石灰岩顶板长壁工作面矿压规律计算预测与实测对比

韩丰，贾喜荣，纪有利

（太原理工大学矿业工程学院，山西太原030024）

石灰岩顶板长壁工作面矿压规律计算预测与实测对比

韩丰，贾喜荣，纪有利

（太原理工大学矿业工程学院，山西太原030024）

根据晋城泊村煤矿15号煤层15201长壁工作面的具体地质条件，采用采场薄板矿压理论对工作面矿压进行了计算预测,并与现场实际矿压观测结果进行了对比分析，其理论计算预测与工程实测结果基本一致。文章对类似地质条件和开采技术条件下的工作面矿压规律计算预测具有重要的理论意义和工程价值。

采场;薄板矿压理论；长壁工作面；矿压观测

1 采场薄板矿压理论的阐述

在采场矿压理论及其的应用研究中，基本顶岩层（老顶）物理力学性质、结构模式及其来压步距的确定（极限跨距）和来压强度（支架载荷）是问题的核心。在长壁工作面支架工作阻力的确定中，顶板岩层作用在支架载荷上的量值为问题的关键。目前，确定长壁工作面支架载荷的基本方法是以工作面采高作为基本参数，即工作面顶板的支护强度以下式估算：

式中：Q为顶板的支护强度，t/m3；M为采高，m；γ为顶板岩层容重，t/m3。

在实际工程应用中，上面基于采高的估算方法，往往并不能满足生产实际的要求。在大采高情况之下，支架的选型将非常不经济或者无法接受；在小采高情况下，则会不安全；尤其在坚硬顶板的条件下，上述估算方法更是不能满足生产的要求。

目前，工程中真正有效的方法是工程类比的方法。但是在新开的矿井长壁工作面支架选型中，工程类比法将会遇到很多难以确定的因素及诸多困难。

采场薄板矿压理论是太原理工大学贾喜荣教授在1982-1993年期间建立起的一种采场矿压计算分析方法。该理论是把断裂前的顶板岩层视作薄板，断裂后视为铰接板，设法借助于弹性薄板理论，并结合煤矿地下开采的工程实际，建立力学模型以及进行量化分析，力求通过理论计算的方法定量计算顶板岩层的来压步距及来压强度等矿压参数，并且使其尽可能达到工程应用的目的。目前，应用基于采场薄板矿压理论开发的RST采场矿压计算软件［1～5］，根据工作面地质条件和开采技术条件等，能够在开采前对长壁工作面的顶板来压步距和来压强度等关键指标进行计算预测，且计算预测结果通常都可以达到工程要求的量化程度。

2 工作面地质概况

15201长壁工作面是15号煤层试验工作面。工作面覆盖层厚度为150m～160m，对应地面无建筑物及积水区。其地质构造简单，无特殊地质构造。工作面西邻15101首采工作面，东邻斜井保安煤柱（煤柱宽90m），南侧是北翼回风大巷，工作面开切眼侧与实体煤相邻。工作面采长100m，走向长420m，采用一次采全高采煤方法和全部垮落法管理顶板。

15号煤层厚为2.37m～2.74m，平均厚度为2.57 m，煤层倾角3°～6°。顶板为深灰色K2石灰岩，其呈厚层状，质纯，坚硬，含燧石及动物化石，具方解石脉，厚度9.12m～10.97m，平均厚度为9.52mm，属坚硬顶板；根据工作面两侧顺槽掘进的揭露情况，石灰岩顶板岩层有裂隙发育。底板为灰色泥岩，致密，性脆，含植物化石及黄铁矿，平均厚度4.30m。

3 工作面顶板来压计算预测

泊村煤矿的地质条件简单，顶板和底板岩层结构变化的幅度不大。在工作面开采前，应用RST专用算软件对15201工作面顶板来压规律进行计算预测，15201工作面顶板来压计算初始参数如下：

工作面采长Ly=110m；工作面采高M=2.57m；支架初撑力P0=100 t/m；直接顶岩层容重ρ1=2.7 t/m3；直接顶平均厚度h=2.0m；直接顶岩石抗拉强度σt＇=1086 t/m2；直接顶岩层抗拉强度系数K1=0.3～0.5；直接顶岩层碎胀系数Kp=1.25；基本顶岩层容重ρ2=2.7 t/m3；基本顶岩石抗拉强度σt=1 086 t/m2；基本顶岩层抗拉强度系数K2=0.5；0.6；0.7；0.8；基本顶承载岩层厚度H=8.00m；基本顶岩层断裂角β=70°；基本顶岩层断裂面粗糙系数JRC=10；基本顶岩层断裂面抗压强度JCS=8 728 t/m2；基本顶断裂面基础摩擦角Φb=30°；基本顶岩层挤压高度系数G=0.1245；Gz=0.10。

