大采高放顶煤工作面矿压显现规律及围岩控制研究.pdf

* 第 42 卷 第 5 期 2011 年 9 月 太原理工大学学报 JOURNAL OF T AIYUAN UNIVERSITY OF T ECHNOLOGY Vol. 42No. 5 Sep. 2011 文章编号 1007 -9432 2011 05 -0524 -04 大采高放顶煤工作面矿压 显现规律及围岩控制研究 刘正和, 赵阳升, 弓培林, 吕兆兴 太原理工大学 采矿工艺研究所, 太原 030024 摘 要 通过对大采高放顶煤工作面进行矿压规律实测, 研究大采高综放条件下上覆岩层结构 及运动特征, 掌握工作面的初次来压、 周期来压规律, 探讨支架- 围岩关系及优化液压支架选型。 本文以理论分析为基础, 并以某矿一号井大采高综放面为例, 总结了大采高综放面矿压显现规律。 关键词 大采高; 综放开采; 矿压显现规律 中图分类号 T D322. 1 文献标识码 A 综放工作面采高加大以后顶板岩层垮落后难以 充满采空区, 将导致上覆岩层中形成结构的岩层位置 及其运动规律都发生了变化, 尤其是采高大于 3. 5 m 以后, 这种规律将显著不同于采高在 3. 5 m 以下的工 作面。因此, 大采高综放工作面的顶板控制也必然不 同于普通综放工作面。对大采高综放工作面进行矿 压观测, 研究大采高综放条件下上覆岩层结构及运动 特征, 掌握工作面的初次来压、 周期来压规律, 探讨支 架与围岩关系及优化液压支架选型有重要的意义。 1 大采高综放工作面煤层赋存条件 4106 综放工作面为某矿一号井的第一个工作 面, 工作面所采煤层为 4 号煤层, 平均煤厚 8. 72 m。 工作面推进长度为 1 650 m, 工作面长为 300 m, 采高 3.7 m, 平均放煤高度5. 02 m,采放比为 1B1. 36。工 作面最大控顶距为 6 134 mm, 最小控顶距为 5 334 mm, 端面距不大于 424 mm。 工作面顶板 厚度 10. 7 19. 19 m, 平均厚 15 m, 岩性为棕灰 -灰白色, 以石英为主, 长石次之, 含 暗绿色矿物, 长石已经风化, 分选差, 较硬, 下部含黄 铁矿; 工作面底板 直接底厚 1. 98 3. 38 m, 平均厚 2. 30 m, 岩性为砂质泥岩, 褐色, 较硬, 含植物化石 碎片和黄铁矿, 老底厚 4. 27 6. 28 m, 平均厚 5. 20 m, 岩性为中粒砂岩, 灰白色, 以石英为主。 2 大采高放顶煤矿压显现规律实测分析 4106综放工作面全长 300 m, 共布置液压支架 202 架。工作面主要设备配备详见表 1。工作面选取 有代表性的五架支架进行支架载荷连续监测, 支架编 号分别为 20 号、 40 号、 100 号、 120 号、 180 号。其中 20 号、 40号代表下部测区, 100 号、 120 号代表中部测 区, 180号代表上部测区。测区布置如图1 所示。 表 1 工作面主要设备配备表 序号名 称型 号性 能 1采煤机M GTY750/1800- 3.3D 采高 2.2 4. 2 m, 牵引速度 9.73 22. 9 m/ min 2刮板输送机SGZ1000/ 2 100设备运输能力 3 500t/ h 3转载机SZZ- 1200/ 700运输能力 3 500 t/h 4破碎机PCM400破碎能力 3 500 t/h 5液压支架ZF10000/ 25/40 支撑高度 2 500 4 000 mm, 工作阻力10 000 kN, 初撑力7 760 kN 2. 1 工作面来压步距分析 根据实测所得支架工作阻力的变化计算工作面 来压步距。20 号支架初撑力和末阻力随工作面推 进距离的变化关系曲线如图 2、 图 3 所示, 100 号支 架初撑力和末阻力随工作面推进距离变化曲线如图 4、 图 5 所示, 工作面支架平均载荷随工作面推进距 离变化曲线如图 6、 图 7 所示。工作面下部 40 号支 *收稿日期 2011 - 04 -12 基金项目 山西省重点实验室基金资助项目 2009011059- 12 作者简介 刘正和 1976- , 男, 宁夏盐池人, 博士生, 讲师, 主要从事采矿工程教学研究, Tel 0351- 6014063 图 1 测区布置示意图 图 2 20 号支架初撑力随工作面推进距离变化曲线 图 3 20 号支架末阻力随工作面推进距离变化曲线 图 4 100 号支架初撑力随工作面推进距离变化曲线 图 5 100 号支架末阻力随工作面推进距离变化曲线 架 初次来压步距为 35 m, 周期来压步距 6 15 m, 平均周期来压步距 10. 