平頂山礦區(qū)深部煤層底板比壓分布規(guī)律的研究

1、平煤集團(tuán)公司二OO七年度優(yōu)秀論文申報(bào)表單位： 平職學(xué)院 2007年11月10日作 者栗成杰合作者鄭光相文章題目平頂山礦區(qū)深部煤層底板比壓分布規(guī)律的研究雜志名稱或?qū)W術(shù)會(huì)議名稱中國(guó)煤炭發(fā)表或交流的期次、時(shí)間2007年第9期論文內(nèi)容要點(diǎn)本文介紹了煤層底板比壓測(cè)定的原理和方法，通過(guò)對(duì)平山礦區(qū)深部煤層底板比壓的測(cè)定，得出了平頂山礦區(qū)煤層底板比壓分布規(guī)律，對(duì)平頂山礦區(qū)深部煤層的采場(chǎng)支護(hù)設(shè)計(jì)提供了科學(xué)的理論依據(jù)。單位意見(jiàn)年 月 日專業(yè)評(píng)審組意見(jiàn)年 月 日附件：論文內(nèi)容（必須和發(fā)表刊登的文章內(nèi)容完全一致）：平頂山礦區(qū)深部煤層底板比壓分布規(guī)律的研究栗成杰，鄭光相（平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 河南 平頂山 46700

2、1）摘要：本文介紹了煤層底板比壓測(cè)定的原理和方法，通過(guò)對(duì)平山礦區(qū)深部煤層底板比壓的測(cè)定，得出了平頂山礦區(qū)煤層底板比壓分布規(guī)律，對(duì)平頂山礦區(qū)深部煤層的采場(chǎng)支護(hù)設(shè)計(jì)提供了科學(xué)的理論依據(jù)。關(guān)鍵詞：底板比壓；分布規(guī)律；采場(chǎng)支護(hù)Research on Regularities of Specific Pressure Distribution on Deep Coal Seam Floorin Pingdingshan Mining AreaLI Cheng-jie,Wang Pei-qiang(Pingdingshan Industrial College of Technology，Henan，pi

3、ngdingshan ,467001)Abstract: This article introduces the method and principle of measuring deep coal seam floor specific pressure, gets out of specific pressure distribution on deep coal seam floor in Pingdingshan mining area by measuring deep coal seam floor specific pressure ,it supplies scientifi

4、c theory for supported design of deep minning field in Pingdingshan mining area.Key words: specific pressure, regularities of distribution, support of minning field 采場(chǎng)底板比壓的測(cè)定是采場(chǎng)支護(hù)形式和參數(shù)合理選擇的重要工程依據(jù)，是進(jìn)行煤層底板分類的重要指標(biāo)。隨著礦井開(kāi)采深度的增加，煤層頂、底板承受的壓力越來(lái)越大，底板作為采煤工作面支護(hù)系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，如果底板松軟，會(huì)導(dǎo)致支柱（架）的額定工作阻力不能充分發(fā)揮，從而引起頂板下沉量過(guò)大

5、，加劇頂板的破碎程度，對(duì)礦井生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響。因此，加強(qiáng)對(duì)平頂山礦區(qū)深部煤層底板比壓的測(cè)定工作，分析研究該礦區(qū)深部煤層的底板比壓分布規(guī)律，對(duì)改善平頂山礦區(qū)深部采場(chǎng)支護(hù)狀況具有重要的科學(xué)依據(jù)。1 底板比壓測(cè)試原理1.1測(cè)試原理底板比壓測(cè)試是對(duì)工作面煤層底板進(jìn)行破壞性測(cè)試，通過(guò)數(shù)據(jù)分析，計(jì)算出底板的壓強(qiáng)。煤層底板的破壞有一個(gè)從量變到質(zhì)變的過(guò)程，底板在承受支柱載荷時(shí)，底板產(chǎn)生彈性變形，當(dāng)支柱工作阻力增大，底板彈性變形隨之增大，達(dá)到彈性變形極限后，底板就發(fā)生破壞，底板的變形分為脆性變形、塑性變形和塑脆性變形。脆性變形在支柱載荷與鉆底量上存在面明顯的拐點(diǎn)，第一個(gè)拐點(diǎn)處的應(yīng)力值即為底板的極限抗壓強(qiáng)度如圖1