3.1 直接顶初次垮落步距

由15201工作面综合柱状图和工作面两顺槽掘进的揭露情况，取工作面直接顶为2.00m石灰岩，按四边固支单向板计算，代入数值即：

为此，将15201工作面直接顶岩层初次垮落步距确定为23.12m～29.85m。

3.2 基本顶来压步距和来压强度

根据15201工作面综合柱状图初始参数，由RST采场矿压计算软件得出的主要计算结果包括：基本顶初次来压步距L1=55.08m～70.39m，平均62.93 m；基本顶初次来压强度ZH1=204.22 t/m～208.74 t/m，平均206.99 t/m；基本顶二次断裂步距L2=6.00m～6.98m；基本顶二次来压强度ZH2=151.77 t/m～176.68 t/m；基本顶周期来压步距Li=10.62m～16.93 m；基本顶周期来压强度ZH=147.84 t/m～201.87 t/m。

4 15201长壁工作面矿压观测

15201工作面采用走向长壁后退式采煤方法，一次采全高回采工艺，全部垮落法管理顶板（辅以强制放顶）。工作面基本支架由DW25—250//100L单体液压和HDJY－1200型金属铰接顶梁组成，辅以后排密集支柱和木垛控制顶板。支架间距0.60m，排距1.0m，4排～3排布置管理顶板，每组梁下有3根～4根基本柱和4根柱点柱，全工作面布置木垛，间距5.0m。

工作面顶板压力观测是应用单体液压支柱工作阻力巡回检测仪，通过测量全工作面设定的7条测线上支柱的工作阻力来实现。矿压观测工作随工作面推进跟班连续观测。

在生产过程中，除对所有设定测区内全部单体液压支柱进行观测外，还要观测工作面所有单体液压支柱的工况，统计工作面机道上方顶板的完整状况，并将工作面矿压显现情况跟班记录，将实测结果填入矿压观测记录表。矿压观测方案，见图1。

图1 15201长壁工作面矿压观测平面布置示意图

图2 15号煤层15201工作面顶板来压曲线图

泊村煤矿15号煤层15201工作面自开始试采，矿压观测工作与此同时进行，截止工作面推进约90m时，获得了1 000多个有效的矿压观测数据，观测到了直接顶初次跨落，基本顶初次来压步距和初次来压强度，周期来压步距和周期来压强度等矿压参数，达到了矿压观测的预期目标。15201工作面矿压观测曲线，见图2。

表2为泊村煤矿15号煤层15201长壁工作面矿压观测结果与理论计算预测结果对照表。结果显示，理论计算预测结果与实测结果一致。

表2 15号煤层15201长壁工作面矿压观测结果计算预测结果对照表

泊村煤矿15号煤层15201工作面矿压观测结果证实，薄板矿压理论在长壁工作面坚硬顶板的矿压规律计算预测方面的理论价值和工程应用价值，以及在工作面支架选型和顶板管理方面的重要指导意义。

［1］贾喜荣.岩石力学与岩层控制［M］.徐州：中国矿业大学出版社，2010.

［2］贾喜荣，刘国利，徐林生.采场矿压计算分析方法［J］.煤炭学报，1993（5）:13-19.

［3］贾喜荣.矿山岩层力学［M］.北京:煤炭工业出版社，1997（9）:469-485.

［4］贾喜荣，翟英达，杨双锁.放顶煤工作面顶板岩层结构及顶板来压计算［J］，煤炭学报，1998（4）:366-370.

Comparison between Prediction and Detection of Mining Pressure among Longwall Working Face with Limestone Roof

HAN Feng,JIA Xi-rong,JIYou-li
(College of Mining Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan Shanxi 030024)

According to the geological condition of 15201 longwall working face of No.15 coal seam of Bocun Mine, Jincheng, calculation and evaluation of mine pressure on working face are carried out based on the thin- board pressure theory. The result was compared with the real observation. The prediction is basically correspondent with the observation. The study bears theoretical meaning and engineering value for the mining under the similar geological and technological conditions.

mine; think- board pressure theory; longwall working face; mine pressure observation

TD323

A

编辑：徐树文

2011-02-28

韩丰（1983—），男，安徽阜阳人，在读硕士研究生，从事矿山压力与岩层控制研究。

1672-5050（2011）05-0036-03