采场顶板控制及监测-设计实例.ppt
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1、采场顶板控制及监测采场顶板控制及监测 控顶设计实例 20052005年,全国煤矿共发生顶板事故年,全国煤矿共发生顶板事故18051805起,占全起,占全国煤矿事故起数的国煤矿事故起数的55%55%,居第一位;死亡,居第一位;死亡20582058人,占人,占全国煤矿总死亡人数的全国煤矿总死亡人数的34.7%34.7%,仅次于瓦斯灾害,居第,仅次于瓦斯灾害,居第二位。二位。摘自煤矿安全生产“十一五”规划(安监总规划200741号)采场顶板控制及监测采场顶板控制及监测控顶设计实例控顶设计实例某矿某矿2-2煤层高产高效工作面煤层高产高效工作面控顶设计控顶设计 采场顶板控制及监测采场顶板控制及监测控顶设
2、计实例控顶设计实例p 2-2煤层煤系岩层与矿压观测资料 2-2煤层为近水平厚煤层,煤质好,埋存浅,而且稳定。为掌握2-2煤层顶板活动规律,寻求合理的控顶方法,现场与有关单位对C202普采工作面、20601综采工作面以及20604高产高效工作面进行了矿压观测。C202工作面埋深平均65m,煤层平均厚度3.8m,煤系典型地层见表1-1,有伪顶。工作面长度102m,采高2.2m。爆破落煤,日进1.2m。采用HZWA摩擦支柱配合HDJA-1200铰接顶梁支护顶板。排距1.2m,柱距0.6m。最小控顶距3.6m,最大控顶距4.8m。应用全部垮落法管理顶板。直接顶初次垮落步距17m,老顶初次来压步距24
3、m。工作面推进143.6m才开始进行矿压观测,自1990年3月14日至4月30日,历时48天,经历6次老顶周期来压,来压步距6m9.6m。来压时支柱最大载荷达到450KN/根,顶板台阶下沉量达350600mm。表表1-1 C2021-1 C202工作面煤系典型地层工作面煤系典型地层 层序层序 岩性岩性 厚度(厚度(mm)1 1风积砂,砾石,风化层风积砂,砾石,风化层 25.0 25.0 2 21 1-2-2煤层火烧区煤层火烧区 7.4 7.4 3 3泥岩,岩质泥岩,煤线泥岩,岩质泥岩,煤线 1.1 1.1 4 4较松散块状粉砂岩较松散块状粉砂岩 14.8 14.8 5 5煤线煤线 0.1 0.
4、1 6 6粉粉 中粒砂岩中粒砂岩 4.2 4.2 7 7砂质泥岩砂质泥岩 4.5 4.5 8 8粉砂岩粉砂岩 2.4 2.4 9 9砂质泥岩砂质泥岩 0.3 0.3 1010细砂岩细砂岩 1.5 1.5 1111砂质泥岩,泥岩,煤线砂质泥岩,泥岩,煤线 4.4 4.4 12122 2-2-2煤层煤层 4.0 4.0 1313砂质泥岩砂质泥岩 1.8 1.8 采场顶板控制及监测采场顶板控制及监测控顶设计实例控顶设计实例p 20601工作面煤系岩层与矿压观测资料 20601综采工作面埋深80120m(一般在95m左右),煤层平均厚度4.28m,煤系典型地层见表1-2。工作面长度220m,采高4.0
5、m。工作面装备有美国6LS03滚筒采煤机,英国LX(2A)2000/1000刮板输送机和德国WS1.7210/450掩护式液压支架(顶梁长度4030mm,架宽1750mm,额定初撑力4908KN/架,额定工作阻力6708KN/架)130架。自1995年8月至9月,进行了矿压观测,历经老顶初次来压及5次老顶周期来压。老顶初次来压步距35.4m,来压时工作面中部支架工作阻力最大达到7500KN/架,没有出现顶板台阶下沉。老顶周期来压步距8.814m,来压时工作面中部支架最大工作阻力达7300KN/架,没有出现顶板台阶下沉。支架初撑力在4730KN/架上下,约为额定初撑力的96%。表1-2 2060
