第5期 杨敬轩等：坚硬顶板群下工作面强矿压显现机理与支护强度确定 ·581· 456007 204453 2366796 456005 204452 2366795 456003 204451 2366794 456001 2366793 10 204450% 10 0 10 工作面顶板动载效应持续时间 工作面顶板动截效应持续时间s 工作面顶板动载效应持续时间 a c 图5分层顶板同步失稳的采场冲击效应.()I“坚硬顶板失稳冲击：(b)I~Ⅲ*坚硬顶板失稳冲击：()【~门坚硬顶板失稳冲击 Fig.5 Synchronous instable stope impact effect of the roof group:(a)instable impact of No.I hard roof:(b)instable impact of No.I-ll hard roofs:(b)instable impact of No.I -VI hard roofs 板岩层失稳垮断后对采场的冲击应力大小.可以看 4.5 4.0 一一「顶板单层失稳垮断 出，厚度为16.6m的顶板岩层突然垮断对近距离煤 ◆一【-Ⅲ顶板同步失稳垮断 3.5 ◆一I~门预板同步失稳均断 层的冲击影响较小，冲击载荷大小约为0.456MPa; 3.0 图5(b)给出了I~Ⅲ"坚硬顶板岩层同步失稳后的 25 4 采场冲击应力大小，此时，对工作面采场的冲击载荷 2.0 仅为0.2MPa左右，可见下位的55m厚坚硬顶板岩 1.54 层对上位顶板的垮断冲击效应具有一定的缓冲作 0.5 用；同理分析图5(c)可知，厚度为106.5m的巨厚 900 顶板岩层突然垮断，会给工作面采场带来了巨大冲 00.10.20.3.40.50.60.70.80.91.0 冲击应力波衰减系数 击，此时顶板的冲击载荷量将达到2.4MPa左右. 图6顶板不同破断方式下的工作面矿压强度 根据大同矿区坚硬顶板的失稳破断特征，若考 Fig.6 Face pressure under different types of roof breaking 虑应力波倾斜传播及顶板层间弱面对冲击应力波的 衰减影响，则得到工作面动压力为 尽管I"顶板单层失稳较I~Ⅲ顶板同步失稳 时的动压力大，但顶板同步失稳条件下的高静载又 0a= Πk016,b=1,3,6 (18) 使得多层顶板同步失稳时，工作面综合来压强度较 = 式中，σ6为顶板岩层垮断后对采场的冲击应力 高.由图6可见，工作面矿压强度应为覆岩顶板动、 3.4支架阻力确定 静载荷的联合作用，且多层顶板同步失稳条件下，如 大同矿区某煤层工作面开采过程中影响工作面 果不对巨厚的坚硬顶板岩层预先进行处理，工作面 支护强度的各相关参数1-：岩性相近的砂质坚硬 采场设备将难以满足合理支护要求. 顶板破断角为30°，岩层摩擦系数为0.8，支架中心 4工程应用 距为1.75m,采空区矸石压缩率为4%，采空区矸石 压缩模量为0.126GPa,支架集中力作用点距离煤壁 根据工作面坚硬顶板结构破断的冲击来压特征 1.7m. 与工作面支架阻力的确定方法，大同矿区某矿的综 由此，计算得到I"、I~Ⅲ·、I~Ⅵ顶板关键 放开采工作面选择了ZF15000/28/52型高强度大采 层垮断失稳后的工作面静载0图分别为0.12、1.46 高综采放顶煤支架，保证了I·顶板关键层破断前后 与2.24MPa. 工作面的安全开采，但随着工作面的推进，采场周期 工作面顶板岩性相近条件下，岩层节理弱面对 来压期间仍有部分支架工作阻力增大较快，并伴有 应力波衰减基本相同： 一定安全阀开启现象，且工作面周期来压强度呈现 k1=k2=…=kn=k,∈(0,1) (19) 一定的规律性变化特征，大约每间隔1~2次的一般 根据冲击应力波倾斜入射通过含弱面岩层的传 来压后工作面就会出现一次强矿压显现.