韓豐，賈喜榮，紀有利

（太原理工大學礦業(yè)工程學院，山西太原030024）

石灰?guī)r頂板長壁工作面礦壓規(guī)律計算預測與實測對比

韓豐，賈喜榮，紀有利

（太原理工大學礦業(yè)工程學院，山西太原030024）

根據(jù)晉城泊村煤礦15號煤層15201長壁工作面的具體地質(zhì)條件，采用采場薄板礦壓理論對工作面礦壓進行了計算預測,并與現(xiàn)場實際礦壓觀測結(jié)果進行了對比分析，其理論計算預測與工程實測結(jié)果基本一致。文章對類似地質(zhì)條件和開采技術(shù)條件下的工作面礦壓規(guī)律計算預測具有重要的理論意義和工程價值。

采場;薄板礦壓理論；長壁工作面；礦壓觀測

1 采場薄板礦壓理論的闡述

在采場礦壓理論及其的應用研究中，基本頂巖層（老頂）物理力學性質(zhì)、結(jié)構(gòu)模式及其來壓步距的確定（極限跨距）和來壓強度（支架載荷）是問題的核心。在長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強度以下式估算：

式中：Q為頂板的支護強度，t/m3；M為采高，m；γ為頂板巖層容重，t/m3。

在實際工程應用中，上面基于采高的估算方法，往往并不能滿足生產(chǎn)實際的要求。在大采高情況之下，支架的選型將非常不經(jīng)濟或者無法接受；在小采高情況下，則會不安全；尤其在堅硬頂板的條件下，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壁工作面支架選型中，工程類比法將會遇到很多難以確定的因素及諸多困難。

采場薄板礦壓理論是太原理工大學賈喜榮教授在1982-1993年期間建立起的一種采場礦壓計算分析方法。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，設法借助于彈性薄板理論，并結(jié)合煤礦地下開采的工程實際，建立力學模型以及進行量化分析，力求通過理論計算的方法定量計算頂板巖層的來壓步距及來壓強度等礦壓參數(shù)，并且使其盡可能達到工程應用的目的。目前，應用基于采場薄板礦壓理論開發(fā)的RST采場礦壓計算軟件［1～5］，根據(jù)工作面地質(zhì)條件和開采技術(shù)條件等，能夠在開采前對長壁工作面的頂板來壓步距和來壓強度等關(guān)鍵指標進行計算預測，且計算預測結(jié)果通常都可以達到工程要求的量化程度。

2 工作面地質(zhì)概況

15201長壁工作面是15號煤層試驗工作面。工作面覆蓋層厚度為150m～160m，對應地面無建筑物及積水區(qū)。其地質(zhì)構(gòu)造簡單，無特殊地質(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)是北翼回風大巷，工作面開切眼側(cè)與實體煤相鄰。工作面采長100m，走向長420m，采用一次采全高采煤方法和全部垮落法管理頂板。

15號煤層厚為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，堅硬，含燧石及動物化石，具方解石脈，厚度9.12m～10.97m，平均厚度為9.52mm，屬堅硬頂板；根據(jù)工作面兩側(cè)順槽掘進的揭露情況，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 工作面頂板來壓計算預測

泊村煤礦的地質(zhì)條件簡單，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，應用RST專用算軟件對15201工作面頂板來壓規(guī)律進行計算預測，15201工作面頂板來壓計算初始參數(shù)如下：

工作面采長Ly=110m；工作面采高M=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；直接頂巖石抗拉強度σt＇=1086 t/m2；直接頂巖層抗拉強度系數(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；基本頂巖石抗拉強度σt=1 086 t/m2；基本頂巖層抗拉強度系數(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度JCS=8 728 t/m2；基本頂斷裂面基礎摩擦角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度

根據(jù)15201工作面綜合柱狀圖初始參數(shù)，由RST采場礦壓計算軟件得出的主要計算結(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；基本頂周期來壓強度ZH=147.84 t/m～201.87 t/m。

4 15201長壁工作面礦壓觀測

15201工作面采用走向長壁后退式采煤方法，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根柱點柱，全工作面布置木垛，間距5.0m。

工作面頂板壓力觀測是應用單體液壓支柱工作阻力巡回檢測儀，通過測量全工作面設定的7條測線上支柱的工作阻力來實現(xiàn)。礦壓觀測工作隨工作面推進跟班連續(xù)觀測。

在生產(chǎn)過程中，除對所有設定測區(qū)內(nèi)全部單體液壓支柱進行觀測外，還要觀測工作面所有單體液壓支柱的工況，統(tǒng)計工作面機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，將實測結(jié)果填入礦壓觀測記錄表。礦壓觀測方案，見圖1。

圖1 15201長壁工作面礦壓觀測平面布置示意圖

圖2 15號煤層15201工作面頂板來壓曲線圖

泊村煤礦15號煤層15201工作面自開始試采，礦壓觀測工作與此同時進行，截止工作面推進約90m時，獲得了1 000多個有效的礦壓觀測數(shù)據(jù)，觀測到了直接頂初次跨落，基本頂初次來壓步距和初次來壓強度，周期來壓步距和周期來壓強度等礦壓參數(shù)，達到了礦壓觀測的預期目標。15201工作面礦壓觀測曲線，見圖2。

表2為泊村煤礦15號煤層15201長壁工作面礦壓觀測結(jié)果與理論計算預測結(jié)果對照表。結(jié)果顯示，理論計算預測結(jié)果與實測結(jié)果一致。

表2 15號煤層15201長壁工作面礦壓觀測結(jié)果計算預測結(jié)果對照表

泊村煤礦15號煤層15201工作面礦壓觀測結(jié)果證實，薄板礦壓理論在長壁工作面堅硬頂板的礦壓規(guī)律計算預測方面的理論價值和工程應用價值，以及在工作面支架選型和頂板管理方面的重要指導意義。

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

［2］賈喜榮，劉國利，徐林生.采場礦壓計算分析方法［J］.煤炭學報，1993（5）:13-19.

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

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