复合顶板运动规律及控制研究.pdf

文章编 号1003- 5923200401- 0054- 03 复 合 顶 板 运 动 规 律 及 控 制 研 究 李洪,马全礼 山东 科技大 学 工程 学院,山 东 泰安 271021 摘 要在顶板破碎且为复合顶的情况下,以观测为基础,摸清了上覆岩层的运动规律并反演计算了其运 动参数,准确地进行了顶板控制设计,在实践中取得了良好效果。 关键词复合顶板;矿压监测;顶板控制 中图分类号T D 355 文献标识码B 1 工作面概况 3101 面是王晁集团新宏煤矿的首采面,工作 面走向长 45～120 m,倾斜长 190～280 m,回采 3 煤,煤厚 2.1～2.9 m,倾角为 0～18 ,该面范围内 平均煤厚 2.2 m,局部含 0～1.3 m夹矸。 工作面内断层较发育,对回采工作影响较大的 有 5 条,由于断层与工作面斜交,故对工作面影响 范围较大,F3 、 F 4 、 F 5只在胶带巷揭露,估计在工作 面内不会延伸很远。 3101 面的回采煤层为 3 煤,直接顶主要为灰 色、 灰白色粉砂岩及细砂岩,厚 6.4 m。 老顶为中粒 砂岩,厚达 40 m,分层厚 1～14 m。 2 坚硬顶板控制现场实测研究方案 3101 面为单体液压支柱炮采面,主要是为后 继工作面的开采积累经验和创造条件。 现场观测研 究的目的为 1 通过现场观测,了解工作面顶底板状况。 2 对顶板运动规律进行全面监测,摸清顶板 运动规律。 3 了解需控岩层范围,运动步距、 矿压显现 规律,支柱的工作状况,为修改顶板控制设计提供 数据。 4 了解工作面前方回采影响范围和影响程 度,为平巷超前支护提供参数等。 5 优化合理支护密度及支护形式,在保证安 全的同时,取得最优的经济效果。 2.1 观测内容 依照上述观测目的,确定观测内容如下 1 顶板动态监测 ① 上巷内顶板位移速度与位移量;② 工作面 内支柱载荷及活柱缩量;③ 上下两巷内超前支护 阻力和超前支护支柱下缩量;④ 上下两巷随工作 面推进的顶底板位移变化量。 2 工作面顶板控制效果宏观观测 顶煤板完整性状况,煤壁片帮状况,直接顶 悬顶距,目测冒厚,顶板冒落范围,顶板断裂与破断 响声,支柱钻底量等等。 2.2 测区布置 工作面共分工作面和两巷两个测区,见图 1。 在工作面中部设三条测线,相邻布置,每条测 线观测支柱阻力及活柱缩量。 巷道测区① 在下巷设置 5 台顶板动态仪,间 距 5 m,第一台距工作面煤壁 3 m。 图 1 3101 工作面测区布置 ○ 工 作面 载荷,活柱 下缩 量测线 ; 动 态仪 位置; △ 定点 柱 收 稿日 期2003- 08- 20 作 者简 介李洪1965- ,男,四川 安岳人 ,副 教授 ,在 读博士 ,研 究方 向为矿 山压 力与控 制。 45 2004.№ 1 矿山 压力与 顶板 管理 ② 在两巷距煤壁 50 m处各打 2 棵测压柱,相 距 1～2 m,观测支柱压力及活柱下缩量。 3 顶板运动规律及控制 3.1 直接顶的运动范围厚度 mz 1 利用来压前夕支柱承载值反推如图 2,计 图 2 直接顶厚度计算 算公式如下 mz P ′ rzfz 1 式中 P ′ 来压前支柱承载实测值 k N /m 2; rz直接顶岩层容重,2.7 k N /m 3; fz直接顶悬顶系数, fz 1 2ni 1 Ls /L k 2 Ls悬顶距, m; Lk控顶距,取 4.2 m; ni 采场支护合力作用点系数。 ni S 0 /L k 采场来压前支柱实测阻力见表 1 所示。 表 1 来压前支柱承载实测值 推进位 置 周 期来压 序号 12345平均 压力 /M P a 根- 118.819.117.418.317.618.2 根据表 1 观测结果,计算得 P′ np 1.67 18.2 30.4 M Pa 238 k N /m 2 根据 fz 1.3 计算得 mz 6.7 m 2 利用冒高公式计算 计算公式见式 2 所示 mz h - SA KA-1 2 式中 SA来压前顶板实测下沉量。 KA冒矸碎胀系数,取 1.3。 SA Δ h Δ h′ b LkΔ h -Δ h′ 3 式 中 Δ h、 Δ h′ 来压时、 来 压前 顶板下 沉量, mm; b老顶相对稳定运动步距,m; Lk工作面控顶距,m。 据实测数据整理,Δ h 100 mm,Δ h′ 75 mm, b 9.5 m,代入式3得 SA678.6 mm 故 mz5.07 m 3 分析柱状图确定 柱状图中,顶板岩层由下而上分别为第一层 为 0.3 m厚的灰色粉砂岩;第二层 1.4 m层理清 晰、 裂隙发育的灰白色粉砂岩;第三层为层理清晰、 由 0.2～0.35 m互层组成的 4.17 m细砂岩;第四 层为强度较高、 整体性好的 5.33 m粉砂岩。第四 层以下总厚度为 6.4 m,此值与以上计算大致相 符。故确定直接顶由第一、 第二、 第三岩层组成,厚 6.4 m。 3.2 老顶厚度实测推算结果 老顶厚度可用来压完成时采场支柱实际承载 值反推。 来压完成时采场支柱的承载值 P P A PE 式中 nA直接顶产生的作用力; PE老顶运动产生的作用力。 