（采矿工程专业论文）大采高综采工作面矿压显现特征及控制研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 大采高综采工作面矿压显现特征及控制研究 摘要 沦文采用现场观测、理论分析及数值模拟等研究手段，针对大采高 综采工作面采场顶板岩层的运动规律和采场矿l 【j 压力显现规律有其特殊 性的特点，若重研究了大采高综采工作蚕的矿压嶷现特征及其规律、工 作面采场围岩应力场、位移场及围岩塑性破坏场的分布规律以及大采高 综采工作面煤岩组合力学模型及其控制。 研究成果表明，与一般综采工作面相比，大采高综采工作丽在不同 的开采地质条件下，其矿压显现特征有其特殊性，主要表现为：采场支 架载搿大，较普通综采瑶高1 0 3 0 ；来压时动载系数小，且无冲击载荷； 基本顶来压明显，但不强烈；采场支架载荷以静载为主；工作丽周期来 压期间支架载荷及动载系数大于初次来压期间支架载荷及动载系数；支 架降阻式运行特性多，占1 0 以上。说明在大采高条件下，一次采出的煤 层厚度成倍地增加，回采后项板的变形位移增大，由于采空区需要充填 的空闻增大，原来是基本 页的岩层，部分困变形增大而变成及时垮落的 直接顶，即煤层上覆的某些较稳定的岩层，由于需要充填的空间范围增 大，岩梁不易触矸，因而失去形成平衡的条件而只能作为直接项板不规 则垮落。匿此，上位岩层的平衡结梅将 f ；现在更高的层位，作为采动后 重新平衡地压并形成支承压力所需要的平衡岩梁必然向上位发展，煤层 以上的直接顶厚度将随之增加，基本顶呈现缓慢下沉式平衡的可能性越 大。从丽导致大采高综采：【：作瑟支架需控制的顶板层位褰，且上覆岩层 太琢域王大学硪士研究壅学德论文 对支架晌作角以静载为主。 遵过瑗场漫溺蕃罄数值模 ! 臻究，褥察了工作瑟支蕊簋力分毒撬簿： 随着采高的增加，工作面前方支承压力的作用范围按非线性关系递增， 峰值点位置越来越远离工作蟊，谣应力集中系数随之减少，逡至趋予稳 定。数 蠹模掇过程中透过变化采窝，褥漱了隧饕采离豹交纯，大采海采 场应力场、位移场及塑性破坏场的变化规律。最后，根据大采高采场上 禳岩层移动特点及大采高综采工作瑟矿愿显现特征，建立的以静载计算 为主昀大采高练采工作面媒岩组合力学模鍪，鏊本麓够满足实际矮板控 裁要求，表镄：对予缓倾斜厚媒滕，采耀大采态综采工艺，采场支架受 力以静裁为主，按照现行基本顶扳分类条件，按约4 倍采高控制岩层， 加上采空区的懋顶重力，瑷静载司算支絮所浠酌合瑗工作随力是可珏满 足大袋离综采工 乍西颚扳控制要求的。 论文的研究成果为了解大采离综采工艺的工作面矿压驻现规律及合 理控制大采商工作谣项扳褥供了掰的视辩，英对大采离综采技术在我国 煤炭行业麴接广应用潮发鼹共有耋要熬工程实际意义翻理论意义。 关键词：大采意综采，矿压显现特征，支承压力分布，三三维数值模 撼，力学模型，顶扳控制 i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 s t u d yo nt h ec h a r a c t e r i s t i c s0 fs t r a l ：a b e 珏矗v 至o 絮a n 努r 0 fc o n t 鬏o li n 鬻至薹嚣l a 爻g 嚣 m i n i n gh e i g h tf u l l 弘m p a c l | a n i z e de c e a 懿s 譬r a c 譬 d u et ot h e s p e c i a l c h a r a c t e r i s t i c so fr u l e so fo v e r b u r d e l l l a y e r s m o v e m e n ta n ds t r a t ab e h a v i o ri nt h el a r g em i n i n gh e i g h tf u l l y m e c h a n i z e d f a c e t h ed i s s e r t a t i o nh a sc h i e f l ys t u d i e dt h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dt a w so fs t r a t a b e h a v i o ra n ds t r e s sf i e l d s ，d i s p l a c e m e n tf i e l d sa n dp l a s t i cf a i l u r ef i e l d so fw a l l r o c ki nt h el a r g em i n i n gh e i g h tf u l l y m e c h a n i z e df a c e - b yt h em e t h o d so ff i e l d m e a s u r e m e n t s ，t h e o r e t i c a la n a l y s i s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de t c a tl a s t ，t h e c o a l r o c kc o m p o o u n dm e c h a n i c sm o