极近距离煤层下层煤采场顶板结构与控制.pdf

第3 5卷第 2 期 2 0 1 0年 2月 煤 炭 学 报 J O UR NAL OF C HI NA CO AL S OC I E T Y Vo 1 ． 35 No ． 2 F e b ． 2 0 1 0 文章编号 0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 1 0 0 2 0 1 9 0 0 4 极近距离煤层 下层煤 采场顶板结构与控制 朱 涛， 张 百 胜， 冯国 瑞， 张绪 言， 康立 勋 太原理工大学 矿业工程学院 ， 山西 太原0 3 0 0 2 4 摘要 为进一步发展项板岩层控制技术 ， 针对极近距 离煤层开采时下层煤的顶板岩层结构特点， 构建 了“ 散体 一 块体” 顶板结构模型。运用散体和块体理论， 对极近距 离煤层下层煤工作面下位直 接顶岩层结构的稳定性进行了力学分析， 揭示了下层煤开采时端面顶板 冒落的机理。以下层煤顶 板岩层结构和工作面支架载荷为研究对象， 通过力学分析研究了工作面的支架载荷， 得 出了支架载 荷的确定方法， 在此基础上以大同矿 区极近距 离煤层为研 究对象， 通过现场实测进一步论证了该方 法的客观性与实用性。 关键词 极近距 离煤层； 岩层结构； 顶板控制； 稳定性 中图分类号 T D 8 2 3 ． 8 1 文献标志码 A Ro o f s t r uc t ur e a nd c o nt r o l i U t h e l o we r s e a m mi n i n g fie l d i n t he ul t r a． c l o s e mu l t i pl e s e a ms ZHU Ta o， ZHANG Ba i s h e n g， F ENG Gu o r u i ， Z HANG Xu y a n， KANG L i x u n C o l l e g e o fMi n i n g E n g i n e e r i n g ， T a i y u a n U n i v e r s i t y of T e c h n o l o g y ， T a i y u a n 0 3 0 0 2 4， C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o d e v e l o p q u a n t i t a t i v e t e c h n i q u e o f t h e r o o f c o n t r o l ， i n a c c o r d a n c e wi t h t h e r o o f s t r u c t u r e c h a r a c t e r i s t i c o f t h e l o we r s e a m mi n i n g i n t h e u l t r a c l o s e mu l t i p l e s e a ms ． t h e “l o o s e n b l o c k y ” r o o f s t r u c t ur e mo d e l wa s c o n - s t r u c t e d ． Th e s t a b i l i t y o f t h e l o we r i mme d i a t e l y r o o f s t ruc t u r e wa s a n a l y z e d i n t h e l o we r s e a m mi n i n g i n t h e u l t r a c l o s e mu l t i p l e s e a ms b y t h e l o o s e n a n d b l o c k y t h e o r y ， t h e r o o f f a l l i n g me c h a n i s m wa s e x p o u n d e d i n t h e l o we r s e a m mi n i n g ． T h e r o o f s t ruc t u r e o f t h e l o w e r s e a m a n d t h e s u p p o r t l o a d i n w o r k f a c e w e r e r e g a r d e d a s o b j e c t o f s t u d y ， t h e s u p p o l o a d i n wo r k f a e e wa s r e s e a r c h e d b y me c h a n i c s， t h e c o n f i r me d me t h o d o f s u p po rt l o a d wa s o b t a i n e d．