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。
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。
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。
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
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
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。