青岗坪煤矿42104综放面矿压显现规律及支架工作阻力研究.pdf

论文题目青岗坪煤矿 42104 综放面矿压显现规律及支架工作阻力研究 工程领域矿业工程 硕 士 生郭体鸣 （签名） 指导教师李龙清 （校内） （签名） 魏 东 （校外） （签名） 摘 要 综放开采是解决厚及特厚煤层开采的主要开采方法。论文研究的青岗坪煤矿 4-2煤 层属特厚煤层综放开采。青岗坪煤矿已综放开采 42101、42102 和 42103 工作面，但均 未进行系统的基于 4-2煤层围岩赋存状况的工作面矿压显现规律与支架工作阻力研究， 对影响 4-2煤层安全开采的岩层控制方面的相关因素亦未有系统的定论。因此，针对 42104 综放工作面开展矿压显现规律及支架合理工作阻力研究非常有必要。 论文针对青岗坪煤矿 42104 工作面的煤岩赋存条件，通过理论分析、相似材料模拟 实验与现场观测的手段，分析了 42104 综放工作面的矿压显现规律与支架的合理工作阻 力，并对工作面内安装的 ZF6800/18/35 型支架的工作阻力进行了现场工业性试验研究。 研究确定青岗坪煤矿 4-2煤层老顶由老顶上位、中位、下位三层岩层构成，井田内岩石 强度总体是各类岩石抗压强度在 30～60MPa 之间，为半坚硬岩石。研究建立了青岗坪 煤矿 4-2煤层老顶的薄板力学模型，得出了老顶板破断的判别式，并以此为基础得出了 老顶上位、中位、下位岩层的极限跨距理论值。相似材料模拟实验得出老顶初次来压的 步距为 62m， 初次来压由老顶下位与中位岩层破断失稳形成， 周期来压平均步距为 27m， 从第二次周期来压开始有老顶上位岩层参与，周期来压时的平均增载系数为 1.36，来压 显现程度中等； 模拟实验支架工作阻力监测表明支架的合理工作阻力应在 8000kN 左右， 工作面超前支护的距离应达到煤壁前方 45m 范围内。 现场矿压观测表明老顶初次来压步 距为 57.5m，周期来压平均步距为 26.4m，工作面支架工作阻力选择 6800KN 是合理的， 但参考相似材料模拟实验及考虑到井田范围内岩层基本为半坚硬岩层，从整个矿井支架 使用普遍适用性考虑，青岗坪煤矿支架的合理工作阻力仍应保持在 8000KN。 研究所得结论为青岗坪煤矿后续工作面开采及支架工作阻力改进提供了有益借鉴。 关 键 词综放开采；板破断；矿山压力显现；合理工作阻力；现场监测 研究类型应用研究 万方数据 Subject Research of Strata Behavior Law and working resistance for 42104 working face with Fully Mechanized Top Coal Caving Mining at Qing gang-ping Coal Mine Specialty Mining Engineering Name Guo Timing Signature Supervisor Li Longqing Signature Wei Dong Signature ABSTRACT Fully mechanized top coal caving mining is the main mining to solve thick and extra thick coal seam mining.This paper studied the Qing gang-ping Coal 4-2 coal seam which belongs to extra thick coal seam fully mechanized caving mining. Qing gang-ping coal mine had mined the working face 42101, 42102 and 42103 with fully mechanized top coal caving mining, but there were no systemic study for working face strata behavior law and working resistance based on the 4-2 coal seam surrounding rock occurrence conditions.The related strata control factors affecting