3 m; 工作面中部 100 号支 图 6 支架平均初撑力随工作面推进距离的变化曲线 图 7 支架平均末阻力随工作面推进距离的变化曲线 架 初次来压步距为 45 m, 周期来压步距 8 11 m, 平均周周期来压步距 9 m; 工作面下部 180 号支 架 初次来压步距为 49 m, 周期来压步距 8 23 m, 平均周期来压步距 15. 3 m; 工作面平均初次来压步 距为 44. 4 m, 周期来压步距平均为 13. 32 m。工作 面不同位置初次来压及周期来压步距见表 2。 表 2 工作面支架来压步距特征 顶板来压 阶段 来压步距/ m 20号40 号100 号120 号180 号 初次来压4735454649 周期 110108118 周期 296111015 周期 3391591823 周期均值1910. 391315. 3 2. 2 支架载荷分布规律 工作面支架初撑力和末阻力随推进过程变化特 征表明, 末阻力与初撑力呈线性变化, 末阻力的值与 初撑力值大小有关, 初撑力大的末阻力也大。工作 面机头、 中部、 机尾部位的 20 号、 100 号和 180 号支 架荷载如表 3 所示。 表 3 工作面支架初末阻力特征 支架号 初撑力/ MPa末阻力/ MPa 最大最小平均最大最小平均 20 号30823 1 3338825 1 6 100 号301926 1 26462236 1 26 180 号281423 1 25391426 1 15 1 20号支架初撑力为 8 30 MPa, 平均为 23. 33 MPa; 100号支架初撑力为 19 30 MPa, 平均为 26. 26 MPa; 180号支架初撑力为 14 28 MPa, 平均为 23. 25 525 第 5 期 刘正和等 大采高放顶煤工作面矿压显现规律及围岩控制研究 MPa。由支架平均值可知, 工作面中部支架初撑力最 大, 上部和下部基本相等。3 个支架实测初撑力平均 24. 28 MPa, 利用率为支架额定初撑力 31. 5 MPa 的 77。图8为观测期间测得支架初撑力的频率分布直 方图, 初撑力低于 20 MPa 的频率占 9, 在 20 30 MPa 之间的占62, 大于30 MPa 的占29, 可见该工 作面支架初撑力可以有效的支撑顶板, 能减少顶煤和 顶板间的离层量, 达到控制顶板的目的。 图 8 支架初撑力分布直方图 2 20号支架循环末阻力为 8 38 MPa, 平均为 25. 6 MPa; 100 号支架循环末阻力为 22 46 MPa, 平 均为 36. 26 MPa; 180 号支架循环末阻力为 14 39 MPa, 平均为 26. 15 MPa。由循环末阻力平均值可 知, 工作面中部支架末阻力值最大, 下部和上部基本 相等。3 个支架实测循环末工作阻力平均 29. 34 MPa, 占额定工作阻力的 66. 7, 从工作面支架循环 末阻力均值上看, 支架工作阻力有 33. 3的富裕度。 图9 是观测期间工作面支架循环末阻力频数分布直 方图, 有 5的支架末阻力低于 20 MPa, 该部分支架 未能有效的支撑顶板, 原因可能是支架顶梁未能与顶 煤接触充分或液压管路漏液造成的; 有 54的支架 末阻力在 20 35 MPa 之间, 为工作面未来压期间支 架载荷; 有 27 的支架末阻力在 35 45 MPa 之间, 为工作面来压期间, 支架处于高支撑状态; 有 14 的 支架末阻力超过其额定工作阻力, 说明大采高综放工 作面同样在来压期间存在冲击载荷。 图 9 支架末阻力分布直方图 3 根据实测到工作面支架初撑力和末阻力的 图10 支架初撑力和末阻力的关系曲线 数据, 绘制散点图 10 进行统计回归, 总结出支架初 撑力和末阻力符合线性增长规律。回归公式为 Pm 1. 078 5P0 2. 999 4, R2 0. 695 8. 3 大采高放顶煤工作面顶煤破坏高度 数值模拟研究 依据 4106 大采高放顶煤工作面的顶底板赋存 条件, 利用有限元模拟软件, 对工作面开挖后, 顶煤 受力进行分析, 总结其破碎垮落规律。 图 11 为大采高放顶煤工作面推进至 35 m 时, 工作面顶煤及围岩垂直应力分布云图。工作面前方 顶煤及顶板处于受压区域, 最大支承压力为 12. 6 图 11 工作面顶煤及围岩垂直应力分布云图 MPa, 大于顶煤的单轴抗压强度, 顶煤被压裂破坏; 工作面后方顶煤为受拉区域, 最大拉应力为 5. 