堅硬頂板綜放工作面來壓特征分析研究

張 博

(西山煤電集團公司 技術中心，山西 太原 030200)

堅硬頂板綜放工作面來壓特征分析研究

張 博

(西山煤電集團公司 技術中心，山西 太原 030200)

基于8935綜放工作面的地質條件和開采情況，綜合采用理論分析、現(xiàn)場實測等方法，系統(tǒng)研究了堅硬頂板條件下綜放工作面的頂板來壓以及來壓顯現(xiàn)特征。研究結果表明：8935工作面基本頂初次來壓步距為77.21m，周期來壓步距為 17.6～21.1m，周期來壓時動壓系數(shù)為1.31. 該研究方法及結果對類似條件下工作面來壓特征的研究具有一定的參考價值。

堅硬頂板；綜放工作面；礦壓特征；來壓步距

煤礦開采過程中，煤層堅硬頂板在回采初期極易因頂板不垮落、不斷裂而出現(xiàn)大面積懸頂。隨著工作面的推進，大面積頂板突然垮落，一方面會沖擊破壞支架，另一方面會擠出采空區(qū)的CO和CH4等有害氣體，造成工作面的瓦斯超限，甚至引發(fā)煤與瓦斯突出、瓦斯爆炸等事故。若采用放頂煤開采，還會造成頂煤嚴重破碎，進而引起支架不接頂、移架較難以及工作面漏風等一系列問題。因此，研究堅硬頂板綜放工作面來壓特征成為綜放工作面開采過程中的關鍵問題。

1 試驗工作面概況

本文研究的試驗工作面為8935工作面，大致呈單斜構造，北西高，南東低，局部呈一小向斜構造。開采11#和12#煤層，煤層厚4.9～9.0m，平均7.5m；煤層結構簡單，煤層傾角1°～8°，平均2.4°；煤層賦存穩(wěn)定。采用綜放開采。直接頂為灰白細砂巖，主要成分為石英和長石，較堅硬，泥質膠結，底部漸變?yōu)榉凵皫r。基本頂與煤層之間的距離為27.67～39.59m. 基本頂巖石由灰白色粗砂巖-深灰色砂質頁巖組成。底板為灰色細砂巖和砂質頁巖互層。底板中還含有一些類似石英、云母等礦物，相較而言比較結實，厚度也在2.5～5m.

工作面長300m，順槽5935巷走向長1 457.35m，2935巷走向長1 506.44m. 該工作面東部鄰近8937工作面(未掘)，西部鄰近8933工作面(已采)，南部與11#煤層903軌道、皮帶及回風大巷相接，北部是云岡礦的邊界和忻州窯礦的保護煤柱。煤層埋深 300～350m. 開采后地面部分地方出現(xiàn)裂縫。

2 理論分析

2.1 “關鍵層”理論

在煤層上方存在多種厚度和強度都不一樣的巖層，當開采煤層時，上面頂板主要起作用的則是其中的一層或幾層，通常比較厚，這就是關鍵層。同時，這種巖層一旦斷裂，就會使上覆巖層產生整體運動。

關鍵層的存在對于開采十分重要，因此，其位置的確定也很重要。一般情況下，隨著工作面的推進，頂板垮落，必然會影響關鍵層巖層的運動和破斷。在其變形過程中，上面的巖層也會變形，但是其下方的巖層變形則不一致。這就是關鍵層的作用，所以需要對其進行判別。

2.2 初次斷裂步距分析

根據(jù)組合梁原理，上覆巖層載荷可由式(1)、式(2)進行計算。

qn=γnhn

(1)

(2)

式中：(qm)n指考慮第m層巖層作用到第n層巖層，此時作用到該層巖層的載荷，其中，m>n，γ指巖層的體積力，qn指第n層巖層本身作用力，h指巖層的厚度，E指彈性模量。代入相關參數(shù)計算其結果為：(q10)8<(q9)8，說明第8層巖層不受第10層巖層的影響，所以，確定第10層細砂巖為第4層硬巖層。

計算上覆巖層的破斷距，采用固支梁計算方法，并采用式(3)進行計算：

(3)

式中：

hk—第k層硬巖層的厚度，m；

qk—第k層硬巖層所承受的載荷，kN；

σlk—第k層硬巖層的抗拉強度，MPa.

根據(jù)關鍵層理論，假設第n、m為兩層堅硬巖層(n>m)，如果Ln>Lm>L1，則第n層為主關鍵層，第m層、第1層為亞關鍵層。通常采用疊加的方式計算，再分別進行對比，直至確定主、亞關鍵層。

根據(jù)以上計算公式，分別計算得出第1層的破斷距是28.06 m，第2層為38.78 m，第8層是43.62 m，第10層是144.07 m.