d e li se s t a b l i s h e da n du s e df o rr o o f c o n t r o li nt h eg r e a tm i n i n gh e i g h tw o r k f a c e a c c o r d i n gt ot h er e s u l t s ，i ti si n d i c a t e dt h a tt h ec h a r a c t e r i s t i c so fs t r a t a b e h a v i o ri nt h el a r g em i n i n gh e i g h tf u l l y m e c h a n i z e df a c ea r ep a r t i c u l a rw i t h t h e s eo fo t h e rm i n i n gt e c h n o l o g yu n d e rt h ed i f f e r e n tg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s i t i se s p e c i a l l yi n c l u d e dt h a tt h el o a do fs u p p o r ti nt h ew o r k f a c ei sb i g g e r1 0t o 3 0p e r c e n tt h a nt h eg e n e r a lm e c h a n i z e df a c e s ，t h a tt h ec o e f f i c i e n to fd y n a m i c l o a di sl i t t l e ra n dt h e r ei sn oi m p a c tl o a dw h e nw e i g h r i n g ，t h a tt h ew e i g h t i n g o fm a i nr o o fo b v i o u s l yo c c u r sb u ti t si n t e n s i t yi sn o ts t r o n g ，t h a tt h el o a do f p o w e r e ds u p p o r tm o s t l yb e l o n gt os t a t i cl o a di nt h ef a c e ，t h a tt h es u p p o r tt o a d a n dc o e f f i c i e n to fd y n a m i cl o a da r eb i g g e rd u r i n gt h ep e r i o d i cg r o u n d p r e s s u r et h a nd u r i n gt h ef i r s tw e i g h t i n g ，a n dt h a tt h e r ei sm o r er e d u c i n gl o a d i i i 奎堕堡王盔兰臻圭婴塞生雯堡鲨墨一。 p a t t e r no fs u p p o r tw h i c ho c c u p i e s a b o v e1 0p e r c e n t 。t h er e a s o n so ft h e m e n t i o n e dr u l e sa r et h a t ，i nt h el a r g em i n i n gh e i g h tw o r k f a c e ，t h eo r i g i n a l m a i nr o o fp a r t l yb e c o m e sc a v i n gi m m e d i a t er o o fb e c a u s et h eo n c et h i c k n e s s o fe o 基s e a me x c a v a t e d i s m u l t i p l y i n c r e a s e da n dt h ed e f o r m a t i o n d i s p l a c e m e n to fr o o fa l s or i s e sa f t e re x c a v a t i o n t h a ti s s a i dt h a ts o m em o r e s t a b l el a y e r so fo v e r b u r d e nl a y e r sa sm a i nr o o fi r r e g u l a r l yc a v eb e c a u s eo f l o s so fb a l a n c ec o n d i t i o n s t h er e a s o ni st h a tt h en e c e s s a r ys p a c en e e d e d t ob e f i l l e db e c o m e sl a r g e ra n dt h er o c kl a y e rd i f f i c u l t l ya p p r o a c h e sg a n g u ei n w a s t ea r e a 。