礦山壓力與巖層控制（中礦版）教案：9.3 淺埋煤層采場支護

1、4.3 淺埋煤層采場支護 淺埋煤層采場的支架圍巖動態(tài)作用關(guān)系采場支護是頂板控制根本手段，確定合理支護阻力是頂板支護的關(guān)鍵參數(shù)。確定合理的支護阻力，首先必須根據(jù)頂板結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性研究支架與圍巖的相互作用關(guān)系，以便確定最危險狀態(tài)下的頂板壓力。根據(jù)淺埋煤層采場周期來壓的結(jié)構(gòu)分析，頂板主要有“短砌體梁和“臺階巖梁兩種結(jié)構(gòu)形狀。兩種結(jié)構(gòu)都屬于滑落失穩(wěn)類型，支架主要承受結(jié)構(gòu)失穩(wěn)形成的壓力，最危險狀態(tài)的載荷可以說是“給定的，支架工作處于“給定失穩(wěn)載荷狀態(tài)。必須提供必要的支護力才能維持頂板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，即由支架和頂板結(jié)構(gòu)共同作用來平衡頂板的滑落失穩(wěn)力、維持頂板結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。由上一節(jié)關(guān)于合理的頂板結(jié)構(gòu)支護力的分析可知

2、圖4-13、圖4-14，雖然淺埋煤層工作面支架處于“給定失穩(wěn)載荷狀態(tài)，但控制頂板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定所需的支護阻力不是恒定值，而是隨巖塊的回轉(zhuǎn)運動而變化的。此外，在頂板切落運動過程中，關(guān)鍵塊上的載荷層作用于關(guān)鍵塊上的載荷不是上方巖柱的靜態(tài)重量，存在載荷傳遞效應(yīng)。必須提供足夠的支護阻力控制頂板的初始切落運動，才能防止頂板結(jié)構(gòu)的進一步惡化所引起的失穩(wěn)載荷增大，到達以最小的支護阻力控制頂板的目的，這就是淺埋煤層周期來壓期間的“支架圍巖動態(tài)作用關(guān)系。 合理支護阻力確實定 下面首先以“短砌體梁結(jié)構(gòu)為例，說明支護阻力確實定方法。 淺埋煤層工作面周期來壓時頂板最危險的狀態(tài)如圖4-15所示，工作面支架的支護阻力Pm由直接

3、頂巖柱重量W和老頂滑落失穩(wěn)所傳遞的壓力RD組成： 4-19圖4-15 “短砌體梁結(jié)構(gòu)的“支架圍巖關(guān)系 老頂結(jié)構(gòu)滑落失穩(wěn)作用于支架的壓力為： 代入10-17可得： 4-20周期來壓期間老頂關(guān)鍵塊上載荷層的計算仍然借鑒太沙基巖土壓力計算原理，頂板載荷P1的構(gòu)成如圖4-16所示。圖4-16 周期來壓頂板載荷 根據(jù)文獻10中圖3-25，老頂關(guān)鍵塊上的載荷層處于采場上覆巖層的離層區(qū)，該區(qū)的載荷層處于非壓實狀態(tài)。實測神府1203工作面地表最大下沉速度點滯后采場約30m，說明淺埋煤層工作面關(guān)鍵塊上的載荷也不是載荷層的全部重量，存在載荷傳遞效應(yīng)。載荷傳遞系數(shù)KG0可以表示為：式中，Kr為載荷傳遞巖性因子；Kt

4、為載荷傳遞的時間因子。 由圖10-15可知，老頂關(guān)鍵塊的載荷P1由老頂關(guān)鍵層重量PG和載荷層傳遞的重量PZ組成： P1 = PG + PZ 4-21 4-22 4-23式中，h為老頂關(guān)鍵層厚度；l為關(guān)鍵塊長度周期來壓步距；為基巖容重；h1為載荷層厚度；為載荷平均容重；KG0為載荷傳遞系數(shù)。 由于載荷層厚度大，仍然按太沙基土壓力計算原理近似估算載傳遞系數(shù)。參照文獻113-128式可得作用于老頂巖塊的載荷為： ， 4-24 在長時間狀態(tài)下取Kt =1，聯(lián)立10-23和10-24可得周期來壓時載荷傳遞巖性因子： 4-25 由此可得周期來壓時的載荷傳遞系數(shù)為： 4-26式中，為載荷層的內(nèi)摩擦角；為載荷

