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1、浅埋大采高工作面矿压及支护选型合理性研究姓名：张鑫，学校：中国矿业大学，学历：硕士，单位：西山煤电晋兴能源公司斜沟煤矿，邮寄地址：山西省吕梁市兴县魏家滩镇斜沟煤矿大井宿舍，电话：13403433968摘 要：西山煤电集团斜沟煤矿18503地表被黄土覆盖，该煤层厚度为4.5 m，由于顶底板千变万化，该煤层是典型的浅埋煤层。通过采用不同方法认真研究工作面压力，选用参数合理的液压支架及锚杆，本课题的成功研究对18503工作面以及后续工作面支护的选型和良好位态具有重要的参考价值。关键词：顶板压力 支护阻力 采区 工作面Study on the rationality of mine pressure
2、and selecting-type of support in shallow large mining faceAbstract: The 18503 coal thickness of Xiegou coal mine is 4.5 m in Xishan Coal Electricity Group, and the surface is covered by loess. The coal seam is a typical shallow coal seam, and the roof and floor changes greatly. Using different metho
3、ds to analyze the working face pressure and selecting the reasonable hydraulic support is and bolt of certain guiding significance for the support selection of the working face and the subsequent working face and ensuring the good posture.Keywords: roof pressure; support resistance1 18503工作面概况西山煤电集团
4、斜沟煤矿18503工作面处于+964 m水平，开采15采区8#煤，该地表面几乎被黄土覆盖,地势中高南北低,非常复杂，盖山厚度173392m。工作面位置处于15采区皮带下的山北侧面,北是矿界煤柱，东、西均为实煤区。地面标高+950+1208 m，工作面标高+750+944 m，工作面可采长度为7194 m，工作面长294.6 m，工业储量347.7万t。煤厚3.76 m，倾角9.7，煤层偏黑，形态为块状条带状，半暗淡型，煤层沟壑纵横，含12层泥岩夹矸。顶底板岩性见表1。表1 煤层顶底板岩性煤层顶底板情况顶底板名称顶底板岩性厚度(m)岩 性 特 征老顶中粗粒砂岩7.9517.7913.90灰白色，
5、石英的成分为主，状态为厚层状，形态是泥质胶结，岩层颗粒为葫芦状上细下粗，下部分含有一些砾。直接顶泥 岩0.003.551.88灰黑色或者灰色，结构较脆易碎，含一些植物化石，局部变薄相变为炭质泥岩。直接底泥 岩0.003.151.42灰黑色或灰色，不仅含有植物的根、茎化石，有时还有砂质或泥质。厚度不稳定，局部尖灭。老底细中粗粒砂岩1.0524.3610.17灰白色，构造为中厚层中粒结构，石英、长石的成分为为主。岩层上部有些相变为细砂岩或粉砂岩，岩层下部相对较粗。2 工作面顶板围岩分类工作面的直接顶和老顶的完整程度及稳定性等因素影响到工作面支架的选择1-2，相反，它们空间的相对位置关系与回采工作面
