浅埋薄表土层薄基岩综放工作面覆岩结构及顶板控制.pdf

第 43 卷第 5 期煤 炭 学 报Vol. 43 No. 5 2018 年5 月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYMay2018 伊康,弓培林,刘畅. 浅埋薄表土层薄基岩综放工作面覆岩结构及顶板控制J. 煤炭学报,2018,4351230-1237. doi10. 13225/ j. cnki. jccs. 2017. 1075 YI Kang,GONG Peilin,LIU Chang. Overlying strata structures and roof control of working face under thin topsoil and thin bedrock in shal- low seamJ. Journal of China Coal Society,2018,4351230-1237. doi10. 13225/ j. cnki. jccs. 2017. 1075 浅埋薄表土层薄基岩综放工作面覆岩结构及顶板控制 伊 康1,弓培林1,刘 畅2 1. 太原理工大学 矿业工程学院,山西 太原 030024; 2. 中国矿业大学北京 资源与安全工程学院,北京 100083 摘 要针对表土层厚度小于卸荷拱最低成拱高度时的浅埋工作面液压支架选型问题,以牛山煤矿 为研究对象,采用离散元软件 3DEC 与多元非线性回归分析手段,对此条件下工作面表土层应力分 布、基本顶岩块受力状态以及控顶区顶板下沉量发展规律进行研究。 结果表明,基本顶岩块较小的 台阶下沉即可引起表土层显著的卸荷效应,使支架-围岩结构趋于稳定,所需支护强度降低,初次 来压卸荷系数仅受台阶下沉量和表土内摩擦角影响;初次来压时,基本顶 A,B 块受力不对称,B 块 对 A 块作用有垂直向下的分力;周期来压时,D 块对 C 块作用有垂直向上的分力,达2 8 MPa;可根 据允许顶板下沉量确定支护强度。 建立了塑性铰连杆模型,给出了适用于此条件的液压支架工作 阻力计算公式。 关键词浅埋工作面;离散元;支护强度;台阶下沉;卸荷效应 中图分类号TD325 文献标志码A 文章编号0253-9993201805-1230-08 收稿日期2017-08-04 修回日期2018-02-13 责任编辑常明然 基金项目 “十二五”国家科技支撑计划资助项目2012BAB13B04 作者简介伊 康1992,男,山西襄垣人,硕士研究生。 E-mail957510202 qq com 通讯作者弓培林1966,男,山西寿阳人,博士,教授。 E-mailplgong126 com Overlying strata structures and roof control of working face under thin topsoil and thin bedrock in shallow seam YI Kang1,GONG Peilin1,LIU Chang2 1. College of Mining Technology,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China; 2. School of Resources and Safety Engineering,China Universi- ty of Mining and Technology Beijing,Beijing 100083,China AbstractAccording to the selection of hydraulic support at working face in shallow seam when the thickness of soil layer is less than the lowest arching height of unloading arch,taking Niushan Coal Mine as an example,using the dis- tinct element software 3DEC and nonlinear multiple regression analysis,the