s ot h eb a l a n c e ds t r u c t u r eo fo v e r b u r d e ns t r a t aa p p e a r si nh i g h e r 1 a v e r s i no t h e rw o r d s ，t h eb a l a n c e d s t r u c t u r eu s e df o rb a l a n c i n gt h e u n d e r g r o u n dp r e s s u r ea n df o r m i n ga b u t m e n tp r e s s u r ed e v e l o p su p w a r d l ya n d t h e 也i c k n e s so fi m m e d i a t er o o fa l s ob e c o m e sg r e a t e r s oc a v i n go f m a i nr o o f b e c o m e sl e s si n t e n s e 。t h o s er e a s o n si n d u c et h a tt h ep o s i t i o no fc a v e dr o o f n e e d e dt ob ec o n t r o l l e db yt h es u p p o r tr i s e si nt h el a r g em i n i n gw o r k f a c ea n d t h ea c t i o nf o r c eo fo v e r b u r d e ns t r a t at os u p p o r ti sm a i n l y s t a t i cl o a d a c c o r d i n gt of i e l dm e a s u r e m e n t sa n dt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t h er u l e so f a b u t m e n tp r e s s u r ea h e a do ff a c ea r eo b t a i n e d a si n c r e a s i n go ft h ec u t t i n g h e i g h t ，t h e e f f e c tr a n g eo fa b u t m e n tp r e s s u r eg r a d u a l l y a n dn o n l i n e a r l y i n c r e a s e s ，t h ep o s i t i o no fp e a kp o i n tg e t s f a r e rf r o mf a c ea n dt h ec e n t e r c o e 爰蠢。珏 o fs t r e s sr e d u c e st oac o n t a i nv a l u e 。i nt h ec a u s eo fn u m e r i c a l 8 i m u l a t i o n ，t h ev a r i a b l er u l e so fs t r e s sf i e l d s ，d i s p l a c e m e n tf i e l d sa n dp l a s t i c f a i l u f ef i e l d sw i t hc h a n g i n go fc u t t i n gh e i g h ta r eg o t a tl a s t ，t h ec o a l _ r o c k c o m p o o u n dm e c h a n i c s m o d e l b a s e do nt h ec o n d i t i o no f s t a t i c t o a di s 。s t a b l i s h e da n dc a nb eb a s i c a l l yu s e df o rr o o fc o n t r o li n t h el a r g em i n i n g 羲e i h tw o r k f a c e 。i ti si n d i c a t e dt h a t ，a c c o r d i n gt ot h ep r e s e n tc l a s s i f i c a t i o no f l 飘a i nr o o f t h eg r a v i t a t i o ns u mo fr o c ka b o u t4t i m e sm i n i n gh e i g h ta n di t s s u s p e n d i n gr o c ki nt h eg o a fa r ee n o u g hf o rt h e n e e do fn e c e s s a r ys 婶p 。