综放开采上位岩层的平衡结构及其对采场矿压显现的影响.pdf

文章编号0253 - 9993200206 - 0591 - 05 综放开采上位岩层的平衡结构及 其对采场矿压显现的影响 陆明心,郝海金,吴 健 中国矿业大学 北京校区,北京 100083 摘 要在实测资料、模拟实验及工作面矿压显现特征的基础上,对综放工作面矿压显现内在机 理及上覆岩体的平衡结构进行了分析研究.综放工作面上覆岩层存在着比分层开采层位更高的平 衡结构,以大变形梁的形式存在.结构的活动是一逐渐变化的过程,在这一过程中,平衡结构与 其下的顶板及顶煤相互作用,这种作用方式与顶煤的多次损伤有关.根据顶煤的损伤因子D、 顶煤应变ε可以确定出合理的支护阻力,而ε可由大变形梁的位移及顶板的变形推出. 关键词综放开采;平衡结构;采场矿压;大变形梁;损伤 中图分类号 TD823197 文献标识码 A 收稿日期 2002-04-27 基金项目国家自然科学基金重点资助项目59734090 实践表明,虽然综放工作面一次采出高度和围岩受采动影响明显加大,采空区顶板垮落高度和支承压 力峰值点的跨度也随之增大,但与单一长壁工作面相比,综放工作面的矿压显现并没有像人们预计的那样 会明显增加,反而经常表现为支架载荷偏低,工作面“周期来压”不明显,或是来压周期缩短,来压强度 降低.这些现象与顶煤的残余强度、厚度及承压特性有关,由这些特征确定的支护空间之上的不同介质将 会影响到上覆岩层的平衡结构层位及结构形式. 1 研究现状及认识 中国学者对单一长壁工作面周期来压的现象有过大量研究[1 ,2],并发表了大量卓有见识的见解,大大 地发展和丰富了采场矿山压力理论,并逐渐形成了各种学派.分析各家观点,他们主要在以下几个方面有 重要的共同点 1认为“周期来压”现象反映了上位岩层基本顶的运动对工作面支架的作用载荷 , 由于基 本顶运动作用和支架、支撑力之间存在着数量级或多层的差别,支架的支撑作用将不能改变或基本不能改 变基本顶运动规律. 2“折断”了的上位基本顶一般为坚硬岩层将自动形成一层层不连续的组合岩梁板梁结构, 这种结构由于岩块咬合作用,岩梁本身可形成类似“拱”的结构,得到自身的“稳定”.岩梁将支承直至 地面的上位岩层的重量,并将此重量传递至采空区周围的岩体煤体 , 形成支承压力带.工作面空间则 在这种“岩梁”的保护下,一般不受上覆岩层载荷增大的影响,处于低应力区减压带 . 3岩梁结构是一种准平衡结构,工作面的采动使岩梁不断地“失稳”折断 , 使岩梁中部分或全 体岩块产生转动、位移和下降.折断时将给工作面支架附加一定的载荷.由于岩梁一般是较坚硬强度 较大的岩层,折断是有条件的,往往具有一定的周期性,这就是“周期来压”. 4岩梁的弯曲、折断所造成的变形是必须满足的,是工作面液压支架的支撑不能改变的,这就是 第27卷第6期煤 炭 学 报Vol.27 No.6 2002年 12月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYDec. 2002 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. “给定变形”. 5垮落直接顶的厚度将影响平衡岩梁的旋转和运移,决定“给定变形”的量及周期来压显现的强 度.当直接顶松软时,可垮落的厚度大,采空区充填密实时,岩梁折断转动角度小,下沉量小,过程发展 缓慢,“给定变形”也小,工作面没有明显的“周期来压”矿压显现.反之,工作面支架上将出现强烈的 “周期来压”矿压现象. 在研究综放开采矿压显现基本规律时,由综放开采矿压显现的特征得到启示,在解释上位岩层平衡及 失稳规律时,存在着一些带有普遍意义且尚需补充解释的问题,这些问题主要是 1在大体相同的顶板岩层组成结构的条件下,为什么采用综放开采时,周期来压的矿压显现不是更 强烈,而是相对缓和了呢基本顶平衡结构不等高岩梁要求实现的“给定变形”,以及因此而施加在 支架上的附加载荷是如何体现的如何定量确定“给定变形载荷” 2如何解释大多数综放工作面单一长壁工作面也大体相同基本顶周期来压时,支架工作阻力明 显增加的过程将延续多个工作循环推进 , 而与突发的“折断”影响有差别这是否体现岩梁更类似于 一种宏观上连续弯曲波浪式推进的特征如何描述这种岩梁平衡结构的特征 3基本顶弯曲下沉形成岩梁结构的始动点如何认定 4顶煤的破坏、损伤在对确定“给定变形载荷”中起什么作用 2 综放开采周期来压的特征 与分层综采相比,综放开采的周期来压有3方面的特征①来压强度减小;②来压步距减小;③大 变形梁折断的起始点向煤壁深处移动. 靖远矿区魏家地矿顶分层综采时,采高215 m ,周期来压时,顶板事故严重影响生产,片帮严重,端 面冒顶严重,支架被压倒、压弯,设备损坏严重.当来压时,经常造成停产,工作面单产停留在2 000～ 5 000 t/月.采用综放开采后,一次采出煤厚1210 m ,但来压强度明显缓和工人不易察觉 , 生产不受影 响.