急倾斜煤层工作面顶板周期来压判断指标研究.pdf

1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 文章编号 1003- 5923200303- 0048- 03 急倾斜煤层工作面顶板周期来压判断指标研究 代高飞1, 2, 3,尹光志1, 2,胡大江1, 2 1. 同济大学 地下建筑与工程系,上海200092; 2.重庆大学 西南资源开发及环境灾害 控制工程教育部重点实验室,重庆400044; 3.重庆大学 资源及环境科学学院,重庆400044 摘 要俯伪斜采煤法极大的缓和了急倾斜煤层工作面矿山压力的不均匀现象,提高了工作面生产的安 全性。根据对该采煤法的现场测试,推导了工作面的位态方程和临界工作阻力,并从顶板能量释放的角度研 究了工作面的周期来压特征。 关键词临界工作阻力;周期来压;指标 中图分类号 TD323 文献标识码 A 由于采矿地质条件的特殊性,急倾斜煤层俯伪 斜分段密集支柱采煤法[1]已发展成为我国西南地 区急倾斜薄煤层采煤工作面的一种主要采煤法。 该 采煤法可以极大程度的缓和回采工作面矿压显现 的不均匀现象,提高防治矿山动力现象和采场安全 生产能力[1, 2]。 本文从工作面的位态方程、 临界工作 阻力和顶板能量释放的角度来研究急倾斜煤层俯 伪斜采煤工作面周期来压,为工作面的合理布置和 对顶板的有效控制提供依据。 1 顶板位态方程和临界工作阻力[3] 顶板位态方程反映了顶板最大下沉量S与支 柱工作阻力P的关系式,它可以衡量采场支架与 围岩系统相互作用的效果。在顶板系统中,老顶是 回采工作面的控制中心,而直接顶是支架必须承担 的载荷。因此,在控顶范围内保持和提高自承力及 承载能力是改善回采工作面控制的最有效、 最经济 的途径。 工作面周围的支承压力主要由上位岩层形成 的支承压力和老顶及其随动岩层形成的支承压力 构成。前者作用范围较大可达煤壁前方70～100m 以上,后者主要作用在煤壁及其前方10～15 m以 内。通常,工作面前方的支承压力将导致在一定范 围内直接顶岩体主应力差超过其强度容许值,出现 剪切裂隙,而不同程度地削弱直接顶的自承能力, 支护阻力对上位岩层形成的支承压力分布基本无 影响。 但断裂以及老顶和直接顶悬顶形成的支承压 力峰值及其位置则受支架阻力的显著影响,支护阻 力的提高不仅可以降低支承压力峰值集中系数,而 且可以促使峰值位置向围岩深部转移。显然,适当 提高支架的主动支护阻力,既可以减少煤壁片帮, 缩小机道上方暴露面积,同时又可使支承压力峰值 远离煤壁,减少剪切裂隙在直接顶的发育,因而,对 保持直接顶的自承力有十分重要的作用。 在一定的采场围岩地质特征、 生产技术条件和 支撑系统力学特征条件下,控顶区内顶板的下沉量 即反映顶板变形破坏程度,又反映了支架的支撑效 果。因此,反映顶板下沉量和支架支护阻力变化关 系的顶板位态方程是确定支架合理初撑力和临界 工作阻力的有效工具。 国内外大量急倾斜矿层矿压研究表明,顶板位 态方程呈近似双曲关系[1, 2],即 Sa b P 1 式中 a、b是与地质、 技术因素有关的常数,由回 归分析得到。S可取最大控顶区的顶板下沉量或每 米推进度顶板下沉量,支护阻力则必须能反映支架 ～ 围岩相互作用关系的数值,即测点顶板应当是不 破碎的并能反映顶板岩层与支架的相互作用特征。 通过在南桐矿务局砚石台煤矿3604工作面的 现场测试,对工作面的支柱阻力和顶底板相对移近 量表 1 进行回归分析,按上、 中、 下三个测区分别 进行逐步多元分析计算,得到如下顶板位态方程 收稿日期 2003- 02- 23 作者简介代高飞1974- ,男,重庆人, 2002年毕业于重庆大学采矿工程系,获博士学位,现在同济大学地下建筑与工程系作博士后研 究工作,主要从事岩石力学方面的研究工作。 84 2003.№3 矿山压力与顶板管理 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 工作面上测区 S上 -14. 89 2992. 8 P 2 工作面中测区 S中 -14. 05 3949. 6 P 3 工作面下测区 S下 -23. 06 3617. 8 P 4 对于式 1, 曲率 K d2S dP 2 1 dS dP 232 5 由于 dS dP - b P 2 d2S dP 2 2b P 3 6 所以 K 2b P 3 1 b2 P 4 32 7 在最大曲率点有 dK dP 0 则 PKb8 PK是按最大曲率点计算的支架围岩临界工作 阻力。根据工作面顶板位态方程,按最大曲率点计 算得临界初撑力为 PK 96. 43 kN PK0 54. 7 kN 工作面临界工作阻力为96. 43 kN ,工作面初撑力 不高,顶底板移近量和支柱下缩量均不大。 因此,尽 管现有支护参数能有效控制顶板,但从经济效益角 度来看,应提高支柱工作阻力的利用率,减少采面 支护密度。 2 急倾斜煤层周期来压的判断指标 急倾斜煤层的周期来压判断指标一般以观测 资料绘制的 “三量” 总图和工作面前方风巷顶板回 弹现象为依据。但是,“三量” 总图的不协调和单纯 靠动态仪测定情况复杂的顶板的回弹现象来确定 周期来压是十分困难的。因此,应寻求更为科学的 判断指标。 研究表明[4, 5],控顶区内顶板与支架在相 互作用过程中,在一定状态达到平衡,它在运动过 程中向支架释放了一定的能量,同时自身形成了一 定的力学结构。因此,采用能量指标来判断顶板的 相对稳定与显著运动比较科学。当老顶初次来压 时,主要是直接顶板对支架释放能量,而老顶释放 的能量比较小,顶板释放的总能量亦比较小。在实 际工作中,原苏联学者发现同一循环内顶板所释放 的能量是一个定值。阳泉、 开滦等矿区进行的实际 观测也发现支护阻力与顶板下沉量的乘积是一个 常数,即 PSK9 式中 P支护阻力 ,N m 2; S顶板下沉量,m; K常数 ,J m 2, 是顶板释放的能量。 在工作面来压期间,直接顶和老顶对支架都释 放了大量的能量,造成顶板所释放的总能量也较 大。