6、所示；塑性變形在支柱載荷與鉆底量（PH）關(guān)系曲線上不存在面明顯的拐點(diǎn)，曲線比較平緩，底板極限承載力不好判斷，這時(shí)候選?。≒H）關(guān)系曲線上曲率較大的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值作為底板極限抗壓強(qiáng)度，如圖2所示；塑脆性變形表現(xiàn)為塑性變形和脆性變形交替進(jìn)行，對(duì)應(yīng)的PH曲線上出現(xiàn)多個(gè)拐點(diǎn)，第一個(gè)拐點(diǎn)處的應(yīng)力值即為底板的第一極限抗壓強(qiáng)度，其它拐點(diǎn)最高峰值處對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值為底板的第二極限抗壓強(qiáng)度，如圖3所示。圖1 脆性變形 圖2 塑性變形 圖3 塑脆性變形1.2測(cè)試儀器及原理進(jìn)行煤層底板比壓觀測(cè)的儀器主要是底板比壓儀，目前國(guó)內(nèi)常用的底板比壓儀包括內(nèi)注式靜壓比壓儀（BPN）、外注式靜壓比壓儀（BPM）和沖擊式比壓儀。在這次

7、底板比壓測(cè)試的過(guò)程中，用的主要儀器是外注式靜壓底板比壓儀（BPM），針對(duì)一些比較松軟的煤層底板采用沖擊式底板比壓儀。靜壓式底板比壓儀是根據(jù)單體液壓支柱的工作原理設(shè)計(jì)的，靠外帶的手搖泵加壓，使活柱受壓伸出，并產(chǎn)生一定的推壓力。由于儀器的上端頂蓋面積大，而下端壓膜面積小，在支撐力作用下，壓模壓入底板，根據(jù)壓力表讀數(shù)與底板壓入量的關(guān)系就可以測(cè)定出底板的抗壓入強(qiáng)度參數(shù)，進(jìn)而找出壓膜壓入底板的深度隨著壓模產(chǎn)生的底板比壓變化的規(guī)律；沖擊式底板比壓儀是根據(jù)史密斯重錘設(shè)計(jì)原理而制作的，巖層的抗壓入強(qiáng)度q是其彈性模量E和撞針壓入深度h的函數(shù)。而這種壓入深度h是隨著重錘落擊撞針的次數(shù)的增加而增加的，其間有一段近似

8、線性的變化，應(yīng)用這段穩(wěn)定線性變化的特征，可以求得底板穿透度這一重要參數(shù)。2 測(cè)試數(shù)據(jù)分析平頂山礦區(qū)位于秦嶺緯向構(gòu)造帶東延部分與淮陽(yáng)山字形西翼反射弧頂部的復(fù)合部位，成煤年代為石炭二迭紀(jì)，煤系地層含煤7組88層，自下而上為庚、己、戊、丁、丙、乙、甲煤組，含煤系數(shù)為3.78%。主要可采煤層自下而上為庚20、己17、己16、己15、戊10、戊9、戊8、丁6、丁5、丙3共10層，其中己16和己17煤層，戊9和戊10煤層，丁5和丁6煤層大部分合層，主要可采煤層總厚1518m。煤層走向北西，傾向總體受北西向的李口向斜控制，煤層傾角總體為緩傾斜，西部露頭及大斷層影響部位傾角變化較陡，主要可采煤層多屬穩(wěn)定和較穩(wěn)

9、定煤層。通過(guò)對(duì)平頂山礦區(qū)各主采煤層的對(duì)比分析，確定的煤層研究對(duì)象為六層，包括丁組煤的丁6，戊組煤的戊8、戊10，己組煤的己15、己17，庚組煤的庚20。為了確保測(cè)得數(shù)據(jù)具有代表性，能夠反映整個(gè)平頂山礦區(qū)的煤層底板比壓的分布規(guī)律，在整個(gè)礦區(qū)內(nèi)由東向西選擇八礦、十二礦、十礦、一礦、四礦、六礦、十一礦作為研究對(duì)象 ，來(lái)進(jìn)行煤層底板比壓分布規(guī)律的研究，對(duì)上述礦井的21個(gè)工作面進(jìn)行了煤層底板比壓的測(cè)試并對(duì)部分底板巖石進(jìn)行了抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，得出了63組底板比壓與壓入深度關(guān)系曲線和18組煤層底板抗壓強(qiáng)度全程應(yīng)力曲線,圖4為丁6煤層底板抗壓強(qiáng)度全程應(yīng)力曲線，圖5為丁6-32020第78支架處底板比壓與壓入深度關(guān)