6、1工作面煤系典型地层 层序 岩性 厚度(m)1风积沙,含水层 6.5 2粘土层,隔水层 17.0 3粗砂砾岩,含水层 14.0 4砂岩风化层 5.0 5粉砂岩层含1-2煤线 30-45 6粉砂岩,砂质泥岩 5.0 72-2煤层 4.3 8砂质泥岩 2.2 采场顶板控制及监测采场顶板控制及监测控顶设计实例控顶设计实例p 20604工作面煤系岩层与矿压观测资料 20604高产高效工作面埋深80110m,煤厚4.5m,煤系典型地层见表1-3。工作面长度220m,采高4.3m。工作面装备有美国6LS03滚筒采煤机(循序进尺0.8m)和德国WS1.7型掩护式液压支架(额定初撑力4908KN/架,额定工作
7、阻力6708KN/架)130架。1999年2月8日投产,随即进行矿压观测,观测工作历经近五个月。直接顶初次垮落步距24m。2月14日老顶初次来压,来压步距54.2m,来压时工作面中部支架工作阻力达6700KN/架,顶板台阶下沉量为25mm左右。2月16日至2月28日出现10次老顶周期来压,来压步距10.819.5m,来压时工作面中部支架最大工作阻力达7100KN/架,顶板台阶下沉量一般在100mm以内。支架初撑力当推进速度较慢(少于每天15个循环)时,平均为4446KN/架;当推进速度较快时,由于支架采用3秒钟自动升架,平均为2886KN/架。采场顶板控制及监测采场顶板控制及监测控顶设计实例控
8、顶设计实例 此外,据4至7月的连续记录数据分析,当工作面推进不正常(时停时采)时,支架循环平均工作阻力为5453KN/架,来压时工作面中部大部分支架达到额定工作阻力,并出现微小台阶下沉;当工作面连续推进速度达20循环/d以上时,支架循环平均载荷为4674KN/架,来压时工作面中部仍有大量支架安全阀开启,支架最大载荷达7100KN/架,顶板存在100200mm的台阶下沉。还有,在2月至7月1500m推进过程中,周期来压步距存在大小周期,小周期914m,大周期1724m,工作面连续快速推进时周期来压步距增大,一般在20m左右。表1-3 20604工作面煤系典型地层 层序 岩性 厚度(m)1粉细砂岩
9、 6.3 2亚粘土,沙土层 32.8 3沙砾石层,含水层 18.1 4粉砂岩,细砂岩 5.4 5粉砂岩,下含1-1煤层 2.6 6粉砂岩夹细粒砂岩 8.0 71-2煤层 0.45 8中细粒砂岩,岩性稳定 28.2 9砂岩及砂质泥岩 4.0 102-2煤层 4.5 11泥岩,粉砂岩 采场顶板控制及监测采场顶板控制及监测控顶设计实例控顶设计实例 2-2煤层采动后,顶板岩层活动很快就会反映到地表;而且老顶岩层在其断裂,旋转,下沉及触矸过程中,岩块间不能互相挤紧,从而不能形成能承受载荷并把自身及附加岩层的重量施加到采空空间周围的岩体及冒矸之上的平衡结构。采场顶板控制及监测采场顶板控制及监测控顶设计实例
10、控顶设计实例p 2-2煤层高产高效工作面控顶设计 煤层顶板 为合理进行控顶设计,对煤层顶板必须有较详细的了解。从C202面,20601面及20604面所提供的煤系典型岩层中,除C202面较详细外,其他两面均很笼统。但C202面2-2煤层至1-2煤层的距离为33.3m,而20604面2-2煤层至1-2煤层的距离为32.2m,非常接近,因而基本上可以用C202面顶板岩层的分层情况代表整个2-2煤层。即直接顶厚4.0m-5.0m(有伪顶);由下而上老顶第一分层厚1.8m,老顶第二分层厚2.4m,老顶第三分层厚4.5m,老顶第四分层厚4.2m,等等。从最不利条件出发,考虑垮落带高度时,直接顶厚度取4.
