极薄煤层顶板限定变形支护控制研究.pdf

第 31 卷第 5 期 2011 年 09 月 西安科技大学学报 JOURNAL OF XI’ AN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY Vol． 31No. 5 Sept. 2011 文章编号 1672 －9315 2011 05 －0540 －04 极薄煤层顶板限定变形支护控制研究 * 奚光荣 达竹煤电集团有限责任公司， 四川 达州 635000 摘要 0． 8 m 以下的极薄煤层要实现机械化开采， 关键是要解决采场工作空间狭小的难题， 保 证过煤、 过机及行人空间。除了从设备选型及配套设计来保证“三个空间” 外， 合理选择支护强 度， 有效控制顶板下沉也是增加极薄煤层开采工作空间的有效手段。在极薄煤层开采中运用“限 定变形 “支护理论合理选择支护强度控制顶板下沉， 保证了采场工作面的空间， 并在达竹煤电集 团斌郎煤矿 N1014 工作面得到实践运用。 关键词极薄煤层;限定变形;顶板;支护控制 中图分类号TD 823文献标志码A 0引言 极薄煤层开采， 顶板控制十分重要， 采场支护强度不仅要保证采场顶板完整， 更重要的是控制顶板的大 量下沉， 尽可能提高极薄煤层采场有效空间 ［ 1 ］。因此， 研究具体工程地质条件下支架与围岩的定量关系， 确 定支架限定顶板变形的程度， 控制顶板的下沉量是极薄煤层综合机械化开采过程中非常重要的课题 ［ 2 －4 ］。 1极薄煤层采场支架与围岩关系 支架与围岩间相互作用关系是采场来压显现与上覆岩层运动关系的重要组成部分。它既是采场顶 板控制设计的理论基础， 也是检验顶板控制效果的依据［5 －6 ］。对于极薄煤层而言， 关键问题是研究支架与 顶板各岩层运动间的力学关系， 确定顶板有关岩层被控制到所要求程度需要的合理支架阻力， 使顶板保 持在合适的位态， 尽量增加采场的有效空间， 从而达到科学控制矿山压力和管理顶板的目的［7 －8 ］。 1． 1采场支架工作状态 基本顶岩梁裂断后， 在运动过程中给支架的作用力， 由支架对岩梁运动的抵抗程度 或对岩梁位态控 制的要求 决定 ［9 ］。因此， 岩梁运动结束时支架可能在以下 2 种状态下工作。 1． 1． 1“给定变形” 工作状态 采场支架对基本顶岩梁的运动处于 “结定变形” 工作状态时， 支架只能在一定范围内降低岩梁运动速 度， 但不能对岩梁的运动起到阻止作用， 岩梁运动至最终状态时的顶板下沉量 即岩梁无阻碍最终沉降 值 为 Δh A h － mz KA－1 C Lk． 1 式中 Δh A为岩梁无阻碍最终沉降值， 即岩梁处于最低状态条件下最大控顶距处的顶板下沉量， m; h 为采 高， m; KA为岩梁无阻碍最终沉降处的岩石碎胀系数; C 为岩梁周期运动步距， m; L k为控顶距， m; Mz为直 接顶厚度， m． 1． 1． 2“限定变形” 工作状态 采场支架对岩梁运动采取 “限定变形” ， 是指采场支架对岩梁运动进行必要的限制。在 “限定变形” 工 *收稿日期 2011 －08 －13 作者简介奚光荣 1966 － ， 男， 四川开江人， 高级工程师， 主要从事煤矿开采及煤矿安全的研究与管理工作． 第 5 期奚光荣 极薄煤层顶板限定变形支护控制研究 图 1支架与直接顶间的力学关系图 Fig． 1Mechanical relationship between support and immediate roof 作状态下， 有以下关系式成立 Δh i＜ ΔhA． 式中 Δh i由采场支架阻力所限定的采场顶板下沉量。 1． 2极薄煤层采场支架与顶板位态间的力学关系 1． 2． 1支架与直接顶的相互关系 直接顶在自重 G 及基本顶岩梁作用力 Q 的共同作用下， 由 OA 位置开始沉降。当沉降至采场顶板下沉量 Δhi时静 止， 一旦直接顶在煤壁附近发生断裂， 直接顶给支架的最大 作用力为 Pzi mzγzfz． 式中fz为直接顶悬顶系数， 与控顶距大小和采场支架合力 点位置有关;γz为直接顶重力密度。 显然， 从上式可知， 直接顶给支架的作用力可近似看成 是与直接顶位态无关的常数， 直接顶的悬顶情况对该值的大小将有明显影响。 1． 2． 2支架与基本顶岩梁的相互作用关系 基本顶岩梁端部断裂后， 支架对基本顶岩梁运动状态 即位态 的控制， 实质在于提供阻止其回转下 沉的反向弯矩， 使得在所要求的位态上［10 ］。力学模型如图 2 所示。 图 2 表示出岩梁的 2 种运动状态 或 2 种位态 ， 状态 1 表示岩梁悬垮度达到周期运动步距 C 时， 采 场内在控顶距 Lk处的顶板下沉量为 ΔhA Δh A SA LALk≈ SA C Lk， 2 在此位态下， 岩梁可能给支架的最大作用力 按防切顶考虑 为 PT mEγELA KTLk ， 3 式中KT为支架承担岩梁重量的比例系数 或称基本顶岩梁作用力传递系数 ; KT2;LA为岩梁显著运 动步距; LA≈C; mE为基本顶岩梁厚度;γE为基本顶重力密度。 图 2支架与基本顶岩梁相互作用关系 Fig． 2Interaction relatiopship between support and immediate roof rock beam 状态 2 表示岩梁悬垮度为 Li时采场内在控顶距 Lk处的顶 板下沉量为 Δhi Δh i SA Li Lk， 4 岩梁可能给支架的最大作用力为 PEi mEγELi KTLk ， 5 由式 1 和式 3 得到Li Δh A Δh i LA≈ Δh A Δh i C， 6 将式 5 代入式 4 有 PE mEγEC KTLk Δh A Δh i KA Δh A Δh i ． 