（采矿工程专业论文）大采高孤岛采场覆岩运动破坏特征和矿压显现研究.pdf

摘要 摘要 论文结合淮南矿业集团谢桥煤矿的1 1 2 2 ( 3 ) 大采高孤岛工作面，对大采高孤 岛采场上覆岩层运动和矿山压力显现进行研究。对比一般非孤岛采场开采时上覆 岩层运动规律，孤岛开采条件下覆岩断裂破坏高度、煤体支承压力明显增大，并且 在孤岛工作面两侧一定范围内的煤体上形成应力集中。根据组合梁理论确定了岩 层载荷及岩层发生断裂破坏的条件，由此得到了一般采场充分采动临界开采范围 的定义和计算公式，并得出了充分采动和非充分采动条件下，覆岩断裂破坏最大 高度和两种的破坏区域形态。孤岛工作面开采后，采空区与两侧单独采空范围贯 通，形成一个整体。两侧采空范围是否达到l 临界范围决定着孤岛上覆岩层破坏高 度和破坏区域形态，故在此基础上详细讨论孤岛工作面开采以后的覆岩断裂破坏 高度、破坏区域形态和超前支承压力分布。论文运用f l a c 软件建立数值模型。通 过数值模拟实验分析和现场实测数据的处理与结果分析，得到了大采高孤岛采场 上覆岩层运动破坏特征和矿压显现规律。 孤岛工作面上覆岩层运动规律和采场矿压显现规律的研究将为确定巷道合理 支护和有效控制技术、灾害防治技术等进行综合研究奠定理论基础，是确保回采工 作面安全高效生产的必要技术基础工作。 图【4 7 】表【8 】8 参【5 3 】 关键词：孤岛工作面大采高覆岩运动矿压显现 安徽理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep a p e ru n i f i e st h eh u a in a nm i n i n gi n d u s t r yg r o u px i e q i a oc o a lm i n e 1 1 2 2 ( 3 ) g r e a tm i n i n gh e i g h t “i s o l a t e di s l a n d ”w o r k i n gf a c e ，s m d y i n gt h eo v e r b u r d e n b r e a k a g ec h a r a c t e ra n dp h e n o m e n ao fg r o u n dp r e a a u r ei nt h eg r e a tm i n i n gh e i g h to f t h e “i s l a t e di s l a n d m o p e a c c o r d i n gt ot h ec o m p o u n db e a mt h e o r yc o n f i r mt h el o a do n t h er o c ks t r a t u m ，a n a l y z et h ec o n d i t i o nd e s t r o y e dt h a tt h er o c ks t r a t u mb r e a k s a n d m a k eo u tt h ec r i t i c a la r e ao fs u p e r c r i t i c a lm i n i n ga n dg e tt h ec o r r e s p o n d i n gc a l c u l a t i o n f o r m u l a a n du n d e rt h es u p e r c r i t i c a lo rn o n s u p e r c r i t i c a lm i n i n g ，g a i nt w od i f f e r e n t k i n d so ft h el a r g e s tf r a c t u r eh e i g h to fo v e r b u r d e na n df r a c t u r er e g i o ns h a p e a f t e r e x p l o i t a t i o nt h e “i s o l a t e di s l a n d ”w o r k i n gf a c e ，t h es c o p eo fg o a fa n dc r i t i c a la r e ai n d o u b l es i d e sw i l lf r o maw h o l e w e t h e rt h es c o p ei nd o u b l es i d e sa c h i e v i n go r e x c e e d i n gc r i t i c a la r e aw i l ld e t e r m i n et h eb r e a k a g eh e i g h to ft h eo v e r b u r d e n “i s o l a t e d i s l a n d ”a n dt h ef o r m a t i v eo fb r e a k a g e w ed e t a i ld i s c u s s i o no ft h eo v e r b u r d