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采场顶板控制理论在沿空留巷中的应用

时间:2011-05-19作者:张 川,文志杰,胡善超来源:中国论文库
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  摘要:由于沿空留巷与采场在顶板控制方面存在一定  的相似性,将沿空留巷看成是一个小范围的采场,从而将采场顶板控制理论应用到了沿空留巷支护领域,研究了沿空留巷

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  摘 要: 由于沿空留巷与采场在顶板控制方面存在一定

  的相似性,将沿空留巷看成是一个小范围的采场,从而将采场顶板控制理论应用到了沿空留巷支护领域,研究了沿空留巷支护体的“给定变形

  ”和“限定变形”2 种工作状态。通过对沿空留巷支撑体系进行详细的力学分析,建立了支撑体系力学方程,得出了沿空留巷顶板下沉量和巷

  旁支护充填体压缩量,从而限定了支护体的有效作用条件。通过对工程实例进行理论验证和现场实测,证明了采场顶板控制理论在沿空留巷中

  应用的可行性,研究结果一定的指导意义。

  关键词: 采场; 沿空留巷; 给定变形; 支护

  1 沿空留巷与采场在顶板控制方面的相似性在采矿学中,工作面开切眼其实就是形成初始采场的巷道〔1〕,说明了巷道与采场具有一定的

  关联,其中沿空留巷与采场颇为相似。尽管沿空留巷与采场在空间位置上不同,通常是其中一个沿煤层走向而另一个沿煤层倾向,但是沿空留

  巷与采场的顶板控制原理却很相似。沿空留巷的巷内支护体与巷旁充填体共同承受上覆岩层的载荷,在采空区侧巷旁充填体作用是控制直接顶

  的离层和及时切断直接顶,使垮落矸石在采空区中充填密实,以减少巷内支护所受载荷并控制顶板的下沉。在采场中,需要普通支架与切顶支

  架共同承受上覆岩层的载荷,在采空区侧则需要借助于切顶支架连接顶底板并控制顶板的下沉。因此,沿空留巷可以被看成是一个小范围的采

  场,沿空留巷的巷内支护体相似于采场中的普通支架,巷旁充填体相似于采场中的切顶支架〔2〕。图1 为顶板岩梁断裂前后采场模型与沿空留

  巷模型的对比。

  2 沿空留巷支护体对老顶的工作状态通过建立沿空留巷的采场模型,采场顶板控制理论〔3〕便可以应用到沿空留巷领域。宋振骐院士曾经

  提出,在采场中,支架对老顶有 2 种工作状态,即“给定变形”工作状态和“限定变形”工作状态〔4〕。

  相应地,在沿空留巷中,沿空留巷巷内支护体和巷旁充填体对老顶也存在这两种工作状态。

  2. 1 “给定变形”工作状态

  当沿空留巷巷内支护体和巷旁充填体对老顶岩梁的运动处于“给定变形”工作状态时,在老顶岩梁开始下降到降至最终位置的整个运动过

  程中,巷内支护体以及巷旁充填体并不能对老顶岩梁的运动起到绝对的阻止作用,而只能在一定程度上内降低岩梁的运动速度,以减少沿空留

  巷围岩变形量。

  由于在“给定变形”工作状态下,沿空留巷支护体阻抗力与顶板压力之间不能建立直接的力学方程,因此在实际现场中,有可能出现沿空

  留巷巷内支护体严重变形或巷旁充填体损坏的现象。为了避免出现这种现象,要求巷旁充填体的压缩量在允许的压缩范围之内,同时要求巷内

  支护体最大允许缩量须满足:εmax> △h - γ ( 1)式中 εmax———巷内支护体的最大允许缩量,m;

  △h———老顶岩梁下沉到最终位置时的沿空留巷顶板下沉量,m;

  γ———巷内支护体钻顶钻底及中间介质压缩量,m。 因此,沿空留巷在选择“给定变形”工作状态时,应对沿空留巷的变形量进行充分

  的预计与判断,尽可能使围岩的变形量与支护体的的可缩量相协调,避免造成支护体的破坏,以保证沿空留巷的稳定。

  2. 2 “限定变形”工作状态 与“给定变形”工作状态相对应,“限定变形”状态是指沿空留巷的巷内支护体以及巷旁充填体能够对老

  顶岩梁进行必要的限制。通常在沿空留巷选择“限定变形”工作状态的情况下,要求沿空留巷巷内支护体以及巷旁充填体的强度很高。从围岩

  强化机理上看,这种支护形式可以充分利用支护体的自承能力,从而能够提高沿空留巷的围岩稳定性,但通常由于造价较高而没有被广泛应用

  。

  3 沿空留巷支撑体系力学分析 在沿空留巷现场实际中,要根据老顶的破断形态情况,分析巷道合理的支护强度、巷道围岩变形量以及巷旁

  充填体缩量,为沿空留巷支护设计提供依据。通过对沿空留巷力学模型的了解〔5 -7〕,假设老顶在巷道顶板上方断裂,且断裂后其断裂处无

  力的联系,这种情况下沿空留巷支撑力学体系如图 2。

  假设顶板载荷按其接触长度平均施加在支撑体( 包括巷道支护区域支护体以及采空区矸石) 上,其力学关系方程可按如下简化建立:p1+

  p2= QZ+ QE= ρEmELE+ ρZmZLZ( 2)式中 p1———巷道支护区域支护载荷,MPa; p 2———采空区矸石支撑反力,MPa; Q Z———沿空留巷

