出了不同顶板条件下 194 岩石力学与工程学报 2008 年 的顶板控制力学模型。 2 大采高工作面矿压显现规律大采高工作面矿压显现规律 2.1 大采高综采的矿压显现特征大采高综采的矿压显现特征 1 工作面支护强度高 表 1 为大采高工作面支护强度统计情况，由表 可知，大采高工作面支护强度平均达 832 kPa，较 我国顶板分类所要求的支护强度高 10～30。 表 1 大采高工作面支护强度统计 Table 1 Statistics for support strengths in large mining height 矿名 工作面 采高 /m 最大平均支护 强度 Qd/kPa 顶板分类支护 强度 Qp/kPa Qd/Qp 大柳塔 1203 4.0 780 715 1.09 大柳塔 20604 4.3 833 715 1.11 活鸡兔 12205 3.5 727 660 1.10 沙曲 24101 4.0 846 798 1.06 康家滩 88101 4.5 857 715 1.20 寺河 2302 5.5 930 715 1.30 寺河 2301 4.5 858 715 1.20 2 动载系数小 表 2 为大采高工作面动载系数统计情况，由表 可知，虽然统计工作面的顶板类型不同，但动载系 数差别不大，一般为 1.2～1.3，均较普通综采的动 载系数小。 表 2 大采高工作面动载系数统计 Table 2 Statistics for coefficients of impact load with large mining height 矿名 实测动载系数 顶板分类级别 动载系数范围 大柳塔 大柳塔 活鸡兔 沙曲 康家滩 寺河 寺河 1.26 1.28 1.20 1.26 1.20 1.43 1.52 II II I II～III II II II 1.3～1.5 1.6～1.7 1.1～1.3 1.6～1.7 1.3～1.5 1.3～1.4 1.3～1.5 3 支架载荷分布以正态为主 根据工作面支架阻力直方图[7]，大采高阻力基 本上为正态分布，对于普通综采，随顶板级别不同， 会出现正态、双正态叠加、双正态和双正态加冲击 4 种不同分布。 2.2 大采高支架–围岩关系大采高支架–围岩关系 1 支架载荷和现行顶板类别关系不明显。 根据我国现行的顶板分类，顶板支护强度随基 本顶级别增大呈线性增大，这是因为采场来压强度 与顶板岩体结构失稳和来压步距大小直接相关，对 于大采高综采，这一关系不明显。如表 1 中大柳塔 矿 1203 工作面直接顶为厚 5 m 的泥岩、砂质泥岩， 基本顶为 16 m 厚的砂岩层，在普通综采条件下为 II 级顶板，支护强度不超过 715 kPa，但实际上达到 780 kPa。寺河矿2301 工作面直接顶为 15 m 厚的砂 质泥岩、泥岩和煤顶，基本顶为 5 m 厚的砂岩，近 乎 I 级基本顶，但其实际所需支护强度达 858 kPa， 与大柳塔矿相近。 2 支架初撑力与工作阻力呈线性关系 寺河矿、康家滩矿、沙曲矿及大柳塔矿的初撑 力与工作阻力关系曲线[7]表明，初撑力及工作阻力 曲线为线性关系，这一关系显示了其以静载为主的 特性，岩体结构的失稳对采场支架无明显影响。 3 支架受力以围岩静载为主 由于控制的顶板层位高，其上岩体结构失稳的 动载对支架本身影响不大，即使有较大的动载荷， 由于厚的破碎矸石做垫层，也很难传递给支架。因 此虽然载荷大，但动载系数很小，是以静载即顶板 的重力加在支架上的。 由此可见，大采高采场的矿压显现规律及支架 围岩关系与普通采高采场有明显区别，其根本原因 是大采高采场的顶板冒落高度大，支架控制岩层的 范围及支架围岩作用关系发生了变化。因此，有必 要在分析大采高采场不同顶板结构冒落特征的基础 上，给出相应的顶板控制原则。 