单位面积顶板对支架所释放的能量为 Ei2 n j 1P j∃Sj∆10 式中 Ei第i循环单位面积顶板释放能量 ,J m 2; Pj第i循环第j次观测到的支柱载荷, kN 根; ∃Sj第i循环第j次观测的顶板相对移 近量,m; ∆支护密度,根m 2; n第i循环中的总观测次数。 3 工作面顶板释放能量曲线 用Ei值绘制顶板能量释放曲线,根据曲线的 变化来确定工作面顶板来压。因此,通过实测确定 支架的工作特性曲线后,即可得出顶板所释放的能 量。南桐矿务局砚石台煤矿3604工作面支柱工作 阻力和顶底板移近量变化情况见表1,Ei变化情况 如表2,其变化曲线如图1。工作面能量变化为 表1 3604工作面支柱工作阻力和顶底板移近量变化情况 循环 上测区中测区下测区 工作 阻力 kN 相对 移近量 mm 工作 阻力 kN 相对 移近量 mm 工作 阻力 kN 相对 移近量 mm 1641596328061 249. 64380186447 34895. 78022. 38016. 3 4802348348068 56438. 372398040 66465120194063 78036886611232 88028136276423. 3 97231104347220 1011213. 36425. 311217 1119229801011224 12101198028. 3 1324026. 3112388845 94矿山压力与顶板管理 2003.№3 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 循环 上测区中测区下测区 工作 阻力 kN 相对 移近量 mm 工作 阻力 kN 相对 移近量 mm 工作 阻力 kN 相对 移近量 mm 141281596386428. 6 151442688428033 1696565659. 312023 171602564235632. 6 1811231. 388591766 1911214883514420 206431. 7644012016 218019962314426 226437112389635 2310424. 71443512030 24104189621 2513618 261219 2713613 288037. 3 表2 3604工作面顶板能量释放情况 距测区 距离m 上测区 J 中测区 J 下测区 J 距测区 距离m 上测区 J 中测区 J 下测区 J 1053113. 3 2682. 2 1739. 981. 24661. 219392394. 9 101. 73154. 1 2631. 5 1557. 580. 13608. 3 4007. 4 2927. 1 98. 43194. 9 2580. 7 1375. 1792555. 3 6075. 8 3459. 3 96. 920955548. 3 2554. 174. 52668. 7 6892. 9 3260. 8 95. 4995. 16578. 9 6534. 17027827709. 9 3062. 3 94. 716373653. 9 5564. 266. 52399. 1 6158. 7 3868. 7 942278. 8 2791. 9 4533. 3632016. 2 4607. 574675 90. 6455. 82959. 6 2039. 261. 82402. 2 4782. 7 5595. 3 87. 26837. 1 3127. 3877602788. 2 4957. 9 6515. 5 86. 25926. 233661177. 358. 63539. 8 3955. 2 6141. 5 85. 25015. 3 3605. 9 1477. 556. 25591. 4 2952. 5 5767. 6 83. 24838. 8 2772. 5 1936. 255. 54570. 8 3683. 6 4102. 8 上测区E θ上 3417 J, Ρ 1388 J 中测区E θ中 3986 J, Ρ 1416 J 下测区E θ下 3204 J, Ρ 1589 J 由顶板释放给工作面支架的能量可求得能量 动载系数为 上测区K上E上maxE θ上 2. 00 中测区K中E中maxE θ中 1. 93 下测区K下E下maxE θ下 2. 03 根据E θ Ρ在工作面能量变化曲线可知, 3604 工作面上测区周期来压步距为18. 3 m ,共持续了 两个循环,中测区和下测区观测时仅出现一个峰 图1 3604工作面Ei变化曲线 值。 这是由于俯伪斜分段密集支柱能有效分段拦截 采空区冒落矸石,特别是工作面中上部分段密集支 柱的拦截作用有效地阻止了采空区上部矸石下滑, 形成了较致密的矸石充填带,成功地解决了急倾斜 煤层开采时采空区上部矸石下滑,集中于下半部采 空区,造成上半部采场大面积悬顶、 顶板压力过大、 稳定性差,易发生矿山动力现象以及窜矸、 堵面关 键问题,使急倾斜煤层工作面沿倾向的矿压显现不 均现象得到缓和,从而大大提高了采场的安全生产 能力和煤与矿山动力现象的防治能力。 4 结束语 文章根据对急倾斜煤层俯伪斜分段密集支柱 采煤法工作面的现场测试,分析了该工作面的位态 方程,推导了工作面的临界工作阻力,并从顶板能 量释放的角度研究了工作面周期来压问题,为工作 面的合理布置和对顶板的有效控制提供科学依据。 参考文献 [1] 李栖凤.急倾斜煤层采煤方法[M ].北京煤炭工业出版社, 1984. [2] 任德惠.井工开采矿山压力及其控制[M ].重庆重庆大学出 版社, 1990. [3 ] 张义顺.大倾角煤层走向长壁开采顶板岩层活动规律及其矿 压控制[J ].焦作矿业学院学报, 1995, 3 8- 13. [4] 钟道昌.采场覆岩破坏和运动规律的实验研究[J ].矿山压力 与顶板管理, 1996, 3 61- 64. [5] 方伯成.大倾角工作面矿压显现分析[J ].矿山压力与顶板管 理, 1995, 4 26- 30. 