e nb r e a k a g e h e i g h t 、t h ef o r m a t i v eo fb r e a k a g ea n dt h ed i s t r i b u t i o no ft h ea b u t m e n tp r e s s u r eo fc o a l o nt h eb a s i so fi t t h ep a p e ru s ef l a ct oc o n s t 州t h em u m e r i cm o d e l ，t h r o u 曲t h e n u m e r i cs i m u l a t i o na n a l y s ea n dt h ea c t u a lo b s e r v a t i o nt od e a lw i t ht h ed a t e ，a n dt h e n1 w i l lg e tt h ef e a t u r eo fb r e a k a g ea n dt h ed i s c i p l i n a r i a no fg r o u n dp r e s s u r ei ng r e a t m i n i n gh e i g h to f “i s o l a t e di s l a n d ”s t o p eo nt h eo v e r b u r d e n t h es t u d yo fo v e r b u r d e nm o v e m e n tl a wa n dp h e n o m o n ao fg r o u n dp r e s s u r eo f i s o l a t e di s l a n dw o r k i n gf a c ec a l lb et h eb a s eo nr o a ds u p p o r t i n ga n dc o n t r o l l i n ge f f e c t l y a n dp r e v e n t i n gf o rc a l a m i t y i ti se n v e nt h eb a s eo i lh i g h te f f i c i e n c ya n ds a f t y e x t r a c t i n g f i g u r e 4 7 】t a b l e 【8 】8r e f e r e n c e 【5 3 】 k e y w o r d s ：“i s o l a t e di s l a n d ”w o r k i n gf a c e ，g r e a tm i n i n gh e i g h ，o v e r b u r d e n m o v e m e n t , p h e n o m o n ao fg r o u n dp r e s s u e n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 塞筮堡兰太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示谢意。 学位论文作者签名：1 淋日期：趁年j 月4 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞微堡三太堂有保留，使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于 塞邀堡三太堂。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权安徽理工大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位 论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：孑z 芥 导师签名： 巧尹定琅 签字日期：妒7 年f 月，6 日 ， 签字日期曼从萨多( 日 1 绪论 1 1 问题的提出及研究意义 1 绪论 为了保证工作面的正常接替，避免连续工作面之间的相互干扰，采区内工作面 之间有时采用跳采接续方式，投产以后在采区内形成至少一个沿工作面走向方向 两侧均为采空区的工作面，这样的工作面称为孤岛工作面。孤岛工作面应力集中， 围岩破坏加剧，并能产生冲击地压，对工作面安全开采造成危害。孤岛工作面开 采会面临与非孤岛工作面开采不同的顶板控制难题。 ，开采孤岛工作面上覆岩层运动规律和采场矿压显现规律与非孤岛开采条件下 有很大差别。对比一般采场非孤岛开采时上覆岩层运动规律，上覆岩离层和断裂 高度明显增大，工作面上方会出现马鞍型的顶部离层。上覆岩层运动和破坏状态 决定了工作面矿压显现的程度，研究孤岛工作面上覆岩层的破坏特点对岩层控制 有重大的指导意义。目前，我们所掌握的覆岩运动和破坏理论是在一般采场条件 下得到的，对孤岛工作面上覆岩层运动破坏及其应力分布规律主要立足于现场实 测研究，缺乏系统的理论研究。因此，正确分析孤岛工作面上覆岩层运动和破坏 特征、支承压力分布规律及其对开采的影响，并采取有效的手段控制工作面顶板 和巷道是确保孤岛工作面安全开采的关键问题。