故老顶运动产生的作用力 PE P - A P - P ′ ; 又 mz PE KT Lk γeL P - P ′ KT LK γEL 式中 nL来压完成时刻老顶的悬跨度,m; KT富余系数,取 2; γ E老顶岩石容重。 实测来压完成时采场支柱的平均值见表 2。 表 2 来压完成时支柱承载实测值 观 测 日 期 周 期来 压 序号 支柱 阻力/M P a 根 - 1 第一 排 第二排第三排 第 四排 支 柱平 均阻力 /M P a 根- 1 3c.16～3.171c23Y.134x.034.130.630.43 3c.27～3.282c28Y.533x.231.127.730.09 3w.31～ 4.23c26Y.533x.532.629.930.63 4.64c28Y.931x.933.131.3 4.85c27Y.832x.933.531.41 平均26833132929430.8 由表 2 知,P 30.8 M Pa /根,考虑支护密度 n 1.67 根/m 2 和立柱直径后,换算为 P 30.8 1.67 0.785 403.8 k N /m 2 故 mE 5.43 m 55矿山 压力与 顶板管 理 2004.№ 1 4 工作面支护参数计算 4.1 支架工作状态的确定 支架对顶板的工作状态有两种形式 “给定变 形” 和 “限定变形” 。所谓 “给定变形” 指的是老顶的 最大下沉量较小,支柱有足够的下缩空间保证顶板 的最大下沉而不被压死,这时支柱主要承担直接顶 的重量,对老顶采取让压措施, “限定变形” 则支架 需要控制顶板的下沉量,否则支柱会因顶板下沉量 过大而被压死,为了限定顶板的下沉量不超过允许 值,则支架除承受直接顶的重量外,额外增加的力 视控制量而定。 根据计算,直接顶厚度取 6.7 m,则老顶岩梁 自由运动空间为 SAm mz-KAmz0.19 m 在正常情况下,采场最终顶板下沉量△hA为 Δ hA SALk C 84 mm 式中 C来压步距,取 9.5 m。 实际观测表明,后排支柱的缩量大多在 60～ 100 mm。 支架处于 “给定变形” 工作状态。 4.2 支架控顶距的确定 控顶距的选择要考虑满足以下控制要求 1 所选择控顶距要保证支柱能适应顶板垮 落时的沉降运动,而不被压死。 2 支架对老顶岩梁运动按 “给定变形” 状态 工作时,原则上支架主要承担直接顶重量,所以在 满足生产要求前提下,应缩小控顶距,减小直接顶 对支架的作用力。 3 对于较破碎的顶板,顶板下沉量一般不超 过 200 mm,否则将使直接顶破碎,使支护力降低, 增加支护管理的困难。为此应尽可能减小控顶距。 3101 面使用 D Z25- 25/100 型单体液压支柱, 其支撑范围为1700～2500 m m,活柱最大缩量 εma x 0.8 m。在直接顶冒落后,允许老顶运动的自由 空间高度由前计算可得,SA 0.94 m,按老顶处于 周期来压时计算,预计允许的最大控顶距[Lk]为 [Lk] εma x C 2 SA 4.3 m 取 Lk 4.2 m [Lk] 实际上根据实测计算的老顶岩梁运动允许的 自由空间 SA更小一些,故算出的[Lk]更大,故现场 所采用的控顶距 4.2 m是合适的。 4.3 支护密度的确定 在既定的顶板条件下,采场合理的支护强度取 决于对顶板的控制要求,包括防止直接顶破碎,减 少煤壁片帮,排除直接顶与老顶离层所导致的动压 冲击影响,顶板沿煤壁切落等等。采场煤层与顶板 条件不一样,控制要求也不一样。 针对具体的采场, 合理的支护强度均应加以考虑。 合理支护密度 n PT RT 根/m 2,由下式求出 支护强度 PT的计算 按 “给定变形” 计算,考虑周期来压的情况 PTmzγz mEγEC 2Lk 273.6 k N /m 2 支柱实际支撑能力 RT确定 RT采用全部实测值的平均值计算,经计算 RT 26 M Pa 。由此得支护密度 n 为 1.34 根/m 2。 1 柱距 又因为支护密度 n 1 排距 柱距 1 a b 工作面铰接顶梁长 1 m,故排距 a 为 1.0 m,柱 距 b 为 0.746 m 根据取小的原则应取 0.7 m。 在实际生产中柱距按 0.8 m 布置,支护强度 不足部分由特种支护来满足。 2 特种支护密度 ① 点柱密度。基本支柱柱距为 0.8 m,并不能 完全满足基本支护强度,可用在放顶排添加点柱来 达到要求,同时还可起到加强末排切顶能力的作 用,添加点柱密度 n点计算如下 柱距为 0.8 m时的支护强度柱距 P′T P′T8n RT 1 ab RT 1 1 0.8 250 0.785 245.3 k N /m 2 点柱需承担的支护强度 P″T P″TPT- P ′t 28.3 k N /m 2 点柱密度n点 P″ T /R T 0.144 根/m 2 点柱柱距b点 1 n点 a 6.94 m 即沿面长方向,每 6～7 根基本支柱间加一棵 点柱,由于在中间排加点柱不方便,将点柱全部加 至最末排,按控顶距 4.2 m 计算,在放顶排每两棵 基本柱间加打一点柱即可满足要求。 ② 其它特殊支护密度。在满足基本支护的前 提下,考虑工作面倾角,断层对顶板完整性的影响, 顶板回转来压对支柱产生的侧向推力作用等因素 后,除放顶排加点柱外,下转第 59 页 65 2004.№ 1 矿山 压力与 顶板 管理