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综放开采沿工作面倾向顶板垮落规律_侯树宏

第29卷　第3期2009年5月

西安科技大学学报

JOURNAL OF XI′AN UN I V ERSI TY OF S C I E NCE AND TECHNOLOGY

Vol.29　No13

May12009

文章编号:1672-9315(2009)03-0266-04

　综放开采沿工作面倾向顶板垮落规律

侯树宏1,2,柴　敬2,邱　标2

(1.神华宁夏煤业集团羊场湾煤矿,宁夏灵武751409;2.西安科技大学能源学院,陕西西安710054)

摘　要:为了研究综放工作面覆岩倾向破断规律,采用红外式综采支架压力监测仪,对灵武矿区磁窑堡二矿C142综放工作面矿压进行了监测,利用RFP A2D数值模拟软件对该工作面倾向覆岩破断规律进行了模拟。研究表明,工作面沿倾向矿压规律明显,直接顶和老顶破断均从工作面上部开始,随着工作面推进,破断位置逐步向工作面中部转移。工作面端头受压力拱保护,压力显现不明显,工作面上下顺槽煤壁支承压力规律明显。本论文对类似工作面矿压监测、生产管理提供了依据。

关键词:综放开采;倾向矿压;顶板垮落

中图分类号:T D823.4+9 文献标志码:A

0　引　言

经过20多年的不断实践,一次采全高厚煤层实现采放平行作业的综采放顶煤开采技术由于其具有高产高效、安全状况好、成本低、投入产出效果好的优点,目前已成为我国厚煤层开采的主导采煤方法。但由于我国厚煤层赋存条件的复杂和不同,以及煤层力学性能的差异性,综放工作面有着不同的矿压显现规律。随着综放开采的迅速发展,要求我们对综放开采上覆岩层破断规律进行研究,目前很多专家学者对综放工作面走向矿压规律及顶板破断方式进行了研究[1～4],但对综放工作面倾向矿压规律及顶板破断方式研究较少。文中以灵武矿区磁窑堡二矿开采的2#煤层为对象,分析了2#煤层综放工作面沿倾向矿压规律、支架受力特点,通过RFP A2D数值模拟对工作面倾向覆岩垮落特点进行了研究,对现场矿压监测、现场生产管理具有一定的指导意义。

1　工作面概况

磁窑堡二矿C142综放工作面位于该矿工业广场东南750～950m,回风井井筒东北0～2980m区域内,地面为沙丘覆盖的自然地表,有少量植被。工作面埋深228～332m,工作面走向长2958m,倾斜长200m,开采2#煤层总厚10.18m,倾角11～14°,平均12°,煤层年代为侏罗系中下统延安组。2#煤层伪顶为碳质泥岩,厚度0.05～0.25m;直接顶为粉砂岩,厚度2.26m,成份以石英为主,泥质胶结;老顶为细粉砂岩和粉砂岩,厚度6.81m,以浅灰、灰白色为主,泥质胶结,缓波状层理,含有少量的暗色矿物。

工作面采煤工艺为一采一放、三轮顺序放煤,循环放煤步距0.8m,采放比为3.0m∶7.18m=1∶2.39,工作面推进至20m时开始放顶煤。采煤机机组为MG400/920-Q WD型,基本架型号为ZFS6800/18/35型。

开采过程中在工作面上部采用爆破的方式对顶煤进行弱化,顶煤爆破工艺巷布置在煤层中,巷道顶板距煤层顶板留有1.50m厚的顶煤。上工艺巷距风巷平距为55m,下工艺巷距机巷平距为55m,预松动爆破超前工作面煤壁20m.

3收稿日期:2008-05-27

基金项目:陕西省重点实验室项目(02JS43)

作者简介:侯树宏(1975-),男,宁夏盐池人,工程师,硕士,主要从事岩层控制方面的研究工作.

第3期侯树宏等:综放开采沿工作面倾向顶板垮落规律

2　沿工作面倾向矿压规律

为了研究工作面矿压规律,沿工作面倾向布置5组观测线,每个测线安装2台Z DYJ -ⅡB 型“红外式综采支架压力监测仪”,分别在20#

,21#

,45#

,46#

,69#

,70#

,95#

,96#

,115#

,116#

支架各安装1台压力监测仪,对支架前后柱压力进行监测。工作面支架编号从上风巷向下机巷方向从小到大依次编号1#

～133#

。红外式综采支架压力监测仪每5m in 记录一次矿压数据,每两天利用数据采集器采集一次数据,在地面利用计算机监测数据管理系统对采集的数据进行分析处理

。

图1　测线布置图

Fig .1　Layout of monit oring line

2006年2月7日开始初采至2006年4月2日对工作面矿压

进行了观测,共观测了199个正规循环。通过观测沿工作面倾向矿压有如下规律。

1)老顶垮落前工作面沿倾斜方向的压力分布近似呈“S ”型,如图2所示,中部矿压明显大于两端,工作面两端压力中上部稍

大于下部,70#

支架(距工作面上顺槽105m 处)工作阻力最大,达到6908k N /架,为额定工作阻力的101.6%。工作面上部来压不是很明显,工作面中下部来压明显。

2)老顶垮落期间,工作面中上部45#、中下部95#

支架压力较大,上部25#

,中部70#

,下部115#

支架压力较小,工作面压力沿走向呈“马鞍”型分布。

3　沿工作面倾向覆岩垮落规律

RFP A 是Realistic Failure Pr ocess Analysis 的简称。它是一种

基于有限元应力分析和统计损伤理论的材料破裂过程分析数值计算方法,是一个能够模拟材料渐进破裂直至失稳全过程的数值实验工具

[5～7]