the 4-2 coal seam safety mining were no stematic conclusion.Therefore, it is necessary to carry out research on strata working face behavior law and reasonable working resistance aiming at the 42104 fully mechanized working face. Aiming at coal and rock occurrence conditions at the Qing gang-ping coal mine 42104 working face, this paper has carried out research in-depth research on strata working face behavior law and ZF6800/18/35 support working resistance for the 42104 fully mechanized working face through theory analysis, similar material simulation and field observation means.The research showed that the main roof was made of lower, median and upper three strata for the 4-2 coal seam. Overall, all kinds of rock compressive strength is in 30MPa60MPa at Qing gang-ping mainfield, which belongs to semi hard rocks.The research has established thin plate mechanical model aming at the 4-2 coal seam main roof, and obtained the main roof breaking discriminant. Based on this discriminant, we had obtained theoretical limit span of the lower, median and upper main roof. Simulation experiments had showed that the first weighting step of the main foof was 62m.The first weighting was ed by the lower and median main roof, and the periodic weighting average step distance was 万方数据 27m. There was participation of the upper main roof from the beginning of the second period weighting. The periodic weighting average increment of load coefficient was 1.36, and the degree of strata behavior was moderate. Support working resistance monitoring showed that reasonable working resistance of support should be controlled in 8000kN, and supporting distance ahead of working face should achieve the range of 45m in front of the coal wall. Field observation had showed that the main foof first weighting step was 57.5m, periodic weighting average step distance was 26.4m, and the working resistance of selecting 6800KN is reasonable. Referring to similar materials simulation experiment and taking into account the rocks basically belong to semi hard rocks, at the same time, considering universal applicability of support, the working resistance of support should remain in 8000KN at Qing gang ping coal mine. Research conclusions provided a useful reference for subsequent working and support resistance improvement.at Qing gang-ping coal mine. Keywords Fully Mechanized Top Coal Caving Mining； Plate Breaking； Strata Behavior；Reasonable Working Resistance；Situ Monitoring Thesis Applying Research 万方数据 目 录 目 录 1 绪论 1 1.1 论文选题背景 1 1.2 论文研究的目的和意义 2 1.3 国内外研究现状 2 1.3.1 国内外综放开采技术及支架应用现状 2 1.3.2 综放开采矿压显现规律研究现状 3 1.3.3 综放开采支架工作阻力研究现状 5 1.4 研究内容与方法 6 1.5 研究技术路线 6 2 青岗坪煤矿开采条件分析 8 2.1 青岗坪煤矿开采地质条件 8 2.1.1 矿井概况 8 2.1.2 井田地层与构造 8 2.1.3 含煤地层特征 9 2.2 青岗坪煤矿开采技术条件 10 2.2.1 4-2煤层基本顶岩层确定 10 2.2.2 青岗坪煤矿岩层强度分析 10 2.2.3 42104 工作面概况 11 2.3 本章小结 13 3 基本顶岩层破断规律 15 3.1 试验 42104 工作面老顶板破断结构研究 15 3.1.1 上覆岩层载荷 q 作用下薄板最大拉应力求解 16 3.1.2 岩板破断判据确定 17 3.2 试验 42104 工作面老顶极限跨距确定 18 3.3 本章小结 21 4 试验工作面矿压显现规律及支架工作阻力模拟研究 22 4.1 模型及模拟设计 22 4.1.1 模型设计 22 4.1.2 模拟设计 23 4.2 监测设计 23 4.2.1 支架合理支护阻力监测 23 I 万方数据 目录 4.2.2 顶板岩层移动监测 24 4.3 模拟工作面矿压显现规律研究 24 4.3.1 模拟工作面矿压显现过程及现象 24 4.3.2 模拟工作面来压显现规律分析 32 4.4 支架合理支护强度与工作阻力确定 34 4.5 顶板岩层位移监测 38 4.6 工作面超前支承压力分析 39 4.7 本章小结 44 5 现场矿压观测研究 45 5.1 矿压观测的目的和任务 45 5.2 矿压观测方案设计 45 5.3 矿压观测主要结果 46 5.3.1 工作面上、中、下部测站实测支架载荷及来压显现状况 46 5.3.2 工作面支架频率分布 56 5.3.3 工作面支架承载特征 58 5.4 本章小结 59 6 结论 60 致 谢 61 参考文献 62 附 录 65 II 万方数据 1 绪论 1 绪论 1.1 论文选题背景 煤层赋存厚度在 3.5m 以上的煤层称之为厚煤层，有时也将 8m 以上的煤层称为特 厚煤层。对于厚煤层开采，分层开采、一次采全高和综放开采是常用的三种开采方式。 厚煤层的分层开采技术经过多年发展已比较成熟，工作面设备类型齐全，配套便利，工 作面搬家容易，工作面煤壁及巷道稳定性好，工作面回采率可以达到 90以上，主要问 题是采用分层开采技术使工作面巷道数量增加，巷道掘进工程量与掘进费用均相应大幅 增加，巷道后期维护费用同样增加，工作面频繁搬家，上分层开采后铺设底网，工人劳 动强度相应增加，而劳动效率降低等，因此，分层开采当前并不是厚煤层开采的主要技 术方向。