综放工作面端头区结构稳定性研究

2010-09-09肖亚宁

中国矿业 2010年2期

关键词：三角板综放端头

肖亚宁

(潞安环能股份公司王庄煤矿,山西长治 046032)

采选技术

综放工作面端头区结构稳定性研究

肖亚宁

(潞安环能股份公司王庄煤矿,山西长治 046032)

放顶煤采煤工作面端头区支护是采场支护的难点,其主要原因在于端头区弧形三角板的形成及其稳定。本文提出了加强早期顺槽顶板的支护,是端头区形成稳定和完整弧形三角板的前提,揭示了解决端头区支护难,主要在于要解决好弧形三角板“大结构”和端头支架“小结构”关系的规律,强调大、小结构存在相互协调和相互制约的关系,“大结构”是端头区稳定的关键。

放顶煤工作面;端头区;弧形三角板;结构稳定

Abstract:Top-coal caving face end support is difficult,mainly due to the formation and stability of triangle roof plate with curve side at face end.Strengthening of the early crossheading roof support is the premise of forming completed and stabe triangle roof plate with curve side.Reveals the solution to the end support is to solve the relations between the“large structures”of triangle roof plate with curve side and the“small structure”of end support.Large structure and small structure is a structure with coordination and mutual relations,the stability of“large structures”is the key of the face end stability.

Key words:top-coal caving face;face end;triangle roof plate with curve side;structure stability

1 综放工作面端头区顶板断裂特征

回采工作面端头系指回采工作面与平巷交叉地点,其范围如图1中Ⅱ区所示。

图1 综放工作面端头区划分及其弧形三角板

由图1可知,回采工作面端头支护条件虽比回采工作面多一个煤壁支撑,但在采动后引起的支承压力作用下,顶底板移近量加剧,顶板岩层离层或脱落,底板臌起,支架急剧受载、下缩、变形、损坏等,因此在我国煤矿开采支护一直是采场支护的难点。造成上述支护难的主要原因,是人们对端头区顶板稳定的认识不深。端头区与整个采场岩层移动一样,受到顶板岩层的周期断裂的影响,同样在端头区也存在顶板岩层周期性得断裂,但与采场顶板岩层存在区别。根据端头区周围的边界条件,其顶板岩层一般存在弧形三角悬板(图1)。[1-3]有关文献对上述弧形板理论开展了研究,但目前对上述弧形板的应用缺乏深入研究,导致目前在指导端头区的支护上过分强调对端头区支护方式和支护强度,而忽略对弧形板应用的研究,因此加强早期顺槽支护,使端头区尽可能的形成弧形三角悬板,以保证端头区的设备、人员在稳定的顶板条件下运转和生产才是端头区支护的正确方向。

2 综放工作面端头区三角形悬板的力学分析

对于端头顶板来说,其前方联接着的超前顺槽顶板,主要受其下综采支架、端头支架支护以及侧向区段煤柱煤壁的支承[4],工作面顶煤放空以后,端头顶板后方一侧同工作面方向一侧一样都处于悬露状态。因此,最初的端头顶板可以假定为其前方和区段煤柱方向两邻边为固支边,采空区内两邻边为自由边的矩形板[5],如图2所示。

图2 端头区弧三角形悬板结构及矩形板结构

根据弹性力学计算可得,板边界条件[6]为

式中:ω为板的挠度;x表示板指向采空区方向的坐标;y表示板指向采煤工作面方向的坐标;μ为板的泊松比。

则,自由边x=a以及y=b的挠度曲线可以用单三角级数[7]表示,如下:

式中:k,am,bm为待定参数。

设端头悬板为正方形,即a=b,取μ为0.3。则悬板的在固定边x=0、y=0的弯矩分布为:

分析式(9)、式(10),可以看出其最大弯矩为:

综上分析,端头顶板的最大弯矩在固支边与自由边的交界处,也就是在端头支架切顶线处或区段煤柱的采空区后方两个点上。随着工作面开采,上述两点首先发生破坏。破坏后新的极限将会出现在主应力线上,进而形成弧形极限弯矩迹线,见图3,端头顶板沿弧形极限弯矩迹线裂断垮落后就形成了弧三角形悬板。