对孤岛工作面覆岩运动和破坏规 律的研究，也是对采场上覆岩层运动和破坏规律的研究补充和发展。 目前全国很多矿区进行了孤岛工作面开采，例如：兖州煤业公司既有综放孤岛 工作面开采，也有分层综采孤岛工作面开采，但孤岛工作面应力集中，矿山压力 显现非常明显，围岩破坏严重，并容易产生冲击矿压，和煤层自燃发火，对工作 面安全开采造成危害。如兖州矿业集团济宁二号煤矿2 3 0 3 孤岛工作面曾经发生一 次轻强度的冲击矿压，使巷道掘进头的底板在半个小时之内臌起5 0 0 m m ，该矿区 另一个矿在类似的孤岛工作面条件下，也曾发生冲击矿压，并造成了人员的伤亡 和巷道的破坏；徐州矿务集团三河尖煤矿7 1 4 1 、9 1 0 1 孤岛工作面都发生过冲击矿 压事故，迫使7 1 4 1 孤岛综放面提前停采。兴隆庄煤矿4 3 0 5 、5 3 1 4 孤岛工作面， 这两个面在分层开采时一分层均已采完，一分层停采线均发生过自燃发火；东滩 煤矿首次开采的4 3 0 3 孤岛综放工作面采空区开切眼处曾于1 9 9 5 年4 月出现过高 温点。 因此，对孤岛工作面的开采技术研究，如合理选择孤岛工作面巷道位置、煤 层的开采顺序、巷道合理支护技术、覆岩移动变形规律和有效控制技术、灾害防 安徽理工大学硕士学位论文 治技术等进行综合研究，是确保回采工作面安全高效生产的必要技术基础工作。 研究和掌握孤岛工作面开采过程中项板运动规律及矿压显现特点，适时采取有效 措施安全开采，对减少顶板事故，提高资源回收，降低消耗，增加矿井经济效 益，具有较大的实际意义。 大采高孤岛工作面应力集中程度增大、矿压显现剧烈，围岩破坏严重，本课 题结合淮南矿业集团谢桥煤矿的1 1 2 2 ( 3 ) 大采高孤岛工作面，通过理论分析、f l a c 模拟、现场实测等多种综合性的研究方法，对该孤岛面的覆岩运动破坏特征、工 作面矿压显现规律和超前支承压力显现规律进行了深入全面的分析，认清和掌握 大采高孤岛采场覆岩运动破坏特征和矿压显现规律，确保回采工作面的安全高效 生产，对类似地质条件下孤岛面的开采具有一定的借鉴意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 覆岩运动研究现状 1 9 1 6 年，德国学者施托克提出悬梁假说，这个假说认为项板岩层是一种连续 介质。在初次垮落以后，就可以看作一端固定在工作面前方煤体上的悬臂梁。 1 9 5 0 1 9 5 4 年，原苏联学者r h 库兹涅佐夫提出铰接岩块假说，假说认为铰 接岩块间的平衡关系为三铰拱式的平衡。 预成裂隙假说由比利时学a 拉把斯提出，假说认为，由于开采后上覆岩层中 存在有各种裂隙，岩层将似塑性体那样可以发生很大的变形。因此可以将其视为 “假塑性体”。这种被各种裂隙破坏了的假塑性体处于一种彼此被挤紧的状态时， 形成了预应力梁。 解放以来，我国对煤矿开采岩层和破坏研究进入更高层次和实用阶段研究。 山东科技大学宋振骐院士在深入研究分析了国内外的有关采场上覆岩层运动和破 坏理论后，提出了具有代表性的“传递岩梁”学说，也称之为“以采场上覆岩层 运动为中心”的矿压理论。对老顶断裂采用“梁”的分析方法，对断裂后的岩块 采用“二块铰结”力学模型析。 中国矿业大学钱鸣高院士通过实测研究提出了破裂后老顶的岩层组成“砌体 梁”的力学模型。“砌体梁”理论集中研究了裂隙带岩层形成结构的可能性和结构 平衡条件n ，。 在坚硬顶板采煤工作面方面，山东科技大学蒋金泉教授引进了岩板理论，拓 宽了对老顶岩层运动形式和规律的认识。 2 1 绪论 根据覆岩运动和破坏特征，煤炭科学研究院刘天泉院士提出了覆岩破坏学说， 按照长壁开采后，覆岩变形破坏特征及其导水性能，将上覆岩层分为“三带”，即 冒落带、裂隙带和整体弯曲下沉带，并对离采场较近的裂隙带形态及力学特性进 行了描述。此后，山东科技大学高延法教授突破了传统的三带观念，提出岩移“四 带”模型，认为岩层结构力学模型应划分为破裂带、离层带、弯曲带和松散冲击 层带，分析了离层带和松散冲击层带在岩移计算中的必要性和重要性。1 。 随着对采场上覆岩层运动和破坏的认识进一步深化，中国矿业大学钱鸣高院 士提出岩层关键层理论。在采场上覆岩层中存在着多层坚硬岩层时，对岩体活动 全部或局部起决定作用的岩层称之为关键层，前者可称为岩层运动的关键层，后 者称为亚关键层。在煤系地层中，由于成岩时间和矿物成分不同使各岩层的力学 特性方面存在不同程度的差别，而其中一些较为坚硬的覆岩层在采场上覆岩体的 变形和破坏中起着主导控制作用，它们以某种力学结构( 板或简化为梁等) 形式支 承上部岩体的压力，而它们破断后形成的结构形式( 如砌体梁) 又直接影响着采场 矿压显现和岩层移动0 1 。 山东科技大学吴士良教授在研究了开采过程中对采场有明显影响的大范围覆 岩破坏结构的运动演化规律，提出采场覆岩破坏“四带”的划分，即整体下沉带、 离层带、裂隙贯穿带、垮落带。并且认为覆岩破坏体的构形可称之为“偏置的不 规则梯形”。随采场推进，前方煤体上支承压力分布峰值位于煤壁较近的位置，向 远处呈下降分布趋势，剧烈影响范围较大，总体影响范围较远：超前支承压力分布 变化随覆岩破坏的演化而呈明显的规律性变化“1 。 