張 亮，曲秋揚(yáng)，解興智

(1.煤炭科學(xué)研究總院 開(kāi)采研究分院，北京 100013；2.天地科技股份有限公司 開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013)

空巷頂板結(jié)構(gòu)特征及穩(wěn)定性因素分析

張 亮1，2，曲秋揚(yáng)1，2，解興智1，2

(1.煤炭科學(xué)研究總院 開(kāi)采研究分院，北京 100013；2.天地科技股份有限公司 開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013)

綜采工作面過(guò)空巷一直是影響安全高效回采的技術(shù)難題，通過(guò)構(gòu)建過(guò)空巷時(shí)頂板結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，分析了基本頂斷裂位置、周期來(lái)壓步距、基本頂厚度及空巷寬度對(duì)空巷基本頂穩(wěn)定性的影響。研究結(jié)果表明：當(dāng)基本頂斷裂線位于空巷上方時(shí)是最不安全的情況，并推出此種情況下安全過(guò)空巷時(shí)支架所需提供的工作阻力；空巷寬度與頂板穩(wěn)定性成反比，周期來(lái)壓步距與頂板穩(wěn)定成正比，基本頂厚度對(duì)頂板穩(wěn)定性的影響較小。

過(guò)空巷；頂板破斷特征；穩(wěn)定性因素

空巷是布置于綜采工作面回采范圍內(nèi)的巷道，根據(jù)空巷軸線和切眼軸向的相對(duì)位置，可分為平行空巷和斜交空巷。當(dāng)工作面回采過(guò)程中過(guò)平行空巷時(shí)，頂板一次性揭露面積最大，空頂也最大，容易發(fā)生片幫冒頂事故，因此最為危險(xiǎn)。雖然現(xiàn)在過(guò)空巷普遍采取調(diào)斜工作面快速推進(jìn)，但效果卻有好有壞，有的空巷在不支護(hù)的情況下礦壓顯現(xiàn)也不明顯，而有的空巷在錨桿、錨網(wǎng)和單體聯(lián)合支護(hù)下也出現(xiàn)片幫冒頂情況，其主要原因是對(duì)空巷上方頂板結(jié)構(gòu)研究不足及由此形成的礦壓規(guī)律不明，不能針對(duì)性地找到一套安全可靠的工藝措施[1-5]。

因此本文通過(guò)構(gòu)建空巷頂板結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，分析影響空巷頂板穩(wěn)定性的幾個(gè)關(guān)鍵因素，特別是基本頂斷裂線位置、采空區(qū)充填情況、空巷寬度和支護(hù)情況對(duì)空巷頂板穩(wěn)定的影響，并采取3dec離散元數(shù)值模擬軟件分析過(guò)空巷時(shí)頂板礦壓規(guī)律及覆巖變形破壞特征，基于以上研究設(shè)計(jì)神府礦區(qū)某礦12103工作面過(guò)空巷方案。

1 空巷頂板結(jié)構(gòu)特征分析

根據(jù)文獻(xiàn)[6-7]可知，工作面在回采過(guò)程中基本頂會(huì)超前工作面煤壁斷裂，斷裂后的巖塊與垮落的巖塊鉸接形成“砌體梁”結(jié)構(gòu)，當(dāng)工作面推進(jìn)到鉸接點(diǎn)下方時(shí)該結(jié)構(gòu)容易發(fā)生滑落失穩(wěn)或回轉(zhuǎn)失穩(wěn)，由此會(huì)導(dǎo)致臺(tái)階下沉或切頂事故，而當(dāng)工作面存在空巷時(shí)，根據(jù)基本頂斷裂線和空巷的相對(duì)位置關(guān)系可將其分為兩種情況，一是斷裂線位于煤壁上方，見(jiàn)圖1(a)；二是斷裂線位于空巷上方，見(jiàn)圖1(b)，當(dāng)基本頂斷裂線位于空巷上方時(shí)，巖塊鉸接點(diǎn)下方無(wú)煤柱支撐，此情況下鉸接巖塊極易發(fā)生滑落失穩(wěn)，因此以下對(duì)該情況下的頂板特征進(jìn)行力學(xué)分析。

圖1 空巷頂板破斷類(lèi)型

2 基本頂斷裂線位于空巷上方時(shí)的力學(xué)分析

從圖1(b)可以看出，巖塊A和巖塊B“鉸接結(jié)構(gòu)”的穩(wěn)定性決定著工作面頂板礦壓的大小，是關(guān)鍵塊體，因此主要對(duì)巖塊A和巖塊B進(jìn)行力學(xué)分析。巖塊A和巖塊B的長(zhǎng)度L為基本頂周期來(lái)壓步距，P1和P2為塊體承受的載荷，θ1為巖塊A的轉(zhuǎn)角，θ2為巖塊B的轉(zhuǎn)角，T為鉸接點(diǎn)的水平力，Q為鉸接點(diǎn)的摩擦力，W1為巖塊A在采空區(qū)的下沉量，W2為巖塊B在采空區(qū)的下沉量，h為基本頂厚度，x為空巷寬度，R1為支架支撐力，R2為塊體受到矸石的支撐力(圖2)。

