综合机械化固体充填采煤矿压控制原理与支架受力分析

1、综合机械化固体充填采煤矿压控制原理与支架受力分析 中国矿业大学学报第93 卷 第6 期 6 .9o3N .l oV 年 月0102 11 l an r uo J af notiih sC r ev i nU ynf io n iMo l onghc e&T yg 0102.voN 综合机械化固体充填采煤矿压控制原理与支架受力分析缪协兴( 中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室, 江苏徐州 )8001 22: ( ) 、 、 “ ”摘要 综合机械化固体 废弃物 充填采煤技术能用于低成本 安全 高效回收 三下 压煤和煤柱资源, 具有提高煤炭资源回收率, 循环利用矿区固体废弃物,

2、保护矿区土地、 水资源和环境等优点 在简述固体充填采煤方法及其岩层控制效果的基础上, 重点比较了该方法与一般长壁综采在.采场矿压控制原理和支架设计理念等方面的显著差异; 进一步完善了用于分析岩层移动和地表; ,沉陷等规律的固体充填采煤的等价采高矿压模型 基于提出的固体充填采煤液压支架设计理念,给出了用于分析支架主动加载对顶板变形移动控制的采场矿山压力力学模型 根据半无限平面上作用集中力的经典弹性力学 解,推导得到了计算支架主动力作用引起的采场顶板变t nama lF形位移曲线的解析解, 对完善固体充填采煤基础理论起到了一定的推进作用.: ; ; ;关键词 综合机械化固体充填 固体充填采煤 六柱

3、支撑式液压支架 矿压模型: : : ( )中图分类号 文献标识码 文章编号DT 32 8 A 0001 469-1 0102 60597-0 7-0i cn i rP e l froednU dnuoerrus s e rP l o r t noC nldielzuFi nahc eMp g y -l aoCn i n iM h t iwd i l noSi l l i F dnae c r oF l anA s i s nf io n iM uS t r o g g y g pp OAIM e iX n i x - g( ,e t a t S r o t eaKr obaL s c i na

4、rhocfemo e G e e&D r ednU dnuo r n i r nEe en iy y p g g g, , , )antiihsC r ev i nU ynf io n iMo l onghc e&T yugohz uX na i J 8gu0s012 2 an i hC : ( )t c a r t s bA ehTl aocn i n ioml onhc e t lfdeolzuif nahc em d i lnoisl l i f er ot snawi l l i f na c eb g yg y - g g ,de su r evootc e r e

5、cerhutos e r efeorh t r ednu dnuo r l aoc dna eh tl aocr a l l i hc i hw neaccnahne g p ,t ne i c iehftf eo c f loaroe cvoc e rl r a l ucyr i c e z i l iyt u ehd ti l o s e t s aw nn ii n i m a egr a dn tac e t op r eh t ,dencarluos e r r e teacwruos e r nO.dtn naemneoh rti vn e eh sti s a b l ffe o

6、in ri bb i r c syed egh tl ao c ,n i n im dohgt em lfd eolzu if nahyc -em d i lno isl l i f dgnas ts ct eif f e n oaeht ntairlt lso r t no c geh t e r - e l baksreacmne r e f f i d n ieh ti cn i r s e l rfeodnu dnuo re rus s e r l o r t noc dnan i n im usr e t r o ed p p g p g pp -inse ewtneb s i h

7、tdoh t em rdannai dr o no ldelzliawnahc em n i n im doh t em e r a moechT.de r ag y g g pr ednu dnuo re rus s e r l ed om h t ti wne l a ve i u n i n i m i eh t hd if olno isl l i f hc i hw s die s u o tan a -g p q g g g ley zeh t wa la tfa or t s n i v om edgcnaaf reu csned i sbu s dess iaBm .dievo

8、p r n oeh t op rdepso u s p - ,r e t pr o i s e dde z ig nnfa ohc e m n i n i m h tg idwi lno isl l i f cgeihntahc e m l ed om rf eodn u dnuogr s ep r - e rus t ah t sdie su oltana e zneoh tiftoaomrr o f ed de cudn i ev i t abeihtt i n i n i dao l f o usr e t r o s i y y g pp n i dr oc cA.dehs i l b

9、a t s e o tethntama lF no i t u lsos de t a r tfnoe canoc e c r o f tectai nniof n i f l ahg :收稿日期0102 50 81- -基金项目: 国家重点基础研究发展计划( ) 项目( ;) 江苏省创新学者攀登项目( ;) 国家自然科学基金重点379004902BC7002 KB项目( )作者简介: 缪协兴( ,) 男, 江苏省江阴市人, 教授, 博士生导师, 工学博士, 国家“ 计划” 项目首席科学家, 从事采矿工程等方面9591 379-的研究.: :l Ei amoa imxnxc .ude .tmu

