1、 收稿日期 :2009-11-16 作者簡介 :崔樹江 (1972- , 男 , 內蒙古赤峰人 , 工程師 , 畢業于山西礦業學院 , 現任余吾煤業公司副總經理 , 主要從事生產管理工作 。超長綜放工作面頂板破斷規律研究崔樹江(山西潞安礦業集團 余吾煤業有限責任公司 , 山西 長治 046013 摘 要 :超長綜放工作面除了在工藝和設備配套等方面有自身的特點之外 , , 面必須采取一些特殊的措施 , 。 、 數值模擬 和現場實測等研究手段 , 山壓力顯現規律 , , 。 ; ; 數值模擬 文獻標識碼 :B 文章編號 :1671-0959(2010 0220032203 在大功率和高可靠性設備配

2、備的基礎上 , 為了充分發 揮工作面設備的綜合效能 , 工作面尺寸 (尤其是工作面長 度 不斷增大 , 工作面單產隨工作面長度的加長而增加 。此 外 , 工作面長度加大后 , 可減少巷道掘進率和工作面搬家 次數 , 從而大幅度提高工作面工效 。 因此在設備配備 (尤其 是工作面刮板輸送機的能力 和地質條件一定的前提下 , 加 長工作面長度 , 已成為工作面高產高效主要技術方向之一 。布置超長綜放工作面 , 實現高度集中生產 , 由此引起 采場覆巖的大范圍破壞與運動 , 對采場礦壓和巖層移動會 產生變化 , 文章主要針對超長綜放工作面的頂板巖層破壞規律展開相應的研究工作 。1 工作面概況余吾煤業

3、公司 S1201工作面為大采高超長綜放工作面 , 工作面走向長度 937m, 傾斜長度 280m, 所采 3#煤層厚度 為 51716115m, 平均 5185m, 煤層普氏系數為 018, 地應 力為 650750k N /m2; 煤層整體為向西傾斜的單斜構造 , 坡度為 0°5°, 平均坡度 3°, 煤層含一層 0105m 夾矸 。 工 作面煤層頂底板巖性見表 1。表 1 S 1201工作面頂底板巖性表頂板名稱 巖石名稱 厚度 /m巖石描述老 頂 砂泥巖互層 >9以細粒砂巖為主 , 夾薄層粉砂巖 , 粉砂巖中含植物化石 , 局部炭化 , 含少量云母 片

4、, 裂隙較發育 , 具交錯層理和微波狀層理直接頂 細粒砂巖31855150深灰色 , 薄層狀 , 具滑面。 性脆、 易碎 , 裂隙較發育 , 含植物化石 , 斷口參差狀偽 頂 泥 巖 00174灰黑色 , 薄層狀 , 易碎直接底 泥巖 粉砂巖 01300196深灰色 , 薄層狀 , 裂隙較發育 , 中部含云母片 , 含植物化石印痕 , 頂部有 0110m 砂 質泥巖老 底中粒砂巖 細粒砂巖11003125灰色 , 薄層狀 , 含云母碎片 , 下部裂隙比較發育 , 分選差 , 含雜基 , 硅質膠結2 物理模擬隨著回采工作面自開切眼開始推進 , 根據已采空面積 的情況 , 懸露的基本頂巖層由于與上

5、部巖層的離層因而可 以視為薄板 。 對于薄板的破斷規律 , 可以采用相似材料模 擬試驗 , 研究在不同支承條件下 , 不同工作面長度時的板 的破斷形狀 。 由于考慮基本頂巖層的初次斷裂及 S1201綜 放面兩巷均處于實體煤范圍的條件下 , 因此主要考慮薄板 在四邊固支條件下的破斷規律 。在實驗室模擬了兩種工作面長度條件下的薄板破斷規 律 , 見表 2。隨著工作面推進 , 采空區頂板巖層的破斷形狀隨著 a /b 的值變化而變化 (a 為初次破斷距 , b 為工作面長度 , 當a /b <1時發生豎 X 型破壞 , 當 a /b =1或接近 1時 , 則形成X 型破壞 , 而當 a /b &

6、gt;1時 , 則形成橫 X 型破壞 , 如圖 1所示 。23 生產技術 煤 炭 工 程 2010年第 2期 表 2 基本頂巖層破斷的相似模擬試驗工作面實 際長度 /m模型長 度 /m模型厚 度 /m配比 模型 2801150118715 6125 6125模擬試驗結果如圖 2所示 ?？梢钥闯?, 兩種工作面長 度的頂板破斷形式均為豎 X 型破壞 , 并且隨著工作面的推 進 , 頂板板結構模型也要發生周期性斷裂 。 在板的四周形 成上部張開 , 下部閉合的裂隙 , 而在 X 型部位則形成上部 閉合而下部張開的裂縫 。圖 2 模擬試驗情況兩種模型豎 X 型破斷過程以及形成的周期性斷裂過程 存在明

7、顯差異 , 其差異主要為 :1 模型 (面長 180m 板的破壞過程為 :破斷裂縫先短邊裂縫延伸 裂縫在四周形成貫通 板中央沿 Y 向裂縫延伸 板的豎 X 型破壞 , 如圖 3所示 。 2 模型 (面長 280m 板的破壞過程為 :板的中央部位出現局部 X 型破壞 破斷裂縫沿長邊向兩邊延伸兩側出現新的短邊裂縫 裂縫在四周貫通 板中央 Y 向裂縫延伸板的豎 X 型破壞 , 如圖 4所示 。3 模型 板的初次斷裂步距為 21c m, 模型 板的初次斷裂步距為 14c m; 模型 板的周期性斷裂步距 11c m, 模 型 板的周期性斷裂沿工作面方向出現不同步特性 , 周期 性斷裂步距平均為 7c m