圖2 空巷頂板結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

根據(jù)巖塊回轉(zhuǎn)的幾何接觸關(guān)系，巖塊端角擠壓接觸面高度近似為[8]：

a=0.5(h-Lsinθ1)

(1)

鑒于巖塊間是塑性鉸接關(guān)系，圖2水平力T作用點(diǎn)可取0.5a。

取A點(diǎn)力矩MA=0，并近似認(rèn)為R2=P2，可得：

Q(Lcosθ1+hsinθ1+L)-P1(0.5Lcosθ1+hsinθ1)+T(h-a-W2)+R1X=0

(2)

由幾何關(guān)系可得：

W1=Lsinθ1

(3)

W2=L(sinθ1+sinθ2)

(4)

根據(jù)文獻(xiàn)[8]，sinθ1=4sinθ2

(5)

Q=Ttanφ，tanφ=0.5

(6)

取豎直方向的合力為0，可得：

2Q+R2=P1

(7)

將式(3)、(4)、(5)、(6)、(7)代入到式(2)中可得：

R1=P1[ (L-hsinθ1+h)-1.5Lsinθ1]/

(Lcosθ1+hsinθ1+L+h-1.5Lsinθ1-2X)

(8)

從式(8)中可以直接看出，空巷寬度X與支架所需支撐力成反比，空巷越寬，支架需要提供的支撐力越大，上覆載荷P1與支架所需支撐力成正比，而周期來(lái)壓步距L、基本頂厚度h和支架所需支撐力的關(guān)系不能直觀看出。

現(xiàn)采用單一元素分析法，分別分析以上3個(gè)因素對(duì)過(guò)空巷時(shí)支架所需提供支撐力的影響。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可知：周期來(lái)壓步距L一般在15～30m之間，基本頂厚度h在5～25m之間，空巷寬度一般在3～10m之間，巖塊角度θ1在1～5°之間。

2.1 空巷寬度對(duì)過(guò)空巷的影響

取基本頂周期來(lái)壓步距為25m，基本頂厚度為10m，巖塊轉(zhuǎn)角為3°，當(dāng)空巷寬度分別從3m到9m取值時(shí)，支架所需提供支撐力從0.62P1提高到0.8P1(圖3)，空巷寬度越大，過(guò)空巷時(shí)頂板穩(wěn)定性越差。

圖3 空巷寬度對(duì)過(guò)空巷時(shí)頂板穩(wěn)定性的影響

2.2 基本頂厚度對(duì)過(guò)空巷的影響

取周期來(lái)壓步距為25m，巖塊轉(zhuǎn)角為3°，空巷寬度為6m，當(dāng)基本頂厚度從5m增加到19m時(shí)，支架所需提供支撐力從0.67P1緩慢提高到0.73P1(圖4)，可以看出基本頂厚度對(duì)過(guò)空巷頂板穩(wěn)定性影響較小。

圖4 基本頂厚度對(duì)過(guò)空巷時(shí)頂板穩(wěn)定性的影響

2.3 周期來(lái)壓步距對(duì)過(guò)空巷的影響

取基本頂厚度為10m，巖塊轉(zhuǎn)角為3°，空巷寬度為6m，當(dāng)周期來(lái)壓步距從15m逐步增加到30m時(shí)，支架所需支撐力從0.85P1下降到0.65P1(圖5)，可以看出周期來(lái)壓步距越長(zhǎng)，過(guò)空巷時(shí)風(fēng)險(xiǎn)越小。

圖5 周期來(lái)壓步距對(duì)過(guò)空巷時(shí)頂板穩(wěn)定性的影響

3 過(guò)空巷安全性分析

3.1 空巷工作面概況

神府礦區(qū)某礦12103綜采工作面，走向1200m，傾向250m，距切眼150m處存在一個(gè)平行切眼的空巷，空巷尺寸為5m×3m，采用直徑18mm，長(zhǎng)度為2.2m的錨桿支護(hù)；工作面采用ZY10000kN液壓支架支護(hù)頂板，支架高度2～4m，全垮落法管理頂板；12103煤層厚度3m，堅(jiān)固性系數(shù)f=1.2，埋深180m，直接頂為6m的砂質(zhì)泥巖，基本頂厚度為8m的細(xì)粒砂巖；基本頂周期來(lái)壓步距為23m。

3.2 過(guò)空巷安全性分析

根據(jù)直接頂厚度H=6m，采高m=3m，基本頂來(lái)壓步距L=23m，巖石碎漲系數(shù)Kp=1.3，可得巖塊轉(zhuǎn)角θ1=arcsin[(m-(Kp-1)H)/L]=3°

