大采高综采面煤壁片帮特征分析与应用.pdf

第 2 5 卷 第 2 期 2 0 0 8年 O 6月 采 矿与 安全工程 学报 J o u r n a l o f Mi n i n g S a f e t y En g i n e e r i n g Vo 1 ． 25 No ．2 J u n e 2 0 0 8 文章编号 1 6 7 3 - 3 3 6 3 2 0 0 8 0 2 0 2 2 2 0 4 大采高综采面煤壁片帮特征分析与应用 尹希文 ，闫少宏 ，安 宇。 1 ．煤炭科学研究总院 开采研究分 院， 北京 1 0 0 0 1 3 ； 2 ．中国矿业大学 资源 与安全工程学院 ， 北京 1 0 0 0 8 3 摘 要 片帮 问题 是制 约大采 高综采 面安 全 高效 开采 的 主要 因素之 一 ， 为 了弄 清 大采 高工作 面煤 壁 片帮特征 ， 采 用压杆理 论分析 完整 性较好 的煤壁 的挠度 特征 ， 得 到 了煤壁容 易发 生片帮 的位 置 在 煤壁 的 中上部 ， 并与现 场 实测 结果 对比分析 ， 得到 了大采 高综采 面两种典 型的 片帮 形 式 半 煤 壁 片帮和 整个煤壁 片帮． 现 场 采取 了提 高护 帮板 的使 用 率 ， 增加 支架 的 实际初 撑 力和 工作 阻力 ， 及时移架等片帮综合治理措施 ， 减少了工作面煤壁的大块煤片帮现象． 关键 词 压杆理 论 ；大采 高综采 ；煤壁 片帮 ；数值 模拟 中图分类号 TD 3 2 3 文献标识 码 A Ch a r a c t e r s o f t h e Ri b S p a l l i n g i n Fu l l y M e c h a n i z e d Ca v i ng Fa c e wi t h Gr e a t M i ni n g H e i g h t YI N Xi we n ，YAN Sh a o h on g ，AN Yu。 1 ．I n s t i t u t e o f Co a l Mi n i n g ，Ch i n a Co a l Re s e a r c h I n s t i t u t e ，B e i j i n g 1 0 0 0 1 3，Ch i n a ； 2 ．S c h o o l o f Re s o u r c e a n d S a f e t y E n g i n e e r i n g，Ch i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g Te c h n o l o g y ，Be ij i n g 1 0 0 0 8 3 ，Ch i n a Ab s t r a c t Th e r i b s pa l l i n g i s on e o f t he ma i n f a c t or s r e s t r i c t i n g t he s a f e a n d h i gh e f f i c i e n t m i n i n g of f ul l y - me c h a n i z e d c a v i n g wi t h gr e a t m i n n g he i gh t ． I n o r de r t o ma k e c l e a r t he r i b s p a l l i n g f e a t u r e s ，we a n a l y z e d t h e d e f l e c t i on f e a t u r e of c o a l wa l l wh i c h i s g oo d i n i n t e gr i t y b a s e d o n s ha f t t he o r y，s h owi n g t ha t t he pl a c e whe r e r i b s pa l l i n g i s l i ke l y t o t a ke pl a c e i s t h e mi d dl e u p a r e a of c oa l wa l 1 ．