韓豐，賈喜榮，紀(jì)有利

（太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西太原030024）

石灰?guī)r頂板長(zhǎng)壁工作面礦壓規(guī)律計(jì)算預(yù)測(cè)與實(shí)測(cè)對(duì)比

韓豐，賈喜榮，紀(jì)有利

（太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西太原030024）

根據(jù)晉城泊村煤礦15號(hào)煤層15201長(zhǎng)壁工作面的具體地質(zhì)條件，采用采場(chǎng)薄板礦壓理論對(duì)工作面礦壓進(jìn)行了計(jì)算預(yù)測(cè),并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際礦壓觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，其理論計(jì)算預(yù)測(cè)與工程實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致。文章對(duì)類似地質(zhì)條件和開采技術(shù)條件下的工作面礦壓規(guī)律計(jì)算預(yù)測(cè)具有重要的理論意義和工程價(jià)值。

采場(chǎng);薄板礦壓理論；長(zhǎng)壁工作面；礦壓觀測(cè)

1 采場(chǎng)薄板礦壓理論的闡述

在采場(chǎng)礦壓理論及其的應(yīng)用研究中，基本頂巖層（老頂）物理力學(xué)性質(zhì)、結(jié)構(gòu)模式及其來壓步距的確定（極限跨距）和來壓強(qiáng)度（支架載荷）是問題的核心。在長(zhǎng)壁工作面支架工作阻力的確定中，頂板巖層作用在支架載荷上的量值為問題的關(guān)鍵。目前，確定長(zhǎng)壁工作面支架載荷的基本方法是以工作面采高作為基本參數(shù)，即工作面頂板的支護(hù)強(qiáng)度以下式估算：

式中：Q為頂板的支護(hù)強(qiáng)度，t/m3；M為采高，m；γ為頂板巖層容重，t/m3。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，上面基于采高的估算方法，往往并不能滿足生產(chǎn)實(shí)際的要求。在大采高情況之下，支架的選型將非常不經(jīng)濟(jì)或者無(wú)法接受；在小采高情況下，則會(huì)不安全；尤其在堅(jiān)硬頂板的條件下，上述估算方法更是不能滿足生產(chǎn)的要求。

目前，工程中真正有效的方法是工程類比的方法。但是在新開的礦井長(zhǎng)壁工作面支架選型中，工程類比法將會(huì)遇到很多難以確定的因素及諸多困難。

采場(chǎng)薄板礦壓理論是太原理工大學(xué)賈喜榮教授在1982-1993年期間建立起的一種采場(chǎng)礦壓計(jì)算分析方法。該理論是把斷裂前的頂板巖層視作薄板，斷裂后視為鉸接板，設(shè)法借助于彈性薄板理論，并結(jié)合煤礦地下開采的工程實(shí)際，建立力學(xué)模型以及進(jìn)行量化分析，力求通過理論計(jì)算的方法定量計(jì)算頂板巖層的來壓步距及來壓強(qiáng)度等礦壓參數(shù)，并且使其盡可能達(dá)到工程應(yīng)用的目的。目前，應(yīng)用基于采場(chǎng)薄板礦壓理論開發(fā)的RST采場(chǎng)礦壓計(jì)算軟件［1～5］，根據(jù)工作面地質(zhì)條件和開采技術(shù)條件等，能夠在開采前對(duì)長(zhǎng)壁工作面的頂板來壓步距和來壓強(qiáng)度等關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算預(yù)測(cè)，且計(jì)算預(yù)測(cè)結(jié)果通常都可以達(dá)到工程要求的量化程度。

2 工作面地質(zhì)概況

15201長(zhǎng)壁工作面是15號(hào)煤層試驗(yàn)工作面。工作面覆蓋層厚度為150m～160m，對(duì)應(yīng)地面無(wú)建筑物及積水區(qū)。其地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，無(wú)特殊地質(zhì)構(gòu)造。工作面西鄰15101首采工作面，東鄰斜井保安煤柱（煤柱寬90m），南側(cè)是北翼回風(fēng)大巷，工作面開切眼側(cè)與實(shí)體煤相鄰。工作面采長(zhǎng)100m，走向長(zhǎng)420m，采用一次采全高采煤方法和全部垮落法管理頂板。

15號(hào)煤層厚為2.37m～2.74m，平均厚度為2.57 m，煤層傾角3°～6°。頂板為深灰色K2石灰?guī)r，其呈厚層狀，質(zhì)純，堅(jiān)硬，含燧石及動(dòng)物化石，具方解石脈，厚度9.12m～10.97m，平均厚度為9.52mm，屬堅(jiān)硬頂板；根據(jù)工作面兩側(cè)順槽掘進(jìn)的揭露情況，石灰?guī)r頂板巖層有裂隙發(fā)育。底板為灰色泥巖，致密，性脆，含植物化石及黃鐵礦，平均厚度4.30m。

3 工作面頂板來壓計(jì)算預(yù)測(cè)

泊村煤礦的地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，頂板和底板巖層結(jié)構(gòu)變化的幅度不大。在工作面開采前，應(yīng)用RST專用算軟件對(duì)15201工作面頂板來壓規(guī)律進(jìn)行計(jì)算預(yù)測(cè)，15201工作面頂板來壓計(jì)算初始參數(shù)如下：

