初次来压步距的计算

活鸡兔井21303综采工作面顶板初次来压步距的计算
神东煤炭公司生产技术部石飞
摘要综采工作面在从切眼推进一段距离以后老顶初次来压自然冒落，在老顶垮落时，工作面出现程度不同的切顶，采面大部分液压支架安全阀动作，个别支架甚至压死。

同时，顶板冒落将形成较大范围的飓风，严重威胁到采面工作人员的安全。

因此，
如何科学合理地确定综采工作面的初次来压步距显得尤为重要。

通过对神东公司活
鸡兔井顶板岩石力学性质进行科学分析，为综采工作面初次来压步距的确定提供一
定的理论依据。

关键词综采工作面初次来压步距计算
根据近年来神东公司各矿井顶板情况，普遍直接顶较厚，基岩厚度较薄，一般为30～40m，综采面实行初放后，可以实现随采随冒，基本充填了采空区。

但是2004年先后出现的活鸡兔井1-2煤三盘区及榆家梁5-2煤的初次放顶，由于没有直接顶，老顶为砂岩，强度比较大，造成初次来压步距与以往工作面所测步距发生较大偏差，给安全生产造成了影响，虽经过多次放顶及采取安全措施，但是放顶期间及初次来压前的安全风险仍较大。

因此，解决直接顶薄、老顶为砂岩、强度比较大的顶板的初放是目前存在的技术难题。

通过理论分析，确定初次来压的步距范围，可对安全生产起到指导作用。

活鸡兔井是神东煤炭公司大柳塔煤矿所属的一个自然井，年设计生产能力500万t，目前生产能力突破1000万t。

活鸡兔井井田面积63km2，地质储量亿t，可采储量亿t。

21303工作面位于活鸡兔井田西北部，是三盘区的第二个综采工作面。

1 顶板岩层条件和力学模型建立
由厚层整体性强的中砂岩、细砂岩和粉砂岩组成的来压强烈的坚硬顶板，最大厚度～，工作面长240m，顶板柱状图如图1所示。

煤层的埋藏深度～，平均155m；中砂岩的抗拉强度σt=10MPa，抗剪强度τ=25MPa；粉砂岩的抗拉强度σt=，抗剪强度τ=9MPa；细砂岩的抗拉强度σt=，抗剪强度τ=36MPa；覆岩容重按 =m3计算。

初次来压力学模型如图2所示。

图1 21303工作面HB1和HB5的顶板砂岩结构
图2 21303工作面初次来压分析模型
2 21303工作面初次来压步距的计算
1）按整层中砂岩老顶（基本顶）的情况考虑。

此时，因砂岩顶板厚度太大，在初次来压之前，考虑为嵌固厚梁模型较为恰当。

按嵌固厚梁的拉破断考虑时，初次来压步距为：
L 0l = h •（2•σt /q ）1/2.
=×[2×10/（×）] 1/2 （载荷厚度按刚度、厚度公式估计）
= m.
按照梁的模型计算，21303工作面中砂岩老顶的初次来压步距应为。

2）按中砂、粉砂和细砂岩组成老顶（基本顶）的情况考虑。

顶板载荷计算，取中砂岩的弹性模量E 1 =，细砂岩的弹性模量E 3 =，粉砂岩的弹性模量E 2 = ，则
.h E h E h E h E h E )h h h h (h E )(n
n 344333322311n n 443322113111+⋅⋅⋅⋅⋅⋅+++++⋅⋅⋅⋅⋅⋅++++=γγγγγh q n
（q 1）1=γ1•h 1 = MPa.
（q 2）1= MPa.
（q 3）1= MPa.
（q 4）1= MPa.
（q 5）1= MPa.
（q 6）1= MPa.
由于（q 6）1<（q 5）1，因此，大柳塔煤矿活鸡兔井21303工作面的顶板岩层初次来压断
裂的载荷应为1-2煤层上的5层岩层的综合影响，载荷层总厚度为，为采高的倍，均布载荷数值为。

在这种顶板结构条件下，第一层中粒砂岩厚度，其厚度大于3m ，整体性强，且直接赋存于1-2煤层之上，此层中砂岩即为工作面的老顶(基本顶)。

若按嵌固厚梁的拉破断考虑时，初次来压步距为： .
6066
.59504.010247
.920m q
h L t
j ≈=⨯==σ 即按照的中砂岩破断角度作为21303工作面的初次来压判据，初次来压步距应为60m 。

考虑1-2煤层上的中砂岩和粉砂岩作为老顶，厚度为，老顶的抗拉强度按厚度比例因素综合计算，则其折算强度为σt =6MPa ，因此初次来压断裂步距为
.
9278
.91504.06281
.1820m q
h L t
j ≈=⨯==σ 如考虑1-2煤层上的中砂岩、粉砂岩和细砂岩共同作为老顶，厚度为，老顶的抗拉强度按厚度比例因素综合计算，则其折算强度为σt =，因此初次来压断裂步距为：
q
h L t j σ20=
.
23
.
131504 .0
32 .7
2
35
.
24
m =⨯
=
3 结论
1)活鸡兔井1-2煤层21303综采面的顶板岩层结构具有特殊性，煤层之上直接赋存有～的坚硬砂岩老顶，并没有通常意义的直接顶(切眼附近的HB1与HB5钻孔可以佐证)。

2）按照我国《缓倾斜煤层采煤工作面的顶板分类标准》，采空区充填系数（或称直接顶与采高之比）K=0，符合K≤，且初次来压步距大于60m以上，应为来压极强烈的IV级老顶，因此该工作面的初次来压强度将是非常强烈的，应引起足够重视。

3）21303工作面，无论是按照HB1钻孔还是HB5钻孔，理论分析预测的初次来压步距都大于60m以上，整层中砂岩老顶的初压步距为；第一层厚度中砂岩老顶，初次来压步距60m；厚度由中砂岩和粉砂岩2层组成老顶，初次来压步距92m；厚度由中砂岩、粉砂岩和细砂岩3层作为老顶，初次来压步距。

综合现有分析预测结果，21303工作面初次来压步距变化范围60～，平均初次来压步距应为。

如果作保守估计，21303工作面的初次来压步距将会在80～95m之间。