神东矿区煤层顶板分类方法及特点
第24卷 第1期2004年3月
山 西 煤 炭SHANXICOAL
Vol 24 No.1 Mar.2004
0020 03 文章编号:1672 5050(2004)01
神东矿区煤层顶板分类方法及特点
刘文涛,贾喜荣
(太原理工大学矿业工程学院,山西太原030024)
摘 要:分析了神东矿区各可采煤层顶板分类原则、方法及主要特点,引入RMR岩体分级系统进行顶板指标测定,用采场矿压薄板理论对顶板来压步距及强度进行计算。
关键词:顶板分类;RMR系统分类法;薄板理论中图分类号:TD327 2 文献标识码:A
神府东胜煤田位于陕西省榆林地区和内蒙古伊克昭盟境内,属世界八大煤田之一。已探明煤田含
煤面积3 12万km2,地质储量达223632亿t。目前正在开发建设的矿区规划面积达3481km2,地质储量354亿t,煤质低灰、低硫、低磷、中高发热量,为优质动力、化工、冶金用煤。投产以来,神东公司以其原煤产量及全员原煤生产率等指标,位居全国煤炭行业榜首。2000年,受公司委托,太原理工大学矿业工程学院承担了 神东矿区煤层顶板岩层分类 研究项目,对所辖的10个矿井内23个开采煤层的巷道围岩进行顶板稳定性分类。经过课题组的反复计算论证及现场调研,1a后提交了正式的顶板分类研究报告。近年来的现场参考和使用表明,该分类法论证充分、科学准确、具体详实,得到一致认可,有效地指导了矿井的设计和施工。
影响顶板强度及稳定性的最显著指标,并对其进行细化和量化,具有可比性。
d.把顶板分类级别和各项采掘支护参数指标联系,使分类具有实用性和可操作性。
通过分类可以为现场工程设计提供定量依据,增强不同区域岩体的对比度,进一步提高现场调查的可靠性,更好地服务工程判断。
2 分类方法及几个主要特点
1996年8月经原煤炭工业部批准,颁布了新的 顶板分类 行业标准,并于1997年2月1日正式实施。在新标准中,规定了缓倾斜采煤工作面直接顶稳定性分类为1类~4类及基本顶压力显现为 级~ 级,直接顶分类数据指标为同一煤层采煤工作面直接顶初次垮落步距的平均值Iv及岩性和结构特征做参考要素。基本顶来压级别是以基本顶初次来压当量Pe做为分级指标,按式(1)计算:
Pe=241 3ln(Lf)-15 5N+52 6hm,(1)式中:Pe 基本顶初次来压当量,kN/m2;
Lf 基本顶初次来压步距,m;
N 直接顶充填系数(直接顶厚度与煤层
采高之比);hm 煤层采高,m。
该方案较1981年的标准有更好的可操作性和灵活性。方案中关键参数基本顶初次来压步距Lf依赖于矿压实测结果,同时,在工作面支架工作阻力确定方面反映不够直接,特别在大采高和放顶煤工作面支架工作阻力的确定出现误差会更大,不能满足
1 分类的原则和意义
顶板分类系统是为解决地下工程支护问题而建立的,是经验设计法的一个组成部分,在许多地下结构及采矿设计中,岩体分类已经提供了唯一的系统设计方法,取代了很不可靠的 误差与验证 方法,成为指导生产实践的有力武器。本分类工作主要遵从了以下几个主要原则:
a.以部颁 缓倾斜煤层采煤工作面顶板分类 (以下简称 顶板分类 )为指导。
b.将区域的顶板岩体按相似变形特征分成若干组,构成不同的等级类型。
c.分类反映顶板岩层的主要特征,识别并提供
收稿日期:2003 11 30
作者简介:刘文涛(1970-),男,山西大同人,工程师,在读硕士,研究方向:岩士力学与工程。
第1期 刘文涛等:神东矿区煤层顶板分类方法及特点21
工程实际的需要。
尽管顶板来压强度是由直接顶和基本顶共同作用于支架上的载荷,但直接顶载荷是一种恒定载荷,基本顶载荷是伴随初次来压和周期来压而产生的波动载荷,在工作面支架载荷确定上应考虑这种恒定和波动载荷的叠加量级,所以,必须考虑顶板来压强度的影响。
基于上述原因,我们提出以直接顶初次垮落步距和顶板(直接顶和基本顶)来压强度作为直接顶稳定性分类和基本顶来压显现分级指标(见表1)。
表1 基本顶来压显现分级
分 级
!