式中KA为岩梁位态常数， 当顶板下沉量为 ΔhA时单位面积岩 梁作用力。 2“限定变形” 条件下的顶板控制 在 “限定变形” 工作状态下， 控制岩梁位态在 Δhi时支架所受顶板压力包括基本顶岩梁作用力和直接 顶作用力 2 部分， 即 145 PT Pzi PEi mzγzfz KA Δh A Δh i ． 7 式中PT为控制顶板下沉量在 Δhi时顶板给支架的作用力， kN/m2; Pzi为直接顶施加给支架的作用力， kN/m2; PEi为基本顶施加给支架的作用力， kN/m2． 3运用实例 3． 1地质条件 达竹煤电集团斌郎煤矿内连煤层上分层煤层厚度 0． 52 ～ 0． 78 m， 平均厚度 0． 75 m． 煤层硬度 f 1． 91， 为软 ～ 中等硬度煤层。基本顶为灰色中粒砂岩， 质坚硬， 含较多黑色矿物， 位于 T3XJ6 －3 层位， f 3 ～7． 直接顶为灰色砂质泥岩， 层理发育， T3XJ6 －2 层位， f 2 ～4． 3． 2采场支架工作状态确定 斌郎煤矿内连煤层基本参数 h 0． 75 m， mz2． 6 m， KA1． 25， C 7 m， Lk3． 7 m． 代入式 1 ， 则有 Δh A67 mm． 对于采高只有 750 mm 的极薄煤层， 67 mm 的顶板下沉量有些过大， 因此， 对于达竹矿区极薄煤层顶 板控制设计不能采用 “给定变形” 理论。 3． 3“限定变形” 条件下的顶板支护强度 为了保证极薄煤层尽可能大的采场空间， 对支架采取“限定变形” 的工作方式， 控制顶板的下沉量。 确定限定顶板平均下沉量 25 mm． 对于斌郎煤矿内连煤层 ， “限定变形” 工作状态下的支护强度为 PE A KA Δh A Δh i mzγz mEγEC KTLk Δh A Δh i ． 式中参数取值为 mz1 ～3 m， 按3 m 取值; mE1 ～3 m， 按3 m 代入; γE25 kN/m3; C 5 ～12 m， 按10 m 取值; KT2; Lk3． 99 m; ΔhA67 mm; Δhi25 mm． 计算得到 PE376 kN/m20． 376 MPa． 为了保证足够的空间， 极薄煤层工作面中应尽可能减少支护强度， 以减轻支架吨位， 但支护强度应不 低于 0． 376 MPa． 3． 4控制效果 斌郎煤矿 N1014 工作面走向长度1 280 m， 倾向长度110 m， 可采储量14．26 万 t， 煤层倾角16 ～19， 煤层 厚度平均0．73 m， 采用爬底板综合机械化开采， 滚筒截割高度 0．75 m， 平均卧底 5 mm． MG110/130 － TPD 爬 底式采煤机割煤， ZY2400/5．5/12 两柱掩护式层叠整体顶梁液压支架支护顶板， 支护强度0．41 MPa． 在整个回采期间活柱最大高度为 249 mm， 占到活柱最大可缩量 650 mm 的 38． 3， 活柱最小高度 152 mm， 占到活柱最大可缩量的 23． 4， 活柱的最大下缩量为 98 mm， 平均下缩量 18． 2 mm． 采场支护在 “限定变形” 条件下达到了有效控制顶板下沉的目的， 保证了极薄煤层爬底板综合机械化开采的工作空 间。 4结论 1极薄煤层综采液压支架应用 “限定变形” 工作方式控制了顶板过大的下沉量。 2根据支架与围岩的关系确定支架 “限定变形” 不同位态间的支护强度是可行、 可靠的。 3支架 “限定变形” 工作方式在 N1014 极薄煤层爬综工作面取得了试验成功， 有效控制了顶板下沉 量， 保证了工作面更多的工作空间。 参考文献References ［ 1］ 李洪． 崔家寨煤矿坚硬厚层顶板控制研究［ J］ ． 矿山压力与顶板管理， 2002， 19 4 73 －75， 78． 245西 安科技大学学报2011 年 第 5 期奚光荣 极薄煤层顶板限定变形支护控制研究 LI Hong． The research on controlling hard and thick roof in the working face of Cuijiazhai colliery［ J］ ． Ground Pressure and Strata Control， 2002， 19 4 73 －75， 78． ［ 2］ 宋振骐． 实用矿山压力控制． 徐州［ M］ ． 徐州 中国矿业大学出版社， 1988． SONG Zhen- qi． Practical technology of strata pressure control［M］ ． Xuzhou China University of Mining and Technolohy Press， 1988． ［ 3］ 张开智， 郭周克， 李洪， 等． 高档普采工作面坚硬顶板控制与实践［ J］ ． 煤炭科学技术， 2003， 31 3 4 －6， 57． ZHANG Kai- zhi， GUO Zhou- ke， LI Hong， et al． Control of hard roof of the mining workface and its practice［ J］ ． Coal Science and Technology， 2003， 31 3 4 －6， 57． ［ 4］ 姜福兴． 采场顶板控制设计及其专家系统［ M］ ． 徐州 中国矿业大学出版社， 1995． JIANG Fu- xing． Stope roof control design and its expert system［ M］ ． Xuzhou China University of Mining and Technolohy Press， 1995． ［ 5］ 李洪， 马全礼， 张开智． 