枣泉煤矿综放工作面矿压显现规律研究.pdf

论文题目枣泉煤矿综放工作面矿压显现规律研究 工程领域矿业工程 硕 士 生卓 振 签名 指导老师伍永平 （校内） 签名 校外导师周光华 （校外） 签名 摘 要 大倾角煤层是指埋藏倾角为 35 55 的煤层。当煤层的倾角大于 35 时，开采形成的 围岩移动规律不同于 35 以下煤层。研究和掌握大倾角工作面开采过程中顶板运动规律 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。 本文利用枣泉煤矿变角度-临界大倾角 120210 综放工作面为工程背景，通过现场观 测、物理相似材料模拟实验和数值计算实验相结合的手段，运用已有的大倾角煤层开采 理论，系统分析研究了变角度-临界大倾角综放工作面开采过程中的围岩应力分布特征 和覆岩运移破坏特征。 研究表明 （1）上覆岩层垮落从水平和垂直位移上均呈现明显的非对称拱形，其中 拱峰位于工作面中上部，关键层的垮落与其下直接顶等岩层的垮落不同步，而与其上部 变形破坏同步协调。从覆岩位移特征认为可以把变角度-临界大倾角煤层看作为大倾角 煤层与倾斜煤层的结合体。 （2）工作面因为上覆岩层存在主亚关键层而导致有大小周期 来压现象发生，工作面老顶初次来压步距约为 67m，周期来压步距约 20m，岩层前垮落 角 45 ，后垮落角约为 51 。工作面来压时支承压力平均应力集中系数为 2.1，超前压力 峰值一般位于工作面前方 1020m，超前支承压力影响范围在 75110m 之间。 （3）采场 的围岩力学特征在工作面顶底板中呈非对称拱形。随着倾角的增大，下端头的应力集中 区范围和最大集中应力值增大，上端头的应力集中区范围有所减小，同时，顶底板应力 释放区非对称特性越来越明显，上方支承压力峰值点向煤壁靠近，下方支承压力峰值点 距煤壁距离增加，但支承压力峰值降低。 论文通过现场监测与实 （试） 验模拟得出了变角度-临界大倾角综放工作面矿压显现 规律，一定程度上指导了该工作面的实际生产和围岩控制，另外，对类似条件工作面的 安全高效开采具有一定的借鉴意义。 关 键 词变角度；大倾角煤层；矿压显现规律 研究类型应用研究 万方数据 万方数据 Subject Study on Phenomena of Underground Pressure at Fully mechanized Caving Face in Zaoquan Coal Mining Specialty Mining Engineering Name Zhuozhen （（Signature）） InstructorWu Yongping （（Signature）） InstructorZhou Guanghua （（Signature）） ABSTRACT The steeply dipping seam is defined by coal seam which pitch is 35 55 .When coal seam pitch is more than 35 ,the movement of surrounding rocks is different from coal seam which pith is less than 35 .Researching and controlling the roof movement law and characteristics of strata behaviors in the process of mining of steeply dipping seam,taking effective measures for safe mining,have great practical significance to reduce the roof accidents, improve resource recovery, reducing consumption, increasing the economic benefit of the mine. In this text,studying on the 120210 fully-mechanized caving working-face in Zaoquan coal mining variable angle-critical steeply dipping seam and using the existed theory of steeply dipping seam,and then analysing regulations of coal-pressure manifestation through site test,the physical simulation experiment and numerical simulation． Research conclusing that1 The overlying strata collapse showed obvious asymmetric arch from the horizontal and vertical displacement,the arch peakis located in the upper working face,key roof caving is not synchronized with immediate roof,but coordinated with the up deation.From the overlying rock displacement characteristic,variable angle-critical steeply dipping seam can thought to be combination of Steeply dipping seam and inclined coal seam.2Because of overlying strata have sub critical key layer resulting from the size of the periodic pressure phenomenon.The initial weighting step is 67 m,the cycle weighting step is 19.8m，the rock caving angle is 45 .When weighting average stress concentration coefficient of support pressure is 2.1,the peak pressure is generally located at the front side 1020m,the abutment pressure influence scope is 75110m.3The mechanical characteristics of surrounding