工作面采長(zhǎng)Ly=110m；工作面采高M(jìn)=2.57m；支架初撐力P0=100 t/m；直接頂巖層容重ρ1=2.7 t/m3；直接頂平均厚度h=2.0m；直接頂巖石抗拉強(qiáng)度σt＇=1086 t/m2；直接頂巖層抗拉強(qiáng)度系數(shù)K1=0.3～0.5；直接頂巖層碎脹系數(shù)Kp=1.25；基本頂巖層容重ρ2=2.7 t/m3；基本頂巖石抗拉強(qiáng)度σt=1 086 t/m2；基本頂巖層抗拉強(qiáng)度系數(shù)K2=0.5；0.6；0.7；0.8；基本頂承載巖層厚度H=8.00m；基本頂巖層斷裂角β=70°；基本頂巖層斷裂面粗糙系數(shù)JRC=10；基本頂巖層斷裂面抗壓強(qiáng)度JCS=8 728 t/m2；基本頂斷裂面基礎(chǔ)摩擦角Φb=30°；基本頂巖層擠壓高度系數(shù)G=0.1245；Gz=0.10。

3.1 直接頂初次垮落步距

由15201工作面綜合柱狀圖和工作面兩順槽掘進(jìn)的揭露情況，取工作面直接頂為2.00m石灰?guī)r，按四邊固支單向板計(jì)算，代入數(shù)值即：

為此，將15201工作面直接頂巖層初次垮落步距確定為23.12m～29.85m。

3.2 基本頂來壓步距和來壓強(qiáng)度

根據(jù)15201工作面綜合柱狀圖初始參數(shù)，由RST采場(chǎng)礦壓計(jì)算軟件得出的主要計(jì)算結(jié)果包括：基本頂初次來壓步距L1=55.08m～70.39m，平均62.93 m；基本頂初次來壓強(qiáng)度ZH1=204.22 t/m～208.74 t/m，平均206.99 t/m；基本頂二次斷裂步距L2=6.00m～6.98m；基本頂二次來壓強(qiáng)度ZH2=151.77 t/m～176.68 t/m；基本頂周期來壓步距Li=10.62m～16.93 m；基本頂周期來壓強(qiáng)度ZH=147.84 t/m～201.87 t/m。

4 15201長(zhǎng)壁工作面礦壓觀測(cè)

15201工作面采用走向長(zhǎng)壁后退式采煤方法，一次采全高回采工藝，全部垮落法管理頂板（輔以強(qiáng)制放頂）。工作面基本支架由DW25—250//100L單體液壓和HDJY－1200型金屬鉸接頂梁組成，輔以后排密集支柱和木垛控制頂板。支架間距0.60m，排距1.0m，4排～3排布置管理頂板，每組梁下有3根～4根基本柱和4根柱點(diǎn)柱，全工作面布置木垛，間距5.0m。

工作面頂板壓力觀測(cè)是應(yīng)用單體液壓支柱工作阻力巡回檢測(cè)儀，通過測(cè)量全工作面設(shè)定的7條測(cè)線上支柱的工作阻力來實(shí)現(xiàn)。礦壓觀測(cè)工作隨工作面推進(jìn)跟班連續(xù)觀測(cè)。

在生產(chǎn)過程中，除對(duì)所有設(shè)定測(cè)區(qū)內(nèi)全部單體液壓支柱進(jìn)行觀測(cè)外，還要觀測(cè)工作面所有單體液壓支柱的工況，統(tǒng)計(jì)工作面機(jī)道上方頂板的完整狀況，并將工作面礦壓顯現(xiàn)情況跟班記錄，將實(shí)測(cè)結(jié)果填入礦壓觀測(cè)記錄表。礦壓觀測(cè)方案，見圖1。

圖1 15201長(zhǎng)壁工作面礦壓觀測(cè)平面布置示意圖

圖2 15號(hào)煤層15201工作面頂板來壓曲線圖

泊村煤礦15號(hào)煤層15201工作面自開始試采，礦壓觀測(cè)工作與此同時(shí)進(jìn)行，截止工作面推進(jìn)約90m時(shí)，獲得了1 000多個(gè)有效的礦壓觀測(cè)數(shù)據(jù)，觀測(cè)到了直接頂初次跨落，基本頂初次來壓步距和初次來壓強(qiáng)度，周期來壓步距和周期來壓強(qiáng)度等礦壓參數(shù)，達(dá)到了礦壓觀測(cè)的預(yù)期目標(biāo)。15201工作面礦壓觀測(cè)曲線，見圖2。

表2為泊村煤礦15號(hào)煤層15201長(zhǎng)壁工作面礦壓觀測(cè)結(jié)果與理論計(jì)算預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)照表。結(jié)果顯示，理論計(jì)算預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果一致。

表2 15號(hào)煤層15201長(zhǎng)壁工作面礦壓觀測(cè)結(jié)果計(jì)算預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)照表

泊村煤礦15號(hào)煤層15201工作面礦壓觀測(cè)結(jié)果證實(shí)，薄板礦壓理論在長(zhǎng)壁工作面堅(jiān)硬頂板的礦壓規(guī)律計(jì)算預(yù)測(cè)方面的理論價(jià)值和工程應(yīng)用價(jià)值，以及在工作面支架選型和頂板管理方面的重要指導(dǎo)意義。

［1］賈喜榮.巖石力學(xué)與巖層控制［M］.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2010.

［2］賈喜榮，劉國(guó)利，徐林生.采場(chǎng)礦壓計(jì)算分析方法［J］.煤炭學(xué)報(bào)，1993（5）:13-19.

［3］賈喜榮.礦山巖層力學(xué)［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，1997（9）:469-485.

［4］賈喜榮，翟英達(dá)，楊雙鎖.放頂煤工作面頂板巖層結(jié)構(gòu)及頂板來壓計(jì)算［J］，煤炭學(xué)報(bào)，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

編輯：徐樹文

2011-02-28

韓豐（1983—），男，安徽阜陽(yáng)人，在讀碩士研究生，從事礦山壓力與巖層控制研究。

1672-5050（2011）05-0036-03