大同煤田11＃煤層堅(jiān)硬頂板礦壓顯現(xiàn)特征及懸移支架參數(shù)選定?

牛 宏劉 玥

(1.山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院,山西省大同市,037008; 2.山西大同大學(xué)采礦工程研究所,山西省大同市,037008)

大同煤田11＃煤層堅(jiān)硬頂板礦壓顯現(xiàn)特征及懸移支架參數(shù)選定?

牛 宏1,2劉 玥2

(1.山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院,山西省大同市,037008; 2.山西大同大學(xué)采礦工程研究所,山西省大同市,037008)

大同煤田11＃煤層堅(jiān)硬頂板在回采過(guò)程中垮落困難,易在支架后方形成懸板。因此,選型懸移支架時(shí)需要考慮支架額定工作阻力必須能夠承載上覆巖體切頂瞬間的最大荷載。通過(guò)研究工作面推進(jìn)過(guò)程中懸板形成過(guò)程、懸移支架阻力分布特征及頂板壓力顯現(xiàn)規(guī)律,建立力學(xué)模型,確定懸移支架技術(shù)參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式,并且提出懸移支架切頂瞬間后立柱抗彎強(qiáng)度校驗(yàn)公式。通過(guò)北辛窯礦11＃煤層11101工作面懸移支架合理選型使用,驗(yàn)證了經(jīng)驗(yàn)公式具有應(yīng)用價(jià)值。

堅(jiān)硬頂板 懸板長(zhǎng)度確定 懸移支架 支架選型 參數(shù)選定

懸移支架由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、支護(hù)靈活,目前,在一些礦井的邊角煤回采、煤柱的回收以及地質(zhì)條件復(fù)雜的中小煤礦中使用較為廣泛。如果支架選型合理,在煤層頂板較硬、放頂困難的條件下采用懸移支架仍然可以獲得較高的生產(chǎn)效率。以大同煤礦11＃煤層使用懸移支架的回采工作面為研究對(duì)象,依據(jù)支架后懸板長(zhǎng)度、支架荷載分布特征,合理設(shè)計(jì)支架參數(shù),確保懸移支架在使用中安全高效。并結(jié)合中煤北辛窯礦在11＃煤層使用情況對(duì)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行了論證。

1 大同煤田11＃煤層頂板硬度分布特征

大同煤田侏羅系11＃煤層及頂?shù)装宥驾^為堅(jiān)硬,是典型的三硬煤層。煤層的結(jié)構(gòu)相對(duì)較為致密,單軸抗壓強(qiáng)度較高,一般在18 MPa以上。煤層頂板多為砂巖,單層厚度大,整體好,巖石堅(jiān)硬系數(shù)f為8～10。在回采過(guò)程中頂板垮落困難,周期來(lái)壓時(shí)間長(zhǎng),支架壓力大,有的礦井采取煤層頂板注水軟化或人工強(qiáng)制放頂?shù)确椒▽?shí)現(xiàn)頂板垮落。

大同煤田11＃煤層頂板硬度分布區(qū)內(nèi)差異較大。煤田東部11＃煤層頂板硬度相對(duì)較大,特別是煤峪口礦、同家梁礦、四老溝礦和忻州窯礦為堅(jiān)硬頂板,垮落非常困難,必須采取強(qiáng)制放頂。此類(lèi)型礦井冒落后的巖體塊度大,空隙大,礦山壓力顯現(xiàn)劇烈,沖擊地壓頻繁發(fā)生,摧毀大量的巷道和支架,給礦井的安全生產(chǎn)帶來(lái)了嚴(yán)重威脅。在礦區(qū)的北部一帶煤層頂板硬度適中,放頂步距小,周期來(lái)壓時(shí)間短,頂板周期來(lái)壓不明顯,沒(méi)有集中來(lái)壓和沖擊地壓發(fā)生;而靠近礦區(qū)西北部11＃煤層頂板巖層又相對(duì)硬一些,如鵲山、唐山溝、北辛窯礦等礦井,頂板垮落相對(duì)困難一些,一般老頂初次來(lái)壓步距30 m左右,周期來(lái)壓步距在20～25 m之間,周期來(lái)壓時(shí)壓力顯現(xiàn)不明顯。

