山浪煤礦底板比壓測試及分析

梁晉源，宋選民，武浩翔

（太原理工大學(xué) 采礦工藝研究所，山西 太原 030024）

山浪煤礦底板比壓測試及分析

梁晉源，宋選民，武浩翔

（太原理工大學(xué) 采礦工藝研究所，山西 太原 030024）

底板比壓測試是對工作面支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)與選取的重要依據(jù)。經(jīng)用底板比壓測試儀，選取不同壓膜對留底煤底板和不留底煤底板進(jìn)行測試,計(jì)算出壓膜平均剛度跟強(qiáng)度。通過比較底板容許比壓跟容許剛度表明：山浪煤礦5號煤層留底煤時(shí)底板屬于Ⅲa較軟底板，山浪煤礦5號煤層101工作面底板屬于Ⅲb類軟軟底板。

底板比壓；剛度；壓入深度

煤層底板、工作面支架、頂板構(gòu)成一個(gè)臨時(shí)建筑體，其中任一個(gè)環(huán)節(jié)的破壞，都會危及整個(gè)建筑體，使其受力平衡遭到破壞。支護(hù)系統(tǒng)的剛度由“頂板-支架-底板”組成［1］，底板巖層的剛度將直接影響到支護(hù)性能的好壞。底板比壓測試是對工作面支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)與選取的重要工程設(shè)計(jì)依據(jù)。工作面在一定的時(shí)空條件下，支柱（架）穿入底板，就預(yù)示著采場支撐系統(tǒng)的剛度顯著降低，導(dǎo)致頂板下沉量增大的概率提高、直接頂發(fā)生離層、采煤工作面支柱（架）的工作阻力降低等情況；這樣會使采煤工作面臨時(shí)建筑體失穩(wěn)，易造成推垮型冒頂事故。山浪煤礦底板為泥巖，較松軟，準(zhǔn)確掌握工作面底板比壓特性，對合理確定工作面回采工藝及支架的選型極為重要。

1 底板比壓的實(shí)測方法

1.1 底板比壓測試儀器

本實(shí)驗(yàn)運(yùn)用DZD-40A型比壓儀，見圖1。它由單體液壓支柱、手壓注液加壓泵、單體柱定位座及Φ60 mm、Φ80mm、Φ130mm三個(gè)壓模組成。使用時(shí)，根據(jù)底板硬度情況選擇壓模。單體液壓支柱分別采用DZ38/100型、DZ22/100型，油缸直徑均為100 mm，這種比壓儀較實(shí)用于較軟巖層的底板。

1.2 底板的比壓儀測試方法

以5號煤層5-101工作面正巷底煤為底時(shí)的比壓測試測點(diǎn)，位于距工作面泵站10 m，30 m處，每一處測試兩個(gè)地點(diǎn)；以5-101工作面底板為底時(shí)的比壓測試測點(diǎn)，位于89號、90號、77號、67號、68號支架處。DZD-40A型比壓儀時(shí)定位器和壓模應(yīng)垂直安設(shè)在測面(點(diǎn))上，先將單體柱上端置入頂梁，柱座入定位器槽內(nèi)；然后用手壓注液泵使單體柱升壓。測量時(shí)記錄頂?shù)装彘g距、壓模直徑、升壓壓力表讀數(shù)、壓模壓入深度［3-4］。根據(jù)山浪礦5號煤層擬開采方案—采用大采高支架，故第一極限抗壓強(qiáng)度以出現(xiàn)第一次脆性破壞或塑性變形出現(xiàn)的第一個(gè)屈服變形時(shí)相應(yīng)的比壓值，來確定采區(qū)或同一巖性巖層（或煤層）的平均第一極限比壓。繼續(xù)升壓連續(xù)記錄壓力表讀數(shù)與對應(yīng)壓入深度（壓入深度已超出允許的最大值），直至壓力不再變化或變化較小，甚至出現(xiàn)下降，這時(shí)底板受壓達(dá)到屈服，鉆底量迅速增大，此時(shí)是底板破壞的突變點(diǎn)，相應(yīng)比壓為底板極限抗壓入強(qiáng)度［5］。此過程稱為第二比壓測試。其數(shù)據(jù)可用于進(jìn)一步了解掌握底板的巖體物理參數(shù)，如底板剛度、極限比壓等。

圖1 DAD-40A型比壓儀

1.3 底板比壓的計(jì)算原理各次泵壓的壓模底板比壓值qmi按如下確定：

式中：D1為比壓儀油缸直徑，mm；dm為底座壓模直徑，mm；qi為第i次泵壓時(shí)壓力表讀數(shù)，MPa。

底板剛度為Km：

式中：Km為底板巖層（煤層）剛度，MPa/mm；hm為拐點(diǎn)處底板壓模壓的壓入量，mm；qm為拐點(diǎn)處的底板比壓值，MPa。

2 底板比壓測試實(shí)驗(yàn)的結(jié)果分析

2.1 5號煤層回風(fēng)巷留底煤時(shí)底板比壓測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