2.3 基本頂初次來壓步距分析

由于沿走向懸露的跨距遠小于回采工作面沿傾斜方向的長度，因此，按照固定梁的定義，可以在工作面初采時期，把基本頂看作固定梁，兩端分別為工作面煤壁和邊界煤柱支撐。

因此，該處最大拉應力為：

(4)

當σmax=RT時，此時巖層破斷，原因則是巖石此處的抗拉強度小于所受正應力拉裂。因此，這種梁斷裂時的極限跨距為：

(5)

式中：

L—初次斷裂步距，m；

RT—巖梁的抗拉強度，MPa；

h—巖梁厚度，m；

q—巖梁及其上覆巖體的均布載荷，MPa.

8935工作面基本頂為厚度8.2m的粉砂巖，抗拉強度10.33MPa. 通過計算，基本頂與上覆巖層的均布載荷為0.29MPa，工作面開切眼寬8m，故8935工作面基本頂初次來壓步距為77.21m.

3 工程實踐

8935工作面內共有108架支架。在綜采工作面10號架、55號架和98號架等3臺支架處各布置1臺YHY60(B)d型應力連續(xù)監(jiān)測分機，用于監(jiān)測回采工作面在推進過程中頂板的來壓情況。工作面測點的布置情況見圖1.采用YHY60(B)d礦用數(shù)字壓力計、圓圖記錄儀和FCH32/0.2礦用數(shù)據(jù)采集器等儀器連續(xù)觀測工作面綜采支架支柱壓力，確定工作面的來壓強度及來壓步距。

圖1 工作面礦壓監(jiān)測測點布置平面圖

3.1 來壓強度

8935工作面頭部測區(qū)11#液壓支架、中部測區(qū)55#液壓支架以及尾部測區(qū)97#液壓支架的大部分割煤循環(huán)的平均循環(huán)末阻力分別為29MPa、38MPa和34MPa. 可見，工作面來壓強度順序依次為：工作面中部、尾部和頭部。

8935工作面在生產過程中尾巷表現(xiàn)出的礦壓顯現(xiàn)非常強烈，并伴隨有數(shù)次沖擊，并且尾巷超前工作面30～50m，巷道兩幫有嚴重的炸幫現(xiàn)象。一般而言，當開采煤層為近水平煤層時，工作面頭部和尾部的來壓強度應該基本一致。產生異常的原因是由于工作面尾部臨近8933工作面采空區(qū)，受到8933工作面采空區(qū)基本頂運動的影響，礦壓顯現(xiàn)強烈。

3.2 來壓步距

分析基本頂來壓步距可以根據(jù)YHY60(B)d應力監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)。8935工作面直接頂垮落步距為18.3～20.6m，直接頂初次垮落的影響范圍為1.29m；基本頂初次垮落步距43.9～80.4m；基本頂周期來壓步距17.8～21.1m，基本頂周期來壓的影響范圍為21.9m. 工作面不同區(qū)域基本頂初次垮落與周期來壓的順序為：先是工作面頭部、其次工作面尾部、最后工作面中部。通過對動壓系數(shù)分析表明，直接頂初次垮落時動壓系數(shù)為1.6，動壓系數(shù)最大，來壓強度最大；基本頂初次垮落時動壓系數(shù)為1.23，強度較?。换卷斨芷趤韷簳r的動壓系數(shù)為1.31，基本頂周期來壓強度較基本頂初次來壓稍大一些，但差別不大。

4 結 論

結合理論計算分析可知：8935工作面基本頂初次來壓步距為77.21m，周期來壓步距為17.6～21.1m，周期來壓時動壓系數(shù)為1.31.

工作面實測結果顯示：8935工作面直接頂垮落步距為18.3～20.6m；基本頂初次垮落步距43.9～80.4m；基本頂周期來壓步距17.8～21.1m. 工作面不同區(qū)域基本頂初次垮落與周期來壓的順序為：先是工作面頭部、其次工作面尾部、最后工作面中部。

理論計算結果與現(xiàn)場實測結果相近。

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Study on Pressure Characteristics of Fully Mechanized Caving Face in Hard Roof

ZHANG Bo

Based on the geological conditions and mining conditions of No.8935 fully mechanized top coal caving mining face, the roof pressure and pressure characteristics of fully mechanized top-coal caving face under hard roof conditions are systematically studied by means of theoretical analysis and field measurement. The results show that the first pressure step of the 8935 working face is 77.21 m, the cycle pressure step is 17.6～21.1 m, the dynamic pressure coefficient is 1.31. The study of the pressure characteristics and its achievement have valuable meaning for reference in coalmines with similar working conditions.

Hard roof; Fully mechanized caving face; Rock pressure feature; Pressure step

2016-08-17

張 博(1988—)，男，山西長治人，2012年畢業(yè)于遼寧工程大學，助理工程師，主要從事煤礦技術管理工作

(E-mail)tyzhangbo1988@163.com

TD322+

B

1672-0652(2016)10-0013-03