郓城煤矿厚煤层开采设备选型研究 - 图文

郓城煤矿厚煤层开采设备选型研究 30????????????2520151050-10-5026.8o? /MPa510152025303540455055606570??/MPa

?????????????（c）直接底岩样

10037.6o80? /MPa604020004080120160200??/MPa

（d）老底岩样

图4.31 不同围压下顶底板岩样的莫尔应力圆

通过以上实验，可得出3煤层的三轴抗压强度等参数，其具体试验结果见表4-5所示。

表4-5 郓城煤矿3煤层试样的三轴实验测定结果 项 目 样 别 1 老顶 2 3 1 直接顶 2 3 1 直接底 2 3 1 老底 2 3 抗压强度（?1-?3） 粘聚力C /MPa /MPa 103.99 171.23 193.55 9.47 23.22 36.87 7.49 35.57 56.83 8.31 128.12 158.64 26.04 37.60 6.52 26.80 7.50 29.87 29.97 内摩擦角φ 强度公式 /° 34.30 ??0.68? ?29.97 ??0.57? ?7.50 ??0.51? ?6.52 ??0.77? ?26.04 45

郓城煤矿厚煤层开采设备选型研究 5 郓城煤矿首采面矿压参数研究研究

5.1郓城煤矿工作面初次来压步距确定

工作面回采示意图见下图5.1图示。

m老顶直接顶支架5.1 工作面回采示意图

1mZhm图

5.1.1 一次采全高

通过对工作面顶板围岩岩性分析可知，老顶为中粒砂岩，厚度为20.97m，通过实验室试验可得，?=2660kg/m3， [?t]?7.15MPa，由岩梁初次来压步距公式:

2m1[?t1]C0? （5.1）代入公式

?（5.1），可得：

C0?113m 5.1.2 综放开采

通过对工作面顶板围岩岩性分析可知，老顶为粉砂岩及粉细砂岩互层，平均厚度4.36m，通过实验室试验可得，?=2527kg/m3， [?t]?4.83MPa，由岩梁初次来压步距公式计算可得：

C0?40.1m 5.2 支架合理支护强度分析

对液压支架设计使用起决定作用的力学参数是初撑力和工作阻力。支架的合理支护强度应包括支架合理工作阻力、合理初撑力以及两者的比值，对于坚硬和稳定顶板尚需考虑工作面每延米阻力，此值反映支撑力矩的大小。计算支架合理工作阻力的方法主要有：载荷估算法、实测统计法和数值分析。

5.2.1 载荷估算方法

估算法认为支架的合理工作阻力P应能承受控顶区内以及悬顶部分的全部直接顶岩重Q1，还要承受当老顶来压时形成的附加载荷Q2。

Q P?Q （5.2） ?ih?1?Q2?ili? 2当直接顶随支架推移而冒落时，li等于控顶距lm，工作面的合理支护强度p应为：

Qp??h??2

lm由于老顶的载荷Q2难于精确地计算，故可将不来压时的支架载荷作为仅是直接顶的载荷，再

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郓城煤矿厚煤层开采设备选型研究 乘以来压时的动压系数n可得

p?n?h?

若考虑直接顶的初始碎胀系数为1.25～1.5，动压系数一般不超过2，则p??4~8?M?，式中M为采高，m。显然，在顶板条件较好，周期来压不明显时可取低倍数，而周期来压比较剧烈时则可用高倍数。

通过顶板岩石参数实验可知，老顶中砂岩的平均密度为2660kg/m3，平均厚度为20.93m，直接顶为粉砂岩及粉细砂岩互层，平均厚度4.36m，密度为2527kg/m3，煤层厚度为7.14m，密度为1300kg/m3，代入公式可得：