根据观测,周期来压显现不明显,动载系数仅为1110～1115 ,单产达6～10万t/月,提高15～20倍. 对阳泉一矿15号煤层8603综放工作面支架阻力进行了84 d的观测.当工作面初采推进到1917 m 即顶板 跨距为251 7 m 时,工作面第一次来压.支架的工作阻力最大为2 756 kN ,最小为1 472 kN.持续时间为 32193 h.来压时,工作面顶板、煤壁都无明显变化,对生产无影响.之后观测到的7次来压,最大步距 1318 m ,最小步距812 m ,平均1115 m.来压持续时间最长7515 h ,最短12175 h ,平均58147 h.工作面的 图1 乌兰矿5321综放工作面周期来压步距 Fig11 Periodic pressure steps of longwall top coal caving workface No15321 , Wulan Colliery 维护状况基本同初次来压.正常时支架的时间加权 平均支护阻力为1 452 kN/架,来压强度系数为114. 阳泉丈八煤顶分层开采周期来压步距为11～18 m , 来压明显,来压时片帮冒顶严重.而在综放工作面, 来压步距812～1318 m ,平均1115 m.来压步距减 小. 对乌兰矿5321综放工作面进行了87 d的观测 图 1 [3] ,虽然来压的周期性比较明显,但不难发 现,周期来压时支架的阻力不高,远未达到按分层 开采所设计的支架额定支护阻力值,且动载系数仅 为时间加权平均阻力的112左右,来压步距也不大.姚桥煤矿7631工作面开采7号煤厚度217～518 m ,平 均4186 m ,煤层倾角6～915,平均715.直接顶为泥岩、砂质泥岩,厚度111～715 m ,平均313 m.老顶 为灰白色细砂岩,厚419～915 m ,平均713 m ,钙质胶结,质较硬.直接底为灰黑色泥岩 3 . 3 中国矿业大学北京校区 , 大屯煤电集团有限责任公司.综放采场支架-围岩关系研究与新型轻放支架的研制.鉴定资料, 200213. 295 煤 炭 学 报 2002年第27卷 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 7361轻放工作面自切眼开始向前推进后,随着支架的前移,顶煤即开始垮落.实测表明,直接顶的 初次垮落步距为1017 m.直接顶初次垮落后,随工作面推进和顶煤的放落,直接顶也随之垮落. 通过分析工作面3个测区安设在支架上的压力自记仪记录的支架支护阻力随工作面推进的变化规律, 即可分析老顶的破断来压规律. 实测分析表明,工作面老顶周期性来压不明显,测得周期来压5个,来压步距1018～1810 m ,平均 1515 m;来压影响范围214～310 m ,平均215 m;动载系数1118.工作面中部来压系列参数见表1. 表1 姚桥矿7361综放工作面老顶来压规律 Table 1 The periodic pressure rule of the main roof No17361, Yaoqiao Colliery 序 号 来压步距 / m 影响范围 / m 支护阻力/ kN 来压期间Pm来压期间Pt非来压期间Pm非来压期间Pt 动载系数 KmKt平均 周期来压116123102 0891981 8881801 8021691 738113111611091112 周期来压216182141 9091121 8411101 6651101 634118111511131114 周期来压318102142 1401221 9371281 5741191 520172113611271132 周期来压410182142 0741912 0911171 9021421 755156110911191114 周期来压515162142 3611282 3321642 0891241 938192110311201117 平 均15152152 1151102 0181201 8061731 717150111811181118 图2 姚桥矿7361综放工作面上部支架阻力变化规律 Fig12 Support resistances variation of top part of longwall top coal caving LTCC No17361 , Yaoqiao Colliery 图2为工作面上部支护阻力随工作面推进循 环的变化规律,从图中可以看出,循环工作阻力 虽有起伏,但大体平衡,不能判定其为明显的 “周期来压”.工作面上部最大周期来压步距为 2116 m ,最小为1216 m ,平均1619 m ,来压影响 为3～7个循环,动载系数平均1118.来压期间循 环末阻力平均1 906136 kN ,时间加权工作阻力平 均为1 78410 kN ,分别是额定工作阻力的7914 和7413 . 