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回撤工作面顶板塌落规律的研究与应用

2025-02-11 40 上传者：管理员

摘要：通过对回撤工作面支架撤空区直接顶的初次断裂步距以及周期断裂步距预测计算模型的建立，掌握撤空区顶板塌落规律，对撤空区顶板塌落进行准确预测预报。并应用该塌落规律，对掩护区域紧后顶板进行科学定点支护，在顶板多次塌落后形成铰接拱形塌落带，弱化内部应力，对掩护区域的顶板下沉控制具有重要作用。

关键词：
回撤工作面
地质断层
坚硬顶板
塌落规律
掩护支架
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目前,大同矿区千万吨煤矿开采条件愈发恶劣,在向更远更深延伸的同时,工作面各类灾害隐患频发,治理成本难度加大｡特别是在回撤工作面,设备重量尺寸越来越大,工作面地质条件差,存在地质断层､孤岛压力､小煤柱压力[1]等,严重阻碍了安全回撤[2]进程｡同时,对于回撤支架后的顶板不治理或盲目采用“临时支护”的方法,没有科学布局,没有对顶板塌落规律进行深入研究｡在撤架过程中受到连续周期塌落应力的影响,造成工作面顶板下沉严重,不能够持续坚挺,最终导致掩护支架被压死甚至发生顶板伤亡事故｡

通过建立回撤工作面支架撤空区顶板初次断裂步距[3]以及周期断裂步距[4]预测计算模型,与实际塌落情况对比,来确定回撤工作面支架撤空区顶板塌落规律[5],从而应用该规律设计新型支护形式,将危险隐患区变成安全稳定区｡

1、回撤工作面支架撤空区顶板塌落规律的研究

建立合理的理论模型,并通过计算,求出撤空区顶板初次以及周期断裂步距值｡理论预测法可以节省经济投入,且在工作面支架回撤前制定相应技术措施时可做到心中有数｡这样,理论研究工作才能起到指导生产的作用｡即便对顶板断裂步距采用现场实测,理论值也可以作为一个参考值｡随着支架撤空区顶板塌落的深入研究,也可根据它的塌落规律对回撤工作面的一些矿压现象作出合理解释,并指导停采设计时确定合理的尺寸参数(如回撤工作面悬顶宽度)｡

1.1梁式断裂的极限跨距

回撤一定数量的液压支架后,由于回撤工作面的倾向长度大于工作面直接顶沿走向悬露的长度｡所以,可以把直接顶看作是一端由临面煤柱支撑､另一端由嵌固梁及四掩护支架支撑的固定梁(见图1),这是“梁”的假说｡

图1支架撤空区顶板初次垮落前覆岩状态

直接顶“梁”式断裂[6]的极限距离[7]可以通过材料力学求出｡图1为支架撤空区顶板初次塌落前的覆岩状态｡

岩梁上任意点的应力分析,如图2所示｡

图2岩梁上任意点的应力分析

通过分析固定梁,最大弯矩Mmax在梁的两端产生,Mmax=qL2/12｡所以,梁两端的最大拉应力

当σmax=RT时(RT为岩层极限抗拉强度),岩层在该处的正应力达到该处的抗拉强度极限,那么岩层将在此处断裂｡因此,这根固定梁断裂时的极限长度

在上述各关系中,重要的是确定直接顶所受的载荷(岩层自重及其载荷)q｡通常情况直接顶上覆多层岩层｡所以,直接顶的极限跨距所考虑的载荷大小,要根据岩层相互作用来定｡

由于每层岩层受自重影响产生的曲率是不同的,参照材料力学,第i层曲率ki=1/ρi(ρi为第i层曲率半径,i=1,2,…,n),其与第i层沿x方向的弯矩(Mi)x的关系为

由于各个岩层组合在了一起,同时上下层的曲率半径较大,那么他们的曲率值会趋于一致,致使各个岩层弯矩形成上述的再分配｡于是形成了如下关系

考虑到第n层对第1层作用时产生的载荷,即(qn)1｡因此可得

结合同忻煤矿8322工作面实际地质情况,利用上述理论进行分析｡同忻煤矿8322工作面倾斜长度为238.5m,工作面煤层厚度为10.13~20.47m｡其顶煤上覆各岩层的厚度､体积力及弹性模量,如表1所示｡

表1覆岩参数表

第1层本身的载荷

考虑第2层对第1层的作用,则:

综上所述,应该考虑对第1层本身载荷的因素,因为第2､3层自身硬度大､比岩层厚度大,因此对第1层载荷没有影响｡所以,在该工作面上覆岩层中第1层岩层,所承受的载荷大小约为77.25kPa｡

由于第1层岩层的抗拉强度RT=3.8MPa,根据式(1)､式(2),按固支梁计算其极限跨距

由于工作面顶板未发生断裂,仍然属于嵌固状态,同时下方拥有若干掩护架作为支撑,所以将其视作固支梁,则该工作面支架撤空区的顶板初次断裂步距为30.65m｡那么周期断裂步距相当于初次断裂步距的1/2.45,即12.51m｡

1.2板式断裂的极限跨距

事实上,直接顶岩层形似一块因各种地质或机械原因形成的板[8],而只有回撤工作面撤架后留下的悬顶长度a远大于在回撤工作面停采宽度b时,在回撤工作面中部可能利用平面变形问题加以处理｡

直接顶初次破断前“板”的边界条件有4种形式(见图3):

①四周均为实体煤固支的“板”;

②一边采空区简支､三边实体煤固支的“板”;

③两邻边简支､两邻边固支的“板”;