f r e s i s t a n c ea n dr o o fc o n t r 0 1 i v 查竖堡三盔堂堡圭毯壅曼兰焦堡壅 t h er e s e a r c ha c h i e v e m e n t so ft h i sd i s s e r t a t i o n s u p p l yn e wv i e w sf o r g e t t i n gb e h a v i o rr e g u l a r i t yo fs t r a t aa n dr e a s o n a b l yc o n t r o l l i n gr o o fi nt h e l a r g ec u t t i n gh e i g h tf a c e i t i s s i g n i f i c a n tf o re n g i n e e r i n ge x p e r i e n c ea n d t h e o r y t h a tt h ea c h i e v e m e n t s p u tg r e a tm i n i n gh e i g h tf u l l ym e c h a n i z e d t e c h n o l o g yi n t oe f f e c tp r o m o t i o na p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n ti nt h ec o a l i n d u s t r y k e yw o r d s ：v l a r g em i n i n gh e i g h tf u l l y - m e c h a n i z e d f a c e ， c h a r a c t e r i s t i c so fs t r a t a b e h a v i o r ，d i s t r i b u t i o no fa b u t m e n t p r e s s u r e ， t r i d i m e n s i o n a ln u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，m e c h a n i c a lm o d e l ，r o o fc o n t r o l v 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出熏婴贡献的个人稠集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法德责任由本人承经。 论文作者签名：二磁ii 鎏瘫。磊鬻：翟艘錾趁 关于学位论文使用权的说明 本人完全了艇太蒙理王大学骞关嫌管、爱用学位论文的裁定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学俊论文的原件与复印 牛；学校霹以采用影鞠、编印或其它麓割手段囊溯著保存学位论文； 学校可允许学俄论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为因的。 复制赠送和交换学位论文；学校可以公毒学位论文的全部或部分内 容保密学位论文在解密后遵守此觏定) 。 签名： 导炳签名： 翻f 翁4 新锕移 “。“。“。l ”。”。4 ”。”“。“+ ”。一 豳期：竺生：生2 竺 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 课题的研究意义 第一章绪论 目前，在我国一次能量消费结构中，煤炭占7 5 以上。煤炭不仅是我国的基本燃 料，又是重要的工业原料，电力、钢铁、石油加工、水泥、化学原料五大行业都离不 开煤炭，因此，煤炭工业的发展直接关系到国计民生。为使我国能源战略持续稳定的 发展，必须稳步高效地发展煤炭工业。 我国是世界上煤炭资源最丰富的国家之一。据不完全统计，己知含煤面积约 5 5 0 0 0 k m 2 ，探明总储量在9 0 0 0 亿t 以上，居世界前列。自1 9 8 9 年，我国一直是世界 第一大煤炭生产国和消费国，煤炭产量占世界煤炭产量的1 4 以上，而缓倾斜厚煤层 煤炭产量又占我国总产量的4 0 以上，我国很多矿区赋存有3 5 6 o m 厚的煤层，这 类煤层在邢台、开滦、徐州、兖州、淮北、阜新、双鸭山、义马、西山、铜川、阳泉 等矿区均为主采煤层。 随着市场经济的发展，煤炭工业日趋向大型化、集中化、高产高效方向发展，建 设高产高效矿井，提高企业经济效益已成为煤矿企业的基本经营理念，尤其是市场经 济的激励机制极大地促进了采煤技术与装备水平的快速发展。我国在引进国外大采高 装备技术后，综采工作面日产量可达万吨，取得了举世瞩目的成绩。 根据目前国内外开采技术的发展，大采高综采是指采高在3 5 6 o m ，工作面使 用大功率双滚筒采煤机和重型刮板运输机割、运煤，用大吨位液压支架( 支架工作阻 力、单架支护面积和支架支撑高度大) 控制顶板，一次采全高的综采技术。其设备趋 于大型化、重型化和自动化，其特点是技术先进、性能可靠、装机功率大、生产效率 高。 对于煤层倾角小于3 0 。的厚煤层( 3 5 6 o m ) 开采，大采高综采与放顶煤采煤 法相比，具有下列优点：煤炭资源回采率高；煤炭含矸率低：回采工作面煤尘、煤的 太原理工大学硕士研究生学位论文 自然发火和瓦斯涌出安全性好；对于3 4 m 不适宜放顶煤开采的厚煤层，大采高具有 工效高、成本低等优点。 