大同煤田11＃煤層堅硬頂板礦壓顯現特征及懸移支架參數選定?

牛 宏劉 玥

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

大同煤田11＃煤層堅硬頂板礦壓顯現特征及懸移支架參數選定?

牛 宏1,2劉 玥2

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

大同煤田11＃煤層堅硬頂板在回采過程中垮落困難,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。通過研究工作面推進過程中懸板形成過程、懸移支架阻力分布特征及頂板壓力顯現規律,建立力學模型,確定懸移支架技術參數的經驗公式,并且提出懸移支架切頂瞬間后立柱抗彎強度校驗公式。通過北辛窯礦11＃煤層11101工作面懸移支架合理選型使用,驗證了經驗公式具有應用價值。

堅硬頂板 懸板長度確定 懸移支架 支架選型 參數選定

懸移支架由于結構簡單、造價低、支護靈活,目前,在一些礦井的邊角煤回采、煤柱的回收以及地質條件復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象,依據支架后懸板長度、支架荷載分布特征,合理設計支架參數,確保懸移支架在使用中安全高效。并結合中煤北辛窯礦在11＃煤層使用情況對經驗公式進行了論證。

1 大同煤田11＃煤層頂板硬度分布特征

大同煤田侏羅系11＃煤層及頂底板都較為堅硬,是典型的三硬煤層。煤層的結構相對較為致密,單軸抗壓強度較高,一般在18 MPa以上。煤層頂板多為砂巖,單層厚度大,整體好,巖石堅硬系數f為8～10。在回采過程中頂板垮落困難,周期來壓時間長,支架壓力大,有的礦井采取煤層頂板注水軟化或人工強制放頂等方法實現頂板垮落。

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

2 11＃煤層堅硬頂板懸板成因分析

由于11＃煤層頂板堅硬,隨著采煤工作面的向前推進,堅硬頂板能夠產生較大的抗剪和抗彎強度。頂板的厚度越厚,強度越高,形成的懸板就越長,懸頂過長會對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,這與采空區頂板自然冒落規律有關,這種懸板是產生沖擊地壓的主要原因,懸板頂部邊長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,當懸板和煤柱中變形能量超過煤巖的強度極限,懸板發生斷裂,瞬間釋放出大量的能量,即形成了沖擊地壓。

當采空區上部頂板荷載所產生的強度小于頂板自身的破壞強度時,在采煤工作面支架后面的采空區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,所產生的抗彎強度越高,形成的懸板就越長,支架所承受的壓力越大,過長的懸板垮落瞬間產生很大的壓力作用于支架上,使支架損壞,并形成破壞極強的颶風。所以,在回采過程中控制懸板的長度非常重要。

3 懸移支架參數確定及校驗

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,一般取4～8;頂板條件較好、周期來壓不明顯時取低值,否則取高值;

H——采高,m;

γ——頂板巖石密度,一般取2.5 t/m3。

不同形式的支護方式允許的懸板長度不同,研究發現,采用懸移支架支護時,按照支架后柱最大支撐力確定允許的最大懸板長度比較合理,隨著工作面的推進,達到最大懸板長度時便進行強制放頂,這樣可有效遏制壓壞支架的現象。在實際生產中,根據大同各個礦區的地質情況總結出最大懸板確定的經驗公式,公式先依據廠家提供的所有支架型號里立柱最小直徑和支架最少立柱個數計算出懸移支架能承載的臨界懸板長度Lmax,實際生產中放頂步距參考該值,同時依據經驗進行選擇。

式中:Lmax——回采工作面懸移支架所能承載的最大懸板長度,m;

P——支架的額定工作強度,此參數由支架生產廠家提供;

d——懸移支架單個立柱的外直徑,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數。

式(2)依據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度,此時計算的結果為臨界值,在實際工作中還應該根據地質條件以及各礦的礦壓顯現特征確定本礦的懸板長度。

3.1 懸移支架參數確定

假設懸移支架后方承載的懸板長度為L,懸移支架受力分析見圖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,且上覆巖體對支架的荷載主要作用于后柱。因此支架選型時主要考慮單個后柱的額定工作阻力不應該小于單個后柱所承受上覆巖層的荷載。

那么,單個立柱承受上覆巖體總的載荷之和計算:

式中:FN——單個立柱承受上覆巖體的載荷之和,N;

L——懸移支架后方懸板長度,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算為:

式中:FC——懸移支架單個立柱自身的工作阻力,N。

結合鵲山礦、唐山溝礦、五礦、北辛窯礦等多個礦使用懸移支架的實際經驗,得出在實際生產時確定支架的參數應該滿足FC＞FN,即單個支架后柱的額定工作阻力應該大于上覆巖體的荷載,從而確定支架立柱的個數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度校驗

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長度懸板彎曲時以彎矩形式作用在后柱上的拉應力和上覆巖體的壓應力FN,后柱在這兩個力的共同作用下發生彎曲。支架后柱所受的拉應力等于懸板垮落瞬間作用在單個后柱的彎力矩M(等于后柱承受L長度懸板的荷載乘以力矩0.5L)除以扭轉截面系數W,后柱所受的壓應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力σ(彎曲時單位面積的后柱所承載的力)為拉應力和壓應力之和。所以,懸板垮落瞬間當后柱所受的應力σ大于鋼材的許用抗拉強度時發生破壞,后柱應力σ計算:

根據(3)和(5)式,可以得出懸板垮落瞬間單個后立柱彎曲強度計算公式:

式中:σ——懸板垮落瞬間單個后立柱彎曲強度, MPa;

M——懸板垮落瞬間作用在單個后柱的彎力矩,等于懸板的荷載乘以力臂;