rock in working-face are asymmetrical arch. As the inclination angle increases,the lower end of the stress concentration zone and the maximum stress value 万方数据 increases,the upper end of the stress concentration zone decreases.At the same time,the asymmetric of the roof and floor stress releasing zone is more obvious.The top peak walue of abutment pressure closes to the wall,the below far away from the wall,but the supporting pressure reduced. The research obtained phenomena of underground pressure at fully mechanized caving face through site test and simulation experiment,has great significance for actual production and rock control and has draw lessons from a meaning.for the safe and efficient mining of similar condition face. Key wordsVariable angle；Steeply dipping seam；Regulations of coal-pressure manifestation Thesis Application of Study 万方数据 目 录 Ⅰ 目 录 1 绪论 ......................................................................................................................................... 1 1.1 选题背景及选题意义 .................................................................................................. 1 1.2 本论文研究领域国内外的研究动态及发展趋势 ...................................................... 2 1.2.1 国外大倾角煤层的研究发展 ........................................................................... 2 1.2.2 国内大倾角煤层综放开采的研究发展 ........................................................... 3 1.3 本论文采取的研究内容、方法及技术路线 .............................................................. 7 1.3.1 研究内容 ........................................................................................................... 7 1.3.2 研究方法 ........................................................................................................... 7 1.3.3 技术路线 ........................................................................................................... 8 2 工作面矿山压力现场监测 ..................................................................................................... 9 2.1 影响采煤工作面矿压显现的主要因素 ...................................................................... 9 2.1.1 采煤工作面的矿压显现规律 ........................................................................... 9 2.1.2 采煤工作面矿压显现的主要影响因素 ......................................................... 12 2.2 地质概况 .................................................................................................................... 14 2.2.1 枣泉煤矿工程概况 ......................................................................................... 14 2.2.2 120210 工作面开采技术条件 ........................................................................ 14 2.3 120210 综放工作面矿压观测方案 ........................................................................... 19 2.3.1 工作面矿压观测方案 ..................................................................................... 19 2.3.2 工作面巷道矿压现场观测方案 ..................................................................... 20 2.4 120210 综放工作面矿压规律分析 ........................................................................... 