采场顶板岩层运动及稳定性的观测研究［ J］ ． 矿山压力与顶板管理， 2004， 21 2 4 －6． LI Hong，MA Quan- li，ZHU Xue- jun． Observation of the movement and the stability of roof strata［ J］ ． Ground Pressure and Strata Control， 2004， 21 2 4 －6． ［ 6］ 杨治林． 浅埋煤层长壁开采顶板结构稳定性分析［ J］ ． 矿山压力与顶板管理， 2005， 22 2 7 －9． YANG Zhi- lin． Stability on roof structure in shallow seam longwall mining［ J］ ． Ground Pressure and Strata Control， 2005， 22 2 7 －9． ［ 7］ 文志杰， 赵晓东， 尹立明， 等． 大采高顶板控制模型及支架合理承载研究 ［ J］ ． 采矿与安全工程学报， 2010， 27 2 255 －257． WEN Zhi- jie， ZHAO Xiao- dong， YIN Li- ming， et al． Study on mechanical model and reasonable working- condition parameters in mining stope with large mining height［ J］ ． Journal of Mining ＆ Safety Engineerign， 2010， 27 2 255 －257． ［ 8］ 赵元放， 张向阳， 涂敏． 大倾角煤层开采顶板垮落特征及矿压显现规律 ［ J］ ． 采矿与安全工程学报， 2007， 24 2 231 －234． ZHAO Yuan- fang， ZHANG Xiang- yang， TU Min． Roof caving characteristic and strata behavior in exploiting steep coal seams ［ J］ ． Journal of Mining and Safety Enginering， 2007， 24 2 231 －234． ［ 9］ 陈炎光， 钱鸣高． 中国煤矿采矿围岩控制［ M］ ． 徐州 中国矿业大学出版社， 1994． CHEN Yan- guang， QIAN Ming- gao． Strata control around coal face in China［M］ ． Xuzhou China University of Mining and Technology Press， 1994． ［ 10］ 王思敏， 杨志雄． 地下工程岩体稳定性分析［ M］ ． 北京 科学出版社， 1984． WANG Si- min， YANG Zhi- xiong． Stability analysis of underground engineering rock［ M］ ． Beijing Science Press， 1984． Supporting control of roof limited deation in the thinnest coal seam XI Guang- rong Dvelopment Company of DAZHU Coal ＆ Electricity Group，Dazhou 635000， China AbstractThe key to realize mechanization mining in the thinnest coal seam below 0． 8 m is to solve the problem of narrow stope work space and ensure the space of coal transportation， shearer operation and working． Besides from the selection of equipment and supporting design to ensure the three － space， rea- sonable choice supporting intensity and effective control of the roof sinks are also effective means for in- creasing the thinnest coal seam mining work space． This paper expounds the practice of applying“limit deation”supporting theory to choose supporting intensity reasonably and control roof sinks in the thinnest coal seam mining and ensuring the stope work space． Key wordsthinnest coal seam;limited deation;roof;supporting control* 345 *Corresponding authorXI Guang- rong， Senior Engineer， Dazhou 635000， P． R． China， Tel 0086 －818 －2310016， E- mail xi． gr163． com． cn