stress distribution in topsoil,the basic roof rock stress state and the working face roof subsidence law were studied. The results show that a small bench conver- gence of basic rock block can lead to the significant unloading effect in soil layer,which results in the support-sur- rounding rock structure more stable,and the required support intensity reduced,and first weighting unloading coeffi- cient is only affected by bench convergence and internal friction angle of soil;during initial weighting,the force of A and B block is asymmetric,B block applies a downward vertical component of force to A block;during periodic weigh- ting,D block applies a upward vertical component of force to C block,up to 2. 8 MPa;can determine support intensity according to allowed roof subsidence. In addition,the plastic hinge connecting rod model was established. A ula was given for calculating the working resistance in this case. Key wordsworking face in shallow seam;distinct element;support intensity;bench convergence;unloading effect 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 第 5 期伊 康等浅埋薄表土层薄基岩综放工作面覆岩结构及顶板控制 随着东部煤炭资源日渐枯竭,我国煤炭开发中心 逐渐向西部转移1, 西 部 煤 田 赋 存 大 量 浅 埋 煤 层2-3。 但浅埋煤层开采过程中易发生顶板切落压 架事故1,对矿井的安全生产造成严重威胁。 针对这些问题,国外仅有少量研究,其中前苏联 学者秦巴列维奇提出了台阶下沉假说4,英、美学者 提出采用房柱式采煤方法来控制开采浅埋煤层引起 的剧烈矿压显现5-6。 国内黄庆享等建立了基本顶 的“短砌体梁”与“台阶岩梁”模型7,厚砂土层的“拱 梁”模型8-9,以及浅埋大采高条件下顶板的“高位斜 台阶岩梁”模型10。 侯忠杰认为浅埋工作面基本顶 破断后形成的结构与砌体梁不同,岩块间存在支撑作 用11。 魏立科等采用微震监测系统,成功预警了浅 埋工作面压架事故的发生12。 王方田等提出采用深 孔预裂爆破的方法,减小工作面初次来压步距,进而 降低发生压架事故的可能性13。 王家臣提出了确定 浅埋工作面液压支架工作阻力的动载荷法14。 任艳 芳等通过相似模拟,得到了浅埋工作面覆岩破断规律 以及支架围岩相互作用关系15-17。 贾后省等认为关 键块回转伴随裂隙扩张,是形成突水溃沙通道的主要 原因18。 侯俊领等按基采比的不同,将浅埋采场划 分为“有板有壳”、“有板无壳”和“无板无壳”3 种类 型19。 李福胜等认为基载比小于 0 9 时,基本顶岩 块将发生台阶下沉20。 杜锋和白海波认为厚松散层 超薄基岩综放条件下,覆岩将形成应力拱结构,导致 工作面矿压显现减弱21。 已有研究主要针对表土层较厚的情况,但牛山 煤矿浅埋工作面基载比最小区域表土层厚度仅为 30 m,小于卸荷拱最低成拱高度,无法形成“ 拱 梁” 8-9或“应力拱”21等结构。 