一次采全高开采技术是近年来发展起来的一种大采高的高效开采技术，装备特 制的大采高液压支架与大功率采煤机，相比于分层开采，可大幅度减少工作面巷道掘进 与维护工作量，提高工作面单产，降低吨煤成本，当前在陕北与内蒙的一些千万吨级矿 井该项技术应用较广泛，且煤层一次采全高最大厚度已超过 7m，但由于工作面装备的 体积与吨位大，控顶距大，造成煤壁稳定性大幅降低，矿压显现程度明显，该采煤方法 一般适用于井田地质构造简单，煤层赋存稳定，安全条件良好，适合全部垮落法管理顶 板的矿井。综放开采是当前厚煤层开采时采用的一种较为广泛的开采技术，除国家煤矿 安全监察局 2007 年 2 月初应神华集团的请求，针对急斜特厚煤层矿井在采用水平分段 综采放顶煤开采时，原则同意神华新疆能源公司六道湾、苇湖梁、碱沟、小红沟、大洪 沟、铁厂沟煤矿和包头矿业公司阿刀亥煤矿共 7 个矿井采放比规定最大不超过 18 外， 综放开采的采放比按煤矿安全规程规定应控制在 13 范围内。与分层开采相比，综放 开采的优点一是工作面巷道数目大幅减少，巷道掘进与维护费用显著降低，采掘接替紧 张关系明显改善；二是工作面单产得到显著提升，工作面块煤率增加，工人劳动强度降 低，工作面回采工效显著提高；三是工作面搬家次数减少，节省了大量的工作面安装及 搬迁费用。综放开采的缺点主要是工作面采出率低于分层开采，但与分层开采和一次采 全高开采技术相比，综放开采对工作面煤层厚度变化及开采地质条件的适应性更强，因 此其应用也更加广泛。 论文研究的青岗坪煤矿 42104 工作面 4-2煤层厚度 7～12，煤层均厚 9m，属于特厚 煤层开采，现场采用综放开采。放顶煤开采机采高度 3.0（0.2）m，放煤高度平均 6m， 采放比均值为 12。42104 工作面开采之前青岗坪煤矿已开采 42101、42102 和 42103 工作面，但均未进行系统的基于 4-2煤层围岩赋存状况的综放开采的工作面矿压显现规 1 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 律与支架工作阻力研究，对影响 4-2煤层安全开采的岩层控制方面的相关因素亦未有系 统的定论，因此，有必要针对 42104 综放工作面的矿压显现规律展开理论、实验与现场 监测研究， 并对工作面内安装的 ZF6800/18/35 型支架的工作阻力进行现场监测， 以确定 该工作面的顶板来压步距和工作面支架的合理工作阻力。 1.2 论文研究的目的和意义 论文研究的目的在于基于 42104 工作面 4-2煤层围岩赋存情况，通过理论分析、相 似材料模拟实验与现场观测手段，分析 42104 综放工作面的矿压显现规律与支架合理工 作阻力， 并对工作面内安装的 ZF6800/18/35 型支架的工作阻力进行了现场工业性试验研 究。论文的研究成果将为 4-2煤层后续工作面的正常开采提供理论基础与现场经验，从 而保证 4-2煤层综放工作面的安全高效生产。 1.3 国内外研究现状 1.3.1 国内外综放开采技术及支架应用现状 放顶煤开采已有 100 多年的历史， 20 世纪 40 年代末 50 年代初， 包括法国、 前苏联、 前南斯拉夫等国家即开始采用放顶煤采煤法。 随着放顶煤开采工作面的机械化程度不断 得到提高，放顶煤开采技术进入了新的发展阶段 [1～4]。前苏联 1957 年在位于库兹巴斯 煤田的托姆乌辛斯克矿使用 KTY 型掩护式放顶煤液压支架，开采煤层倾角 5～18，厚 度 9～12m。法国 1963 年研制出“香蕉”形放顶煤支架，并于 1964 年成功应用于法国布 朗齐矿区的达尔西矿。综放开采技术随后在英国、匈牙利、法国、前南斯拉夫等国家得 到应用，东欧地区一度将其作为厚煤层开采的主要方法。20 世纪 70 年代，法国的玛雷 机械设备公司成功研制出了 FB21-30S 型掩护式放顶煤液压支架，英国道梯设备公司成 功研制出了四柱掩护梁开天窗式双输送机放顶煤液压支架，前联邦德国赫姆夏特煤矿设 备公司成功研制出了 BS2.2 型多种放煤支架。20 世纪 80 年代初，在当时具有创新性的 带有单一输送机的前部开天窗式放顶煤液压支架在匈牙利研制成功 [5]。但由于种种原 因， 欧洲使用放顶煤开采技术并没有取得良好的经济效果。 20 世纪 80 年代中后期以来， 欧洲放顶煤开采技术逐步萎缩。