特厚煤层大采高综放开采支架外载的理论研究.pdf

第 3 4卷第 5期 2 0 0 9年 5月 煤 炭 学 报 J OUR NAL OF CHI N A C OAL S OC I E T Y Vo 1 ． 3 4 No． 5 M．d v 2 00 9 文章编号 0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 0 9 0 5 0 5 9 0 0 4 特厚煤层大采高综放开采支架外载的理论研究 闫少宏 煤炭科学研究总院 开采设计研究 院， 北 京1 0 0 0 1 3 摘要 从理论上分析认为 ，特厚煤层综放开采直接顶、老顶范围明显加大；从能否对支架产生 变形压力角度将顶板岩层分为 “ 无变形压力岩层”和 “ 有变形压力岩层” ，并给出了综放支架所 受外载的解析计算式，依此分析 了特厚煤层大采高综放开采 因采厚加 大，“ 有 变形压力岩层” 的 范围将明显加 大，从而导致矿压显现异常强烈的原 因． 关键词 大采高综放开采；采厚 ；需控岩层 ；极限下沉量 ；可能下沉量 中图分类号 T D 8 2 3 ． 9 7 文献标识码 A Th e o r y s t u dy o n t he l o a d o n s up p o r t o f l o n g wa l l wi t h t o p c o a l c a v i ng wi t h g r e a t mi ni ng he i g ht i n e x t r a t h i c k c o a l s e a m YAN S h a o - h o n g C o a l Mi n i n g a n d De s i g n i n g R e s e a r c h I nst i t u t e ，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 On t h e o r y s t u d y，t h e r a n g e o f i mme d i a t e r o o f a n d ma i n r o o f o b v i o u s l y i n c r e a s e d wi t h t o p c o a l c a v i ng i n e x t r a t h i c k c o a l s e a m．Ba s e d o n t h e d e f o r ma t i o n p r e s s ur e o n s u p po r t ，t h e r o o f o f c o a l wa s d i v i d e d i n t o r o c k wi t h o u t d e f o r ma t i o n p r e s s u r e a n d r o c k wi t h de f o r ma t i o n p r e s s u r e． An a l y t i c f o rm u l a o f t h e l o a d o n c a v i n g s u pp o r t wa s p ut f o r wa r d ． Ba s e d o n t h i s f o r mu l a，t h e r e a s o n wa s a n a l y z e d t h a t pr e s s u r e wa s e x c e p t i o n a l i n t e n s i t y wh i l e t h e r a n g e o f r o c k wi t h d e f o r ma t i o n p r e s s u r e o b v i o us l y i n c r e a s e d o f l o n g wa l l wi t h t o p c o a l c a v i n g wi t h g r e a t mi n i ng h e i g h t ． Ke y wo r d s l o ng wall wi t h t o p c o a l c a v i n g wi t h g r e a t mi n i n g h e i g h t ；mi n i n g h e i g h t ；n e e d c o n t r o l l e d r o c k；u hi ma t e s u b s i d e n c e v a l u e；p o t e n t i a l s u b s i de n c e v a l u e 割煤高度为 3 ． 