超長綜放工作面頂板破斷規(guī)律研究_圖文

1、 收稿日期 :2009-11-16 作者簡介 :崔樹江 (1972- , 男 , 內(nèi)蒙古赤峰人 , 工程師 , 畢業(yè)于山西礦業(yè)學(xué)院 , 現(xiàn)任余吾煤業(yè)公司副總經(jīng)理 , 主要從事生產(chǎn)管理工作 。超長綜放工作面頂板破斷規(guī)律研究崔樹江(山西潞安礦業(yè)集團 余吾煤業(yè)有限責(zé)任公司 , 山西 長治 046013 摘 要 :超長綜放工作面除了在工藝和設(shè)備配套等方面有自身的特點之外 , , 面必須采取一些特殊的措施 , 。 、 數(shù)值模擬 和現(xiàn)場實測等研究手段 , 山壓力顯現(xiàn)規(guī)律 , , 。 ; ; 數(shù)值模擬 文獻標(biāo)識碼 :B 文章編號 :1671-0959(2010 0220032203 在大功率和高可靠性設(shè)備配

2、備的基礎(chǔ)上 , 為了充分發(fā) 揮工作面設(shè)備的綜合效能 , 工作面尺寸 (尤其是工作面長 度 不斷增大 , 工作面單產(chǎn)隨工作面長度的加長而增加 。此 外 , 工作面長度加大后 , 可減少巷道掘進率和工作面搬家 次數(shù) , 從而大幅度提高工作面工效 。 因此在設(shè)備配備 (尤其 是工作面刮板輸送機的能力 和地質(zhì)條件一定的前提下 , 加 長工作面長度 , 已成為工作面高產(chǎn)高效主要技術(shù)方向之一 。布置超長綜放工作面 , 實現(xiàn)高度集中生產(chǎn) , 由此引起 采場覆巖的大范圍破壞與運動 , 對采場礦壓和巖層移動會 產(chǎn)生變化 , 文章主要針對超長綜放工作面的頂板巖層破壞規(guī)律展開相應(yīng)的研究工作 。1 工作面概況余吾煤業(yè)

3、公司 S1201工作面為大采高超長綜放工作面 , 工作面走向長度 937m, 傾斜長度 280m, 所采 3#煤層厚度 為 51716115m, 平均 5185m, 煤層普氏系數(shù)為 018, 地應(yīng) 力為 650750k N /m2; 煤層整體為向西傾斜的單斜構(gòu)造 , 坡度為 0°5°, 平均坡度 3°, 煤層含一層 0105m 夾矸 。 工 作面煤層頂?shù)装鍘r性見表 1。表 1 S 1201工作面頂?shù)装鍘r性表頂板名稱 巖石名稱 厚度 /m巖石描述老 頂 砂泥巖互層 >9以細(xì)粒砂巖為主 , 夾薄層粉砂巖 , 粉砂巖中含植物化石 , 局部炭化 , 含少量云母 片

4、, 裂隙較發(fā)育 , 具交錯層理和微波狀層理直接頂 細(xì)粒砂巖31855150深灰色 , 薄層狀 , 具滑面。 性脆、 易碎 , 裂隙較發(fā)育 , 含植物化石 , 斷口參差狀偽 頂 泥 巖 00174灰黑色 , 薄層狀 , 易碎直接底 泥巖 粉砂巖 01300196深灰色 , 薄層狀 , 裂隙較發(fā)育 , 中部含云母片 , 含植物化石印痕 , 頂部有 0110m 砂 質(zhì)泥巖老 底中粒砂巖 細(xì)粒砂巖11003125灰色 , 薄層狀 , 含云母碎片 , 下部裂隙比較發(fā)育 , 分選差 , 含雜基 , 硅質(zhì)膠結(jié)2 物理模擬隨著回采工作面自開切眼開始推進 , 根據(jù)已采空面積 的情況 , 懸露的基本頂巖層由于與上

5、部巖層的離層因而可 以視為薄板 。 對于薄板的破斷規(guī)律 , 可以采用相似材料模 擬試驗 , 研究在不同支承條件下 , 不同工作面長度時的板 的破斷形狀 。 由于考慮基本頂巖層的初次斷裂及 S1201綜 放面兩巷均處于實體煤范圍的條件下 , 因此主要考慮薄板 在四邊固支條件下的破斷規(guī)律 。在實驗室模擬了兩種工作面長度條件下的薄板破斷規(guī) 律 , 見表 2。隨著工作面推進 , 采空區(qū)頂板巖層的破斷形狀隨著 a /b 的值變化而變化 (a 為初次破斷距 , b 為工作面長度 , 當(dāng)a /b <1時發(fā)生豎 X 型破壞 , 當(dāng) a /b =1或接近 1時 , 則形成X 型破壞 , 而當(dāng) a /b &