本文针对此条件下 工作面液压支架选型问题,以牛山煤矿为研究对 象,采用离散元软件 3DEC 与多元非线性回归分析 手段,对不同支护强度下的采场进行分析研究,揭 示了初次来压与周期来压时表土层应力分布、基本 顶岩块受力状态以及工作面的顶板下沉量发展规 律,得出了表土层卸荷系数拟合曲面公式,建立了 塑性铰连杆模型,给出了适用于表土层厚度小于卸 荷拱最低成拱高度时的液压支架工作阻力计算公 式,确定了牛山煤矿浅埋工作面液压支架所需工作 阻力与支护强度。 1 工程背景 牛山煤矿地处丘陵地带,现生产工作面位于井田 东北部,开采 3 号煤层,平均煤厚 5 1 m,埋深 130 182 m,采用综放采煤方法,采 2 m 放 3 1 m。 工作面 选 用 ZF2200 - 16/24Z 型 液 压 支 架, 支 护 强 度 0 4 MPa,支护效果良好。 该矿接替工作面位于井田 西南部,埋深 35 83 m,其中开切眼至推进 230 m 范 围内, 埋深约为 35 51 m, 表土层厚度 14 5 30 0 m,基岩厚度 9 3 21 7 m。 2 数值模型建立 2 1 初始地层模型 根据钻探资料,选取牛山煤矿浅埋工作面基载 比基岩厚度与表土层厚度之比最小,即最危险的 区域进行研究。 建立工作面推进方向 X 150 m,高 度 Z65 m 的平面模型。 采用离散元块体Block模 拟表土内部开裂及颗粒间摩擦,由随机节理划分,单 个块体为平均面积约 0 12 m2的多边形模型所在平 面的横截面,每个块体又划分为 3 6 个变形单 元Zone,用以模拟土体受挤压或剪切产生的变形; 基岩与顶煤采用垂直节理划分离散元块体,每个块体 划分 8 个变形单元;采高范围煤层与底板不划分离散 元块 体, 仅 划 分 变 形 单 元; 共 10 659 离 散 元 块 体,123 466 变 形 单 元。 模 型 中 岩 块 与 节 理 均 采 用 Mohr-Coulomb 模型分析计算,由于埋深较浅且上 覆松散土层,只考虑由重力取 g9 81 m/ s2生成的 应力场,模型底部固支,侧面限制法向水平位移,顶部 为地表自由面。 对于顶板破断研究,3DEC 中的节理 面并非代表弱面,而是代表模型中允许开裂的位置, 因此岩块和节理面应赋统一强度与刚度。 数值模型 物理力学参数见表 1。 表 1 数值模型物理力学参数 Table 1 Physical and mechanical parameters of numerical model 地层 岩性 层厚/ m 体积模 量/ GPa 剪切模 量/ GPa 抗拉强 度/ MPa 黏聚力/ MPa 内摩擦 角/ 黄土300 100 0800 0520 0 中粒砂岩710 223 964 3013 7035 1 砂质泥岩36 732 591 332 6015 7 3 号煤53 219 650 721 2717 8 砂质泥岩208 953 662 717 5719 6 2 2 开挖及监测 考虑到液压支架在达到工作阻力后表现为恒阻 支护特性,因此采用对工作面控顶区顶板施加面力的 方式来模拟液压支架支护作用,共分析支护强度分别 为 0 4,0 6,0 8,1 0 和 1 2 MPa 五种方案,控顶距取 4 m。 采用 Fish 语言控制模型开挖、放煤与移架,每循 1321 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 煤 炭 学 报 2018 年第 43 卷 环推进 1 m,采高 2 m,放煤 3 m 计算 10 000 步,顶板 破裂时额外计算 30 000 步。 模型运行时对工作面顶 板下沉量进行监测。 基本顶所受表土载荷采用 Fish 语言间隔 dx0 1 m 读出,并计算其均值。 3 数值模拟结果分析 3 1 基本顶初次来压 各方案下工作面推进至 24 m 时,基本顶下部拉 应力超过其抗拉强度 4 3 MPa,发生断裂,初次来压 步距与文献22中计算结果 23 02 m 相近。 根据采 场形态的差异,选取支护强度分别为 0 6,0 8 和 1 2 MPa 的 3 个方案进行分析。 