悬移支架机采放顶煤工作面防治片帮关键技术研究.doc

悬移支架机采放顶煤工作面防治片帮关键技术研究郑州矿区回采的煤层为“三软”煤层，煤层松软破碎、易片易掉，杨河煤业42051是采用整体顶梁悬移支架配合采煤机机采工艺，采高为2.5m，采煤机割煤后煤壁暴露面积较大，工作面切巷较长，回采进度慢，同时工作面受到老空老巷的影响，工作面煤壁片帮问题是制约安全生产的关键因素，特别是工作面老巷段及顶煤较薄段煤壁片帮问题尤为突出，当煤壁片帮时，需要及时进行超前支护，而超前支护是一种被动行为，不仅费工费时，影响工作面的回采进度，并且操作过程中很不安全，很容易发生顶板事故，因此，治理煤壁片帮问题成为该工作面急需解决的问题。1松软煤层煤壁片帮类型及分析煤壁片帮的形成因素是受到各向不均受力影响而产生的煤壁破坏现象。当煤壁受到自重和顶板压力时，就会产生拉裂破坏和剪切破坏两种形式。1.1探究煤壁拉裂破坏在脆性硬煤中，煤壁拉裂破坏是较常发生的现象，此类煤层煤壁允许有较小的形变量。受到顶板压力的影响，煤壁内会有横向拉应力出现，因其无法借助煤体的变形得到释放或者缓解，一旦横向拉应力与煤体相比较大时，煤壁位置就会有拉裂破坏产生，这也是煤壁片帮现象产生的重要因素。(如图1(a)、(b))。煤壁拉裂破坏规则为：Rt不大于2Kp或者πH（6-1）其中，Rt表达煤体抗拉强度值；K表达应力修正系数；P表达煤壁所受压力值；H代表煤壁高度值。（a)(b)(c)（a，b）煤壁拉裂破坏；（c）煤壁剪切破坏图1煤壁片帮破坏形式1.2探究煤壁剪切破坏软煤层会受到煤体自重及顶板压力的影响，在煤壁内部位置处煤体会有横向拉应力产生，在此过程中产生的横向拉应力会致使软煤层在横向以及蠕动变形时得到释放或缓解，一旦煤壁内的剪应力与抗剪强度相比较大时，就会导致剪切滑动破坏，如图1(c)所示。曲面占据了实际剪切滑动面的大部分，假设煤壁高度和片帮高度较小，就可以将其转化为平面(如图2所示)，将莫尔强度理论及破坏准则作为依据，就可以用公式表达为：G=D-S=Chsecα+Ntanφ-S≤0G为安全余量；其中D表达沿着剪切面的抗剪力；S表达该面上的滑动力；C代表煤体粘聚力；Φ代表煤体内摩擦角；N代表剪切面上的法向力；S代表剪切面上的剪力；H代表剪切面破坏高度；Q代表为顶板载荷集度；Α代表剪切面与煤壁的夹角。当此值低于0时，煤壁就会有剪切破坏产生。图2煤壁剪切破坏N、S的重要构成部分就是顶板压力以及破坏体自重。顶板压力（p）值为qhtanα，滑动体自重（W）为h2γtanα／2，煤体容重用γ表达。根据穆尔—库仑理论：G=45°-φ／2，N=(p+W)sinα，S=(p+W)cosα；代入(6-2)式，由此得出煤壁剪切破坏准则为：G=Chsecα+(qh+h2γ／2)(sinαtanφ一cosα)tanα≤0根据上述煤壁片帮机理分析得出，煤壁的拉裂破坏以及剪切破坏，都会受到煤体顶板压力、抗剪强度、煤体的物理力学性质影响。由此可见，解决煤壁片帮问题的重要方式就是将煤壁所受的顶板压力减小，将煤体的物理力学性质改变、将煤体的抗剪强度提高。1.3计算煤壁挠度的方式为简化分析，计算煤壁在顶板压力作用下的挠度可作如下考虑：一方面，忽略煤壁的剪切变形情况；另一方面，忽略煤壁垂直方向上的压缩变形情况；第三，忽略煤壁重力影响；第四，不考虑水平作用下对煤壁片帮的制约。当压杆处在临界平衡状态时，将小挠度微分方程以及端部约束条件作为依据，以将煤壁的挠度曲线拟定下来，将此作为基础，将煤壁在顶板压力作用下的挠度最大值求出，也就是煤壁容易失稳的部位。煤壁挠度计算力学分析模型见图3。（a）（b）（c）（d）图3煤壁挠度计算力学模型图（a）为一端与另一端互相固定，弹性支承的煤壁，将M0作为固定端力矩，h作为采高，弹簧刚度达成一定值时，杆体端部就不会有侧向位移发生。将杆件的整体平衡条件作为依据，两端就会有水平反力M0/h产生。将x断面以下部分作为分离体，如图（c），将x截面的形心作为中心，从而得出的力矩平衡方程为：M代表截面形心的弯矩，N·m；Fp代表煤壁所受垂直方向应力，N；ω代表煤壁挠度，m；M0代表煤壁固定端力矩，N·m；H代表采高，单位m。由M=Elω”得出微分方程为：Elω”+Fpω=M0x/h式中：EI为煤壁的弯曲刚度，K2=Fp/El。对微分方程进行求解，得：由边界条件：当x=0时，ω（0）=0；当x=h时，dω/dx=0得到：当sin（4.49x/h）=1时，ω取最大值，即4.49x/h=2kπ+π/2（k取整数），解得：x=（1.39k+0.35）h与实际情况相结合，将x值设定为0.5小时，那么1.37M0/Fp就是ω的最大值。上述煤壁片帮的力学分析表白，杨河煤业42051工作面煤壁重要发生的是剪切破坏，片帮重要部位是煤壁的中部。但无论是煤壁的拉裂破坏还是剪切破坏，煤壁最大挠度点在