  上方直接顶载荷,MPa; Q E———老顶 B 岩梁载荷,MPa;ρ E———老顶岩层密度,t/m3;ρ Z———直接顶岩层密度,t/m3; m E———

  老顶岩层厚度,m; mZ———直接顶岩层厚度,m; LE———老顶 B 岩梁长度,m; L Z———巷道支护区域宽度,巷道宽度与巷旁支护宽度

  之和,即 LZ= LK+ LC,m。

  在老顶岩梁不断下沉直至触矸的过程中,沿空留巷顶板会有一定程度的下沉,巷旁支护充填体也会产生明显的压缩,以下对沿空留巷顶板

  下沉量和巷旁支护充填体压缩量进行计算。根据采场支护理论,当老顶 B 岩梁下沉稳定时,老顶的最终下沉量为:SE= h - mZ( KA- 1) ( 3)

  式中 SE———老顶 B 岩梁末端下沉值,m;h———采高,m; m 根据弹性地基基础理论〔8〕,采空区冒落矸石对老顶的支撑反力为:p2=12ρ

  EmE( LE- LZ- mzcotα) ( 4)式中 LE———老顶 B 岩梁长度,m; LZ———巷道支护区域宽度,m;α———直接顶岩层裂断角,°;mz—

  ——直接顶岩层厚度,m。根据式( 2) 、式( 4) ,可得: p2=12ρEmE( LE+ LZ+ mzcotα) + ρZmZLZ故巷道支护区域合理的支护强度

  为:q1=p1LZ=12LZρEmE( LE+ LZ+ mzcotα) + ρZmZ( 5)又:q1= ρZmZ+ KhSh( 6)式中 Kh———沿空留巷支护体等效抗压缩刚度,Kh=K1K2K1+

  K2,其中 K1为巷内支护体抗压缩刚度,K2为巷旁支护充填体抗压缩刚度;

  Sh———巷道顶板下沉量,m。 故由式( 5) 、( 6) 可得巷道顶板下沉量为:Sh=12LZKhρEmE( LE+ LZ+ mzcotα) ( 7)为了保证沿空留巷

  的稳定性,还需要保证充填体的压缩量在合理的范围之内。充填体的压缩量可由下式得出:SC=( LK+ LC) SELE=( LK+ LC) SE〔h - mZ( KA-

  1) 〕LE( 8)一般情况下,沿空留巷支护区域支护体应对老顶岩梁采取“给定变形”工作状态,因为支护体的主要任务是以一定的垂直工作阻力

  支撑直接顶的重量,支护阻力最小只要能够支撑直接顶的重量即可,更大的支护阻力是没有必要的〔9〕。由于沿空留巷属大变形围岩,同时要

  承受掘进和 2 次强烈的采动产生的叠加应力的影响〔10〕,因此在“给定变形”状态下,沿空留巷巷内支护体缩量与巷旁充填体的压缩量也必

  须在其允许的可压缩范围之内,以保证支护体良好的工作状态。 4 工程应用实例 4. 1 工程概况某矿 12下煤厚度较稳定,平均厚度 1.

  85 m。煤层上方顶板依次为 3. 25 m 的泥岩、3. 15 m 的砂质泥岩和9. 9 m 的细粒砂岩,直接底为2. 8 m 的灰岩。 12101 轨道巷为矩

  形断面,巷道净宽 3. 4 m,净高 2. 2 m。巷道采用锚网支护,顶板锚杆布置 4 根 Φ18mm × 1 800 mm 的等强度金属螺纹锚; 帮部锚杆各

  布置 2 根 Φ14 mm ×900 mm 的蛇形锚杆,同时配合使用菱形金属网。 在工作面回采期间对 12101 轨道巷进行沿空留巷,在原来支护的基

  础上采用巷内工字钢支护、巷旁矸石带配合单体液压支柱的加强支护方式,巷内每隔 2 排锚杆布置 1 条工字钢梁,钢梁排距 1. 8 m,巷旁

  矸石带宽度为 2 m,矸石带垒砌好后,沿矸石带边缘支设 1 排单体点柱,柱距 0. 6 m。

  4. 2 理论验证 根据以上沿空留巷支撑力学体系分析,沿空留巷支护体对老顶采取了“给定变形”的工作状态,现对其可行性进行理论

  验证。 根据式( 3) ,取采高 4 m,直接顶厚度 4. 25 m,采空区冒落矸石碎胀系数取 1. 3,则在老顶断裂后,老顶的无阻碍最终下沉量

  为:SE= h - mZ( KA- 1) = 0. 725 m根据式( 8) ,老顶无阻碍下沉量为 0. 725 m,巷道宽度取 3. 4 m,巷旁充填体宽度取 2 m,巷旁