图3 板载均布荷载作用下的弯矩及弧三角形悬板的形成

弧三角形悬板的大小主要受悬板边长a的影响,而a值又受到极限弯矩的限制,若将最大拉应力破坏作为强度条件[8],则板内的极限弯矩为

式中:σs为三角形悬板的抗拉强度;h为顶煤三角形悬板的厚度。

联立式(11)、式(12),可得

3 大采高综放面端头区弧形板形成的条件

根据前文对端头区弧形三角板特征及其力学分析,王庄矿大采高工作面在其端头区域同样也存在弧形三角悬板,但由于王庄矿大采高、窄煤柱开采,其端头区前后运输机头、转载机、破碎机等设备所处的工作空间,上述弧形三角悬板具体稳定性如何,能否提供足够大的空间保证上述设备的安全运转是需要研究的。

根据式(12)可知,对于王庄矿工作面,顶煤的单向抗压强度已经确定,因此决定弧形三角板形成的主要条件将取决于其分层厚度h,分层厚度越大,端头区形成的弧形板的范围就越大,端头区就越稳定,反之,端头维护就越困难,端头维护费用就越高。

由于放顶煤工作面端头区受顶煤水平裂隙发育的影响,一般其顶煤离层现象显著,根据式(11)和式(12),可得:

根据上述公式,只要端头区顶煤满足上述分层条件,就可以在综放端头区形成不少于5m范围的弧形悬板,就能保证端头区处在弧形悬板的保护下。

4 综放面端头区结构稳定关系

根据工作面端头区支护特点,工作面端头支架就是在上述弧形三角板的保护下工作,因此弧形三角板的形成及其稳定直接影响端头支架的稳定,从结构稳定的角度可以将上述形成的弧形三角板定义为工作面端头区稳定的“大结构”,工作面端头支架则可定义为“小结构”,工作面端头区的稳定就是上述大小结构的稳定,“大结构”的稳定是“小结构”稳定的前提。因此结合王庄矿实际情况,以王庄矿4331放顶煤综采工作面为例分析端头区弧形三角板的形成条件。

主要开采煤层为3#煤层,煤层厚度稳定,煤层总厚7.18m,煤层倾角一般为1°～7°,平均4°,煤层的单向抗拉强度σs=0.547×103kN/m2,煤层的容重λ=2.5×10kN/m3,端头区弧形三角悬板的长度a=5m,该工作面需要形成弧形三角悬板的顶煤分层厚度h为:

因此王庄矿4331工作面端头区要形成弧形三角板,其分层厚度应保证在1.728m以上,根据本文提出的端头区支护应加强早期顺槽支护的思路,保证端头区弧形三角板的形成。因此该工作面的顺槽支护设计中,应采用锚杆支护,其运输巷、回风巷顶板支护均为每排采用φ20mm、长度2400mm的高强度螺纹钢锚杆,间排拒0.9m× 1.0m,顶角锚杆向两帮倾斜20°角打设。树脂药卷加长锚固,每根锚杆采用双速2360Z2360各一只,锚固长度1400mm,铺设金属网和φ14mm圆钢焊制的长4200mm钢筋梯子梁。为了更好的保护顺槽顶板,每隔3.0m布置两根15.24mm的小口径预应力锚索,锚索孔深度为7.0m,锚索长度为7.3m,每根锚索采用的树脂药卷为双速2360一只,Z2360两只,锚固长度1.7m,每根锚索采用一块400mm长的18#槽钢,一块规格为100mm× 100mm×8mm的钢板,索具一套。

根据王庄矿矿压观测数据,直接顶初次垮落步距为10～14m,老顶初次跨落步距为20～30m,周期来压步距为9～12m,回采期间采场最大压强为547kN/m2。按支架承受的顶板载荷与煤层厚度近似直线关系增长的观点估算,采场最大压力为:

P=9.8N hγ/1000

式中:P为采场岩体压力,kN/m2;N为取8(按要求,支架载荷取8倍采高岩重计算);h为煤层的采高,取3.1m;γ为顶板岩石的平均密度,取2500kg/m3。

则有: