基于能量计算的预掘回撤通道顶板下沉量分析.pdf
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1、王博楠,谷拴成,李军.基于能量计算的预掘回撤通道顶板下沉量分析J.矿业科学学报,2023,8(5):623-632.DOI:10.19606/ki.jmst.2023.05.004Wang Bonan,Gu Shuancheng,Li Jun.Analysis on roof sag of pre-driven recovery room based on energy calculationJ.Journal of Mining Science andTechnology,2023,8(5):623-632.DOI:10.19606/ki.jmst.2023.05.004基于能量计算的预掘回
2、撤通道顶板下沉量分析王博楠1,谷拴成2,李军31.西安理工大学土木建筑工程学院,陕西西安 710048;2.西安科技大学建筑与土木工程学院,陕西西安 710054;3.陕煤集团神木张家峁矿业有限公司,陕西神木 719300收稿日期:2023-03-01 修回日期:2023-05-15基金项目:陕西省自然科学基础研究计划(2022JQ-357);陕西省教育厅科研计划(21JK0782)作者简介:王博楠(1988),男,陕西西安人,博士,工程师,主要从事矿山压力与岩层控制等方面的研究工作。Tel:15114871307,E-mail:wangbonan 摘 要:采用预掘回撤通道技术的综采工作面在末
3、采阶段易发生顶板大变形而引发压架事故。本文基于工作面贯通后的 3 种基本顶破坏形式,建立了不同的回撤通道顶板力学模型,通过分析顶板变形过程中的能量释放与做功过程,求得不同基本顶破坏形式下的回撤通道直接顶下沉量。结合张家峁煤矿 N14201 工作面回撤通道顶板大变形案例,分析了不同顶板力学模型的影响因素,发现基本顶破断位置、关键块及其上覆岩层厚度、关键块回转角和支护强度对回撤通道顶板下沉量影响显著,确定了张家峁煤矿 N14201 工作面发生压架事故的原因,即基本顶在保护煤柱上方 4 6 m 范围内破断以及上部 3-1煤层开采导致主关键层破断失稳。关键词:综采工作面;末采阶段;预掘回撤通道;顶板下
4、沉量;压架事故中图分类号:TD 353 文献标志码:A文章编号:2096-2193(2023)05-0623-10Analysis on roof sag of pre-driven recovery roombased on energy calculationWang Bonan1,Gu Shuancheng2,Li Jun31.School of Civil Engineering and Architecture,Xian University of Technology,Xian Shaanxi 710048,China;2.School of Architecture and Ci
5、vil Engineering,Xian University of Science and Technology,Xian Shaanxi 710054,China;3.Shennan Zhangjiamao Mining Co.,Ltd.of Shaanxi Coal Group,Shenmu Shaanxi 719300,ChinaAbstract:The fully mechanized mining face adopting pre-driven recovery room is prone to large roof de-formation at the final minin
6、g stage,which will lead to support crushing accidents.Based on the threemain roof failure forms after longwall face entered recovery room,this paper established different me-chanical models for roof sag of the recovery room.By analyzing energy release and work process in roofdeformation,this paper o
7、btained the immediate roof sag of recovery room under different main rooffailure forms.Taking the large roof deformation and support crushing accident of recovery room in theN14201 longwall face of Zhangjiamao Coal Mine as example for analysis,this paper analyzed the influ-encing factors of the mode
8、ls and found that the main roof break position,the thickness of key block andits overlying strata,the rotation angle of key block and the supporting intensity have significant impacton the roof sag of recovery room.The research results confirmed that the reason for the support crushingaccident in N1
9、4201 longwall face of Zhangjiamao Coal Mine:the main roof is broken within 4 6 m a-第 8 卷 第 5 期2023 年 10 月矿 业 科 学 学 报JOURNAL OF MINING SCIENCE AND TECHNOLOGYVol.8 No.5Oct.2023bove the protective coal pillar,and the main key stratum is broken and unstable due to the mining ofupper 3-1coal seam.Key wor
10、ds:fully-mechanized face;final mining stage;pre-driven recovery room;roof sag;support crush-ing accident 预掘回撤通道技术是长壁综合机械化开采工作面常用的一种设备回撤技术,与采煤机自割回撤法相比,能够将设备搬家倒面的时间缩短近 40%。预掘回撤通道是在终采线位置平行于工作面开挖1 条或 2 条巷道,作为设备搬家倒面的空间。在使用锚网索对回撤通道进行初次支护后,会在工作面进入末采阶段前使用垛式液压支架或混凝土柱对回撤通道进行二次补强支护1-4。预掘回撤通道技术已在晋陕蒙等各大矿区得到广泛应用,
11、相关的支护技术和搬家工艺已日趋成熟。针对大采高、深部开采等复杂条件下的设备回撤技术,也已开展了相关的现场试验和技术应用研究5-7。目前,我国学者在末采采场矿压调控和回撤通道煤柱设计方面的研究取得一些具有应用价值的成果。王晓振等8分析了浅埋综采工作面末采阶段的让压开采原理适用性,提出了终采让压位置确定方法;Zhang 等9提出了利用水力压裂技术对回撤通道顶板进行切顶卸压,从而形成稳定结构的技术方法;吕华文10、谷拴成等11、王方田等12分析了末采阶段工作面剩余煤柱的受力和破坏特征,确定了工作面剩余煤柱的临界失稳宽度。尽管在采场矿压调控、回撤通道煤柱和支护设计方面的理论日趋成熟,但回撤通道的顶板大
12、变形问题仍然较为突出且难以解决。即使在西部地区地质条件较好的浅埋煤层矿区,回撤通道中也时常出现顶板大变形问题,有时甚至会造成严重的压架事故。一些学者通过理论分析法建立力学模型来揭示回撤通道的顶板变形机理。杨惠斌等13基于砌体梁理论的支架围岩关系,建立了基本顶给定变形下的直接顶受力模型,利用能量变分法求解了直接顶的下沉量;万镇14根据基本顶破断形式将回撤通道直接顶视为悬臂梁,利用梁的挠度方程计算回撤通道的顶板下沉量;王树帅等15利用简化的超前支承应力分布函数,推导了工作面贯通后的直接顶挠度方程,并分析了不同因素对回撤通道顶板下沉量的影响。虽然有关回撤通道顶板变形机理和下沉量计算已有研究,但目前的
13、理论成果都有各自的局限性。例如,基本顶给定变形方法的推导过程较为复杂且考虑因素不全面;一些研究利用悬臂梁挠度模型简化了计算过程,但不适用于回撤工程案例中顶板变形过大的情况。因此,本文在考虑工作面与回撤通道贯通后基本顶破坏形式的基础上,建立不同的回撤通道顶板力学模型,通过分析顶板变形过程中的能量释放与做功,利用能量守恒原理求得不同基本顶破坏形式下的回撤通道直接顶下沉量,并结合陕北神木张家峁煤矿 N14201 工作面预掘回撤通道中的压架事故案例,对造成回撤通道顶板大变形的影响因素进行分析。1 回撤通道顶板破坏形式当工作面与回撤通道临近贯通和贯通后,根据末次来压基本顶破断位置的不同,通常将预掘回撤通
14、道的顶板破坏形式划分为 3 类8,14,16-17:基本顶在工作面后方破断、基本顶在主回撤通道上方破断和基本顶在主、辅回撤通道间保护煤柱上方破断,如图 1 所示。图 1 工作面与回撤通道贯通后的 3 种顶板破坏形式Fig.1 Three roof failure modes after longwallface enters recovery room由图 1(a)可知,当基本顶在工作面后方破断时,主回撤通道上方的顶板基本完好,液压支架主624矿 业 科 学 学 报第 8 卷要承担超前支承压力作用,主回撤通道的顶板下沉量来自于直接顶的挠曲变形,回撤空间整体处于较稳定的状态,但该状态下岩梁在悬臂
15、长度过大或支护强度不足时,易发生二次破断进而转变为图 1(b)(c)所示的不利破坏形式。由图 1(b)可知,当基本顶在工作面与主回撤通道上方破断时,主回撤通道受到基本顶关键块回转变形动载和超前支承压力静载的叠加作用,其顶板下沉量会显著增大,并且当基本顶断裂线位于保护煤柱边缘时,主回撤通道和液压支架将完全处于关键块的动载扰动下,这对于回撤空间的围岩稳定是极为不利的。由图 1(c)可知,当基本顶在保护煤柱上方破断时,此时煤柱与液压支架共同承担关键块变形产生的动载,一定程度上有利于保持回撤空间的围岩稳定性,但如果关键块及其上覆岩层的压力过大,其回转变形产生的动载会导致保护煤柱侧帮的破坏失稳,仍然会造
16、成回撤通道围岩发生过大的变形。2 回撤通道顶板下沉量计算2.1 基本顶在工作面后方破断根据基本顶在工作面后方破断时的受力特点,建立回撤通道的顶板力学模型,如图 2 所示。q1超前支承压力;fc主回撤通道内垛式支架的支护强度;fs工作面掩护式支架的支护强度;Wr主回撤通道宽度;Wl工作面支架控顶距;hi直接顶厚度;hr主回撤通道高度;d1基本顶在工作面后方破断时的距离,d1Wr+Wl图 2 基本顶在工作面后方破断时顶板力学模型Fig.2 Roof mechanical model when mainroof is broken behind longwall face超前支承压力 q1的表达式1
17、8为q1(x)=(k-1)He-2fm(d-x)+H(1)f=tan 式中,k 为应力集中系数;f 为内摩擦系数;为基本顶岩层内摩擦角;为侧压力系数;为上覆岩层平均容重;H 为煤层埋深;m 为采高,末采时工作面采高会调整至与回撤通道高度一致,可取 m=hr;d 为基本顶破断位置,取 d=d1。在超前支承压力 q1的作用下,直接顶悬臂岩梁内积聚的应变能 Ui为Ui=d10M2(x)2EiIidx(2)M(x)=-12q1(d1-x)2Ii=h3i12式中,Ei为直接顶弹性模量;Ii为直接顶截面惯性矩。将式(1)代入式(2)中,得Ui=3d51(k-1)H(1-e-2fd1hr)210Eih3i(
18、3)回撤通道顶板中积聚的应变能在直接顶变形和释放后,将由下方的垛式支架和掩护式支架承担,根据能量守恒原理可知:Ui=Uc+Us(4)式中,Uc为主回撤通道内垛式支架抵抗顶板变形所做的功;Us为工作面掩护式支架抵抗顶板变形所做的功。当基本顶在工作面后方破断时,假设主回撤通道中部 x=Wr/2 位置的顶板下沉量为 s1,则垛式支架抵抗顶板变形所做的功19为Uc=Wr0fcs1xWr2dx=fcWrs1(5)工作面掩护式液压支架抵抗顶板变形所做的功为Us=Wr+WlWrfss1xWr2dx=fsWls1(2Wr+Wl)Wr(6)将式(3)、式(5)和式(6)代入式(4)中,求解方程得到主回撤通道中部
19、的顶板下沉量 s1:s1=3C1Wrd5110C2Eih3i(7)C1=(k-1)H(1-e-2fd1hr)2C2=fcW2r+fsWl(2Wr+Wl)2.2 基本顶在主回撤通道和工作面上方破断根据基本顶在主回撤通道上方破断时的受力特点,建立回撤通道的顶板力学模型,如图 3所示。625第 5 期王博楠等:基于能量计算的预掘回撤通道顶板下沉量分析q2关键块及其上覆岩层压力;关键块的回转角;d2基本顶在主回撤通道上方破断时的距离,0d2Wr+Wl图 3 基本顶在主回撤通道上方破断时顶板力学模型Fig.3 Roof mechanical model when main roofis broken a