將上述參數(shù)代入公式(8)可得：

R1=0.62P1

根據(jù)組合梁理論可知基本頂及載荷層重量P1=5857.6kN/m

R1=0.62P1=3631.7kN/m

支架工作阻力p應(yīng)為：

p=(R1+rHc)b

式中，b為支架寬度，1.75m；r為直接頂巖石容重，21.2kN/m3；c為支架頂梁長(zhǎng)度，5.5m。

p=7579.8kN<10000kN

根據(jù)上述分析可知，支架額定工作阻力10000kN大于過(guò)空巷時(shí)所需的支撐力，因此只要保證支架良好工作狀態(tài)，過(guò)空巷時(shí)基本頂不會(huì)發(fā)生臺(tái)階下沉或切頂事故。

4 結(jié) 論

(1)基本頂斷裂位置是影響空巷頂板穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，當(dāng)基本頂斷裂線處于空巷上方時(shí)，頂板鉸接結(jié)構(gòu)最易失穩(wěn)，容易導(dǎo)致切頂或臺(tái)階下沉。

(2)空巷寬度和頂板穩(wěn)定性成反比，基本頂周期來(lái)壓步距和頂板穩(wěn)定性成正比，基本頂厚度對(duì)頂板穩(wěn)定性的影響較小。

(3)定量分析了過(guò)空巷基本頂穩(wěn)定性和支架工作阻力的關(guān)系，可以得出過(guò)空巷時(shí)保持頂板穩(wěn)定所需支架工作阻力，理論上解決了工作面過(guò)空巷的技術(shù)難題。

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[責(zé)任編輯：潘俊鋒]

云南省政府召開(kāi)煤礦安全生產(chǎn)集體約談會(huì)

近日，云南省政府召開(kāi)煤礦安全生產(chǎn)集體約談會(huì)議，深刻分析當(dāng)前煤礦安全生產(chǎn)工作中存在的突出問(wèn)題，強(qiáng)調(diào)全面落實(shí)企業(yè)主體責(zé)任、地方屬地管理責(zé)任、部門(mén)監(jiān)管責(zé)任，扎實(shí)做好煤礦安全生產(chǎn)工作，堅(jiān)決遏制重特大事故，為黨的十九大勝利召開(kāi)營(yíng)造穩(wěn)定的安全環(huán)境。

約談會(huì)上，副省長(zhǎng)董華代表省政府對(duì)近期發(fā)生煤礦安全事故、隱患突出的重點(diǎn)產(chǎn)煤州市縣政府和企業(yè)負(fù)責(zé)人進(jìn)行了約談。被約談對(duì)象深入分析問(wèn)題原因，并提出了整改措施。董華要求，各級(jí)各部門(mén)要認(rèn)清當(dāng)前煤礦事故抬頭、違法違規(guī)行為較突出、責(zé)任不落實(shí)、隱患排查治理不到位的嚴(yán)峻形勢(shì)，始終緊繃煤礦安全生產(chǎn)這根弦，提高政治站位，切實(shí)履行職責(zé)，確保全省煤礦安全生產(chǎn)形勢(shì)持續(xù)穩(wěn)定好轉(zhuǎn)。

摘自：《煤炭信息》周刊2017.9.21

AnalysisofStabilityFactorsandAbandonedRoadwayRoofStructureCharacters

ZHANG Liang1,2，QU Qiu-yang1,2，XIE Xing-zhi1,2

(1.Mining Institute，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China；2.Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China)

Fully mechanized working face pass abandoned roadway was difficulty technology problem that influence safety and high effective mining，then roof mechanized model during pass abandoned roadway was built，then the influence factors to roof stability were analyzed，which included main roof broken position，periodic weighting distance，main roof thickness and abandoned roadway width and so on，the results showed that it was unsafe as main roof broken line located above abandoned roadway,then the working resistance of support that pass abandoned roadway safety was put forward，the abandoned roadway width and roof stability presented as inverse ratio，the periodic weighting distance and roof stability presented as directly ratio，the influence that main roof thickness to roof stability was small.

pass abandoned roadway，roof broken characters；stability elements

TD327.2

A

1006-6225(2017)05-0086-03

2017-05-27

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.05.022

國(guó)家青年科學(xué)基金：黃隴侏羅紀(jì)煤田松軟富水頂板災(zāi)變機(jī)理研究(51504136)

張 亮(1987-)，男，河北邯鄲人，碩士，助理工程師，主要研究方向礦山壓力與巖層控制。

張 亮，曲秋揚(yáng)，解興智.空巷頂板結(jié)構(gòu)特征及穩(wěn)定性因素分析[J].煤礦開(kāi)采，2017，22(5)：86-88.