近年来印度在开采浅埋坚硬顶板厚煤层时应用了恒底综 采和二次综放开采方式。如对于厚度在 12m 左右的煤层，第一阶段采用恒底综采方式， 采高一般确定为 3.0m， 待采后 8～10 个月第一阶段采完后的顶板岩层稳定后， 进行第二 阶段综放开采方式，一次采出厚度 6m 左右的煤层 [6]。 我国的综放开采技术是在学习国外技术基础上研究的。 早在 20 世纪 50 年代初我国 在大同、开滦、峰峰和鹤壁等矿区依靠自我力量进行放顶煤开采技术初期研究，但最初 2 万方数据 1 绪论 的现场工业性试验并不成功。煤炭科学研究总院北京开采所范运策研究员于 1982 年 5 月起草了以原煤炭工业部生产司和煤炭科学研究总院开采所两家单位为主的考察研究 报告，申请在我国一些具备条件的矿井进行放顶煤开采。1984 年，沈阳矿务局蒲河煤矿 最早开展了缓斜厚煤层的综采放顶煤试验，采用国产的 FY400-14/28 放顶煤支架，现场 试验过程中因支架四连杆机构损坏严重，支架稳定性差、前移困难，设备配套性不佳等 原因而中止了试验。蒲河煤矿第一次工业性试验没有完全成功，随后蒲河煤矿对设备改 进后重新下井进行工业试验，直到 1986 年 2 月才进行技术鉴定。1987 年，平顶山矿务 局一矿在进行综放开采设备综合考察后，最终引进了产自匈牙利的 VHP-732 型高位插 底式放顶煤液压支架，现场工业性试验过程中，试验工作面平均月产 44206t，最高月产 55000t。1988 年山西阳泉矿务局，1989 年山西潞安矿务局开始试验综放开采技术。与此 同时，综放开采技术经过原煤炭工业部的推广，开始在辽源、乌鲁木齐、窑街、靖远、 晋城、兖州等矿务局推广使用。 总体来讲，综放开采技术在我国的发展进程大致可分为两个阶段20 世纪 50 年代 至 1990 年底，我国放顶煤开采技术处于学习、引进、借鉴的第一阶段；从 1992 年至上 世纪末， 我国综放开采技术走上了依靠自我力量独立发展的道路， 即进入成熟发展阶段， 不断研发出具有我国自主知识产权的综放开采技术装备，通过不断的技术创新与设备改 进， 在放顶煤开采设备研制上摆脱了仅依靠引进国外技术发展的模式， 2005 年世界著名 综采设备制造厂商德国DBT 公司引进了兖矿集团的“两柱式综采放顶煤液压支架”技术， 这是我国首次向国外大型采矿设备制造厂家输出煤矿开采装备技术。 我国放顶煤综放开采技术经过几十年的发展，经历了从一无所有到自主研发，从第 一次试采的失败到在国内大量矿区厚煤层开采推广使用的曲折过程，无论从综放开采的 开采工艺改进，还是从开采装备的设计、研发和制造方面都已经不同程度地积累了非常 宝贵的经验 [7～10]。我国自采用综放开采技术以来，对于放顶煤支架的研究从未中断，当 前我国已研制出与相配套的采煤机搭配使用的高、中、低位 30 多种形式的放顶煤支架， 在现场得到了良好的应用。 我国的综采放顶煤开采技术虽然起步较晚，但发展迅速，可以说，到目前为止，我 国的综放开采技术已经走在了世界的前列 [11～12]。我国的综放开采技术在国内各类复杂 厚煤层的广泛运用得到了持续改进，该项开采技术也已成功输出国外。可以说，我国是 当前世界上综放开采技术最先进的国家 [13]。 1.3.2 综放开采矿压显现规律研究现状 放顶煤开采工艺的应用，使采场上覆岩层的活动规律及结构发生了较大的变化，由 此造成矿压显现及支架载荷的变化，与分层开采具有较大区别。 3 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 石平五教授建立了急倾斜煤层水平分段放顶煤开采的顶板变形力学模型和围岩破 坏分区，将围岩破坏分为四个区，即顶煤放出区、沿底坐滑区、顶板离层破坏区、煤岩 滞后垮落区 [14～15]。 伍永平教授研究了大倾角煤层的综放开采技术， 对大倾角煤层综放开采覆岩运动规 律与围岩破坏结构特征进行了深入研究 [16～18]，提出了大倾角煤层开釆的“R-S-F”动力系 统。 吴健教授认为，放顶煤开采顶煤的移动过程分为冒落前（Ⅰ）和冒落后（Ⅱ）两个 阶段，在Ⅱ阶段又分为冒落过程，压实过程及放出过程，顶煤开始移动位置位于煤壁前 方 3～10 m，平均为 6 m，工作面前方以水平位移为主，后方以垂直位移为主 [19]。 