大倾角开采研究汇报(2009-3-20)

1、2021-6-241 衷心祝愿 各位领导和专家 身体健康身体健康 吉祥如意吉祥如意 2021-6-243 汇报提纲汇报提纲 研究现状及意义研究现状及意义 大倾角软煤层采煤方法与工艺研究大倾角软煤层采煤方法与工艺研究 大倾角不稳定煤层放顶煤工艺研究大倾角不稳定煤层放顶煤工艺研究 大倾角不稳定煤层矿山压力显现规律与安大倾角不稳定煤层矿山压力显现规律与安 全支护问题分析全支护问题分析 大倾角煤层开采岩层移动规律研究大倾角煤层开采岩层移动规律研究 结结 论论 1 2 3 4 5 6 2021-6-244 1研究现状及意义研究现状及意义 n老君堂煤矿老君堂煤矿煤层倾角较大，为煤层倾角较大，为303085

2、85? ，平均，平均5555 左右。二左右。二1 1煤层厚煤层厚0 07.65 m7.65 m，平均厚，平均厚2.32 m2.32 m。 n二二1 1煤层顶板因受芦煤层顶板因受芦F F1 1滑动构造影响，其原生结构，滑动构造影响，其原生结构， 均已遭到不同程度的破坏，有的甚至被均已遭到不同程度的破坏，有的甚至被断层角砾岩、断层角砾岩、 断层泥、碎裂岩断层泥、碎裂岩等取代，岩石破碎，节理、裂隙发等取代，岩石破碎，节理、裂隙发 育，稍触即碎。育，稍触即碎。 n本区位于本区位于瓦斯风化带瓦斯风化带内。二内。二1 1煤具有煤尘爆炸性。煤具有煤尘爆炸性。 n本矿滑动破碎顶板大倾角软煤层储量约占矿井总储本

3、矿滑动破碎顶板大倾角软煤层储量约占矿井总储 量的量的30%30%以上，实际可采储量约以上，实际可采储量约1.50 Mt1.50 Mt。 汇报提纲 研究研究大倾角破碎顶板中厚煤层大倾角破碎顶板中厚煤层的安全高效开采十分必要的安全高效开采十分必要 2021-6-245 2大倾角软煤层采煤方法与工艺大倾角软煤层采煤方法与工艺 2.12.1大倾角大倾角“三软三软”煤层采煤方法选择应遵循的原则煤层采煤方法选择应遵循的原则 （1）适应煤层厚度变化要求的原则； （2）适应煤层倾角变化要求的原则； （3）适应矿井提升运输方式和提升能力要求的原则； （4）适应矿井副井提升和辅助运输要求的原则； （5）尽量改变现

4、行落后采煤方法的原则； （6）尽量提高煤炭资源的采煤率的原则； （7）提高煤炭开采机械化程度、降低工人劳动强度和提高工效 的原则； （8）提高矿井安全可靠程度的原则； （9）具有可操作性的原则。 2021-6-246 2.2 2.2 巷道布置与采煤方法巷道布置与采煤方法 大倾角煤层采煤的大倾角煤层采煤的主要特点主要特点： （1）地质构造复杂，煤层赋存不稳定 （2）落在底板上的煤岩块，会自动向下滑落 （3）煤炭、矸石沿倾斜方向可采用自溜运输 （4）采煤工作面行人，运料及操作等各工序均较困难 （5）矿压显现缓和，工作面支架不稳定；底板岩层稳 定性下降 2大倾角软煤层采煤方法与工艺 2021-6-2

5、47 l急斜煤层急斜煤层常用常用采煤工艺采煤工艺 q水力采煤法水力采煤法 q台阶采煤法台阶采煤法 q水平分层采煤法与斜切分层采煤法水平分层采煤法与斜切分层采煤法 q伪倾斜柔性掩护支架采煤法伪倾斜柔性掩护支架采煤法 q水平水平/ /斜切分段放顶煤采煤法斜切分段放顶煤采煤法 q伪斜走向长壁采煤法伪斜走向长壁采煤法? 2大倾角软煤层采煤方法与工艺 go 2021-6-248 l大倾角“三软” 中厚煤层 采煤新方法采煤新方法 走向双分段放顶煤采煤法走向双分段放顶煤采煤法 走向走向双分段放顶煤采煤法双分段放顶煤采煤法 2大倾角软煤层采煤方法与工艺 2021-6-249 n采用水枪射流破煤。 n现行的水力