（1）一次采全高，M?7.14m：

p??4~8?M???4~8??7.14?26600?0.76~1.52MPa （2）综放开采，M?3m：

p??4~8?M???4~8??3?26600?0.32~0.64MPa

5.2.2 实测统计法

支架的时间加权平均工作阻力在每一循环是不同的，它是一个随机变量。据一些工作面的统计，它服从正态分布，故支架合理工作阻力P可用下式表示：

k? （5.3） P?Pt??式中 ??—标准均方差，kN；

k—置信度系数

若允许有3％的支架时间加权平均阻力大于额定工作阻力而使安全阀开启，则k值约为2，故上式为：

? P?Pt?2?若以支架最大工作阻力Pm作为统计值，则k可取为1～1.3，支架合理工作阻力P为

? P?Pm?2?当工作面有明显老顶来压现象时，应按来压期间统计的支架阻力来确定合理工作阻力，如图5.2所示。

L0老顶直接顶hm老顶

图5.2 老顶初次来压时力学模型

经我国三十年的实测统计，综采工作面支架强度计算经验公式已经由煤炭科学研究总院提出，原煤炭部已经将其发布列为国家煤炭行行业标准：

Ⅰ~Ⅲ级老顶支护强度：

PH?72.3hm?4.5L0?78.9Bc?10.24N?62.1 （5.4）

PH——额定支护强度，kPa； hm——采高，m；

L0——老顶初次来压步距，m； Bc——控顶距，m；

N——直接顶厚度与采高之比 Ⅳ级老顶：

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郓城煤矿厚煤层开采设备选型研究 PH??241lnLf?52.6hm?15.5N?455?BcCk （5.5） Lf——老顶初次压步距，m；

Ck——备用系数，Ⅳa级老顶Ck=1.2~1.3；Ⅳb级老顶Ck=1.4~1.6。 （1）一次采全高：

直接顶厚度4.36==0.61，代入公式（5.4）初次来压步距L0?113m，N?，可得：

采高7.14PH?1.27MPa （2）综放开采：

直接顶厚度4.14==1.38，代入公式（5.4）初次来压步距L0?40.1m，N?，可得：

采高3PH?0.64MPa

5.2.3 数值分析

20世纪60年代，国内外曾多次进行了支架工作阻力P与顶板最终下沉量ΔL之间关系的试验。根据实验室和现场观测成果证明了工作阻力与顶板最终下沉量ΔL（即由煤壁到采空区一侧）是一近似的双曲线，称为“P--ΔL”曲线。当支架支护强度较小时，顶板（煤）下沉量会随着支护强度的增大而急剧减小，当支护强度达到一定范围后，继续增大支护强度，对限制顶板（煤）下沉量的作用明显减弱，也就是说在支架支护强度和顶板（煤）下沉量关系曲线中存在一个拐点，这个拐点就是支架最合理的支护强度。 5.2.3.1 模型建立

基于上述理论，结合前面分析，一次采全高和综放开采分别分析支架的合理工作强、1301工作面的实际地质条件建立数值模型，如图5.3所示，模型的X方向边界、Y方向边界均施加水平位移约束条件，约束边界水平方向的位移，模型的底边界施加垂直位移约束条件约束边界垂直方向的位移。模型上部为自由边界，施加应力边界条件，模拟上部岩层的荷载，该模拟计算施加

σz=20.28MPa，工作面模型岩体采用莫尔—库仑(Mohr-Coulomb)屈服准则，岩层的岩石力学参数见表5.1所示，网格划分如图5.4所示。

表5.1 岩层力学参数 密度弹性模量内聚力内摩擦角抗拉强度岩层名称 泊松比

kg/m3 /GPa /MPa （°） /Mpa

覆岩 2460 1.8 0.25 1.5 28 0.95 泥岩 2510 1.5 0.33 1.26 27.0 0.87 细砂岩 2640 2.4 0.24 1.86 31.0 1.21 中砂岩 2560 1.9 0.16 2.01 28.0 1.41 3煤 1540 1.2 0.2 1.32 22.0 0.94 粉砂岩 2650 2.5 0.19 1.55 33.0 1.2 基岩 2680 4.4 0.21 2.1 32.0 2.3

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