④三边简支､一边固支,即俗称孤岛工作面条件下的“板”｡

图3直接顶支撑条件的简化

为了进一步对直接顶的垮落步距进行分析,通过“板”模型的应力分析,表明在边界条件①下,直接顶处于悬露状态的极限位置时,四周支边形成负弯矩区,其最大主弯矩值Ma在长固边中部,而在回撤工作面支架撤空区中心处形成正弯矩区,其最大主弯矩Mc=Mx2+My2姨[9](My为岩层沿y方向的弯矩)｡根据Marcus修正解可得

其中,支架撤空区几何形状系数

由弯矩与应力关系式得

将式(16)代入式(14),求出在边界条件①下顶板初次断裂步距

同理,可求出在边界条件②､③､④下顶板断裂步距分别为

式中a2,a3,a4———在边界条件②､③､④下支架撤空区几何形状系数;

λ2,λ3,λ4———在边界条件②､③､④下回撤工作面撤架推进距离｡

在式(17)~式(20)中,令步距准数

4类回撤边界条件的系数分别为

则直接顶初次断裂步距可以写成

因此,回撤工作面支架撤空区直接顶初次断裂步距是由反映其自身稳定性的步距准数lm和反映回撤边界条件的系数ωj这2个要素构成[10]｡

回撤工作面停采宽度对断裂步距的影响可由式(17)~式(22)演化而来｡

①四周边界为实体煤固支步距公式:

②一边采空区简支､三边实体煤固支的步距公式:

③两邻边简支､两邻边实体煤固支的步距公式:

④三边采空区简支､一边固支的孤岛工作面步距公式:

根据同忻煤矿8322回撤工作面地质条件,它属于边界条件②,停采支护完成后对工作面上覆悬板测量得b=20m,结合表1得出

则周期断裂步距相当于初次断裂步距的1/2.45,即12.31m｡

综上,按照直接顶梁式计算初次断裂步距为30.65m,周期断裂步距为12.51m;按照板式计算得初次断裂步距为30.17m,周期断裂步距为12.31m｡通过现场实测该工作面支架撤空区顶板初次断裂步距为30.5m,周期断裂步距为12.8m,与2种计算模式得出的结果很接近｡所以,可使用以上2种计算模型得出的结果范围来预测回撤工作面支架撤空区上覆顶板的塌落规律｡

2、应用撤空区顶板塌落规律探索新型支护方式

回撤工作面支架撤空区顶板在多次垮落后受到岩层运移[11]与掩护架上覆顶板的联合作用,极易形成应力集中区域,对掩护架后尾梁及后顶梁产生冲击,进而造成后尾梁压死､顶梁持续下沉｡这种现象严重影响到掩护支架的迁移,极易引发掩护支架被顶板压死的安全事故[12]｡通过掩护支架上覆顶板受力分析,已塌落的撤空区顶板会将内部应力连续向掩护区传播[13],导致该处顶板形成下沉危险区[14](见图4)｡所以,切断其内部应力传播途径是解决这种现象的一种办法｡

图4支架撤空区顶板连续塌落后形成危险区

2.1新型支护方式

第1步:根据前述计算模型,提前预测撤空区初次断裂步距,提前准备好支护材料放置在预断裂区域附近;

第2步:在撤空区顶板初次断裂后,待顶板稳定后撤出1个支架;

第3步:将四掩护架向前移动1个步距,约1.75m;

第4步:四掩护架后方悬露出2m的空顶,由于是初次断裂传播的内应力较小,并且悬顶短,易于进行安全支护,所以在该处悬顶下方四掩护架交接处依次搭设3个木垛支护;

第5步:撤空区顶板每发生1次周期断裂,都将上述步骤重复1次｡

2.2新型支护方式优势

(1)根据撤空区顶板塌落规律提前预测支护位置,保证了支护的及时性和有效性;

(2)支护步距与顶板断裂步距相当,间断性地切断了撤空区内部应力的传播途径;

(3)采用新型支护方式形成了铰接拱形塌落带,对回撤工作面上覆老顶具有很好的支撑作用,避免了大面积老顶垮落对掩护区域造成局部来压;

(4)铰接拱形塌落带在顶板每次周期断裂后,在木垛支护附近形成应力抵消区域,弱化了撤空区向掩护区域传播的内部应力,使得掩护架处于正常工作阻力范围,不至被压死(见图5)｡

(5)形成的铰接拱形塌落带较传统无支护方式提高了撤空区支撑高度,对于老顶及地表下沉有良好的抑制作用｡

图5采用新型支护方式形成的铰接拱形塌落带

2.3对比分析

分别对2个地质条件相似的回撤工作面进行对比(见图6),一个工作面在撤空区未采取任何措施,另一个采用新型科学支护方式｡发现支护后的掩护支架平均工作阻力[15]整体低于另一方,未支护的掩护支架平均工作阻力在顶板初次塌落和周期塌落前后达到峰值,并且超过支架承受的额定最大工作阻力,支护后的掩护支架均未发生此类现象｡通过对比,使用科学的支护方式能够有效降低掩护支架的工作阻力,避免了顶板下沉､支架压死损坏等事故｡

图6支护前后掩护支架工作阻力对比

3、结语

过去,各煤矿对于回撤工作面撤空区顶板塌落规律掌握不够,理论研究空白,难以指导生产｡作为专业化安装回撤队伍,历时多年参与近百个工作面的回撤施工,经过多次实际与理论对比,最终确定了回撤工作面撤空区直接顶初次断裂步距及周期断裂步距预测计算模型｡并在支架撤空区采用新型支护方式,做好了掩护支架顶板管理工作,对支架的安全､高效回撤,具有重大的必要性和现实意义｡

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