6、采煤方法均为无支护采煤法。 n水力采煤巷道掘进量大，采掘接替紧张，煤炭回 收率低，电耗大，粉煤率较高，煤炭脱水和煤泥 水澄清工作较困难，通风系统不够完善，对水资 源需求量大。 n需要装备相应的高压供水和煤水提升设备，初期 投入大。 水力采煤法水力采煤法 2021-6-2410 台阶采煤法台阶采煤法 n一般分为倒台阶采煤法 和正台阶采煤法。 n台阶采煤法常用于煤层 厚度不大，厚度变化小， 顶板条件较好的煤层中。 n工序复杂，工作面生产 效率较低，安全性能较 差。 图2-2 倒台阶工作面支架 1-溜煤板；2-脚手架；3-护身板 2021-6-2411 水平分层采煤法与斜切分层采煤法水平分层采煤法与

7、斜切分层采煤法 n实质实质：以水平/倾斜界面把大倾角厚煤层分成若干分层， 在每个分层内布置一个工作面采煤。采煤工作面垂直于煤 层走向布置，沿煤层走向推进。 图2-4 水平分层下行垮落采煤法采区巷道布置 1-采区运输石门；2-采区溜煤眼；3-采区行人眼；4-采区运料眼；5-区段运输石门；6-溜煤眼； 7-分层平巷；8-分层采煤工作面；9-区段回风平巷；10-回风石门 2021-6-2412 伪倾斜柔性掩护支架采煤法 n特点：采煤工作 面成直线形，按伪 倾斜方向布置，沿 走向推进；用柔性 掩护支架隔离采空 区与采煤空间，工 作人员在掩护支架 的保护下进行采煤 工作 。 2021-6-2413 水平

8、水平/ /斜切分段放顶煤采煤法斜切分段放顶煤采煤法 n在大倾角特厚煤层中，将煤层分成若干分段，分段高度 615 m，每个分段的底部布置一个放顶煤工作面，工作 面顶煤用放顶煤回收，工作面长度与煤层厚度直接相关， 一般工作面较短。各段依次自上而下使用放顶煤采煤工艺 进行采煤。 n水平分段式或斜切分段放顶煤开采适合于煤层厚度较大的 大倾角煤层。 2021-6-2414 伪斜走向长壁采煤法伪斜走向长壁采煤法 n分为分为仰伪斜仰伪斜和和俯伪斜俯伪斜开采。开采。 n具有走向长壁采煤法的一般特点，采煤工作面呈直线形，按伪斜方向布具有走向长壁采煤法的一般特点，采煤工作面呈直线形，按伪斜方向布 置，置，沿走向推

9、进沿走向推进。 n仰伪斜开采时下部悬露空间大，因煤壁与下部矸石和实体煤支撑，矸石仰伪斜开采时下部悬露空间大，因煤壁与下部矸石和实体煤支撑，矸石 的充填程度比俯伪斜开采时小得多，裂隙在中下发育，周期短。的充填程度比俯伪斜开采时小得多，裂隙在中下发育，周期短。 2021-6-2415 走向双分段放顶煤采煤法走向双分段放顶煤采煤法 适用条件适用条件：倾角倾角45，煤厚，煤厚5 m n定义及巷道布置定义及巷道布置 q第一第一，区段回风运输平巷和区段轨道平巷均位于区段最低处，沿煤层走向方向，区段回风运输平巷和区段轨道平巷均位于区段最低处，沿煤层走向方向 水平布置。水平布置。 q第二第二，沿走向方向按一定

10、距离进行分段（形成走向分段，沿走向方向按一定距离进行分段（形成走向分段、走向分段、走向分段，走向，走向 分段分段， ），后退式采煤；），后退式采煤； q第三第三，在每个走向分段内，先施工，在每个走向分段内，先施工2 2组（条）斜眼，至区段最上部；沿煤层倾斜组（条）斜眼，至区段最上部；沿煤层倾斜 方向，按一定标高进行划分，形成辅助分段（分段方向，按一定标高进行划分，形成辅助分段（分段1111，分段，分段1212，）；）； q第四第四，在辅助分段内施工水平巷道，将分段内的，在辅助分段内施工水平巷道，将分段内的2 2组（条）斜眼贯通，在此水平组（条）斜眼贯通，在此水平 巷道内进行放煤作业。巷道内进行

11、放煤作业。 q第五第五，按照下行开采要求，逐个辅助分段由下行开采，直至采完一个走向分段，按照下行开采要求，逐个辅助分段由下行开采，直至采完一个走向分段， 再转入下一个走向分段（再转入下一个走向分段（注：条件允许时，可以多个走向分段同时开采注：条件允许时，可以多个走向分段同时开采）。）。 2021-6-2416 走向分段2 走向分段1 行人运料斜巷 回风运输斜巷行人运料斜巷 分段11 分段12 分段13 分段14 分段15 分段16 分段21 分段22 分段23 分段24 分段25 分段26 区段回风运输平巷 区段轨道平巷 图1 走向双分段采煤法立面图 走向分段 I I 走向分段 II 分段11