Th e i n s i t u m e a s u r e m e n t a n d c o mpa r i s o n s h ows t h a t t h e r e a r e t wo t y p i c a l r i b s p a l l i n g f or m sr i b s p a l l i n g wi t h i n a n h a l f c oa l wa l l a n d t ha t i n t he who l e c oa l wa l 1 ．By t a k i ng t h e m e a s u r e s o f i mpr o v i n g t h e u s a ge r a t e of r i b p r ot e c t i v e pl a t e，i n c r e a s i n g t he s u p po r t ’ S i ni t i a l s u p po t i n g f o r c e a n d r e s i s t a nc e，a n d t i me l y mo v i n g t h e s up p or t s ，l a r g e bl oc ks o f r i b s pa l l i ng c a n b e e f f e c t i v e l y r e d uc e d ． Ke y wo r ds s h a f t t h e o r y；f u l l y me c ha n i z e d mi ni n g wi t h gr e a t mi ni n g he i gh t ；r i b s p a l l i n g；nu me r i c a l s i m l l l a t i on 在 我 国 ， 大 采 高综 采 已经在 西 山 、 邢 台 、 徐 州 、 义 马 、 阜 新 、 龙 口、 开滦 、 铜 川 、 双鸭 山 、 淮 南 、 晋 城 、 神府 等矿 区广 泛 使 用 [ 1 ] ， 以其 回收 率 高、 安 全 性 好 、 生产能力 大 等优 点取得 了可 观的经济 和社会 效 益 ， 被认为是我国厚煤层安全高效开采的主要采煤 方法 之一． 但 是现场 实测 、 理 论计算 、 数值模 拟均 表 明 随着采高的增加 ， 煤壁片帮更加容易发生[ 3 ] ． 煤 壁片帮很容易引起端面冒顶， 导致顶板条件恶化， 支架 受力不 均 ， 引起 支架 部 件损 坏 ， 进 一 步 引发 顶 板事故； 严重的煤壁片帮不仅影响大采高综采面的 正常生产， 损坏工作面装备 ， 而且还威胁人身安全． 因此 ， 防治煤 壁片帮 是大采 高综采 面必须解 决 的问 题之一 ， 只有弄清煤壁片帮机理才能从根本上防治 煤壁片帮， 发挥大采高综采的潜力 3 ． 收稿 日期 2 0 0 7 0 61 5 基金项 目 国家“ 十一 五” 科技支撑计划项 目 2 0 0 6 B AK0 3 B 0 6 作者简介尹希文 1 9 8 1 一 ， 男 ， 江苏省淮安市人 ， 硕士 ， 从事矿 山压力 与岩层控 制方面的研究 E - m i l ； c o o l y x w2 0 0 0 1 6 3 ． c o rn T e l 0 1 0 - 8 4 2 6 4 0 9 7 转 8 1 3 维普资讯 第 2 期 尹希 文等 大采高综采面煤壁片帮特征分 析与应用 2 2 3 分析煤壁片帮的因素较多 ， 力学模型较少[ s 。 ] ， 所有影 响 因素统一起 来分析 有一定 的 困难． 本 文通 过简化 条件 ， 尝试采 用压杆 理论初 步分 析顶板 压力 对片 帮的影 响 ， 探求 完整性 较好 的 中硬煤 壁在 顶板 压 力作 用下 的挠度最 大值点 ， 即煤 壁最 容易 片帮 的 位置． 1 模型的简化 为 简化分 析 ， 计算 煤壁 在顶板 压力作 用下 的挠 度 时作 如下简 化 1 不考 虑煤 壁剪切变 形 煤 壁在 受 压情 况 下产 生 的剪 切 变形 主要 发 生 在 节理 面上 ， 水平 方 向的节理 面在顶 板压 力作 用下 发 生剪切 变形量 较小 ， 而垂 直方 向的剪切 变形 量对 煤 壁挠度 的影 响不大 ， 因此在 分析煤 壁挠 度时不 考 虑 剪切变形 量 的影响． 2 不考虑 煤壁垂 直方 向压缩 变形 数值模拟表 明， 当采 高达到 6 ． 0 m 时， 完整性 较好 的 中硬 煤 壁 的 压缩 变 形 量 最 大值 为 4 ． 