在孤岛覆岩运动规律研究方面，许多现场工程技术人员经过实测研究得出一 些重要的研究结论。孤岛工作面巷道发生的冲击地压的概率大，孤岛工作面内形 成一定范围的应力叠加区，孤岛工作面沿煤层的走向和倾向，距采空区一定范围 内，为高应力区，且有两个应力叠加。1 。孤岛放顶煤工作面煤壁前方项煤主要运 动形态表现为整体弯曲下沉变形，顶煤位移主要是顶煤向采空区方向弯曲偏转的 结果，这部分煤弯曲变形较大，由于横向约束力比较大，走向变形仍然表现为整 体弯曲变形，煤体内的弯曲裂隙多呈闭合状态。控顶区后，顶煤进一步发生弯曲 下沉变形，由于靠采空区侧存在自由面，因而，顶煤在弯曲下沉变形过程中形成 一些张开裂隙。直接顶沿工作面走向方向是分层分段垮落的，初次垮落步距不等。 孤岛工作面的矿压显现比一般工作面矿压显现强烈，孤岛工作面本身应力集中， 同时由于开采产生动压，因此煤层及顶板在滑动体系的基础上重新运动，使原有 3 安徽理工大学硕士学位论文 的破裂面及断层落差增大，使覆岩结构发生改变；在滑动过程中煤层发生塑性流 变，与上下煤层揉合穿插在一起，进而对煤层顶板产生进一步的破坏。 1 2 2 孤岛工作面矿压显现研究现状 早在2 0 世纪8 0 年代初期，我国就开始对孤岛工作面开采进行了研究工作。山 东枣庄矿务局柴里煤矿于1 9 8 1 年在对顶板来压预测预报的基础上对3 0 9 孤岛工作 面进行了成功的开采。和其它综采面相比，来压步距小，端头无明显来压现象，但经 常处于高压状态；两巷超前支护影响范围有明显增大。 兴隆庄矿于1 9 8 3 年在5 3 0 2 孤岛工作面采用分层综采技术进行了成功开采。 结合现场的实测数据资料，可以看出孤岛工作面顺槽成巷期间变形的两顺槽超前 支承压力、巷道顶底板移近速度、顶底板移近量、顶底板移近速度、超前影响范 围和影响明显区都显著增大”。 兖矿集团南屯煤矿于1 9 9 4 年在对有关顶板控制、通风预测技术全面研究的基 础上，对复杂条件下6 3 上l o 孤岛工作面进行了成功的综放开采。从现场的实测 数据资料，可以得出，孤岛综放工作面与非孤岛工作面的动载系数、支护强度、 顶板下沉量和片帮深度等均有明显增大”1 。 兖矿集团济宁二号煤矿2 3 下0 3 孤岛综放工作面回采时遇到各种困难，制定 了工作面快速推进的措施，回采过程中实现了高产高效。实践证明，孤岛综放工 作面快速推进技术是可行的。同时，也为其它相似开采条件的孤岛综放工作面提 供了依据和经验m ，。 潞安环能股份公司常村煤矿s 2 5 孤岛工作面在开采时进行了现场矿压观测， 通过对顶板的变化规律的摸索，并对支架支护阻力和支护强度的分析，采取有效的 支护手段，成功地采完s 2 5 孤岛工作面，对以后孤岛面的开采具有借鉴意义。1 。 义马煤业集团常村煤矿2 1 0 7 ，超长孤岛综放工作面埋深大，地质条件复杂。 通过工作面矿压观测，分析了顶煤与顶板的垮落特征，分析了工作面的周期来压 规律；给出了支架初撑力、工作阻力分布特征，同时分析了工序对支架工作阻力 的影响，并对支架受力状态进行了分析，掌握其工作面矿压显现规律，及时采取 预防控制性措施，保证了工作面安全生产，同时也对在延伸区布置大型综采放顶 煤工作面以及设备选型提供科学的理论依据“。 山东省岱庄生建煤矿以3 1 4 采区的孤岛超短工作面开采实践为依据，分析了 孤岛工作面的顶板运动和支承压力的分布规律，提出孤岛采煤的措施，实现了孤岛 4 1 绪论 超短工作面悬移支架放顶煤开采的高产、高效和安全生产，为孤岛超短工作面悬移 支架放顶煤开采开辟了一条新途径“。 山东省某矿十四采区第六区段东翼的1 4 3 0 6 工作面，其上、下两侧均为3 上煤 综放工作面的采空区，前方则是3 上煤1 分层综采面的采空区，后方即本工作面的 采空区，从而形成了典型的“孤岛”综放开采区段。根据“孤岛”综放工作面在开 采各时期的矿压显现特征，采取具有针对性的有效防范措施，如在两顺槽受超前压 力叠加影响、巷道支承压力圈遭到严重破坏时，及时搬出运输顺槽的转载机，增加 密集支护和支护密度，增大初撑力，提高了巷道支护强度，减少了改柱量，有利于顶 板控制：对两顺槽反复卧底扩帮，增大了通风断面和行人空间，保证了正常生产。实 施工作面调采，虽然角度较小，但避开了全倾斜长度的同时强烈来压，防止了沿煤 壁切顶和大冒顶事故的发生等。实现了安全生产并取得良好的社会效益，具有推广 应用价值，可供同类型矿井借鉴“。 徐州大黄山矿在连续开采三个石盒子组3 # 煤孤岛工作面中，就孤岛工作面 开采问题进行了一系列有益的探讨。分析孤岛面的顶板运动和支承压力的分布规 律，总结在孤岛面开采过程中的矿压显现特点，提出了孤岛采煤措施“”。 邢台矿业集团显德汪矿1 7 2 3 孤岛工作面，伪顶破碎，厚度大，两巷压力显现明 显，巷道收敛严重，对工作面生产不利。在工作面进行了一个多月矿压观测，取得了 大量数据，得出了孤岛面矿压显现规律，为安全生产提供科学依据n 4 1 。 兖矿集团东滩煤矿4 3 0 3 综放孤岛工作面回采时，支承压力影响范围及其在底 板中的传递强度明显增大。