12、 分段12 分段13 分段14 分段15 2021-6-2417 走向双分段放顶煤采煤法剖面图 放煤椭球体 分段12 分段13 8-108-10 分段内工作面放煤椭球体 分段11 分段12 分段13 分段14 分段15 分段16 区段回风运输平巷 区段轨道平巷 -剖面图 2021-6-2418 n采煤工艺采煤工艺 q走向双分段采煤工艺分为采煤和放煤两个主要工序。 q当走向分段两侧的倾斜巷道（回风运输斜巷和行人运料斜 巷）形成后，必须在辅助分段11的最低标高处施工水平巷道， 才能形成辅助分段11。 q辅助分段11形成的过程，就是辅助分段11采煤的过程。 走向双分段放顶煤采煤法 倾角倾角45，煤厚

13、，煤厚5 m 2021-6-2419 n采煤工艺 （续） q辅助分段11采煤结束后，就转入放煤作业工序。 q放煤口布置在靠近底板的支护体一侧，一般选择中部偏上的 位置。放煤口的大小视情况而定，本次选择了500 mm600 mm和500 mm800 mm两种进行试验。 q根据工作面排水需要，工作面预设了35的倾角。放煤顺 序为从相对低处向高处间隔多轮放煤，保证煤岩分界面均匀 下沉。第一次放出约50%，23轮放完。 走向双分段放顶煤采煤法走向双分段放顶煤采煤法 倾角倾角4545，煤厚，煤厚5 m5 m 2021-6-2420 n走向分段长度和辅助分段高度的确定 q根据煤层条件及工程类比，考虑到提高

14、资源回收率 和开采效率，走向分段长度一般确定为80m100 m。 q采取松动爆破措施后，确定放煤段高度以810 m为宜。 走向双分段放顶煤采煤法走向双分段放顶煤采煤法 倾角倾角45，煤厚，煤厚5 m 确定确定方法方法 2021-6-2421 n本辅助分段平巷上方应力极限平衡区的本辅助分段平巷上方应力极限平衡区的 高度可用下式计算：高度可用下式计算： n顶煤处于应力极限平衡状态的最大高度顶煤处于应力极限平衡状态的最大高度 为：为： n松动爆破：松动爆破：在上分段采煤和放煤工序结在上分段采煤和放煤工序结 束后，设备回收前，在工作面内向下一束后，设备回收前，在工作面内向下一 个分段的顶部煤体施工下向

15、钻孔，深度个分段的顶部煤体施工下向钻孔，深度3 3 m m左右，松动爆破，人为改变下分段顶煤左右，松动爆破，人为改变下分段顶煤 的结构，可大大增加煤体的冒放性。的结构，可大大增加煤体的冒放性。 n积极采取松动爆破措施后，确定放煤段积极采取松动爆破措施后，确定放煤段 高度以高度以8 810 m10 m为宜为宜 。 阶段顶煤受力力学模型示意 00 0 1 00 0 0 2sin kcos 2tan ln 2sin 2tan 2tan x CM H MK x CMp K 12 2cossinLxMx 底板煤体损失与顶煤高度关系 2021-6-2422 l大倾角煤层 其它条件下的采煤方法其它条件下的采

16、煤方法 2大倾角软煤层采煤方法与工艺 2021-6-2423 水平或斜切分段放顶煤采煤法水平或斜切分段放顶煤采煤法 n当煤层厚度510 m时，建议采用斜切分段（段高10 m左 右）放顶煤采煤法，以增加工作面的有效长度。 悬移顶梁液压支架 单体液压支柱 刮板输送机 2000 单体液压支柱 30000 A 2000 A 30000 L M hH 运 输 顺 槽 回 风 顺 槽 2021-6-2424 水平或斜切分段放顶煤采煤法水平或斜切分段放顶煤采煤法 n当煤层厚度当煤层厚度大于大于10 m10 m时，建议采用水平分段（段高时，建议采用水平分段（段高10 m10 m左左 右）放顶煤采煤方法。右）放

17、顶煤采煤方法。 (左) 剖面图 (中) 最小控顶时断面 (右)最大控顶时断面 图2-16 厚度大于10 m煤层水平分段放顶煤采煤法 运 输 顺 槽 回 风 顺 槽 hH 2200 7800 2800 2200 最 大 控 顶 距 7800 2100 最 小 控 顶 距 2200 7800 2800 2200 最 大 控 顶 距 7800 2100 最 小 控 顶 距 2021-6-2425 俯伪斜走向长壁采煤法俯伪斜走向长壁采煤法 （1 1）倾斜不稳定厚煤层（）倾斜不稳定厚煤层（2525a a4545，煤厚，煤厚5 m5 m）：采用）：采用俯伪斜放俯伪斜放 顶煤采煤法顶煤采煤法 （2 2）倾斜