此时，工 载规律0-a,联立式(10)、式(18)与式(19)，得到 作面煤壁片帮较为严重，快速增阻支架数量明显增 大同矿区多分层坚硬顶板不同破断方式下工作面来 多，回采巷道超前支护段有闷墩响动，个别钢梁压 压强度，如图6所示 弯、单体折损、顶板下沉明显，并伴有一定帮鼓和底第 5 期 杨敬轩等: 坚硬顶板群下工作面强矿压显现机理与支护强度确定 图 5 分层顶板同步失稳的采场冲击效应． ( a) Ⅰ# 坚硬顶板失稳冲击; ( b) Ⅰ ～ Ⅲ# 坚硬顶板失稳冲击; ( c) Ⅰ ～ Ⅵ# 坚硬顶板失稳冲击 Fig． 5 Synchronous instable stope impact effect of the roof group: ( a) instable impact of No． I hard roof; ( b) instable impact of No． Ⅰ － Ⅲ hard roofs; ( b) instable impact of No． Ⅰ － Ⅵ hard roofs 板岩层失稳垮断后对采场的冲击应力大小． 可以看 出，厚度为 16. 6 m 的顶板岩层突然垮断对近距离煤 层的冲击影响较小，冲击载荷大小约为 0. 456 MPa; 图 5( b) 给出了Ⅰ ～ Ⅲ# 坚硬顶板岩层同步失稳后的 采场冲击应力大小，此时，对工作面采场的冲击载荷 仅为 0. 2 MPa 左右，可见下位的 55 m 厚坚硬顶板岩 层对上位顶板的垮断冲击效应具有一定的缓冲作 用; 同理分析图 5( c) 可知，厚度为 106. 5 m 的巨厚 顶板岩层突然垮断，会给工作面采场带来了巨大冲 击，此时顶板的冲击载荷量将达到 2. 4 MPa 左右． 根据大同矿区坚硬顶板的失稳破断特征，若考 虑应力波倾斜传播及顶板层间弱面对冲击应力波的 衰减影响，则得到工作面动压力为 σd = ∏ b j = 1 k·j σ1b，b = 1，3，6． ( 18) 式中，σ1b为顶板岩层垮断后对采场的冲击应力． 3. 4 支架阻力确定 大同矿区某煤层工作面开采过程中影响工作面 支护强度的各相关参数［21--23］: 岩性相近的砂质坚硬 顶板破断角为 30°，岩层摩擦系数为 0. 8，支架中心 距为 1. 75 m，采空区矸石压缩率为 4% ，采空区矸石 压缩模量为 0. 126 GPa，支架集中力作用点距离煤壁 1. 7 m． 由此，计算得到Ⅰ# 、Ⅰ ～ Ⅲ# 、Ⅰ ～ Ⅵ# 顶板关键 层垮断失稳后的工作面静载［18］分别为 0. 12、1. 46 与 2. 24 MPa． 工作面顶板岩性相近条件下，岩层节理弱面对 应力波衰减基本相同: k1 = k2 = … = kn = kt∈( 0，1) ． ( 19) 根据冲击应力波倾斜入射通过含弱面岩层的传 载规律［15--16］，联立式( 10) 、式( 18) 与式( 19) ，得到 大同矿区多分层坚硬顶板不同破断方式下工作面来 压强度，如图 6 所示． 图 6 顶板不同破断方式下的工作面矿压强度 Fig． 6 Face pressure under different types of roof breaking 尽管Ⅰ# 顶板单层失稳较Ⅰ ～ Ⅲ# 顶板同步失稳 时的动压力大，但顶板同步失稳条件下的高静载又 使得多层顶板同步失稳时，工作面综合来压强度较 高． 由图 6 可见，工作面矿压强度应为覆岩顶板动、 静载荷的联合作用，且多层顶板同步失稳条件下，如 果不对巨厚的坚硬顶板岩层预先进行处理，工作面 采场设备将难以满足合理支护要求． 4 工程应用 根据工作面坚硬顶板结构破断的冲击来压特征 与工作面支架阻力的确定方法，大同矿区某矿的综 放开采工作面选择了 ZF15000 /28 /52 型高强度大采 高综采放顶煤支架，保证了Ⅰ# 顶板关键层破断前后 工作面的安全开采，但随着工作面的推进，采场周期 来压期间仍有部分支架工作阻力增大较快，并伴有 一定安全阀开启现象，且工作面周期来压强度呈现 一定的规律性变化特征，大约每间隔 1 ～ 2 次的一般 来压后工作面就会出现一次强矿压显现． 此时，工 作面煤壁片帮较为严重，快速增阻支架数量明显增 多，回采巷道超前支护段有闷墩响动，个别钢梁压 弯、单体折损、顶板下沉明显，并伴有一定帮鼓和底 · 185 ·