山浪煤礦底板比壓測試及分析

梁晉源，宋選民，武浩翔

（太原理工大學 采礦工藝研究所，山西 太原 030024）

山浪煤礦底板比壓測試及分析

梁晉源，宋選民，武浩翔

（太原理工大學 采礦工藝研究所，山西 太原 030024）

底板比壓測試是對工作面支護參數設計與選取的重要依據。經用底板比壓測試儀，選取不同壓膜對留底煤底板和不留底煤底板進行測試,計算出壓膜平均剛度跟強度。通過比較底板容許比壓跟容許剛度表明：山浪煤礦5號煤層留底煤時底板屬于Ⅲa較軟底板，山浪煤礦5號煤層101工作面底板屬于Ⅲb類軟軟底板。

底板比壓；剛度；壓入深度

煤層底板、工作面支架、頂板構成一個臨時建筑體，其中任一個環節的破壞，都會危及整個建筑體，使其受力平衡遭到破壞。支護系統的剛度由“頂板-支架-底板”組成［1］，底板巖層的剛度將直接影響到支護性能的好壞。底板比壓測試是對工作面支護參數設計與選取的重要工程設計依據。工作面在一定的時空條件下，支柱（架）穿入底板，就預示著采場支撐系統的剛度顯著降低，導致頂板下沉量增大的概率提高、直接頂發生離層、采煤工作面支柱（架）的工作阻力降低等情況；這樣會使采煤工作面臨時建筑體失穩，易造成推垮型冒頂事故。山浪煤礦底板為泥巖，較松軟，準確掌握工作面底板比壓特性，對合理確定工作面回采工藝及支架的選型極為重要。

1 底板比壓的實測方法

1.1 底板比壓測試儀器

本實驗運用DZD-40A型比壓儀，見圖1。它由單體液壓支柱、手壓注液加壓泵、單體柱定位座及Φ60 mm、Φ80mm、Φ130mm三個壓模組成。使用時，根據底板硬度情況選擇壓模。單體液壓支柱分別采用DZ38/100型、DZ22/100型，油缸直徑均為100 mm，這種比壓儀較實用于較軟巖層的底板。

1.2 底板的比壓儀測試方法

以5號煤層5-101工作面正巷底煤為底時的比壓測試測點，位于距工作面泵站10 m，30 m處，每一處測試兩個地點；以5-101工作面底板為底時的比壓測試測點，位于89號、90號、77號、67號、68號支架處。DZD-40A型比壓儀時定位器和壓模應垂直安設在測面(點)上，先將單體柱上端置入頂梁，柱座入定位器槽內；然后用手壓注液泵使單體柱升壓。測量時記錄頂底板間距、壓模直徑、升壓壓力表讀數、壓模壓入深度［3-4］。根據山浪礦5號煤層擬開采方案—采用大采高支架，故第一極限抗壓強度以出現第一次脆性破壞或塑性變形出現的第一個屈服變形時相應的比壓值，來確定采區或同一巖性巖層（或煤層）的平均第一極限比壓。繼續升壓連續記錄壓力表讀數與對應壓入深度（壓入深度已超出允許的最大值），直至壓力不再變化或變化較小，甚至出現下降，這時底板受壓達到屈服，鉆底量迅速增大，此時是底板破壞的突變點，相應比壓為底板極限抗壓入強度［5］。此過程稱為第二比壓測試。其數據可用于進一步了解掌握底板的巖體物理參數，如底板剛度、極限比壓等。

圖1 DAD-40A型比壓儀

1.3 底板比壓的計算原理各次泵壓的壓模底板比壓值qmi按如下確定：

式中：D1為比壓儀油缸直徑，mm；dm為底座壓模直徑，mm；qi為第i次泵壓時壓力表讀數，MPa。

底板剛度為Km：

式中：Km為底板巖層（煤層）剛度，MPa/mm；hm為拐點處底板壓模壓的壓入量，mm；qm為拐點處的底板比壓值，MPa。

2 底板比壓測試實驗的結果分析

2.1 5號煤層回風巷留底煤時底板比壓測試實驗結果分析

山浪煤礦5號煤留底煤為底時的比壓測試位置，主要位于101正巷內距泵站10 m跟30 m處，壓模直徑130 mm；單體支柱型號DZ38/100。底板比壓與壓入深度關系曲線，見圖2。