18、不稳定中厚煤层（）倾斜不稳定中厚煤层（2525 a a 4545）：采用）：采用俯伪斜一次采全高俯伪斜一次采全高 采煤法采煤法 （3 3）缓斜煤层（倾角）缓斜煤层（倾角2525）：走向长壁采煤法）：走向长壁采煤法 工 作 面 回 风 平 巷 工 作 面 运 输 平 巷 刮 板 运 输 机 汇报提纲汇报提纲 2021-6-2426 3 大倾角不稳定煤层放顶煤工艺研究大倾角不稳定煤层放顶煤工艺研究 n3.1 顶煤结构的模拟研究顶煤结构的模拟研究 q顶煤体存在结构的数值分析研究 顶煤整体位移等值线 2021-6-2427 3 大倾角不稳定煤层放顶煤工艺研究大倾角不稳定煤层放顶煤工艺研究 n3.1 顶

19、煤结构的模拟研究 （续1） q “跨层拱”结构研究 n对于分段放顶煤开采来说， 如果煤层倾角越大，工作面 长度越长，煤层的f越小，则 “跨层拱”的稳定性越低， 越 有 利 于 顶 煤 的 冒 落 。 n拱高h与跨长l之比为k “跨层拱”力学模型 2021-6-2428 3 大倾角不稳定煤层放顶煤工艺研究大倾角不稳定煤层放顶煤工艺研究 n3.1 3.1 顶煤结构的模拟研究（续顶煤结构的模拟研究（续2 2） q k k值随值随3 3个影响变量变化的基本特征如下：个影响变量变化的基本特征如下： （1 1）随着倾角）随着倾角a a的增大，的增大，k k值呈减小值呈减小趋势。趋势。 （2 2）随着）随着

20、侧压系数侧压系数增大，增大，k k值呈递减值呈递减趋势，且给定的趋势，且给定的f f值越大，值越大，k k值随值随变化曲线越变化曲线越 陡，反之越平缓。陡，反之越平缓。 （3 3）随着）随着f f值的增大，值的增大，k k值呈递增值呈递增趋势，趋势，k k值随值随f f的变化曲线基本上为线性增长关系，的变化曲线基本上为线性增长关系， 且给定的且给定的值越大，直线与纵坐标的截距越小，直线的斜率也越小。值越大，直线与纵坐标的截距越小，直线的斜率也越小。 （4 4）顶底板的移动都将造成）顶底板的移动都将造成f f值的降低，值的降低，k k值呈降低值呈降低趋势。因此在煤层水平厚度趋势。因此在煤层水平厚

21、度l l一定一定 的条件下，成拱高度也随之降低。的条件下，成拱高度也随之降低。 2021-6-2429 3 大倾角不稳定煤层放顶煤工艺研究大倾角不稳定煤层放顶煤工艺研究 n3.1 3.1 顶煤结构的模拟研究（续顶煤结构的模拟研究（续3 3） q “ “跨层拱跨层拱”作用机理作用机理 n一方面由于成拱作用阻止了顶煤的自然垮落，顶煤放出率一方面由于成拱作用阻止了顶煤的自然垮落，顶煤放出率 将降低；将降低； n另一方面，受拱结构的保护，支架只是承受拱内顶煤的重另一方面，受拱结构的保护，支架只是承受拱内顶煤的重 力作用，这使得支架承受的荷载降低了，有助于延长支架力作用，这使得支架承受的荷载降低了，有助

22、于延长支架 的使用年限。的使用年限。 n选择合理分段高度，实施合理放煤步骤，使支架选择合理分段高度，实施合理放煤步骤，使支架既既受拱结受拱结 构的保护，同时构的保护，同时又又保证拱结构的自然上移是非常必要的。保证拱结构的自然上移是非常必要的。 2021-6-2430 3 大倾角不稳定煤层放顶煤工艺研究大倾角不稳定煤层放顶煤工艺研究 n3.2 3.2 放煤工艺参数的模拟研究放煤工艺参数的模拟研究 q急倾斜多口放煤急倾斜多口放煤离散元离散元模拟模拟 n模拟试验分别研究在模拟试验分别研究在顺序一次全量放煤顺序一次全量放煤方式与方式与隔架一次全量放煤隔架一次全量放煤方式下方式下 顶煤的放出情况。顶煤的