On t h e b a s i s o f t h e a b o v e a c h i e v e m e n t s ， t h e u l t r a c l o s e m u l t i p l e s e a m s o f D a t o n g m i n i n g a r e a w a s r e g a r d e d a s o b j e e t o f s t u d y ， t h e o b j e c t i v i t y a n d p r a c t i c a b i l i t y o f t h i s me t h o d w e r e ma d e f u r t h e r d e mo n s t r a t i o n b y o n - s i t e p r a c t i c a l me a s u r e me n t ． Ke y wo r ds u l t r a c l o s e mu l t i p l e s e a ms ； s t r a t a s t ruc t u r e； r o o f c o n t r o l ； s t a b i l i t y 国内大同矿区、 新汶矿区、 义马矿区等都存在极 近距离煤层开采的问题 。 目前 ， 国内对极近距 离 煤层的开采仅进行了经验性 、 实践性 的定性研究， 国 外对此方面的研究成果还未见报道 。研究极近 距离煤层下层煤采场顶板岩层结构与控制， 对这些矿 区继续实现高产高效和可持续性发展具有重要意义。 层煤下位直接顶 由于受到上层煤采动损伤的影响， 可视为块体结构 。下位直接顶上方为上层煤开 采后垮落的矸石 ， 作为其上位直接顶 ， 可视为散体结 构。建立的“ 散体 一块体” 结构模型如图 1 所示。 2 下层煤下位直接顶结构稳定性分析 1 近距离煤层下层煤采场上覆岩层结构特示 。 筹蔷 篓 蒿 袭 器 辜 征 只 看 豪 出 lB 荚 极近距离煤层下层煤开采时， 两煤层间岩层 下 的中下部， 大部分出露； c类块体位于顶板的最下部， 收稿 E t 期 2 0 0 9 0 7 1 9 责任编辑 常琛 基金项目 国家自然科学基金资助项 目 5 0 7 0 4 0 2 4 ； 山西省青年科技研究基金资助项 目 2 0 0 7 0 2 1 0 2 4 ； 太原市技术创新计划资助项目 0 8 0 3 0 0 3 ； 太原理工大学校科技发展基金和矿业启明星计划资助项 目 作者简 介 朱涛 1 9 8 2 一 ， 男 ， 山东 济宁人 ， 博士研究 生。Ema i l z h u t a o 3 5 7 y a h o o ． e o m ． a n 。联系人 冯国瑞 ， l 0 3 5 18 8 3 5 6 5 9 ， E mail f g u o r u i 1 6 3 ．c o rn 第 2期 朱涛等 极近距离煤层下层煤采场顶板结构与控制 1 9 1 完全出露。 式中， 为块体厚度； M 为任意截面上的弯矩； 为任意截面的惯性距。 当任意截面上的最大拉应力 o r 大于其抗 拉强度 时， 岩块产生破断。 A、 B类块体产生破断时所需的 q y 为 图 1 “ 散体 一块体” 结构模型 F i g 1“ L o o s e n b l o c k y ”s t r u c t u r e mo d e l q 图 2 “ 块体 ” 结构模型 F i g ． 2“ b l o c k ” s t r u c t u r e mo d e l “ 块体” 结构顶板的失稳一是块体沿裂隙面产生 的剪切滑移失稳； 二是由块体在各种载荷作用下的脱 落失稳。可运用块体理论对其稳定性进行分析 。 根据图 3所示 的模型 ， A类块体 ≤L ／ 2 和 B 类块体 L ／ 2 任意横截面上所受的剪力 Q 为 Q 2 ta n 导 ≤ L ／ 2 g 2 ta n 导 - 2 q y 一 口 c 。 s 詈 2 ta n 詈 L ／ 2 式中， q y 为块体所受的竖 向载荷集度 ； 为从 坐标原 点到任意横截面的距离 ； n为块体的边长 ； 为块体出 露部分两边的夹角； 为块体沿 轴线的长度。 图3 A、 B类“ 块体” 结构力学模型 F i g ． 