上接第47页 的自稳时间,有利于充分发挥围岩自身的作用。 4使用半刚性网壳混凝土支架表明,该新技 术施工安全、 工艺可行,做到了一次支护成功,从根 本上改变了某些巷道需要不断维修或返修的状况。 5网壳支架的成功应用为软岩支护提供了 成功的经验。根据张集矿技术经济分析,认为该新 型支护结构设计合理,整体性强,具有抵抗巷道大 变形的能力,与重型U钢支架相比,可节约钢材 40 ,降低支架直接成本30左右,因而可在高应 力软岩巷道支护中大力推广和应用。 参考文献 [ 1] 陆士良.中国煤矿控制[M ].徐州中国矿业大学出版社, 1994. [2] 庞建勇.网壳锚喷支护结构试验研究[J ].矿山压力与顶板管 理, 1998, 2 52- 54. 05 2003.№3 矿山压力与顶板管理 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 矿山压力与顶板管理 ENGL ISH ABSTRACTS Study on the technology of reinforcing road- ways under complex conditionsHAN L i2jun etc. To solve the problem s in supporting roadways w ith bulky and broken surrounding rocks under high ground pressure in N iuerzhuang Coal M ine, the combined supporting w ith backfilling, bolting and grouting is adopted to reinforce the road2 ways, and the satisfactory technical2econom ic effect is gained. The influence of design ing parameters of bolt on the horizontal displacement of tension-anchor supporting structureWAN G Guang2yong etc. In this paper, effect of the dip angle, stiffness and design depth of bolt on the horizontal displace2 ment of tension2anchor supporting structure was carried out by FLAC3D. N umerical si mulation re2 sults show that the dip angle of bolt doesn’t influ2 ence on the maxi mum horizontal displacement when it is between 0and 35, and it is fit for being con2 trolled 15.The study also show s that the stiffness of bolt cannot be too large and too small, and it is more fitful when the stiffness reaches 75GPa,the design depth of bolt is increasingly smaller, what is more, it w ill be more fitful for about three meters near to the top of the supporting structure when adopting the single bolt. Observation on rational coal-pillar width of m in ing tunnels of shallow coal seamSON G Xuan2m in etc. M ining features of Shendong m ining distract are high output, high efficiency, long face 240m and largem ining distance3000～5000m . In order to guarantee quick, safe and high efficient m ining of faces, decrease moving ti mes of face’s equipments and realize high output, the key is to solve the safe maintain of m ining tunnels of great section and long distance under the condition of shallow coal seam, that is,designing the reasonable supporting ways and parametersof tunnels and choosing rational coal2 pillar w idth. Combined w ith classically shallow coal seam , the paper gave out the reasonable coal2pillar w idth of m ining gates of mainly m ining coal seam in Yujialiang, Bulianta and Daliuta m ines by observing abutment pressure distribution of coal2pillar.The research outcomes w