3 综放开采上位岩层的平衡结构 综放开采工作面推进并将支架后方垮落的顶煤放空后,与单一长壁开采相似,直接顶板将不规则垮 落,并膨胀体积,充填采空区.上部较稳定的基本顶板将随着直接顶的垮落而弯曲、旋转,有规则地岩 图3 综放开采上位岩层平衡结构及 其对采场矿压显现的影响 Fig13 The balance structure of main roof and its action to LTCC workface 块之间互相咬合下沉,直至接触、压实不规则垮落的岩石,形成一个处于暂时平衡的岩梁板 , 并阻 止以上岩层自由垮落,有条件地承担上覆岩层的重量,保护工 作空间,使其处于减压带区内,这就是基本顶形成的平衡 结构.与单一或分层开采长壁工作面不同之处是一次采出的煤 层厚度成倍地或成数倍地大于单一长壁工作面,煤层上覆的某 些较稳定的岩层,原本能在不大的弯曲、下沉后接触破碎矸石 形成某种岩梁结构,但采用放顶煤后,岩梁不易触矸,因而失 去形成平衡的条件而只能作为直接顶板不规则垮落.综放开采 的上位岩层将会在一定的层位形成平衡结构,与分层开采不同 的是,这种结构将出现在更高的层位.结构是以大变形梁的形 式表现出来,如图3所示.除非该上位岩层是极坚硬的厚岩 梁,并在不触矸的情况下仍能形成悬臂梁板 , 否则,采场 395第6期陆明心等综放开采上位岩层的平衡结构及其对采场矿压显现的影响 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 将在更上位岩层中寻找其它较坚硬岩层构成基本顶组合平衡岩梁.阳泉丈八煤曾经采用分层开采,煤层之 上仅有一层115～215 m较易垮落的直接顶,以上即为较坚硬的石灰岩、页岩互层.工作面推进后,灰岩、 页岩互层联合组成平衡岩梁.在工作面后方可以目测到灰岩在采空区的触矸现象.采用综放开采后,石灰 岩层折断为不规则垮落岩层.作为采动后重新平衡地压并形成支撑压力所需要的平衡岩梁必然向上位发 展,煤层以上的“直接顶”厚度将随之增加.这就是说,采用综放开采,采场围岩平衡的关系与分层开采 显然是不同的. 基于现场实测和实验室研究,对实验及实测数据进行统计分析,将综放工作面上覆岩层平衡结构的挠 曲下沉用多项式来表示,以此建立了数学模型.对上位岩体有限大变形岩层下沉量的分布与工作面煤壁距 离之间的关系进行回归分析后,根据对回归模型的逼近迭代,有限大变形岩层位移的挠曲方程为ω x Ax6 Bx5 Cx4 Dx3 Ex2 Fx G,其中ω x为大变形梁的垂直变形;x为距工作面的距离; A～G 为系数.根据松软特厚煤层综放开采条件及实测数据可以得出[3] ω x ∑ n k 0 ak l xk, 式中,k为多项式次数;ak为系数;l为工作面推进时步. 根据实测数据,顶煤与大变形梁的变形有着近似的表达形式,但参数值是不同的. 4 综放开采上位岩层平衡结构对采场矿压显现的影响 大变形梁影响上覆岩层平衡结构的一个决定性因素就是顶煤的特性,如果作用于顶煤的力超过顶煤的 承压强度,其将卸压释放能量.顶煤在与上覆岩层的相互作用中,是多次损伤过程[4],这种损伤过程就决 图4 大变形梁与下位岩层的相互关系 Fig14 The relation between the finite deation and the main roof 定着支架围岩关系.顶煤是传递因基本顶弯曲、下沉而施加 给支架压力给定变形压力的最重要的中间介质.顶煤 能否传递载荷则取决于顶煤的承载极限极限强度 . 如果 顶煤已完全破坏如软煤 , 或受压后将完全破坏而处于滑 移状态,则顶煤不能传递任何载荷,支架不受基本顶运动 的影响无周期来压显现 , 基本顶岩梁则处于自由平衡状 态.如顶煤尚具有一定的传递载荷的能力图4 ,则支架 所受的“给定变形压力”或称为周期来压取决于损伤后 的顶煤强度,则 σm 1- D Eε,ε Δh2 h2 Δh -Δh1 h2 , 式中,σm为作用于顶煤的垂直应力;D为顶煤损伤因子,可以通过实验曲线D f x求出;ε为顶煤应 变量;Δh2为顶煤在控顶距内的平均垂直变形;h2为顶煤厚度;E为顶煤的弹性模量;Δh ,Δh1分别为 大变形梁和顶板在控顶距内的平均垂直变形;2Δh ω x 2 - ω x 1 , 其中x1, x2分别为控顶距两端的坐标 . 基本顶是在工作面上方弯曲、下沉、变形以及带有周期性的“折断运动”,在一定条件下是由岩梁本 身运动规律决定的,但这些运动表现出的载荷并不能直接传递到支架.传递到支架而反映为“周期来压” 则取决于上面公式中的D 和ε Δh2/ h2.因此,平衡岩梁的变形对支架产生的影响受煤层厚度的影响是明 显的.魏家地矿煤厚12 m ,分层开采顶分层,周期来压时,矿压显现十分强烈,而采用放顶煤开采时, 来压强度系数仅为1110～1115 ,工作面的工人无明显感觉. 5 结 论 从工作面矿压显现和现场实测数据来看,与分层综采相比,综放工作面周期来压的强度和跨度都有所 495 煤 炭 学 报 2002年第27卷 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 减小,始动点的位置也有所前移,支架载荷减小,动载系数减小,也即工作面矿压显现强度降低了.