由于基本顶岩块端 角挤压应力较原岩应力大一个数量级,采用双标尺复 合图,其中表土层、采高范围煤层和底板选用垂直压 应力云图,顶煤、直接顶和基本顶选用应力张量图,如 图 1 所示。 图 1 基本顶初次来压时采场应力状态 Fig 1 Stress state of stope when basic roof first weighting 由图 1a可知,支护强度为 0 6 MPa 时,液压支 架难以平衡顶板压力,无法与围岩形成稳定结构,控 顶区顶板不断台阶下沉,发生压架。 这表明并验证了 在浅埋薄基岩条件下,基本顶断裂后形成的结构难以 自稳且较难支护7,牛山煤矿采用现有按经验公式 法选型的液压支架支护强度 0 4 MPa开采浅埋工 作面是不可行的。 此时采空区上部表土层出现等腰 梯形应力降低区,使基本顶所受表土载荷由断裂前 的 0 53 MPa 降低至 0 46 MPa平均值,下同,定义 卸荷系数 基本顶断裂后表土载荷/ 基本顶断裂前 表土载荷,此时 0 87。 区应力向三角形应力升 高区 转 移, 使 表 土 载 荷 由 0 53 MPa 升 高 至 0 76 MPa,应力集中系数 1 43。 由图 1 b, c 可 知, 支 护 强 度 为 0 8 和 1 2 MPa 时,液压支架与围岩形成了稳定结构,控顶 区顶板台阶下沉量分别达到 63 和 29 cm。 此时采 空区上部表土层出现等腰梯形应力降低区,使基 本顶所受表土载荷由断裂前的 0 53 MPa 分别降低 至 0 18 和 0 25 MPa,卸荷系数 分别为 0 34 和 0 47。 应力升高区为凹四边形,表土载荷由 0 53 升高至 0 73 MPa,应力集中系数 1 38。 这表明在 基本顶发生初次断裂至形成液压支架-围岩稳定结 2321 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 第 5 期伊 康等浅埋薄表土层薄基岩综放工作面覆岩结构及顶板控制 构的过程中,表土载荷随着台阶下沉量增大而降 低,存在卸荷效应,使结构趋于稳定。 支护强度越 高,可承受的载荷越大,液压支架-围岩稳定结构形 成越早,台阶下沉量越小。 较大的支护强度仍难以 避免台阶下沉,过小的支护强度无法形成支架-围 岩稳定结构。 由图 1 中b,c可知,基本顶 A 块左下角所受 合力方向为右上,两种支护强度下分别达到 3 3 和 4 9 MPa,由来自左侧基本顶岩体的水平挤压力、向 上摩擦力以及经下部直接顶传递的液压支架支撑力 组成。 A 块右上角与 B 块左上角所受合力方向为水 平偏下,分别达到 3 9 和 5 7 MPa。 B 块右侧上半部 所受合力为左上,分别达到 1 6 和 2 1 MPa。 A 块内 部主要为方向左下角至右上角的压应力,分别达到 1 0 和 1 3 MPa;B 块上部主要为水平压应力,分别达 到 2 1 和 3 3 MPa,下部为小于 0 2 MPa 的水平拉应 力。 这表明在液压支架支撑作用下,基本顶 A,B 块 的受力是不对称的;B 块呈暂时的短梁结构,结合 A 块内部应力方向,可知 B 块对 A 块作用有垂直向下 的分力,确定支护强度时还应考虑 B 块的作用;由于 基本顶刚度限制,初次来压时基本顶岩块回转角仅为 1 2左右。 3 2 基本顶周期来压 由于支护强度 0 6 MPa 及以下的方案均在基本 顶初次来压时发生压架,不再进行周期来压分析。 选 取支护强度分别为0 8 和1 2 MPa 的两个方案,并选 择具有代表性的第 2 次周期来压进行分析,采用与图 1 类似的双标尺复合图,如图 2 所示。 图 2 基本顶第 2 次周期来压应力状态 Fig 2 Stress state of stope when basic roof 2nd periodic weighting 由图 2 可知,因牛山煤矿浅埋工作面直接顶较 薄3 m,加之顶煤被放出,破碎的直接顶难以充满 采空区,D 块发生架后切落,与回转的 C 块共同形成 “台阶岩梁” 4结构。 支护强度为 0 8 MPa 时,工作面控顶区顶板台 阶下沉达 35 cm;支护强度为 1 2 MPa 时,台阶下沉 减小至 19 cm。 