复杂底板极限比压的确定方法

2022-09-10

本文针对开滦蔚州矿业公司西细庄井1煤层底板进行了实测研究, 在大量的实测资料研究基础上, 研究同一煤层在不同岩层条件下底板比压的确定方法, 取得了初步成果, 形成了一些新认识, 获得了复杂采场松软底板岩体控制的方法, 在理论上与应用上均具有重要意义。

1 采场底板岩体的力学环境因素

(1) 底板岩体的物理机械性质底板岩体的物理机械性质包括诸多方面, 其中与底板岩体的机械作用 (破碎) 有密切关系的有岩体的抗拉强度σt, 抗压强度σy, 抗剪强度τ, 岩体坚固性和磨蚀性等。此外, 还有底板岩体的蠕变和松驰现象。 (2) 底板岩体的构造特性 (即岩体的非均质性和弱结合面的存在) 。在一种底板岩体内, 其它种岩体 (煤) 或矿物往往以不同的密度和形式分布于其中, 从而形成岩体的非均匀性。层理和节理是原生类型的弱结合面, 裂隙是次生类型弱结合面, 这些构造特性在不同煤层、不同工作面, 甚至同一工作面都不尽相同。 (3) 人为因素。人为因素主要包括采煤工艺 (炮采、机采) 的干扰和破坏, 底板岩体的浸水程度, 底板岩体暴露时间等。

1-压模2-单体液压支柱3-增压器4-位移计5-压力计将仪器放在清理好的柱窝上, 用注液枪注液, 使仪器垂直于顶底板。

2 工作面概况

煤层为近水平煤层, 倾角3°~9°, 煤层最大厚度3.34m, 最小1.57m, 平均厚度2.72m, 北部较薄, 中南部较厚, 主采煤层为5煤和1煤, 煤质为贫煤、瘦煤。

煤层顶底板结构:伪顶为灰色泥岩, 平均厚0.4m;直接顶为粉砂岩、泥岩, 平均厚3.0m;老顶为粉砂岩、泥岩瓦层, 平均厚6.0m;直接底:泥岩、砂质泥岩, 厚2.59m。

煤层顶底板结构见图1。

3 采场底板岩体侵入特性的综合指标

为了能全面反映底板岩体的物理机械性质、构造特性以及人为因素, 采用了在井下实测得到的技术参数, 即极限比压[q] (又称底板岩体单位面积的极限承载力, 单位为MPa) 。这是一个反映底板岩体侵入变形破坏特性的综合指标, 可作为底板岩体控制的依据。

4 实测研究

4.1 底板岩体侵入特性测定仪器

采用山东矿业学院研制的EFDC型底板侵入仪, 仪器结构见示意图2。仪器主要由压模、单体液压支柱、增压器、观测装置及压力显示器等组成, 额定压强为40MPa, 压模直径为120mm~400mm不等。

4.2 观测方法

沿工作面长度每15m~20m设一测区, 在每个测区选1~3个点进行观测。

4.2.1 准备工作

(1) 清理浮煤、浮矸、平整柱窝, 露出平整的观测底板;

(2) 清理顶板, 以使仪器与背顶材料、金属网及破碎顶板有效接触。

4.2.2 仪器安装

4.2.3 观测

首先记录下压力表与压入深度的初读数, 然后控制注液量注液, 记录相应的压力表与压入深度的观测数据, 直至底板破坏。按上述方法依次更换压模, 进行观测。

4.3 观测结果与分析

对不同的底板结构进行了分别观测, 表1列出了底板岩层、煤层夹矸及煤层三种情况的极限比压观测结果。显然留底煤开采时, 底板为坚硬类型, 支柱不需要穿鞋;当工作面将煤层中的夹矸层作为底板时, 底板为松软类型, 支柱需要穿直径为296.0mm的圆型铁鞋;当工作面沿煤层底板推采时, 底板属于松软类型, 支柱需要穿直径为294.0mm的圆型铁鞋。

由上述分析可以得到以下结论:工作面留底煤开采时, 所选支架的支柱不需要配备柱鞋;工作面沿底板或者沿煤层中的夹矸层开采, 支架的支柱需要配备直径为300.0mm的柱鞋。

5 结语

(1) 底板岩体的极限比压与观测岩层的空间位置有关, 实际观测时对不同岩性底板进行分别观测, 获取更多的底板比压信息, 为支护体底座选型提供更多的信息。 (2) 现场实测观测仪器, 采用人工加载方式的观测仪器, 具有灵活、方便的特点, 不需要专门的电动加载设备, 实际观测应用的仪器及其观测方法可实现在复杂底板条件下的观测需要。

摘要：通过现场实测研究的方法, 着重分析了不同的底板岩体结构对极限比压的影响, 获得了底板岩体极限比压与不同组合岩层的关系。提出了复杂采场底板岩体极限比压的确定原则, 形成了现场测定底板极限比压的一套方法。

关键词：比压,岩体破坏,压模