综放 工作面的矿压显现出现了一些分层综采所没有的特征,支架上方的传压体顶煤的变形特征与岩层有很 大的区别,最主要的就是顶煤受损伤,具有较大的水平变形极限,其强度也较低,传压性能不好,卸压性 能好,这种双面特性使综放工作面的矿压显现强度降低. 工作面上部岩体结构与顶板的特性有关,当顶板特性一定,总的开采高度加大后,上位岩体的变形势 能就会增加,最终变形就会加大,上位岩体以一种大变形梁的形式出现,但是,工作面只是上位岩层运移 过程中的一个阶段,在这一阶段,大变形梁的特征和运移规律就特别关键. 大变形梁对顶煤的作用有定变形的限制,而这种限制是通过力来实现的,这种力的作用使得顶煤产生 了多次损伤,在新的损伤基础上,它起着一种垫层作用.顶煤的损伤变形是上部岩体作用的结果,顶煤的 特性对结构的形式也有影响,在顶煤特性特别是损伤特性已知的情况下,可以根据其应变确定出应力的分 布,研究顶煤与上位岩体力的作用.这一关系是工作面空间“来压”与支架围岩关系的内在决定因素. 参考文献 [1] 吴 健.我国放顶煤开采的理论与实践[J ].煤炭学报, 1991 , 16 3 1～11. [2] 钱鸣高,缪协兴,茅献彪.综放采场围岩-支架整体力学模型[J ].矿山压力与顶板管理, 1998 增 10～12. [3] 李 报.长壁综放采场上覆岩体有限变形规律研究[D].徐州中国矿业大学, 1998. 22～63. [4] 陈忠辉,赵旭清,张 勇.综放开采顶煤变形破坏的损伤分析[A]. 99′ 厚煤层现代开采技术国际专题研讨会[C]. 北京煤炭工业出版社, 1999. 66～71. 作者简介 陆明心1966 - ,男,河南人,现为中国矿业大学北京校区在读博士研究生,主要从事放顶煤开采、岩层控制和巷道 支护的研究工作,发表“顶煤位移曲线的分形特征”等论文多篇. Tel 62331249 - 8305 O , Email Lu-mingxin sina1com. The balance structure of main roof and its action to top coal in longwall top coal caving workface LU Ming2xin , HAO Hai2jin , WU Jian Beijing Campus ,China University of Mining and Technology , Beijing 100083, China Abstract Based on the site measure data and the showing characteristics of ground pressure around Longwall T op Coal Caving LTCC workface , the paper proceeds analysis and research for the internal mechanism of the pressure showing and the structure of the main roof. There is a balance structure of upper rock layer in higher level compared with the lay2 ered extraction , which exists in the of finite deation beam. The activity of the structure is a process , in which the balance structure and the top coal interact , and the activity way relates to the multi2damage of top coal. The reason2 able support capacity can be calculated with the damage factorDand the strainεof top coal , andεcan be obtained with the deation of the finite deation beam and the deation of roof. Key words longwall top coal caving; balance structure ; ground pressure ; finite deation beam; coal damage 595第6期陆明心等综放开采上位岩层的平衡结构及其对采场矿压显现的影响 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.