圖2 巷道留底煤時比壓跟壓入深度關系

由圖2分析可知：1號、3號、4號測試點處，當所受載荷達到某一定值后，比壓值突然下降，壓入深度急劇增大，此點屬于底板的極限抗壓入強度，屬于整體剪切的破壞形式。2號測試點沒有明顯的突破點，但是隨著載荷的增加，壓入深度增長率較快，屬于局部剪切的破壞形式。

根據式1式2測得如下數據：

測煤點1號：qm=9.5MPa；Km=0.3 MPa/mm；測煤點2號：qm=9.05 MPa；Km=0.14 MPa/mm；測煤點3號：qm=8.40 MPa；Km=0.32 MPa/mm。 測煤點2號：qm=10.7MPa；Km=0.23MPa/mm。根據統計分析得5號煤層留底煤時：底板平均壓入強度qm=9.5MPa；平均底板剛度Km=0.25MPa/mm。5號煤層留底煤時：底板容許比壓qc=7.09MPa；底板容許剛度Kc=0.19MPa/mm。

2.2 山浪煤礦5號煤工作面炭質泥巖底板的底板比壓測試實驗結果分析

山浪煤礦5號煤工作面炭質泥巖底板的底板比壓測試位置，主要位于101工作面89號，90號，76號，77號，67號，68號，52號，53號支架處，壓模直徑80mm；單體支柱型號分別為DZ22/100。底板比壓與壓入深度關系曲線圖，見圖3。

由圖3分析知：67號、68號、77號、90號測試點處，當所受載荷達到某一定值后，比壓值突然下降，壓入深度急劇增大，此點屬于底板的極限抗壓入強度，屬于整體剪切的破壞形式。89號測試點沒有明顯的突破點，但是隨著載荷的增加，壓入深度增長率較快，屬于局部剪切的破壞形式。通過現場測試實驗結果處理分析得出：測點89號：qm=15.63 MPa；Km=0.22 MPa/mm；測點90號：qm=17.19MPa；Km=0.86 MPa/mm；測點77號：qm=18.28 MPa；Km=0.29 MPa/mm；測點67號：qm=21.88 MPa；Km=0.52 MPa/mm；測點68號：壓入qm=18.75MPa；Km=0.86MPa/mm。

根據統計分析得5號煤層101工作面：底板平均壓入強度qm=16.72 MPa；平均底板剛度Km=0.51 MPa/mm。底板容許比壓qc=12.54MPa；底板容許剛度Kc=0.38MPa/mm。

圖3 工作面底板比壓跟壓入深度關系

3 結論

根據我國緩傾斜煤層工作面底板分類標準確定，山浪煤礦5號煤層留底煤時底板屬于Ⅲa較軟底板，5號煤層101工作面底板屬于Ⅲb類軟軟底板。在進行支護參數設計跟支架選型時，應注重提高支護系統的剛度，單體支柱要穿鞋支護，液壓支架要提高額定工作阻力。

[1]徐永圻.煤礦開采學[M].徐州:中國礦業大學出版社,1999.

[2]錢鳴高,石平五.礦山壓力與巖層控制[M].徐州：中國礦業大學出版社,2003.

[3]謝士敏，高勤福，等.新集煤礦底板比壓的測試及應用[J].煤礦開采，2003,8（4）：59-61.

[4] 潘立友.煤層底板極限比壓取值研究[J].煤,2000,3(4)：37-38.

[5]栗成杰,鄭光相.平頂山礦區深部煤層底板比壓分布規律的研究[J].中國煤炭,2007,33(9)：37-38.

Floor Load Intensity Test and Analysis in Shanlang Mine

LIANG Jin-yuan,SONG Xuan-min,WU Hao-xiang
(Mining Technology Institute,Taiyuan University of Technology,Taiyuan Shanxi 030024)

Floor load intensity test is very important for design and selection of supporting parameters in working faces.With floor load intensity tester,different films are used to test the floors with and without retaining coal to calculate the films'average stiffness and strength.With the comparison between allowable specific pressure and allowable stiffness,the result shows that the retaining coal floor of No.5 seam is type IIIa Softer Floor and the floor of101 working face is type IIIb Softer Floor.

floor load intensity;stiffness;indentation depth

TD326

A

1672-5050（2012）04-0051-03

2011-09-27

梁晉源（1980—），男，山西霍州人，在讀碩士研究生，從事礦山壓力及圍巖穩定研究。

徐樹文