大同煤田11＃煤层坚硬顶板矿压显现特征及悬移支架参数选定∗

牛 宏刘 玥

(1.山西大同大学煤炭工程学院,山西省大同市,037008; 2.山西大同大学采矿工程研究所,山西省大同市,037008)

大同煤田11＃煤层坚硬顶板矿压显现特征及悬移支架参数选定∗

牛 宏1,2刘 玥2

(1.山西大同大学煤炭工程学院,山西省大同市,037008; 2.山西大同大学采矿工程研究所,山西省大同市,037008)

大同煤田11＃煤层坚硬顶板在回采过程中垮落困难,易在支架后方形成悬板。因此,选型悬移支架时需要考虑支架额定工作阻力必须能够承载上覆岩体切顶瞬间的最大荷载。通过研究工作面推进过程中悬板形成过程、悬移支架阻力分布特征及顶板压力显现规律,建立力学模型,确定悬移支架技术参数的经验公式,并且提出悬移支架切顶瞬间后立柱抗弯强度校验公式。通过北辛窑矿11＃煤层11101工作面悬移支架合理选型使用,验证了经验公式具有应用价值。

坚硬顶板 悬板长度确定 悬移支架 支架选型 参数选定

悬移支架由于结构简单、造价低、支护灵活,目前,在一些矿井的边角煤回采、煤柱的回收以及地质条件复杂的中小煤矿中使用较为广泛。如果支架选型合理,在煤层顶板较硬、放顶困难的条件下采用悬移支架仍然可以获得较高的生产效率。以大同煤矿11＃煤层使用悬移支架的回采工作面为研究对象,依据支架后悬板长度、支架荷载分布特征,合理设计支架参数,确保悬移支架在使用中安全高效。并结合中煤北辛窑矿在11＃煤层使用情况对经验公式进行了论证。

1 大同煤田11＃煤层顶板硬度分布特征

大同煤田侏罗系11＃煤层及顶底板都较为坚硬,是典型的三硬煤层。煤层的结构相对较为致密,单轴抗压强度较高,一般在18 MPa以上。煤层顶板多为砂岩,单层厚度大,整体好,岩石坚硬系数f为8～10。在回采过程中顶板垮落困难,周期来压时间长,支架压力大,有的矿井采取煤层顶板注水软化或人工强制放顶等方法实现顶板垮落。

大同煤田11＃煤层顶板硬度分布区内差异较大。煤田东部11＃煤层顶板硬度相对较大,特别是煤峪口矿、同家梁矿、四老沟矿和忻州窑矿为坚硬顶板,垮落非常困难,必须采取强制放顶。此类型矿井冒落后的岩体块度大,空隙大,矿山压力显现剧烈,冲击地压频繁发生,摧毁大量的巷道和支架,给矿井的安全生产带来了严重威胁。在矿区的北部一带煤层顶板硬度适中,放顶步距小,周期来压时间短,顶板周期来压不明显,没有集中来压和冲击地压发生;而靠近矿区西北部11＃煤层顶板岩层又相对硬一些,如鹊山、唐山沟、北辛窑矿等矿井,顶板垮落相对困难一些,一般老顶初次来压步距30 m左右,周期来压步距在20～25 m之间,周期来压时压力显现不明显。

2 11＃煤层坚硬顶板悬板成因分析

由于11＃煤层顶板坚硬,随着采煤工作面的向前推进,坚硬顶板能够产生较大的抗剪和抗弯强度。顶板的厚度越厚,强度越高,形成的悬板就越长,悬顶过长会对工作面支架形成较大压力。在不同的位置,所形成的悬板形式也不同。

在煤柱的上部形成的悬板为倒梯形的几何体,这与采空区顶板自然冒落规律有关,这种悬板是产生冲击地压的主要原因,悬板顶部边长随着顶板厚度和硬度的增加而增大,在上覆荷载作用下积存了大量的变形能量,当悬板和煤柱中变形能量超过煤岩的强度极限,悬板发生断裂,瞬间释放出大量的能量,即形成了冲击地压。

当采空区上部顶板荷载所产生的强度小于顶板自身的破坏强度时,在采煤工作面支架后面的采空区所形成的悬板为板型条带,两端支撑在煤柱上。顶板越厚越硬,所产生的抗弯强度越高,形成的悬板就越长,支架所承受的压力越大,过长的悬板垮落瞬间产生很大的压力作用于支架上,使支架损坏,并形成破坏极强的飓风。所以,在回采过程中控制悬板的长度非常重要。

3 悬移支架参数确定及校验

悬移支架承载上覆悬板的单位面积冒落带岩层的均布载荷q为:

式中:q——单位面积冒落带岩层的载荷,N;

K——顶板岩石厚度因数,一般取4～8;顶板条件较好、周期来压不明显时取低值,否则取高值;

H——采高,m;

γ——顶板岩石密度,一般取2.5 t/m3。

不同形式的支护方式允许的悬板长度不同,研究发现,采用悬移支架支护时,按照支架后柱最大支撑力确定允许的最大悬板长度比较合理,随着工作面的推进,达到最大悬板长度时便进行强制放顶,这样可有效遏制压坏支架的现象。在实际生产中,根据大同各个矿区的地质情况总结出最大悬板确定的经验公式,公式先依据厂家提供的所有支架型号里立柱最小直径和支架最少立柱个数计算出悬移支架能承载的临界悬板长度Lmax,实际生产中放顶步距参考该值,同时依据经验进行选择。

式中:Lmax——回采工作面悬移支架所能承载的最大悬板长度,m;

P——支架的额定工作强度,此参数由支架生产厂家提供;

d——悬移支架单个立柱的外直径,m;

b——单架悬移支架的宽度,m;

L2——悬移支架前后柱之间的间距,m;

n——单架悬移支架的立柱个数。

式(2)依据悬移支架后柱能承载的额定工作阻力推断支架所能承载的最大悬板长度,此时计算的结果为临界值,在实际工作中还应该根据地质条件以及各矿的矿压显现特征确定本矿的悬板长度。

3.1 悬移支架参数确定

假设悬移支架后方承载的悬板长度为L,悬移支架受力分析见图1,支架受到后方悬板的压力和与支架接触的上方岩体的荷载,且上覆岩体对支架的荷载主要作用于后柱。因此支架选型时主要考虑单个后柱的额定工作阻力不应该小于单个后柱所承受上覆岩层的荷载。

那么,单个立柱承受上覆岩体总的载荷之和计算:

式中:FN——单个立柱承受上覆岩体的载荷之和,N;

L——悬移支架后方悬板长度,m;

L2——悬移支架前后方立柱距离,m。

而悬移支架自身的工作阻力计算为:

式中:FC——悬移支架单个立柱自身的工作阻力,N。

结合鹊山矿、唐山沟矿、五矿、北辛窑矿等多个矿使用悬移支架的实际经验,得出在实际生产时确定支架的参数应该满足FC＞FN,即单个支架后柱的额定工作阻力应该大于上覆岩体的荷载,从而确定支架立柱的个数n以及立柱的直径d。

图1 悬移支架受力分析

3.2 悬移支架切顶瞬间后立柱抗弯强度校验

悬板垮落瞬间,上覆岩体的力主要作用在后柱上。后柱主要承受L长度悬板弯曲时以弯矩形式作用在后柱上的拉应力和上覆岩体的压应力FN,后柱在这两个力的共同作用下发生弯曲。支架后柱所受的拉应力等于悬板垮落瞬间作用在单个后柱的弯力矩M(等于后柱承受L长度悬板的荷载乘以力矩0.5L)除以扭转截面系数W,后柱所受的压应力等于上覆岩体的压力FN除以后柱的面积ΔS。因此切顶瞬间后柱所受的应力σ(弯曲时单位面积的后柱所承载的力)为拉应力和压应力之和。所以,悬板垮落瞬间当后柱所受的应力σ大于钢材的许用抗拉强度时发生破坏,后柱应力σ计算:

根据(3)和(5)式,可以得出悬板垮落瞬间单个后立柱弯曲强度计算公式:

式中:σ——悬板垮落瞬间单个后立柱弯曲强度, MPa;

M——悬板垮落瞬间作用在单个后柱的弯力矩,等于悬板的荷载乘以力臂;

W——扭转截面系数;

d1、d——液压立柱的内、外径,m;

△S——单个后柱的面积,m2;

[σ]为立柱钢材的许用抗拉强度,悬移支架立柱为45＃钢,[σ]为600 MPa。把悬板垮落瞬间单个后立柱弯曲强度σ和立柱钢材的许用抗拉强度[σ]进行比较,当σ＜[σ]时,立柱可以承载切顶瞬间的最大应力,不会弯曲,从而验证支架立柱直径和个数能够满足生产要求。

