皖北矿区综采工作面软弱围岩液压支架耦合性能分析 -.pdf

第4 8 卷 第3 期 煤炭工程 C O AL E NGI N EE RI NG Vo 1 ．48， No ． 3 d o i 1 0 ． 1 l 7 9 9 ／ c e 2 0 1 6 O 3 0 1 4 皖北矿区综采工作面软弱围岩液压支架 耦合性 能分析 刘俊峰 ，王国法 ，王福清 ，任怀伟 1 ． 天地科技股份有限公司，北京 1 0 0 0 1 3 ；2 ．皖北煤电集团有限责任公司，安徽 宿州2 3 4 0 0 0 摘要 针对皖北矿区软弱 围岩特性 ，分析 了不 同位置软弱围岩的运移规律，得 出其对工作 面支护的影响作用从强到弱依 次为直接顶 、底板、煤层和基本顶基于综采工作面软弱围岩液压 支架强度耦合、刚度耦合和稳定性耦合分析 ，得 出了软弱围岩综采工作面支护强度确定需要考虑 顶板支护、围岩完整性控制两个方面，提 出合理的液压支架初撑强度确定方法．完善 了软弱 围岩 综采工作面液压支架设计要求。开采 实践可知 ，液压支架设计合理能够满足软弱围岩综采工作面 开采要 求。 关键词 软弱围岩 ；初撑强度；支护强度 ；支架围岩耦合；液压支架设计 中图分类号T D 3 5 3 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 1 6 0 3 0 0 4 2 ． 0 4 Ana l y s i s o n c o upl i ng p e r f o r ma n c e o f h yd r a ul i c s up po r t a nd we a k s u r r o u nd i ng r o c k i n f ul l y me c h a ni z e d c o a l mi ni n g f a c e i n No t he r n Anh ui mi ning a r e a L I U J u n f e n g ，WANG Gu o f a ，WANG F u q i n g ，R EN Hu a i we i 1 ． T i a n d i S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y C o ． ，L t d ． ，B e i j i n g 1 0 0 0 1 3 ，C h i n a ；2 ． Wa n b e i C o a l e l e c t r i c i t y G r o u p C o ． ，L t d ． ，S u z h o u 2 3 4 0 0 0，C h i n a Ab s t r a c t Ai mi n g a t t h e c h a r a c t e ris t i c s o f we a k s u r r o u n d i n g r o c k i n N o t h e m An h u i mi n i n g a r e a， t h e mo v e me n t l a w o f w e a k s u r r o u n d i n g r o c k i n d i f f e r e n t l o c a t i o n i s a n y z e d，i t i s c o n c l u d e d t h a t t h e e f f e c t o n w o r k i n g f a c e s u p p o rt o f i mme d i ate r o o f ，i mme d i a t e fl o o r a n d c o a l s e a m a n d ma i n r o o f d e c r e a s e s s u c c e s s i v e l y ．