山浪煤礦5號煤留底煤為底時(shí)的比壓測試位置，主要位于101正巷內(nèi)距泵站10 m跟30 m處，壓模直徑130 mm；單體支柱型號DZ38/100。底板比壓與壓入深度關(guān)系曲線，見圖2。

圖2 巷道留底煤時(shí)比壓跟壓入深度關(guān)系

由圖2分析可知：1號、3號、4號測試點(diǎn)處，當(dāng)所受載荷達(dá)到某一定值后，比壓值突然下降，壓入深度急劇增大，此點(diǎn)屬于底板的極限抗壓入強(qiáng)度，屬于整體剪切的破壞形式。2號測試點(diǎn)沒有明顯的突破點(diǎn)，但是隨著載荷的增加，壓入深度增長率較快，屬于局部剪切的破壞形式。

根據(jù)式1式2測得如下數(shù)據(jù)：

測煤點(diǎn)1號：qm=9.5MPa；Km=0.3 MPa/mm；測煤點(diǎn)2號：qm=9.05 MPa；Km=0.14 MPa/mm；測煤點(diǎn)3號：qm=8.40 MPa；Km=0.32 MPa/mm。 測煤點(diǎn)2號：qm=10.7MPa；Km=0.23MPa/mm。根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析得5號煤層留底煤時(shí)：底板平均壓入強(qiáng)度qm=9.5MPa；平均底板剛度Km=0.25MPa/mm。5號煤層留底煤時(shí)：底板容許比壓qc=7.09MPa；底板容許剛度Kc=0.19MPa/mm。

2.2 山浪煤礦5號煤工作面炭質(zhì)泥巖底板的底板比壓測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

山浪煤礦5號煤工作面炭質(zhì)泥巖底板的底板比壓測試位置，主要位于101工作面89號，90號，76號，77號，67號，68號，52號，53號支架處，壓模直徑80mm；單體支柱型號分別為DZ22/100。底板比壓與壓入深度關(guān)系曲線圖，見圖3。

由圖3分析知：67號、68號、77號、90號測試點(diǎn)處，當(dāng)所受載荷達(dá)到某一定值后，比壓值突然下降，壓入深度急劇增大，此點(diǎn)屬于底板的極限抗壓入強(qiáng)度，屬于整體剪切的破壞形式。89號測試點(diǎn)沒有明顯的突破點(diǎn)，但是隨著載荷的增加，壓入深度增長率較快，屬于局部剪切的破壞形式。通過現(xiàn)場測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理分析得出：測點(diǎn)89號：qm=15.63 MPa；Km=0.22 MPa/mm；測點(diǎn)90號：qm=17.19MPa；Km=0.86 MPa/mm；測點(diǎn)77號：qm=18.28 MPa；Km=0.29 MPa/mm；測點(diǎn)67號：qm=21.88 MPa；Km=0.52 MPa/mm；測點(diǎn)68號：壓入qm=18.75MPa；Km=0.86MPa/mm。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析得5號煤層101工作面：底板平均壓入強(qiáng)度qm=16.72 MPa；平均底板剛度Km=0.51 MPa/mm。底板容許比壓qc=12.54MPa；底板容許剛度Kc=0.38MPa/mm。

圖3 工作面底板比壓跟壓入深度關(guān)系

3 結(jié)論

根據(jù)我國緩傾斜煤層工作面底板分類標(biāo)準(zhǔn)確定，山浪煤礦5號煤層留底煤時(shí)底板屬于Ⅲa較軟底板，5號煤層101工作面底板屬于Ⅲb類軟軟底板。在進(jìn)行支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)跟支架選型時(shí)，應(yīng)注重提高支護(hù)系統(tǒng)的剛度，單體支柱要穿鞋支護(hù)，液壓支架要提高額定工作阻力。

[1]徐永圻.煤礦開采學(xué)[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,1999.

[2]錢鳴高,石平五.礦山壓力與巖層控制[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2003.

[3]謝士敏，高勤福，等.新集煤礦底板比壓的測試及應(yīng)用[J].煤礦開采，2003,8（4）：59-61.

[4] 潘立友.煤層底板極限比壓取值研究[J].煤,2000,3(4)：37-38.

[5]栗成杰,鄭光相.平頂山礦區(qū)深部煤層底板比壓分布規(guī)律的研究[J].中國煤炭,2007,33(9)：37-38.

Floor Load Intensity Test and Analysis in Shanlang Mine

LIANG Jin-yuan,SONG Xuan-min,WU Hao-xiang
(Mining Technology Institute,Taiyuan University of Technology,Taiyuan Shanxi 030024)

Floor load intensity test is very important for design and selection of supporting parameters in working faces.With floor load intensity tester,different films are used to test the floors with and without retaining coal to calculate the films'average stiffness and strength.With the comparison between allowable specific pressure and allowable stiffness,the result shows that the retaining coal floor of No.5 seam is type IIIa Softer Floor and the floor of101 working face is type IIIb Softer Floor.

floor load intensity;stiffness;indentation depth

TD326

A

1672-5050（2012）04-0051-03

2011-09-27

梁晉源（1980—），男，山西霍州人，在讀碩士研究生，從事礦山壓力及圍巖穩(wěn)定研究。

徐樹文