在分析该孤岛面支承压力分布规律的基础上，研究了 支承压力在底板中的传递规律。为有效控制跨采巷道附加变形，保证矿井正常生 产提供了依据。因此，研究孤岛综放工作面支承压力分布及其在底板中的传递规 律具有重要意义。同时东滩煤矿对4 3 0 3 孤岛综放工作面“两巷”、相邻及自身采空 区采取了综合防灭火措施，保证了该工作面安全、顺利、快速地回采。在历时两 年的过程中，该孤岛综放面未出现过煤层自燃事故，实践表明：采取的综合防灭 火技术是成功的，这为兖州矿区及其他易燃中厚煤层孤岛综放面的安全回采积累 了经验h 5 。 1 2 3 大采高研究现状 “大采高”近几年越来越多地出现于各类文献中，大采高是一个相对的概念， 指与普通采高相比而言，大采高开采高度的值并没有严格的规定。大多数情况下， 大采高指的是大采高综采，即使用与采高相同的综采支架及配套设备，开采厚度 5 安徽理工大学硕士学位论文 在3 5 m 以上的厚煤层综采整层开采方法，简称大采高“”。 国外早在6 0 年代就开始了大采高综采技术的研究，德国早在1 9 7 0 年使用贝 考瑞特垛式支架开采了热罗林矿4 m 厚的煤层，1 9 8 0 年前西德赫姆夏特公司开发 出g 5 5 0 - 2 2 6 0 掩护式支架，最大高度6 m ，在威斯特伐伦矿使用并取得了成功。 2 0 世纪7 0 年代末，波兰设计开发了p i o t a 系列两柱掩护式大采高支架，也取得 了较好的使用效果，美国1 9 8 3 年在怀俄明州卡帮县1 号矿采用长壁大采高综采技 术开采厚煤层，工作面采高达到4 5 4 7 m ，日产达6 2 0 0 t ，工效达2 6 t 3 6 t 工， 实现了高产高效。捷克的l a z y 矿从1 9 9 3 年开始使用d b t 公司的大采高支架，经 过不断对支架的改进，采高从4 m 增加到6 m ，在顶板较为破碎的情况下，回采工 效为3 8 t 工，工作面正常条件下单产为7 5 0 0 t d ，平均4 5 0 0 t d ，最高单产达到 了8 0 0 0 t d 。国外使用大采高的国家还有前苏联( m 1 2 0 、m 1 3 6 等支架) ，英国等。 我国大采高开始于7 0 年代，1 9 7 8 年引进德国赫姆夏特公司g 3 2 0 2 3 4 5 型掩 护式大采高支架及相应的采煤运输设备，在开滦范各庄矿1 4 7 7 工作面开采7 号煤 层，在煤层厚度3 3 m 4 5 m 、倾角l o 。的条件下，平均月产达到了7 0 8 1 9 t ，最 高月产达到9 4 9 9 7 t ，达到我国当时的最好水平。与此同时，我国开始研究大采高 支架和采煤机。1 9 8 4 年西山矿务局官地矿在1 8 2 0 2 工作面使用我国自行研制的大 采高综采设备进行工业性试验，综采支架为b c 5 2 0 2 47 型支掩式，采煤机为 m ) 【a 一3 0 0 4 5 无链牵引采煤机，在采高4 0 m 及i i 级3 类年邢台矿务局东庞煤矿使 用b y 3 2 0 0 一2 3 4 5 国产掩护式液压支架配套大采高综采设备，在2 7 0 2 工作面进行 了工业性试验并取得了成功，1 9 8 7 1 9 8 8 年东庞煤矿又与北京煤机厂合作，研 制了b y 3 6 0 0 _ 2 5 5 0 型掩护式大采高液压支架，成功地用于2 号煤层开采，在采高 4 8 m 清况下，平均月产i 0 4 3 5 0 t ，最高月产1 4 2 2 1 i t ，1 9 8 9 年以来，该矿一直保持 了大采高综采队年产百万吨以上水平。8 0 年代到9 0 年代初期，我国先后在铜川、 开滦、西山、充州、徐州、邢台、双鸭山等矿区使用了大采高开采方法，采高均 未超过5 m 随着高产高效矿井建设的深入，人们普遍认识到高产高效工作面是矿 井高效高效的基础，近十余年，大采高工作面得到长足的发展，其优势越来越得 到普遍认可，大采高开采技术发展到一个新的阶段。随着大采高技术的发展，为 更为合理、高效开采厚煤层开辟了新的途径，近几年大采高技术的成功范例使我 们有理由相信，大采高开采是我国今后厚煤层开采极为重要的开采方法之一 针对华晋矿区沙曲矿北翼3 # 一4 # 合层的地质采矿技术条件，进行了2 4 1 0 1 大采高首采面的矿压观测，分析了采场来压规律、支架合理工作阻力选择等问题， 得到2 4 1 0 1 面顶板垮落和来压显现在总体上表现较强烈，但在工作面上、中、下不 6 1 绪论 同区域的周期来压步距以及显现强度差别较大，有时上部来压步距大，有时下部来 压步距大，而中部来压步距变化较小“”。 大同煤矿集团公司通过对大采高工作面超前支承压力的观测并进行总结分 析，掌握了大采高工作面在开采过程中巷道围岩应力的活动规律，工作面超前支 承压力大约在工作面前方3 5 m 左右位置从原岩应力开始增加，随工作面的逐步推 进，其增幅也逐步的增加，当工作面推进到距离测点6m 左右时，达到了增值的峰值。 随后，又逐渐减小趋向于原岩应力。确定了今后大采高工作面和普通综采工作面巷 道掘进的支护方式及回采生产时的超前支护形式：进一步加强了掘进巷道的顶板 支护以保证回采过程中巷道顶板的安全“”。 