大采高综采与分层开采相比，具有下列优点：工作面生产能力大，有利于合理集 中生产；回采工效和煤炭资源回收率高、巷道掘进率和维护量低；回采工艺和巷道布 置简化，综采设备搬家次数少，搬家费用省，增加生产时间；节省材料( 人工假顶材 料等) 和回采成本低等。 高产高效大采高综采生产能力大、回采率高、安全条件和经济效益好，是目前国 内外厚煤层( 3 5 6 o m ) 开采技术的主要发展方向之一，其优势使得在国内外被广 泛采用。但是，经过矿山实践和许多专家、学者多年的现场观测及理论研究发现，大 采高综采与一般综采( 采高( 3 5 m ) 相比，这种新的回采工艺工作面内支架一围岩系 统稳定性差、事故率高，尤其严重的是高架( 大采高支架的简称) 稳定性事故率高达 1 9 以上，远高于一般采高综采面，高架的咬架、倒架事故直接引发的顶板事故及调 整支架的难度、材料和工时的消耗，严重制约了大采高综采效能的发挥。 采场支承压力是引起矿山压力显现的重要组成部分，其对开采煤层、顶底板及其 作用范围内的煤岩层会产生很大的影响。在支承压力作用下，工作面煤壁前方煤层发 生压缩和破坏，相应的部位易出现顶底板相对移动以及支架受力变形等支承压力的显 现，主要表现有：回采工作面煤壁片塌、冒顶和底鼓；冲击地压和煤层突出；超前巷 道两帮煤壁压缩和片塌。煤层上方若赋存有坚硬岩层，大采高采场垮落的直接顶岩石 往往不能填满采空区，而在坚硬岩层下方出现较大的自由空间，折断后的老顶岩梁难 以形成“砌体梁”式的平衡，在其回转运动的过程中，工作面前方的煤体内形成较高 的支承压力，并在工作面引起强烈的周期来压。因此，大采高采场老顶来压更为剧烈、 局部冒顶和煤壁片帮现象更为严重，支架冲击载荷更为突出，这些都是影响高产高效 大采高综采工作面机械化水平的重要因素。 回采工作面是地下移动的工作空间，为了保证生产工作的正常进行与矿工的安 全，必须对它进行维护。然而回采工作面的矿山压力显现又决定于回采工作面周围所 处的困岩和开采条件。因此，为了确保回采工作面空间的安全，必须对回采工作面形 成的矿山压力显现加以控制。控制采场矿山压力的基本手段之一是回采工作面液压支 架，其是平衡回采工作面顶板压力的一种构筑物，通过液压支架直接地支护直接顶， 2 太原理：c 大学硕士研究生学位论文 从而间接地对老顶的活动起一定的控制作用。 因此，要充分发挥大采高综采回采工艺的优越性，以指导矿山生产实践，就必须 充分了解大采高综采工作面采场矿压显现特征，全面认识采场上覆岩层的运动规律和 采场支承压力分布规律及其煤壁的破坏规律，建立大采高综采工作面煤岩组合力学模 型及其控制。其研究为大采高综采技术在我国煤炭行业的推广应用和发展提供有益的 实践经验，具有重要的工程实际意义，同时可以丰富和发展矿山压力及岩层控制理论， 具有重要的理论意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 大采高综采技术现状“。2 。“ 1 ) 国外现状 德国、波兰、英国、俄罗斯、捷克、日本等国从6 0 年代开始就发展采用大采高 综采技术。早在6 0 年代，同本曾设计了一种5 m 采高并带中间平台的液压支架，获得 了同本国家设计奖。德国在1 9 7 0 年使用贝考瑞特垛式支架成功地丌采了热罗林矿4 m 厚的7 号煤层，德国拥有的大采高液压支架架型包括威斯特伐利亚b c 一2 5 2 6 、赫姆 夏特t 5 5 0 2 2 6 0 、蒂森r h s 2 5 5 0 b l 及6 3 2 0 - 2 3 4 5 型大采高液压支架。前苏联采用 m 1 2 0 3 4 4 9 型掩护式支架、波兰采用p o m a 2 2 4 5 型掩护式支架、捷克使用f 4 4 5 0 0 型支架作为大采高液压支架。目前，国外厚煤层大采高液压支架的最大支撑高度达 7 m ，采煤机最大采高达5 4 m 。各国的生产实践表明，在一些良好的地质和生产技术 条件下丌采较硬的煤层，大采高综采实现了高产高效、高安全、高回收率和经济效益 好的目标。国外一般认为：设备重型化和尺寸加大、煤壁片帮与顶板冒落、高架稳定 性、大端面顺槽丌掘与支护、采面运输等都是限制大采高综采取得显著经济效益和推 广应用的障碍。因此，世界主要产煤国至今仍在积极改进、完善大采高液压支架，并 不断进行现场实践和扩大大采高综采的应用范围。 2 ) 国内现状 我国从1 9 7 8 年起，丌始试验厚煤层大采高次采全厚丌采方法，至今己取得了 长足进步。在神东、邢台、丌滦、铁法、西山、徐州、枣庄等矿区得到了广泛推广使 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 用，效益良好。于1 9 7 8 年引进德国赫姆夏特公司6 3 2 0 - 2 3 4 5 型掩护式大采高液压支 架及相应的采煤运输设备，在开滦范各庄矿1 4 7 7 综采工作面开采7 号煤层，开采效 果良好。1 9 8 5 年在西山矿务局官地矿首次进行国产b c 5 2 0 - 2 5 4 7 型支撑掩护式大采 高液压支架试验，开采的8 号煤层平均厚度4 5 m ，倾角小于5 。，在采高4 0 m 及i i 级3 类顶板条件下，支架经历了仰斜、俯斜和斜推使用，综采工作面3 个月产煤1 1 2 万t 。