B a s e d o n t h e a n a l y s i s o n s t i f f n e s s c o u p l i n g ， i n t e n s i t y c o u p l i n g a n d s t a b i l i t y c o u p l i n g b e t w e e n t h e s o f t s u r r o u n d i n g r o c k a n d s u p p o i n t h e f u l I y me c h a n i z e d w o r k i n g f a c e，t h e r e a r e 2 a s p e c t s n e e d s c o n s i d e r a t i o n i n d e t e r mi n a t i o n o f t h e s u p p o rt i n t e n s i t y ， r o o f s u p p o r t i n g a n d s u r r o u n d i n g r o c k i n t e g rit y c o n t r o 1 ． T h e d e t e r mi n a t i o n me t h o d o f s e t t i n g i n t e n s i t y i s p r o p o s e d ， t h e d e s i g n r e q u i r e me n t s of h y d r a u l i c s u p p o rt i n we a k s u r r o u n d i n g r o c k a r e c o mp l e t e d ． Mi n i n g p r a c t i c e s h o ws t h a t t h e h y d r a u l i c s u p p o rt i s d e s i g n e d r e a s o n a b l y me e t i n g t h e r e q u i r e me n t s of f u l l y me c h a n i z e d mi n i n g f a c e i n w e a k s u r r o u n d i n g r o c k ． Ke y wo r d swe a k s u r r o u nd i ng r o c k； s et t i n g i n t e n s i t y； s u p po rti ng i n t e ns i t y； s u pp o r t s urro un di n g r o c k c o up l i n g； h y d r a u l i c s u p p o r t d e s i g n 通过对皖北矿区部分工作面地质条件分析可知 见表 1 ，其顶底板围岩一般为泥岩、泥质粉砂岩，硬度系数小 于 3 ，遇水易膨胀崩解 ，特殊的煤层地质条件对工作面设备 的选型和回采工艺设计提出了诸多难题。其中液压支架的 选型设计要重点考虑如下两点①软弱煤层和顶板需要较 高初撑力支撑 ，以减少煤壁片帮和顶板下沉量；另一方面， 42 收稿 日期 基金项 目 作者简介 引用格式 过高的初撑力及其反复支撑会对软弱顶板产生破坏，降低 其完整性，反而容易发生冒顶 ，影响液压支架对顶板的支 护效果；支护强度的确定应在 “ 控顶”与 “ 破顶”之间寻 求合理平衡②国内外对软岩巷道的支护提出了许多理论 及方法⋯ ．综采工作面对软弱围岩的管理和控制与软岩巷 道存在本质区别，常规支架结构参数对软弱围岩适应性差 ， 201 5 -0 5～1 3 国家重点基础研究发展计划 9 7 3计划 课题 “ 深部围岩自适应支护原理及系统创成理论” 2 0 1 4 C B 0 4 6 3 0 2 刘俊峰 1 9 7 6 一 ，男，山西榆次人 ，研究员 ，主要从事支架一 围岩关系及综采工作面设备选型配套研究工 作 ．E m a i l l i u j u n f e n g t d k c s j ． c o n。 刘俊峰，王国法，王福清，等．皖北矿区综采工作 面软弱围岩液压支架耦合性能分析 [ J ] ．煤炭工程， 2 0 1 6 ，4 8 3 4 2 4 5 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 6 年 第 3 期 煤 炭 工 程_ 雹 圈 煤层倾角／ 。 埋深／ m 煤层硬度 煤层平均厚度／ m 煤层节理 直接顶岩性 直接顶硬度 直接顶完整程度 直接顶厚度／ m 基本顶岩性 基本顶硬度 基本顶完整程度 基本顶厚度／ m 底板岩性 底板硬度 底板厚度／ m 3 ． 2 ～ 7 ． 