23、放出情况。 n采用隔架放煤时，较顺序一次全量放煤的采用隔架放煤时，较顺序一次全量放煤的放出率小放出率小。 顺序放煤时每个放煤口的纯煤放出量 隔架放煤时每个放煤口放煤量 2021-6-2431 3 大倾角不稳定煤层放顶煤工艺研究大倾角不稳定煤层放顶煤工艺研究 n3.2?放煤工艺参数的模拟研究（续）放煤工艺参数的模拟研究（续） q急倾斜多口放煤理论分析急倾斜多口放煤理论分析 n随着放煤口间距的增大，相应地放出体高度也增大。随着放煤口间距的增大，相应地放出体高度也增大。 n在生产实践中，相邻放煤口间距的值是有限的，其可放出的煤体高度也在生产实践中，相邻放煤口间距的值是有限的，其可放出的煤体高度也 受

24、到相应限制，因而对于分段高度超过单口可放出煤体的最大高度后，受到相应限制，因而对于分段高度超过单口可放出煤体的最大高度后， 对顶煤放出应进行多轮放煤。对顶煤放出应进行多轮放煤。 放出体与放煤间距的关系放出体与放煤间距的关系 放煤口间距与放出体高度关系曲线放煤口间距与放出体高度关系曲线 汇报提纲汇报提纲 2021-6-2432 4 大倾角不稳定煤层矿山压力显现规律与安大倾角不稳定煤层矿山压力显现规律与安 全支护问题分析全支护问题分析 n上覆岩层薄板结构的变形与破坏上覆岩层薄板结构的变形与破坏 q大倾角工作面立体模拟研究表明，大倾角板的破坏型式大倾角工作面立体模拟研究表明，大倾角板的破坏型式 和板

25、内的裂缝分布和发展与不考虑煤层倾角时板的破断和板内的裂缝分布和发展与不考虑煤层倾角时板的破断 规律十分相似。规律十分相似。 q当埋深较大时，以均布载荷考虑，板的最大弯矩和最大当埋深较大时，以均布载荷考虑，板的最大弯矩和最大 挠曲仍在挠曲仍在板的几何中心板的几何中心。 q当埋深较浅时，须考虑到载荷随深度的变化，这时最大当埋深较浅时，须考虑到载荷随深度的变化，这时最大 挠曲点和最大弯矩在挠曲点和最大弯矩在板中部偏下板中部偏下的位置。的位置。 2021-6-2433 4 4 大倾角不稳定煤层矿山压力显现规律与安大倾角不稳定煤层矿山压力显现规律与安 全支护问题分析全支护问题分析 n沿倾斜方向岩块结构的

26、力学分析沿倾斜方向岩块结构的力学分析 q两岩块两岩块不等高三铰拱结构的力学分析不等高三铰拱结构的力学分析 （1 1）上拱脚处的挤压力最小，下拱脚处 的挤压力最大； （2）上拱脚处的剪切力最大； （3）煤层倾角越大，使岩块结构保持平 衡所需的挤压推力T和剪切力R越小， 沿倾向平衡结构越易形成； （4）矸石充填长度l和地基系数K对倾向 结构有一定影响，l和K越大，岩块 间推力T和剪切力R越小，越利于结 构的形成与平衡。 两岩块不等高三铰拱结构力学模型 2021-6-2434 4 大倾角不稳定煤层矿山压力显现规律与安大倾角不稳定煤层矿山压力显现规律与安 全支护问题分析全支护问题分析 n沿倾斜方向岩块

27、结构的沿倾斜方向岩块结构的 力学分析力学分析(续续1） q三岩块三岩块结构的力学分析结构的力学分析 （1）上拱脚处挤压推力最小，下 拱脚处挤压推力最大； （2）R3R1R2，R3R1R4，即第 3铰点剪切力最大，1铰点次 之，2、4铰点最小。而R2、 R4的大小取决于岩块的具体 参数及地基反力。 岩块三铰拱岩块结构力学模型 2021-6-2435 4 大倾角不稳定煤层矿山压力显现规律与安大倾角不稳定煤层矿山压力显现规律与安 全支护问题分析全支护问题分析 n沿倾斜方向岩块结构的力学分析沿倾斜方向岩块结构的力学分析(续续2） q倾向结构对走向结构的影响倾向结构对走向结构的影响 n当煤层倾角较小倾角

