大采高综采煤壁片帮冒顶机理与控制技术.pdf

第 3 4卷第 1 期 2 0 0 9年 1月 煤 炭 学 报 J 0 URN AL 0F CHI NA C0 AL S OC I E T Y Vo 1 ． 3 4 No ．1 J a n ． 2 0 0 9 文章编号 0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 0 9 0 1 0 0 5 0 0 3 大采高综采煤壁片帮冒顶机理与控制技术 宁 宇 煤炭科 学研究总院 ，北京1 0 0 0 1 3 摘要通过三维数值模拟分析认 为，大采 高综采工作面加长、采高加 大易于发生片帮，其机 理在采动应力作用下，煤壁先发生较小的挠 曲变形 ，达到极值时 ，将在煤壁上部 0 ． 3 5倍采 高 处产生破裂，之后煤壁全部 片落；防治片帮可采取特种支架与合理的回采工艺．特种支架为提 高 支架工作阻力、缩小端面距、二级护帮机 构．回采工艺电液控制 系统 实现擦顶移架、及 时移 架，移架速度在 8 S以内． 关键词 大采高综采；片帮冒项 ；支承压力；端面距 ；二级护帮机构 中图分类号 T D 8 2 3 ． 9 7 文献标识码 A M e c h a ni s m a n d c o n t r o l t e c h ni q u e o f t h e r i b s p a l l i n g i n f u l l y m e c ha niz e d mi nin g f a c e wi t h g r e a t mi ni n g h e i g ht NI NG Yu C h i n a C o a l R e s e a r c h I n s t i t u t e ，B e ij i n g 1 0 0 0 1 3 ，C h i n a , Abs t r a c t Ba s e d o n 3 D n u me r i c a l s i mu l a t i o n，c o n c l u de d t h a t r i b t e n d s t o wa r d s p a l l i n g wh e n wo r k i n g f a c e l o n g e r a n d mi n i n g h e i g h t h i g h e r i n f ul l y me c h a n i z e d mi n i n g wi t h g r e a t mi ni n g h e i g h t ．Th e me c h a n i s m o f r i b s p a l l i n g wa s c o n c l u d e d．At f i r s t wi t h mi n i n g s t r e s s ，t h e rib h a d s ma l l fl e x ur e ． W h e n mi n i n g s t r e s s c u l mi n a t e d，rib wo u l d b e b r e a c h e d a t 0 ． 3 5 t i me s o f mi n i n g h e i g h t ，a f t e r wa r d a l l r i b s p a l l e d． Us i ng s pe c i a l s u p p o r t a n d r e a s o n a b l e mi n i n g t e c h n i c s c a n p r e v e n t a n d c u r e rib s pa l l i n g．T h e s pe c i a l s u p po i n c l u d e d t ha t a d d i n g t h e y i e l d l o a d，r e d u c i n g d i s - t a nc e o f t i p f a c e，i n c r e a s i n g t h e s e c o n d a r y p r o t e c t i n g b o a r d．Mi n i n g t e c h n i c s i n c l u d e d t h a t mo v i n g t h e s u p p o n e a r - l y wi t h r o o f us i n g e l e c t r o h y d r a u l i c c o n t r o l ，mo v i n g t h e s u p p o i n t i me，t i me o f mo v i n g t h e s u p p o rt l e s s t h a n 8 S ． Ke y wo r ds f u l l y me c h a n i z e d mi n i n g wi t h g r e a t mi n i n g h e i g h t ；rib s p a l l i n g；s u pp o s t r e s s ；d i s t a n c e o f t i p f a c e； d o u b l e p r o t e c t i n g b o a r d 1 大采高综采煤壁易发生片帮 大采高条件下综合机械化采煤过程中，煤壁片帮始终是影 响工作面实现高产高效的主要原因之一． 图 1 为某矿大采高工作面煤壁前方破坏区面积与工作面长度、采高以及不同采高下煤壁前方支承压力的三 维数值模拟结果 J ，由图1 可以看出，随着采高加大、工作面长度加长，煤壁前方破坏面积、支承压力峰 值与范围均明显加大 ，更易发生煤壁片帮冒顶．图 2为不同采高下围岩活动范围的模拟结果，由图 2可以 看出，随着采高增大 ，顶板活动范围明显加大，顶板断裂线前移 ，顶板岩层在增加对支架外载的同时加大 了煤壁前方破坏区的范围，导致煤壁易于发生片帮 冒顶． 文献[ 2 ] 对某矿大采高工作面煤壁片帮情况进行 了统计分析，片帮深度分别为 ≤3 0 0 ，3 0 0～ 6 0 0 ， 6 0 0 ～ 1 0 0 0 ，≥1 0 0 0 m m时， 对应的主要分布时期分别为正常推进、正常推进、来压时期、来压时期；相 应的频率分别为4 3 ％ ，1 6 ％ ，3 1 ％ ，1 0 ％．