6 c m， 对 挠度的影 响较小 ， 分 析此类煤 壁 的挠度特 征 时可 不 考虑煤壁 压缩 变形量 对挠度 的影 响． 3 不考虑煤 壁 的重力影 响 煤壁 的 自身 重 力 对 挠 度 影 响很 小 ， 为 简 化 分 析 ， 不考虑 重力对煤 壁挠 度的影 响． 4 忽略水平 力作 用对煤 壁片 帮的影 响 如图 1所示为 F L A C ∞数值模拟软件得 到的 工作面煤壁主应力分布图 ， 采高 6 ． 0 m 时工作面 前方 煤体所 承受 的主应 力在煤 壁上部 、 中部 和下 部 方 向均不 同． 图 1采 高 6 ． 0 m 时工 作 面前 方 煤 体 主 应 力 图 Fi g． 1 Th e pr i nc i pa l s t r es s o f wal l i n t h e mi ni ng he i t ht o f 6． 0 m 在工作 面上部 ， 最大 主应力 方 向与垂直 方 向有 一 定夹角 ， 且偏向采空区方 向； 煤壁中部最大主应 力方 向基本 垂直 ， 而煤壁 下部最 大主应 力方 向与垂 直方 向有一定夹角， 且偏 向采空区方 向． 煤壁上部 和 下部受顶 底板压 力 的大小 和方 向呈 对称分 布 ， 因 此煤壁所受的水平方向外力大小相等 ， 方 向相反， 互 相抵 消． 基于以上 的简化 ， 对于完整性较好 的中硬煤 壁 ， 分析顶板压力作用下煤壁的挠度特征时可以简 化 为 图 2的受 力模 型 ， 即一端 弹性 支 承 ， 一端 刚性 固定 的受 压杆 ． ＼ ／ 图 2 压杆 的受力模型 Fi g ． 2 Th e mo d e l o f s u p r e s s s e d s h a f t 2 理想压杆的临界平衡状态 理想 压 杆是 指 一 两端球 铰 支 座 的弹性 均 质等 直杆受 毫无 偏心 的轴 向压力作 用 ， 判 断这种 变形状 态是否稳定 ， 可加一微小干扰力 Q， 使杆到达一个 微弯曲线位置， 然后撤消干扰力 ， 如果杆能 回到直 线位 置 ， 则 称初始 直线 位 置 的平 衡状 态 是 稳定 的 ； 如果它 继续 弯 曲到 一个 挠 度 更大 的 曲线 位 置去 平 衡 ， 则 初始 直线位 置 的 平衡 状 态 是不 稳定 的 ； 如 果 它停 留在 干扰力撤 销瞬 时的微 弯 曲线 的位 置不动 ， 则初始 直线 位置 的平衡是 临界平 衡． 压杆可 在直线 位置平 衡 当它不 受干扰 时 ， 又可在微 弯 曲线 位置 平衡 ， 这种 两可性 是弹性 体 系临界平衡 的特 点． 3煤壁的挠 度计算 假 设压 杆处 在临界平 衡状态 ， 根据 小挠度 微分 方程以及端部约束条件确定煤壁的挠度 曲线 ， 求得 煤壁在 顶板压 力作 用下 的挠度最 大值 ， 即煤壁 容易 失稳位 置． 力 学分析 模 型见 图 3 ． 1 厅 l l I 厅 a C o c d J 图 3 一端弹性支承另一端 刚性 固定 的煤壁 Fi g ． 3 Th e mo d e l o f wa l l wi t h o n e e n d s u p p o r t e d e l a s t i c a l l y a nd t h e o t he r f i x e d 培 4 0 ～ ■■圜嗣H囝 ● 维普资讯 2 2 4 采矿与安全工程学报 第 2 5卷 图 3 a为一端固定另一端 弹性支承的煤壁． 设 固定端力矩为 Mo ， 采高为 h， 当弹簧 刚度较大时 ， 杆体端部不发生侧向位移． 根据杆件的整体平衡条 件， 两端有水平反力 Mo ／ h ． 取 z截面以下部分 为 分离体如图 3 c ， 以 z截面的形心为中心建立力矩 平衡 方程得 M F。 c ￡ J Mo x／ h， 1 式 中 M 为 z 截 面形 心 的 弯距 ， N m； F 。为煤 壁 所受垂直方向压力 ， N； 为煤壁挠度， m； Mo为煤 壁固定端 力矩 ， N m； h为采 高 ， m． 再 由 M一El o f 得 微分 方程 EJ c ￡ J F。 c ￡ J Mo x／ h， 2 或 K。 c ￡ J M而 o x ， 3 1 J，￡ 式中 EI 为煤壁的弯曲刚度 ， K。 一F ／ EJ ． 微 分 方 程 3 的 解 是 甜 c c 。 s Kx C z s i n Kx M ， 。 o 吾． 由边 界条件 1 当 xO时 ， c o 0 一0 2 当 z时 ， _d o 一0 ． dx 得 到 甜一 M o [ 1 ． 0 2 s in 4 ． 4 9 吾 ] ． 当 s in 4 ． 4 9 一 1 时 ， 取 最 大 值 ， 即 一 2 是 兀 号 是 为 整 数 ， 解 得 z 一 1 ． 3 9 k 0 ． 35 ． 考虑 实际情 况 ， 取 z一0 ． 3 5 h． 此时 的最大值为 ． 上 式表 明 ， 边界 条 件 为一 端 铰 支 、 另一 端 固支 时， 煤壁侧向变形曲线为正弦半波 ， 其侧向位移最 大值点距顶端 0 ． 3 5 h处． 式 5 是在假定煤壁处 于临界状态 下而求得 的， 当顶板压力继续增加 ， 煤壁将首先从距顶板处 失 稳． 图 3 b所示 的弹 簧刚 度较 大 ， 当弹 簧 刚度 减小 到一定 程度 时 ， 随 着 压力 的 增加 ， 还 可 能发 生 如 图 3 d 所 示失 稳形式 ， 即整个 煤壁 失稳． 采用 “ 压杆” 理论分析表明 ， 完整性较好的中 硬煤壁片帮主要有两种形式 一种是半煤壁片帮 ， 在 顶板压 力 的作 用下 ， 煤壁将 发生 正弦波式 的弯 曲 变形， 距底板 0 ． 6 5 倍采高处侧向位移最大， 将首先 失稳； 另一种是整个煤壁片帮， 当煤壁在微小的外 界扰动下， 如采煤机的割煤或移架的影响， 煤壁将 发 生整体 片帮 ． 4现 场 验 证 某 矿大采 高工作 面煤壁 片帮 观测表 明 在开采 初 期 ， 工作 面 片帮现 象较少 ； 随着工 作面推进 ， 开采 高度逐 渐增加 ， 片 帮现 象 加 重 ， 直接 顶来 压 时 煤壁 片帮深度 一般 小 于 1 ． 0 m， 位 于煤 壁 上 方 拐 角处 ， 如 图 4 a ； 基 本顶 初次来 压 时煤壁 有 “ 吱吱” 响 声 ， 顶 板 破碎且 伴 有掉 矸 现象 ， 2 5 ～ 5 7号架 、 9 2 ～1 1 5号 架 顶板严 重破 碎 ， 出现 不 同程 度 的 冒顶 现 象 ， 最大 冒高达 3 m， 最大片帮深度达 1 ． 5 m， 如图 4 b ； 工作 面片帮在采煤机割煤扰动下更加严重． 在采煤机割 煤 的扰 动下 ， 当支架 工 收起 护 帮 板 时 ， 采煤 机 前方 煤 壁 即发 生片 帮 ， 当遇 到 煤质 较 硬 时 ， 容易 出现 整 个 煤壁片 帮 ， 如 图 4 c ． 三 1 ． O a 】 煤壁上部片帮 1 ． 5 b 煤壁上部片帮冒顶 O．2 c 整个煤壁片帮 图 4 某矿 大采 高工作面煤壁片帮素描 m Fi g． 4 The d i s c r i p t i o n of r i b s pa l l i n g i n t h e wo r k i n g f a c e wi t h gr e a t mi n i n g h e i g ht 分析认为 ， 图 4 b所 示的片 帮形式是 由图 4 a的 片帮形 式 引起 的． 因此 ， 工作 面 主要 有 两种 片 帮 形 式， 即半煤壁片帮和整个煤壁片帮． 工作面片帮深度统计如表 1 所示， 片帮深度大 于 3 0 0 mm 的 样 本 数 占总样 本数 的 5 7 ； 现 场 观 测表明， 此类片帮位置均位于采高的中上部． 尽管 煤壁片帮受各种因素的影响， 对于完整性较好的中 硬煤体 ， 最容易失稳的位置是采高的中上部． 维普资讯 第 2期 尹希文等 大采高综采 面煤壁 片帮特征分析与应用 2 2 5 表 1工作面 片帮深度统计 Ta bl e 1 The s t a t i s t i c o f r i b s pa l l i ng 5 控制措施 针对以上大采高工作面煤壁片帮严重的情况 ， 现场 采取 了以下 控制措 施 1 提高 护帮板 的使用 率 ． 在机 组 割煤移 架后 ， 立 即打开护 帮板 护 帮 ； 在机 组 割煤 前 ， 提前 于 采煤 机 1 ～2架才将护帮板 收起 ， 使工作面煤壁始终在 扩帮板 支撑 下． 2 提高支架的实 际初撑力和工作阻力 ， 尽 可 能提高泵站的供液压力， 采用初撑力保持阀提高实 际初撑 力． 3 及 时移架 ， 使 支架顶 梁 顶住煤 壁 ， 及时 调整 工作面的支架歪倒 、 陷底 、 挤架等现象 ， 及时更换损 坏立柱 ， 不 合格管 路和密 封胶 圈 ， 保 证 足够 的初撑 力． 