10、系曲線。根據(jù)底板比壓與壓入深度（PH）關(guān)系曲線可確定底板表分層，臨界破壞時(shí)的拐點(diǎn)，根據(jù)拐點(diǎn)可確定底板極限抗壓入強(qiáng)度qm、臨界點(diǎn)的壓入深度hm以及拐點(diǎn)處的剛度km。圖5 丁6-32020第78支架處底板比壓與壓入深度關(guān)系曲線3 底板比壓分布規(guī)律分析通過(guò)對(duì)平頂山礦區(qū)7對(duì)生產(chǎn)礦井、21個(gè)生產(chǎn)工作面煤層底板比壓和巖性的測(cè)試，并根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果得出了以下幾條結(jié)論：（1）丁、戊、己、庚組煤底板比壓依次降低，丁6煤層容許底板比壓在89.33Mpa之間，容許底板剛度為0.450.7 Mpa/mm；戊8煤層容許底板比壓在6.679 Mpa/mm之間，容許底板剛度為0.330.63 Mpa/mm； 戊9-10煤層

11、容許底板比壓在4.6710.33Mpa之間，容許底板剛度為0.20.5 Mpa/mm,平頂山礦區(qū)底板低壓從西向東逐漸增加；己15煤層容許底板比壓在5.8311Mpa之間，容許底板剛度0.450.47 Mpa/mm，庚20煤層容許底板比壓在3.639Mpa之間，容許底板剛度0.390.44Mpa/mm，遇水軟化或風(fēng)化后底板比壓為本原來(lái)的一半左右。（2）受遇水軟化、風(fēng)化影響，底板比壓值有明顯的降低趨勢(shì)。（3）工作面支護(hù)受偽底影響因素較大，特別是留底回采時(shí)，底板比壓測(cè)定數(shù)值波動(dòng)較大。（4）己組煤層底板應(yīng)作為底板比壓測(cè)定的重點(diǎn)，重點(diǎn)進(jìn)行新鮮巖層和回采巖層的對(duì)比關(guān)系的研究。（5）平頂山礦區(qū)深部煤層底板發(fā)

12、生的變形多為塑-脆性變形，底板比壓與壓入深度關(guān)系曲線具有彈性和塑性變形兩部分，連續(xù)加壓過(guò)程中，出現(xiàn)脆性破壞，多次連續(xù)加壓，關(guān)系曲線出現(xiàn)多次增阻及降阻。4 對(duì)采場(chǎng)支護(hù)的幾點(diǎn)建議根據(jù)平頂山礦區(qū)深部各主采煤層底板比壓分布規(guī)律的研究結(jié)論，提出了煤層頂、底板控制的有效措施，（1）根據(jù)采面底板控制的需要和現(xiàn)有支柱（架）的技術(shù)結(jié)構(gòu)特征確定合理的支柱（架）底座面積，以達(dá)到減少鉆底量，提高支柱承載能力的目的；（2）應(yīng)盡可能避免底板人為浸水；（3）厚煤層分層開(kāi)采時(shí)，盡可能選擇較硬的天然夾石分層作底板；（4）適當(dāng)縮小控頂距，加快推進(jìn)速度，縮短循環(huán)時(shí)間，緩解支柱鉆底的加劇。（5）在對(duì)底板采取有效措施的同時(shí)，也要完善對(duì)頂板的管理，要從“頂板支柱底板”組成統(tǒng)一的力學(xué)體系角度出發(fā)來(lái)改善頂、底板管理，從而更好的為安全生產(chǎn)服務(wù)。5結(jié)語(yǔ)通過(guò)對(duì)平頂山礦區(qū)深部各主采煤層底板比壓的測(cè)定及分布規(guī)律的研究，可以為平頂山礦區(qū)深部煤層底板分類、支架選型和研究支架底座壓力的合理分布提供參考數(shù)據(jù)，對(duì)于進(jìn)一步改善工作面頂、底板管理，實(shí)現(xiàn)煤礦的高產(chǎn)、高效具