10、c l eT 6150- -书书书83995518508340042008007中国矿业大学学报 第 卷 937 9 6,ena l eh tl an la ancoiitt u l o s t ah ett anla ucc l a c eh ttsnie mde c a l ev ru c nofi fotooa mrr o f e d n i -p y pde cud beeyhvti t c a e c r o fded i v op r beyh t u srsepipthrT.oden is ait b o hc r a e s e r kr ow s a h m i pr o -

11、 t na t nmii l l eno i t c a no mnii vo r ehcti s ab r oeh t floaocn i n im h t idw i lnoisl l i f . p g p g y g g: ; ; ;eKs d r ow ldelzuif nahc em d i lnoisl l i f d i lnoisl l i f n i n im xsinmsu l oc c i l uha r d us t r oy y - g g g y ppr ednu dnuogre rus s ep r l ed om国际上开展充填采煤方法研究已有上百年历 充填固体

12、由于自重从刮板式充填输送机卸料孔中 1 -3, , (史了 我国开展这方面研究也有近 年了 国 落入掩护后顶梁的掩护空间内 再加夯实机 辅助06 .、 、 、 ) ,内外在废石充填矿房 水沙充填 膏体充填 矸石充 动力 将充填体向采空区压实 实现固体密实充填. 4 -7填等技术研究方面取得了一定的进展 , 也有工,业性试验成功的例子 然而 鉴于煤炭工业生产的.,现实条件限制 任何一种具有应用价值的采煤方法和技术必须具备低成本、 安全性、 高产量、 高效益等优点, 综合机械化固体充填采煤方法和技术是为适应这些现实条件需求而有针对性地研究开发出来,的创新成果 本文在对比分析综采方法的基础上.研究固

13、体充填采煤的采场矿压控制原理, 提出充填,采煤液压支架的设计理念 并分析支架的受力特点和对顶板的控制作用机理.综合机械化固体充填采煤方法1综合机械化固体充填采煤方法是综合机械化,采煤和综合机械化固体充填两种方法的有机合成综合机械化采煤方法与传统综采方法相一致, 而综图 综合机械化固体充填采煤的工作面布置方式1 合机械化固体充填方法是我国具有完全自主知识e ciaFf k1r.oW na r r a t neme dlfeolzuifnahc emg g y -产权的创新成果 下面简述有关综合机械化固体充. d i l onsi l i f n i gn i m g填采煤技术的原理、 装备和岩层

14、控制效果.固体充填采煤的四代液压支架2 .1综合机械化固体充填采煤原理1 .1通过对固体充填采煤方法和技术的深入的理综合机械化固体充填采煤方法的工作面布置论和实践研究, 至今, 综合机械化固体充填采煤液( ) ,方式 见图 与传统综采工作面布置基本相同 其1(压支架已经历了第一代到第四代的设计演变 见中巧妙地在采煤工作面的后部, 即在采空区一侧布)图2 .置充填作业面, 再在工作面进风巷内布置一条固体,当初 由于受综合机械化固体充填采煤第一次,充填物料的运输皮带 将固体充填物输送至充填刮工业性试验经费投入的限制, 第一代液压支架是用板输送机上 在这种工作面布置方式中, 可实现充.退役的旧综采支

15、架改造而成, 但工业性实验也取得填与采煤在同一工作面系统中并行作业.了预期的效果 从图 中可以看到, 第一代液压支. a2实现在同一工作面系统中充填与采煤两项作,架是反四连杆四柱支撑式 它与其它三代的显著区业并举的核心装备是综合机械化固体充填采煤液别在于没有对充填体的主动夯实系统.压支架( 见图 ) 我们知道, 实现固体物直接充填d2 .,从图 中可以看到 第二代液压支架是针对b2的 大要点是空间、 通道与动力, 而在这种工作面3固体充填开采专门设计的新型支架, 增设了主动夯: )布置系统中就可完成 图 中液压支架与传统1 d2实系统, 在实践中取得了良好的效果, 实现了对采,综采支架比较 拆