ill have engineering application values and directing effect to layout of tunnels, de2 signing of roadways’ supports and coal2pillar w idth. Features of the drifts supported by new net- shell and its applicationPAN G Jian2yong In accordancew ith the producing and geological condition of the west track2transporting gateway, the paper introduced the new net2shell support on its load2carrying properities, the feature of supporting drifts and its application. Research onindex of periodic weighting in steeply inclined working faceDA I Gaofei etc. In steep seam w ith oblique longwall m ining, the non2uniground pressure was alleviated based on the study of the ground pressure distribu2 tions of coal in site, which advanced the safety in working face.The index of periodic weighting was studied carefully.M eanwhile,the reasonable pa2 rameters in working face of oblique longwallm ining are discussed.Therefore, this research provided the scientific basis for controlling of ground pressure in m ine. Stability control of end face in longwall sub- level caving faceZHAN G Yong etc. On the base of stress calculation on end face and surrounding of supports in longwall sublevel caving faces,the author gives proper explains why there are poor stability of end face and easy caving of top2 coal . A nd then, full enclosed is brought up to solve the top2coal caving of end face in longwall sublevel caving faces . Observation on the law of strata behavior in shallow seam and high m in ing height face HUAN G Q ing2xiang etc. M ine belongs to si m ilar shallowseam, while the observation on ground control is not enough. Through field monitoring and observation, based on it’s condition,this paper present the law of roof strata movement and themechanism of roof weight2 ing.It is i mportant to coal production and study on the dynam ic structure theory in shallow seam. The rock pressure law and support loading character at height output, height eff iciency work face in the thin and medium-thickness seam YAN G Pei2ju etc. Based on spot measurement,the paper firstly studies roof movement law ,loading character and adaptation of the support at height output, height efficiency work face in the thin and medium2thick2 ness seam 1. 5 ～2. 5m. The paper gives a result of the rock pressure law and displaying character at ful2 ly mechanized m ining work face under the condition of the thin and medium2thickness seam.The result gives a foundation of the future study to the height output, height efficiency work face in the thin and 811 2003.№3 矿山压力与顶板管理