8、 。由此可以看出 , 超長工作面頂板 巖層的破斷特征和一般工作面有明顯的不同 , 工作面加長 以后 , 周期來壓沿工作面方向出現不同步特性 , 初次來壓 步距和周期來壓步距都較相同地質條件而面長較短的工作 面小 。3 數值模擬為深入研究 S1201工作面圍巖應力及變形特點 , 將該 工作面基本頂視為厚板進行了有限元數值分析 。計算分兩 種情形 : 采場推進至 25m 時 , 模擬采場初次來壓 , 計算 模型尺寸為 280m ×25m, 模型的邊界條件為四邊固支 ; 采場推進至 38m 時 , 模擬采場周期來壓 , 計算模型尺寸為280m ×13m, 模型邊界條件為三邊固支一

9、邊自由 。同時 ,為比較 S1201超長工作面與一般工作面的異同 , 分析計算 了同樣推進距離而工作面長度為 180m 的情況 。 計算時取基 本頂的巖性參數為彈性模量 E =30GPa, 泊松比 =013。從計算結果可以看出 , 不同長度工作面相同推進距離 時 , 其變形及應力量值相差較大 。 表 3給出了基本頂下沉 量 , 走向應力 , 傾向應力的最大值 。結果表明 , 隨著工作面長度的增加 , 其圍巖變形及應 力明顯增大 。 將 S1201工作面 (280m 與一般工作面 (180m 比較 , 基本頂的下沉量前者是后者的 1189倍 , 而應力則為11581177倍 。 這意味著超長工作

10、面的來壓步距明顯小于一般工作面的來壓步距 。4 現場實測為驗證理論分析的準確性 , 在 S1201超長綜放面進行 了礦壓觀測 , 觀測結果如下 :隨 工作面的不斷推進及頂煤和直接頂的不斷冒落 , 基33 2010年第 2期 煤 炭 工 程 生產技術 收稿日期 :2009-04-22 作者簡介 :齊光輝 (1972- , 男 , 甘肅金昌人 , 礦建工程師 、 注冊咨詢工程師 , 主要從事煤礦生產技術管理 、采礦設計等方面工作 , 現任靖遠煤業集團有限責任公司科研設計院副總工程師 。松軟 、 破碎巖層及過小窯巷道支護設計齊光輝(靖遠煤業公司科研設計院 , 甘肅 白銀 730913 摘 要 :針對

11、松軟 、 破碎 、 膨脹巖石及穿過小窯采空區的巷道 , 、 鋼 架配合鋼筋混凝土背板及噴射混凝土聯合支護支護行式 , , 從而實現 可靠支護 。 關鍵詞 :軟巖巷道 ; 破碎巖層 ; 中圖分類號 :T D353:1671-0959(2010 02200342031 概 述長期以來 , 軟巖巷道支護問題一直是煤礦生產建設過 程中的難題 , 也是目前國內外還未能很好解決的問題 。特 別是深部礦井 、 斷層破碎帶 、 巖石風化帶以及老礦區穿越 小窯采空區等 , 使這類問題愈顯突出 。對于松軟巖層的支護 , 常用的有料石或混凝土砌碹 , 棚式支架支護以及錨網噴支護等 。以錨桿為主體構件的錨 網噴支護具

12、有較高的承載能力和很好的可縮性 , 并能進行 全方位的支護 , 能夠實現主動深入圍巖內部加固圍巖 , 提 高圍巖自身承載能力并和圍巖一起形成一個加固圈 , 最大 限度地發揮圍巖的承載能力 , 能夠滿足軟巖支護性能的要 求 , 目前已在各種軟巖條件下的井巷施工中得到應用 , 從 最初的單體錨桿支護發展到以錨桿為主的錨 、 網 、 梁 、索 、 桁架組合支護體系 。對于松軟巖層及煤層中巷道采用錨網 噴支護已在全國各礦區得到廣泛的運用 , 并取得了許多寶 本頂的懸跨度不斷增大 , 基本頂的初次垮落步距為 211825m, 且沿工作面長度方向出現不同步特性 , 即工作面加長以后 , 基本頂來壓呈現中間

13、段超前 、兩端頭落后的特征 , 并且工作面上 、 中 、 下部基本頂來壓步距也不一致 。表 3 工作面基本頂變形及應力變化規律工作面推進 距離 /m下沉量 /mm工作面長度(280m 工作面長度(180m 走向應力 /MPa工作面長度(280m 工作面長度(180m 傾向應力 /MPa工作面長度(280m 工作面長度106105610211213140121507166 當工作面推進到基本頂的極限跨距時 , 基本頂分別在 兩端和中部發生斷裂 。基本頂在斷裂后回轉過程中形成力 矩所產生的支承壓力主要由煤壁來承擔 , 因此基本頂的來 壓首先表現為煤壁片幫 , 隨基本頂進一步回轉和下沉 , 作 用在支架上的載荷范圍增大 , 使支柱流量增加 , 支架阻力 也急劇上升 。S1201超長綜放面基本頂的初次和周期來壓對工作面造成比較強烈的礦山壓力顯現 , 主要表現為支架阻力急劇上 升 、 煤壁片幫等 。5 結 論針對余吾煤業公司 S1201超長綜放工作面的賦存特征采用物理模擬 、 數值模擬及現場實測的手段分析了頂板的 破斷規律 , 得到如下結論 :1 超長工作面頂板的破壞