采場力學結構的實例分析

摘要：通過對鶴煤九礦的地質資料分析，并結合采煤工作面實測數據，探討了巖層運動、頂板垮落、周期來壓等地質因素對3102工作面頂板進行了數字化分析，從而為工作面回采工作提供了理論依據。

關鍵詞：直接頂垮落 老頂來壓步距 支撐力分布

1 研究區的概況

3102工作面是三水平一采區的首采面，該工作面平均走向長508m，平均傾斜寬146m，煤層平均厚度為8.25米，工作面傾角平均為13°，面積為136519m2，地面對應地形屬丘陵階地，高差不大，地面標高一般在+157～+220m之間，煤層底板標高為-450～-520m，該工作面煤層距地面垂深為607～740m，第三、四系沖積層厚度一般在103～152m之間。

2 巖梁結構情況

根據工作面地質條件來分析，參照參考文獻[1]，得出表1，表2：

按照傳遞巖梁的運動理論，參考撓度法的計算方法，知：

每一“傳遞巖梁”由包括支托層及其之上的隨動層的同時運動（近乎同時運動）巖層組成。相鄰巖層是否同時運動，是判別它們是否構成同一巖梁的依據，按表1、表2進行判斷。

式中：MS和ES——分別為下位巖層的厚度和彈性模量；MC和EC——分別為上位巖層厚度和彈性模量。

由于各巖層的彈性模量不容易得到，所以本文用巖層的抗壓強度來代替。根據以上兩式的計算，得出本工作面的巖梁結構：根據表2知，從巖梁結構的角度，3102工作面在頂板上方有3個巖梁，對工作面有直接影響的巖梁為M1。

3 直接頂高度分析

根據表1，M0為主采煤層，煤層上方M1為砂質泥巖，巖層厚度為8.61米。由于厚度較大，節理裂隙較發育，將分層分次冒落，下部冒落成為不規則的矸石，而上部冒落成為排列整齊的大塊狀巖塊。按照細砂巖常規分層規律，細砂巖垮落的分層厚度大多為0.6～2m，本章取1m作為細砂巖的分層條件（見參考文獻[2]），考慮到回采率97%和放煤率80%，巖層可沉陷范圍為2.2×0.97+6.05×0.8=6.98m。

M1按照分層的厚度，自下而上分成M1-1到M1-9，M1-1到M1-9分別為1米，M1-9為0.61米。

由于M1-1的分層厚度為1米，而M1-1的允許沉陷范圍為采高6.98-6.05×0.2×（1.3-1）=6.62m米，（考慮沉陷余量0.5米參與計算），即1<7.12米，M1-1冒落。

M1-1冒落后，按照KA=1.3的系數碎漲，即M1-2允許沉降的值為6.62-1×0.3=6.32米。

由于M1-2的分層厚度為1米，而M1-2的允許沉陷范圍為采高6.32米，考慮沉陷余量0.5米參與計算，即1<6.82米，M1-2冒落。

M1-2冒落后，按照KA=1.3的系數碎漲，即M1-3允許沉降的值為6.32-1×0.3=6.02米。

由于M1-3的分層厚度為1米，而M1-3的允許沉陷范圍為采高6.02米，考慮沉陷余量0.5米參與計算，即1<6.52米，M1-3冒落。

M1-3冒落后，按照KA=1.3的系數碎漲，即M1-4允許沉降的值為6.02-1×0.3=5.72米。

由于M1-4的分層厚度為1米，而M1-4的允許沉陷范圍為采高5.72米，考慮沉陷余量0.5米參與計算，即1<6.22米，M1-4冒落。

M1-4冒落后，按照KA=1.3的系數碎漲，即M1-5允許沉降的值為5.72-1×0.3=5.42米。

依次類推

M1-9冒落后，按照KA=1.3的系數碎漲，即M2允許沉降的值為4.12-1×0.3=3.82米。

由于M2的厚度為1.45米，而M2的允許沉陷范圍為采高3.82米，考慮沉陷余量0.5米參與計算，即1.45<4.32米，M2冒落。

M2冒落后，按照KA=1.3的系數碎漲，即M3允許沉降的值為3.82-1.45×0.3=3.385米。

M3按照分層的厚度，自下而上分成M3-1到M3-6，M3-1到M3-6分別為1米。

同理類推：M3-6冒落后，按照KA=1.3的系數碎漲，即M4允許沉降的值為3.385-6×0.3=1.585米。

由于M4 6.66>1.585+0.5（考慮沉陷余量0.5米參與計算），M4不再冒落。

所以直接頂高度為1.21+8.61+1.45+6=17.27米。

4 直接頂垮落步距計算

根據參考文獻[1]，所列巖梁裂斷步距計算方法。

各傳遞巖梁在自重作用下自行運動（來壓）步距首先進行第一次裂斷來壓步距（CO）按照兩端嵌固的結構，得到第一次來壓步距的計算公式為：

式中：MS、MC——巖梁下部（支托）巖層和上部（隨動）巖層厚度；[σS]——下部（支托）巖層允許拉應力；γ——巖梁平均容重；CO——本巖梁第一次來壓步距。

由前面分析知，M1-1第一次裂斷，但是由于M1-2——M1-9雖然也依次裂斷，但是由于他們的厚度與巖性與M1-1相同，所以，不能按照隨動層的結構計算。所以直接頂的第一次來壓步距為：

直接頂的周期來壓步距為：Ci=0.288×16.8=4.84m

5 老頂來壓步距計算

5.1 老頂巖梁初次來壓步距

根據參考文獻[1]，所列巖梁裂斷步距計算方法。根據老頂的運動特點，老頂初次來壓步距采用嵌固梁的結構計算。

由前面分析知，M4為支托層，M5-M6為隨動層，共同參與巖梁的運動，厚度為10.62米。

=41m

5.2 老頂巖梁的周期來壓步距

根據參考文獻1，所列巖梁裂斷步距計算方法。

由公式遞推為，老頂周期來壓步距為：Ci=0.288×C0=11.8m.

老頂的周期來在11.8米左右。

6 支承壓力分布范圍研究

由于頂煤比采高大很多，故頂煤形成的高峰比底層采煤形成的高峰大很多，煤厚取頂煤6m，結合相關的文獻，相關取值如下：

解式得Xmax=14.42m。由于此距離是壓力高峰位置距離未放頂煤末端的距離，故距離工作面處煤壁的距離應在此基礎上減去控頂距，工作面前方14.42-6.4=8.02米為支承壓力極限平衡區。

7 結語

通過計算得到的理論計算數值如表3所示：

參考文獻：

[1]宋振騏.實用礦山壓力理論.中國煤炭工業出版社.1985.

[2]姜福興.采場頂板控制設計及其專家系統（姜福興）.中國礦壓大學出版社.2000.

[3]陳永文.晉城頂煤采場支承壓力分布規律研究.煤炭科學技術.1997.