3 S t ruc t u r e me c h a n i c s mo d e l o f A ， B c l a s s b l o c k 任意截面上的最大拉应力为 m a x ≤ L ／ 2 3 2 ⋯。 s 詈 g 2 ⋯s 一 L ／ 2 ≤ 2 ⋯ s 詈 一 3 2 ⋯。 s 詈 。 1 L ／ 2 由式 1 可知， A类块体较 B类块体在破断时所 需的q y 大。在相同载荷集度的作用下， B类块体在端 面产生破断的可能性较 A类块体大。当B类块体破 断成 c类块体后， 原来由 B类块体所承受的载荷会 转移到 A类块体上， A类块体在新的载荷作用下产 生破断。 由以上分析可得工作 面端面顶板 冒落的动态过 程 c类块体失稳一载荷转移至 A 、 B类块体一A 、 B 类块体失稳一连锁反应 整个结构失稳一工作面端 面发生冒落。 3 下层煤采场支架受力分析 下层煤采场支架支护 的直接对象是受上层煤采 动影响的裂隙块体和采空区垮落的松散矸石 。即 支架顶梁受裂隙块体和松散矸石载荷的作用， 掩护梁 受松散矸石载荷的作用 。 3 ． 1 支架顶梁的受力分析 块体上方垮落矸石呈压力拱结构 ， 图4为矸 石拱的平衡分析 图， 图中 F为拱脚 限制拱外 移所产 生的摩擦力。压力拱 内矸石间的拉应力为 0 ， 则弧段 内任意一点对 B ， Y 的力矩 ∑ 0 ， 即 2 ． 一 0 式中， 为拱顶推力 ； g为拱上部载荷。 q l 』 l J 』 l l 』 D 、＼＼ 一 】 Bx,y， ＼ ＼ ． ＼ b 图4 松散矸石拱的平衡分析 Fi g ． 4 Ba l a n c e a n a l y s i s o f l o o s e r o c k r e f u s e a r c h 煤 炭 学 报 2 0 1 0 年第3 5 卷 为了使拱的稳定性有富余， 取 z h 1f q b 式中， 丁 为增加拱稳定性富余所需的附加剪切力强 度 ； h 为拱 的高度 ； _ 厂为普氏系数 ； b为 1 ／ 2拱 的跨 距 。 当 b ， Yh 时 2 f h 1 6 gg 6 一 2 ； 令 0 ， 则松散矸石拱的最大高度为 on 手 设 。 为下层煤工作面的控顶距， 则可近似 L 。 2 6 ， 则散体矸石作用在工作面上方块体结构上的竖 向 载荷集度 q y 为 L q y 式中， 为拱内散体矸石的平均容重。 则支架顶梁所承受的最大载荷集度为 Pd 式中， y 为块体岩层的平均容重 ； h 为块体岩层的高 度。 3 ． 2支架掩护梁受力分析 支架掩护梁受力模型如图 5所示 ， 掩护梁后方散 体矸石处于3个不同的应力场内， 分别为A B C 、 A C ID 和A D E ， 其中A B C 、 A D E为均匀应力场， A C D为极射 应力场 ] 。 f q 1 1s i n 一C c o t A 曰 E 区 i 手 2 r g 2 1一s i n 一C o o t A 。 E 区 i 等 ， 3 式中， q 为作用在与支架顶梁后部水平延长方向的垂 直载荷； 为主应力参量； 为散体矸石的内摩擦角； c为散体矸石的内聚力； 为主应力 与 轴的夹 角； q 为作用在掩护梁 A E上的载荷； 为掩护梁与垂 线的夹角。 滑移线 B C D E满足滑移线方程 o - 0 Or xd 2 t a nv d ／ 3 即 0e ‘ 妒 一 咖 ’ 4 为滑移线 B C D E开始线， 由式 2 得 图 5掩 护 梁 赏 力模 型 F i g ． 5 Me c h a n i c mo d e l o f s u p p o s h i e l d 。 詈 5 A E为滑移线 B C D E终止线 ， 由式 3 得 , ／ - g 6 对于理想松散体 ， C 0， 由式 5 、 6 得 g a n 子一 e “ 松散矸石载荷集度 g 可近似等于作用在“ 块体” 结构上的竖向载荷集度 g ， 即 L。 y g 1 可 则支架掩护梁受到的合力 P 为 P ， ta n 2 子一 等 e 2a 式中， 。 为掩护梁的长度； s为掩护梁的宽度。 掩护梁所受的水平推力 P ] 为 P 3h ．s L eT ta n 2 寻一 詈 e n c o s 掩护梁所受的垂直压力 尸 ] 为 Ls L eT ta n 2 号 一 詈 e a s i 4 实例计算 大同煤矿集团王村煤矿 8 4 0 6 、 8 4 0 7 、 8 8 0 1工作面 选用 Z Y 5 0 0 01 6 ／ 2 7 ． 5型 液压 支 架， 支 架宽 度 为 1 ． 5 m， 最大控顶距 4 ． 6 6 n l ， 顶梁控顶长度 3 ． 8 7 5 m， 掩护梁长度 1 ． 5 7 9 m， 掩护梁与垂线夹角为 3 O 。 