  断裂老顶岩梁长度( 通常取周期来压步距) 根据实测取13 m,代入式( 8) ,可得巷旁充填体缩量 Sc以及单体液压支柱缩量 Sd各为:Sc=( LK+

  LC) SELE= 0. 301Sd=LKSELE{= 0. 19经过计算得 Sc= 301 mm,Sd= 190 mm。矸石带最大压缩率按其高度的 30% 计算,约为 660 mm >301

  mm,单体液压支柱最大活柱缩量 600 mm > 190mm,由此说明沿空留巷巷旁支护 体 满 足“给 定变形”工作状态的要求。

  由式( 7) ,巷道支护区域宽度取 5. 4 m,沿空留巷支护体等效抗压刚度取 200 MPa,老顶岩层密度取 2. 5 t/m3,老顶岩层厚度取 10

  m,巷旁断裂老顶岩梁长度取 13 m,直接顶岩层厚度取 4. 25 m,直接顶岩层裂断角取 45°,代入式( 7) ,可得沿空留巷巷道顶板下沉量为

  :Sh=ρEmE2LzKh( LE+ LZ+ mzcotα) = 0. 262 m经过计算可得 Sh= 262 mm。工字钢最大允许缩量为 200 mm,工字钢钻顶钻底及中间介质压

  缩量为 100 mm,则由式( 1) 可知在“给定变形”工作状态下,工字钢缩量为 262 mm -100 mm =162 mm <200mm,由此说明工字钢也满足“

  给定变形”工作状态的要求。

  4. 3 现场实测 在开切眼前方20 m 布置测点,从工作面推到该测点处开始直至推到工作面距离该测点100 m 处为止,观测采动影响下沿

  空留巷顶板下沉量以及充填体压缩量。工作面后方顶板下沉以及充填体压缩变化情况如图 3。 由图 3 可以看出,在工作面后方 5 ~50 m 范

  围内,沿空留巷上覆岩层活动剧烈,顶板下沉显著,充填体压缩明显,在 50 ~90 m 范围内,变形相对减慢。 在距离工作面90 m 以外的范围

  内,顶板运动基本停滞,顶板下沉值及充填体缩量基本保持在一个恒定的水平。总体来看,充填体缩量相对于顶板下沉值略大,这是由于充填

  体更靠近采空区的缘故。最终测得顶板下沉值为 252 mm,测得充填体缩量为 310mm。由此可以看出,沿空留巷顶板下沉与充填体缩量实测结果

  与理论计算基本相符。

  5 结 论 ( 1) 沿空留巷与采场在顶板控制方面有一定的相似性,把沿空留巷看作是一个小范围的采场,沿空留巷的巷内支护体相似于采场

  中的普通支架,巷旁充填体相似于采场中的切顶支架。

  ( 2) 将采场顶板控制理论应用到了沿空留巷领域,把沿空留巷巷内及巷旁支护体对老顶分为“给定变形”和“限定变形”2 种工作状态。

  认为沿空留巷在“给定变形”工作状态时,应对沿空留巷的变形量进行充分预计; 在“限定变形”工作状态时则要求沿空留巷支护体具有较高

  的强度。

  ( 3) 对沿空留巷支撑体系进行了力学分析,得出了沿空留巷顶板下沉量和巷旁支护充填体压缩量计算公式。同时认为沿空留巷支护体应对

  老顶采取“给定变形”的工作状态,要求巷内支护体缩量与巷旁充填体缩量必须在其允许的可压缩范围之内,以保证支护体良好的工作状态。

  通过理论计算和现场实测,得出沿空留巷巷内及巷旁支护体均满足“给定变形”工作状态下的要求,证明了采场顶板控制理论在沿空留巷

  中的应用是可行的。

  参考文献:〔1〕 徐永圻. 煤矿开采学〔M〕. 徐州: 中国矿业大学出版社,1999.〔2〕 王 飞,黄伟健. 沿空留巷巷旁支护载荷的确定

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  12) .〔10〕 华心祝. 我国沿空留巷支护技术发展现状及改进建议〔J〕. 煤炭科学技术,2006( 12) .作者简介: 张 川( 1986 - ) ,男,

  山东兖州人,汉族,山东科技大学硕士研究生,研究方向为矿山压力与岩层控制

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