5、層側(cè)應(yīng)力系數(shù)。由10-21、10-22、10-23可得作用于關(guān)鍵塊的載荷為： =+， 4-27 由10-18、10-19可得，控制頂板所需的支護阻力為： 4-28 按與“短砌體梁結(jié)構(gòu)支護阻力計算相同的方法，可以求得“臺階巖梁結(jié)構(gòu)條件下的控制頂板所需的支護阻力為： 4-29 考慮支架的支護效率，工作面支架的工作阻力為： 4-30其中，為支架的支護效率。 淺埋煤層工作面支護設(shè)計根本方法為了說明支護阻力確定的方法，針對幾個工作面實際參數(shù)給出實例進行說明，在此根底上總結(jié)出了淺埋煤層的支護設(shè)計根本方法。1. 支護阻力確定的實例分析實例4-1：以大柳塔煤礦1203工作面為例，老頂關(guān)鍵層的厚度h=，基巖容重

6、3，載荷層厚度h1=32m，載荷層容重3，周期來壓步距為l=10.415m，平均12m，采高m=4m，支架寬度為b=，兩柱掩護式支架支護效率，控頂距l(xiāng)k =，直接頂厚度=6m有2m頂煤未采，確定控制頂板所需的支架工作阻力。1按“短砌體梁結(jié)構(gòu)進行計算 巖塊回轉(zhuǎn)角：=10 巖塊塊度為： 根據(jù)神府大柳塔1203工作面或載荷層條件，取沙土層平均參數(shù)=27，=1-，采用4-26式得： 周期來壓期間，仍取，求得： 將相關(guān)參數(shù)代入4-28式可得周期來壓時的合理支護阻力為：kN/架 由4-30求得合理支架工作阻力為：kN/架 2按“臺階巖梁進行計算 由4-13式，最大回轉(zhuǎn)角：10 按最大回轉(zhuǎn)角的一半取巖塊回轉(zhuǎn)

7、角，5。 代入4-29式可得控制頂板所需的支護阻力為：4614kN/架 由4-30求得支架工作阻力為：5127kN/架 按“短砌體梁和“臺隊巖梁結(jié)構(gòu)求得1203工作面周期來壓的控制頂板的工作阻力分別大于2793kN/架和5127kN/架。實測周期來壓間支架平均最大工作阻力達3850kN/架，大大超過了支架額定工作阻力3500kN/架，工作面支架曾出現(xiàn)支柱油缸受壓膨脹現(xiàn)象。可見，按“臺階巖梁計算比擬平安，計算結(jié)果與實際情況根本吻合。 實例4-2：再次以神府煤田東勝補連塔礦2211工作面1997年12月完成觀測為例，驗證周期來壓工作阻力計算公式的可靠性和準(zhǔn)確性12。該工作面老頂關(guān)鍵層厚度h=14m

8、，基巖巖重3，工作面中測區(qū)周期來壓步距平均為l=。載荷層厚度h1=40m,荷載層平均容重3，直接頂厚度=，采高m=。采用國產(chǎn)ZY600025/50型液壓支架支護，支架寬度為b=，兩柱掩護式支架支護效率，控頂距l(xiāng)k =，確定控制頂板所需的支架工作阻力。 1按“短砌體梁結(jié)構(gòu)進行計算 巖塊回轉(zhuǎn)角： 巖塊塊度為： 根據(jù)東勝補連塔礦2211工作面載荷層條件，取沙土層平均參數(shù)=27，=1-，采用4-26式得： 取，求得： 將相關(guān)參數(shù)代入4-28式可得周期來壓期間的支護阻力為：2488kN/架 由4-30求得控制頂板所需的支架工作阻力為：2764kN/架 2按“臺階巖梁進行計算由4-13式可得：max取回轉(zhuǎn)

9、角1=6,將max及相關(guān)參數(shù)代入10-29式可得周期來壓期間的合理支護阻力為：5145kN/架 由4-30求得控制頂板所需的支架工作阻力為：5717kN/架根據(jù)“短砌體梁和“臺階巖梁兩種結(jié)構(gòu)的計算結(jié)果分別為2764kN/架和5717kN/架，差異比擬大。2211工作面采用的支架額定工作阻力為6000kN/架，頂板沒有出現(xiàn)臺階下沉與現(xiàn)象。實測4次周期來壓時中測站支架最大工作阻力為5581-5941kN/架，平均5798kN/架，來壓期間各測站總平均5330kN架，可見，“臺階巖梁計算結(jié)果與實測情況比擬吻合。2. 工作面頂板控制的根本方法通過工作面的實例分析，說明周期來壓一般以“臺階巖梁結(jié)構(gòu)進行計算比擬平安。實例分析又從另一個側(cè)面說明，頂板結(jié)構(gòu)模型根本上能夠地反映支架與圍巖的關(guān)系，應(yīng)用頂板結(jié)構(gòu)理論可以實現(xiàn)頂板控制的定量化分析。實踐證明，淺埋煤層工作面頂板的臺階下沉是可以控制的。在神府淺埋煤層條件下，頂板臺階下沉可在7000kN/架支架寬度按計左右得到控制。合理工作阻力