浅埋控顶设计

某矿2-2煤层高产高效工作面控顶设计在分析2-2煤层的顶底板赋存条件及对该煤层普采、综采和高产高效工作面矿压观测资料的基础上，进行了2-2煤层高产高效工作面的控顶设计。主要内容包括：确定煤层顶板的分层情况、垮落带的高度、有关支护和顶板运动参数；根据防漏、防压、防推等顶板事故的要求，确定工作面的支架架型、支架的工作阻力与初撑力、以及支架高度等支护参数；对工作面初放阶段的顶板控制进行设计。控顶设计概述1.2-2煤层煤系岩层与矿压观测资料2-2煤层为近水平厚煤层，煤质好，埋存浅，赋存稳定。C202普采工作面矿压观测工作面埋深平均65m，煤厚平均3.8m，煤系典型地层见表1，有伪顶。工作面长度102m，采高2.2m。爆破落煤，日进1.2m。采用HZWA摩擦支柱配合HDJA-1200铰接顶梁支护顶板，排距1.2m、柱距0.6m。最小控顶距3.6m、最大控顶距4.8m。应用全部垮落法管理顶板。直接顶初次垮落步距17m，老顶初次来压步距24m。表1C202工作面煤系典型地层层序岩性厚度（m）1风积砂，砾石，风化层25.021-2煤层火烧区7.43泥岩，岩质泥岩，煤线1.14较松散块状粉砂岩14.85煤线0.16粉–中粒砂岩4.27砂质泥岩4.58粉砂岩2.49砂质泥岩0.310细砂岩1.511砂质泥岩，泥岩，煤线4.4122-2煤层4.013砂质泥岩1.8矿压观测开始时工作面已推进143.6m，自1990年3月14日至4月30日，历时48天，观测到6次老顶周期来压，来压步距6～9.6m。来压时支柱最大载荷达450kN/根，顶板台阶下沉量350～600mm。20601综采工作面矿压观测工作面埋深80～120m（一般在95m左右），煤厚平均4.28m，煤系典型地层见表2。工作面长度220m，采高4m。工作面装备美国6LS-03滚筒采煤机，英国LX(2A)—2000/1000刮板输送机和德国WS1.7—210/450掩护式液压支架（顶梁长度4030mm，架宽1750mm，额定初撑力4908kN/架，额定工作阻力6708kN/架）130架。表220601工作面煤系典型地层层序岩性厚度（m）1风积沙，含水层6.52粘土层，隔水层17.03粗砂砾岩，含水层14.04砂岩风化层5.05粉砂岩层含1-2煤线30-456粉砂岩，砂质泥岩5.072-2煤层4.38砂质泥岩2.2矿压观测时间为1995年8月至9月，观测了老顶初次来压及5次老顶周期来压。老顶初次来压步距35.4m，来压时工作面中部支架工作阻力最大达7500kN/架，没有出现顶板台阶下沉。老顶周期来压步距8.8～14m，来压时工作面中部支架最大工作阻力达7300kN/架，没有出现顶板台阶下沉。支架初撑力在4730kN/架上下，约为额定初撑力的96%。20604高产高效工作面矿压观测工作面埋深80～110m，煤厚4.5m，煤系典型地层见表3。工作面长度220m，采高4.3m。表320604面煤系典型地层层序岩性厚度(m)1粉细砂岩6.32亚粘土，沙土层32.83沙砾石层，含水层18.14粉砂岩，细砂岩5.45粉砂岩，下含1-1煤层2.66粉砂岩夹细粒砂岩8.071-2煤层0.458中细粒砂岩，岩性稳定28.29砂岩及砂质泥岩4.0102-2煤层4.511泥岩，粉砂岩工作面装备美国6LS-03滚筒采煤机（循环进尺0.8m）和德国WS1.7型掩护式液压支架(额定初撑力4908kN/架，额定工作阻力6708kN/架)130架。1999年2月8日投产后随即进行矿压观测，观测工作历经近5个月时间。直接顶初次垮落步距24m。2月14日老顶初次来压，来压步距54.2m，来压时工作面中部支架工作阻力达6700kN/架，顶板台阶下沉量为25mm左右。2月16日至2月28日出现10次老顶周期来压，来压步距10.8～19.5m，来压时工作面中部支架最大工作阻力达7100kN/架，顶板台阶下沉量一般在100mm以内。