16、除了传统综采液压支架的掩护尾空区的密实充填, 充实率可达 但由于支架后%.59梁, 代以水平后顶梁, 可将固体物直接充入水平后顶梁与支架主体部分仅用支撑角度很小的液压油, ; )顶梁掩护的空间内 而不是采空区内 由皮带输2( ) ,缸 千斤顶 支撑 缺少足够的支架强度来控制后顶送机将充填固体运至挂在掩护后顶梁下面的刮板梁上方顶板的下沉.式充填输送机,形成充填固体的连续输送通道; )3从图 中可以看到, 第三代液压支架是试图c2第 期 缪协兴: 综合机械化固体充填采煤矿压控制原理与支架受力分析6 7 9 7来克服前两代支架对后部顶梁支撑强度不足而专 从图 中可以看到, 第四代液压支架为正四d2,

17、 ,门设计的 但在使用过程中很难克服后部顶梁的平 连杆六柱支撑式 它克服了前三代液压支架所存在衡控制以及后立柱与夯实系统之间的结构矛盾, 因 的缺点, 而汇集了前三代的优点, 被我们确定为固而在样机试验后没有投入工业性应用 体充填采煤的基本定形架型. .图 综合机械化固体充填采煤的四代液压支架2 i F rg2uo.Fsno i t a r e gne cfi ol u ha yr d u s ptp r o r o dlfelzu ifnahyc -em d i l o nsi l i f n i gn im g 固体充填采煤的岩层控制效果 如图 所示3 .1 3 .,我们知道 开发固体充填

18、采煤的主要目标是实施对采动覆岩的有效控制, 因此, 综合机械化固体充填采煤的岩层控制效果是衡量其技术成败的主要指标 下面是用第二代固体充填支架装备的某矿.区 充填工作面岩层移动控制实测情况6067 .固体充填采煤工作面倾斜长度为 ,6067 0m5图 回风大巷与 工作面相对位置及测点布置3 6067#ev iitFag3l e.R no i t i ps o n rfu ot e r awr i a dyna 606 7 走向长度为 所采煤层为 煤, 属复杂结构0.m64 2e c a f k r ow dn an ieh rtus a em tgn ip noa r r a t negme

19、, , ,煤层 煤层平均倾角 煤层平均厚度为° 9 9m7 .5西翼回风大巷底板下沉量随充填采煤012-、平均埋深为 工作面正上方 距切眼水0.m23 0m4工作面推进变化情况如图 所示4 .平距离 位置处为该矿 西翼回风大巷,8m3 012-图 回风大巷底板随工作面推进下沉曲线4 i F f4oo.eRcned i sbus ev r uc h t iw e echatf k r ow n i cnavdag g: ) , ;由图 可知 随着工作面的推进 在工作面 其在工作面中部表现明显 随着工作面继续往前推4 1推到回风大巷水平距离约 处, 各观测点开始 进, 大巷也持续下沉,

20、直到工作面推过 时,1m1 5m01下沉, 但下沉量很小, 最大下沉量为 ; 当工 大巷底板最大下沉点位于工作面正上方中部的1mm1 51, , , )作面推过大巷约 时 观测点开始明显下沉 尤 号观测点 下沉量达到 沿着回风大巷6m 2 .1mm32中国矿业大学学报 第 卷 937 9 8观测线方向,下沉呈现下抛物线型变化, 最大值始 以看到, 由支架的前后顶梁挡住了顶板岩石的垮、 、 , ,终位于工作面中部的 号 号 测点 以工作 落 与综采不同的是采空区顶板已被充填物支撑不41 51 61面中部为轴线,下沉量呈两边对称发展; 工作面推 会随采随垮, 因而可不设掩护斜梁.过大巷 后, 号观

21、测点及 号观测点同时 ) 掩护采煤工作面机械化作业 虽然支架还0m01 5 62 2 ., , ,出现明显下沉 因此 工作面上方 岩层移动 要具备保护采煤作业面全空间稳定性的功能 但由0m4,影响范围约 该回风大巷在正下方充填开采 于没有周期来压等矿压显现现象 维护端面顶板和0.m01工作面推进过后无需维修仍能正常使用, 最大下沉 煤壁稳定已十分简单.量仅为 事实证明, 该充填开采工作面的岩 ) 维护工作面风流畅通 与综采工作面比较,.mc32 3 .,层移动控制效果良好 由于后顶梁成水平支撑 工作面有效通风断面已大.大增加, 另外, 采空区已被密实充填, 不再需要考虑综合机械化固体充填采煤矿

