綜采工作面頂板運(yùn)動(dòng)及支承壓力分布規(guī)律研究

康　建

（西山煤電西曲礦通風(fēng)五隊(duì)，山西　古交　030200）

引言

為了有效減少工作面開(kāi)采過(guò)程中冒頂、片幫以及壓架等安全事故的發(fā)生，我國(guó)學(xué)者對(duì)工作面頂板的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和支承壓力的分布特征做出大量研究。武景云等[1]通過(guò)總結(jié)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的數(shù)據(jù)，結(jié)合數(shù)值模擬軟件，對(duì)大傾角煤層頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了分析和總結(jié)；王俊杰等[2]以鳳凰山礦實(shí)際地質(zhì)資料為背景，預(yù)測(cè)了堅(jiān)硬頂板條件下頂板的斷裂特征和來(lái)壓步距，并在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐中得到驗(yàn)證；吳士良等[3]通過(guò)分析頂板的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，建立結(jié)構(gòu)模型，確定了頂板與支架關(guān)系，為工作面支架選型提供了理論依據(jù)；朱守頌等[4]利用數(shù)值模擬軟件，對(duì)工作面超前支承壓力的分布規(guī)律進(jìn)行了研究；趙軍榮等[5]研究了支承壓力分布規(guī)律與煤層傾角間的關(guān)系。本文根據(jù)西曲礦實(shí)際地質(zhì)資料，利用工程類(lèi)比和理論計(jì)算的方法，對(duì)工作面頂板運(yùn)動(dòng)和支承壓力分布規(guī)律進(jìn)行分析研究，為工作面的安全高效開(kāi)采提供理論依據(jù)。

1　工程概況

西曲礦是山西焦煤集團(tuán)的骨干礦井。18404工作面主采8號(hào)煤層，位于南四盤(pán)區(qū)北部，煤層厚度為2.60～4.25m，平均4.0m，工作面長(zhǎng)度為220m。

工作面頂板巖性以石灰?guī)r為主，底板巖性以砂巖為主，其巖層柱狀圖如圖1所示。煤層傾角為3～12°，平均4°，為近水平煤層。

2　頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究

2.1　工程類(lèi)比

通過(guò)統(tǒng)計(jì)西曲礦其他采區(qū)以及鄰近礦井工作面的老頂來(lái)壓情況，將結(jié)果整理為表1所示。

由表1可以看出，隨著采高的增加，工作面老頂來(lái)壓步距也隨之增加，18404工作面采高為

圖1　巖層柱狀圖

表1　不同采高來(lái)壓步距對(duì)比　m

2.60～4.25m，平均4.0m，由表1推測(cè)，其初次來(lái)壓步

距約為30～40m，周期來(lái)壓步距約為16～21m。

2.2　理論計(jì)算

2.2.1頂板運(yùn)移規(guī)律

巖梁的初次來(lái)壓步距為：

巖梁的周期來(lái)壓步距為：

式中：Lc為初次來(lái)壓步距，m；Lz為周期來(lái)壓步距，m；h為巖層厚度，取6.37m；R為抗拉強(qiáng)度，取2.4MPa；為巖層容重，取26 kN/m3。

將數(shù)據(jù)代入式（1）、（2），可得Lc=34.29m，Lz=14.00m。

計(jì)算所得數(shù)據(jù)在表1工程類(lèi)比范圍內(nèi)，說(shuō)明理論分析結(jié)果基本準(zhǔn)確。

2.2.2動(dòng)載系數(shù)

動(dòng)載系數(shù)可以大致估算頂板的來(lái)壓強(qiáng)度，通過(guò)統(tǒng)計(jì)大量數(shù)據(jù)，動(dòng)載系數(shù)的多因素回歸方程[6]為：式中：K為動(dòng)載系數(shù)；Q為工作面長(zhǎng)度，取220m；M為采高，取4.0m；其余符號(hào)與前相同。回歸方程相關(guān)系數(shù)為0.88，說(shuō)明相關(guān)性十分顯著。將數(shù)據(jù)代入式（3），可得動(dòng)載系數(shù)K=1.56。

3　支承壓力分布規(guī)律

3.1　支承壓力峰值位置

支承壓力的峰值位置一般由式（4）表示

式中：E為支承壓力集中系數(shù)，取E=3；H為煤層埋深，取 210m；Cm為煤層的內(nèi)聚力，取 1.0MPa；φm為煤層內(nèi)摩擦角，取25°；γs位上覆巖層的平均容重，取0.025MN/m3；f為煤層與頂?shù)装宓哪Σ料禂?shù)，取f=0.3；Pi為工作面煤壁的支護(hù)強(qiáng)度，取0 MPa（采高不大，沒(méi)有護(hù)幫裝置）；ζ為三軸應(yīng)力系數(shù)，有ζ=

將數(shù)據(jù)代入，可得支承壓力峰值位置在距離煤壁3.66m處。

3.2　支承壓力作用范圍

支承壓力的作用范圍包括塑性區(qū)和彈性區(qū)兩部分。塑性區(qū)的寬度即為支承壓力的峰值位置，通過(guò)前面計(jì)算可知為3.66m；彈性區(qū)的寬度：

式中：G為彈性區(qū)寬度，m；β為側(cè)壓系數(shù)，工作面埋深約210m，可取β=1.4；其余符號(hào)含義與前面相同。將數(shù)據(jù)代入式（5），可得彈性區(qū)寬度為G=9.8m。

因此，工作面支承壓力的作用范圍x=3.66+9.8=13.46m。

4　結(jié)論

根據(jù)西曲礦18404工作面實(shí)際地質(zhì)條件，通過(guò)工程類(lèi)比和理論計(jì)算，得到以下結(jié)論：

1）通過(guò)統(tǒng)計(jì)西曲礦及周邊礦井的工作面來(lái)壓步距，可知隨著采高的增加，工作面的初次來(lái)壓步距和周期來(lái)壓步距也隨之增加；

2）通過(guò)理論計(jì)算可知，西曲礦18404工作面的初次來(lái)壓步距為34.29m，周期來(lái)壓步距為14m，均處于工程類(lèi)比所得范圍內(nèi)，說(shuō)明理論計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確；

3）工作面超前支承壓力的峰值位置處于距離煤壁3.66m處，作用范圍為彈性區(qū)寬度和塑性區(qū)寬度之和，為13.46m。

對(duì)工作面的頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律和支承壓力分布特征作出預(yù)測(cè)，為礦井的安全高效生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

[1]武景云，黃萬(wàn)朋，馬鵬鵬，等.大傾角煤層采場(chǎng)頂板運(yùn)動(dòng)與礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究[J].煤礦安全，2010，41（6）：6-9.

[2]王俊杰，趙磊磊.鳳凰山礦XV1304工作面石灰?guī)r堅(jiān)硬頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究[J].煤炭工程，2014，46（11）：54-56；60.

[3]吳士良，劉思利.綜放工作面頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律及支架-圍巖關(guān)系研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2016，44（2）：104-108.

[4]朱守頌，姜光.工作面超前支承壓力分布規(guī)律研究[J].煤炭工程，2011（3）：97-98；101.

[5]趙軍榮，李男男.煤巖傾角對(duì)采場(chǎng)周邊支承壓力影響的數(shù)值模擬研究[J].煤炭工程，2016（S1）：90-92；97.

[6]邸帥，王繼仁，宋桂軍.8.5m采高綜采工作面頂板運(yùn)動(dòng)及支承壓力分布特征理論研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，2017（9）：2 254-2 261.