20、bove recovery room当基本顶在主回撤通道上方破断时,直接顶承受的上部岩层荷载分为断裂线前方的超前支承压力和基本顶破断后关键块及其上覆岩层荷载。同理,关键块及其上覆岩层回转变形所释放的能量与直接顶内积聚的应变能,将由下方的垛式支架和掩护式支架承担。根据能量守恒原理:Uk+Ui=Uc+Us(8)式中,Uk为关键块回转变形过程中所做的功。关键块回转变形对回撤通道所做的功,以及回转角的计算方法20如下:Uk=Wr+Wld2q2xdx=12Hm(Wr+Wl)2-d22(9)=arcsinm-hi(kc-1)L(10)式中,Hm为关键块及其上覆岩层厚度;L 为周期来压步距;kc为岩石碎胀系
21、数。Hm应根据覆岩中关键层的判别与破断情况取值,HmH。在超前支承压力和关键块及其上覆岩层压力的叠加作用下,直接顶受弯积聚的应变能为Ui=152H2m(Wr+Wl)5+3d52(k-1)H(1-e-2fd2hr)210Eih3i(11)当基本顶在主回撤通道后方破断时,假设主回撤通道中部的顶板下沉量为 s2,则垛式支架和掩护式支架抵抗顶板下沉所做的功分别为Uc=fcWrs2(12)Us=fsWl(2Wr+Wl)s2Wr(13)将式(9)至式(13)代入式(8)中,求解得到基本顶在主回撤通道上方破断时的顶板下沉量:s2=Wr(C3+C4+C5)10C2Eih3i(14)C3=5Eih3iHm(Wr
22、+Wl)2-d22C4=152H2m(Wr+Wl)5C5=3d52(k-1)H(1-e-2fd2hr)22.3 基本顶在保护煤柱上方破断根据基本顶在保护煤柱上方破断时的受力特点,建立回撤通道的顶板力学模型,如图 4 所示。图 4 中,d3为基本顶在保护煤柱上方破断时的距离,d30。图 4 基本顶在保护煤柱上方破断时顶板力学模型Fig.4 Roof mechanical model when main roof isbroken above protective coal pillar当基本顶在保护煤柱上方破断时,主回撤通道的直接顶下沉量将完全来自于关键块回转变形产生的扰动,同时由于保护煤柱受压
23、也会积蓄应变能,此时顶板释放的能量将由垛式支架、掩护式支架和煤柱共同承担,即Uk+Ui=Uc+Us+Up(15)Uk=12Hm(Wr+Wl)2-d23(16)Ui=32H2m(Wr+Wl+d3)52Eih3i(17)Uc=fcWrs3(18)Us=fsWl(2Wr+Wl)s3Wr(19)Up=hr0F2(x)2EAdx=2H2md3hr2Ec(20)式中,Up为保护煤柱受压积聚的应变能;Ec为煤层弹性模量。式(15)中关键块回转变形、垛式支架和掩护式支架所做的功,以及直接顶弯曲应变能的计算方法与 2.2 节相同。将式(16)至式(20)代入式(15)中,求解得到626矿 业 科 学 学 报第
24、8 卷基本顶在保护煤柱上方破断时,主回撤通道中部的顶板下沉量:s3=Wr(C6+C7-C8)2C2EcEih3i(21)C6=EcEih3iHm(l2-d23)C7=3Ec2H2m(W2r+W2l+d23)C8=Eih3i2H2md3h3 工程案例分析3.1 工程概况陕北神木张家峁煤矿 N14201 工作面是该矿4-2煤盘区北采区唯一的综采面。工作面采用预掘双回撤通道工艺进行设备回撤,主回撤通道内采用垛式液压支架与锚网索联合支护,主、辅回撤通道为矩形断面,通道长300 m,宽 5.2 m,高 3.5 m,主、辅回撤通道间保护煤柱宽为 20 m。N14201 工作面回撤通道的顶板岩层结构和煤层赋
25、存情况如图 5 所示。图 5 N14201 工作面回撤通道顶板岩层结构与分布Fig.5 Roof strata structure and distribution ofrecovery room in N14201 longwall face 由图 5 可知,N14201 工作面上部存在多层硬岩,直接顶为厚 2.34 m 的粉砂岩,基本顶为厚13.30 m 的中粒砂岩,上煤层 3-1煤顶板也赋存有两层坚硬粉砂岩。两煤层间距为 32.34 m,为多关键层结构。在 N14201 工作面终采线附近位置,上部 3-1煤层已回采完毕,3-1煤层覆岩关键层已经破断,因此可能会造成 N14201 工作面在
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