6、矿山压力的显现具有紧密的联系。2.1 直接顶分类直接顶分类见表1。由表1可知，直接顶岩性结构为易碎易冒的泥岩，平均厚度为1.88 m，边采边冒，属于I类不稳定性顶板。根据经验公式计算所得，冒落带高度约为13.5 m，因此，在工作面回采时，应该注意直接顶将会全部冒落，老顶有时候也有局部发生冒落，造成顶板的压力相对较大，对支架的影响不言而喻。2.2 老顶分类老顶的分级指标是由老顶初次来压当量Pe，其数值由老顶初次来压步距Lf，直接顶充填系数N和煤层采高hm按（1）式确定的3-5。Pe = 241.3 lnLf 15.5N + 52.6 hm （1）式中，Pe 老顶初次来压当量，kPa； Lf 老顶
7、初次来压步距，m； N 直接顶充填系数，N=hi / hm（hi 为直接顶厚度，m）；hm 煤层采高，m；经计算得到975Pe1075，即老顶属III级老顶，来压表现相当强烈，老顶的悬露与垮落都会对工作面的支架产生严重的后果。所以，在选择工作面回采支架管理及支架过程中都要时刻观察老顶的垮落回转状况，确保支架选择的合理性、及管理的严谨性。3 支架荷载计算及选型3.1 顶板压力估算分析6-8常规方法估算P0 = 8h = 8254.5 1100 kN / m2式中，P0 顶板压力，kN / m2； 上覆岩层视密度，取25 kN / m3；h 采高，取h = 4.5 m。经验公式计算Pt = h/(
8、kp-1)cos= 4.5/(1.2-1)25cos9.7= 554 kN / m2式中，Pt 顶板压力，kN / m2； 上覆岩层视密度，取25 kN / m3；h 采高，取h = 4.5 m；kp 碎胀系数，取1.2； 煤层倾角，（）。3.2 支护强度验算我矿ZY7600/23/47掩护式液压支架支护强度为：P F / S 式中：P 支架支护强度，kPa；F 支护工作阻力，取7600 kN；S 支架支护面积，取S=7.14m2。P = 7600/7.14 = 1064.43 kN / m2由于P都大于述两种方法计算所得的支架支护强度，因此ZY7600/23/47掩护式液压支架支护强度能够适
9、应实际的要求。综合上述计算，液压支架选型为ZY7600/23/47柱掩护式液压支架3.3 最大、最小控顶距L小 D + EL大 D + E + S式中：D 液压支架顶梁长度，取4050 mm；E 端面距，取505 mm；S 采煤机截深，取800 mm。经上述计算，工作面的最小控顶距为4555 mm，最大控顶距为5355 mm,。4 巷道加强支护由于工作面走向长度长，煤质硬等原因使得回采巷道使用时间较一般巷道长，由此造成顶板破碎、底板鼓起、两帮变形较严重，因此为了确保生产期间巷道的正常使用，需要对巷道进行加强支护。锚杆参数的确定锚杆长度通常按下式计算：式中：L锚杆长度，m；L1锚杆锚固段长度，锚
10、固长度取0.7 m；极限平衡区深入围岩的深度；L3锚杆外露长度，一般取0.15 m。顶锚杆长度计算得Ld=1.927，取2 m。帮锚杆长度计算得Lb=1.734，取1.8 m。锚杆直径D的确定锚杆的直径D，锚杆的间排距和单根锚杆的最大承载能力之间存在着反比关系。计算锚杆直径时，每根锚杆所维护的面积S是按照最大承载能力来设定的，在S确定的情况下，需要支护加固的最大载荷密度为：qd=n(R-h)式中：极限平衡区煤或岩石的体积力，取14000 N / m3；n荷载备用系数，4.5；h矩形巷道的半高，1.1；R极限平衡区半径。计算得qd=8.98104 N。根据每根锚杆的荷载集度及所维护的面积S，将S