张顶立、王庆康教授认为，综放采场由于直接顶垮落高度较大，某些条件下上位直 接顶中可形成“半拱”式小结构，并与其上的“砌体梁”结构相结合，共同构成综放开采覆 岩结构的基本形式。采场矿压不仅取决于上覆岩层的活动，更主要地取决于顶煤及直接 顶的刚度 [20]。 贾喜荣教授将中厚煤层开采中采场矿压计算的分析方法推广到放顶煤工作面顶板 来压计算中，建立了“弹性板与铰接板结构”力学模型，提出了完全承载层、过渡层和非 承载层的基本判断 [21]。 煤炭科学研究总院北京开采研究所古全忠、史元伟等学者，认为综放采场上覆岩层 运动结构是“拱梁”结构，拱结构是一动态非对称压力拱，上覆岩层运动的实质是拱向 梁的转换运动过程，“拱梁”转换的实质是以拱顶的升高为条件。老顶的周期来压不仅 包括其下分层的周期失稳垮落，也包括其上位岩层的失稳垮落。老顶来压时，支架承载 的顶板岩层厚度约为采放煤厚的 1.2～2.1 倍 [22～23]。 王家臣教授在对综放条件下垮落直接顶“两带”分布高度进行相似模拟研究后认为 综放工作面形成“散体拱”结构，该结构是不规则垮落带和规则垮落带的分界线，使得冒 落的直接顶呈现“两带”分布特征。“散体拱”的承载是有限的，必须适应老顶“砌体梁”活 动才能稳定存在 [24]。 吴键教授认为综放面前方煤体和上覆岩层受到支承压力的影响而产生应力增加的 初始位置是同步的，应力明显增加的趋势也相似，开采不同厚度的煤层，上覆岩层所形 成的大变形梁的层位与开采厚度不成线性关系 [25～26]。 靳钟铭教授认为，影响综放面支承压力分布的主要因素是煤层强度、煤层厚度和顶 煤放出率。 随着煤层厚度的增大， 支承压力塑性区的宽度增大， 但应力集中系数减小 [27]。 姜福兴教授认为，放顶煤采场的结构由顶煤、直接顶和老顶组成。放顶煤采场的控 制岩层应为直接顶和顶煤，顶煤的存在将使老顶的运动效应将被弱化，变为次要的控制 4 万方数据 1 绪论 对象 [28]。 谢和平院士和陈忠辉博士根据损伤理论建立了给定变形条件下综放工作面支承压 力的分布规律，认为影响支承压力的因素主要有煤岩强度、直接顶和顶煤厚度以及原岩 变形 [29]。陈忠辉博士、谢和平院士和王家臣教授通过 FLAC3D 数值分析及现场实测得 出 [30～31]，放顶煤开采支承压力具有明显的分区特征，顶煤的始动点就是支承压力的峰 值位置。支承压力分布范围较广，其峰值位置位于煤壁前方 5～7m 处。 1.3.3 综放开采支架工作阻力研究现状 确定支架合理工作阻力是研究采场矿山压力显现特征的一个重要因素。目前国内外 常用的支架工作阻力测定方法主要包括估算法与实测法两大类。 估算法即是对工作面顶板岩层可能出现的顶板压力进行估算， 常用的有经验估算法 和老顶结构平衡关系估算法 [32]。 （1）经验估算法 以直接顶载荷的倍数估算老顶的载荷，且认为周期来压时形成的载荷不超过平时 载荷的 2 倍，确定顶板压力相当于采高 4～8 倍岩柱的重量，即 48pMγ� 1-1 式中p考虑直接顶及老顶来压时的支护强度，MPa； M采高，m； γ岩块体积力，KN/m3。 （2）以老顶形成结构的平衡关系估算 此种估算法认为直接顶的载荷应由支架全部承担，考虑老顶可以形成结构，因此 支架所承受的载荷仅是由老顶岩层失稳时所形成。第一种情况是考虑老顶滑落失稳估算 顶板压力，作用于支架上的力p为 tan A B PQTψθ −⋅− 1-2 式中p作用于支架上的力，KN； A B Q 岩块 A 与 B 的重量及其在载荷，KN； T保持结构平衡所需的水平挤压力，KN。 ,ϕ θ岩块的破断角与内摩擦角， 。 第二种情况是以老顶破断岩块的变形失稳估算顶板压力，老顶对支架作用的载荷 p为 0 0 i h PK h ∆ ∆ 1-3 式中p老顶作用于支架上的力，KN； 5 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 0 K顶板下沉量为 0 h∆时，老顶岩梁在控顶距范围内的作用力； 0 h∆实测所得的回采工作面顶板下沉量，m。 i h∆要求控制的回采工作面顶板下沉量，m。 实测法是对工作面支架测定其所承受的实际载荷。法国及前苏联以往采用顶底板移 近量法，该法以顶底板移近量和支架工作阻力呈双曲线关系为基础。实测法在我国也广 泛应用，由于是对工作面进行现场工作阻力测定，因此实测法对于确定工作面支架的合 理工作阻力值非常准确，对于估算法所得顶板压力估算值也是