2 11＃煤層堅(jiān)硬頂板懸板成因分析

由于11＃煤層頂板堅(jiān)硬,隨著采煤工作面的向前推進(jìn),堅(jiān)硬頂板能夠產(chǎn)生較大的抗剪和抗彎強(qiáng)度。頂板的厚度越厚,強(qiáng)度越高,形成的懸板就越長(zhǎng),懸頂過(guò)長(zhǎng)會(huì)對(duì)工作面支架形成較大壓力。在不同的位置,所形成的懸板形式也不同。

在煤柱的上部形成的懸板為倒梯形的幾何體,這與采空區(qū)頂板自然冒落規(guī)律有關(guān),這種懸板是產(chǎn)生沖擊地壓的主要原因,懸板頂部邊長(zhǎng)隨著頂板厚度和硬度的增加而增大,在上覆荷載作用下積存了大量的變形能量,當(dāng)懸板和煤柱中變形能量超過(guò)煤巖的強(qiáng)度極限,懸板發(fā)生斷裂,瞬間釋放出大量的能量,即形成了沖擊地壓。

當(dāng)采空區(qū)上部頂板荷載所產(chǎn)生的強(qiáng)度小于頂板自身的破壞強(qiáng)度時(shí),在采煤工作面支架后面的采空區(qū)所形成的懸板為板型條帶,兩端支撐在煤柱上。頂板越厚越硬,所產(chǎn)生的抗彎強(qiáng)度越高,形成的懸板就越長(zhǎng),支架所承受的壓力越大,過(guò)長(zhǎng)的懸板垮落瞬間產(chǎn)生很大的壓力作用于支架上,使支架損壞,并形成破壞極強(qiáng)的颶風(fēng)。所以,在回采過(guò)程中控制懸板的長(zhǎng)度非常重要。

3 懸移支架參數(shù)確定及校驗(yàn)

懸移支架承載上覆懸板的單位面積冒落帶巖層的均布載荷q為:

式中:q——單位面積冒落帶巖層的載荷,N;

K——頂板巖石厚度因數(shù),一般取4～8;頂板條件較好、周期來(lái)壓不明顯時(shí)取低值,否則取高值;

H——采高,m;

γ——頂板巖石密度,一般取2.5 t/m3。

不同形式的支護(hù)方式允許的懸板長(zhǎng)度不同,研究發(fā)現(xiàn),采用懸移支架支護(hù)時(shí),按照支架后柱最大支撐力確定允許的最大懸板長(zhǎng)度比較合理,隨著工作面的推進(jìn),達(dá)到最大懸板長(zhǎng)度時(shí)便進(jìn)行強(qiáng)制放頂,這樣可有效遏制壓壞支架的現(xiàn)象。在實(shí)際生產(chǎn)中,根據(jù)大同各個(gè)礦區(qū)的地質(zhì)情況總結(jié)出最大懸板確定的經(jīng)驗(yàn)公式,公式先依據(jù)廠家提供的所有支架型號(hào)里立柱最小直徑和支架最少立柱個(gè)數(shù)計(jì)算出懸移支架能承載的臨界懸板長(zhǎng)度Lmax,實(shí)際生產(chǎn)中放頂步距參考該值,同時(shí)依據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行選擇。

式中:Lmax——回采工作面懸移支架所能承載的最大懸板長(zhǎng)度,m;

P——支架的額定工作強(qiáng)度,此參數(shù)由支架生產(chǎn)廠家提供;

d——懸移支架單個(gè)立柱的外直徑,m;

b——單架懸移支架的寬度,m;