6、gt;1時 , 則形成橫 X 型破壞 , 如圖 1所示 。23 生產(chǎn)技術(shù) 煤 炭 工 程 2010年第 2期 表 2 基本頂巖層破斷的相似模擬試驗工作面實 際長度 /m模型長 度 /m模型厚 度 /m配比 模型 2801150118715 6125 6125模擬試驗結(jié)果如圖 2所示 ?？梢钥闯?, 兩種工作面長 度的頂板破斷形式均為豎 X 型破壞 , 并且隨著工作面的推 進 , 頂板板結(jié)構(gòu)模型也要發(fā)生周期性斷裂 。 在板的四周形 成上部張開 , 下部閉合的裂隙 , 而在 X 型部位則形成上部 閉合而下部張開的裂縫 。圖 2 模擬試驗情況兩種模型豎 X 型破斷過程以及形成的周期性斷裂過程 存在明

7、顯差異 , 其差異主要為 :1 模型 (面長 180m 板的破壞過程為 :破斷裂縫先短邊裂縫延伸 裂縫在四周形成貫通 板中央沿 Y 向裂縫延伸 板的豎 X 型破壞 , 如圖 3所示 。 2 模型 (面長 280m 板的破壞過程為 :板的中央部位出現(xiàn)局部 X 型破壞 破斷裂縫沿長邊向兩邊延伸兩側(cè)出現(xiàn)新的短邊裂縫 裂縫在四周貫通 板中央 Y 向裂縫延伸板的豎 X 型破壞 , 如圖 4所示 。3 模型 板的初次斷裂步距為 21c m, 模型 板的初次斷裂步距為 14c m; 模型 板的周期性斷裂步距 11c m, 模 型 板的周期性斷裂沿工作面方向出現(xiàn)不同步特性 , 周期 性斷裂步距平均為 7c m

8、 。由此可以看出 , 超長工作面頂板 巖層的破斷特征和一般工作面有明顯的不同 , 工作面加長 以后 , 周期來壓沿工作面方向出現(xiàn)不同步特性 , 初次來壓 步距和周期來壓步距都較相同地質(zhì)條件而面長較短的工作 面小 。3 數(shù)值模擬為深入研究 S1201工作面圍巖應(yīng)力及變形特點 , 將該 工作面基本頂視為厚板進行了有限元數(shù)值分析 。計算分兩 種情形 : 采場推進至 25m 時 , 模擬采場初次來壓 , 計算 模型尺寸為 280m ×25m, 模型的邊界條件為四邊固支 ; 采場推進至 38m 時 , 模擬采場周期來壓 , 計算模型尺寸為280m ×13m, 模型邊界條件為三邊固支一

9、邊自由 。同時 ,為比較 S1201超長工作面與一般工作面的異同 , 分析計算 了同樣推進距離而工作面長度為 180m 的情況 。 計算時取基 本頂?shù)膸r性參數(shù)為彈性模量 E =30GPa, 泊松比 =013。從計算結(jié)果可以看出 , 不同長度工作面相同推進距離 時 , 其變形及應(yīng)力量值相差較大 。 表 3給出了基本頂下沉 量 , 走向應(yīng)力 , 傾向應(yīng)力的最大值 。結(jié)果表明 , 隨著工作面長度的增加 , 其圍巖變形及應(yīng) 力明顯增大 。 將 S1201工作面 (280m 與一般工作面 (180m 比較 , 基本頂?shù)南鲁亮壳罢呤呛笳叩?1189倍 , 而應(yīng)力則為11581177倍 。 這意味著超長工作