。大 同煤 矿 集 团 四 台 煤 矿 8 4 2 3 、 8 4 2 7工 作 面 选 用 Z Z S 6 0 0 0 ／ 1 7 ／ 3 7 A型液压支架 ， 支架宽度 1 ． 5 m， 最大 控顶距 5 ． 6 9 m， 顶梁控顶长度 4 ． 9 5 m， 掩护梁长度 2 ． 1 5 m， 掩护梁与垂线夹角为 2 0 。 。上覆岩层平均容 重取 2 5 k N ／ m ， 散体矸石的普氏系数为0 ． 1 3 ， 内摩擦 角为2 8 。 。计算支架所受顶板垂直载荷与实测结果 对比见表 1 。由表 1可以得出， 理论计算结果与实测 结果基本一致。 第 2 期 朱涛等 极近距离煤层下层煤采场顶板结构与控制 1 9 3 表 1 理论计算结果和实测结果的对 比 Ta b l e 1 Co n t r a s t o f t h e o r y c a l c u l a t i o n a n d ac t ua l me a s u r e me nt kN 5 结 论 1 根据极 近距离煤层 下层煤开采时 的顶板岩 层结构特点 ， 构建了“ 散体 一 块体” 顶板结构模型。 2 运用散体和块体理论， 对极近距离煤层下层 煤采场下位直接顶岩层结构 的稳定性进行了力学分 析， 揭示了工作面端面顶板冒落的机理和动态过程。 3 推导出了 A、 B类块体产生破断时所需的竖 向载荷集度公式 ， 得 出在相 同载荷集度 的作用下 ， B 类块体在端面产生破断的可能性较 A类块体大。 4 推导出了支架顶梁及掩护梁受力的计算公 式， 并在现场实践 中得到了验证 。 参考文献 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] 朱涛． 极 近距离煤层刀柱采空 区下长壁 开采矿 山压力及其 控 制研究[ D] ． 太原 太原理工大学 ， 2 0 0 7 ． Z h u T a o ． S t u d y o n l o n g wa l l mi n i n g p r e s s u r e a n d c o n t r o l b e n e a t h t h e a r e a mi n e d wi t h l o n g wall - 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s e a m s a n d i t s g r o u n d p r e s s u r e b e h a v i o r [ A ] ． T h e 2 4 t h I n - t e r n a t i o n a l C o n f e re n c e o n G r o u n d C o n t r o l i n Mi n i n g[ c] ． 2 0 0 5 l 1 0 1 1 3． [ 1 2 ] 李红涛， 刘长友 ， 汪理全． 上位直 接顶“ 散体拱” 结构 的形 成及 失稳演化 [ J ] ． 煤炭学报 ， 2 0 0 8， 3 3 4 3 7 83 8 1 ． L i Ho n g t a o。 L i u C h a n g y o u． W a n g L i q u an ． Ge n e r a t i n g a n d d e s t a b i l i - z a t i o n e v o l u t i o n a r y o f g r a n u l a r a r c h s t r u c t u re o f u p p e r i mme d i a t e r o o f [ J ] ． J o u rna l o f C h i n a C o a l S o c i e ty， 2 0 0 8， 3 3 4 3 7 83 8 1 ． [ 1 3 ] 于海勇， 阎保金． 放顶煤综采工作面支架受力研究[ J ] ． 岩石力 学与工程学报 ， 1 9 9 4， 1 3 3 2 6 1 2 6 9 ． Yu Ha i y o n g ， Ya n S a o j i n ． An aly s i s o f s u p p o r t m e c h a n i c c h a r a c t e rs i n t o p c o al c a v i n g w o r k f a c e [ J ] ． C h i n e s e J o u rnal o f R o c k Me c h a n i c s a n d E n g i n e e ri n g ， 1 9 9 4， 1 3 3 2 6 1 2 6 9 ．