28、较小时，这种倾向岩块结构极易失稳而难于形成， 因此走向结构的平衡与失稳在工作面矿压显现中起主导作用。 n当煤层倾角较大倾角较大时，倾向岩块结构平衡存在一定的条件，从 而限制了走向结构的回转与失稳。 n大倾角工作面的周期来压显现，与倾向结构的平衡与失稳有 关； n倾向结构在下拱脚处及其上一铰点易出现变形失稳，从而使 工作面中、下部矿压显现较为强烈工作面中、下部矿压显现较为强烈。 2021-6-2436 4 大倾角不稳定煤层矿山压力显现规律与安大倾角不稳定煤层矿山压力显现规律与安 全支护问题分析全支护问题分析 n走向长壁工作面支架围岩系统分析走向长壁工作面支架围岩系统分析 q大倾角煤层采面的大倾角

29、煤层采面的“支架一围岩支架一围岩”系统结构模型系统结构模型 大倾角煤层采面支架围岩系统结构模型大倾角煤层采面支架围岩系统结构模型 n采面空间“支架围岩” 支撑系统为： q走向：“煤壁体支架系 统采空区冒矸”结构。 q垂直层面方向：“顶板 支架底板”结构共同构 成 。 2021-6-2437 4 大倾角不稳定煤层矿山压力显现规律与安大倾角不稳定煤层矿山压力显现规律与安 全支护问题分析全支护问题分析 n走向长壁工作面支架围岩系统分析（续走向长壁工作面支架围岩系统分析（续1） q系统在走向上的结构特点系统在走向上的结构特点 n采面下段处的“煤壁体支架采空后方冒矸”体系中，采 面直接顶在放顶线处就得到

30、冒矸一定的支撑。 n采面上段处的“煤壁体支架采空后方冒矸”体系中，系 统在结构上实际缺失采空区冒矸部分。其上覆岩层运动的后 支撑位置实际远离工作空间。 n力学性态上：采面上段老顶来压步距比下段小，而老顶来压 时的动载系数比工作面下部大。 2021-6-2438 4 大倾角不稳定煤层矿山压力显现规律与安大倾角不稳定煤层矿山压力显现规律与安 全支护问题分析全支护问题分析 n走向长壁工作面支架围岩系统分析（续（续2） q煤壁的支撑情况煤壁的支撑情况 n大倾角煤层采场巷道变形研究证明，走向长壁采面的风巷与 机巷所受采动影响是不同的。一般风巷比机巷的变形破坏更风巷比机巷的变形破坏更 大，风巷在煤壁前方的

31、破坏范围也比机巷大。大，风巷在煤壁前方的破坏范围也比机巷大。 n采面下段的煤壁支承压力峰值位置距煤壁近，而上段的峰值 位置距煤壁较远。 n相同宽度处煤体的抗压缩变形刚度由采面下段向上段逐渐变 小。 2021-6-2439 4 大倾角不稳定煤层矿山压力显现规律与安大倾角不稳定煤层矿山压力显现规律与安 全支护问题分析全支护问题分析 n走向长壁工作面支架围岩系统分析（续（续3） q采面支架采面支架 n采面支架作为人为工程并不只是完全被动的承载体，支架将 各个要素构结成一个整体支撑系统，它影响该系统的整体工 作特性。 n系统结构的力学特性随支架特点而不同，大倾角煤层采面支 架除了应具有较高的支撑能力和

32、适应围岩条件的可缩量，有 适宜于顶底板的刚度特性外，更重要的还应具有较高的结构具有较高的结构 稳定性稳定性。 2021-6-2440 4 大倾角不稳定煤层矿山压力显现规律与安大倾角不稳定煤层矿山压力显现规律与安 全支护问题分析全支护问题分析 n系统在垂直层面方向上的结构特点系统在垂直层面方向上的结构特点 q大倾角煤层采面“顶板支架底板”（称作“R-S-F”）系统中3个 因素的运动稳定性决定了系统的稳定性。 q顶板顶板：采面下段的顶板下沉量和下沉速度、支柱载荷等都小于采面中、 上段。 q支架支架：采面下段处的支架载荷小于采面中、上段，支架的稳定性则比 中、上段略高。 q底板底板：底板岩层在采动影

33、响作用下除抗压入能力降低外，其自身也处 于稳定性降低的状态。 2021-6-2441 4 大倾角不稳定煤层矿山压力显现规律与安大倾角不稳定煤层矿山压力显现规律与安 全支护问题分析全支护问题分析 n大倾角“三软”不稳定煤层工作面支护设计支护设计 q围岩控制是大倾角“三软”煤层工作面实现安全生产的难点，合理的 支护设计是安全开采的关键。 q在大倾角煤层工作面支护设计中应着重考虑工作面中上部的支护方法。 在老顶破坏初期，要防止上出口处切顶；而随岩块回转运动，则要加 强工作面中部支护。 q工作面长度方向“马鞍形”曲线分布：工作面中部的支架-围岩系统刚 度比上、下部更小。 2021-6-2442 4 大

