大采高堅硬頂板工作面來壓特征分析

陳　凱，張昌鎖

（1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，太原030024；2.神華包頭能源有限責(zé)任公司李家壕煤礦，內(nèi)蒙古巴彥淖爾017000）

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大采高堅硬頂板工作面來壓特征分析

陳凱1，2，張昌鎖1

（1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，太原030024；2.神華包頭能源有限責(zé)任公司李家壕煤礦，內(nèi)蒙古巴彥淖爾017000）

摘要：通過理論計算及RFPA數(shù)值模擬得出關(guān)嶺山煤礦15202工作面頂板初次來壓步距。理論計算表明：工作面在推進過程中，頂板初次來壓步距為41.81 m；數(shù)值模擬表明：頂板初次來壓步距為36 m左右；力學(xué)分析表明：大塊度的作為直接頂關(guān)鍵層的堅硬頂板在破斷后并不是整體作用在支架上的，由于其長度較大，重心通常位于支架后方，導(dǎo)致破斷巖塊發(fā)生回轉(zhuǎn)運動。

關(guān)鍵詞：初次來壓；梁結(jié)構(gòu)；巖層載荷；RFPA

堅硬頂板距離采場較近時會導(dǎo)致懸頂面積很大，大面積懸頂?shù)耐蝗幻奥鋾頉_擊動壓、對井下設(shè)備和工作人員造成危害。近年來，國內(nèi)外很多學(xué)者對于工作面堅硬頂板進行了大量、系統(tǒng)而深入的研究。宋振騏[1]教授的“傳遞巖梁結(jié)構(gòu)”建立了有關(guān)支架與圍巖的位態(tài)方程，該理論為解決支護設(shè)計的定量化問題開辟了另一條途徑。錢鳴高[2]教授提出將基本頂巖層簡化成彈性懸露板模型，利用有關(guān)彈性懸臂板的力學(xué)特征對采場上覆巖層運動進行類比分析。賈喜榮[3]將頂板看做有彈性的薄板，并應(yīng)用材料數(shù)學(xué)的知識對其求解，分析了頂板隨工作面推進時的應(yīng)力規(guī)律和斷裂規(guī)律。許家林[4]通過對大采高綜采工作面的現(xiàn)場實測與分析，認為復(fù)合關(guān)鍵層斷裂是形成這種情況下工作面來壓的條件。但是，上覆巖層的邊界條件不同，單純的用梁理論不足以解釋所有的覆巖結(jié)構(gòu)問題，層控制理論從傳統(tǒng)的梁式結(jié)構(gòu)向板式結(jié)構(gòu)過度，而且對大采高堅硬頂板特征研究并不多見，尤其由于采高加大,大采高工作面支架穩(wěn)定性、煤壁片幫等研究并不完善。本文通過理論分析，數(shù)值模擬，現(xiàn)場觀測對工作面頂板運動規(guī)律進行了探討研究，為關(guān)嶺山煤業(yè)頂板管理提供了有力的依據(jù)。

1　工程概況

關(guān)嶺山煤礦現(xiàn)回采15202工作面，工作面長度180 m，推進長度1 042 m。15號煤頂板為石灰?guī)r，厚度5.6 m～9.5 m，平均7.5 m。15號煤層及頂?shù)装逯鶢顖D見圖1。

圖1　15號煤層及頂?shù)装逯鶢顖D

2　堅硬頂板大采高工作面來壓特征分析

2.1初次來壓的力學(xué)模型

對工作面礦壓規(guī)律進行理論分析的關(guān)鍵是對其頂板巖層的整體和各分層之間的力的關(guān)系能夠有清晰的認識。頂板各巖層之間影響因素多，受力情況復(fù)雜，這其中影響較大的是頂板斷裂前后，其上巖層通過各級傳遞而產(chǎn)生作用的自重荷載。因此，對頂板上方的各層巖體的受力進行計算、分析成為了急需解決的問題。為計算方便，將采動巖層設(shè)定為厚度均一且受力均勻分布。計算載荷示意圖見圖2。

圖2　計算載荷示意圖

分析得出計算第1-n層受力公式為[2]：

式中：（qn）i為第1-n所受的力，kN；Ei為彈性模量，MPa；hi為各層巖石厚度，m；γi為體積力，kN/m3。

對于堅硬頂板而言，初次來壓可按兩端固支梁來計算其初次來壓步距，固定梁受力分析如圖3所示。

圖3　固定梁結(jié)果受力分析

由于固定梁兩端呈對稱結(jié)構(gòu)，梁兩端的反力R1=R2，彎矩M1=M2，取∑Fy=0，則：

固定梁內(nèi)任意截面I-I的彎矩為：

由材料力學(xué)知，梁內(nèi)任意點的正應(yīng)力σ為：

式（2）-（5）中：R1、R2為梁兩端的反作用力，kN；q為梁上的均布載荷，kN/m；L為梁的長度，m；M為該點所在截面的彎矩，kN·m；y為該點離所在截面中性軸的距離，m；Jz為對稱中性軸的斷面矩，m2。

當σmax=RT時，表明巖層在這一位置所受的正應(yīng)力達到該巖層所能承受的最大抗拉強度，巖層會在此處發(fā)生破壞。為此，這種梁斷裂時的極限跨距為：

式中：L為極限跨距，m；h為巖梁厚度，m；RT為巖梁的巖體抗拉強度，MPa；q為巖梁及其上覆巖體的均布載荷，MPa。

2.2初次來壓步距計算

通過計算可知，15號煤層頂板各段巖層自身載荷為：

q1=γ1h1=26.5×2.55=67.58 kN/m2；

q2=γ2h2=27×3.25=87.75 kN/m2；

q3=γ3h3=27.1×1.35=36.59 kN/m2；

q4=γ4h4=26.8×2.5=67 kN/m2.