3 1 5 6 0 o 2 2 发育 泥岩 2 差 0～l 6 ． 8 细砂岩 、中砂岩 4 由 2 ． 3 l ～4． 9 8 泥岩 1 7 3 3 0～5 0 0 O ． 8～1 2． 2 较 发育 泥岩、砂 质页岩 l ～3 中 1 ． 5～3 ． 0 砂岩 、砂质泥岩 24 中 3 泥岩 、砂岩 1 ～3 2 6～1 1 4 2 3 ． 7～4 6 2 ． 8 2 2 ． 9 3 不高 泥岩 、粉砂岩 、细砂岩 、中砂岩 4～6 由 l 8 ． 0 6 泥岩粉砂岩 4～6 由 1 O ．1 ～3 5 ． 8 泥岩 、细砂岩 46 1 3 ． 4 9 1 ～2 5 1 51 ～2 6 6 ． 4 2～3 ． 5 3 较发育 粉砂 岩和泥岩 3 ． 0～5 ． O 由 4～7 ． 8 泥质类岩石和粉砂 岩 3． 5～6 中 5～1 1 泥岩和粉砂 岩 4． 5 ～6 ． 0 O． 7～3 ． 6 1 综采工作面软弱围岩特性分析 软弱围岩按照其在采场的不同位置可分为软弱基本顶、 软弱直接顶、软弱煤层和软弱底板。不同软岩位置及其组 合形式对工作面围岩控制提出了不同的要求 。其影响作用 从强到弱依次为直接顶 、底板、煤层和基本顶。 软弱直接顶对综采工作面支护影响较大。直接顶对工 作面的载荷表现为 自重载荷和对基本顶载荷的传递。软弱 直接顶的自重载荷受顶断裂长度和厚度变化的影响．可根 据各工作面顶板岩层进行计算；对于基本顶载荷的传递作 用表现在两个方面。一是直接顶刚度降低导致对直接顶载 荷的传递效应减小，二是软弱直接顶通过碎涨系数影响基 本顶岩层断裂后的回转角。在工作面防护方面，直接顶的 完整程度取决于岩层本身的力学性质和节理裂隙发育程度． 这两者均是软弱岩层的主要评价指标。可见软弱直接顶的 完整性较差，防护难度大。 软弱煤层对综采工作面的影响主要表现为工作面片帮． 需要对工作面煤壁进行有效防护 ，并通过提高工作面初撑 力等手段减少工作面前方煤壁的塑性区宽度[ 4 ] 。 软弱底板对工作面支护强度和液压支架结构设计具有 重要的限制作用，支架未压人底板前具有不同的抗压刚度。 一 旦支架压人底板，抗压刚度显著降低 ，支撑系统总刚度 显著降低。 2 软弱围岩支架耦合性能分析 液压支架与围岩的耦合性能分析在考虑围岩对支架作 用同时，充分考虑了液压支架对围岩的反作用 ，更加接近 采场支护系统的本质。软弱围岩支架耦合性能分析可以从 强度耦合、刚度耦合和稳定性耦合三方面进行 。 液压支架对软弱底板的强度耦合主要考虑底板的抗压 入强度的测试和液压支架的底板前端 比压的控制_ 6 ] 液压 支架刚度耦合要求增加初撑强度，减少直接顶早期离层、 压实破碎后的直接顶，从而增加顶板一 支架一 底板系统的刚 度。顶板一 支架一 底板系统的刚度的增加可有效降低顶板下 沉量。软弱直接顶在支架围岩刚度耦合中作用明显，液压 支架要设计合理的刚度对顶板有效支撑。 稳定性耦合要求支架具备良好 的防护性能及防倒防滑 抗扭功能，控制顶板破碎、架前冒落、煤壁片帮等“ ] 。工 作面支架应保证软弱直接顶尽可能小的空顶面积。尽可能 短的控顶距，减小反复支撑；要求工作面具备大初撑强度 ， 减小顶板超前压力对煤壁和直接顶的破坏，同时液压支架 的支护强度不能超 过直 接顶 的破坏 强度 软 弱煤壁 主要 考 虑合理的工作面初撑力和液压支架护帮机构的长度和强度。 3 软弱围岩综采工作面支护强度确定 软弱直接顶综采工作面支护强度确定在传统方法的基 础上，同时要考虑支护强度对软弱围岩的影响。以皖北矿 区百善煤矿为例，其直接顶为复合顶板，层理发育，厚度 在 3 ～ 4 ． 5 m，通过数值模拟得出其顶板下沉量、工作面围岩 塑性区和工作面支护强度的对应关系如图 1 所示。 采用顶板下沉量与支护强度对应曲线确定的工作面合 工作面支护强度， MP a 图 1 工作面顶板下沉量、围压塑性区 与支护强度对应关系 43 锄2 一 差 一 一 中 ～ g3 ， 嘲蛙 鞲 值 H 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 煤炭工程 2 0 1 6 年第3 期 理支护强度≥0 ． 9 M P a 。模拟发现工作面围岩塑性区的面积 与_丁作面支护强度的对应关系为 “ u”形分布，支护强度 在 0 ． 3 ～ 0 ． 8 MP a区间对应的工作面围岩塑性区范围相对较 小。