1 9 8 6 年我国研制的b y 3 2 0 0 2 3 4 5 型掩护式支架在东庞矿试验成功，1 9 8 7 1 9 8 8 年东庞矿又与北京煤机厂合作研制了改进型b y 3 2 0 0 2 3 4 5 型和b y 3 6 0 0 2 5 5 0 型掩护 式大采高液压支架，并成功地应用于东庞矿2 号煤层开采。开滦矿务局林南仓矿采用 b y 3 2 0 0 2 3 4 5 型掩护式支架在11 8 2 综采工作面开采8 1 煤层，支架在煤层倾角6 3 8 。( 平均倾角2 2 。) 及i i 级2 类顶板条件下，经历了过老巷、断层和无煤柱等恶劣 条件的考验，工作面平均月产煤4 万t 。西山矿务局官地矿、西铭矿及双鸭山局新安 矿使用b c 4 8 0 - 2 2 4 2 型支架，总体效果良好。义马矿务局耿村矿选用q y 3 5 0 2 5 4 7 型二柱掩护式支架，并于1 9 8 7 年1 0 月在1 2 0 6 1 工作面安装投产，总体来看义马煤田 厚煤层的工程技术条件能适应4 5 m 厚煤层综采一次采全高的技术要求。此外，徐州 矿务局权台矿在“三软”( 顶软、底软、煤层软) 煤层，大同矿务局在“三硬”煤层 条件下，分别研制了端面支撑力大、底座比压小的z y r 3 4 0 0 2 5 4 7 型短顶梁插腿掩护 式液压支架及支撑能力大、切顶性能强、整体稳定性好的t z l 0 0 0 0 2 9 4 7 型支架，大 屯徐庄矿在2 0 0 4 年9 月开始利用新研制的大采高综采支架回采近距离煤层下组煤。 经过1 0 余年的发展，我国研制和生产的大采高液压支架己有1 0 余种架型，支架结构 高度最高为5 m ，支架工作阻力最高达i o m n 架，架型有二柱掩护式和四柱支掩式两种， 前梁有挑粱式和伸缩粱式两种，底座有插腿和非插腿式两种，推移机构有长、短框架 和带移步横梁的多种，护帮板长度从0 8 m 增加到2 2 m 。从全国使用情况看，年产逾 百万吨的大采高综采队中，最高年产已达1 7 0 万t ，回采工效达8 7 9 t 工。 3 ) 大采高综采技术发展趋势 采煤机的选型上以宁大勿小为原则。近年来，采煤机的截割速度一直在增加，目 前采煤机的截割速度一般在1 2 1 5 m m i n ，一些新研究开发出来的采煤机的截割速度 达到了2 4 3 6 m m i n ；截割功率、牵引功率更高更大，总装机功率将超过2 4 0 0 k w 。 工作面液压支架工作阻力更高、单架支护面积更大，设计手段更先进，设计使用 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 寿命要大于6 0 0 0 0 个循环。为满足采煤机截割深度大于1 0 0 0 m m 的要求，增加支架顶梁 的长度，以维护工作面顶板，防治冒顶；液压支架的宽度有1 5 m 和1 7 5 m 两种，从目 前看还有加大的余地，支架中心间距可达n 2 0 0 0 m m ，可以增加大采高支架的稳定性， 以满足增加支撑力的要求。 随着采高、工作面长度及生产能力的不断增长，工作面输送机链的直径也不断增 大。刮板输送机的输送长度达到3 0 0 m ，小时运输量可达到5 0 0 0 t ，输送机溜槽宽度、 链条直径、总装机功率等都要增加，链条直径达到4 8 m m 以上，总装机功率达到3 2 0 0 k w ， 供电电压可达到4 1 6 0 v 。 1 2 2 大采高综采工作面矿压显现规律研究现状 大采高综采工作面采场顶板岩层的运动规律和采场压力显现规律有其特殊性。工 作面采高大，不仅使工作面顶板活动空间与老顶悬臂粱结构的弯距加大，使工作面压 力加大，而且因工作面上覆岩层冒落高度及裂隙带高度的加大，使采场采动影响波及 的范围增大，易发生“煤壁片帮一顶板冒落一煤壁片帮”的恶性循环。顶板冒落使支 架失去上部约束而产生倾倒，支架倾倒后受力状态恶化和承载能力下降又使工作面顶 板出现进一步冒漏。国内外采矿工作者十分重视大采高带来的顶板岩层运动规律和采 场压力显现规律的研究，由于煤矿地质条件的多样性和复杂性，我国大采高综采面液 压支架稳定性等类的事故率平均高达6 2 0 以上，远比采高小于3 5 m 的综采面严 重。大采高综采面矿压规律特殊性问题己成为生产实践中迫切需要研究解决的采矿问 题。国外由于受客观条件的限制，适合大采高综采的厚煤层不多，而厚煤层赋存较多 的美国、澳大利亚等大多采用房柱式采煤法，就目前而言，我国在大采高综采工作面 与巷道围岩控制技术方面进行了一定的探索，但由于大采高综采实践时间短，各研究 单位所观测到的矿压数据和研究结果，大多只适用于局部相似条件的范围，而对其它 类似条的地区仅有一定的参考价值，因此，进行大采高综采工作面矿压显现特征及控 制研究，掌握顶板活动规律及压力显现规律具有现实指导意义。 1 、大采高采场顶板岩层运动规律研究 采场中一切矿压显现的根源是采动引起的上覆岩层的运动。因此，研究大采高采 场顶板岩层的运动规律有助于深入了解大采高矿压显现特征。 0 基于“ 理论为基础 响因素。其 充满采空区 块剧烈回转 全部垮落为 性及支架的 直接顶弹性 基于“ 运用关键层 垮落断裂受 据关键层的 似分式函数 时的垮落带 覆岩层中的 层随采高增 升，采高大 增大上升的 表示一层厚 带及断裂带 压显现及控 高条件下覆岩运动是解决上述问题的可行途经。 