太原理工大学采矿工艺研究所运用关键层理论研究了采场覆岩结构特征及运 动规律结果表明：垮落带及断裂带高度与覆岩关键层的分布特征密切相关，大 采高的垮落带及断裂带高度大于相同煤厚分层开采相应的高度，且随采高增大呈 台阶状上升此研究是大采高条件下采场矿压控制、地表塌陷评价的基础“。 晋城煤业集团成庄矿、寺河矿等在工作面上位岩层移动实测、模拟实验及工作 面矿压观测的基础上，对大采高综采工作面上覆岩体破断位置及其平衡结构进行 了研究结果表明：大采高综采工作面基本顶断裂的位置在工作面前方、上覆岩 层存在着比分层开采层位更高但和放顶煤开采相似的平衡结构，结构的活动是一 个逐渐变化的过程，在这一过程中，平衡结构与其下的直接顶相互作用，这种作 用方式与直接顶的多次损伤有关：传递到支架的载荷主要取决于支架上方直接顶 的岩性和损伤的程度平衡岩梁的变形对支架产生的影响受直接项的岩性和其损 伤后的强度的影响是明显的1 通过对淮南张集煤矿俯斜和仰斜工作面矿压实测，分析大采高倾斜长壁工作 面项板的初压和周压步距、来压动载情况、支架阻力分布、煤壁片帮等规律，并提 出了相应的顶板控制和防止煤壁片帮的措施，对类似条件的采面的高效安全生产 具有指导意义。“。 2 0 0 3 年大同煤矿集团立项对四老沟矿顶板坚硬大采高综采工作面的高产高 效问题进行了研究。介绍大同煤矿集团公司在顶板、煤层“两硬”条件下首次成 功采用大采高综采技术开采厚煤层，采高平均达到4 1 5 m ，解决了大吨位设备的 运输安装、顶板控制、片帮煤的防治等一系列的技术难题。通过对大采高工作面 的矿压显现的监测和数据的分析处理，总结并掌握大采高工作面顶板的活动规律。 在实际开采过程中应用到顶板管理上，为工作面的安全高效生产创造了有利的开 采条件乜幻。 7 安徽理工大学硕士学位论文 上湾煤矿对于该矿大采高综采工作面来压表现为支架压力值明显上升，煤壁 片帮、炸帮。矿区曾发生过初次来压顶板冒落形成的飓风伤人事故。总结出大采 高综采工作面生产过程中矿压显现规律和矿压显现现场管理措施。通过实施这些 措旌，避免了煤帮大面积垮落、漏矸，有效地控制了顶板，确保了综采工作面安 全生产乜3 3 。 晋城煤业集团寺河矿通过建立平面和立体相似模拟对大采高工作面矿压显现 进行了研究，并与现场观测的结果进行了对比分析，得到了大采高工作面矿压显现 的一些基本特征。实验及现场实测表明大采高工作面受前方承压力影响范围在 4 0 5 0m ，影响剧烈的范围在2 6i n 之内，峰值点在1 5 2 0m 。并随着采高的加大， 支承压力峰值逐渐向工作面煤壁前移，这是大采高工作面容易片帮的一个原因。随 着采高的加大，工作面周期来压步距将逐渐缩小。工作面周期来压步距为8 1 2m ， 大采高工作面机头、中间和机尾来压呈现不同步的特性，老顶来压呈现中间段超 前，两端头滞后的特征1 。 1 3 存在的问题 近年来许多矿区的孤岛工作面被使用各种采煤方法进行回采，并取得了一定 的成功，但实践表明孤岛采场应力集中程度增大、矿山压力显现剧烈、围岩破坏 严重，顶板控制难度增加及煤层有自然发火威胁。而本课题研究的淮南矿业集团 谢桥煤矿的1 1 2 2 ( 3 ) 孤岛工作面，由于该工作面是采用一次采全高进行回采， 这样使得工作面片帮、掉顶、支护等现象更加剧烈，两巷变形量加大，支护难度 增加等，给工作面的快速推进带来了较大的困难。 1 4 论文研究的主要内容、拟解决的主要技术问题 1 根据覆岩破坏前所处的状态，对大采高孤岛工作面，运用相关理论和知识 来研究覆岩层是否发生断裂破坏和破坏区域形态：运用f l a c 软件建立数值模型， 模拟孤岛工作面的形成及开采过程后的覆岩屈服破坏高度和煤体超前支承压力分 布规律 2 根据现场实测数据的研究，综合分析得到采场矿压显现规律、超前支承压 力显现规律和覆岩运动规律，并在此基础上做好确保回采工作面安全高效生产的 必要技术工作。 8 2 孤岛采场上覆岩层运动和破坏以及支承压力 2 孤岛采场上覆岩层运动和破坏以及支承压力 孤岛工作面煤体支承压力比正常工作面大，并且在孤岛工作面两侧一定范围 内的煤体上形成应力集中 2 5 ，孤岛工作面的来压步距比一般正常工作面小 2 6 ， 这说明孤岛工作面形成过程中，上覆岩层受到两侧工作面开采影响。矿山压力显 现是覆岩运动的直接反应，根据孤岛工作面开采与正常工作面开采的矿山压力显 现对比，可以推知两种回采工作面上覆岩层运动和破坏存在差异。两侧工作面开 采时，上覆岩层已经发生断裂破坏，如图1 所示，可以看出孤岛工作面上覆岩层 结构发生了改变，断裂破坏以上的岩层，保持了完整的结构，并承担自身以及上 部岩层重力，并且有着良好的传递力条件，对该岩层可以简化成板或梁模型。孤 岛工作面支承压力来源于孤岛工作面正上方覆岩以及两侧板或梁所控制的覆岩范 围重力，这便是孤岛工作面支承压力较正常工作面大的直接原因。鉴于此，在开 采孤岛工作面时，必然导致其上覆岩层运动和破坏不同。为了弄清孤岛工作面覆 岩运动和破坏，首先分析两侧工作面开采后，覆岩运动和破坏情况。根据文献 2 7 研究，工作面上覆岩层第一层两端断裂前悬跨度为l 1 ，其上一岩层的实际跨度l z = 0 8 l ，依此类推。文献 2 8 研究表明：覆岩断裂破坏高度随着工作面开采范围 增加而增大，但工作面开采范围达到或者超过临界尺寸时，覆岩断裂破坏高度保 持基本稳定。