山浪煤矿底板比压测试及分析

梁晋源，宋选民，武浩翔

（太原理工大学 采矿工艺研究所，山西 太原 030024）

山浪煤矿底板比压测试及分析

梁晋源，宋选民，武浩翔

（太原理工大学 采矿工艺研究所，山西 太原 030024）

底板比压测试是对工作面支护参数设计与选取的重要依据。经用底板比压测试仪，选取不同压膜对留底煤底板和不留底煤底板进行测试,计算出压膜平均刚度跟强度。通过比较底板容许比压跟容许刚度表明：山浪煤矿5号煤层留底煤时底板属于Ⅲa较软底板，山浪煤矿5号煤层101工作面底板属于Ⅲb类软软底板。

底板比压；刚度；压入深度

煤层底板、工作面支架、顶板构成一个临时建筑体，其中任一个环节的破坏，都会危及整个建筑体，使其受力平衡遭到破坏。支护系统的刚度由“顶板-支架-底板”组成［1］，底板岩层的刚度将直接影响到支护性能的好坏。底板比压测试是对工作面支护参数设计与选取的重要工程设计依据。工作面在一定的时空条件下，支柱（架）穿入底板，就预示着采场支撑系统的刚度显著降低，导致顶板下沉量增大的概率提高、直接顶发生离层、采煤工作面支柱（架）的工作阻力降低等情况；这样会使采煤工作面临时建筑体失稳，易造成推垮型冒顶事故。山浪煤矿底板为泥岩，较松软，准确掌握工作面底板比压特性，对合理确定工作面回采工艺及支架的选型极为重要。

1 底板比压的实测方法

1.1 底板比压测试仪器

本实验运用DZD-40A型比压仪，见图1。它由单体液压支柱、手压注液加压泵、单体柱定位座及Φ60 mm、Φ80mm、Φ130mm三个压模组成。使用时，根据底板硬度情况选择压模。单体液压支柱分别采用DZ38/100型、DZ22/100型，油缸直径均为100 mm，这种比压仪较实用于较软岩层的底板。

1.2 底板的比压仪测试方法

以5号煤层5-101工作面正巷底煤为底时的比压测试测点，位于距工作面泵站10 m，30 m处，每一处测试两个地点；以5-101工作面底板为底时的比压测试测点，位于89号、90号、77号、67号、68号支架处。DZD-40A型比压仪时定位器和压模应垂直安设在测面(点)上，先将单体柱上端置入顶梁，柱座入定位器槽内；然后用手压注液泵使单体柱升压。测量时记录顶底板间距、压模直径、升压压力表读数、压模压入深度［3-4］。根据山浪矿5号煤层拟开采方案—采用大采高支架，故第一极限抗压强度以出现第一次脆性破坏或塑性变形出现的第一个屈服变形时相应的比压值，来确定采区或同一岩性岩层（或煤层）的平均第一极限比压。继续升压连续记录压力表读数与对应压入深度（压入深度已超出允许的最大值），直至压力不再变化或变化较小，甚至出现下降，这时底板受压达到屈服，钻底量迅速增大，此时是底板破坏的突变点，相应比压为底板极限抗压入强度［5］。此过程称为第二比压测试。其数据可用于进一步了解掌握底板的岩体物理参数，如底板刚度、极限比压等。

图1 DAD-40A型比压仪

1.3 底板比压的计算原理各次泵压的压模底板比压值qmi按如下确定：

式中：D1为比压仪油缸直径，mm；dm为底座压模直径，mm；qi为第i次泵压时压力表读数，MPa。

底板刚度为Km：

式中：Km为底板岩层（煤层）刚度，MPa/mm；hm为拐点处底板压模压的压入量，mm；qm为拐点处的底板比压值，MPa。

2 底板比压测试实验的结果分析

2.1 5号煤层回风巷留底煤时底板比压测试实验结果分析

山浪煤矿5号煤留底煤为底时的比压测试位置，主要位于101正巷内距泵站10 m跟30 m处，压模直径130 mm；单体支柱型号DZ38/100。底板比压与压入深度关系曲线，见图2。

图2 巷道留底煤时比压跟压入深度关系

由图2分析可知：1号、3号、4号测试点处，当所受载荷达到某一定值后，比压值突然下降，压入深度急剧增大，此点属于底板的极限抗压入强度，属于整体剪切的破坏形式。2号测试点没有明显的突破点，但是随着载荷的增加，压入深度增长率较快，属于局部剪切的破坏形式。

根据式1式2测得如下数据：

测煤点1号：qm=9.5MPa；Km=0.3 MPa/mm；测煤点2号：qm=9.05 MPa；Km=0.14 MPa/mm；测煤点3号：qm=8.40 MPa；Km=0.32 MPa/mm。 测煤点2号：qm=10.7MPa；Km=0.23MPa/mm。根据统计分析得5号煤层留底煤时：底板平均压入强度qm=9.5MPa；平均底板刚度Km=0.25MPa/mm。5号煤层留底煤时：底板容许比压qc=7.09MPa；底板容许刚度Kc=0.19MPa/mm。

2.2 山浪煤矿5号煤工作面炭质泥岩底板的底板比压测试实验结果分析

山浪煤矿5号煤工作面炭质泥岩底板的底板比压测试位置，主要位于101工作面89号，90号，76号，77号，67号，68号，52号，53号支架处，压模直径80mm；单体支柱型号分别为DZ22/100。底板比压与压入深度关系曲线图，见图3。

由图3分析知：67号、68号、77号、90号测试点处，当所受载荷达到某一定值后，比压值突然下降，压入深度急剧增大，此点属于底板的极限抗压入强度，属于整体剪切的破坏形式。89号测试点没有明显的突破点，但是随着载荷的增加，压入深度增长率较快，属于局部剪切的破坏形式。通过现场测试实验结果处理分析得出：测点89号：qm=15.63 MPa；Km=0.22 MPa/mm；测点90号：qm=17.19MPa；Km=0.86 MPa/mm；测点77号：qm=18.28 MPa；Km=0.29 MPa/mm；测点67号：qm=21.88 MPa；Km=0.52 MPa/mm；测点68号：压入qm=18.75MPa；Km=0.86MPa/mm。

根据统计分析得5号煤层101工作面：底板平均压入强度qm=16.72 MPa；平均底板刚度Km=0.51 MPa/mm。底板容许比压qc=12.54MPa；底板容许刚度Kc=0.38MPa/mm。

图3 工作面底板比压跟压入深度关系

3 结论

根据我国缓倾斜煤层工作面底板分类标准确定，山浪煤矿5号煤层留底煤时底板属于Ⅲa较软底板，5号煤层101工作面底板属于Ⅲb类软软底板。在进行支护参数设计跟支架选型时，应注重提高支护系统的刚度，单体支柱要穿鞋支护，液压支架要提高额定工作阻力。

[1]徐永圻.煤矿开采学[M].徐州:中国矿业大学出版社,1999.

[2]钱鸣高,石平五.矿山压力与岩层控制[M].徐州：中国矿业大学出版社,2003.

[3]谢士敏，高勤福，等.新集煤矿底板比压的测试及应用[J].煤矿开采，2003,8（4）：59-61.

[4] 潘立友.煤层底板极限比压取值研究[J].煤,2000,3(4)：37-38.

[5]栗成杰,郑光相.平顶山矿区深部煤层底板比压分布规律的研究[J].中国煤炭,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

梁晋源（1980—），男，山西霍州人，在读硕士研究生，从事矿山压力及围岩稳定研究。

徐树文