放顶煤采场前支承压力分布特征.pdf

第 3 2 卷第 3 期 2 0 0 1年 5月 太原理工太学学报 J OURNAL OF TAI YUAN UNI VERS I TY OF TECHNOLOGY Vo【3 2 No．3 M ay 2 001 文 章 编 号 1 0 0 7 9 4 3 2 2 0 0 1 0 3 0 2 1 6 0 3 放顶煤采场前支承压力分布特征 靳钟铭， 魏锦平 靳文学 太原理工大 学采 矿工程研究 所 泽 州县科 委 摘 要 ； 运 用 理 论 分 析 、 相 似 模 型 实 验 和 现 场 实 剐 ， 系 统 研 究 了 放 顶 煤 采 场 前 支承 压 力 的 分 布 规 律 厦 其 主 要 影 响 因 素 ， 得 出 支 承 压 力 表 连 式 3 、 7 是 可 信 的 ， 塑 性 区 宽 有 利 于 顶 煤 压 裂 峰 值 低 影 响 硬 煤 冒 放 ， 放 顶 煤 一 班 采 厚 是 有 限 的 。 关 键 词 被 顶 煤 采 场 ； 前 支承 压 力 ； 塑 性 区 ； 一 班 采 厚 中 国 分 类 号 TD8 2 3 ． 4 9 文 献 标 识 码 A 放顶煤开采的基础是采场前支承压力对顶煤的 压裂 ， 否则顶煤不能及时冒落或冒落块度大 ， 放出率 低 ， 也就失去了放顶煤的意义 ， 了解和掌握放顶煤采 场前支承压力的分布特征 ， 是针对性地确定顶煤 冒 放控制参数的前提， 本 文从理论 分析到现场实测和 模拟实验， 系统 阐述放顶煤采场前支承压力的分布 特征 ， 供开采实践中提高顶煤放出率参考 。 1 塑性 区内前支承压力 的分布 由极限平衡 区支承压力表达式[ 1 ] 知 ， Ⅳ -e x p 『 1 】 ㈤ ， I 十 s 【n J f 式中 N。为工作面煤壁 的 自撑 力， 在放顶煤工作面 为煤壁上方顶煤的 自撑力， 此处存在有垂直煤壁方 向的水平应力， 而不是 自由面， 故 v 。 为 Ⅳ 。 一 t ‘ } 三 ， 即煤体 的 自撑力 r c 。 t P除以侧压系数 一 ， 故放顶煤采场前支承压力塑性区内的表达式为 一c。t 蛰 x 等 婶 x p l J 。 3 令 KV H， 则放顶煤采场前支承压力 ， 峰值点距 煤壁 的距 离 。 为 2270 一 2 f 1喜s in p ln l“ o c o t 1 s i n【 4 一 一 “ ⋯ 由式 【 3 和 4 可知 ， 故顶 煤 采场 由于煤 厚 的成倍 增 大， 与同样条件下单一长壁采场的 相比， 要有 所 减 小 ， 特 别 是 峰值 KT H 要 有 所 降 低 ． 但 z 值 增 大 ， 而 且 还 有 系 数 } 宝 的 加 强 ， 也 就 是 说 放 顶 煤 采场的压裂 区 塑性 区 范围加 大了， 这有利于顶煤 的充 分压裂 图 1为单一长壁采场支撑 系统 ， 前支撑系统的 刚度 为K ， 围 1单 一 长 墨 采 场 直 年 系 境 其压 缩应 变量 为 嘉 ， E 1 为直接顶 的压缩应 变， S 为直接 顶的初 次下沉 量 ， 亦即煤层压缩量 ， m 为煤厚 。由于 E 1 很小 ， 忽略 不计 ， 则前支承压力又可表示为 口 一 K墨 t -K z L- m， 5 口 一’t 5 图 2为放顶煤采场支撑系统 ， 其 一 ， K 和 K 分别为顶煤和底煤 的剐度， 一般 K 一K 基金项 目 国家自然科学基金重点资助项 目c 5 9 7 3 4 0 9 0 作者简秆 靳钟铭 ． 男 ． 1 9 4 0年 1月生 ． 博导 ， 教授 ， 研究方向 矿山压力与采煤工 艺． 太原 ， 0 3 0 0 Z 4 收 稿 日期 2 0 0 0 1 0 3 1 维普资讯 第 3期 靳钟铭 等 放顶 煤采场前 支承压力分布 特征 嘉 ， 故 放 又表 示为 顶煤采场前支承压力 于 m 值成倍增大， 故支承压 力会相应减少 。 q一 西 K z K 2 S , ． 6 q 一 ’ 比较式 5 和 6 可知， 放顶煤的前支承压 力及其峰 值 小， 但是由于其后方采空 区矸石的不规则 冒落带 高度大 ， 相对K 的值小 ， 其后支承压力及其峰值也 小 ， 相应地增大 了前支承压力值， 因此对顶煤的压裂 也 是 有利 的 。 图 2 盘丽煤采场支捧暴统 2弹 性 区 内支 承 压 力分 布 在弹性区取出一微元体 图 2 ， 分析其 受力状 态可知 ， 向力的平衡方程为 m T d 一 m 2 fd x一 0 ． 令 卢 ， d 一fl d o ， 代人上式求解得 C e x p 一 笳 ， 当 o 时 ， “KT H， 代人上 式得 c K 7 H e x p f 器 z 。 ． 则 弹性 区内支 承压 力表 达式 为 x p f 器 c 。 一 z ． 由静水应力状态下园孔应力分布知 一 乏 一 ． 非静水应力状态的侧压系数为 一 1 一 则 { 1 ． 式中 的 r 一 ， r为图 3的 ， 所 以 p 一 [ 8 式 7 ， 8 构成了弹性 区内支承压力分布表达 式， 即负指数函数的分布特征， 对 于综放 面来说， 由 z 弹性 区受力分布 3相似材料模型对比试验结果 用 1 3 0几何 比的相似材料模型模拟阳方 口煤 矿 5号层的放顶煤和分层开采所测支承压力分布状 况 ， 煤厚平均 1 0 m， ，一1 ． 5 ～2 ． 0 ， 采深 2 3 0 m， 用四 个 分层开采时 ， 第一分层的支承压力峰值点位于工 作面前方平均 5 ． 2 m， 应力集 中系数平均 2 ． 4 9 ， 支承 压力分布范围在工作面前方 2 7 m 内。而放顶煤开 采时 ， 支承压力峰值 点位 于工作面前 方平均 ． 1 m， 应力集 中系数平均 1 ． 9 5 ， 支承压力分布范围在工 作面前方 3 6 m 内， 说 明放顶煤开采使顶煤 的塑性 区范围加大了 5 ． 9 m， 弹性 区范围加大了 3 ． 1 m． 整 个支承压力分布范围加宽 了 9 m， 而应力集 中系数 却降低了 0 ． 5 4 ， 它与前述 3 ， 7 式 的理论分析是 一 致 的， 造成 塑性 区加 大， 峰值降低的原因有二 一 是放顶煤增加 了较厚的煤顶， 使工作面前方支撑 系 统的综合刚度降低 ； 二是采空区矸石堆 的碎胀 系数 大了， 相应的支撑刚度小了， 因而表现出了分布范围 特别是塑性区的范 围增大了 表 1 放顶 煤采场实测支承压 力分布 工作 面 煤厚 煤 的坚固 塑性 区宽 支承压力 矿名 编号 ／ m 性系数 ， 度／ m 分布 范围／ f 【 l 王 庄 矿 l 5 ～ 2 5 王庄矿 B ． 4 l 1 5 ～2 5 1 古书院矿 l 3 3 0 6 3 g 8 2 1 忻 州窑矿 8 9 l 6 8 2 9 3 5 1 5 忻 卅 『 窑 矿 8 9 l 4 3 5 五 阳 矿 7 5 O 6 7 ． 0 0 ． 6 ～ l _ 0 石虼节矿 2 3 l l 6 ． S 2 1 ． 5 ～2 0 魏家地矿 旗山矿 l _ 0 2 2 4 综放面实测支承压力分布 表 1为几个放顶煤工作面实测的支承压力分布 情况 ， 由表可知 ， 放顶煤工作面前支承压力的峰值点 位 置变化在 7 ～Z O m， 煤质愈硬其值愈小， 煤质愈软 其值愈大， 其原 因是软煤的前方支撑系统综合刚度 维普资讯 太 原 理 工 大 学 学 报 第 3 2卷 更低 ， 塑性区更宽， 这就是软煤易超前支架尾部 冒落 的原因， 顶煤 冒落角往往大于 9 O 。 。众所周知， 单一 长壁综采面前支承压力的峰值点位置一般距煤壁 3 ～ 1 5 m， 显然放顶煤加大 了 5 m左右。表中支承压 力的分布范围变化在 2 1 ～5 0 m， 同样是煤质愈软 ， 范围愈大 ， 单一长壁综采面支承压力分布范围一般 是 l 5 ～4 0 m， 显然放顶煤也加大了 6 ～1 0 m． 5 影响支承压力分布 的主要 因素 影响放顶煤采场支承压力分布的主要因素有 1 煤层性质。这里主要指 的是煤的强度 ， 也就 是 3 、 7 式 中的 v o ． 等参数， 一般 软煤 的支承 压力峰值点距煤壁 l 5 ～2 0 m， 硬煤 5 ～8 m， 软煤 的 支承压力分布范围 4 O ～6 0 I T I ， 硬煤 2 0 ～3 0 m． 2 煤层厚度。实质上主要是指顶煤厚度 ， 顶煤 愈厚， 支承压力峰值点距煤壁愈远 ， 分布范围愈大。 理论分析 4 式 已经证明 ， 表 2为实测忻州窑矿 u ～ 1 2号层综放面的支承压力分布情况， 其规律是由 煤层底板到顶板支承压力峰值点逐渐远离煤壁 ， 分 表 2 忻州 窑矿放 顶煤采场前支承压力分布 峰值 点 支承压力 分布范 围 应力集 中 副点位置 位置／ m 峰 值／ MP a 系数 底板 2 O 3 6 3 0 2 7 7 距底 板 l 5 m 3 3 l 8 ． 6 2 ． 5 3 距顶板 l 5 m 7 l 1 4 ． O 1 2 1 ． 4 顶板 5 7 1 9 7 7 3 8 布范围逐渐扩大， 应力集 中系数逐渐减小。 说 明煤厚 对支承压力分布影响是明显的。 3 顶煤放出率。顶煤放 出率愈高， 采空 区矸石 的刚度愈低 ， 支承压力峰值距煤壁愈远 ， 分布范围愈 大。 王庄矿 4 3 0 9 工作面顶煤放出率 6 7 ． 6 ， 实测支 承压力 峰值点距煤 壁 7 m， 分布范 围 3 0 m， 而该矿 6 1 0 2工作面顶煤放 出率 8 2 ． 3 ， 支承压力峰值点实 测距煤壁 l 】 m， 分布范 围选 5 0 m， 因此采取有效措 施， 提高顶 煤放 出率 ， 也是 改善支承压力分布 ， 提高 顶煤冒放性的重要途径。 6 结 论 1 理论分析所得 ， 放顶煤采场支承压力分布表 选式 3 ， 7 与相似模拟和现场实测结果是一致的． 它反映了放顶煤开采的分布特征 。 2 放顶煤开采与单一长壁开采比较 ， 支承压力 分布范围大、 塑性区的宽度太、 峰值压力相对低 ， 亦 即顶煤压裂 区大 ， 它有利于顶煤的破碎和 冒放 ， 峰值 低对硬煤 冒放有影响。 3 影响综放面支承压力分布的主要 因素是煤 层强度 ， 煤层厚度和顶煤放出率， 随着煤层厚度的增 大， 支承压力的塑性区宽度增大， 但应力集中系数减 小 ， 说明放顶煤开采的一次采厚是有限的。 提高顶煤 放出率也是改善支承压力分布， 提高顶煤 冒放性 的 重要途 径 。 参考文献 [ 1 ] 钱鸣高 捌听成， 矿山压力及其控榭[ M] ． 北京 煤炭工业出版杜 ． 1 9 8 4 ． 5 8 6 4 [ 2 ] 古 叠忠 史 元伟、 齐 庆新， 放顶煤采场顶板运动规律 的研究 _ J ] ． 煤炭学报 ． 1 9 9 6 2 1 1 ； 4 5 5 0 ． [ 3 ] 魏 锦平 靳钟铭 等一 两硬综放矿压 的实验研 究_ j ]太原理工大学学报 ． 1 9 9 9 3 0 3 2 3 1 ． 2 3 5 Di s t r i b ut i v e Cha r a c t e r i s i c o f Fr o nt Abu t me nt Pr e s s u r e i n To p-- Co a l Ca v i ng Fa c e J i n Zh o n g mi n g ， W e i J i n p i n g J i n W e n x u e I n s t i t u t e o f Mi n i n g T e c h n o l o g y o f T【 ， 了 1 S c i e n c e ＆Te c h n o l o g y C o m mi t e of Z e z h o u C o u n t y Ab s t r a c t Th e a u t h o r s y s t e ma t i c a l l y s t u d i e s t h e d i s t r i b u t i v e L a w o f f r o n t a b u t me n t p r e s s u r e a n d i t s ma i n i n f l u e n t i a l f a c t o r i n To p --c o a l c a v i n g f a c e b y a n a l y s i n g t h e o r y， e x p e r i me n t i n g s i mi l a r mo d e l ， a n d o b s e r v i n g s p o t ． Th e f r o n t a bu t me wt p r e s s u r e f o r mu l a 3 、 7 i s r e l i a b l e ． W i d e p l a s t i c a r e a i s a d v a n t a g e o u s f o r To p--c o a 1 f r a c t u r e ． Lo w a b u t me n t e d p r e s s u r e p e a k v a l u e i n f l u e n c e s h a r d t o p c o a l c a v i n g ． Th e t h i c k n e s s o f o n e t i me mi n i n g s e a m i s l i mi t e d i n t o p--c o a l c a v i n g f a c e ． Ke y wo r d s t o p c o a l c a v i n g f a c e； f r o n t a b u t me n t p r e s s u r e ； p l a s t i c a r e a ； t h i c k n e s s o f o n e t i me mi n i n g s e a m 编辑 张爱绒 维普资讯