5～ 5 ． 0 m大采高综放开采方法有提高矿 山压力 的破煤作用 ，加大通风断面，加大支架 后部放煤空间，优化采放 比等优点 ，目前我国 1 0 m以上特厚煤层大都采用这种采煤方法 ，并 随着采煤装 备的迅速发展 ，这种采煤方法得到了快速推广和应用 ，如我国的大同塔山煤矿 、平朔安家岭煤矿 、甘肃华 亭煤矿 、陕西彬县下沟煤矿等．这种采煤方法在取得最高月产 1 0 0万 t 的同时 ，实践 中也发现矿压显现异 常强烈 ，有的工作面支架工作阻力达到了 1 3 0 0 t ，也有严重压坏 的现象．这些矿压显现 的新特点启示我 们有必要重新认识 以前的研究成果并对大采高综放开采顶板活动规律进行深入研究 ． 1 综放开采顶板所成结构与直接顶、老顶的判定 我国对于综放开采顶板所成结构较为一致的观点是，顶板岩层依然可形成平衡结构，并在高位形成． 文献 [ 2 3 ]研究认为 1 综放开采有 3 个明显特点① 一次开采厚度大；② 采空区顶板活动空间 收稿 日期 2 0 0 8 0 7 2 8 责任编辑 柴海涛 基金项 目“ 十一 五” 国家科技支撑计划 重大资助项 目 2 0 0 8 B A B 3 6 B 0 1 作者简介 闫少宏 1 9 6 6 一，男 ，陕西武功人 ，研究员，博 士生导师．T e l 0 1 0 8 4 2 6 1 5 8 6，Ema i l y s h 2 8 6 3 v i p ． s i n a ． c o m 第5期 闫少宏 特厚煤层大采高综放开采支架外载的理论研究 5 9 1 大 ；③ 强度较低 的顶煤体充 当了直接顶 ，这些 特点表现 在顶煤之上的顶板岩层运动范 围在横 向、纵 向明显加 大 ， 一 些老顶岩层将转化为直接顶岩层． 2 顶板岩层有 2种 结构形式 “ 悬臂梁 ”结构 ，笔者称这部分岩层为需控岩 层 ，即直接顶 ；而之上 的岩层形成稳定的 “ 铰接岩梁”平 衡结构，这类岩层为老顶岩层，其采场上覆岩层形成 “ 悬 臂梁 一铰接岩梁”结构 ，如 图 1所示． 需控岩层 属垮落前难 以触矸 的顶板岩 层 ，呈 “ 悬臂 梁”结构型式 ；位于需控岩层之上 ，能够触矸的岩层为老 图 1 综放采场顶板所成结构 Fi g ．1 St r uc t u r e o f r oo f i n l o ng wa l l s t o p e 顶岩层，呈 “ 铰接岩梁”结构．满足条件 △ j 一 △ ≤0的顶板岩层为需控岩层；满足条件 △ j 一 △ ≥ O 的顶板 岩层为老顶岩层．其 中， △ j 为极限下沉量 ；△ 为可能下沉量 ；／ I 1一 P 一 P h h d 1 一k h ； P 为煤炭损失率； P 为含矸率；h 为割煤高度； h 为放煤高度；k 为直接顶的碎胀系数；h 为某一直接顶 岩层厚度． 2 采场顶板岩层极 限下沉量 随工作面 的推进 ，上位岩层 在 自重作用 下将产生下沉 运 动，随着推进距离的加大 ，上位岩层将产生拉裂后下沉 ，拉裂 面间产生挤压 变形 ，发生变形失稳 时 的下沉量称 为极 限下沉 量．岩层厚度、强度 、层位不同 ，其极 限下沉量也不同，显然 极限下沉量对于特定开采条件是顶板岩层 的一个特征值 ，也是 一 个属性值 ，如图 2所示． 中部铰接点中的应力分布可近似地视为三角形 ，这时水平 推力 T[ o r ] F ／ 2 ， 其 中， 为中部铰点的面积 ，F k h b ，k为 图2 破断岩层平衡与受力 F i g ． 2 B a l a n c e a n d p r e s s u r e o f c r a c k i n g r o c k wi t h t o p c o a l c a v i ng 无量纲系数 ，k 0 ． 