20 2.5 小结 ............................................................................................................................ 25 3 工作面顶板垮落规律的相似模拟研究 ............................................................................... 26 3.1 相似模拟理论 ............................................................................................................ 26 3.2 实验目的 .................................................................................................................... 27 3.3 实验模型设计 ............................................................................................................ 27 3.3.1 模型参数计算及模型铺装 ............................................................................. 27 3.3.2 模型加载 ......................................................................................................... 29 3.3.3 模型开采设计 ................................................................................................. 31 3.4 实验结果分析 ............................................................................................................ 32 3.4.1 实验过程 ......................................................................................................... 32 3.4.2 结果分析 ......................................................................................................... 37 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 Ⅱ 3.5 小结 ............................................................................................................................ 44 4 工作面顶板运动规律的数值模拟研究 ............................................................................... 45 4.1 数值计算方法 ............................................................................................................ 45 4.1.1 三维有限差分法软件（FLAC3D） ............................................................... 45 4.1.2 数值计算参数 ................................................................................................. 47 4.1.3 数值计算模型 ................................................................................................. 48 4.2 数值计算及分析 ........................................................................................................ 50 4.2.1 采场走向力学演化特征 ................................................................................. 50 4.2.2 采场倾向位移及力学演化特征 ..................................................................... 52 4.3 小结 ............................................................................................................................ 55 5 结论 ....................................................................................................................................... 56 参考文献 .................................................................................................................................. 57 致 谢 ........................................................................................................................................ 