10、面的來壓步距明顯小于一般工作面的來壓步距 。4 現(xiàn)場實測為驗證理論分析的準(zhǔn)確性 , 在 S1201超長綜放面進行 了礦壓觀測 , 觀測結(jié)果如下 :隨 工作面的不斷推進及頂煤和直接頂?shù)牟粩嗝奥?, 基33 2010年第 2期 煤 炭 工 程 生產(chǎn)技術(shù) 收稿日期 :2009-04-22 作者簡介 :齊光輝 (1972- , 男 , 甘肅金昌人 , 礦建工程師 、 注冊咨詢工程師 , 主要從事煤礦生產(chǎn)技術(shù)管理 、采礦設(shè)計等方面工作 , 現(xiàn)任靖遠(yuǎn)煤業(yè)集團有限責(zé)任公司科研設(shè)計院副總工程師 。松軟 、 破碎巖層及過小窯巷道支護設(shè)計齊光輝(靖遠(yuǎn)煤業(yè)公司科研設(shè)計院 , 甘肅 白銀 730913 摘 要 :針對

11、松軟 、 破碎 、 膨脹巖石及穿過小窯采空區(qū)的巷道 , 、 鋼 架配合鋼筋混凝土背板及噴射混凝土聯(lián)合支護支護行式 , , 從而實現(xiàn) 可靠支護 。 關(guān)鍵詞 :軟巖巷道 ; 破碎巖層 ; 中圖分類號 :T D353:1671-0959(2010 02200342031 概 述長期以來 , 軟巖巷道支護問題一直是煤礦生產(chǎn)建設(shè)過 程中的難題 , 也是目前國內(nèi)外還未能很好解決的問題 。特 別是深部礦井 、 斷層破碎帶 、 巖石風(fēng)化帶以及老礦區(qū)穿越 小窯采空區(qū)等 , 使這類問題愈顯突出 。對于松軟巖層的支護 , 常用的有料石或混凝土砌碹 , 棚式支架支護以及錨網(wǎng)噴支護等 。以錨桿為主體構(gòu)件的錨 網(wǎng)噴支護具

12、有較高的承載能力和很好的可縮性 , 并能進行 全方位的支護 , 能夠?qū)崿F(xiàn)主動深入圍巖內(nèi)部加固圍巖 , 提 高圍巖自身承載能力并和圍巖一起形成一個加固圈 , 最大 限度地發(fā)揮圍巖的承載能力 , 能夠滿足軟巖支護性能的要 求 , 目前已在各種軟巖條件下的井巷施工中得到應(yīng)用 , 從 最初的單體錨桿支護發(fā)展到以錨桿為主的錨 、 網(wǎng) 、 梁 、索 、 桁架組合支護體系 。對于松軟巖層及煤層中巷道采用錨網(wǎng) 噴支護已在全國各礦區(qū)得到廣泛的運用 , 并取得了許多寶 本頂?shù)膽铱缍炔粩嘣龃?, 基本頂?shù)某醮慰迓洳骄酁?211825m, 且沿工作面長度方向出現(xiàn)不同步特性 , 即工作面加長以后 , 基本頂來壓呈現(xiàn)中間

13、段超前 、兩端頭落后的特征 , 并且工作面上 、 中 、 下部基本頂來壓步距也不一致 。表 3 工作面基本頂變形及應(yīng)力變化規(guī)律工作面推進 距離 /m下沉量 /mm工作面長度(280m 工作面長度(180m 走向應(yīng)力 /MPa工作面長度(280m 工作面長度(180m 傾向應(yīng)力 /MPa工作面長度(280m 工作面長度106105610211213140121507166 當(dāng)工作面推進到基本頂?shù)臉O限跨距時 , 基本頂分別在 兩端和中部發(fā)生斷裂 。基本頂在斷裂后回轉(zhuǎn)過程中形成力 矩所產(chǎn)生的支承壓力主要由煤壁來承擔(dān) , 因此基本頂?shù)膩?壓首先表現(xiàn)為煤壁片幫 , 隨基本頂進一步回轉(zhuǎn)和下沉 , 作 用在支架上的載荷范圍增大 , 使支柱流量增加 , 支架阻力 也急劇上升 。S1201超長綜放面基本頂?shù)某醮魏椭芷趤韷簩ぷ髅嬖斐杀容^強烈的礦山壓力顯現(xiàn) , 主要表現(xiàn)為支架阻力急劇上 升 、 煤壁片幫等 。5 結(jié) 論針對余吾煤業(yè)公司 S1201超長綜放工作面的賦存特征采用物理模擬 、 數(shù)值模擬及現(xiàn)場實測的手段分析了頂板的 破斷規(guī)律 , 得到如下結(jié)論 :1 超長工作面頂板的破壞