荆宝煤矿坚硬顶板初次来压步距规律
2019-07-11柴岩
柴 岩
荆宝煤矿坚硬顶板初次来压步距规律
柴 岩
(长治三元中能煤业有限公司,山西 长治市 046600)
采场坚硬顶板发生事故概率较大,易压垮支架,造成冲击地压现象。晋能集团荆宝煤矿顶板坚硬,难以随工作面的推进及时垮落,出现大面积悬顶。在理论分析和数值模拟基础上,对该煤层不同厚度顶板初次来压步距进行研究,得出老顶的初次来压步距随着老顶岩层厚度的增加而增大的结论。
坚硬顶板;初次来压步距;岩层厚度
晋能集团荆宝煤矿位于长治市襄垣县,现开采10号煤层,平均煤厚1.75 m,埋深240 m,100101工作面走向长度570 m,切眼长度为150 m,近水平煤层。顶板为石灰岩,硬度大、完整性好;工作面采用后退式走向长壁采煤法综合机械化采煤,全部垮落法管理顶板。
1 关键层失稳特征分析
随着工作面的推进,直接顶破断失稳,随后老顶悬露,悬露面积不断增大,当达到极限垮距时,老顶也破断跨落。荆宝煤矿10号煤层平均煤厚1.75 m,老顶初次破断后形成三铰拱式结构[1-5],如图1所示。
图1 老顶拱式结构
图1中的A、B和C 3个点为拱式结构的3个铰点,且C点位于AB两点的上方,为围岩对老顶的水平作用力,为岩层自重,A和B为摩擦力,为结构长度,为变形量,为厚度,为挤压接触面高度。当拱式结构达到平衡时,满足
−−>0 (1)
同时满足
=sin+cos−sin2(2)
式中,为老顶回转角,可用以下公式计算:
将式(4)代入式(1)可得:
>1.5(5)
当岩块厚度大于挤压接触面高度的1.5倍时,破断老顶可形成平衡的拱式结构。的最大值由采高和直接顶厚度计算得出:
max=−(p−1) (6)
式中,为煤层开采高度;为采场顶板垮落带高度;P为岩体的碎胀系数,取1.3。
经计算采场冒落带高度为6.8 m。
2 数值模拟
2.1 建立模型
以荆宝煤矿100101工作面为依据,建立UDEC数值计算模型,模拟工作面走向长度100 m,埋深300 m,模型高度136 m,煤体单元尺寸为0.5 m×1 m,石灰岩单元尺寸为1 m×1 m,各岩层单元块体的尺寸随着层位的增加而增大。由于顶板的石灰岩厚度为6~8 m,为了探究不同厚度老顶的初次来压步距规律,对6 m和8 m的老顶分别进行研究。
2.2 6 m老顶初次来压模拟结果分析
图2为工作面推进26 m时采场上覆岩层变形云图,由图2可知岩层最大变形量为1.1 m,位于工作面中部,从中部到端头覆岩变形减缓,老顶形成弯曲向下的拱状结构,而且发生明显的离层现象。
图3为工作面推进距离27 m时采场上覆岩层变形云图,由图3可知破断失稳的老顶岩层发生大范围的垮落,垮落高度为6 m,老顶初次来压。由此判断6 m老顶初次来压步距为27 m。
图2 工作面推进26 m时上覆岩层变形云图
图3 工作面推进27 m时上覆岩层变形云图
2.3 8 m老顶初次来压模拟结果分析
图4为工作面推进29 m时的采场上覆岩层变形云图,由图4可知高层位老顶岩层的变形量大,离层高度也达到了4 m,工作面中部变形量大,从中部到端头覆岩变形减缓,老顶形成弯曲向下的拱状结构。
图4 工作面推进29 m时上覆岩层变形云图
图5为工作面推进30 m时的采场上覆岩层变形云图,由图5可知破断失稳的老顶岩层发生大范围的垮落,垮落高度为9 m,离层高度也达到了13 m,老顶初次来压。由此判断8 m老顶初次来压步距为30 m。
图5 工作面推进30 m时的覆岩变形云图
3 结 论
晋能集团荆宝煤矿10号煤层顶板坚硬,经数值模拟计算,采场老顶为6 m厚时,工作面初次来压步距为27 m;采场老顶为8 m厚时,工作面初次来压步距为30 m,分析可知,老顶的初次来压步距随着老顶厚度的增加而增大。
[1] 索永录,程书航,杨占国,等.坚硬石灰岩顶板破断及来压规律模拟实验研究[J].西安科技大学学报,2011,31(2):137−140.
[2] 钱鸣高,石平五,许家林.矿山压力与岩层控制[M].徐州:中国矿业大学出版社,2010.
[3] 钱鸣高,缪协兴.采场上覆岩层结构的形态与受力分析[J].岩石力学与工程学报,1995(2):97−106.
[4] 缪协兴,钱鸣高.采场围岩整体结构与砌体梁力学模型[J].矿山压力与顶板管理,1995(3−4):3−12.
[5] 宋振骐.实用矿山压力控制[M].徐州:中国矿业大学出版社, 1992.
(2018−11−06)
柴 岩(1988—),男,山西省长子县人,主要从事煤矿开采工作,Email: 632626381@qq.com。