综合考虑对顶板的有效支撑和维护围岩的稳定性．工 作面合理的支护强度为0 ． 8 MP a ，即在满足软弱直接顶完整 性的前提下 ，最大限度保证对顶板的有效支撑。如果支护 强度设计过大，则会破坏软弱直接顶的完整性，液压支架 的支护能力难以有效发挥 ，反而影响对顶板的有效支护 液压支架的支护强度为工作面来压时表现出来的特性。 在工作面没有来压期间，液压支架对顶板的作用力为初撑 力 ，其与控顶 面积相 比为 初撑 强度 ，单 位 MP a 。初撑 强度 对于工作面顶板控制意义重大，一方面初撑强度为非来压 期间液压支架对顶板的支护能力，其影响时间更长，对顶 板的影响更大 ；另一方面，初撑力为液压支架对直接顶的 主动作用力 ，且存在反复支撑的过程．对软弱围岩的影响 更加明显 。 软弱围岩初撑力要考虑三个条件①初撑强度位于顶 板围岩朔性变形最小的区间，减小初撑力对软弱直接顶的 破坏，皖北矿区为0 ． 3 ～ 0 ． 7 MP a ；②初撑力能够平衡支架上 方直接顶的重量 ，则需要的初撑力 P K A y H L 1 ． 5 1 ． 5 x 2 4 1 8 ． 0 6 x 4 ． 1 5 4 0 4 7 k N；其中K为影响系数 ，取 1 ． 5 ；A 为液压支架中心距 ，m；Y为直接顶岩层容重k N ／ m H 为直接顶岩层厚度，皖北矿区最大值为 1 8 ． 0 6 m；L为工作 面控顶距，m即初撑强度应不小于 0 ． 6 5 MP a ；③考虑泵站 压力和立柱安全阀开启压力的匹配关系．液压支架初撑强 度数值应为液压支架支护强度的 7 5 ％一 8 5 ％，即初撑强度应 在 0 ． 6 0 ． 6 8 MP a之间选择。最终，考虑液压支架立柱标准 化和泵站压力确定的初撑强度为 0 ． 6 5 M P a 。 4 软弱围岩液压支架设计 稳定性耦合是软弱围岩支架设计的关键。软弱直接顶 冒落对围岩控制和液压支架稳定性产生较大影响①软弱 围岩液压支架支护强度应控制在合理 的区间，保证对顶板 的支撑和维护软弱围岩的完整；②软弱围岩液压支架应尽 量减小空顶面积。并具备防漏矸功能 如图 2所示 ；通过 液压支架结构优化．减小端面距，设计伸缩顶梁 ，全长侧 护板 ，设计掩护梁侧护板，设计挡矸机构，减小液压支架 的间隙等手段．最大限度减d x T _ 作面围岩的空顶范围③ 液压支架尽可能缩短顶梁，减小对顶板的反复支撑；④液 压支架具备大伸缩比，在直接顶冒落时能够有效接顶 ⑤ 尽可能提高液压支架 的前端支撑力，避免工作面出现前端 冒落的情况；考虑液压支架在顶板受力不均匀[ 8 J ，承受较 大偏载的条件下具备高抗扭能力 ⑥优化掩护梁结构．保 证掩护梁矸石可 自由滑落 ；掩护梁长度尺寸较短，尾部采 用大弧度圆弧过渡．避免矸石在掩护梁上堆积，有效地减 小了支架附加载荷⑦优化支架整体结构，实现支架结构 紧凑布置减小支架整体长度，立柱偏向底座后方，底座 尖端到合力作用点距离一般大于底座末端到合力作用点距 4 4 离 ，底 座尖端 比压较小 ；通过上述优化 实现 了支架重 量轻 ． 底座前端 比压小等特点，较好地满足了软弱岩层底板的支 护 ， “ ；⑧对于软弱底板，尤其是_T作面水量较大的条件 下，单纯的优化结构无法保证支架底座不陷入底板 ，需设 计抬底机构，保证支架的顺利前移。 图 2 液压 支架顶梁结构 示意图 mm1 5 开 采 实践 百善煤矿上覆基岩风化严重 ，强度低。工作面推进至 1 2 ． 0 m时，直接顶开始逐步分段垮落 ，4 7 支架 向上采空区 冒落 比较充分，直接顶随采随冒。直接顶的垮落对工作 面 压力 的影 响不 大。如图 3所 示 ，观测 工作面 推进 1 2 4 m，来 压 8 次，初次来压步距 2 7 ． 1 m，强度 0 ． 7 9 M P a 周期来压 7 次 。周期 来压步距为 8 1 6 m，平 时压力 0 ． 4 MP a ，来压时 峰 值压力 0 ． 7 0 ． 8 MP a ，来压持续时间 1 3 d 。周期来压步距 较小，强度不大，液压支架能够满足工作面开采要求。 蠲 霜 融 憾 世 H 工作面推进距离， 脚 图 3 工作面 观测来压 情况 工作面观测片帮情况如图4所示，工作面推进始终伴 随煤壁片帮．最大片帮深度 0 ． 7 m．出现位置和压力峰值点 吻合，片帮后支架能够对顶板进行及时支护。