采场力学结构的实例分析

采场力学结构的实例分析

通过对鹤煤九矿的地质资料分析，并结合采煤工作面实测数据，探讨了岩层运动、顶板垮落、周期来压等地质因素对3102工作面顶板进行了数字化分析，从而为工作面回采工作提供了理论依据。

标签：直接顶垮落老顶来压步距支撑力分布

1 研究区的概况

3102工作面是三水平一采区的首采面，该工作面平均走向长508m，平均倾斜宽146m，煤层平均厚度为8.25米，工作面倾角平均为13°，面积为136519m2，地面对应地形属丘陵阶地，高差不大，地面标高一般在+157～+220m之间，煤层底板标高为-450～-520m，该工作面煤层距地面垂深为607～740m，第三、四系冲积层厚度一般在103～152m之间。

2 岩梁结构情况

根据工作面地质条件来分析，参照参考文献[1]，得出表1，表2：

按照传递岩梁的运动理论，参考挠度法的计算方法，知：

每一“传递岩梁”由包括支托层及其之上的随动层的同时运动（近乎同时运动）岩层组成。相邻岩层是否同时运动，是判别它们是否构成同一岩梁的依据，按表1、表2进行判断。

式中：MS和ES——分别为下位岩层的厚度和弹性模量；MC和EC——分别为上位岩层厚度和弹性模量。

由于各岩层的弹性模量不容易得到，所以本文用岩层的抗压强度来代替。根据以上两式的计算，得出本工作面的岩梁结构：根据表2知，从岩梁结构的角度，3102工作面在顶板上方有3个岩梁，对工作面有直接影响的岩梁为M1。

3 直接顶高度分析

根据表1，M0为主采煤层，煤层上方M1为砂质泥岩，岩层厚度为8.61米。由于厚度较大，节理裂隙较发育，将分层分次冒落，下部冒落成为不规则的矸石，而上部冒落成为排列整齐的大块状岩块。按照细砂岩常规分层规律，细砂岩垮落的分层厚度大多为0.6～2m，本章取1m作为细砂岩的分层条件（见参考文献[2]），考虑到回采率97%和放煤率80%，岩层可沉陷范围为2.2×0.97+6.05×0.8=6.98m。

M1按照分层的厚度，自下而上分成M1-1到M1-9，M1-1到M1-9分别为1米，M1-9为0.61米。

由于M1-1的分层厚度为1米，而M1-1的允许沉陷范围为采高6.98-6.05×0.2×（1.3-1）=6.62m米，（考虑沉陷余量0.5米参与计算），即11.585+0.5（考虑沉陷余量0.5米参与计算），M4不再冒落。

所以直接顶高度为1.21+8.61+1.45+6=17.27米。

4 直接顶垮落步距计算

根据参考文献[1]，所列岩梁裂断步距计算方法。

各传递岩梁在自重作用下自行运动（来压）步距首先进行第一次裂断来压步距（CO）按照两端嵌固的结构，得到第一次来压步距的计算公式为：

式中：MS、MC——岩梁下部（支托）岩层和上部（随动）岩层厚度；[σS]——下部（支托）岩层允许拉应力；γ——岩梁平均容重；CO——本岩梁第一次来压步距。

由前面分析知，M1-1第一次裂断，但是由于M1-2——M1-9虽然也依次裂断，但是由于他们的厚度与岩性与M1-1相同，所以，不能按照随动层的结构计算。所以直接顶的第一次来压步距为：

直接顶的周期来压步距为：Ci=0.288×16.8=4.84m

5 老顶来压步距计算

5.1 老顶岩梁初次来压步距

根据参考文献[1]，所列岩梁裂断步距计算方法。根据老顶的运动特点，老顶初次来压步距采用嵌固梁的结构计算。

由前面分析知，M4为支托层，M5-M6为随动层，共同参与岩梁的运动，厚度为10.62米。

=41m

5.2 老顶岩梁的周期来压步距

根据参考文献1，所列岩梁裂断步距计算方法。

由公式递推为，老顶周期来压步距为：Ci=0.288×C0=11.8m.

老顶的周期来在11.8米左右。

6 支承压力分布范围研究

由于顶煤比采高大很多，故顶煤形成的高峰比底层采煤形成的高峰大很多，煤厚取顶煤6m，结合相关的文献，相关取值如下：

解式得Xmax=14.42m。由于此距离是压力高峰位置距离未放顶煤末端的距离，故距离工作面处煤壁的距离应在此基础上减去控顶距，工作面前方14.42-6.4=8.02米为支承压力极限平衡区。

7 结语

通过计算得到的理论计算数值如表3所示：

参考文献：

[1]宋振骐.实用矿山压力理论.中国煤炭工业出版社.1985.

[2]姜福兴.采场顶板控制设计及其专家系统（姜福兴）.中国矿压大学出版社.2000.

[3]陈永文.晋城顶煤采场支承压力分布规律研究.煤炭科学技术.1997.