將q1、q2、q3、q4代入式（7）中可知，第一段頂板初次斷裂步距L01，按“梁”計算，可知：

同理，第二至第四段的初次斷裂步距分布為：

綜上所述可知，15號煤層頂板初次來壓步距L04=41.81 m。

3　工作面來壓特征數(shù)值模擬分析

3.1數(shù)值模型

工作面來壓特征數(shù)值分析力學(xué)模型見圖4，每步回采0.63 m。

圖4　數(shù)值分析力學(xué)模型

3.2數(shù)值分析

圖5為頂板初次來壓過程數(shù)值模擬，可以看出，堅硬頂板是隨著工作面推進呈現(xiàn)逐漸破壞狀態(tài)。當推進22.68 m時，頂板未呈現(xiàn)變形，巖體具有較好的完整性；推進24 m左右時，頂板出現(xiàn)里層現(xiàn)象；推進27 m左右時，頂板出現(xiàn)斷裂，頂板受到下拉、上壓作用，裂隙向下發(fā)展；當推進28 m左右時，頂板巖層繼續(xù)破斷，裂隙逐漸向上發(fā)展；推進29 m左右時，堅硬頂板完全破斷，堅硬頂板的破斷導(dǎo)致其上方軟弱巖層也發(fā)生了破壞；工作面推進34 m左右時頂板巖層繼續(xù)破斷，破斷裂隙繼續(xù)發(fā)展，破斷裂隙貫通；工作面推進36 m左右時，堅硬頂板徹底破斷，并垮落在采空區(qū)，之前相互咬合的巖層徹底分離。堅硬懸臂梁頂板在煤壁上方破斷，工作面頂板下沉達到最大。

圖5　頂板初次來壓過程數(shù)值模擬

數(shù)值模擬可以看出，隨著工作面的推進，懸露頂板的長度增大，回采空間上方發(fā)生的巖層破斷是逐步發(fā)生的。當開采空間跨度接近或超過巖層的極限破斷跨距時，巖層會發(fā)生局部的破斷。工作面繼續(xù)推進，由于頂板懸跨距的加大巖層的破斷會沿著局部破斷裂隙繼續(xù)發(fā)育，最終整個裂隙貫通形成堅硬頂板的破斷。

4　15202工作面礦壓觀測

此次礦壓觀測共布置5條支架載荷測線，本文從中選取其中1條作為研究對象。測線布置見圖6。

整個觀測期間，采煤機割煤168.4刀，工作面前行107 m，取數(shù)據(jù)較好的5個支架數(shù)據(jù)，分別為2號架、26號架、48號架、70號架、94號架，其余支架數(shù)據(jù)作為參考。圖7為2號支架工作阻力實測圖，工作面來壓步距數(shù)據(jù)分析如表1所示。

圖6　觀測站（線、點）布置

圖7　工作面下部測線（2號）支架工作阻力實測圖

表1　下部測線周期來壓步距及強度數(shù)據(jù)

由表1可知，下部測線周期來壓步距9.25 m～24.35 m，平均15.02 m；影響范圍一般為0.63 m～5.68 m，平均2.14 m；來壓平均工作阻力一般分布在5 538.96 kN～6 179.02 kN之間，平均6 016.07 kN，是額定工作阻力（8 800 kN）的68.4%，最大6 449.81 kN，是額定工作阻力（8 800 kN）的73.3%；動載系數(shù)在1.23～1.75之間，平均1.43。

5　結(jié)論

1）通過理論分析和計算得到了堅硬頂板大采高工作面頂板的初次來壓步距為41.81m，通過數(shù)值模擬堅硬頂板初次來壓步距為36m，對比分析表明由于模擬軟件考慮了煤巖體非均勻性和實驗室測定煤巖體參數(shù)相對現(xiàn)場的差異，因此導(dǎo)致模擬所得的破斷步距相對較小。

2）通過礦壓觀測對工作面支架循環(huán)末阻力、時間加權(quán)平均阻力、初撐力進行了分析。結(jié)果表明：15202工作面支架的初撐力利用率較好，能夠滿足工作面對頂板的控制要求。

參考文獻:

[1]宋振騏.實用礦山壓力控制[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1989:88- 96.

[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，1994:72- 100.

[3]賈喜榮.巖石力學(xué)與巖層控制[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2010:262- 269.

[4]許家林，鞠金峰.特大采高綜采面關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)形態(tài)及其對礦壓顯現(xiàn)的影響[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2011（8）:1547- 1556.

（編輯：樊敏）

Weighting Feature Analysis of Mining Face with Large-mining-height and Hard Roof

CHEN Kai1,2, ZHANG Changsuo1
(1. College of Mining Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China; 2. Lijiahao Mine, Baotou Energy Co., Ltd., Shenhua Group, Bayannur 017000, China)

Abstract:Theoretical calculation and RFPA numerical simulation could obtain the first weighting interval of the roof of No.15202 working face in Guanlingshan Mine. In the advancing of the working face, the roof first weighting interval is determined as 41.81 meters by the theoretical calculation and around 36 meters by the numerical simulation. In addition, mechanical analysis indicates that big and hard roof, as the key layer of direct roof, does not impact on support as a whole part after breaking. Because of its great length, its center of gravity usually locates at the back of the support, which could cause the rotary motion of broken rocks.

Keywords:first weighting; beamstructure; rock load; RFPA

作者簡介：陳凱（1985-），男，內(nèi)蒙古巴彥淖爾人，在讀工程碩士，助理工程師，從事煤礦開采技術(shù)等方面的研究工作。

收稿日期：2015- 10- 16

DOI:10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.01.016

文章編號：1672- 5050（2016）01- 0054- 04

中圖分類號：TD385

文獻標識碼：A