W——扭轉截面系數;

d1、d——液壓立柱的內、外徑,m;

△S——單個后柱的面積,m2;

[σ]為立柱鋼材的許用抗拉強度,懸移支架立柱為45＃鋼,[σ]為600 MPa。把懸板垮落瞬間單個后立柱彎曲強度σ和立柱鋼材的許用抗拉強度[σ]進行比較,當σ＜[σ]時,立柱可以承載切頂瞬間的最大應力,不會彎曲,從而驗證支架立柱直徑和個數能夠滿足生產要求。

4 工程實踐

根據上述參數計算式對北辛窯礦11＃煤層11101炮采工作面進行支架選型。工作面長約56 m,傾斜長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。根據工作面頂底板特征和采煤工藝,確定選用懸移支架進行頂板管理。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,采用鋪設金屬網護頂。但是對于懸移支架的具體立柱直徑大小以及相關參數還需要進行確定是否滿足安全生產的要求。結合該地區頂板巖石力學特征,在工作面推進中局部可能出現懸板,因此,懸移支架的參數應該按照能夠承載懸板垮落瞬間的最大切頂力選定。

根據多年對大同地區11＃煤層開采的經驗和井下實地勘察,認為采用懸移支架支護要配合強制放頂,初步確定強制放頂時間1次/d,根據地質資料和式(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長懸板瞬間冒落時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,現按照經驗公式進行選型。

4.1 兩梁四柱型支架荷載校驗

當選擇兩梁四柱型支架進行支護時,立柱直徑分140 mm,125 mm兩種類型:

根據地質資料,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),得出單個立柱承受上覆巖體的載荷之和FN1＝546.9 k N。

當后柱直徑分別為140 mm和125 mm、P＝42 MPa(廠家提供)時,代入式(4),則支架單個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,支架自身的工作阻力Fc2小于單個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,支架自身的工作阻力Fc1大于單個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,并且通過式(6)懸移支架切頂瞬間后立柱抗彎強度校驗也符合要求。

4.2 兩梁六柱型支架荷載校驗

當選擇兩梁六柱型進行支護時,立柱直徑分140 mm,125 mm兩種類型:

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

經與4.1節的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長懸板最大切頂力的要求,并且通過式(6)懸移支架切頂瞬間后立柱抗彎強度校驗也符合要求。

經過理論計算,確定了懸移支架的支護參數,后柱的直徑應該選用140 mm,立柱數為4柱和6柱時都可以滿足上覆荷載。但是由于兩梁四柱型支架的穩定性較差,當頂板斷裂瞬間對支架產生向前的推力或對后柱產生彎矩,容易使后柱傾斜,會造成支架的傾倒,而兩梁六柱懸移支架整體穩定性好,支撐力大。

通過理論計算并結合實際的地質資料,最終確定了北辛窯礦11＃層11101炮采工作面懸移支架的參數,即兩梁六柱型懸移支架,后柱直徑取140 mm。在工作面的實際應用中對于工作面進行礦壓實時監測,其結果顯示支護參數選擇合理。

5 結論

(1)實際生產中應該根據上覆巖體的荷載以及礦壓顯現特征確定支架能承載的最大懸板長度。

(2)如果采空區冒落的巖石塊度大,應該考慮巖層垮落瞬間將對懸移支架的強度和穩定性的影響。

(3)根據工作面煤層厚度、頂板巖性、頂板厚度等開采條件,可初選懸移支架的型號,然后通過公式校對支護參數,并且在實際生產中根據頂板的變化情況隨時調整所設計的懸板長度,確保支架的使用安全。

(4)通過對北辛窯礦11101炮采工作面的實例驗證所建立的力學模型以及得出的經驗公式,能夠適用于大同地區相似頂板條件下懸移支架參數的確定。

[1] 李光證.底梁式懸移支架在急傾斜特厚煤層放頂煤開采中的適應性分析[J].煤炭工程,2008(4)

[2] 高福.懸移支架放頂煤在中厚煤層中的應用[J].科技信息,2007(21)

[3] 朱玲方.懸移支架放頂煤工作面支架穩定性分析[J].煤礦開采,2003(1)

[4] 周張庚.懸移支架放頂煤開采實踐中技術創新[J].煤炭技術,2005(10)

[5] 胡圣鵬.懸移支架放頂煤開采厚煤層的實踐與認識[J].煤礦開采,2006(4)

[6] 胡長江.懸移支架放頂煤技術成功應用淺析[J].煤炭技術,2006(2)

[7] 謝超.預裂爆破強制放頂技術在懸移支架工作面的應用[J].中國煤炭,2011(12)

[8] 崔樹江,張百勝.綜放工作面采前頂板弱化技術研究[J].中國煤炭,2012(11)

[9] 劉秉明,劉兆明.西細莊礦懸移支架開采及礦壓顯現分析[J].煤炭技術,2006(8)

[10] 郝明.懸移支架炮采煤柱工作面25°大仰角回采技術的實踐[J].中國煤炭工業,2012(2)

[11] 郝成翥,蘇學貴.整體懸移支架回采工作面礦壓顯現規律研究[J].山西煤炭,2010(5)

[12] 胡傳華.懸移支架在炮采工作面支護中的利弊分析[J].山東煤炭科技,2004(6)

[13] 王大祥.懸移支架炮采放頂煤技術的應用[J].煤炭科技,2008(1)

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年畢業于中國地質大學(武漢),現就職于山西大同大學,主要從事煤礦地質、煤礦安全相關工作。

(責任編輯 張毅玲)

山西省科技攻關項目(20100322013),山西大同大學青年科學研究項目(2011Q1)