34、倾角不稳定煤层矿山压力显现规律与安大倾角不稳定煤层矿山压力显现规律与安 全支护问题分析全支护问题分析 n基本支护技术分析基本支护技术分析 q倾角增大时，为克服顶板岩块下滑所需的支 架阻力提高了 。 q在大倾角煤层工作面中，为了很好地控制顶 板，支柱应有一合理的迎山角，以抵消一部 分顶板沿层下滑的分力，防止工作面顶板推 垮。 2021-6-2443 4 大倾角不稳定煤层矿山压力显现规律与安大倾角不稳定煤层矿山压力显现规律与安 全支护问题分析全支护问题分析 n基本支护原则基本支护原则 （1）要“支”“护”兼顾，以“护”为主，最大限度地控制 “片、抽、漏”事故的发生，保证直接顶的完整性。 （2）支柱

35、要有足够的初撑力和工作阻力，以提高抗顶底板下滑 的能力。 （3）支护系统必须保持必要的刚度，使支架具有足够的稳定性、 整体性和良好的增阻性能，杜绝推垮型冒顶。 （4）控制好支柱钻底和柱脚滑移，使顶底板处于良好状态。 （5）支护密度可根据支柱初撑力支撑直接顶的岩重来确定，以 避免工作面推垮型事故发生。 2021-6-2444 4 大倾角不稳定煤层矿山压力显现规律与安大倾角不稳定煤层矿山压力显现规律与安 全支护问题分析全支护问题分析 n支护设计方法支护设计方法 （1 1）使用）使用单体液压支柱和单体液压支柱和型钢梁型钢梁，可以节约坑木消耗，提高，可以节约坑木消耗，提高“支架支架 围岩围岩”系统刚度

36、，有利于保证支柱足够的初撑力和工作阻力。系统刚度，有利于保证支柱足够的初撑力和工作阻力。 （2 2）一次循环进尺应小于）一次循环进尺应小于0.8 m0.8 m。在松软破碎顶板条件下，。在松软破碎顶板条件下，推进步距不推进步距不 宜大，宜大，尽可能维护顶板稳定性。尽可能维护顶板稳定性。 （3 3）铺金属网。铺金属网。铺顶网除了可以防止漏顶和老塘窜矸外，金属网的牵引铺顶网除了可以防止漏顶和老塘窜矸外，金属网的牵引 作用还有利于保证工作面支架的整体性和稳定性。作用还有利于保证工作面支架的整体性和稳定性。 （4 4）支打倾斜抬棚和木垛支打倾斜抬棚和木垛，以提高支护强度，加强工作面支架稳定性和，以提高支

37、护强度，加强工作面支架稳定性和 整体性。整体性。 （5 5）支柱）支柱穿铁鞋穿铁鞋，加强底板刚度。，加强底板刚度。 图图 2021-6-2445 大倾角“三软”煤层工作面支护设计 2021-6-2446 4 大倾角不稳定煤层矿山压力显现规律与安大倾角不稳定煤层矿山压力显现规律与安 全支护问题分析全支护问题分析 n工作面支架稳定性模拟试验工作面支架稳定性模拟试验 q主要实验内容 n顶板的破断、运动特征及其对 支架或支护系统的影响； n底板的破坏、滑移特征及其对 支架或支护系统的影响； n不同介质的动摩擦特征； n工作面推进过程中矿山压力显 现的一般规律； n单体支架的倾（翻）倒失稳特 征。 三维

38、可加载模型 2021-6-2447 4 大倾角不稳定煤层矿山压力显现规律与安大倾角不稳定煤层矿山压力显现规律与安 全支护问题分析全支护问题分析 n工作面支架稳定性模拟试验（续）（续） q主要实验结论 n顶板顶板破断和运动对支架支撑力的影响具有较明显的规律性， 而对支架的侧推力（侧护力或靠架力）存在影响，但基本 不具有规律性。 n底板底板破坏和滑移对支架顶梁支撑力的影响具有较明显的规 律性，而对支架的侧推力（侧护力或靠架力）的影响规律 性较差。 n工作面上覆岩层具有明显的初次来压和周期来压现象。 n当煤层倾角增大或采高加大时，要密切关注支架的防倒装 置，防止支架因此而引发的失稳。 汇报提纲汇报提

39、纲 2021-6-2448 5 大倾角煤层开采岩层移动规律大倾角煤层开采岩层移动规律 n5.1?岩层移动基本规律岩层移动基本规律 q相似模型试验相似模型试验设计 n试验采用HK体模型：根据蠕变试验曲线，岩石受力后产 生弹性应变，则模型中应包含弹性元件;应变随时间有增 大的趋势，则模型中应包含粘性元件;应力降为零时，应 变有部分恢复，这一特征与开尔文模型类似;且在时间无 限延长时，应变将趋于某一定值，这与广义开尔文体的 特征相似。 理论模型 2021-6-2449 5 大倾角煤层开采岩层移动规律大倾角煤层开采岩层移动规律 n5.1 岩层移动岩层移动基本规律 q裂隙分布情况 地表下沉和水平移动动态