61 附 录 ........................................................................................................................................ 62 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题背景及选题意义 我国作为世界上最大的煤炭生产国和消费国，煤炭的主体地位在短期内不会改变。 从能源消费结构来看，煤炭在中国能源消费总量中占主导地位，煤炭是我国的主体能源 和重要的工业原料。 近年来， 随着国家经济发展对煤炭资源需求的快速增长， 2012 年我国煤炭表现消费 量为 39.1 亿吨，较 2011 年增长 4，预计未来几年的煤炭消费量也基本维持在 4。在 此形势下，煤炭资源的高效开采无疑成为我国经济稳定、持续、快速发展的前提条件。 巨大的市场需求促使煤炭生产企业不断增大产能，一方面导致埋藏条件“优越”的煤层 储量继续迅速减少，另一方面也使我国的资源回收率持续降低[1]（据 20052007 年相关 统计，我国煤炭资源的综合回收率不足 30％） ，导致今后我们将面临越来越多的难采煤 层，其中大倾角就是难采煤层之一，在全国范围内存在不少的大倾角（特）厚煤层的煤 炭资源，尤其是在西部。而大倾角煤层的开采技术目前还尚未成熟，还存在很多技术上 的难题，这让我们不得不面对这些难题并解决这些生产中的众多问题。 我国将煤层按倾角分为缓倾斜（0 25 ） 、倾斜（25 45 ） 、急斜（45 90 ）三类。 大倾角煤层倾角至今划分不统一，但基于冒落矸石滑动的自然安息角和一般液压支架最 大适用倾角，可认为大倾角煤层主要是指倾角大于 35 的煤层（35 是煤层开采过程中冒 落矸石的自然安息角） ，倾角的上限可以是 55 或 60 [2]。 开采大倾角工作面上覆岩层运动规律和采场矿压显现规律与缓倾斜煤层开采条件 下有很大差别。主要表现在 （1）当煤层倾角大于破碎矸石的自然安息角（35 ）时， 矸石会向下滑移，而且破坏滑移区的范围有可能向上蔓延，进而带来工作面的设备下滑 和失稳等问题的出现，同时形成了沿工作面方向压力显现表现为工作面中上部压力较 大，工作面下部压力较小的特殊特点。 （2）与普通工作面相比，大倾角工作面矿压显现 表现出非对称性和不均匀性。 （3） 支架工作阻力的合理确定要考虑煤层倾角的影响。 （4） 支架的受力与水平支架受力不同，容易发生滑倒或倾倒等支架失稳现象。 大量研究与实践表明[26]，对大倾角工作面的开采技术研究，如覆岩移动变形规律、 工作面来压特征、有效的控制技术、灾害防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。研究和掌握大倾角工作面开采过程中顶板运动规律 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。 本论文以神华宁夏煤业集团枣泉煤矿 120210 工作面为工程背景，神华宁夏煤业集 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 2 团枣泉煤矿自 2009 年以来，12 采区生产接续的综采（放）工作面倾角在 28 以上，且 后期接续采区工作面倾角均在 30 以上，最大可达 40 45 ，而且小范围内角度变化大。 因此，根据矿井工程地质概况，本矿现开采的煤层可定义为近大倾角大倾角变角度煤 层。而目前的 120210 工作面煤层倾角 30 39 ，平均 34.5 ，属变角度-临界大倾角煤层， 采用综采放顶煤开采方法，在生产过程液压支架倾倒、下滑现象严重，移架、调架困难， 采煤机、刮板输送机下滑严重；同时，在工作面上部区域易出现漏顶、煤壁片帮等问题， 严重影响人员安全和工作面正常生产。在分析该矿煤层赋存条件、煤层开采地质条件的 基础上，应用理论研究、矿压现场观测分析、计算机模拟和实验模拟等方法，对枣泉煤 矿 120210 工作面的矿压显现规律进行系统研究，可以得出该大倾角煤层工作面的矿压 显现规律，既保证了该矿类似条件工作面矿压资料的完整积累，对该矿实际生产及围岩 控制有着重大的指导意义， 也是对大倾角煤层开采理论的补充和完善， 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， 实现安全高效生产具有较大的实际意义。 1.2 本论文研究领域国内外的研究发展动态 1.2.1 国外大倾角煤层的研究发展 前西德 1957 年在煤层倾角分类中将 36 54 的煤层称为大倾斜煤层； 前苏联的煤层 分类中，将倾角在 36 55 的煤层称为次急倾斜煤层，并且指出次急倾斜煤层和急倾斜 煤层（56 90 ）是使用综合机械化机组和联动机组最困难的煤层[7]。 国外对大倾角煤层开采的相关研究较少，主要集中在对大倾角开采设备方面的研 究。国外大倾角煤层综采技术研究主要集中在俄罗斯、乌克兰、波兰、德国、法国等北 欧和西欧的国家。国外对于综采放顶煤支架的研究在 20 世纪 60、70 年代研究较多，但 随后的十几年综放开采技术处于停滞不前的状态。相比我国来说，国外这一领域的研究 水平比较落后。 2008 年， 俄罗斯工商联盟吉谢廖夫斯克煤矿与我国大倾角煤层开采矿井 （新疆焦煤集团）进行洽谈，成功引进焦煤集团“大倾角硬顶软底软煤走向长壁综放技 术” ，解决了该矿大倾角煤层开采问题[8]。 国外大倾角综放开采技术的研究具有代表性的国家有前苏联、英国等 20 世纪 70 年代，前苏联就在大倾角煤层的机械化开采方面进行了一定的研究，研 制了应用于大倾角和急倾斜煤层的各类综采支架及采煤机[9,10]，并在此基础上对大倾角 特别是 45 以上的煤层开采工艺进行了较系统地研究，基本奠定了急倾斜煤层开采的科 学技术基础。 西班牙在帕里奥和圣安托尼奥煤田的 HUNOSA 矿井使用机械化装备开采了倾角大 于 40 的煤层[11]。印度以其东北部煤田为基地，研究了应用于急倾斜和大倾角煤层的柔 性支架采煤法、巷柱充填采煤法、掩护支架采煤法、综合机械化及其配套设备[12]。 万方数据 1 绪论 3 在大倾角煤层开采岩层控制方面，俄罗斯联邦的库拉科夫（Kulakov）较系统地研 究了急倾斜（大倾角）煤层工作面的矿山压力（岩层应力和支承压力）[13]；捷克共和国 的鲍迪（Bodi）探讨了较坚硬大倾角（急倾斜）煤层无人开采技术及其安全性[14]。印度 的 Singh 等针对印度东北部煤田中的大倾角厚煤层的赋存特点，利用实验室（建立矿井 生产模型）研究手段，分析了不同倾角和煤层厚度条件下围岩应力分布特征，并以此为 基础，探讨了采用放顶煤开采方法的可行性[15]。英国釆矿学者 Wilson 通过研究煤层倾 角对顶板岩层稳定性的影响，得到了为保证下位不沿层面滑移所需的支架阻力的表达式 [16,17]  sin cos tan PW     式中，W所需支撑的上位岩层重量； 煤层倾角； tan岩层层面的摩擦因数。 