说明工作面采空范围大小，对上覆岩层运动和断裂破坏有着明显影 响。本章主要研究两侧采空范围变化时，孤岛工作面煤体平均支承压力和工作面 开采后覆岩断裂破坏最大高度和破坏区域形态。 _ ；一一：一i 一一_ j 一? “? “ _ _ i ：4 + ? ，产，+ 一一：，? 一_ _ ”_ 。? ，栉? ? ：一_ _ 04 ： 。* 。_ 一二二：。j ：。：一“+ 。“；o o ，一一”“ 署毫童墨毒；“l j 。j j i ：j 誓曩薹2 藿一懋：心，j ! ? j 誊一三_ 4 ) 一：曩圣量量 采空嚣孤岛工锋面采室臣 图1 两侧工作面开采后覆岩状态 f i g l o v e r b u r d e ns t a t eo fd o u b l es i d e s f a c e sm i n e d 9 安徽理工大学硕士学位论文 2 1 孤岛工作面两侧的工作面开采后覆岩破坏特征 工作面煤层开采出来后，其上覆岩层发生冒落、断裂、离层以及下沉。工作 面上覆岩层中，可能存在多个覆岩层组，组内各岩层发生同步运动，组间发生分 开运动。下面分析覆岩层运动情况。把工作面上覆岩层简化成两端固定梁模型。 设上覆岩层共n 层，从下至上分别为1 ，2 ，3 ，n 由材料力学可知：两端固定岩梁弯沉时，最大曲率和挠度分别为： p m 等伊面7 i l 7 i z ( 2 - 1 ) 式中：一第i 岩层容重： 厶一第i 岩层跨度： e ，一第i 岩层弹性模量： m ：一第i 岩层厚度。 如果相邻两个岩梁的曲率和挠度有如下关系： p o ) s p a 一1 ) 或( f ) p 一1 ) ( 2 - 2 ) 则表明：岩层发生同步运动，如图2 所示： p 。o ) ，p 。o 一1 ) 或，。( f ) ，。o 一1 ) ( 2 3 ) 则表明：岩层发生分开运动，如图3 所示。 山刖u i 山l | l jl juu fuuuuu 一 一 ! ： 一 二二】| 二二二二二二二二 图2 岩层同步运动 f i 9 2 r o c ks t r a t u ms y n c h r o n o u sm o v e m e n t 一 t ”7 it i 一一- ，rj 一：；j 。i 一；r “i 1 t 一o 一。j 一l 1 。一，! f l il j l 二二一一i 一- 1 一一 一一z 一一一一一一一 i = ：= _ _ ：= = 二一一! 一二= 二二 图3 岩层分开运动 f i 9 3 r o c ks t r a t u mn o n - s y c h r o n o u sm o v e m e n t 1 0 2 孤岛采场上覆岩层运动和破坏以及支承压力 根据公式( 2 2 ) 和( 2 3 ) 分别判断覆岩层运动情况。通过判断，设开采范围为 l 情况下，可分成s 组同步运动，每组内有5 ，层岩层，如图4 所示。 第s 嗣黪! 适旆魁。 第，1 争。 遥稀鲥j 茹m - k 鞫舻 遥动蛆 一 郝2 嗣步 s 遥站娥 菇l 翱弗 缸蚺攒 图4 覆岩组分开运动组内岩层同步运动 f i 9 4 o v e r b u r d e ng r o u p sn o n - s y c h r o n o u sm o v e m e n ta n dr o c ks t r a t u ms y n c h m n o m o v e m e n ti n g r o u p s 现在分析同步运动岩层受力状态，设第k ( 1 k s ) 同步运动岩层组中有& 层 岩层发生同步运动，每层岩层厚度为d 。( 1 r 以) ，密度为p b ( 1 r s 。) 由于第k 岩层组中有s 。层发生同步运动，考虑到层状岩体中面上的抗剪力较 弱，则由组合梁理论可知， 堕。盟：坠。；坠( 2 4 ) e 置1 j 嚣le 蜀2 ，置2置3 ，膏3 e 廿，缸 式中： m 。一第k 同步运动岩层组中第r 层岩层弯矩： e 。一第k 同步运动岩层组中第r 层岩层弹性模量： 3 k 一第k 同步运动岩层组中第r 层岩层惯性矩，其中i 。一州“石 由公式( 2 4 ) 可解得： 监。兰望，旦，监。墨盘一m r l e c l l k i ( 2 5 ) m k 2e k x lm t ，e k j i t 3 jm he h l h 其组合梁矩为， m 。 ) 一m 。，g ) + m 。2 0 ) + m 。3 0 ) + + j ! l f 。o ) t m 。( j ) ( 2 6 ) 司 其中第一层岩层其弯矩为 m 。 ) 一色。1 。m i o ) 罗艮k ( 2 7 ) 篇 由梁的受力原理可得第一层岩层受力q( x ) k r 安徽理工大学硕士学位论文 q k l o ) - e 。i 。，q ( x ) e o 气 ( 2 8 ) 习 式中： q ( x ) 一第k 同步运动岩层组自重分布载荷，q ( x ) 亨几d 。 