。

该方法的一个重要特色是考虑了材料性质的非

图2　沿工作面倾向压力特征

Fig .2　The working resistance curve al ong di p directi on of coal face

均匀性,是一种通过非均匀性模拟非线性、通过连续介质力学方法模拟非连续介质力学问题的材料破裂过程分析新型数值分析方法。

3.1　模型建立

根据C142工程地质概况,煤岩层倾角为12°,模型高度160个单元,宽度280个单元。每个单元大小为2m ×2m.主要岩层、煤层及节理物理力学性质如表1所示。数值模拟实验在西安科技大学西部矿井开采及灾害防治重点实验室进行模拟。

表1　岩层数值模拟参数

Tab .1　Rock m echan i ca l param eters of nu m er i ca l m odel

名　称弹性模量/MPa

单轴抗压强度/MP

泊松比

自重/N ?mm -3

摩擦角/(°

)压拉比

煤层900160.28 1.3×10-52512泥岩1200100.26 2.5×10-52110细砂岩10000280.26 2.5×10-53617细粉砂岩8000250.25 2.6×10-53110粉砂岩7500260.36 2.4×10-53412粗砂岩6000240.33 2.5×10-53215表土层

2000

0.30

2.0×10-5

3.2　沿工作面倾向覆岩垮落特点

模型沿工作面倾向方向一次开挖。开挖后,工作面中上部直接顶快速垮落(图3(a ));老顶在直接顶

垮落一定时间内,同样从工作面上部开始垮落(图3(b )),工作面上部老顶垮落后,随即引起工作面下部

老顶垮落(图3(c )),老顶垮落时,工作面上部垮落最高点比工作面下部垮落最高点高出15m;随着工作面沿走向方向推进,老顶之上的岩层开始垮落(图3(d )),垮落位置向工作面中下部转移

。

图3　沿工作面倾向覆岩垮落

Fig .3　The r oof caving p r ocess al ong coal face

(a )直接顶初次垮落　(b )老顶初次垮落　(c )老顶完全垮落　(d )覆岩向上继续垮落

从最大主应力图4上可以看出,工作面沿倾向受到拱形结构的保护(图4中白色为应力集中区)。直

接顶垮落时,拱顶在工作面中上部,随着老顶的垮落,拱顶向工作面下部方向移动。直接顶和老顶刚开始垮落前,工作面上部压力较大,当工作面上部岩层垮落后,主要载荷转移到工作面下部,工作面下部工作阻力升高;周期来压时,工作面上覆岩层垮落点向中部移动,工作面中部支撑压力增大。由于煤壁的支护作用,工作面上下端头部分支架压力较小

。

图4　工作面倾向主应力图

Fig .4　The p rinci pal stress al ong coal face

(a )直接顶垮落　(b )

老顶垮落

图5　沿倾向支承压力

Fig .5　The support p ressure al ong coal face

1顶板初次垮落　2老顶垮落

图5为沿工作面倾向上、下顺槽煤壁应力图,从图中数据(来源于数值模拟)分析可知,下顺槽煤壁支

承压力大于工作面上顺槽煤壁。直接顶破断后,煤壁应力集中,应力峰值较大,随着老顶破断,压力峰值逐步降低且应力分散。随着垮落向上延伸,支承压力峰值点向煤壁深处转移。3.3　沿工作面倾向覆岩垮落特点分析

从监测分析可知:老顶垮落期间工作面中部压力较大,呈“S ”型分布,工作面中部压力最大。老顶垮落前工作面上部支架工作阻力稍大于下部,压力曲线呈“马鞍”型分布,支架工作阻力较缓和。数值模拟岩层垮落主要分为三个阶段:直接顶垮落、老顶垮落和老顶上方岩石垮落。直接顶和老顶垮落对工作面支架工作阻力有着直接影响,老顶上方岩层垮落对工作面支架工作阻力有一定的影响。工作面中部从回风顺槽向下60～140m 范围是工作面矿压监测的重点。

老顶垮落前,工作面压力较小,且前一轮老顶垮落工作面中部压力大处先破断,工作面中上部、中下部滞后中部破断,故老顶垮落前支架工作阻力图呈现出中上部、中下部稍大于其它部位的情况。老顶垮落时,由工作面上部开始破断,然后转移至工作面中下部,在此过程中,在支架工作阻力图中显示工作面中下部压力明显增大,监测数据均值达到最大。根据数值模拟实验结果,工作面支架受到压力拱的保护,压力拱拱顶移动对支架工作阻力有一定的影响。