3 大采高直接顶结构的分类大采高直接顶结构的分类 现场观测、相似模拟及理论分析[6 ～8]均表明， 大采高采场随着采高的加大，覆岩中能形成平衡的 结构岩层上移，在普通采高工作面中能形成铰接平 衡结构的岩层，在大采高情况下折断，垮落进入采 空区。本文约定不能形成平衡结构岩层均称为“直 接顶” ，则大采高采场直接顶厚度要大于普通采高。 大采高直接顶厚度一般为采高的 2.0～4.0 倍，因此 大采高直接顶不仅仅为随采随冒的易垮落岩层，也 包括普通采高下视为基本顶的岩层。据此计算，采 高 5.0 m 时，直接厚度为 10～20 m，采高 6.0 m 时， 直接顶厚度为 12～24 m。 第 27 卷 第 1 期 弓培林，等. 大采高综采采场顶板控制力学模型研究 195 显然，大采场高采场直接顶的构成发生了变化， 必然影响到直接顶作为载荷及传力方式的变化，有 必要分类区别研究。根据岩层组合结构，将大采高 直接顶分为 3 类见图 1。 图 1 大采高直接顶分类 Fig.1 Immediate roof classifications with large mining height 1 I 型直接顶见图 1a，其特点是煤层上方 直接顶由同一岩性或不同岩性但力学差异较小的岩 层组成。 2 II 型直接顶见图 1b，其特点是煤层上方 有一层较厚的、裂隙发育的软岩，与上覆较硬岩层 共同组成直接顶。由于大采高支架高度大，处理端 面漏冒极为困难，因此该类条件暂不宜采用大采高 工艺。 3 III 型直接顶见图 1c，其特点是在直接顶 中赋存有一层或两层强度高、裂隙不发育的厚层岩 层，在普通采高时，此岩层相当于“基本顶” ，大采 高时则作为直接顶。 4 大采高采场顶板控制力学模型大采高采场顶板控制力学模型 4.1 I 型直接顶变形破坏规律及工作阻力确定型直接顶变形破坏规律及工作阻力确定 数值模拟结果[7]表明，大采高采场 I 型直接顶 的破坏是由于上位的拉断，下位端面距部位的压剪 破坏所引起的，增大初撑力可以直接减小顶板的 初始下沉量，同时改变下位直接顶端面距部分的 应力状态，因而快速达到较高的初撑力有其重要 意义。 4.1.1 给定载荷的估算方法 尽管理论分析[7]认为基本顶形成了平衡结构， 但由于基本顶岩性、厚度、上覆载荷层以及厚度的 变化，加之地质构造的影响，该构造并不总是能够 形成，如现场周期来压步距有时变化范围较大，说 明基本顶岩块并不总是以固定长度断裂，而是有一 个范围。这样，支架工作阻力可按给定载荷的方法 估算。顶板控制力学模型见图 2，基本顶以载荷形 式给予支架 1 P力。基本顶失稳瞬间时，其全部重力 均由支架承担，则有 11 PLBhγ 1 式中h为基本顶及上覆承载层厚度， 1 γ为基本顶 岩石容重，B为支架宽度，L为基本顶断裂长度。 图 2 顶板控制力学模型 Fig.2 Mechanical model of roof control 支架支护阻力P可表示为 k1 1 cot 2 PB h LhPγβ ⎛⎞ ΣΣ ⎜⎟ ⎝⎠ 2 式中 k L为控顶距，γ为直接顶岩石容重，hΣ为 直接顶厚度，β为断裂角。 实例验证寺河矿2301工作面主要参数为 L 14.2 m，B 1.75 m，h 5 m，hΣ15 m， k L 5.145 m，β75 。 经计算，支护阻力为7 962 kN/架，实测来压时 最大平均载荷为7 574 kN/架，基本对应，说明用给 定载荷估算I型直接顶的工作阻力基本可行。 