40、曲线岩体移动及“三带”分布 2021-6-2450 5 大倾角煤层开采岩层移动规律大倾角煤层开采岩层移动规律 5.1 岩层移动岩层移动基本规律 （1）上山方向的影响范围比下山方向的影响范围小，上 山部分的下沉曲线比下山部分的下沉曲线陡。煤层开 采时，指向上山方向的水平移动值逐渐增大，而指向 下山方向的水平移动值逐渐减小。 （2）在直接顶的中部和上下煤壁处均出现拉应力，在直接顶的中部和上下煤壁处均出现拉应力，这是 导致直接顶冒落破坏的主要原因。采空区内底板处于 卸压状态，且卸压深度较大。而在两侧煤体的下部底 板应力却是升高的，这是作用在煤体上的支撑压力向 底板传递的结果。 2021-6-2451

41、 5 大倾角煤层开采岩层移动规律大倾角煤层开采岩层移动规律 5.2底板破坏底板破坏模拟实验研究 结构面是底板破坏滑移的可能危险面 结构面最不利位置 ：与成的弱面是最危 险的破坏面。 1 0 45/2 软岩底板的力学模型 2021-6-2452 5 大倾角煤层开采岩层移动规律大倾角煤层开采岩层移动规律 5.2底板破坏底板破坏模拟实验研究（续）（续） 岩层在力场作用下有“臌起”现象 。 底板破坏滑移机理示意 底板滑移模拟结果 2021-6-2453 5 大倾角煤层开采岩层移动规律大倾角煤层开采岩层移动规律 5.2底板破坏模拟实验主要结论底板破坏模拟实验主要结论 （1 1）软岩底板滑移机理为：底板岩

42、层在力场作用下）软岩底板滑移机理为：底板岩层在力场作用下臌起臌起 到峰值，产生到峰值，产生结构破坏结构破坏而生成不同形状的而生成不同形状的滑体滑体，处于，处于 相对平衡状态，一旦形成滑动空间，破坏就进一步发相对平衡状态，一旦形成滑动空间，破坏就进一步发 展并伴有滑体的下滑。展并伴有滑体的下滑。 （2 2）底板岩层发生破坏的临界力不仅与底板性质有关，）底板岩层发生破坏的临界力不仅与底板性质有关， 而且与其厚度和工作面控顶距有关。而且与其厚度和工作面控顶距有关。 汇报提纲汇报提纲 2021-6-2454 6 结结 论论 6.1?不同煤层倾角下采煤方法的选择不同煤层倾角下采煤方法的选择 （1）大倾角

43、特厚煤层（倾角大倾角特厚煤层（倾角6060，煤层厚度，煤层厚度M M5 m5 m）：宜）：宜 采用采用水平分段或斜切分段放顶煤水平分段或斜切分段放顶煤采煤法。采煤法。 （2 2）大倾角较薄厚煤层或中厚煤层（倾角）大倾角较薄厚煤层或中厚煤层（倾角6060，煤层厚度，煤层厚度M M 5 m5 m）：宜采用）：宜采用走向双分段放顶煤走向双分段放顶煤采煤法。采煤法。 （3 3）一般急斜或倾斜、特厚煤层（倾角）一般急斜或倾斜、特厚煤层（倾角60603030，煤层，煤层 厚度厚度M M5 m5 m）：宜采用）：宜采用走向伪斜放顶煤走向伪斜放顶煤采煤法。采煤法。 （4 4）一般急斜或倾斜、较薄厚煤层或中厚煤层（倾角）一般急斜或倾斜、较薄厚煤层或中厚煤层（倾角6060 3030，煤层厚度，煤层厚度M M5 m5 m）：宜采用）：宜采用单一长壁伪斜单一长壁伪斜采煤法。采煤法。 2021-6-2455 6 结结 论论 6.2?大倾角煤层条件下工作面矿山压力显现特征大倾角煤层条件下工作面矿山压力显现特征 （1）沿倾向三铰拱岩块结构倾向三铰拱岩块结构的破坏及平衡条件 n大倾角煤层开采时上位岩层的变形和破断大倾角煤层开采时上位岩层的变形和破断不仅不仅具有走向变化具有走向变化 规律，规律，更有更有因为倾角较大而引起倾向的变化，变化的显著程因