支架初撑力当推进速度较慢(少于每天15个循环)时，平均为4446kN/架；当推进速度较快时，由于支架采用3秒种自动升架，平均为2886kN/架。据4月至7月的连续记录数据分析工作面推进不正常(时停时采)时，支架循环平均工作阻力为5453kN/架，来压时工作面中部大部分支架达到额定工作阻力，并出现微小台阶下沉；工作面连续推进速度达20循环/d以上时，支架循环平均载荷为4647kN/架，来压时工作面中部仍有大量支架安全阀开启，支架最大载荷达7100kN/架，顶板存在100～200mm的台阶下沉。在2月至7月1500m的推进过程中，周期来压步距存在大小周期，小周期9～14m，大周期17～24m，工作面连续快速推进周期来压步距增大，一般在20m左右。2-2煤层采动后，顶板岩层活动很快就会反映到地表；而且老顶岩层在其断裂、旋转、下沉及触矸过程中岩块间不能互相挤紧，从而不能形成能承受载荷并把自身及附加岩层的重量施加到采空空间周围的岩体及冒矸之上的平衡结构。2.2-2煤层高产高效工作面控顶设计2.1煤层顶板煤层顶板情况是控顶设计的重要资料；C202面2-2煤层至1-2煤层的距离为33.3m，而20604面2-2煤层至1-2煤层的距离为32.2m，非常接近，因此基本上可以用C202面顶板岩层的分层情况代表整个2-2煤层。直接顶厚4.2m（有伪顶）；由下而上老顶第一分层厚1.8m，老顶第二分层厚2.4m，老顶第三分层厚4.5m，老顶第四分层厚4.2m。2.2垮落带高度煤层直接顶及老顶垮落活动规律当煤层直接顶厚度超过采高2～3倍时，由于直接顶各分层依次由下而上冒落，冒至2～3倍采高后，自由空间即被填满，以上直接顶就不再冒落而只是弯曲、下沉与断裂。这时它们的重量主要由采空区周围的岩层及冒矸承担，虽然它们的下沉也会对采场支架施压，但只能如裂隙带老顶似的要求采场支架有相应的可缩量即可。也就是采场支架的支撑力，只要能承受垮落带直接顶的岩重即可。2-2煤层的直接顶及老顶，采动后的活动状况与煤层直接顶厚度超过采高2～3倍时的情况类似。采场支架的支撑力，只要能承受垮落带直接顶及老顶的岩重即可。设采高为4.0～4.3m，岩石碎胀系数为1.33，则垮落带岩层的厚度(高度)为12.9m(从直接顶至老顶第三分层，即4.2m+1.8m+2.4m+4.5m)。老顶第四分层及以上岩层不属于垮落带岩层。2.3有关参数分析2.3.1支架工作阻力工作面中部，20601面周期来压期间最大达7000kN/架，初次来压期间最大达7500kN/架；20604面周期来压期间最大达7100kN/架，初次来压期间最大达6700kN/架。原选用WS1.7型支架的额定工作阻力（6708kN/架）很是不足。2.3.2支架初撑力20601面支架平均初撑力为4728kN/架，来压时没有出现顶板台阶下沉。20604面支架平均初撑力，慢速推进时为4446kN/架，来压时工作面中部出现微小（100mm以内）顶板台阶下沉；快速推进时为2886kN/架，来压时工作面中部出现100～200mm的顶板台阶下沉。联系到支架的工作阻力，可见支架初撑力愈大，支架工作阻力也愈大，而顶板台阶下沉量就愈小。（20601面与20604面顶板条件相同，采高类似，用的是同一型号支架。）2-2煤层支架实际初撑力最好能在4728kN/架以上，至少也不能低于4446kN/架，从而保证不出现顶板台阶下沉或顶板台阶下沉量不超过100mm。2.3.3直接顶初次垮落步距C202面是17m，20604面是24m（取自现场研究报告）。控顶设计时取24m。2.3.4直接顶最大分层厚度直接顶岩层是按分层由下而上逐层垮落的。对于4.2m厚直接顶，最大分层厚度为3m。2.3.5老顶初次来压步距20601面为35.4m，20604面为54.2m。控顶设计的时可取54.2m，在这种情况下，可再不必考虑支架工作阻力的富裕系数3。