活鸡兔井21303综采工作面顶板初次来压步距的计算

摘  要  综采工作面在从切眼推进一段距离以后老顶初次来压自然冒落，在老顶垮落时，工作面出现程度不同的切顶，采面大部分液压支架安全阀动作，个别支架甚至压死。同时，顶板冒落将形成较大范围的飓风，严重威胁到采面工作人员的安全。因此，如何科学合理地确定综采工作面的初次来压步距显得尤为重要。通过对神东公司活鸡兔井顶板岩石力学性质进行科学分析，为综采工作面初次来压步距的确定提供一定的理论依据。

关键词  综采工作面  初次来压步距  计算

根据近年来神东公司各矿井顶板情况，普遍直接顶较厚，基岩厚度较薄，一般为30～40m，综采面实行初放后，可以实现随采随冒，基本充填了采空区。但是2004年先后出现的活鸡兔井1^-2煤三盘区及榆家梁5^-2煤的初次放顶，由于没有直接顶，老顶为砂岩，强度比较大，造成初次来压步距与以往工作面所测步距发生较大偏差，给安全生产造成了影响，虽经过多次放顶及采取安全措施，但是放顶期间及初次来压前的安全风险仍较大。因此，解决直接顶薄、老顶为砂岩、强度比较大的顶板的初放是目前存在的技术难题。通过理论分析，确定初次来压的步距范围，可对安全生产起到指导作用。

    活鸡兔井是神东煤炭公司大柳塔煤矿所属的一个自然井，年设计生产能力500万t，目前生产能力突破1000万t。活鸡兔井井田面积63km²，地质储量9.5亿t，可采储量6.24亿t。21303工作面位于活鸡兔井田西北部，是三盘区的第二个综采工作面。

1  顶板岩层条件和力学模型建立

由厚层整体性强的中砂岩、细砂岩和粉砂岩组成的来压强烈的坚硬顶板，最大厚度18.22～24.35m，工作面长240m，顶板柱状图如图1所示。

煤层的埋藏深度147.19～161.22m，平均155m；中砂岩的抗拉强度σ_t=10MPa，抗剪强度τ=25MPa；粉砂岩的抗拉强度σ_t=1.95MPa，抗剪强度τ=9MPa；细砂岩的抗拉强度σ_t=11.8MPa，抗剪强度τ=36MPa；覆岩容重按 =0.025MN/m³计算。

初次来压力学模型如图2所示。

图1  21303工作面HB1和HB5的顶板砂岩结构

图2  21303工作面初次来压分析模型

2  21303工作面初次来压步距的计算

1）按整层18.22m中砂岩老顶（基本顶）的情况考虑。

此时，因砂岩顶板厚度太大，在初次来压之前，考虑为嵌固厚梁模型较为恰当。

按嵌固厚梁的拉破断考虑时，初次来压步距为：

L_0l = h•（2•σ_t/q）^1/2.

  =18.22×[2×10/（16.41×0.025）] ^1/2 （载荷厚度按刚度、厚度公式估计）

  =127.21 m.

按照梁的模型计算，21303工作面18.22m中砂岩老顶的初次来压步距应为127.21m。

2）按中砂、粉砂和细砂岩组成24.35m老顶（基本顶）的情况考虑。

    顶板载荷计算，取中砂岩的弹性模量E₁ =59.8GPa，细砂岩的弹性模量E₃ =30.4GPa，粉砂岩的弹性模量E₂ = 11.3GPa，则

                  （q₁）₁= ₁•h₁ = 0.228 MPa.

                  （q₂）₁= 0.387 MPa.

                  （q₃）₁= 0.461 MPa.

（q₄）₁= 0.478 MPa.

                  （q₅）₁= 0.504 MPa.

                  （q₆）₁= 0.315 MPa.

由于（q₆）₁<（q₅）₁，因此，大柳塔煤矿活鸡兔井21303工作面的顶板岩层初次来压断裂的载荷应为1^-2煤层上的5层岩层的综合影响，载荷层总厚度为28.22m，为采高的8.8倍，均布载荷数值为0.504MPa。

在这种顶板结构条件下，第一层中粒砂岩厚度9.47m，其厚度大于3m，整体性强，且直接赋存于1^-2煤层之上，此层中砂岩即为工作面的老顶(基本顶)。

若按嵌固厚梁的拉破断考虑时，初次来压步距为：

即按照9.47m的中砂岩破断角度作为21303工作面的初次来压判据，初次来压步距应为60m。

考虑1^-2煤层上的中砂岩和粉砂岩作为老顶，厚度为18.81m，老顶的抗拉强度按厚度比例因素综合计算，则其折算强度为σ_t=6MPa，因此初次来压断裂步距为

如考虑1^-2煤层上的中砂岩、粉砂岩和细砂岩共同作为老顶，厚度为24.35m，老顶的抗拉强度按厚度比例因素综合计算，则其折算强度为σ_t=7.32MPa，因此初次来压断裂步距为：

3  结论

1)活鸡兔井1^-2煤层21303综采面的顶板岩层结构具有特殊性，煤层之上直接赋存有18.22～24.35m的坚硬砂岩老顶，并没有通常意义的直接顶(切眼附近的HB1与HB5钻孔可以佐证)。

2）按照我国《缓倾斜煤层采煤工作面的顶板分类标准》，采空区充填系数（或称直接顶与采高之比）K=0，符合K≤0.3，且初次来压步距大于60m以上，应为来压极强烈的IV级老顶，因此该工作面的初次来压强度将是非常强烈的，应引起足够重视。

3）21303工作面，无论是按照HB1钻孔还是HB5钻孔，理论分析预测的初次来压步距都大于60m以上，整层18.22m中砂岩老顶的初压步距为127.21m；第一层厚度9.47m中砂岩老顶，初次来压步距60m；厚度18.81m由中砂岩和粉砂岩2层组成老顶， 初次来压步距92m； 厚度24.35m由中砂岩、粉砂岩和细砂岩3层作为老顶， 初次来压步距131.23m。