基于损伤力学的顶板岩层运动规律“1 ：中国矿业大学郝海金等学者，在大采高综 采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，对上覆岩体破断位置 及其平衡结构进行了分析研究。结果显示：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 种作用方式与直接项的多次损伤有关。传递到支架的载荷主要取决于支架上方直接项 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 的岩性和损伤的程度。因此，平衡岩梁的变形对支架产生的影响受直接顶的岩性和其 损伤后的强度的影响是明显的。 2 、大采高综采工作面矿压显现规律研究“” 目前矿压显现规律的研究方法多采用矿压数据实测分析、相似模拟研究及数值模 拟研究。中国矿业大学郝海金结合寺河矿1 0 2 0 1 s 大采高综采面现场观测和平面、立体 相似模拟，研究得出大采高综采面前方支承压力影响范围及峰值点位置：支承压力峰 值随着采高的加大逐渐向工作面煤壁前移：不同采高、工作面不同位置周期来压变化 规律；大采高支架工作阻力远远大于分层丌采和放顶煤工作面支架的工作阻力值。安 徽理工大学王贵虎采用现场实测的方法研究了张集矿1 1 1 ( 3 ) 大采高综采面矿压显现 规律：工作面顶板有明显的初次来压和周期来压现象，工作面顶板属于有明显来压顶 板；工作面平时煤壁片帮发生较少，周期来压时有片帮发生，工作面停产时煤壁片帮 加剧：非来压期间支架多为初撑或一次增阻，来压期间多为二次增阻或多次增阻；工 作面支承压力的影响范围是随工作面丌采面积增大而增大的。 研究结果表明大采高综采老顶来压较普通综采更为剧烈，局部冒顶和煤壁片帮现 象更为严重，支架冲击载荷更为突出，支承压力影响范围更为广，工作面周期来压明 显，来压强度增加。我国7 个采高大于3 5m 的缓倾斜一次采全厚综采工作面的矿压观 测结果表明：与采高小于3 5m 的综采工作面相比，采高大于3 5m 的工作面的老顶来 压强度提高了约5 2 ，周期来压步距增大了约4 6 。 3 、综采面液压支架合理工作阻力确定“ 综采支架合理工作阻力确定有许多方法，目前国外确定支架合理工作阻力的方法 可归结为三种：岩石自重法、顶底板移近量法、统计法。岩石自重法以采高为自变量， 支架工作阻力与采高呈直线关系，所以一般晚来。采高越大，计算的支架工作阻力越 偏大。顶底板移近量法以顶底板移近量和支架支护强度支架的双曲线关系为依据，但 计算的许多系数需要实验获得，一般易与实际情况产生误差。统计法以液压支架端面 顶板冒落高度和台阶下沉作为衡量支护强度是否足够的指标，以获得合理支架支护强 、 度的经验数据。 我国液压支架合理工作阻力的确定方法因不同采场条件及对顶板控制的不同认 识，存在多种方法。主要有载荷估算法、理论分析法和实测统计法。载荷估算法认为 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 l 形 内 其 即 照 支架合理工作阻力应能承受控顶区以内及悬顶部分的直接项载荷和老顶来压时的 成的附加载荷。理论分析法按照砌体梁学说，工作面支架的作用应及时支撑控顶区 直接顶岩层，同时要对上覆可能形成的砌体梁结构的老顶岩层形成支撑，用以平衡 部分载荷，避免老顶沿工作面形成切顶和大量台阶下沉。实测统计法主要有三种， 太原理工大学靳钟铭教授提出的数理统计的回归公式估算、矿压实测数据确定和按 顶板分类中支架的支护强度确定。 1 3 研究内容、方法及技术路线 1 3 1 研究内容 1 ) 以现场观测和收集的数据和资料为依据，研究大采高综采工作面矿压显现规 律：大采高综采面顶板来压规律；支架载荷运行特性及支架工作阻力频率直方图；工 作面支承压力分布规律；大采高综采面矿压显现特性。 2 ) 大采高综采工作面顶板分类研究。 3 ) 大采高综采工作面矿压显现特征。 4 ) 大采高综采工作面采场应力场、位移场及塑性破坏场数值模拟研究。 5 ) 大采高综采工作面煤岩组合力学模型及其控制； 1 3 2 研究方法 1 ) 采用现场观测和数理统计的方法研究大采高综采工作面矿压显现规律； 2 ) 采用理论分析及数值计算的方法研究大采高综采采场支承压力分布规律及煤 壁片帮机理； 3 ) 选用f l a c ”三维数值分析软件模拟不同采高下煤体及顶板的破坏范围、破坏 规律以及相应的应力场和位移场。 4 ) 采用综合分析的方法建立合理的大采高综采工作面煤岩组合力学模型，并以 此确定大采高综采工作面支架的合理支护强度的方法； 5 ) 结合大采高综采工作面实际开采情况，将研究成果应用于生产实践进行预测， 并与理论计算、现场实测的数据分析对比验证。 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 3 3 研究技术路线 参见研究技术路线图卜1 。 图卜1 研究技术路线图 f i g1 1t e c h n o l o g yp r o c e s sf l o wo fr e s e a r c h 9 2 1 沙曲矿 沙曲矿位 整体呈一单斜 内无大的断裂 落差均小于1 8 m 。 2 4 1 0 1 工作面为井田北翼首采 工作面，工作面走向长1 2 0 8 m ，倾斜 宽度1 8 0 m ，平均倾角3 。