放顶煤采煤法顶板煤的稳定性分析.pdf

放顶煤采煤 法顶板煤 的稳定性分析 西安 煤矿设 计研 究院戴空声 我 国机械 化放 顶 煤采 煤法 近 几年正 在试 验 、改进和推 广 。在 实践 中也产生 了一些 问 题 ，如 先采底 分层煤 时 即拉底槽 时 ，要求 顶板 不 冒落，煤壁 尽量不 发生片 帮 ，理想 的 工 作环境是 顶板管 理好 ，完成拉底 作业 。进 入放顶 煤作 业时 ，掩护梁 上方 的顶 板煤 由于 工作 面 向前推进 ，控顶距 跨度 增加 ，顶板 压 力 发生变化 ，再 加 上拉底 工 作面支架 由于落 架 、推进 、升架 ，这 一过 程对 顶 板煤形成 交 变负荷 作 用，加 速 了顶 板煤的松 碎变化 ，有 利于放顶煤 作业 进行 。但是 ，在 采煤循环 全 过程 中，哪些 因素有 利于顶 板煤变化 向有 利 趋势 发展，哪些 因素 恶化工作 面顶板 ，如何 科学的 预测和 控制这些影 响 因素 变化 为 了 探索顶 板煤的 安 全 稳 定 性 、解 决好顶 板管 理 改 进采煤方 法 ，从 我 国现有放顶煤采 煤 法 的矿井生产 中收 集到的观 测资料 ，进行分 析 知道 解 决顶 板 管理 、改 进采煤方 法，首 先要搞 清楚 顶 板 煤在顶板压 力变化下 的力 学 特性 、矿压变 化规律及 参与影 响顶板 煤稳定 性 因素 在矿压 活动 中的作 用 。 根据 已知 的矿井 地质条 件和开采 技术条 件，预测选择台理的采煤法主要参数和可能 出现 的问题 ，制定 相应措施 。机 械化放顶 煤 工 作面，采 煤 作业 循环过程 中的 安全性 取决 于工作 面支架特 性 是否适应顶 板压 力变化 。 采 煤工 作 面的 支架承受 的压 力 就 是 支架 载 荷 。支架载 荷是 由直接顶 垮落带悬岩 重Q。 和 老 顶裂 隙带的 附加载荷Q擅l 成 。放顶 煤采煤 法的 拉底工 作 面支架 承受 的压 力是 由垮落 的 顶板岩石 重量 Q 和顶板 煤量Q 组 成 。支架 承受 的压 力Q则 为 Q Q Q Q h - Q*Q1 Q2 ．Q1 h ． 1 T I d 盯 式 中h - 顶 板煤 厚度 ， 顶板 煤容重 ， h 顶 板垮 落带 厚度， 垮 落 带悬 岩 容重f m 煤层采 厚I k 垮 落带岩 石松散 系数 ， 6 老顶裂隙沉降量 。 由上式可知，Q 与采 高 相 关，老顶的 附加载 与采 高无 明显 关系 。但 一般 离煤层 越高的部 位 ，一般 赋存有 一 层 坚 硬 的岩石 层。采高由m增加到m ，垮落 带 高度将由H 增 高为H ，若采 面上方有 一坚硬 的厚岩层 ， 其 离煤 层 高度大 于H、小 于H ，也 就是直接 顶的 高度 有限 ， 当采 高增 加时，坚硬 岩层下 面可能 出现较大 的空洞 ，从而 形成 强大 的 冲 击地压 ，对支架产 生较大 的影 响。较浅 的矿 井 ，老 顶来压不 明显 。 Q QI 故Q Q Q 在工 作 面观 测 可知，采煤机截 割一刀的 长度为 a，形成一千切口面积，其宽度就是 支架顶 梁 的移动 步距 b，顶板悬 露面积 即为 ab ，其受 剪切力破 坏特 征见 图 1。 暴 露的悬顶 面受力 平衡关 系式为 Q ab n2 ab hI f 式 中 f 煤体抗 剪强度 } n 安全强 度系数 。 为了简化计算，顶板煤的强度按荷载重 1 1 维普资讯 n I- 7 ]r - ] r _ ] m n l } l 切 口平 面 围 u均 匀分布 ，顶板 煤稳 定厚 度h * 为 h i b y ／ Q n ／ 2 a 式 中 煤体抗 弯极 限强 度 。 实 际上， 随着 采煤 机向前 移动截煤 ，支 架 支撑力 和顶板 煤受力 状态有着 变化 ，如 大 块顶板垮落时的冲击载荷作用和其它附加载 荷 作用影 响 ， 矿压显现 相应有 一个变 化过程 ， 支 架推 移 、推力 和负荷及 卸载交 替形成 变 向 载荷作 用 ，这 一矿压变 化现象说 明 了矿压 的 复杂性 。 