∀
P>4000
表2 RMR系统在神东矿区顶板分类应用统计表
顶板名称1号层直接顶基本顶2号层直接顶基本顶3号层直接顶基本顶5号层直接顶基本顶
RMR值42 2~5160 6~7039 1~59 558 8~7234~55 967 6~72 841 8~48 468~69 6
顶板等级及数量等级
数量55766722
11
等级
数量
P=V-Tf+P1,+ b]
式中:V 拱角竖向载荷,kN/m; f=tan[JRC lg
T 三铰拱总推力,kN/m;f 岩体抗剪切准摩擦系数;P1 支架强度,kN/m;JRC 裂缝面粗糙度系数;
JCS 裂纹壁有效单向抗压强度,MPa; 水平挤压应力,MPa; b 基础摩擦角,( )。
(2)
1500
P 1500
kN/m[1**********]0裂隙发育
及分层质页岩
的砂岩
厚度互层不明显
较明显
层状砂岩明显
整体砂、
石灰岩岩砾岩
m
H>15m
强烈极强烈
2 1 分类步骤
a.地质资料收集及整理,详实准确的地质资料是顶板分类的基础。对原始地质资料包括地质精查及详查报告进行分析汇总,初步掌握区域煤岩层的
物理力学特性,包括抗拉、抗压、抗剪、内聚力、内磨擦角、弹性模量、泊松比等指标,为顶板分类提供计算依据。对全部地质钻孔资料借助计算机进行整理。对生产中的关键区域进行补勘取样,准确掌握岩性特征,计算各类岩层的RQD指标。
b.利用国际上通行的RMR(rockmassrating)系统进行岩石分级指标的测定。进一步把微观不连续面如节理、断层、裂隙等对工程岩体特性影响定量化,结合其它岩石物理力学特性指标,对岩体进行总体等级描述,使顶板岩性的定量分析方法更趋合理。RMR系统的工程应用数百例,经受了时间的检验,符合国际标准,该系统以岩石材料单轴抗压强度、岩石质量指标(RQD)、不连续面间距、不连续面条件、地下水条件以及不连续面方向等6个指标构成,根据其相应的权值进行累加,得出岩体总体等级描述。把RMR系统分类法得到的权值及裂纹面粗糙系数JRC和裂纹壁有效单向抗压强度JCS,用于支护载荷、岩体抗剪切准磨擦角的计算,使分类精度进一步提高。RMR系统在神东矿区顶板分类应用统计见表2。
c.利用采场矿压薄板理论,计算基本顶来压步距及强度,作为来压显现的分级参考指标,基本顶初
二次破断和周期破断时顶板来压的计算采用相似的力学模型及公式。神东矿区1类别见图1。
-2
、2
-2
、3
-1
和5
-2
煤层顶板稳定性
No.1 大柳塔井田;No.2 活鸡兔井田;No.3 补连塔井田;No.4 上湾矿井田;No.5 大海则井田;No.6 尔林兔井田;No.7 呼和乌素井田;No.8 前石畔井田;No.9 乌兰木伦井田;
No.10 榆家梁井田
图1 神东矿区1-2、2-2、3-1和5-2煤层顶板稳定性类别
d.采用fortune语言编制了RSTP(roof slabtheoryprogramme)采场矿压计算专用软件。该软件
由数据采集、科学计算和结果处理3个子系统构成。对反映工作面特性的21个参数及全部地质钻孔数据进行整理,利用薄板理论,对大范围区域的地质资料和数据进行结果分析处理。2 2 分类的几个主要特点
22山 西 煤 炭 第24卷
有很大的不确定性,对其分类采用RMR专家系统分析的方法,可以充分利用数据信息资源,提高了分类的准确性。
b.定量化。通过有效的理论对采场来压步距及强度进行估算,避免了过分依赖矿压观察经验的弊端,可以对未采区域和采用其他采煤方法的顶板进行预测和分类。提高了分类的普遍性和适用范围。
c.计算机化。利用专门的矿压软件作为分类的主要计算工具,有效地对庞杂的数据进行分析汇总,提高了分类的科学性和时效性。
参考文献:
d.实用性。结合顶板类型及来压等级,对巷道及工作面支护提供参考选择方案,以指导矿井优化设计和施工。
3 结论
顶板分类是建设数字化矿山的前提条件,科学实用的分类方法,有助于设计部门掌握顶板活动规律,提高决策的科学性和预见性,促进矿井的安全生产。当然,顶板分类不是一成不变的万能钥匙,由于矿井地质因素的复杂多变,应对分类作相应适时调整,才能进一步指导生产实践。
[1] 煤炭工业部.缓倾斜煤层采煤工作面顶板分类[M].北京:煤炭工业出版社,1982.[2] 贾喜荣.矿山岩层力学[M].北京:煤炭工业出版社,1997.
CategorizingMethodandCharacteristicsseemRoofinShendongMiningArea
LIUWen tao,JIAXi rong
(CollegeofMiningEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China)
Abstract:Thecategorizingprinciple,methodandmaincharacteristicsofseemroofinshendongminingareaareanalysed,RMRrockclasssystemisutilizedtomeasureroofparameters,andthinplatetheoryisutilizedtocalculatetheweightingintervalandstrenthofroof.
Keywords:roofcategory;RMRclasssystem;thinplatetheory
本文责任编辑 徐树文
(上接第19页)多产出3 5万t煤。故此厚煤层分
层开采巷道外错式布置具有广阔的推广前景。
b.当弹性区宽度为零时,即煤柱两侧塑性区连在一起时,煤柱整体进入塑性状态。回采巷道煤柱为塑性煤柱可以将部分支承压力转移。
c.煤柱进入塑性状态后,当煤柱宽度减小时,煤柱所受支承压力也相应减小。所以厚煤层分层开采下分层巷道采用外错式布置方式时,下分层煤柱所受支承压力小于上分层煤柱所受支承压力。
参考文献:
[1] 董玉文等.国外厚煤层顶煤冒落综采法的发展及其在我国推广应用的前景.北京:煤炭工业部机械制造局科技情报中心站,
1983.
[2] 王家廉,吴绍倩.煤矿地下开采方法[M].北京:煤炭工业出版社,1985.
[3] 陈炎光,陆士量.中国煤矿巷道围岩控制[M].徐州:中国矿业大学出版社,1994.
4 结论
a.煤柱受到工作面回采引起的支承压力作用后,煤柱的变形区从外到内依次为破裂区、塑性区和弹性区。
StudyofOuterwardAlternateEntriesinSlicingThickSeem
LIBao fu,KANGLi xun,ZHAIYing da
(CollegeofMiningEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China)
Abstract:Thefeasibilityofoutwardalternateentriesisdemonstrated,inwhichtheabutmentpres
surewouldreducewiththereductionofcoalpillarwidthwhencoalpillarentirlybeplastic.
Keywords:slicing;outwardalternateentry;plasticcoalpillar