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1、4.3 浅埋煤层采场支护 浅埋煤层采场的支架围岩动态作用关系采场支护是顶板控制根本手段，确定合理支护阻力是顶板支护的关键参数。确定合理的支护阻力，首先必须根据顶板结构的稳定性研究支架与围岩的相互作用关系，以便确定最危险状态下的顶板压力。根据浅埋煤层采场周期来压的结构分析，顶板主要有“短砌体梁和“台阶岩梁两种结构形状。两种结构都属于滑落失稳类型，支架主要承受结构失稳形成的压力，最危险状态的载荷可以说是“给定的，支架工作处于“给定失稳载荷状态。必须提供必要的支护力才能维持顶板结构稳定，即由支架和顶板结构共同作用来平衡顶板的滑落失稳力、维持顶板结构的稳定性。由上一节关于合理的顶板结构支护力的分析可知
2、图4-13、图4-14，虽然浅埋煤层工作面支架处于“给定失稳载荷状态，但控制顶板结构稳定所需的支护阻力不是恒定值，而是随岩块的回转运动而变化的。此外，在顶板切落运动过程中，关键块上的载荷层作用于关键块上的载荷不是上方岩柱的静态重量，存在载荷传递效应。必须提供足够的支护阻力控制顶板的初始切落运动，才能防止顶板结构的进一步恶化所引起的失稳载荷增大，到达以最小的支护阻力控制顶板的目的，这就是浅埋煤层周期来压期间的“支架围岩动态作用关系。 合理支护阻力确实定 下面首先以“短砌体梁结构为例，说明支护阻力确实定方法。 浅埋煤层工作面周期来压时顶板最危险的状态如图4-15所示，工作面支架的支护阻力Pm由直接
3、顶岩柱重量W和老顶滑落失稳所传递的压力RD组成： 4-19图4-15 “短砌体梁结构的“支架围岩关系 老顶结构滑落失稳作用于支架的压力为： 代入10-17可得： 4-20周期来压期间老顶关键块上载荷层的计算仍然借鉴太沙基岩土压力计算原理，顶板载荷P1的构成如图4-16所示。图4-16 周期来压顶板载荷 根据文献10中图3-25，老顶关键块上的载荷层处于采场上覆岩层的离层区，该区的载荷层处于非压实状态。实测神府1203工作面地表最大下沉速度点滞后采场约30m，说明浅埋煤层工作面关键块上的载荷也不是载荷层的全部重量，存在载荷传递效应。载荷传递系数KG0可以表示为：式中，Kr为载荷传递岩性因子；Kt
4、为载荷传递的时间因子。 由图10-15可知，老顶关键块的载荷P1由老顶关键层重量PG和载荷层传递的重量PZ组成： P1 = PG + PZ 4-21 4-22 4-23式中，h为老顶关键层厚度；l为关键块长度周期来压步距；为基岩容重；h1为载荷层厚度；为载荷平均容重；KG0为载荷传递系数。 由于载荷层厚度大，仍然按太沙基土压力计算原理近似估算载传递系数。参照文献113-128式可得作用于老顶岩块的载荷为： ， 4-24 在长时间状态下取Kt =1，联立10-23和10-24可得周期来压时载荷传递岩性因子： 4-25 由此可得周期来压时的载荷传递系数为： 4-26式中，为载荷层的内摩擦角；为载荷
5、层侧应力系数。由10-21、10-22、10-23可得作用于关键块的载荷为： =+， 4-27 由10-18、10-19可得，控制顶板所需的支护阻力为： 4-28 按与“短砌体梁结构支护阻力计算相同的方法，可以求得“台阶岩梁结构条件下的控制顶板所需的支护阻力为： 4-29 考虑支架的支护效率，工作面支架的工作阻力为： 4-30其中，为支架的支护效率。 浅埋煤层工作面支护设计根本方法为了说明支护阻力确定的方法，针对几个工作面实际参数给出实例进行说明，在此根底上总结出了浅埋煤层的支护设计根本方法。1. 支护阻力确定的实例分析实例4-1：以大柳塔煤矿1203工作面为例，老顶关键层的厚度h=，基岩容重