1 h ，h为直接顶厚度 ，b为宽度 ，b1 ，由几何关 系得 Tq l ／ [ 8 h一△ j ] ， 其 中，l 为来压步距 ；q为线载荷． 由此可得中部铰点的极限下沉量 ] △ j 一 ， 其 中，[ ] 0 ． 3 0- 0 ． 3 5 R 。 ， R 为实验室中 用立方体试块试验得 出的抗压强度极限． 3 特厚煤层综放开采需控岩层范围扩大的必然性 需控岩层的判定准则为 1 2 △ j _△ m≤ 0， △ j h一 ， △ 1一P lP 2 h 。 h d 1一k h ⋯， △ i 为一个特征值 ，对于某一开采条件的上位岩层厚度 ，岩 玑重 性强度 、层位是一个确定值 。极限下沉量是属性值． 可能下沉量△ 是一随采厚 h h 、 垮落直接顶厚度变 化的值， 随着 h h 的加大， △ 必然增大，使得满足判定式 △ 一 △ ≤0的可能性增大 ，因此特厚煤 层随着 采空空 间的加 大 ，围岩活动范围 明显加大 ，直接顶 与老顶岩层 范围明显加 大 ，即在工作面纵向、横向围岩活动范围明显加大 ，如图 3所 示 ，随着采厚的加大 ，阴影部分的面积加大 ，直接顶岩层 的范 m ／ ～ D 如 图3 直接顶岩层范围的确定 F i g ． 3 T h e r a n g e d e f i n i t i o n o f i mme d i a t e r o o f 5 9 2 煤 炭 学 报 2 0 0 9 年第3 4 卷 围明显加大．大同塔山煤矿实测表明，顶板活动范围约 7 0 m，为采厚 1 6 m的 4 ． 4倍 4 特厚煤层综放开采顶板对顶煤体的变形特征 处于控顶区内的顶煤体三面为实 体煤 ，之上为顶板岩层 ，之下为液压 支架 ，临近采空区侧 为 自由面 ，其受 力情况如图 4所示 ． 随着 工 作 面 的推 进 ，呈 “ 悬 臂 梁”结构 的直 接顶 与 “ 拱 式平 衡 结 构”的老顶岩层发生下沉运动 ，其变 形对顶煤体产生压力作用．随着顶板 变形量的逐渐增大 ，顶煤体 的围压逐 自由面 自由面 图4 控顶区内顶煤受力 F i g ． 4 P r e s s u r e a n d d i s t o r t i o n o f t o p c o a l i n c o n t r o l l e d r o o f a r e a 渐增大 ，强度逐渐增高 ，压缩变形、水平位移逐渐增大 ，表现在垂直方向的压缩 和水平方 向的位移 ，当顶 煤体 中的空隙量全部被压密时，顶煤体就变成了可传递顶板变形压力的 “ 似刚性顶煤体” ，因此从顶板对 控顶区内顶煤体的作用效果看 ，上位顶板岩层 中有一部分岩层的变形效果促使 了顶煤体的压缩、位移 ，使 其成为 “ 似刚性顶煤体” ，这部分岩层对于支架受力来讲可称为 “ 无变形压力岩层” ，而其上的直接顶、 老顶岩层的变形所产生的压力则通过 “ 似刚性顶煤体”传递于液压支架 ，这部分岩层可称为 “ 有变形压 力岩层” ，这些认识将为分析计算液压支架所受变形压力奠定基础． 5 综放采场支架所受外载的计算 1 “ 无变形压力岩层”范围的确定 前面分析认为 ，顶板岩层中极限下沉量之和等于控顶区顶煤体总的变形量的岩层为 “ 无变形压力岩 1 2 层 ” ， 即 △ △ a ， 其 中 ， △ j h 一 南； A a 为 控 顶 区 内 顶 煤 体 总 的 变 形 量 ， △ a r／h a 1 A ； 7 为空隙度，是指煤层中各种孔隙、裂隙体积的总和与煤层总体积之比 ，7 7 1 ／ y X 1 0 0 ％， 为煤 层干容重值 ， 为煤层的比重值 ，A为侧压系数． 2 支架所受顶板变形压力的计算 计算模型如图 1 ，5所示． △ ， f 、 l p 图5 支架外载计算力学模型 F i g ． 5 Me c h a n i c a l mo de l o f l o a d O i l s up p o rt 支架所受变形压力P p p ，其 中，P 和P 分别为直接顶和老顶 的变形压力 1 n p 嘛 对于老顶岩块 A，有平衡方程 k z l 1 q L ． 