放顶煤综采工作面支架受力研究.pdf

岩石力学与工程学报VoL13No．31994
ChlaeaeJournal0，RockMechanicsaadEng|neeriafl3(1994)，261-269

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⑧第
靴卷明年”傲顶煤综采工作面支架受力研究。

期于海勇阎保金
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(中国矿业大学北京研究生部。北京

摘要本文从实际综放工作面存在问层出发，以现场观测资料和实验室模型研究结果为基础。
建立了顶煤在垮落前的力学模型，利用头体力学正确地计算出放顶煤支架顶粱所受到的外力。
利用松散介质力学全面分析了放顶煤支槊掩护檠上所承受的外力，从而提ill-／"计算支架合理工
作阻力的新方法和具体公式．
关键词：塑堑丝橙散介质力学'塑工作阻力．。篱●，嫁象

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放顶煤综采近几年在我国发展很决，中硬厚煤层放顶煤综采在潞安矿各局已取得了显
著成绩，1992年工作面产量突破225万t。最高月产27．4万t，最高日产1．44万t，回采
工效为ll0．8t／I‘．三软不稳定特厚煤层放顶煤综采也取得了突破性进展，郑州矿务局
米村矿综放工作面1992年最高月产7．2万t，最高日产3300t，回采率85％．到目前为
止，在全国已有23个矿，4o个综放工作面．由于放顶煤综采具有高产、高效、低耗、安
全等突出优点，因此，在我国特厚煤层机械化开采具有广简的发展前景．

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圈1米村矿支架受损主要破坏状态

Fig．1．"rhc,failu,l~ofpowcredppOftsinmichunmine

然而。放顶煤开采在发展过程中还存在若许多亟待解决的生产实际和理论认识问题，
其中如何分析放顶煤支架受力状态，估算支架的合理工作阻力就是放顶煤开采中的主要问
髓之一．例如，1988年9月在郑州矿务局米村矿投人使用的ttFS440-1．9／2．8的放顶煤

01994年l且f3目收初稿，1994年3月31目收謦硅祷

·262·岩石力学与工程学报l994由E

支架．由于支架在设计时对支架在实际工作状态下可能承受的外力分析不够，导致该支架
在一年的使用过程中立柱几乎全部严重损坏(图1)．
本文正是以这些实际放顶煤工作面存在的问题为背景材料。针对放顶煤支架的特点。
试图利用块体力学和松散介质力学对放顶煤支架所承受的外力进行计算．

2块体力学基本概念

在地下工程中．由于存在弱面，构造裂晾和采动裂晾把原始完整煤岩体切割成各种类
型的空间镶嵌块体．在自然状态下块体处于静力平衡状态．当一且形成自由无支护的开挖
空间。如刚刚掘出的巷道断面．支集在工作面前穆后显露的顶精吸直接顶板等等．边界上
的块体首先沿某一结构面滑动失去原有的静力平衡状态，进而引起连锁反应造成工作破
坏。顶板垮落．因此。块体力学核心问题就是借助矢量计算找出结构面分割的所有可能滑
动块体。再进一步从力学方面。运动学方面确定出不稳定块体．

3放顶煤工作面顶煤力学模型建立

1顶II|破坏的实际观孤殛攘翌!研究

圈2顶煤话动全过程曲线
F||．2．FuU∞rvcoftop∞IImov~mem

第l3卷第3期于海勇等：放璜壤综采工作面支架受力研究·263·

根据实际对放顶煤工作面深基孔的观测，顶煤从开始产生位移到最终放出要经过四个
主要阶段的发展，即裂隙产生发育阶段，第一次垮落阶段，再压实阶段和双煤放出阶段(
图2)．
其中第一阶段(A)是对支架顶粱产生最主要的外力，其特点是随着工作面推进，顶煤
在支承压作用下产生许多近似垂直的采动裂晾。并且产生的每一条裂隙都要经历一个由张
开到闭合的过程，越时顶煤的位移是以水平位移为主．众多采动裂暾的产生加之原生骣面
和节理把顼煤分割成若干个相互之间不船承受任何拉应力面镶嵌在一起的煤块体，一旦失
去底煤和支架支撑，顶煤就会发生大位移垮落，其稳定性也完全由底煤层和支架工作阻力
来平衡．在实验室的相似模型研究中结果也同样如此(图3I、。-j一

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圈3顶煤破坏的实验模型-‘
Fig．3．Simulationmo翻oft盆r氍j
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3．2顶煤力学模型

由前面的实际观测和模型实验结果可知，在工作面前方采动裂隙以垂直方向为主，到
了工作面附近，顶煤逐渐由三向应力状态进入三向应力状态．在平行工作面方向，除了存
在垂直采动裂隙外，还存在平行煤层的原生弱面。由此可见。．采动裂陂，剪应力裂隙和原
生弱面将顶煤切割成只能承受压力，剪力酌块捧堆(图4)_
原生弱而采动裂目：e剪应

圈4磺煤力学模型

Fig．4．mechanicmod~ioftopcoa]

为研究问题简明起见，特做如下几个假设

·264o岩石力学与工程学报l994年

(1)工作面前方采动裂隙垂直于煤层，支架上方剪应力裂隙与煤