綜放工作面端頭區(qū)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究

肖亞寧

(潞安環(huán)能股份公司王莊煤礦,山西長治 046032)

采選技術(shù)

綜放工作面端頭區(qū)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究

肖亞寧

(潞安環(huán)能股份公司王莊煤礦,山西長治 046032)

放頂煤采煤工作面端頭區(qū)支護是采場支護的難點,其主要原因在于端頭區(qū)弧形三角板的形成及其穩(wěn)定。本文提出了加強早期順槽頂板的支護,是端頭區(qū)形成穩(wěn)定和完整弧形三角板的前提,揭示了解決端頭區(qū)支護難,主要在于要解決好弧形三角板“大結(jié)構(gòu)”和端頭支架“小結(jié)構(gòu)”關(guān)系的規(guī)律,強調(diào)大、小結(jié)構(gòu)存在相互協(xié)調(diào)和相互制約的關(guān)系,“大結(jié)構(gòu)”是端頭區(qū)穩(wěn)定的關(guān)鍵。

放頂煤工作面;端頭區(qū);弧形三角板;結(jié)構(gòu)穩(wěn)定

Abstract:Top-coal caving face end support is difficult,mainly due to the formation and stability of triangle roof plate with curve side at face end.Strengthening of the early crossheading roof support is the premise of forming completed and stabe triangle roof plate with curve side.Reveals the solution to the end support is to solve the relations between the“l(fā)arge structures”of triangle roof plate with curve side and the“small structure”of end support.Large structure and small structure is a structure with coordination and mutual relations,the stability of“l(fā)arge structures”is the key of the face end stability.

Key words:top-coal caving face;face end;triangle roof plate with curve side;structure stability

1 綜放工作面端頭區(qū)頂板斷裂特征

回采工作面端頭系指回采工作面與平巷交叉地點,其范圍如圖1中Ⅱ區(qū)所示。

圖1 綜放工作面端頭區(qū)劃分及其弧形三角板

由圖1可知,回采工作面端頭支護條件雖比回采工作面多一個煤壁支撐,但在采動后引起的支承壓力作用下,頂?shù)装逡平考觿?頂板巖層離層或脫落,底板臌起,支架急劇受載、下縮、變形、損壞等,因此在我國煤礦開采支護一直是采場支護的難點。造成上述支護難的主要原因,是人們對端頭區(qū)頂板穩(wěn)定的認識不深。端頭區(qū)與整個采場巖層移動一樣,受到頂板巖層的周期斷裂的影響,同樣在端頭區(qū)也存在頂板巖層周期性得斷裂,但與采場頂板巖層存在區(qū)別。根據(jù)端頭區(qū)周圍的邊界條件,其頂板巖層一般存在弧形三角懸板(圖1)。[1-3]有關(guān)文獻對上述弧形板理論開展了研究,但目前對上述弧形板的應(yīng)用缺乏深入研究,導(dǎo)致目前在指導(dǎo)端頭區(qū)的支護上過分強調(diào)對端頭區(qū)支護方式和支護強度,而忽略對弧形板應(yīng)用的研究,因此加強早期順槽支護,使端頭區(qū)盡可能的形成弧形三角懸板,以保證端頭區(qū)的設(shè)備、人員在穩(wěn)定的頂板條件下運轉(zhuǎn)和生產(chǎn)才是端頭區(qū)支護的正確方向。

2 綜放工作面端頭區(qū)三角形懸板的力學(xué)分析

對于端頭頂板來說,其前方聯(lián)接著的超前順槽頂板,主要受其下綜采支架、端頭支架支護以及側(cè)向區(qū)段煤柱煤壁的支承[4],工作面頂煤放空以后,端頭頂板后方一側(cè)同工作面方向一側(cè)一樣都處于懸露狀態(tài)。因此,最初的端頭頂板可以假定為其前方和區(qū)段煤柱方向兩鄰邊為固支邊,采空區(qū)內(nèi)兩鄰邊為自由邊的矩形板[5],如圖2所示。

圖2 端頭區(qū)弧三角形懸板結(jié)構(gòu)及矩形板結(jié)構(gòu)

根據(jù)彈性力學(xué)計算可得,板邊界條件[6]為

式中:ω為板的撓度;x表示板指向采空區(qū)方向的坐標;y表示板指向采煤工作面方向的坐標;μ為板的泊松比。

則,自由邊x=a以及y=b的撓度曲線可以用單三角級數(shù)[7]表示,如下:

式中:k,am,bm為待定參數(shù)。

設(shè)端頭懸板為正方形,即a=b,取μ為0.3。則懸板的在固定邊x=0、y=0的彎矩分布為:

分析式(9)、式(10),可以看出其最大彎矩為:

綜上分析,端頭頂板的最大彎矩在固支邊與自由邊的交界處,也就是在端頭支架切頂線處或區(qū)段煤柱的采空區(qū)后方兩個點上。隨著工作面開采,上述兩點首先發(fā)生破壞。破壞后新的極限將會出現(xiàn)在主應(yīng)力線上,進而形成弧形極限彎矩跡線,見圖3,端頭頂板沿弧形極限彎矩跡線裂斷垮落后就形成了弧三角形懸板。

圖3 板載均布荷載作用下的彎矩及弧三角形懸板的形成

弧三角形懸板的大小主要受懸板邊長a的影響,而a值又受到極限彎矩的限制,若將最大拉應(yīng)力破壞作為強度條件[8],則板內(nèi)的極限彎矩為

式中:σs為三角形懸板的抗拉強度;h為頂煤三角形懸板的厚度。

聯(lián)立式(11)、式(12),可得

3 大采高綜放面端頭區(qū)弧形板形成的條件

根據(jù)前文對端頭區(qū)弧形三角板特征及其力學(xué)分析,王莊礦大采高工作面在其端頭區(qū)域同樣也存在弧形三角懸板,但由于王莊礦大采高、窄煤柱開采,其端頭區(qū)前后運輸機頭、轉(zhuǎn)載機、破碎機等設(shè)備所處的工作空間,上述弧形三角懸板具體穩(wěn)定性如何,能否提供足夠大的空間保證上述設(shè)備的安全運轉(zhuǎn)是需要研究的。

根據(jù)式(12)可知,對于王莊礦工作面,頂煤的單向抗壓強度已經(jīng)確定,因此決定弧形三角板形成的主要條件將取決于其分層厚度h,分層厚度越大,端頭區(qū)形成的弧形板的范圍就越大,端頭區(qū)就越穩(wěn)定,反之,端頭維護就越困難,端頭維護費用就越高。

由于放頂煤工作面端頭區(qū)受頂煤水平裂隙發(fā)育的影響,一般其頂煤離層現(xiàn)象顯著,根據(jù)式(11)和式(12),可得:

根據(jù)上述公式,只要端頭區(qū)頂煤滿足上述分層條件,就可以在綜放端頭區(qū)形成不少于5m范圍的弧形懸板,就能保證端頭區(qū)處在弧形懸板的保護下。

4 綜放面端頭區(qū)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定關(guān)系

根據(jù)工作面端頭區(qū)支護特點,工作面端頭支架就是在上述弧形三角板的保護下工作,因此弧形三角板的形成及其穩(wěn)定直接影響端頭支架的穩(wěn)定,從結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的角度可以將上述形成的弧形三角板定義為工作面端頭區(qū)穩(wěn)定的“大結(jié)構(gòu)”,工作面端頭支架則可定義為“小結(jié)構(gòu)”,工作面端頭區(qū)的穩(wěn)定就是上述大小結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定,“大結(jié)構(gòu)”的穩(wěn)定是“小結(jié)構(gòu)”穩(wěn)定的前提。因此結(jié)合王莊礦實際情況,以王莊礦4331放頂煤綜采工作面為例分析端頭區(qū)弧形三角板的形成條件。

主要開采煤層為3#煤層,煤層厚度穩(wěn)定,煤層總厚7.18m,煤層傾角一般為1°～7°,平均4°,煤層的單向抗拉強度σs=0.547×103kN/m2,煤層的容重λ=2.5×10kN/m3,端頭區(qū)弧形三角懸板的長度a=5m,該工作面需要形成弧形三角懸板的頂煤分層厚度h為:

因此王莊礦4331工作面端頭區(qū)要形成弧形三角板,其分層厚度應(yīng)保證在1.728m以上,根據(jù)本文提出的端頭區(qū)支護應(yīng)加強早期順槽支護的思路,保證端頭區(qū)弧形三角板的形成。因此該工作面的順槽支護設(shè)計中,應(yīng)采用錨桿支護,其運輸巷、回風(fēng)巷頂板支護均為每排采用φ20mm、長度2400mm的高強度螺紋鋼錨桿,間排拒0.9m× 1.0m,頂角錨桿向兩幫傾斜20°角打設(shè)。樹脂藥卷加長錨固,每根錨桿采用雙速2360Z2360各一只,錨固長度1400mm,鋪設(shè)金屬網(wǎng)和φ14mm圓鋼焊制的長4200mm鋼筋梯子梁。為了更好的保護順槽頂板,每隔3.0m布置兩根15.24mm的小口徑預(yù)應(yīng)力錨索,錨索孔深度為7.0m,錨索長度為7.3m,每根錨索采用的樹脂藥卷為雙速2360一只,Z2360兩只,錨固長度1.7m,每根錨索采用一塊400mm長的18#槽鋼,一塊規(guī)格為100mm× 100mm×8mm的鋼板,索具一套。