在实际生产中,要加强工作面中下部支架初撑力的管理,以防来压期间压死支架。在矿压监测过程中,工作面中部应该大于工作面两端监测密度。

4　结　论

1)老顶垮落前和老顶垮落后,矿压特征明显。老顶垮落期前,工作面中部压力最大,老顶垮落后工作

面中上部、中下部比工作面中部压力大。

2)直接顶首先从工作面中上部垮落;老顶垮落时,分为两个过程,工作面上部垮落和下部垮落,老顶

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第3期侯树宏等:综放开采沿工作面倾向顶板垮落规律

上部垮落高度较下部高15m ,随后老顶上部岩层在工作面中下部位置垮落。

3)工作面上部沿倾向存在压力拱现象,压力拱对工作面起到保护作用,压力拱支撑点在上、下顺槽的煤壁上。

4)上下顺槽煤壁支承压力特点明显,在工作面没有调斜的情况下,上顺槽煤壁压力明显小于下顺槽煤壁压力。

参考文献 References

[1]　毕军贤,吴建亭,张忠福.综放面矿压显现规律研究[J ].矿山压力与顶板管理,2000,17(2):63-64.

B I Jun 2xian,WU J ian 2ting,ZHANG Zhong 2fu .Study on strata behavi or la w for t op 2coal caving face[J ].Gr ound Pressure and Strata Contr ol,2002,17(2):63-64.

[2]　陈海波.基于加强综放面管理的矿压规律研究[J ].煤炭工程,2004,19(10):50-52.

CHE N Hai 2bo .Strata behavi or regularity research based on strengthening the manage ment of fully 2mechanized t op 2coal caving face[J ].Coal Engineering,2004,19(10):50-52.

[3]　丁　斌,邢士军,马俊鹏,等.超长综放面矿压规律与支架适应性分析[J ].矿山压力与顶板管理,2005,22(4):99-101.

D I N B in,X I N Shi 2jun .Strata behavi or regularity and support suitability analysis in l ong t op 2coal caving face [J ].Gr ound Pressure and Strata Contr ol,2005,22(4):99-101.

[4]　柴　敬,侯树宏,崔洪明,等.高韧性煤层综放开采矿压显现规律研究[J ].采矿与安全工程学报,2007,24(3):331-334.

CHA I J ing,HOU Shu 2hong,CU I Hong 2m ing,et al .Strata behavi or rule for t op 2coal caving face of high t oughness coal[J ].Journal of M ining and Safety Engineering,2007,24(3):331-334.

[5]　唐春安.岩石声发射规律数值模拟初探[J ].岩石力学与工程学报,1997,16(2):368-374.

T ANG Chun 2an .Nu merical si m ulati on of AE in r ock failure[J ].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,1997,16(2):368-374.

[6]　Tang C A.Nu merical si m ulati on of r ock failure and ass ociated seis m ic activity[J ].I nt .J.Rock Mech .M in .Sci,1997,34:

249-262.

[7]　崔维成.复合材料结构破坏过程的计算机模拟[J ].复合材料学报,1996,13(4):102-111.

CU IW ei 2cheng .Computati onal si m ulati on of p r ogressive failure in composite structures[J ].Acta Materiae Compositae Sini 2ca,1996,13(4):102-111.

　Roof breaki n g l aw along top 2coal cavi n g face

HOU Shu 2hong 1,2

,CHA I J ing 2

,Q IU B iao

(1.Yangchangw an Coal M ine,N ingxia 2Shenhua Coal Industry Group Co .L td,L ingw u 751409,China;2.College of

Energy Science and Engineering,X i ′an U niversity of Science and Technology,X i ′an 710054,China )

Abstract:For the study on strata behavi or al ong di p directi on of t op 2coal caving face,Z DYJ -ⅡB in 2frared instru ment is app lied t o observe the r ock p ressure of C142t op 2coal caving face in the No .2Ciy 2aopu CoalM ine,N ingxia .RFP A 2D is used t o si m ulate the strata break behavi or al ong di p directi on .It is indicated that the peri odic strata behavi or al ong t op 2coal caving face is obvi ous,the i m mediate r oof and the main r oof de molished fr om the t op of t op 2coal caving face,and with the advancing of the coal face,the de molished positi on transferring t o the m iddle part al ong the t op 2coal caving face .The p res 2sure of the side of the coal face isn ′t obvi ous for it is p r otected by the p ressure arch .However,the coal wall p ressure of wind r oad way and haulage r oad way is obvi ous .This paper p r ovides s ome evidences for the monit oring of gr ound p ressure and the p r oducti on manage ment of t op 2coal caving face .Key words:t op 2coal caving face;strata behavi or al ong face;r oof breaking la w

3B i ography:HOU Shu 2hong,Engineer,L ing wu 751409,P .R.China,Tel:0086-138********,E 2mail:nxhshh@https://www.wendangku.net/doc/3a4384843.html,