1.2.2 国内大倾角煤层综放开采的研究发展 一、一、大倾角煤层综放开采方法的大倾角煤层综放开采方法的相关研究相关研究 （一）大倾角煤层开采方法的发展 20 世纪 50 年代，在我国采煤方法改革中，大倾角煤层主要是发展倒台阶采煤法和 钢丝绳锯采煤法。 60 年代， 安徽淮南矿区曾成功地在一部分赋存条件较好的急倾斜和大 倾角煤层中研究和试验了柔性掩护支架采煤法。 80 年代， 四川省鉴于大倾角煤层在煤炭 生产中所占比例很大，一些矿区同时开始了以俯伪斜体系为代表的采煤方法改革。如重 庆中梁山煤矿的伪斜短壁采煤法，四川广旺矿务局旺苍矿及芙蓉矿务局杉木树矿、南桐 矿务局柳新矿的俯伪斜走向长壁分段密集采煤法，芙蓉矿务局巡场矿的俯伪斜走向分段 密集支柱采煤法及广旺矿务局唐家河矿伪斜小巷多短壁采煤法等，改革获得了成功。 进入 21 世纪，甘肃华亭矿务局东峡煤矿针对该矿大倾角特厚易燃煤层群数量多、 围岩条件差、 煤层较坚硬的特点， 通过近 20 年的努力， 研究使用了非机械化 “双大” （大 采高、大推进度）开采方法，配合矿井综合防灭火技术（黄泥注浆、局部注氮、系统堵 漏、均压通风等） ，取得了良好的技术与经济效益[18]；窑街矿务局三矿在大倾角煤层试 验使用了超前预爆破非机械化放顶煤技术，并对爆破参数和回采工艺过程及参数进行了 比较系统的研究[19]。 2012 年，郑州煤炭工业（集团）有限责任公司芦沟煤矿针对大倾角采煤工作面容易 出现支架下滑和倾倒、刮板输送机下窜、大块煤矸沿刮板输送机滚落等现象，研究了大 倾角采煤工作面设备的整体稳定与合理的安全技术措施[20]。 （二）大倾角煤层综放开采的研究发展 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 4 我国从 1982 年开始研究引进综放开采，1984 年沈阳矿务局蒲河矿首先进行了全部 国产设备缓倾斜长壁综放工作面的试验，由于支架设计有缺陷，配套设备及生产系统不 匹配，生产管理也没有经验，试验基本上不成功。以后转入在窑街矿务局急倾斜特厚煤 层试验分段放顶煤方法获得成功，随之在辽源矿务局梅河口矿、乌鲁木齐矿务局六道湾 煤矿，急下倾斜厚煤层综放均获得成功。 我国综放开采步入逐渐成熟阶段的标志是 ①20 世纪末， 兖州兴隆庄矿工作面单产 突破了 300 万 t/a，初步显示了综放开采工作面高产高效的巨大潜力；②“三软”煤层、 “大倾角”煤层、 “高瓦斯”等难采煤层综放开采技术有了重大突破。 1995 年煤炭工业科教兴煤大会上确定了把综放开采技术定为“九五”期间煤炭行业 重点攻关和推广的五项技术之首，煤炭部还将综放开采技术的几个问题定为“九五”期 间煤炭工业重点科研攻关项目，使综放开采技术的发展有了一个很好的外部环境。 “十 五”期间兖州矿区“600 万 t 综放工作面设备配套与技术研究”项目的实施和完成，是 我国综放开采技术达到了一个新的阶段，实现了最高月产 63.2 万 t[21]。 2004 年后，甘肃靖远煤业公司王家山煤矿大倾角（煤层倾角 29 43 ）44407 工作 面采用长壁综放开采技术，中国矿业大学，西安科技大学等都对其进行了研究，通过相 似材料模拟，数值模拟以及全面系统的采场矿业观测，初步得出了大倾角厚煤层长壁综 放工作面的一系列矿压显现规律，为以后的支架选型提供了科学依据[22,23]。 2009 年河南神火集团泉店煤矿 12050 工作面在极软大倾角厚煤层条件下采用综放 工艺形成的一套安全高效开采关键技术，提出了该条件下综放设备选型和配套原则，研 究了矿压规律、煤岩运移规律和冒放性以及顶煤冒落失稳机理，实施了煤壁短孔注水等 技术，实现了安全高效开采[24]。 2010 年，新疆焦煤（集团）有限责任公司 25221 综采工作面采用长壁式一次采全高 综合机械化采煤工艺，为确保工作面整体支护系统的稳定，在工作面下端头一共使用 3 架 ZZG6500/22/48 型过渡支架，采煤机选用 MG400/920QWD 型交流变频调速、销轨 式无链牵引采煤机，同时对坚硬顶板进行超前预爆破技术，产量同比增加了 54，回采 率达到了 90[25]。 30 年来我国缓倾斜煤层的机械化开采有了全面的发展， 但大倾角煤层机械化开采一 直比较困难，直到 1998 年，西安科技大学与四川华蓥山矿务局绿水洞煤矿及煤炭科学 研究总院北京开采所合作完成的“绿水洞煤矿大倾角煤层综采技术研究”成果使我国关 于大倾角煤层综合机械化开采的研究处于国际该领域的前沿。 几十年来，我国大倾角煤层开采经历了非机械化开采向机械化开采转变的漫长的过 程，机械化开采的实现，使得我国大倾角煤层高产高效开采上了一个新的台阶，同时， 我国的大倾角煤层综放开采方法也开始逐渐步入成熟阶段。 二、二、大倾角煤层开采矿压规律大倾角煤层开采矿压规律的相关的相关研究研究 万方数据 1 绪论 5 国内对大倾角煤层开采岩层控制方面的研究主要集中在①对不同倾角的煤层矿压 显现规律研究；②顶板及上覆岩层变形、破坏、运移规律及形成的岩体结构的研究；③ 底板变形、破坏及滑移机理研究；④设备下滑、倾倒机理及可能引发的围岩灾害研究； ⑤ “顶板（R）-支架（S）-底板（F） ”相互作用模型及支架围岩结构模型的稳定性研 究；⑥“R-S-F”动力学模型及其致灾机理研究等方面，并取得了一些研究成果。 吴绍倩、 石平五教授完成的首批煤炭科学基金项目 “急倾斜煤层矿压显现规律研究” 中较系统地研究了急倾斜煤层（倾角 45 以上）围岩运动和破坏规律[26]。 山东科技大学宋振骐、中国矿业大学的岑传鸿和开滦矿务局的毕华照等在顶板灾害 防治的有关论著中对大倾角煤层开采时的顶板事故及其控制进行了专门的论述[2729]。 中国矿业大学钱鸣高院士通过实测研究提出了破裂后基本顶的岩层组成“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 [30]。随着对采场上覆岩层运动和破坏的认识进一步深化，钱鸣高院士又提出岩层关键层 理论， 认为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（板或筒化为梁等）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[31]。 四川师范大学的黄建功教授提出了大倾角条件下基本顶岩层在运动中易于形成倾 斜砌体结构板大结构，提出了大倾角煤层采面的“支架-围岩”系统结构模型[32,33]。四川 广旺能源发展（集团）公司，黄建功、胡文、李维光、张克林，在对四川广旺能源发展 （集团）公司所属煤矿进行矿山压力研究的基础上，提出了大倾角煤层采面底板分类方 案及广旺矿区底板类别[34]。 东北大学的陶连金、王泳嘉认为煤层倾角对矿山压力显现有显著影响[35]。安徽理工 大学的王高利、涂敏运用相似材料模拟新庄孜矿大倾角综采工作面的开采，研究开采后 大倾角工作面上覆岩层移动规