17 MPa, 大于顶煤的单轴抗拉强度, 顶煤受拉破坏。顶 煤在工作面前方支承压力及后方拉应力双重作用下 破坏较为充分, 冒放性较好。 4 结论 1 4106 大采高综放工作面顶板的周期性运动 现象比较明显, 工作面上、 中、 下来压步距差别不大, 顶板初次来压步距平均为 44. 4 m, 周期来压步距平 均为 13. 3 m。 2 4106 大采高综放面平均初撑力为额定初撑 力的 77 , 可以有效的支撑顶煤, 使顶煤和顶板之 526 太 原 理 工 大 学 学 报 第 42 卷 间避免出现过多的离层量; 末阻力的频率直方图呈 正态分布, 频率最大值出现在 25 30 MPa, 但实测 过程中, 有 14 的支架末阻力超过其额定工作阻 力, 说明大采高综放工作面同样在来压期间存在冲 击载荷。 3 支架初撑力和末阻力符合线性增长规律。 回归公式为 Pm 1. 078 5P0 2. 999 4, R 2 0. 695 8. 参考文献 [ 1] 闫少宏, 富强. 综放开采顶煤顶板活动规律的研究与应用[ M] . 北京 煤炭工业出版社, 2001. 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Key words high seam mining; longwall top coal caving; the laws of strata behavior 编辑 张爱绒 上接第 523 页 [ 10] 李刚, 梁冰, 张国华. 高应力软岩巷道围岩变形特征及其支护参数设计[ J] . 采矿安全与工程学报, 2009, 26 2 183 -186. [ 11] 方新秋, 何洁, 何加省. 深部高应力软岩动压巷道加固技术研究[ J] . 岩土力学, 2009, 30 6 1693 -1698. [ 12] 许兴亮, 张农, 徐基跟, 等. 高地应力破碎软岩巷道过程控制原理与实践[ J] . 采矿安全与工程学报, 2007, 24 1 51 -56. [ 13] 刘嘉材. 裂隙注浆扩散半径的研究[ C] . 水利水电科学院科学研究论文集, 1988. [ 14] Littlejohn G S. Chemical Grouting -1[ J] . Ground Engineering, 1985, 4. [ 15] 董方庭 宋宏伟, 郭志宏. 巷道围岩松动圈支护理论[ J] . 煤炭学报, 1994, 19 1 21 -31. [ 16] 刘玉祥, 柳慧鹏. 水泥 -水玻璃双液注浆中的最优参数选择[ J] . 矿冶, 2005, 14 4 1 - 6. Study of Parameters for Tunnel Grouting Reinforcement in Soft Tectonic Fracture Zone WANG Kai, TIAN Qu -zhen, ZHANG Xiao -qiang College of Mining Engineering, Taiy uan University of Technology , T aiyuan 030024, China Abstract The stress, support factors and lithology of the soft, develeped tectonic zone were analyzed. The combination of grouting reinforcement and bolting was adopted to determine the grouting reinforcement parameters, including grouting depth, grout mix ratio and grouting hole in - teral, by in -situ measurement, theoretical analysis and FLAC numerical simulation. The research provides some guidance for supporting of tunnel in similar environment. Key words tunnel; tectonic zone; grouting; supporting 编辑 张爱绒 527 第 5 期 刘正和等 大采高放顶煤工作面矿压显现规律及围岩控制研究