为了提供改善顶板管理依据，通过矿压 试验 资料分 析 ；放 顶煤采 煤方法 中，顶板 煤 安全稳 定性 可用相 似模拟材 料和矿压 试验 资 料 ，结合土力 学等 ，做为研 究的理 论依据 ， 探索解 决顶板 煤的稳 定性 苏联 矿山地 质力 学和矿 山测量科 学研 究所加压试 验的 Q梁极 限关系 式为 Q K h I ／ L - 在 实验 室 中，对 库兹 巴斯 矿 区做 了悬顶 煤梁端 部加 载试验 ，其载 荷 值 8 0 1 4 0 k P 。 在 同一厚煤层， 按照 4 ～ 5 个分 层 开采时 ，一 个 分层厚度 的悬 顶煤梁保持 稳定性 的压力 为 k ≤ l l 0 k p 。悬顶 煤粱 承重方程 为 ； K1 ／ Ko 1一{ Q_ ／ g。 式 中K 在 已知梁端 加载 Q．的 特性 极 限值 ， K。 在 同一梁端 载荷 O．0 特 性极 限值 ， { 系数， 视煤壁性能、 类型取值 R。 煤 样抗压强 度。 在 金属 删假顶下 的悬顶 煤梁 承受顶板 压 力外 ，还增 加了金属 网假顶在 采 空区侧 ，对 悬 顶煤 梁 面的 附加压力见 图 2。 图 2金 属 舟假 顶 悬 顶煤 粱受 压 图 悬顶 煤上方 压力 为 Q k r H Qk h I ／ L - ． ．H K h I ／ L I ／ k v 假定 采深 已知 ，可 以计 算 出悬顶 煤粱 稳 定性的 限定值 ， 较浅 的矿井一般 采深3 0 1 4 0 m范围 内，利用 上式 可求 出悬顶 煤梁稳定性 范 围内顶板 煤厚 度 限定尺 寸。除 采深影响 悬 顶 煤梁稳 定性外 ，在具体 条件下 ，如邻近 采 空 区等，会 促使悬顶 煤梁稳 定性 的变化 。 确 定悬 顶煤梁 稳定性的近 似值仅 仅利 用 了有 限的附加 载荷值， 实际上 ，生产现场 影 响因素不限于上述。如峰定在放顶煤作业过 程 ，则顶 板煤 上方产生 的离层 空 间高度 也在 变化 ，而顶板 垮 落带 的厚度 、压力 、煤梁 本 身状态 等都 随着 放煤 变化，这 些变化难 以定 量确 定 ，但是 利用相似 模拟试验 资料 ，结 台 不 同情况，研 究不 同类 型荷载 在煤体 悬梁 的 压 力作用 ，相 应调整作用 系数 能满足 目标 要 求 。在金 属 网假顶 下 ，依 据旁 侧 附加 载荷对 悬 顶煤梁 的作 用，分 析煤 梁受力特 性 ，可 确 定 出悬顶 煤梁 稳定性 的近 似值 。根据煤体力 学特 性，受力 状态可 以做 出悬顶 煤梁力 学特 性 ， 见 图 3。 顶板 压力 O，悬顶 煤粱 白重 P ，梁端 部 金属网下垂拉力R { 和金属网与煤之f可 摩擦的 维普资讯 图 3 矿 压 作 用下 悬 顶煤 梁力 学 特性 团 水平 阻力R- 等 ，组 成 的台力 作 用在煤梁 上， 拉底 工作 面支架的支 撑力 P，从 采空 区方 向 来 的横 向推力 N和平 行 于悬 顶煤 梁端 面的摩 擦力 u。这些 力对悬 顶煤梁 造成 拉应力和 剪 应力作 用， 剪切力使 悬顶煤 梁断 裂移动 而解 体松 散， 由于剪 切力切断 的悬顶 煤梁部 分沿 着 断裂 面AO移动 ，这些力形 成 的 台 力力矩 为E M。主要 以旋转力 矩 显 现，使悬 顶煤粱 的OAC D部 分 与煤体分 离，翻 转 移动 。悬顶 煤 梁 稳定 性破坏 的必 要条件 ，是 沿 AO面产 产生大于悬顶煤梁强度极限值的力。通常在 平衡 状态下 ，EM o ≤ F 式 中 F 抗断裂 的 台力 F的力臂 。 剪 切力切断 悬顶煤 梁条件 是 沿切 断 面与 晟 大的主 应力 方 向夹 角 4 5 一P ／ 2 为煤体 内摩擦 角 ，悬顶煤梁 沿切 面AO断裂 ， l 起 离 体部分 移动 ，离体 部分的 重量能 够克服 较 大 的 阻力 包括煤 体 的内聚力 和 内摩擦力 才 能产 生 位移，通 常在平 衡状 态下 册i ≤ I F 式 中盯 j 沿断裂 面Aog l 起离体 部分 移 动 的总载荷 } i 煤体 内聚力 抗拉断力 } F 。 煤体 内摩 擦力 。 为了保持悬顶煤梁 的稳定性，应满足条 件EMo ≤F r F 和 T ≤I F 。 反 之 ，悬 顶 煤粱 会产生变形 断裂而解体松散破碎。 判别悬顶 煤梁 的稳定性 ，可按 以下步骤 进行 验算 ； 1 ．悬顶 煤粱 自重 PI V t V 采 面上方顶 煤的体 积。 2 ．拉底工 作 面支 架 阻力 实测 P。 3 ．测定 金属 网假顶的R 和R 。 4 ．垮 落 带顶板压 力 Q 。在 采 煤工作 循 环 内，Q在 O ～Q 一 之 间变化，为 了简化计 算 ，按 静力学 松散 体理 论确 定垮 落 带岩 为 均 匀 分布 体 ， 垮落 带松 散 体压力 即为顶 板压 力。 老顶 的附加载荷 Q 为有明 显来压者 ，根据实 测，一 般浅矿井 无明显 地 压 ，Q O 。图 4 为垮 落 带顶板 压力 图 。 图 4 垮 落 带 项 扳压 力 罔 顶板压 强 。 一 般按 下式计算 ； 口 B k _ L ／ 4 t g o 式 中 垮落带岩石 内摩擦 角J L 。 cE 长度 } k 集 中压力 系数 k ≤2 ． 5 。 托底工 作 面上方 的垂直压 强 l D Ih- 在 采煤 工 作面局 部区段 ，来压茸顶产 生 的挤压 力 降低 了支架 高度 ，这时侧压 力 分布 呈 抛物 线形 ，在 求 近似 解 中，用悬顶煤粱 端 面Dc a b 作应 力分 布图 。悬顶 煤 梁 的 端 面侧 压力按 松散 体压 力计算 出垮 落 岩 石 内 摩 擦 1 3 维普资讯 用数理统计法确定综采面生产能力 太原煤矿 设 计研 究 院李 宏 连 内窖提要 奉文根 据4 2 个 高产 综 采工作 面的统计资料， 采 用数理 统 计方 法提 出 了确 定综采工 作 面产 量 的数 学模型，从 而， 为更加合理 地确 定综采工作 面产 量提 供 7一 个 较 好 的 方 法 。 综采 工作 面生产能力 是现 代化矿井 生产 能力 及 其他配套 环节 的基础 。 已往确定 综采 工 作面生 产能力 ，多按 煤层 厚度 、工作 面长 度 及年推 进度进 行直观 计算 ，对 地 质条 件等 因素只 作定性分 析 ，没 有量 的标准 ，看 法 ，庄 往不 一致 ，领 导与设 计人 员 、矿务局 与设 计 单位 的意见常 发生争 执 ，得 不 到 统 一。因 此， 出现确 定综采卫 作面 生产能力 多按煤层 厚度凭 主观 决定 的现 象 本 文对 l 9 8 6 年 我 国 的 高产 工作 面统计 资料加 以整理 ，用数理统 计法 进 行分析 ，试图提 出一／ 卜 既 符合我 国国 情， 又体 现现 代化矿井综 采高产 的工作 面生 产能 力计 算公式 ， 以便领导 决策及设 计人员 参 考 。 一 、影 响综 采面 生产能 力的 墨素 原 煤炭工 业部颁 发 关于 煤矿设计 规范 若干条 文修改 的决定 对 综采工 作 面生产 能 力按 煤层厚度分 为 ；采 高1 ． 0 N2 ． 0 m，生 产 能力 3 0 5 0 万t ／ a }采 高2 m以上，生产 能 力 5 0 8 0 万t ／ a 。统计 以往设 计的综采 工 作 面 角 k a k a - c 0 s 一日 在 悬顶 煤梁 上作用于 C点的 水平 力用T 。 表示 ， f 。 k a 。 }作 用于D 点的水平 力用T 表 示 ， l k a 】 J 水合力T为 T f D T “ I h - ／ 2 力 T作 用于悬 顶 煤粱支 撑点 0的力臂 导． 若鲁 在 金属 网假顶下 ， 网与煤 梁摩擦 力 u方 向 与端 面平衡 ，UN 地d N为台力 5 ．悬顶 煤梁 断裂 阻力F 。 沿断裂 面AO面 应力 分布 呈三角形 ，F 。 作 用 于煤梁支 撑点 0 的力 臂 P2 ／ 3 AO，AOh - ／ “ C O S 。 6 ．在 批底工 作 面上 方顶 板 煤 ， 以切断 ]4 面AO为分界 面而断 裂，AO面颤角 4 5 。 一p ／ 2 ， AO面 以外 的煤 体受力 产生 变 形 、断裂 和移动 。 AO c o s 4 5 - ／ 2 -a 3 7 ．在悬顶煤梁 上 面，顶 板 压 力 Q作 用 于煤 壁支撑 悬顶 煤梁 支撑 点 O上的力 臂 Q ， 悬顶 煤梁 在平衡 条件下 呈稳定状 态，平衡 条 件 是 ； 工M o 一pt r p十R2 r 。 一R i r n T一 一 uf ～Q 口Fo 0 式 中 r是各介力 作用于 悬顶煤粱 与煤 臂支撑 点 O的力臂距 离 。 从 控 制顶 板下沉 ，矿厦变 化和各项 技术 参 数着手 ，改进顶板 管理工 作 ，保证 安 全生 产 。为此可将 已知 的数 据代入 上述各 式 中， 判别 发现 问题 和及时 解决 问题 。 维普资讯