22、压控制原理2工作面漏风等现象., )综采与普采的矿压控制原理是基本相同的 而 掩护充填作业面机械作业 对充填作业面4 ., ,固体充填采煤与传统综采矿压控制从原理上讲发 有两项基本要求 一是足够高的充填空间 即后顶生了显著的变化 梁要求尽量保持水平角; 二是维护充填输送机正常.综采矿压控制原则 工作需要让输送机保持平直状态, 也即架与架之间1 .2这里的矿压控制特指为采场矿压控制 关于综 后顶梁尽可能保持在相同的倾角平面内. . 8 -9, ,采矿压控制原则 我们可以用综采液压支架结 上述分析可以看到 固体充填采煤矿压控制原构( 见图 ) 特点来说明: 则与传统综采比较, 就维护作业面人员和机

23、械化作5) ,保护工作面生产人员的安全 从图 中可 业几何空间稳定而言 已存在较为显著的差别 最1 . 5 ., , ,以看到 由支架的顶梁挡住顶板岩石的垮落 而由 为根本的差别在两种支架所承受的工作载荷上 传支架的掩护斜梁挡住老塘矸石涌入人行通道 统综采支架主要承受周期来压而产生的被动压力,.) 掩护采煤工作面机械作业 支架要确保采 而固体充填采煤支架要主动支撑顶板尽可能少产2 .煤机作业的整个煤壁以内所包含空间的稳定性 生下沉移动量. .)维护工作面最小通风断面的稳定性以及风 固体充填采煤的等价采高矿压模型3 3 .2流的畅通性 要满足防治工作面瓦斯、 粉尘和火灾 为了能够直接利用一般长壁

24、采煤的矿压理论., 的要求 成果 文献 提出了计算固体充填采煤的矿山压. 01) ( ) ( )抵抗工作面周期来压的冲击 综合机械化 力 巷道矿压 和岩层移动 地表沉陷 的等价采高4 .开采比较适合长壁垮落式顶板管理方式, 工作面矿 矿压模型 所谓等价采高, 即为实际采高减去充填.压控制的核心是要抵抗周期来压的冲击 因此, 支 固体压实后的高度, 则可给出如下等价采高的数学.架所承受的工作阻力有初撑力和额定工作阻力两 表达式, ( ) , ( )种 支架所承受的大于初撑力以上的载荷是由顶板M e = M - M c + k c - k 0 M c 1活动造成 式中: 为等价采高; 为实际采高;

25、 为充填高. M M Me c度; 为充填固体初始压实后的孔隙率; 为最后k kc 0压实后的残余孔隙率.以某矿 充填开采工作面为例, 实际采高6067为 , 实际充填高度为 , 初始压实孔0m7 .2 5m5 .2, ,隙率为 最终压实孔隙率 则等价采高%5 %1 Me, ,约为 因此 对于该工作面开采 我们可等5.m2 .0价用 极薄煤层开采来预计两巷的采动压图 传统综采液压支架结构 5m2 .05 e r u ticFu r5t.S hc tleaknso i t ifdoa r tg 力和地表沉陷量 当然, 也可用此采高来预计工作.dlelzuifnahc em c i l uha r

26、 d us t r oy - y pp,面支架的被动压力 但没有实际应用价值.固体充填采煤矿压控制原则2 .2固体充填采煤采场矿压与支架受力从图 中充填开采液压支架结构特点来说明 3d2综合机械化固体充填采煤矿压控制的原则:一般固体充填采煤的岩层控制目标要求达到)保护工作面生产人员的安全 从图 中可1 . d2,采场覆岩不发生破断与垮落 直接顶也要求控制在第 期 缪协兴: 综合机械化固体充填采煤矿压控制原理与支架受力分析6 7 9 9连续下沉位移的范围内, 因而其采场矿山压力模型 有集中力的经典弹性力学解演化求得 如图 所. 7( ) , ,与支架受力与其他开采 非充填开采 显著不同 示 半无

27、限平面上的 点作用了一个集中力. A P B固体充填采煤采场矿山压力模型 点处约束了竖直方向的位移, 即 , 则在表面1 .3 w 0=固体充填采煤采场矿山压力模型如图 所示 上距离 点为 的任意一点 处的竖直位移 可6 . A R C w11 , ,如图 所示 由于采场顶板不发生破断和明 以由 解得到 即a6 t nama lF2, , ( )显离层运动 我们将覆岩用一完整岩层表示 这一2 1 - P a, ( )w = n l 2E R整体岩层被前方煤体和支架以及充填体所支撑, 仅: ; ;式中 为弹性模量 为泊松比 为 间距E a BA .产生向下弯曲变形 其中, 煤体和充填体是被动受.