通过采取以上综合措施， 从而控制 了顶板下 沉 ， 减 轻了煤壁 处 的顶 板 压 力 ， 减 少 了工 作 面煤 壁 的大块煤 片帮 现象． 6 结 论 1 采用 压 杆理 论 分 析表 明 ， 完 整 性 较好 的 中 硬煤壁挠度最大值点在 0 ． 6 5倍采高处 ， 由此表 明 煤壁最容易失稳 的位置是采高的中上部 ； 2 通过理论分析 和数值模拟结果 的对 比说 明， 完整性较好 的中硬煤壁片帮主要有两种形式 半煤壁片帮和整个煤壁片帮 ； 半煤壁片帮主要是在 煤 壁 中上 部 发 生 “ 滑 落 ” 式 失 稳 ； 在 采 煤 机 的 扰 动 下 ， 煤壁 还可 能发生 整体失稳 ． 3 根据分析 ， 提出现场防治煤壁片帮的措施 ， 即提高护 帮板使 用率 ， 增加 支架 的初 撑力 和工作 阻 力 ， 及时移 架等 ． 参 考文献 [ 1 ] 涂兴子 ， 康全玉 ， 翟新献．厚煤层分层综 采技术I- M] ． 北京 煤炭工业出版社 ， 2 0 0 2 ． [ 2 ] 弓培林．大采高采场 围岩控制 理论 及应用研究[ M] ． 北京 煤炭工业 出版社 ， 2 0 0 6 4 - 6 ． [ 3 ] 史元伟．采 煤工 作面 围岩控 制原 理和技 术[ M] ．北 京 中国矿业大学 出版社 ， 2 0 0 3 3 - 3 0 ． [ 4 ] 弓培林．大采高采场围岩控制 理论 及应 用研究I- M] ． 北京 煤炭工业出版社 ， 2 0 0 6 4 - 6 ． I- s ] 朱焕 春 ， B R UMME R R ，AND R I E UX P ．节理岩 体 数值计算方法及其 应用 一 方法与讨 论 I- J ] ．岩 石 力学与工程学 报， 2 0 0 4 ， 2 3 2 0 3 4 4 4 3 4 4 9 ． ZHU Hua mc hu n． BRUM M ER R， ANDRI EUX P． Nu me r i c a l me t h o d s a n d a p p l i c a t i o n f o r j o i n t e d r o c k ma s s ，p a r t 1 a p p r o a c h e s a n d d i s c u s s i o n s [ J J ．C h i n e s e J o u r n a l o f R o c k Me c h a n i c s a n d En g i n e e r i n g， 2 0 04， 2 3 2 0 3 44 4 3 4 49 ． I- 6 ] 朱焕 春，B R UMME R R，AN DR I E UX P ．节 理岩体 数值计算 方法 及其 应用 二 工 程应用 I- J ] ．岩 石力 学与工程学报 ， 2 0 0 5 ， 2 4 1 9 0 9 6 ． ZHU H u a n - c hun，BRUM M ER R， ANDRI EUX P． Nu me r i c a l me t h o d s a n d a p p l i c a t i o n f o r j o i n t e d r o c k ma s s ，p a r t 2 a p p l i c a t i o n f o r e n g i n e e r i n g p r a c t i c e [ J ] ． C h i n e s e J o u r n a l o f Ro c k Me c h a n i c s a n d E n g i n e e r i n g， 2 0 05， 2 4 1 9 0- 96 ． [ 7 ] 钱呜 高， 许 家林．岩层控制 中的关键层 理论研究[ J ] ． 煤炭学报 ， 1 9 9 6 ， 2 1 3 2 2 5 2 3 0 ． QI AN Mi n g - g a o ，XU J i a l i n ． Th e o r e t i c a l s t u d y o f k e y s t r a t u m i n s t r a t a c o n t r o l [ J ] ．J o u r n a l o f C h i n a Co a l So c i t y，1 99 6， 21 3 2 2 5 - 2 3 0． 维普资讯