蜀 并且考虑到k 和q ( x ) 的表达式时，第一层岩层受力q k l o ) 可写成如下形式， $ c“ q 帅) 一( e k l d k l 3 三p “d h ) 三丸3 ( 2 9 ) 同理可得，在第k 组同步岩层组中，如第r 一1 层岩层发生断裂破坏，则r 层岩层 上载荷为， | t吒 q 一( d b 3 几) “3 ( 2 一l o ) 下面分析岩层断裂破坏情况，假设在第k 同步运动岩层组中第r 岩层发生一 次断裂破坏，其上一层岩层第( r + i ) 层没有发生破坏 在第r 以下的岩层认为都发生了断裂破坏。对第r 岩层，在发生断裂破坏之 前，其支承条件可看作两端固定梁模型，力学模型如图5 所示。图中l 1 为该岩梁 的跨度。 q 。o ) i ! ljli11 l1l ll llll lllifiill 7 。 图5 两端固定梁力学模型 f i 9 5 m o d e lo f d o u b l ee n d sf i x e db e a m 为了后面的分析研究，这里给出第k 同步运动岩层组中第：层岩层最大允许下 沉量j m ，岩梁最大下沉量就是上覆岩层冒落、断裂后碎胀、裂胀充填采空区后， 所余下的空间。 s m - h 一d ： ，一1 ) ( 2 一1 1 ) ：= i 式中： 层厚度： d 一覆岩冒落、断裂层层厚度： 七，一第k 同步运动岩层组中第：层岩层以下岩层冒落、断裂覆岩层压实后膨 胀系 由材料力学知，两端固定梁时，梁上任意截面弯矩m 。0 ) 为， 肼b ( x ) - q b o ) ( 6 l i x 一6 x 2 一l j ：) 1 2( o s x s l f ) ( 2 - 1 2 ) 式中： 2 孤岛采场上覆岩层运动和破坏以及支承压力 0 ) 一第k 同步运动岩层组中第r 层岩层上载荷： l 第k 同步运动岩层组中第：层岩层跨度。 由公式( 2 - 1 2 ) 知，在梁的两端，即( x = 0 ，厶) 时，弯矩达到最大。 m 劓一。一譬磐( 2 - 1 3 ) 式中： h 0 一第k 同步运动岩层组中第r 层岩层的抗弯截面模量 两端固定梁，挠曲方程为： y ，q h ( x ) x ( l , 3 - 2 ：l i x z + x 一3 ) ( os x s ) ( 2 - 1 5 ) 2 4 e h i h 、“ 由公式( 2 一1 5 ) 知，两端固定梁最大挠曲发生在岩梁中部厶为， 尼。，。5 q b , ( _ x ) l i 4 ( 2 1 6 ) j “” 3 8 4 e h l h ” 由第k 同步运动岩层组中第r 层岩层发生断裂可以得出， o m 。2 【仃m 】 允一s s m ( 2 1 7 ) 式中： j 一第k 同步运动岩层组中第r 层岩层极限应力。 岩梁在两端发生断裂破坏后，岩梁由两端固定转化为两端固支状态，此时岩 梁任意截面弯矩方程为， m k , o ) 。鱼塑攀( o s 石) ( 2 - 1 8 ) 由公式( 2 1 8 ) 知，两端固支岩梁最大弯矩发生在岩梁中部，且最大m 。o 一争。 为， 。 l f 。o - 争一a 华 ( 嘞“。) ( 2 - 1 9 ) 中部最大应力o r b r e 4 x ( x 一等) 为， 。争竿m k , ( x = l i 。百q i , ( x ) l i 2 m 嘲， z 。， 显然，如果两端固定梁在端部发生断裂破坏后，该岩梁中部一定会发生断裂 破坏。根据假设，第k 同步运动岩层组中第r 层岩层发生一次破坏，说明在第k 同步运动岩层组中第( r + 1 ) 层岩层不发生断裂破坏。此岩层仍然可简化为两端固 定梁模型。 对第k 同步运动岩层组中第( r + 1 ) 层岩层不发生断裂破坏有以下两种情况：( i ) 岩梁两端最大应力没有达到岩梁发生断裂破坏时极限应力，且岩梁最大挠曲小于 j a ：( i i ) 岩梁两端最大应力没有达到岩梁发生断裂破坏时极限应力，且岩梁最大 挠曲大于j a 。这两种情况，用数学表达为： 安徽理工大学硕士学位论文 ( i ) o k ( r + 1 ) 哪 【盯t ( ，+ 埘】且 ( ，+ 1 ) 哪s 一( ，+ 1 ) ( i i ) 4 】r k ( r + 1 ) 。引盯i ( ，椰】且 ( ，+ 1 ) 一s a ( ，+ 1 ) 由式( 2 - 2 1 ) ，( 2 - 2 2 ) 可以推出， p + 。工。p + ，且j 5 百q i k ( 云, + ：1 ) ：( 忑x ) l o a ) 4t i l 一茎d ：( ：一1 ) 工。+。，。p。，且糍芑一荛d：ct：一d ( 2 - 2 1 ) ( 2 - 2 2 ) ( 2 2 3 ) ( 2 - 2 4 ) 式中： l t k ( v + 1 ) 一第k 同步运动岩层组中第：层岩层上一岩层极限跨度。 根据材料力学，固定梁应力最大位置在岩梁的端部，最大挠曲在岩梁中部， 对于第1 种情况，当岩梁跨度达到极限跨度时，端部应力仃帅+ d 一为， o r 。i ( ，+ d m 。 m m + 1 ) ) ，。q k ( r + 1 ) 皿2 ( ，+ 1 )1 2 w k ( r + 1 ) 。【口i ( ，+ d 】 ( 2 2 5 ) 而且岩梁达到极限跨度的最大挠曲，蛐+ n 。为， ，i p 。) 。三3 8 1 4 望e 2 尘!