28、, ,力 如果支架不产生支护作用 则两侧煤体和充填体也能承受( 分担) 支架上方岩层重力的转移压力.如图 所示, 考虑到充填液压支架的主动支b6,撑功能主要是使支架后顶梁抵抗顶板的弯曲下沉图 半无限平面上作用集中力7 P,即在第四代充填支架图 设计上增加了后立柱d2e t a r tinFe cg7no.C e c r o f etP tc ai n ni of n i f l a h en apl同时假设支架不承受被动载荷( 支架自身卸载功能当半无限平面上作用呈三角形分布载荷, 如图可以实现,) 因此, 支架的主动加载载荷可以用三角, , ,载荷集度在 点为 在 点为 则在 上a8 B 0

29、A q BA形分布力代替.距离 点为 的任意一点的载荷集度为A rr( ) ( )r 1 - . 3q = q( )a图 半无限平面上作用三角形分布载荷8 inFa g8i r.T no i t urbaiglrut s i d dao l t c ae t i n niof n i f l a h en a lp为求得载荷分布范围内任意一点 的竖直位C移, 在 上距离 点为 处取一微小长度 , 如图BA A r dr, ( )中阴影所示 将这一微小长度上的力 看a8 q r dr作集中力 根据 解, 在该微元集中力. t nama lF( ) 的作用下, 点的竖直位移 可以由式( )r dr

30、 C d w 2q积分得到2( ) ( )2 1 - q r a - r? n l dr图 固体充填采煤采场矿山压力模型6 E R r -i Fr eg6d.nU dnuogre r us s epr l ed om r o f当 位于 间, dr CAd i lnoisl l i fn i l ao c r a en e echatf k r ow g g ( )d w = 4?2( ) ( )2 1 - r a - rqn l dr如图 所示, 考虑到支架对顶板的支撑作用c6 E r - R, ,比较煤体和充填体来说可以忽略不计 因而 支架当 位于 间,? dr CB :对采场顶板的主动压

31、力作用可以简化为 不计自重由此可得到分布载荷作用下距离 点为 的任意A R的半无限弹性平面体在有限长度上受三角形分布点竖直位移a R 2力作用的力学模型 这样, 由假设简化得到了图. c6( ) ( )2 1 - q r a - rw d w n l dr= = +0 0 E R r的固体充填采煤的采场矿山压力力学模型, 可以用 -a 2( ) ( )2 1 r a r- q -来分析固体充填支架受力和支架主动加载对顶板 , ( )n l dr 5 R E r R -变形的影响.即三角形分布载荷作用引起的表面位移2 .32( )2 1 1- qn l aw = a - + 求解半无限平面上作用

32、有三角形分布载荷的 ( )2E 2,弹性力学问题的解析解 可以用半无限平面上作用中国矿业大学学报 第 卷 938 0 02仅为 左右 这再一次说明, 充填开采液压支R 3 m6m .q( )n l R - - q R n l R - 1 -( )2 a 2架的主动支撑作用是保护直接顶与老顶之间的连2( )a R 3q -续性,使其不发生离层和直接顶破碎垮落现象 采.( ) ( )n l a R- - . 6( )22 a场覆岩的整体下沉是由充填体和工作面前方煤体( )由式 可得6,所承担 即采空区的充实率是决定采场覆岩变形移2( )1 a- q xam( ) , ( )w w 0 7 , ,|

33、 A = = 动量的关键 然而 充填支架主动支撑能力的大小. E是决定固体充填作业工艺得以顺利实施以及确保( ) ( )w w a 0 . 8| B = =充实率的关键., ,如图 所示 当 点位于分布载荷之外 同 b8 C,从上述分析可以看到 在综合机械化固体充填,样在 上距离 点为 处取一微小长度 如阴BA A r dr采煤支架设计与传统综采支架设计上已发生了重影所示, 将微元力 ( ) 看作集中力, 则 点距离r dr Cq大理念变化, 由传统综采的护顶、 护帮和挡矸转变该微元集中力的距离为 根据 解, 由r R .t nama lF+为控制支架上方直接顶与老顶的整体性和维护最该微元力所引起的 点的竖直位移 同样可由C d w,大的充填空间 因此 固体充填液压支架与传统综.( )式 积分得到2采支架比较, 必须强调如下 个特点: ) 在同样地3 12( ) ( )2 1 r a r- q -( )d w = n l dr . 9质开采条件下充填支架的支撑能力设计必须大于 E R + r; )综采支架 充填支架后顶梁的支撑强度要大于由此得到在载荷分布范围以外距离 点为 2 A R; ) ,的任意点竖直位移 前顶梁3 充填支架的初撑力即为