此时 C 块上部表土层出现应力降低 区,支护强度 0 8 MPa 时为三角形,支护强度 1 2 MPa 时为梯形,使 C 块所受载荷由 0 53 MPa 分 别降低至 0 32 和 0 46 MPa,卸荷系数 分别为 0 60 0 87。 工作面前方、采空区内部及采空区后方 均出现三角形应力升高区 , 表土载荷升高至 0 86 MPa,应力集中系数 1 62。 这表明在基本顶发 生周期断裂至形成液压支架-围岩稳定结构的过程 中,表土载荷亦随着顶板台阶下沉而降低,亦存在卸 荷效应。 周期来压时,相同支护强度下台阶下沉量较 初次来压时小,顶板更易控制,但轻微台阶下沉仍难 以避免。 C 块左下角受力与上文 A 块类似,两种支护强度 下分别达到 4 2 和 7 6 MPa,且水平应力分量较 A 块 更大。 C 块右侧下半部受到 D 块方向为左上的支撑 力,分别达到 3 7 和 4 9 MPa。 这表明支护强度越 3321 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 煤 炭 学 报 2018 年第 43 卷 小,台阶下沉量越大,卸荷效应越显著,导致表土载荷 越小,进而使基本顶岩块内部应力减小。 此外,D 块 对 C 块的垂直支撑分力达 2 8 MPa,在结构平衡分析 时不可忽略。 3 3 全程控顶区顶板下沉量 由图 3 可知,支护强度为 0 4 MPa 时,初次来 压前顶板下沉量已达 15 6 cm,这是因为过小的支 护强度难以有效保证顶煤与直接顶的完整性,使液 压支架受载过大,引起顶板明显下沉。 推进至 24 m 时,工作面初次来压,支护强度为 0 4 和 0 6 MPa 的方案发生压架,支护强度达到 0 8 MPa 以上时, 顶板下沉量随支护强度的增大而减小。 在推进至 37,49 与62 m 时,工作面发生第1,第2 与第3 次周 期来压,顶板下沉量减小为初次来压时的 50 67 并趋于稳定,且未发生压架。 这表明在地质条 件变化不大的情况下,浅埋工作面液压支架若满足 初次来压的要求,后续的开采也是安全的;支护强 度的选择并不唯一,在保证不压架的前提下,可根 据控顶区顶板允许下沉量确定所需支护强度,这与 前人的理论23一致。 图 3 控顶区顶板下沉量随工作面推进距离变化规律 Fig 3 Variation law of roof subsidence with advancing distance of roof control area in working face 4 力学模型 由数值模拟分析结果可知,浅埋煤层顶板控制的 关键是防止初次来压期间基本顶岩块滑落失稳造成 的工作面压架。 文献9中给出了表土层厚度 H 大 于卸荷拱最低成拱高度 Hg时的液压支架工作阻力确 定方法,其中 Hg 3l0 4tan 1 - sin 式中,l0为初次来压时基本顶岩块长度,按文献9 中算法取 13 8 m; 为表土内摩擦角,。 牛山煤矿最危险区域表土层厚度 H30 m,Hg 43 2 m,显然无法形成卸荷拱,这在上文数值模拟结 果中也得到了验证。 4 1 卸荷系数 多元非线性回归分析 浅埋工作面基岩较薄,最明显的特征是顶板呈单 一关键层结构,其承受直至地表的上覆岩土载荷。 基 本顶破断后的台阶下沉引起表土层卸荷效应,使表土 载荷降低,其初次来压卸荷系数 对判定支架-围岩 结构是否稳定是十分关键的。 由数值模拟过程和结果可知,卸荷效应的机理 为基本顶破断前,表土载荷近似为 H 厚度表土产生 的重力;当工作面推进至初次来压步距,基本顶在表 土载荷和其自重作用下发生断裂,由于浅埋薄基岩采 场的特性,基本顶岩块难以形成平衡结构而发生台阶 下沉,强度较低的表土随基本顶岩块台阶下沉而向下 运动,又由于土体颗粒间的挤压摩擦作用24,基本顶 岩块上部表土载荷向两侧转移,进而导致所受表土载 荷降低,结构趋于稳定;随着基本顶岩块台阶下沉量 增大,土体颗粒间的挤压摩擦作用也逐渐增强,表土 载荷不断降低;当表土载荷降低至一定值时,在匹配 的支护强度下,支架-围岩形成稳定结构。 因此,表 土层载荷、表土层摩擦特性和基本顶台阶下沉量可能 成为卸荷系数的影响因素,其中表土层载荷主要由表 土层厚度决定,表土层摩擦特性主要由内摩擦角决 定一方面土体黏聚力均较小,另一方面土体松动破 碎后,黏聚力接近于 0,台阶下沉量会随支护强度变 化而变化,支护强度越大,基本顶岩块越容易平衡,台 阶下沉量越小。 此外,基于上文数值模拟结果,可认 为初次来压时控顶区顶板下沉量 S基本顶台阶下 沉量。 因此可认为 可能受表土层厚度 H、表土内摩 擦角 及 S 的影响。 分别建立 2 种表土层厚度20 和 40 m,5 种表 土内摩擦角10,15,20,25和 30,取值范围参考 前人研究成果9,共 10 组数值模型。 每组数值模 型采用随机的 5 种支护强度,并开挖至初次来压均 未发生压架,共得到 50 个 -H- -S 数据组。 以 为纵轴, 和 S 为两横轴,不同 H 以红圆与黑三 角区分,将 50 个数据组绘入三维坐标系并对 进行 多元非线性回归分析,得到 1 - alnS 1 4321 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 第 5 期伊 康等浅埋薄表土层薄基岩综放工作面覆岩结构及顶板控制 tan 拟合优度较高,且仅含 1 个未知参数 a;对 H20 m 的 25 个数据组单独拟合时,a 0 261,对 H40 m 的 25 个数据组单独拟合时,a0 258,这表 明 对 H 不敏感,50 个数据组可合并,得到的 拟合 曲面如图 4 所示。 图 4 卸荷系数 拟合曲面 Fig 4 Fitting surface of unloading coefficient 由图4 可知,初次来压卸荷系数 可按下式确定 1 - 0 259lnS 1tan 由于发生压架后,围岩及表土的形态发生较大变 化,受力状态及边界条件也大不相同,因此卸荷系数 的拟合公式仅适用于不压架液压支架与围岩形成 平衡结构的情况。 是否会发生压架可依据 4 2 节 中单位架宽额定工作阻力公式进行判别取 S 支 架许用活柱下缩量,若计算所得 P 小于支架的单位 架宽额定工作阻力,则不会压架。 拟合曲面在其定义域内呈“下部扭转矩形”形 态,S0 时 值均为1,这表明若基本顶不发生台阶 下沉,表土层内不会出现卸荷效应。 曲面曲率随 S 增大而减小,这表明基本顶较小的台阶下沉即可引起 显著的卸荷效应,降低表土载荷,使支架-围岩结构 趋于稳定,但基本顶的进一步台阶下沉难以有效降低 表土载荷。 曲面随 增大而升高,曲率变化不明显, 这表明表土内摩擦角较大的情况下,相同 S 引起的 表土卸荷效应更为显著,支架-围岩结构更易稳定。 4 2 支架-围岩力学模型 数值模拟过程及结果表明,顶板台阶下沉是一个 相对缓慢的过程,且在此过程中岩块受到围岩摩擦约 束,动能被吸收,进行支架-围岩平衡结构分析时可 只考虑静力。 为给出适用于表土层厚度 H 小于卸荷 拱最小成拱高度 Hg时的工作阻力确定方法,结合数 值模拟结果中初次来压时岩块受力状态,建立如图 5 所示的塑性铰连杆模型。 图 5 塑性铰连杆模型 Fig 5 Plastic hinge connecting rod model 图5 中 A,B 杆为根据受力状态简化后的 A,B 岩 块;C 杆为顶煤与直接顶的组合体,0,1,2,3 为固定 塑性铰,4 为可动塑性铰;QA,QB分别为 A,B 块自重 载荷;QC为破碎顶煤与直接顶自重载荷;Fh为表土 载荷合力;xh为表土载荷合力作用点距 0 点的水平 距离;RA,RB分别为塑性铰对 A,B 块的摩擦力;TA, TB分别为塑性铰对 A,B 块的水平约束力;l 为岩块 长度约为初次来压步距的一半,m;h 为基本顶厚 度,m;h1为直接顶厚度,m;h2为顶煤厚度,m,若为一 次采全高,此值取 0;lk为控顶距,m;P 为单位架宽工 作阻力,kN。 Fh和 xh采用图 6 所示的方法,对通过 Fish 语言 读出的测点应力值 Si和测点位置 xi进行简化得出, 测点间距 dx0 1 m,共 n239 个测点。 图 6 表土载荷简化方法 Fig 6 Simplified of topsoil load 表土载荷简化原则为0 点位置与图 5 匹配 M0 x hFh xiSidx 则 xhxiSidx/Sidx。 代入不压架的各方案数 据,得出 xh 0 933 0 976l, 平均 0 961l。 根据数值模拟结果及卸荷系数 定义,A,B 块 所受表土载荷为 Fh 24Hl 式中,4为表土容重,kN/ m3。 