L2——懸移支架前后柱之間的間距,m;

n——單架懸移支架的立柱個(gè)數(shù)。

式(2)依據(jù)懸移支架后柱能承載的額定工作阻力推斷支架所能承載的最大懸板長(zhǎng)度,此時(shí)計(jì)算的結(jié)果為臨界值,在實(shí)際工作中還應(yīng)該根據(jù)地質(zhì)條件以及各礦的礦壓顯現(xiàn)特征確定本礦的懸板長(zhǎng)度。

3.1 懸移支架參數(shù)確定

假設(shè)懸移支架后方承載的懸板長(zhǎng)度為L(zhǎng),懸移支架受力分析見(jiàn)圖1,支架受到后方懸板的壓力和與支架接觸的上方巖體的荷載,且上覆巖體對(duì)支架的荷載主要作用于后柱。因此支架選型時(shí)主要考慮單個(gè)后柱的額定工作阻力不應(yīng)該小于單個(gè)后柱所承受上覆巖層的荷載。

那么,單個(gè)立柱承受上覆巖體總的載荷之和計(jì)算:

式中:FN——單個(gè)立柱承受上覆巖體的載荷之和,N;

L——懸移支架后方懸板長(zhǎng)度,m;

L2——懸移支架前后方立柱距離,m。

而懸移支架自身的工作阻力計(jì)算為:

式中:FC——懸移支架單個(gè)立柱自身的工作阻力,N。

結(jié)合鵲山礦、唐山溝礦、五礦、北辛窯礦等多個(gè)礦使用懸移支架的實(shí)際經(jīng)驗(yàn),得出在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)確定支架的參數(shù)應(yīng)該滿足FC＞FN,即單個(gè)支架后柱的額定工作阻力應(yīng)該大于上覆巖體的荷載,從而確定支架立柱的個(gè)數(shù)n以及立柱的直徑d。

圖1 懸移支架受力分析

3.2 懸移支架切頂瞬間后立柱抗彎強(qiáng)度校驗(yàn)

懸板垮落瞬間,上覆巖體的力主要作用在后柱上。后柱主要承受L長(zhǎng)度懸板彎曲時(shí)以彎矩形式作用在后柱上的拉應(yīng)力和上覆巖體的壓應(yīng)力FN,后柱在這兩個(gè)力的共同作用下發(fā)生彎曲。支架后柱所受的拉應(yīng)力等于懸板垮落瞬間作用在單個(gè)后柱的彎力矩M(等于后柱承受L長(zhǎng)度懸板的荷載乘以力矩0.5L)除以扭轉(zhuǎn)截面系數(shù)W,后柱所受的壓應(yīng)力等于上覆巖體的壓力FN除以后柱的面積ΔS。因此切頂瞬間后柱所受的應(yīng)力σ(彎曲時(shí)單位面積的后柱所承載的力)為拉應(yīng)力和壓應(yīng)力之和。所以,懸板垮落瞬間當(dāng)后柱所受的應(yīng)力σ大于鋼材的許用抗拉強(qiáng)度時(shí)發(fā)生破壞,后柱應(yīng)力σ計(jì)算:

根據(jù)(3)和(5)式,可以得出懸板垮落瞬間單個(gè)后立柱彎曲強(qiáng)度計(jì)算公式:

式中:σ——懸板垮落瞬間單個(gè)后立柱彎曲強(qiáng)度, MPa;

M——懸板垮落瞬間作用在單個(gè)后柱的彎力矩,等于懸板的荷載乘以力臂;

W——扭轉(zhuǎn)截面系數(shù);

d1、d——液壓立柱的內(nèi)、外徑,m;

△S——單個(gè)后柱的面積,m2;

[σ]為立柱鋼材的許用抗拉強(qiáng)度,懸移支架立柱為45＃鋼,[σ]為600 MPa。把懸板垮落瞬間單個(gè)后立柱彎曲強(qiáng)度σ和立柱鋼材的許用抗拉強(qiáng)度[σ]進(jìn)行比較,當(dāng)σ＜[σ]時(shí),立柱可以承載切頂瞬間的最大應(yīng)力,不會(huì)彎曲,從而驗(yàn)證支架立柱直徑和個(gè)數(shù)能夠滿足生產(chǎn)要求。

4 工程實(shí)踐

根據(jù)上述參數(shù)計(jì)算式對(duì)北辛窯礦11＃煤層11101炮采工作面進(jìn)行支架選型。工作面長(zhǎng)約56 m,傾斜長(zhǎng)160 m,煤層平均厚度2 m,煤層傾角3°～5°,直接頂為灰色粉砂巖,平均厚度為2.8 m,老頂為中砂巖,平均厚3.95 m。根據(jù)工作面頂?shù)装逄卣骱筒擅汗に?確定選用懸移支架進(jìn)行頂板管理。支架行程1.0 m,支架寬1 m,控頂距2.75 m,采高2 m。為了很好地控制頂板,采用鋪設(shè)金屬網(wǎng)護(hù)頂。但是對(duì)于懸移支架的具體立柱直徑大小以及相關(guān)參數(shù)還需要進(jìn)行確定是否滿足安全生產(chǎn)的要求。結(jié)合該地區(qū)頂板巖石力學(xué)特征,在工作面推進(jìn)中局部可能出現(xiàn)懸板,因此,懸移支架的參數(shù)應(yīng)該按照能夠承載懸板垮落瞬間的最大切頂力選定。

根據(jù)多年對(duì)大同地區(qū)11＃煤層開(kāi)采的經(jīng)驗(yàn)和井下實(shí)地勘察,認(rèn)為采用懸移支架支護(hù)要配合強(qiáng)制放頂,初步確定強(qiáng)制放頂時(shí)間1次/d,根據(jù)地質(zhì)資料和式(1)最終確定放頂步距取3.5 m。因此懸移支架的承載力必須大于3.5 m長(zhǎng)懸板瞬間冒落時(shí)作用在支架上的荷載。礦方提供兩梁四柱型和兩梁六柱型2種支架,現(xiàn)按照經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行選型。

4.1 兩梁四柱型支架荷載校驗(yàn)

當(dāng)選擇兩梁四柱型支架進(jìn)行支護(hù)時(shí),立柱直徑分140 mm,125 mm兩種類(lèi)型:

根據(jù)地質(zhì)資料,K取5、H取2 m、γ取2500 t/m3,代入式(1)可以得出上覆巖層均布荷載q為0.25 MPa。

將q＝0.25 MPa,b＝1 m,L＝3.5 m,L2＝2.75 m,n＝4代入式(3),得出單個(gè)立柱承受上覆巖體的載荷之和FN1＝546.9 k N。

當(dāng)后柱直徑分別為140 mm和125 mm、P＝42 MPa(廠家提供)時(shí),代入式(4),則支架單個(gè)立柱自身的工作阻力分別為Fc1＝646.2 k N、Fc2＝515.4 k N。

因此,懸移支架后立柱直徑為125 mm時(shí),支架自身的工作阻力Fc2小于單個(gè)立柱承受上覆巖體的載荷之和FN1,其工作阻力不能滿足垮落瞬間最大切頂力的要求。支架后立柱直徑為140 mm時(shí),支架自身的工作阻力Fc1大于單個(gè)立柱承受上覆巖體的載荷之和FN1,其后立柱的工作阻力能滿足最大切頂力的要求,并且通過(guò)式(6)懸移支架切頂瞬間后立柱抗彎強(qiáng)度校驗(yàn)也符合要求。

4.2 兩梁六柱型支架荷載校驗(yàn)

當(dāng)選擇兩梁六柱型進(jìn)行支護(hù)時(shí),立柱直徑分140 mm,125 mm兩種類(lèi)型:

其他參數(shù)同上,將n＝6代入式(3),得出單個(gè)立柱承受上覆巖體的載荷之和FN2＝555 k N。

經(jīng)與4.1節(jié)的Fc1和Fc2比較,兩梁六柱型后柱直徑為125 mm支架的工作阻力小于上覆懸板最大切頂力,而后柱直徑為140 mm的支架,支架后柱的工作阻力能承受上覆3.5 m長(zhǎng)懸板最大切頂力的要求,并且通過(guò)式(6)懸移支架切頂瞬間后立柱抗彎強(qiáng)度校驗(yàn)也符合要求。

經(jīng)過(guò)理論計(jì)算,確定了懸移支架的支護(hù)參數(shù),后柱的直徑應(yīng)該選用140 mm,立柱數(shù)為4柱和6柱時(shí)都可以滿足上覆荷載。但是由于兩梁四柱型支架的穩(wěn)定性較差,當(dāng)頂板斷裂瞬間對(duì)支架產(chǎn)生向前的推力或?qū)笾a(chǎn)生彎矩,容易使后柱傾斜,會(huì)造成支架的傾倒,而兩梁六柱懸移支架整體穩(wěn)定性好,支撐力大。

通過(guò)理論計(jì)算并結(jié)合實(shí)際的地質(zhì)資料,最終確定了北辛窯礦11＃層11101炮采工作面懸移支架的參數(shù),即兩梁六柱型懸移支架,后柱直徑取140 mm。在工作面的實(shí)際應(yīng)用中對(duì)于工作面進(jìn)行礦壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),其結(jié)果顯示支護(hù)參數(shù)選擇合理。

5 結(jié)論

(1)實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)該根據(jù)上覆巖體的荷載以及礦壓顯現(xiàn)特征確定支架能承載的最大懸板長(zhǎng)度。

(2)如果采空區(qū)冒落的巖石塊度大,應(yīng)該考慮巖層垮落瞬間將對(duì)懸移支架的強(qiáng)度和穩(wěn)定性的影響。

(3)根據(jù)工作面煤層厚度、頂板巖性、頂板厚度等開(kāi)采條件,可初選懸移支架的型號(hào),然后通過(guò)公式校對(duì)支護(hù)參數(shù),并且在實(shí)際生產(chǎn)中根據(jù)頂板的變化情況隨時(shí)調(diào)整所設(shè)計(jì)的懸板長(zhǎng)度,確保支架的使用安全。

(4)通過(guò)對(duì)北辛窯礦11101炮采工作面的實(shí)例驗(yàn)證所建立的力學(xué)模型以及得出的經(jīng)驗(yàn)公式,能夠適用于大同地區(qū)相似頂板條件下懸移支架參數(shù)的確定。

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Strata behaviors characteristics of hard roof and parameters selection of cantilever supports in No.11 coal seam of Datong coalfield

Niu Hong1,2,Liu Yue2
(1.College of Coal Engineering,Datong University,Datong,Shanxi 037008,China; 2.Mining Engineering Research Institute,Datong University,Datong,Shanxi 037008,China)

The hard roof of No.11 coal seam in Datong coalfield is difficult to collapse in the process of mining,which is easy to form a hanging slabs behind the supports.When selecting the type of cantilever supports,the rated working resistance of supports must be able to carry the peak load of overlying roof cutting.By studying on the hanging slabs formation process,characteristics of resistance distribution and roof behaviors law in the process of face advance,the mechanical model was established,the empirical formulas of technical parameters of cantilever supports were confirmed,and the check formulas of rear pillar flexure strength after roof cutting were put forward.The reasonable cantilever supports model selecting and using in 11101 working face of No.11 coal seam in Beixinyao Coal Mine verified that the empirical formulas had application value.

hard roof,determining of hanging slabs length,cantilever support,support model selection,parameters selection

TD355

A

牛宏(1983－),女,山西祁縣人,講師,研究生,2009年畢業(yè)于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢),現(xiàn)就職于山西大同大學(xué),主要從事煤礦地質(zhì)、煤礦安全相關(guān)工作。

(責(zé)任編輯 張毅玲)

山西省科技攻關(guān)項(xiàng)目(20100322013),山西大同大學(xué)青年科學(xué)研究項(xiàng)目(2011Q1)