孤岛综放工作面覆岩结构分析及矿压特征研究_王陈真.pdf

煤矿现代化2019 年第 5 期总第 152 期 0引言 回采工作面上覆岩层结构特征及运动规律一直 是人们较为关注的问题， 其中孤岛工作面的覆岩结构 及矿压规律又与非孤岛工作面之间存在较大的差距， 孤岛工作面上覆岩层的断裂高度与离层现象会明显 增大[1]， 由于孤岛工作面在回采时经常会遇到顶底板 变形下沉量大、 煤壁片帮、 工作面支架压力大的现 象[2]， 故国内外学者在孤岛工作面围岩控制方面展开 了大量研究， 如柏建彪、 张金亮等[3]通过对顶板的赋存 状况、 采空区侧向应力场以及采空区侧煤体进行分析 研究， 提出通过合理布置巷道、 锚杆锚索支护配合注 浆加固提高围岩承载能力等方面控制孤岛综放工作 面的围岩变形； 贾靖、 王洪军等[4]通过观测结果得出孤 岛工作面的来压特征， 提出孤岛综放面应采用无煤柱 或小煤柱掘进来避开应力集中。 本文主要通过对孤岛 工作面上覆岩层结构进行分析得出老顶的初次及周 期来压步距表达式，并对 3205 孤岛综放面进行矿压 实测分析， 得出 3205 孤岛综放面的矿压显现规律。 1工程概况 某矿 3205 工作面为孤岛工作面， 其北部为 3207 采空区，南部为 3203 采空区， 3205 工作面所采煤层 为 3 煤， 平均厚度 4.7m， 平均倾角为 6， 工作面采 用综采放顶煤工艺， 3205 工作面直接顶为 4.5m 的黑 色泥岩， 基本顶为 4.5m 的中粒砂岩， 直接底为 1.2m 的砂质泥岩，老底为 1.6m 的灰色细砂岩， 3205 工作 面运输巷与回风巷两侧均留设有 6m 的保护煤柱。 3205 工作面位置示意图如图 1 所示。 图 13205 工作面位置示意图 孤岛综放工作面覆岩结构分析及矿压特征研究 王 陈 真 （山西潞安集团蒲县黑龙煤业有限公司 ， 山西 蒲县 041200 ） 摘要 为了保证采煤工作面的接替， 避免回采巷道应力集中采区内会经常采用跳采的采煤方式， 这 便无法避免的使采区内存在一个工作面为孤岛工作面。本文通过分析孤岛工作面上覆岩层的结构特 征得出老顶初次来压及周期来压步距的表达式， 同时在 3205 孤岛综放面回采时进行矿压观测分析得 出实际的老顶来压步距， 同时得出工作面端头的来压强度高于工作面中部， 对相似工作面回采时围岩 控制提供参考。 关键词 孤岛工作面 ； 综采 ； 上覆岩层 中图分类号 TD325文献标识码 A文章编号 1009- 0797 （2019 ） 05- 0026- 04 The analysis of overburden rock structure and the study of ore pressure characteristics in the fully mechanized caving face of isolated island WANG Chenzhen （Department ofEngineeringTechnologyManagement,HeilongCoal Co. ,Ltd. ,Shanxi Lu an Group Co. ,Ltd. ， Shanxi Puxian 041200 ） Abstract In order to ensure the replacement of the working face and avoid the frequent use of stope mining in the stress concentra- tion mining area of the stope roadway, it is impossible to avoid the existence of an isolated working face in the mining area. In this paper, through the analysis of the structural characteristics of overburden strata on the isolated island, the expression of the first pressure and the periodic pressure step of the old roof is obtained. Meanwhile, the actual step step of the old roof is obtained through the observation of mine pressure