，煤层平 均厚度4 2 m ，含夹石两层，结构为 0 3 5 ( 0 1 0 ) 0 7 0 ( 0 2 5 ) 2 8 0 ， 夹石岩性为灰黑色泥岩或炭质泥 岩，抗压强度i o 5 1 4 7 7 m p a 。煤 层呈黑色，玻璃光泽，均一结构， 内生裂隙发育，容重1 3 6 t m 3 ，抗 压强度l o 5 1 4 7 7 m p a ，整个工作 面煤层稳定，可采系数为1 ，变异系 数1 3 6 。 工作面直接项为灰色中粒石英 砂岩，抗压强度2 7 4 2 7 m p a ；基本 顶为灰色粗粒石英砂岩，抗压强度 3 0 4 0 m p a ；直接底为灰黑色细砂 岩，抗压强度4 2 7 4 7 7 m p a 。工作 面顶底板岩性综合柱状参见图2 一l 。 工作面可采面积0 1 6 2 k m 2 ，轨 陬系组 柱状图层厚】累厚 岩性特征 灰黑色砂质泥岩 _ 0 9 0 0 9 0 ：2 9 般舱均一拍越贼 深灰色粉砂t ，中厚屠状均匀屡理 山4 1 0 ：5 1 0俞值物辞j t 化_ 古 5 6 5 1 0 6 5敷自 一砂 厚斛r ，l 谈为七舟 i 啪包体脉扶曙理 灰色胡砂冉雕e 状张为主淡 3 8 0 1 1 4 4 5为长石，分选好泥质m 醋均匀层 理 叠 西 灰色中牲z 商；e 喈分选好泥质腔 37 0 1 8 1 5结，均匀& 鲤含泥质包鞋体 i生 i 3 号4 号塌t 屡黑色均一端掏内 l4 2 0 | 2 2 - 3 5 生裂嘲跋百玻璃光洋光亮l ! 煤 结 i 为。螨( o t o ) n7 0 ( o2 砷? j i 0 - i 扶黑色c i 一牲石蝴砂岩厚堪状羊- 2 8 0 1 2 5 1 5英为土含太监云母渡状层理 ；界 系n 。 2 3 0 2 7 4 5墨也泥微铣旷结拨 ：i 。惦s 。戕 一一一i7 03 2 7 5 瓤黑色砂质泥，古大撤植物化打 i i f 灯二= = = 了一一j 塞滔e 三i i 鐾：兰! 竺一 图2 - 1工作面煤岩综合柱状图 f i g2 - 1 c o a l - r o c kh i s t o g r a mo f f a c e 道顺槽底板标高+ 4 4 2 1 + 5 4 0 9 m ，运输顺槽底板标高+ 4 4 3 7 + 5 4 5 5 m ，工作面上覆 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 地表均为黄土覆盖区，地面标高+ 8 4 0 + 9 6 6 m ，厚度均在3 5 0 m 以上，最厚达4 6 0 m ， 平均4 0 5 m 。 工作面顶板节理比较发育，一般发育两组：一组7 5 。和3 4 5 。，另一组3 0 。和 3 1 5 。，倾角6 0 。8 0 。，节理间距0 8 1 o m ，节理属强扭性，节理裂隙在煤岩层 产状变化大的地段较发育。工作面上覆各砂岩含水层间有泥岩等隔水层，富水性弱， 直接底砂岩含水层为弱含水层，距离l i 灰岩1 7 m ，有良好隔水层。工作面瓦斯涌出量 为3 4 m 3 m i n ，属高瓦斯矿井。 工作面采用三条巷道布置，分别为运输顺槽、轨道顺槽和瓦斯尾巷，如图2 - 2 。 工作面斜切进刀，采煤机选用m g t y 一3 0 0 7 3 0 型电牵引双滚筒采煤机，往返一次割两 刀煤，循环进度为0 6 6 5 m ，一天8 个循环。工作面顶板采用z z 5 2 0 0 2 5 4 7 型四柱支 撑掩护式液压支架支护，其技f i 。k m 术特征参数参见表2 - l ，共 ；- i 。 4 。4 8 。 1 1 2 0 架，其中工作面1 1 6 架， 2 毫：圭三：一蕊丽f 端头4 架。工作面最小控顶距。：i 6 6 1 m ，最大控顶距7 2 7 5 m 。 篷；i 蓬 运输顺槽超前支护距离为 ：；：j ： 4 0 m ，轨道顺槽超前支护距离 图2 - 22 4 1 0 1 工作面巷道布置图 为3 0 m 。 f i 2 2 2r o a d w a yl a y o u to f2 4 1 0 1f a c e 表2 - 1支架技术特征参数 t a b 2 一lt h et e c h n i q u ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ep o w e r e ds u p p o r t 序号名称单位数值 1 支架额定i ：作阻力k n 5 2 0 0 2 支架额定初撑力 k n4 6 5 3 3 支架最小最人高度2 5 0 0 4 7 0 0 4 支护面积 邪6 3 5 b支架中心距1 5 0 0 6 移架步距 m m 6 6 5 7最人端面距 3 4 0 8 立柱缸径 2 3 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 22 4 1 0 1 大采高综采工作面矿压观测方案 2 2 1 工作面矿压观测方案 在工作面的上部、中部和下部布置3 条支架载荷观测线，每条测线3 架支架， 分别在每条测线的两台支架的前后对角线 两柱上各设置一套圆图压力自记仪，整个 工作面共布置1 2 套，另一台支架的前后柱 上安装4 块压力小表，整个工作面共安装 1 2 块。参见图2 3 。 2 2 2 轨道顺槽来压显现观测方案 为了配合工作面的矿压观测，在 轨道顺槽内距离工作面煤壁前方的 5 0 m 和l o o m 位置设置顺槽来压显现 监测站，分别布置巷道