4 工程实践

根据上述参数计算式对北辛窑矿11＃煤层11101炮采工作面进行支架选型。工作面长约56 m,倾斜长160 m,煤层平均厚度2 m,煤层倾角3°～5°,直接顶为灰色粉砂岩,平均厚度为2.8 m,老顶为中砂岩,平均厚3.95 m。根据工作面顶底板特征和采煤工艺,确定选用悬移支架进行顶板管理。支架行程1.0 m,支架宽1 m,控顶距2.75 m,采高2 m。为了很好地控制顶板,采用铺设金属网护顶。但是对于悬移支架的具体立柱直径大小以及相关参数还需要进行确定是否满足安全生产的要求。结合该地区顶板岩石力学特征,在工作面推进中局部可能出现悬板,因此,悬移支架的参数应该按照能够承载悬板垮落瞬间的最大切顶力选定。

根据多年对大同地区11＃煤层开采的经验和井下实地勘察,认为采用悬移支架支护要配合强制放顶,初步确定强制放顶时间1次/d,根据地质资料和式(1)最终确定放顶步距取3.5 m。因此悬移支架的承载力必须大于3.5 m长悬板瞬间冒落时作用在支架上的荷载。矿方提供两梁四柱型和两梁六柱型2种支架,现按照经验公式进行选型。

4.1 两梁四柱型支架荷载校验

当选择两梁四柱型支架进行支护时,立柱直径分140 mm,125 mm两种类型:

根据地质资料,K取5、H取2 m、γ取2500 t/m3,代入式(1)可以得出上覆岩层均布荷载q为0.25 MPa。

将q＝0.25 MPa,b＝1 m,L＝3.5 m,L2＝2.75 m,n＝4代入式(3),得出单个立柱承受上覆岩体的载荷之和FN1＝546.9 k N。

当后柱直径分别为140 mm和125 mm、P＝42 MPa(厂家提供)时,代入式(4),则支架单个立柱自身的工作阻力分别为Fc1＝646.2 k N、Fc2＝515.4 k N。

因此,悬移支架后立柱直径为125 mm时,支架自身的工作阻力Fc2小于单个立柱承受上覆岩体的载荷之和FN1,其工作阻力不能满足垮落瞬间最大切顶力的要求。支架后立柱直径为140 mm时,支架自身的工作阻力Fc1大于单个立柱承受上覆岩体的载荷之和FN1,其后立柱的工作阻力能满足最大切顶力的要求,并且通过式(6)悬移支架切顶瞬间后立柱抗弯强度校验也符合要求。

4.2 两梁六柱型支架荷载校验

当选择两梁六柱型进行支护时,立柱直径分140 mm,125 mm两种类型:

其他参数同上,将n＝6代入式(3),得出单个立柱承受上覆岩体的载荷之和FN2＝555 k N。

经与4.1节的Fc1和Fc2比较,两梁六柱型后柱直径为125 mm支架的工作阻力小于上覆悬板最大切顶力,而后柱直径为140 mm的支架,支架后柱的工作阻力能承受上覆3.5 m长悬板最大切顶力的要求,并且通过式(6)悬移支架切顶瞬间后立柱抗弯强度校验也符合要求。

经过理论计算,确定了悬移支架的支护参数,后柱的直径应该选用140 mm,立柱数为4柱和6柱时都可以满足上覆荷载。但是由于两梁四柱型支架的稳定性较差,当顶板断裂瞬间对支架产生向前的推力或对后柱产生弯矩,容易使后柱倾斜,会造成支架的倾倒,而两梁六柱悬移支架整体稳定性好,支撑力大。

通过理论计算并结合实际的地质资料,最终确定了北辛窑矿11＃层11101炮采工作面悬移支架的参数,即两梁六柱型悬移支架,后柱直径取140 mm。在工作面的实际应用中对于工作面进行矿压实时监测,其结果显示支护参数选择合理。

5 结论

(1)实际生产中应该根据上覆岩体的荷载以及矿压显现特征确定支架能承载的最大悬板长度。

(2)如果采空区冒落的岩石块度大,应该考虑岩层垮落瞬间将对悬移支架的强度和稳定性的影响。

(3)根据工作面煤层厚度、顶板岩性、顶板厚度等开采条件,可初选悬移支架的型号,然后通过公式校对支护参数,并且在实际生产中根据顶板的变化情况随时调整所设计的悬板长度,确保支架的使用安全。

(4)通过对北辛窑矿11101炮采工作面的实例验证所建立的力学模型以及得出的经验公式,能够适用于大同地区相似顶板条件下悬移支架参数的确定。

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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,山西祁县人,讲师,研究生,2009年毕业于中国地质大学(武汉),现就职于山西大同大学,主要从事煤矿地质、煤矿安全相关工作。

(责任编辑 张毅玲)

山西省科技攻关项目(20100322013),山西大同大学青年科学研究项目(2011Q1)