during the mining in the fully- mechanized caving face of 3205 isolated island. At the same time, it is concluded that the compressive strength ofthe end ofworkingface is higher than that ofthe middle ofworkingface. Key words Island workingface ； fully- mechanized coal mining； overburden 26 ChaoXing 煤矿现代化2019 年第 5 期总第 152 期 2孤岛工作面覆岩结构特征分析 2.1孤岛工作面应力分布特征 由于孤岛工作面两侧均为采空区， 围岩结构较为 特殊， 两侧采空区无法形成自承结构致使覆岩应力向 实体煤侧转移， 从而致使孤岛工作面上覆岩层在回采 前已经发生断裂， 从剖面图上观察覆岩结构时成 T型 结构， 可将孤岛工作面覆岩视为 T 型结构， 通过 T 型 结构的受力及破坏特征分析孤岛工作面覆岩的受力 状态。 孤岛工作面覆岩结构可简化为两端固支的梁结 构，假设工作面覆岩一共有 n 层，从下至上依次为 1， 2， ， m， 如图 2 所示， 各岩层的体积力为 γi， 厚度 为 hi， 弹性模量为 Ei。 图 2岩层荷载计算图 根据关键理论与组合梁原理[5]能够得出第 n 层覆 岩对第一层形成的荷载为 qn E1h 3 1 γ 1h1 γ 2h2Lγnhn E1h 3 1E2h 3 2LEnh 3 n （1 ） 根据现有理论研究， 工作面在回采期间上覆岩层 的运动主要分为三个部分 ①当层间拉应力超过顶板 自身极限抗拉强度时， 顶板会产生离层； ②当层内拉 应力超过顶板极限抗拉强度时，顶板会产生断裂； ③ 随着工作面回采工作的推进， 顶板岩梁会从断裂转化 为垮落， 且垮落高度一般远远大于三倍的岩层厚度。 根据以上分析， 运用岩石力学理论分析上覆岩层 的断裂条件， 将第 r 层岩层在破断之前视为两端固支 的梁的力学模型， 如图 3 所示， 图中 q 为上覆均布荷 载， h 为岩层厚度， l 为岩梁的跨度。 图 3岩层梁结构模型 根据弹性力学知识能够解得各向应力的表达式[6] 如下所示 σx ql2-6h2-3μh2-3qx2yh 4h2 qy3 2h3 σy -qy3 4h3 3qy 4h - q 2 τxy 3q 4h xy2- 3qx 4h ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ （2 ） 当 x0， yh 或 xl， yh 时， 即固支梁的下边界处 拉应力为 σx ql2 4h2 3μ 4 -2q（3 ） 当下边界受到的拉应力 σx超过岩层的极限抗拉 强度[στ]时， 便会使得两端固支岩层产生破断， 则能够 得出岩层固支状态下发生破坏的极限跨距 Lj的表达 式如下 Ljh 4[σ τ]q3μ- 2 q■ （4 ） 根据式 （4 ） 可知当工作面的推进长度达到 Lj时， 上覆岩层便会发生初次破断， Lj即为老顶的初次断裂 步距。 当工作面上覆老顶断裂后， 可把工作面覆岩视为 受均布荷载的悬臂梁， 其力学模型如图 4 所示。 图 4悬臂梁力学模型 根据弹性力学知识能够得出悬臂梁各向应力的 表达式 σx- 6qx2y h3 6q h3 2 3 y3- h2 10 y σy -q 2 1- 3y h 4y3 h3 τxy 6q h3 y2-h 2 4 ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ x （5 ） 把 xl， yh/2 带入式 （5 ） 得出 σx的表达式， 当 σx 达到岩层的极限抗拉强度[στ]时， 此时上覆岩层便会 发生断裂，此时断裂跨度 LY即为老顶的周期来压步 距， 表达式为 LYh [σ t] 3q 4 15■ （6 ） 当孤岛工作面受到两侧采空区的影响程度不一 致时， 将上覆岩层视为非对称 T 型结构， 当两侧采空 区对孤岛工作面的影响程度相同时上覆岩层结构视 27 ChaoXing 煤矿现代化2019 年第 5 期总第 152 期 为对称 T型结构， 根据 3205 孤岛工作面的具体情况， 其两侧均为大面积的采空区， 同时覆岩均在不同程度 上存在断裂现象，故可将 3205 孤岛工作面覆岩视为 对称 T型短臂结构。 