没有扩展为 工作面冒顶，工作面能够顺利推进，液压支架能够有效支 护顶板和控制煤壁 总体而言，该液压支架主要参数设计合理，支架结构 暑 窳 搬 堪 强 H 工作面推进距离， m 图 4 工作面观测片帮情况 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 6 年第3 期 煤炭工程 满足皖北矿区软弱围岩开采特点，能够满足皖北矿区综采 工作面安全高效开采要求。 6 结论 1 基于综采工作面软弱围岩液压支架强度耦合 、刚度 耦合和稳定性耦合分析，在采用传统方法确定液压支架支 护强度的基础上，考虑为软弱顶板的支护能力 ，确定皖北 矿区的支护强度为 0 ． 8 MP a 。 2 提 出软弱 围岩综采工作 面初撑 强度 确定 的三个要求 为直接顶支撑、围岩防护和支护强度匹配，得出液压支架 初撑强度为 0 ． 6 5 MP a 。 3 采用软弱围岩支架耦合方法确定的液压支架对软弱 围岩的防护性能得到提高 ，在满足围岩支护的前提下，顶 板和煤壁的完整性得到有效控制。 参考文献 [ 1 ] 何满潮 ，景河 海 ，孙 晓 明．软 岩 工程 地 质 力学 研 究 进展 [ J ] ．工程地质学报 ，2 0 0 0，8 1 4 6 6 2 ． [ 2 ] 刘俊峰． 两柱掩护式大采高强力液压支架适应性研究 [ D ] ． [ 1 0 ] [ 1 1 ] 北京 煤炭科学研究总 院．2 0 0 6 ． 刘 俊峰 ．乔木 ，王 国法 ，等．皖北 矿区 中厚煤层 综采液 压支架适应性研究 [ J ] ． 煤矿开采，2 0 0 6 ，l l 2 1 9 - 2 1 ． 李 明忠。李 雪伟 ．胡万 昌．极软厚煤 层 “ 抱采 ”放 顶煤采 煤 法与液 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，且垮落较充分，基本能形成新的巷帮； 另一方面，煤层之间粘土性质软岩占比例较大．老顶来压压 力表现不明显，这些特点对采空区留巷支护都较为有利；② 由于是高瓦斯煤层群中部煤层回采．所需留巷顶、帮裂隙发 育，漏风严重，相关采空区遗煤易 自然发火，如何更好地减 少漏风、监测相关区域瓦斯和遗煤 自然发火情况成为判断此 类煤层巷道留巷技术是否成功的重要影响因素 2 2 443机巷在开掘初期由于未考虑留巷，根据矿以 往支护经验和支护成本等因素采用 了锚杆支护。在掘进和 回采过程中，因锚杆初撑力较小和巷道围岩变形等影响． 导致巷道在留巷过程中裂隙较多．需反复处理和喷浆封闭 岩面。因此。切顶卸压沿空 留巷技术中支护体系的设计应 是一项系统工程．必须从掘进初期综合考虑。特别是此类 近距离高瓦斯易 自燃煤层 中更应强化 支护 。控制 围岩变形 ． 减少岩面次生裂隙发育。 参考文献 [ 1 ] 刘林．煤层 群开采保 护层群采 防突技 术的研究[ J ] ．矿 业安全与环保 ，2 0 0 1 ，8 5 1 - 4 ． [ 2 ] 曹承平．近距离上保护层开采 的实践 [ J ] ．煤炭科学 技术 ， 2 0 0 6 。3 4 4 3 3 3 5 ． [ 3 ] 高松 ，孙波．潘三矿远距 离下保 护层开采技 术的实 践 [ J ] ．煤矿安全 ，2 0 0 3，3 4 5 2 3 - 2 5 ． [ 4 ] 于滨 ，王万 富 ，杜 卫东．岩巷定 向断裂控制爆 破应用 中 的技术 问题 [ J ] ．建井技术 ，1 9 9 9 ，2 0 6 2 8 3 0 ． [ 5 ] 钱呜高．2 0年来采场 围岩控 制理论 与实践 的回顾 [ J ] ．中 国矿业大学学报 ，2 0 0 0，2 9 1 1 4 ． [ 6 ] 杨 同敏 ，吴增光 ，黄 汉富．岩石爆破 定向断裂控 制机理 研 究 [ J ] ．1 9 9 9 ，8 1 2 3 - 2 5 ． [ 7 ] 戴俊 ，杨永琦 ，娄 玉 民．岩 石定 向断裂控制爆 破技术 的 工程应用 [ J ] ． 煤炭科学技术，2 0 0 0 ，2 8 4 7 - 1 2 ． [ 8 ] 杨永琦，戴俊 ， 单仁亮．岩石定向断裂控制爆破原理与 参数研究 [ J ] ．爆破器材 ，2 0 0 0，2 9 6 2 4 2 8 ． [ 9 ] 俞启香．矿井瓦斯防治 [ 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