5321 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 煤 炭 学 报 2018 年第 43 卷 破碎顶煤与直接顶、A 块,B 块自重载荷分别为 QC 1h1 2h2lk QA Q B 3hl 式中,1为直接顶容重, kN/ m3; 2为顶煤容重, kN/ m3;3为基本顶容重,kN/ m3。 结构滑落失稳时两块同时下沉,这表明极限平衡 时,RA,RB均达到最大摩擦力,即 RA T Atan j;RB T Btan j 式中,j为基本顶岩块摩擦角。 取模型整体作为研究对象,分别取 Fx 0;Fy 0;M0 0 得到 TA T B RA R B P QA QB QC Fh P lk 2 R B2l TBh - S QA l 2 Q B 3l 2 QC lk 2 F hxh 联立以上各式解得适用于表土层厚度 H 小于卸荷 拱最低成拱高度 Hg时的单位架宽工作阻力计算公式 P 4Hl0078ltan j h - S 3hlh - S tan j l - lk 2 h - S 2 1h1 2h2lk 其中, 1 - 0 259lnS 1tan 。 上式有允许台阶下沉量 S、表土内摩擦角 、直 接顶容重 1、顶煤容重 2、基本顶容重 3、表土容重 4、直接顶厚度 h1、顶煤厚度 h2、基本顶厚度 h、表土 厚度 H、基本顶岩块长度 l、基本顶岩块摩擦角 j、控 顶距 lk共 13 个参数。 其中 S 形成了表土下沉空 间,是引起卸荷效应的直接原因,较小的 S 即可显 著降低所需工作阻力; 体现了表土颗粒下沉过程中 的挤压摩擦作用24形成垂直向上的分力,使基本顶 岩块上部表土载荷向两侧转移,是引起卸荷效应的 内在原因;各岩土层容重和厚度是载荷形成的根 本原因;l 影响支架-围岩平衡结构所承载表土范围 以及基本顶岩块自重;j决定了基本顶岩块水平分 力对垂直分力的转化效率,此值越大支架-围岩结构 越趋于稳定7-9;此外,h 和 l 共同影响基本顶岩块块 度,h/ l 越小,结构越趋于稳定7-9。 由前人统计成果9表 1可知,浅埋工作面顶板 台阶下沉后并未发生压架,而是形成支架-围岩稳定 结构。 这表明基本顶刚破断时是不稳定的,随着基本 顶岩块台阶下沉,动压被吸收,表土载荷逐渐卸荷,当 与液压支架支护能力相匹配时形成稳定结构。 代入牛山煤矿地质条件,考虑到顶板管理及顶煤 力学特性取 S 30 cm,得单位架宽工作阻力P 3 919 kN,取原架宽 1 25 m,则所需液压支架工作阻 力为 4 899 kN,支护强度 0 98 MPa。 牛山煤矿通过 更换原液压支架立柱,使工作阻力达到要求,在浅埋 工作面初次来压时控顶区仅出现 23 35 cm 的台阶 下沉工作面中部最大,未发生压架。 5 结 论 1浅埋工作面基本顶岩块的台阶下沉会引起 表土层的卸荷效应,使基本顶岩块受载减小,结构趋 于稳定,进而使所需支护强度降低,初次来压卸荷系 数 1 - 0 259lnS 1tan , 较小的 S 即可 引起显著的卸荷效应。 2浅埋工作面初次来压时,由于液压支架的支 撑作用,基本顶 A,B 块受力是不对称的,且 B 块对 A 作用有垂直向下的分力,因此在确定液压支架支护强 度时还应考虑 B 块的作用。 浅埋工作面周期来压 时,D 块对 C 块作用有垂直向上的分力,达 2 8 MPa。 3建立了塑性铰连杆模型,给出了适用于表土 层厚度小于卸荷拱最低成拱高度时的液压支架工作 阻力计算公式。 工作阻力的选择并不唯一,较小的 S 即可显著降低所需液压支架支护强度。 卸荷效应 可对浅埋工作面顶板出现台阶下沉而未发生压架的 现象做出合理解释。 4代入牛山煤矿地质条件,考虑到顶板管理及 顶煤力学特性取 S30 cm,则牛山煤矿浅埋工作面 液压支架架宽 1 25 m工作阻力确定为 4 899 kN, 支护强度 0 98 MPa。 工作面初次来压时控顶区仅出 现 23 35 cm 台阶下沉工作面中部最大,未发生 压架。 参考文献References 1 杨登峰. 西部浅埋煤层高强度开采顶板切落机理研究D. 北 京中国矿业大学北京,2016. 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