对于老顶岩块 B，有力矩平衡方程 由力学平衡方程得 第 5期 闫少宏特厚煤层大采高综放开采支架外载的理论研究 5 9 3 T h 1 一△P l A lq L L I ． 2 解方程 1 ， 2 ，得 p l 一 g Lk A 一△ 支架所受外载为 p G p zpl d n q L2 一 一 1 一△ ， 3 式 中， 为工作面控顶距 ；h 为顶煤厚度 ；A l 为支架合力作用点距煤壁距离 ；q 为直接顶线 载荷 ；f f 为 直接顶悬臂长度 ；q为老顶线载荷 ；L为老顶来压步距 ； f为拉裂面问摩擦 因数 ；k为垮落矸石 的地基 系 数 ；△ 为老顶下沉对垮落矸石的压缩量 ；h 为老顶厚度 ；△为老顶下沉量． 由式 3 可以看出，支架所受外载由3 部分组成，控顶区顶煤体的质量为定值 ，而直接顶、老顶的 变形压力随着直接顶范围的扩大 ，来压步距的加大，其变形压力必然增大，导致矿压显现异常强烈． 6 结 论 1 特厚煤层综放开采必然使直接顶 岩层范围进一步扩大 ，可形成平衡结构的老顶岩层 向更高位转 移． 2 大范围顶板岩层 的下沉运动 ，将使控顶区内的顶煤体在垂直方 向产生压缩、水平方 向产生位移， 最后形成了可完全传递顶板变形压力的 “ 似刚性顶煤体” ． 、 、 3 从对支架能否产生变形压力的角度将直接顶、老顶岩层分为 “ 有变形压力岩层 ”和 “ 无变形压 力岩层”2 部分． 4 得出了支架所受外载的解析计算式 ，以此可解释采厚加大后 ，支架载荷增大的原因． 参考文献 闫少宏，尹希文．大采高综放开采几个理论问题的研究 [ J ] ．煤炭学报，2 0 0 8 ，3 3 5 4 8 1 4 8 4 ． Y a n S h a o h o n g ， Y i n X i w e n ．D i s c u s s i n g a b o u t t h e m a i n t h e o r e t i c a l p r o b l e ms o f l o n g w a l l w i t h t o p c o a l c a v i n g[ J ] ．J o u r n a l o f C h i n a C o a l S o c i e t y ， 2 0 0 8 ，3 3 5 4 8 1 4 8 4 ． 闰少宏，华辉．综放开采直接顶、基本顶范围确定的理论与应用 [ A] ．中国煤炭工业可持续发展的新型工业化 之路高效 安全 洁净 结构优化 [ C] ．北京煤炭工业出版社，2 0 0 4 ． 闫少宏 ，富强．综放开采顶煤顶板活动规律的研究与应用 [ M] ．北京煤炭工业出版社，2 0 0 3 ． Y a n S h a o h o n g ， F u Q i a n g ．R e s e a r c h a n d a p p l i c a t i o n o f r o o f a c t i v i t i e s l a w w i t h l o n g w a l l t o p c o a l c a v i n g[ M] ．B e i j i n g C h i n a Co a l I nd u s t r y Pu b l i s h i n g Ho us e， 2 0 03． A A鲍里索夫．矿山压力原理与计算 [ M] ．王庆康，译．北京煤炭工业出版社，1 9 8 6 ． 钱鸣高，石平五．矿山压力与岩层控制 [ M] ．徐州 中国矿业大学出版社 ，2 0 0 3 ． Q i a n Mi n g g a o ，S h i P i n g w u ．G r o u n d p r e s s u r e a n d s t r a t a c o n t r o l[ M] ．X u z h o u C h i n a U n i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d T e c h n o l o g y Pr e s s，2 0 03． ] J 1 ● 1