11、代入可以准确的计算出每根锚杆所承受的载荷，从而确定出锚杆直径，计算公式如下所示：式中： D锚杆直径，mm；杆体材料的许用强度，400 MPa；S锚杆的维护面积，取0.8 m2；计算得D=15.12 mm，取18 mm。因此，确定工作面巷道两帮锚杆长度为1.8 m，锚杆直径长度为18 mm，顶板锚杆长度为2 m。锚杆间排距的确定由于锚杆悬吊的岩石重量等于锚杆的锚固力，及锚杆间的排距是由每根锚杆悬吊的岩石重量来确定。通常锚杆按等距排列，即排距、间距相等，设为a。则有： （4-7）式中：D锚杆直径，18 mm；杆体材料的许用强度，400 MPa；qd极限平衡区载荷, 8.98104 N。计算得a=1
12、.065 m，即锚杆间排距不超过1.065 m，可满足顶板支护要求。根据斜沟煤矿以往开采经验及相邻采区工作面工程类比，最终确定锚杆间排距为0.8 m0.8 m。锚索参数的确定锚索长度L锚索悬吊下位锚网支护体的理论是锚索的理论计算的基础，考虑采动影响时，锚索加强支护时需要考虑的荷载范围就是极限平衡区深入围岩的深度。在锚索长度的设计中采用现场围岩分析和理论计算两种方法。当考虑采动影响时巷道周边极限平衡区半径如下式所示：式中：K1采动影响系数，2.3。计算得=3.242 m。=Rr计算得=1.348m。锚索长度通常按下式计算： （4-9）式中：锚索长度，m；L1坚硬岩层内的锚固段长度，现场每根锚索使
13、用的树脂锚固剂不得少于3块，锚固长度达2.1 m；max受采动影响时极限平衡区深入围岩的深度与潜在垮落危险高度，两者当中的较大值；L3锚杆外露长度，一般0.3 m。计算得L = L1+L3=2.1+0.884+0.3=3.284 m为防止工作面回采时，由于回采动压造成工作面回风巷顶板极限平衡区向顶板深处扩的现象。锚索长度应不小于4.93 m可满足顶板支护要求，及锚索长度留取1.5备用系数。结合顶板条件，其直接顶为1.88 m泥岩，考虑锚索的悬吊作用，取锚索长度为5.8 m。同时在已有支护的基础上，在顶板处采用锚索+锚杆+W型钢带沿走向布置，与已有的支护构成纵横相接的支护整体，加强巷道的整体支护
14、效果，并对局部失效支护段挂网补打锚杆，保证支护系统的稳定有效性。5 工作面顶板控制事项（1）当工作面顶板出现破碎现象时，为了实现超前支护，应该马上提前移架，而超前支护范围应超出顶板破碎段上下各3个架。（2）当工作面顶板出现破碎现象时，支架顶梁前端面顶板冒落高超过300 mm 时，必须进行构顶。（3）若遇到片帮造成端面距超过规定，顶板压力大时，需提前移架。（4）当工作面回采时，为确保移架数，移架质量，必须采取防倒架措施，防止相邻之间的支架脱离，坚持每移必调。6 结 论在对18503面顶板采用不同方法深入研究矿压分析的基础上，选择了技术参数合理符合要求的液压支架，并对巷道所用锚杆进行了研究，为工作
15、面采场及巷道精细矿压管理奠定了基础及可靠的理论依据。参考文献 乔文俊.寸草塔二矿近浅埋煤层掩护式液压支架适应性分析J.煤矿安全,2013,11(03):52-53. 尹希文,朱拴成,安泽,薛吉胜,秦子晗.浅埋深综放工作面矿压规律及支架工作阻力确定J.煤炭科学技术,2013,60(05):51-52. 张剑.极近距煤层下位煤层巷道围岩控制原理及应用J.煤炭工程,2013(08):27-30. 崔廷锋,张东升,范钢伟,姜玉超,王晓智.浅埋煤层大采高工作面矿压显现规律及支架适应性J.煤炭科学技术,2011,31(01):26-28. 王国法,刘俊峰,任怀伟.大采高放顶煤液压支架围岩耦合三维动态优化设计J.煤炭学报,2011,19(01):146-147. 卢鑫,张东升,范钢伟,崔霆锋,王晓东.厚砂层薄基岩浅埋煤层矿压显现规律研究J.煤矿安全,2008,3(09):10-12. 崔千里,吴建星.浅埋深半煤岩回采巷道锚杆支护参数优化J.煤炭工程,2015 (10):48-50. 张俊文,袁瑞甫,李玉琳.厚泥岩复合顶板煤巷围岩控制技术研究J.岩石力学与工程学报,2017 (01):153-155.6稳重