根據(jù)王莊礦礦壓觀測數(shù)據(jù),直接頂初次垮落步距為10～14m,老頂初次跨落步距為20～30m,周期來壓步距為9～12m,回采期間采場最大壓強為547kN/m2。按支架承受的頂板載荷與煤層厚度近似直線關(guān)系增長的觀點估算,采場最大壓力為:

P=9.8N hγ/1000

式中:P為采場巖體壓力,kN/m2;N為取8(按要求,支架載荷取8倍采高巖重計算);h為煤層的采高,取3.1m;γ為頂板巖石的平均密度,取2500kg/m3。

則有:

最終確定工作面端頭區(qū)采用三組ZTF-6500/ 19.5/34型排頭架進行管理。開采實踐表明,王莊礦4331工作面端頭區(qū)支護得到了很好的改善,保證了工作面端頭區(qū)大小結(jié)構(gòu)的相互協(xié)調(diào)穩(wěn)定,實現(xiàn)了4331工作面的安全高效開采。

上述研究表明,通過強化早期順槽支護,可以順利的在端頭區(qū)形成弧形三角懸板的“大結(jié)構(gòu)”,為后期開采的端頭支架等“小結(jié)構(gòu)”支護提供了安全空間。因此在端頭支護中應(yīng)重視“大結(jié)構(gòu)”,不能忽略“大結(jié)構(gòu)”,而過分的強調(diào)“小結(jié)構(gòu)”的支護。在“小結(jié)構(gòu)”的支護上應(yīng)注重端頭支護的型號選擇,以適應(yīng)端頭區(qū)的巖層移動特點。

5 結(jié)論

對于放頂煤工作面,由于工作面頂板為頂煤,其抗拉強度較小,裂隙發(fā)育。因此加強對順槽早期支護是大采高工作面端頭支護成功的關(guān)鍵。在端頭區(qū)的支護研究中應(yīng)處理好端頭區(qū)大、小結(jié)構(gòu)支護之間的關(guān)系,不能顧此失彼。強調(diào)“大結(jié)構(gòu)”穩(wěn)定是“小結(jié)構(gòu)”穩(wěn)定的前提,“小結(jié)構(gòu)”穩(wěn)定反過來又進一步促進了“大結(jié)構(gòu)”的穩(wěn)定。

[1] 秦樂堯,張連勇.綜放工作面端頭頂板結(jié)構(gòu)域穩(wěn)定性研究[J].煤礦現(xiàn)代化,2006,(6):14-16.

[2] 宋振驥,蔣金泉.煤礦巖層控制的研究重點與方向[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,1996,15(2):117-122.

[3] 康立勛,楊雙鎖,錢鳴高.大同綜采工作面直接頂端面塊體失穩(wěn)與平衡分析[J].煤炭學(xué)報,1999,24(3):247 -251.

[4] 朱德仁,馮兆紅,宋東烈.長璧工作面端頭頂板的弧三角形懸板結(jié)構(gòu)[A].第三屆煤礦采場礦壓理論與實踐討論會論文匯編,1987,(7):5-79.

[5] 曹勝根,錢鳴高,劉長友,等.采場支架——圍巖關(guān)系新研究[J]煤炭學(xué)報,1998,23(6):575-579.

[6] 張福范.彈性薄板[M].北京:科學(xué)出版社,1984.

[7] 周志利,蘇 海.大采高綜放工作面端頭支護技術(shù)[J].煤,2008,(6):18-20.

[8] 吳有增.綜放工作面端頭頂板穩(wěn)定原理與控制技術(shù)研究[J].煤,2008,(9):25-28.

Study of end structural stability of fully mechanized caving face

XIAO Ya-ning
(Wangzhuang Coal Mine,Lu’an Environmental Energy Development Co.,Ltd.,Changzhi 046032,China)

TD353

A

1004-4051(2010)02-0086-03

2009-10-27