可看出，片帮频率高 、深度大，深度 3 0 0 mm以上 占近 6 0 ％． 收稿 日期 2 0 0 8 1 0 1 5 责任编辑 柴海涛 作者简 介宁宇 1 9 5 6 一 ，男 ，河北乐亭人 ，研究员 ，博士生导师 ．Em a i l n i n u c c r i ． c o n ． c n 第 1 期 宁宇大采高综采煤壁片帮冒顶机理与控制技术 5 1 吕 ＼ 目 j 盂 督 图 1 煤壁破坏面积与采高、工作面长度关系及支承压力与采高的关系 F i g ． 1 R e l a t i o n s h i p o f wa l l b r e a k i n g a r e a a n d mi n i n g h e i g h t ，wo r k f a c e l o n g a n d r e l a t i o n s h i p o f s u p p o r t s t r e s s a n d mi n i n g h e i g h t 图2 不同采高时顶板的垮落情况 F i g ． 2 R o o f c a v i n g c o n d i t i o n w i t h d i f f e r e n t mi n i n g h e i g h t 2 大采高综采煤壁片帮机理 图3 为用 F L A C 。 软件对某矿大采高工作面煤壁应力模拟结果，依此提出煤帮为上端简支、下端固支 的受力杆分析模型．经计算煤壁的最大变形点在 上端 0 ． 3 5倍采高处 ，其 片帮机理 在采动应力 作用下 ，煤壁先发生较小的挠曲变形 ，达到极值 时，将在煤壁 上部 0 ． 3 5倍采 高处 产生破裂 ，之 后煤壁全部片落． M FP 一 Mo x ／ h， 式中， 为 截面形心的弯距，N I ll ；F 为煤 壁所受垂 直方 向压 力 ，N； 为煤 壁挠 度 ，i n ； 为煤壁固定端力矩 ，N in；h为采高，in． ＼ 图3 压杆的受力模型 Fi g ． 3 Th e mo d e l o f s u p pr e s s e d s h a f t 再由M一 E h o ” ， 得微分方程E h o F P M o x ／ h ， 解得 C 1 c 0 s K x C 2 s i n K x , vl 0 ， 由 边界条 1’ P， 件 ①当 0 时 ， 0 0 ； ②当 h 时 ， 0 ， 得 到 [ 音 1 ． 0 2 s i n 4 ． 4 9 音 ] ． 当 s i n 4 ． 4 9 x ／ h 1时，∞取最大值 ，求得 0 ． 3 5 h ．该式表 明，边界条件为一端铰支、另一端 固支时， 其侧向最大位移在煤壁上部0 ． 3 5 倍采高处，支架护帮板的高度应不小于采高的0 ． 3 5 倍． 3 大采高综采煤壁片帮可控性因素分析 研究表明，对片帮冒顶可控的4 个主要影响因素为支架垂直作用力、支架水平作用力、端面距、支架 合力作用点距工作面煤壁距离．图4为利用有限元模拟了不同参数下顶板应力场变化情况． 图 4 a 为立柱压强为 0 ． 5 ，0 ． 9 M P a时顶板应力场模拟结果 ，可以看出，端面与顶部拉应力区明显 ／ 5 2 煤 炭 学 报 2 0 0 9 年第3 4 卷 图 4 不同参数 下的顶板应力场 F i g ． 4 S t r e s s d i s t r i b u t i o n o f r o o f wi t h d i f f e r e n t p a r a me t e r s 减小．图 4 b 为立柱压强 0 ． 5 M P a ，而支架水平作用力为 0 ，3 0 0 k N时顶板应力场模拟结果 ，可 以看 出，随着支架水平作用力增大 ，拉应力区相应减小．图 4 e 为立柱压强 1 ． 3 MP a ，而端 面距为 0 ． 2 5 ， 0 ． 5 0 m时模拟结果 ，不难看出，缩小端面距 ，亦可减小端部和顶部拉应力区的大小． 4 大采高综采煤壁片帮冒顶控制技术 由前面分析可以看出，大采高综采发生片帮是必然的，而且随着采高的加大，将愈加严重．改善端面 片帮冒顶的途径 ① 应设法提高无立柱空间顶煤的稳定性，尽可能缩小端面距 ，提高支架工作阻力 ，维 持支架合力作用点距煤壁距离基本不变；② 要设计合理的支架结构；③工艺上要采煤机过后即时移架， 使无立柱空间及时全封闭． 以神华万利一矿大采 高综采工作 面为例．支架端面距控制在 5 0 0 m m 以内；支架工作 阻力设计 为 8 0 0 0 k N；支架二级 护帮机构 一级 护帮高度 为 1 。 2 m，总护 帮高度 1 ． 8 I l l ，护帮力 2 4 8 k N，护顶力 1 0 2 k N ．回采工艺 电液控制系统实现带压擦顶移架 、及时移架 ，移架时间控制在 8 S以内． 5 结 论 1 大采高综采煤壁易发生片帮 冒顶，其机理 在采动应力作用下 ，煤壁先发生较小 的挠曲变形 ， 达到极值时，将在煤壁上部 0 ． 3 5倍采高处产生破裂 ，之后煤壁全部片落． 2 控制片帮 冒顶可采取特种支架与合理地 回采工艺．特种支架为提高支架工作阻力 、缩小端面距、 二级护帮机构 ；回采工艺为电液控制系统实现擦顶移架、及时移架，移架速度在 8 s以内． 参考文献 [ 1 ] 吴健，张海戈，田楚华，等． “ 三软”厚煤层综放开采架前 冒顶的研究 [ J ] ．矿山压力与顶板管理，1 9 9 4 ，1 1 1 1 01 4 ． [ 2 ] 尹希文，闫少宏，安宇．用 “ 压杆”理论分析大采高综采面煤壁片帮特征 [ J ] ．采矿与安全工程学报，2 0 0 8 ，2 5 2 2 2 2 2 2 5 ． Yi n Xi w e n，Ya n S h a o h o n g ， An Y u ． C h a r a c t e r s o f t h e r i b s p a l l i n g i n f u l l y me c h a n i z e d c a v i n g f a c e w i t h g r e a t mi n i n g h e i g h t [ J ] ．J o u r n a l o f Mi n i n gS a f e t y E n g i n e e ri n g ，2 0 0 8 ，2 5 2 2 2 2 2 2 5 ．