33205 孤岛工作面矿压实测及分析 3.1矿压观测方案及顶板来压判断依据 为进一步准确的掌握 3205 工作面及回采巷道的 矿压规律， 沿着工作面长度方向布置 3 个测区， 10 个 测站；其中 14、 28、 42 为上部Ⅰ测区， 56、 70、 84、 98 为中部Ⅱ测区， 112、 126、 140 为下部Ⅲ测 区， 具体测点位置及测区范围如图 5 所示。 图 5测点布置位置示意图 本次运用 YHY60B矿用性数字压力计在 3205 孤岛工作面回采期间对综采支架工作阻力进行测量， 通过对矿压观测数据分析老顶的初次来压步距 L0以 及周期来压步距 L1， 初次来压步距及周期来压步距可 通过以下步骤进行确定（1 ） 以观测循环、 日期以及工 作面推进的长度为横坐标， 液压支架的工作阻力为纵 坐标绘制关系曲线， 若曲线中存在有规律变化的峰值 存在时， 即代表存在老顶来压现象；（2 ） 初步判断出老 顶具有来压现象后通过计算矿压数据的平均值与方 差来具体确定老顶来压的峰值与步距。 运用液压支架 的工作阻力判断初次来压与周期来压时主要依据如 下公式 pτ p τδp （7 ） 式中 pτ为支架的加权阻力； pτ为观测期间全部 支架支护阻力的加权平均值； δp为支护阻力的均方 差。 对于顶板来压强度的判定可通过动载系数 k 来 衡量， 动载系数的表达式为 k pc pm （8 ） 式中 k 为动载系数； pm为顶板未来压时支护的 平均阻力； pc为顶板来压时支护阻力的平均值； 3.23205 孤岛工作面回采期间矿压规律分析 通过对 3205 孤岛工作面回采时进行一个月的持 续观测得出的数据进行具体分析， 并根据支架时间加 权阻力加上均方差作为老顶来压的判据 px，为全面 的反应工作面的矿压规律对 28、 70、 126 支架进行 具体分析， 28、 126 反应工作面两端头的矿压情况， 70 反应工作面中部的矿压情况。 1 ）28 支架工作阻力分布曲线如图 6 所示， 由测 得的支架工作阻力数据能够得出支架的时间加权阻 力为 18.7， 支架阻力的均方差为 11.3， 带入式 （7 ） 能够 得出老顶来压的判据为 30.0MPa， 结合 28 支架工作 阻力的分布曲线能够老顶初次来压步距为 20.2m， 监 测期间周期来压 3 次， 周期来压的平均步距为 9.9m， 顶板在来压时的平均支护阻力为 25.0MPa， 未来压时 的平均支护阻力为 14.3MPa， 带入式 （8 ） 能够得出动 载系数 k 为 1.74。 图 628 支架工作阻力分布曲线 2 ） 126 支架工作阻力分布曲线如图 7 所示， 同 样根据测得支架工作阻力的数据能得出时间的加权 阻力为 18.1MPa， 均方差为 11.1， 顶板在未来压时的 平均支护阻力为 14.1MPa， 来压时的平均支护阻力为 24.6MPa， 根据以上数据结合式 （7 ） 与式 （8 ） 能够得出 老顶来压的判据为 29.2MPa， ， 据此能够得出 126 支 架的初次来压步距为 20.9m， 30 天内周期来压为 3 次， 周期来压的平均步距为 10m， 动载系数 k 平均为 1.75。 图 7126 支架工作阻力分布曲线 3 ） 70 支架工作阻力分布曲线如图 8 所示， 根据 测得数据能够得出支架时间加权阻力为 15.6MPa， 均 方差为 10.5，顶板在来压时支架的平均支护阻力为 21.8MPa， 未来压时的平均支护阻力为 13.8MPa， 根据 上述数据带入公式并结合支架工作阻力分布曲线能 够得出 70 支架的初次来压步距为 23.5m， 30 天内的 周期来压次数为 3 次，平均周期来压步距为 10m， 动 载系数 k 为 1.61。 28 ChaoXing （上接第 25 页 ） 区半径实现， 并给出形成切落结构的表达式。 2 ）针对己 14- 31010 工作面实际情况选用倾向 与走向相结合的超前深孔预裂爆破钻孔技术对己 14- 31010 工作面下进风巷的坚硬顶板进行预裂爆 破。 3 ） 根据实测矿压数据能够得出进行预裂爆破后 工作面的周期来压步距缩小 10m， 且工作面回采时矿 压显现程度明显减小， 有效的保护了沿空留巷充填墙 的稳定性。 参考文献 [1] 何满潮， 谢和平， 等.深部开采的岩体力学研究[J].岩石力 学与工程学报， 2005， 24 （16） 2803～2813 [2] 孙恒虎， 赵炳利.沿空留巷的理论与实践[M].北京 煤炭工 业出版社， 1993. 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