4.1.2 用采高倍数估算工作阻力 I型直接顶分区见图3，首先按图中bceg矩形 区域考虑支架载荷，直接顶重力为 k LB hγΣ，考虑 增载系数n的支架载荷为 0 P，则有 a I 型直接顶 b II 型直接顶 c III 型直接顶 196 岩石力学与工程学报 2008 年 图 3 I 型直接顶分区 Fig.3 Zoning of immediate roof type I 0k PnLB hγΣ 3 大采高承载以静载为主，一般情况下n≤1.5， 当取n 1.5，碎胀系数 p K 1.3～1.5时，有 0k 35PM BLγ～ 4 由于采高加大，应考虑图 3 中cde区域的重力 2 P，hΣ按3～5M取值M为开采高度，则有 2 2 1[3 5]cot 2 PMBγβ～ 2 925 cot 2 MBγβ ～ 5a 02 PPP 5b 式5b的含意是，支架载荷可按 3～5 倍采高的 岩重加顶梁末端悬向采空区相应厚度的直接顶重 力， 系数 3～5 是来压程度的综合反映， 与实际采高 M 不直接相关。选取时应分析采场结构及来压程度 大小，基本顶断裂步距大，其下自由空间大，则取 大值。 仍以寺河矿为例，计算得 P 7 788 kN/架，略 大于实测支架来压平均载荷。 4.2 III 型直接顶变形破坏规律及工作阻力的确定型直接顶变形破坏规律及工作阻力的确定 4.2.1 III 型直接顶结构及变形破坏特点 大采高 III 型直接顶结构参数如图 4 所示。 图 4 III 型直接顶结构参数 Fig.4 Parameters of immediate roof structure type III 如前所述，III 型直接顶的基本特点是直接顶中 包含一层或几层厚硬岩层，这些岩层在普通采高时 即为基本顶， 能形成铰接平衡结构， 而在大采高时， 无法形成平衡结构而垮落于采空区中，需要说明的 是，现在仍有很多文献资料称这些厚岩层为基本顶， 这样容易与普通采高的基本顶在概念上混淆，从学 术的观点来看，笔者建议将这些直接顶中的厚硬岩 层称为“直接顶关键层” ，而将厚硬岩层以外的其他 直接顶称为“主要直接顶”或简称直接顶，直接 顶的变形破坏规律、围岩控制研究中直接顶关键层 起主要控制作用， 根据其层位不同， 可以分为下位、 中位及上位直接顶关键层。 显然，III 型直接顶与 I 型直接顶的变形破坏规 律不同，主要特点是增加了“悬顶”的概率见图 4。 由于直接顶关键层的控制作用，可能出现图 4 所示 的悬顶情况，悬顶长度为 2 l ，如果存在下位直接顶 关键层，可以在回采工作面观察到悬顶的存在。 4.2.2 III 型直接顶顶板压力及载荷估算 当回采工作面推进至直接顶关键层断裂线上方 时其载荷计算情况如图 5 所示。此时，直接顶关键 层以断裂线为支点，将产生向采空区旋转的趋势， 使直接顶关键层产生旋转运动的外力是直接顶关键 层的自重 0 Q 、悬顶部分承担的上位直接顶载荷 1 Q 以及基本顶的附加力 P′；阻止其发生旋转运动的是 下位直接顶给予直接顶关键层的阻力 0 P 。直接顶关 键层旋转时，其上层面在点 A 处向煤壁方向产生离 层，同时在断裂线附近受到上位直接顶及前方未断 裂直接顶关键层的附加力 2 Q ，直接顶关键层的旋 转，将导致下位直接顶变形、下沉。因此，支架阻 力应在断裂线刚进入煤壁上方时阻止其大幅度旋转 造成的破坏，同时要防止直接顶关键层在断裂线处 的滑落而造成工作面的台阶下沉，不考虑 P′时，有 0012 PQQQ 6 将 0 P 简化为集中力，对点 o 取力矩，有 2 2k0k112k 1 cot 222 ll Q LQLQ lhhLβ ⎡⎤⎛⎞ −− ⎜⎟ ⎢⎥ ⎝⎠⎣⎦ 化简可得 12 201 cot 11 22 kk llhhl QQQ LL β⎛⎞⎡⎤ −− ⎜⎟⎢⎥ ⎝⎠⎣⎦ 7 其中， 0 Qhlγ 12 2 Qh lγ 第 27 卷 第 1 期 弓培林，等. 