11、0m;计算支架所需工作阻力及初撑力时,直接顶厚度取5.0m。采高 20601面采高是4.0m,20604面采高是4.3m。本设计工作面采高是4.0-4.3m。当采高比4.0m略小时,本设计的结果还可以用,更小时则可能导致垮落带老顶分层数减小,本设计的结果不能用。当采高大于4.3m时也应重新设计。设计中考虑垮落带高度时,采高应采用4.3m。采场顶板控制及监测采场顶板控制及监测控顶设计实例控顶设计实例p 2-2煤层高产高效工作面控顶设计 垮落带高度 由于本煤层老顶不能形成平衡结构,因而应按垮落后能填满采空空间的原则来确定垮落带高度。采高为4.3m时,垮落带岩层的厚度(高度)至少为8.6m。但直接顶
12、和老顶第一、二分层(4.0m+1.8m+2.4m)只有8.2m,故垮落带岩层还应包括老顶第三分层(4.5m),即垮落带岩层高度为12.7m(约为采高的3倍)。有关参数分析 支架工作阻力 在工作面中部,20601面周期来压期间最大达到7300kN/架,初次来压期间最大达到7500kN/架;20604面周期来压期间最大达到7100kN/架,初次来压期间最大达到6700kN/架。可见,原选用支架的额定工作阻力(6708kN/架)是不足的。支架初撑力 20601面支架平均初撑力为4728kN/架,来压时没有出现顶板台阶下沉。20604面支架平均初撑力,慢速推进时为4446kN/架,来压时工作面中部出现
13、微小(100mm以内)顶板台阶下沉;快速推进时为2886kN/架,来压时工作面中部出现100200mm的顶板台阶下沉。采场顶板控制及监测采场顶板控制及监测控顶设计实例控顶设计实例p 2-2煤层高产高效工作面控顶设计 支架初撑力 由上所述,联系到支架的工作阻力,可见支架初撑力愈大,支架工作阻力也愈大,而顶板台阶下沉量就愈小(必须在相同条件下才有意义,而20601面与20604面顶板条件相同,采高类似,用的是同一型号的支架,即条件是相同的)。由上所述,对2-2煤层而言,为保持顶板处于良好状态,支架实际初撑力最好能在4728kN/架以上,最少也不能低于4446kN/架,从而保证不出现顶板台阶下沉,或
14、顶板台阶下沉量不超过100mm。直接顶初次垮落步距 C202面是17m,20604面是24m(取自现场研究报告),根据实践经验,这些数据不算小。从最不利条件出发,控顶设计时取24m。直接顶最大分层厚度 直接顶岩层也是按分层由下而上逐层垮落的,4.05.0m直接顶不可能一下子都垮下来,充其量最大分层厚度不能超过3m。老顶初次来压步距 20601面为35.4m(35.7m),20604面为54.2m。同一煤层,采高类似,用的又是同一型号的支架,为什么会有如此大的差异,很是费解。采场顶板控制及监测采场顶板控制及监测控顶设计实例控顶设计实例p 2-2煤层高产高效工作面控顶设计 老顶初次来压步距 从资料
15、看,20601面老顶初次来压步距判定为40.9m也是可以的,但是它与54.2m的差距也是不小,若要两个面的此数据趋于接近,除非是54.2m的数据是误判的。控顶设计可取54.2m,在这种情况下,可再不必考虑支架工作阻力的富裕系数了。老顶周期来压步距 20601面是8.814.3m,20604面前10次是10.819.5m,工作面推进1500m的统计,小周期来压是914m;大周期来压是1724m。有些局矿认为初撑力大小对来压步距有影响,支架初撑力越大,来压步距越大。而20601面与20604面的情况却相反,20601面初撑力大,来压步距却越小。这会不会是由于判别来压步距不是以老顶断块长度为准而是以
16、某个压力值为准而导致的呢?控顶设计时,从最不利条件出发,老顶周期来压步距取24m,即垮落带老顶第三分层岩块长度取为24m。岩层平均容重 为简化计算,各岩层均取为24kN/m3。其它参数 设计中还需要老顶第一、二分层的岩块长度,以及直接顶岩层在支架后的极限悬顶距等,这些只能凭经验确定。采场顶板控制及监测采场顶板控制及监测控顶设计实例控顶设计实例p 2-2煤层高产高效工作面控顶设计 其它参数 至于支架的顶梁长度(设计为4.2m),立柱与顶梁铰点至支架顶梁末端距离(预计为1.2m),由于设计时支架未选定,也只能先预计,等支架选定后再按照实际数据反复计算。此外,顶梁端面距取0.34m,顶板下沉系数暂定
17、为0.025。采场顶板控制及监测采场顶板控制及监测控顶设计实例控顶设计实例p 工作面控顶设计确定支架架型、支架工作阻力与初撑力,以及支架高度等。防漏 考虑到煤层有直接顶,而且有伪顶,同时要实现高产高效,因此应选用双柱掩护式液压支架。为防止发生端面冒落,端面距应不超过340mm。生产过程中如果出现有端面冒高超过300mm的情况,应提高支架的实际初撑力至P0以消除之。防压u 支架的工作阻力应能支撑住工作空间及采空区上方垮落带岩层的重量。P支架工作阻力采场顶板控制及监测采场顶板控制及监测控顶设计实例控顶设计实例p 工作面控顶设计式中:La每架支架所控制的工作面长度,1.75m/架;垮落带直接顶岩层平
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- 顶板 控制 监测 设计 实例