2.3.6老顶周期来压步距20601面是8.8～14.3m，20604面头10次是10.8～19.5m；工作面推进1500m的统计，小周期来压是9~14m，大周期来压是17～24m。控顶设计时，从最不利条件出发，老顶周期来压步距取24m，即垮落带老顶最上分层岩块长度取24m。2.3.7岩层平均体积力为简化计算，各岩层均取24kN/m3。2.3.8采高20601面采高为4m，20604面采高为4.3m。本控顶设计工作面采高是4～4.3m。当采高比4m略小时，本设计的结果还可以用，更小时则可能导致垮落带老顶分层数减小，本设计的结果不能用。当采高大于4.3m时也应重新设计。2.3.9其他参数设计中还需要老顶第一、二分层岩块长度，以及直接顶岩层在支架后的极限悬顶距等，这些只能凭经验确定。支架顶梁长度，立柱与顶梁铰点至支架末端距离等参数，由于设计时支架未选定，也只能先预计，待支架选定后再按实际数据反复计算。2.4控顶设计确定支架架型、支架工作阻力与初撑力，以及支架高度等2.4.1防漏考虑到煤层有直接顶，而且有伪顶，同时要实现高产高效，因此应选用双柱掩护式液压支架。为防止发生端面冒落，端面距应不超过340mm。生产过程中如果出现有端面冒高超过300mm的情况，应提高支架实际的初撑力至P0’以消除之。2.4.2防压（1）支架的工作阻力应能支撑住工作空间及采空区上方垮落带岩层的重量。设支架所需工作阻力为P，则'1()cosiazlililkiPLhLhLkN/架式中：La—每架支架所控制的工作面长度，1.75m/架γ—垮落带直接顶岩层平均体积力，24kN/m3h—垮落带直接顶厚度，4.2mL’z—直接顶岩梁长度(为端面距Ld，支架顶梁长度Lh与直接顶岩层在支架顶梁后的极限悬顶距Lzx之和，即0.34m+4.20m(预计)+2.0m(经验))，6.54m；γli—垮落带中第i层老顶及其附加岩层的平均体积力24kN/m3；hli—垮落带中第i层老顶及其附加岩层的厚度，hl1=1.8m，hl2=2.4m，hl3=4.5m；Llki—垮落带中第i层老顶的岩块长度，Llk1=9m(经验)，Llk2=14m(经验)，Llk3=24m；cosα—α为煤层倾角，近水平煤层cosα近似为1。P=7781kN/架（2）支架的初撑力P0”应能保证直接顶与老顶之间不离层。设平衡直接顶岩梁重量所需的支架初撑力为P01”，则'012cosaPLhLkN/架P01”=1154kN/架设平衡直接顶岩梁所产生力矩(对煤壁)所需的支架初撑力为P03”，则030cos2aZZLhLPLl'2（）kN/架式中：Lz—直接顶岩梁长度，Lz=Ld+Lh=4.54mL0—P03”作用点距顶梁后端的距离(立柱顶端至支架后端的距离，1.2m(预计)。P03”=1130kN/架支架所需初撑力P0”应是P01”与P03”中的大值，即P0”=1154kN/架（3）支架的可缩量应能适应裂隙带老顶的下沉。当老顶第四分层往下运动时，可能导致采场支架受压，虽然暂短时间内其下沉量不会太大，但其数值难以估计。由于液压支架可缩量较大，只要最小采高比支架最小高度有一定的富裕量，则不会有太大问题。当高产高效工作面快速推进时，这更不会成为一个问题。由于设计的采高为4～4.3m，因而支架最大高度最好在4.5m以上，最小高度应不大于3.5m。2.4.3防推在近水平煤层中，可以不考虑用支架初撑为P0”防推。支架所需初撑力P0应是P0’、P0”、P0”’中的大值。由于P0’只能在日常观测中才能得到，控顶设计时暂由P0”与P0”’中取大值；而本例P0”’可以不考虑，即设计的P0值即为P0”值。2.4.4初放阶段顶板控制初放阶段指直接顶初次垮落至老顶初次来压这段时间。直接顶初次垮落与老顶初次来压是这段时间控制顶板的关键。（1）直接顶初次垮落直接顶初次垮落时，控制顶板的关键在于沿支架后端切断直接顶。需用支架的初撑力，一方面平衡支架