大采高综采采场顶板控制力学模型研究 197 图 5 中位直接顶关键层载荷计算图 Fig.5 Scheme of loading analysis with middle key layer 将式7代入式6可得 02 2 Phlh lγγ 12 2 2 kk cot 11 22 llhhl hlh l LL β γγ ⎧⎫⎛⎞⎡⎤ ⎪⎪ −− ⎨⎬⎜⎟⎢⎥ ⎪⎪⎝⎠⎣⎦ ⎩⎭ 8 式中l为周期来压步距。 0 P由支架及下位直接顶共同提供，当下位直接 顶有自承能力时， 0 PPP− 自，P自为直接顶自承能 力，即直接顶可以对直接顶关键层提供的力，在极 限情况下，直接顶无自承能力，则 0 P需要由支架全 部承担，同时需要承担下位直接顶的重力 3 Q， 2 311 1 cot 2 k Qh Lhγγβ，因此有 030123 PPQQQQQ 9 可见，支架的最大载荷由两部分组成一部分 由位直接顶的自重 3 Q、直接顶关键层重力 0 Q以及 直接顶关键层悬顶部分承担的上位直接顶重力 1 Q 组成；另一部由直接顶关键层旋转形成的附加力 2 Q组成。 根据作者[7]的研究结果，当 2 1.02.3hh～时， 有 013 1 2cot 2 k QQQhLhγβ≈∑ ∑ 10 201 00.50.91.8QQQ～～ 11 将式10，11代入式9，可得 0 1 2cot00.5 2 k PhLhQγβ∑∑～ 1 0.91.8Q～ 12 式12的意义是，III型直接顶支架载荷可按不 包括悬顶在内的直接顶重力、部分直接顶关键层重 力以及悬顶部分承担的上位直接顶重力之和来估 算。 在上述计算过程中，未考虑基本顶的附加载荷 P′ ，事实上， P′ 由于悬顶的存在，不直接对控顶区 上方的下位直接顶起作用，而是通过直接顶关键层 起作用， P′ 的作用可以折算到周期来压步距l中考 虑。 实例验证大柳塔20604工作面顶板岩层结构 符合III型直接顶特征，经计算，其支护强度为889 kPa，实测来压时最大平均支护强度为833 kPa，满 足支护要求。 必须指出，III型直接顶的特例是当直接顶关键 层直接位于支架上方或距离支架很近，在普通采高 时，基本顶可能形成平衡结构，缓解来压显现，尽 管如此，基本顶的来压显现仍然很强烈。大采高由 于采高加大，顶板不能形成平衡结构，顶板以悬臂 梁断裂为主，断裂线处于煤壁上方时，顶板旋转造 成的来压显现必然比普通采高强烈，坚硬顶板在垮 落时形成冲击载荷，垮落后顶板在采空区的反向旋 转运动可形成将支架推向煤壁的冲击载荷，也可能 砸坏支架。 针对普通采高坚硬顶板的围岩控制形成了专门 的研究方向，并取得了卓有成效的研究成果[14 ，15]， 但应用于大采高采场尚需进一步开展深入研究。 5 结结 论论 1 大采高综采矿压显现的特征是支护强度 高、动载系数小。支架载荷多为正态分布。大采高 综采的支架围岩关系表现为支架受载与传统顶板分 类关系不明显，支架初撑力和工作阻力为线性关 系，支架受力以静载为主。 2 大采高采场“直接顶”厚度增大，普通采 高中的基本顶在大采高采场变为直接顶，采场顶板 控制应根据大采高这种新的顶板结构特点确定。 3 根据直接顶岩层结构不同，将大采高直接 顶划分为3种类型，即I，II和III型。I型直接顶 顶板压力可按照给定载荷法及采高倍数法计算；II 型直接顶目前暂不宜采用大采高工艺；III型直接 顶顶板控制应主要考虑直接顶关键层厚度、层位及 198 岩石力学与工程学报 2008 年 工程力学特征。当直接顶关键层距离支架较近时， 必须考虑冲击载荷影响，顶板控制机制尚需深入研 究。 4 I型直接顶在我国煤矿占有较大比例，这 是我国采用大采高开采技术的有利条件。 参考文献参考文献References [1] 王金华. 我国大采高综采技术与装备的现状及发展趋势[J]. 煤炭 科学技术，2006，3414–7.WANG Jinhua. 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