6、3，载荷层厚度h1=32m，载荷层容重3，周期来压步距为l=10.415m，平均12m，采高m=4m，支架宽度为b=，两柱掩护式支架支护效率，控顶距lk =，直接顶厚度=6m有2m顶煤未采，确定控制顶板所需的支架工作阻力。1按“短砌体梁结构进行计算 岩块回转角：=10 岩块块度为： 根据神府大柳塔1203工作面或载荷层条件，取沙土层平均参数=27，=1-，采用4-26式得： 周期来压期间，仍取，求得： 将相关参数代入4-28式可得周期来压时的合理支护阻力为：kN/架 由4-30求得合理支架工作阻力为：kN/架 2按“台阶岩梁进行计算 由4-13式，最大回转角：10 按最大回转角的一半取岩块回转
7、角，5。 代入4-29式可得控制顶板所需的支护阻力为：4614kN/架 由4-30求得支架工作阻力为：5127kN/架 按“短砌体梁和“台队岩梁结构求得1203工作面周期来压的控制顶板的工作阻力分别大于2793kN/架和5127kN/架。实测周期来压间支架平均最大工作阻力达3850kN/架，大大超过了支架额定工作阻力3500kN/架，工作面支架曾出现支柱油缸受压膨胀现象。可见，按“台阶岩梁计算比拟平安，计算结果与实际情况根本吻合。 实例4-2：再次以神府煤田东胜补连塔矿2211工作面1997年12月完成观测为例，验证周期来压工作阻力计算公式的可靠性和准确性12。该工作面老顶关键层厚度h=14m
8、，基岩岩重3，工作面中测区周期来压步距平均为l=。载荷层厚度h1=40m,荷载层平均容重3，直接顶厚度=，采高m=。采用国产ZY600025/50型液压支架支护，支架宽度为b=，两柱掩护式支架支护效率，控顶距lk =，确定控制顶板所需的支架工作阻力。 1按“短砌体梁结构进行计算 岩块回转角： 岩块块度为： 根据东胜补连塔矿2211工作面载荷层条件，取沙土层平均参数=27，=1-，采用4-26式得： 取，求得： 将相关参数代入4-28式可得周期来压期间的支护阻力为：2488kN/架 由4-30求得控制顶板所需的支架工作阻力为：2764kN/架 2按“台阶岩梁进行计算由4-13式可得：max取回转
9、角1=6,将max及相关参数代入10-29式可得周期来压期间的合理支护阻力为：5145kN/架 由4-30求得控制顶板所需的支架工作阻力为：5717kN/架根据“短砌体梁和“台阶岩梁两种结构的计算结果分别为2764kN/架和5717kN/架，差异比拟大。2211工作面采用的支架额定工作阻力为6000kN/架，顶板没有出现台阶下沉与现象。实测4次周期来压时中测站支架最大工作阻力为5581-5941kN/架，平均5798kN/架，来压期间各测站总平均5330kN架，可见，“台阶岩梁计算结果与实测情况比拟吻合。2. 工作面顶板控制的根本方法通过工作面的实例分析，说明周期来压一般以“台阶岩梁结构进行计算比拟平安。实例分析又从另一个侧面说明，顶板结构模型根本上能够地反映支架与围岩的关系，应用顶板结构理论可以实现顶板控制的定量化分析。实践证明，浅埋煤层工作面顶板的台阶下沉是可以控制的。在神府浅埋煤层条件下，顶板台阶下沉可在7000kN/架支架宽度按计左右得到控制。合理工作阻力确定的根本方法如下：1判断关键层。根据顶板赋存情况和力学性质判断关键层的位置和厚度；2确定来压步距。未采工作面可按照初次来压和周期来压步距的计算公式必要时配合模拟研究确定来压步距，已采工作面可实测确定；3确定合理的工作阻力。分别计算初次来压和周期来压的工作阻力，取其最大者作为工作面支护设计的依据。