大采高综采面运输巷自移式超前支架支护研究.pdf

论文题目大采高综采面运输巷自移式超前支架支护研究 专 业采矿工程 硕 士 生王 威 签名 指导教师索永录 教授 签名 摘 要 随着大采高综采技术对工作面两巷断面尺寸要求越来越大，传统的工作面单体液压 支柱超前支护方式已不能适应安全高效综采工作面对超前支护的要求，两巷超前支护已 经成为制约大采高工作面安全高效生产的瓶颈之一,特别是运输巷超前支护段大型设备 密布，实现机械化超前支护难度很大。因此，研究大采高综采工作面运输巷机械化超前 支护技术具有重要的理论意义和应用价值。 本论文以红柳林煤矿大采高综采运输巷超前支护为研究对象，采用了计算机数值模 拟，理论分析方法和现场试验，结合大采高综采面运输巷道的围岩应力变形特点，分析 了围岩变形及应力变化对超前支护的影响，工作面采动应力分布的特征，以及在采动影 响运输巷的变形破坏特征。根据理论分析和应用 FLAC 3D模拟大采高综采面运输巷使用超 前支架后围岩破坏与巷道围岩变形位移及应力变化特征，提出了自移式超前液压支架采 用交错迈步自移式超前支架的主体结构形式，对主要技术参数进行了分析比较，给出了 自移式超前支架工作阻力的确定方法，合理的确定了超前支架的主要技术参数。现场初 步试验中安全可靠、推移速度快，试验效果良好。 关 键 词大采高；工作面运输巷；超前支护；数值模拟；自移式 研究类型应用研究 万方数据 万方数据 Subject Research on Transportation Lane Advanced Self-shift Type Supporting in Fully-mechanized Face under Large Mining Height Specialty Mining Engineering Name Wang Wei Signature InstructorSuo Yong lu Signature ABSTRACT With the large mining Mechanized Mining technology of fully working face two lane size demand is higher and higher.Traditional advanced support of single hydraulic on working face can’t fit the requirement of advanced supporting for working face of safety and efficient. Two lane advanced supporting has become one of bottlenecks of restricting the large mining height working face safety and high efficiency, especially transportation lane advanced supporting had many large equipment. It’s so hard to realize mechanization advanced supporting. Consequently, to research advanced support technology for transportation lane mechanization on the large mining height working face has important theoretical significance and application value. This paper takes the Hong Liulin Coal Mining large mining Mechanized Mining transportation lane advanced support as the research object. Using the computer numerical simulation, the theoretical analysis and field test, and combined with the pressure of surrounding rock of large mining height and fully mechanized working face haulage-way deation characteristics. Analyzed that the impact of the change of pressure and deation of surrounding rock on advanced support and the characteristics of the working face mining-induced stress distribution, and the deation failure characteristic under the working face of mining. According to the theory analysis and application FLAC3D to simulate the large mining height and fully mechanized working face in the transportation lane using advanced support. Simulate surrounding rock failure and roadway deation displacement after using fore support in the transportation lane and stress variable characteristics. We proposed that advanced self-shift hydraulic supporting adopted the main structure of stepped from self-advanced, and analyzed the main technical parameters. We showed the decided of working resistance self-advanced support. This technology had been safe, 万方数据 quick in traction speed, good in experiment effect on preliminary testing ground. Keywords Large Mining Height; Working Face Transportation Lane; Advanced Support; Numerical Simulation; Self-shift Thesis Application Study 万方数据 目录 I 目录 1 绪论 ......................................................................................................................................... 1 1.1 选题背景及研究意义 ...................................................................................................... 1 1.1.1 选题背景 ................................................................................................................. 1 1.1.2 研究意义 ................................................................................................................. 2 1.2 研究领域内的国内外研究现状 ..................................................................................... 3 1.2.1 支护理论及技术研究现状 ..................................................................................... 3 1.2.2 超前支护理论及技术研究使用现状...................................................................... 4 1.3 论文研究内容和方法 ..................................................................................................... 7 1.3.1 研究内容 ................................................................................................................. 7 1.3.2 研究方法 ................................................................................................................. 7 1.4 技术路线 ......................................................................................................................... 8 2 大采高综采面运输巷在采动影响下变形破坏特征 ............................................................. 9 2.1 综采工作面概况 ............................................................................................................. 9 2.2 大采高综采工作面运输巷的采动应力分布 ............................................................... 12 2.2.1 巷道掘进引起的应力分布特征 ........................................................................... 12 2.2.2 工作面回采引起的采动应力工作面支承压力 ................................................ 13 2.3 工作面及两巷围岩中采动应力分布影响因素 ........................................................... 15 2.4 大采高综采面运输巷单体支柱支护作用分析 ........................................................... 16 2.5 大采高综采面运输巷超前支架支护作用分析 ........................................................... 18 2.6 本章小结 ...................................................................................................................... 19 3 大采高综采面运输巷超前支架支护作用数值模拟分析 ................................................... 21 3.1 FLAC 数值模拟方案 .................................................................................................... 21 3.2 运输巷道自移式超前支架模型开挖与超前支护 ........................................................ 24 3.2.1 运输巷超前支护围岩分布云图 ........................................................................... 25 3.2.2 运输巷超前支护塑性破坏特征分析 .................................................................. 26 3.2.3 运输巷超前支护顶板垂直位移与垂直应力特征分析 ....................................... 33 3.3 本章小结 ...................................................................................................................... 38 4 运输巷自移式超前支架结构及主要参数确定 ................................................................... 39 4.1 超前支架主要参数确定 .............................................................................................. 39 4.1.1 超前支架的设计原则 .......................................................................................... 39 4.1.2 超前支架支护强度和尺寸的确定 ...................................................................... 40 万方数据 目录 II 4.2 超前支架的结构组成和性能 ....................................................................................... 42 4.2.1 超前支架的总体结构确定 ................................................................................... 42 4.2.2 超前支架主要结构及其作用 ............................................................................... 44 4.2.3 超前支架特点及适用条件 ................................................................................... 47 4.2.4 超前支架主要技术特征 ....................................................................................... 48 4.3 超前支架的操作要点 ................................................................................................... 49 4.3.1 超前支架移架操作要点 ....................................................................................... 49 4.5 超前支架操作工艺设计与现场试验观测 ................................................................... 53 4.6 本章小结 ...................................................................................................................... 54 5 结论 ...................................................................................................................................... 56 致谢 .......................................................................................................................................... 57 参考文献 .................................................................................................................................. 58 附录 .......................................................................................................................................... 61 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题背景及研究意义 1.1.1 选题背景 近年来大采高综采开采技术得到迅速发展， 大采高开采已经成为我国厚煤层安全高 效开采的主要方法。在大采高综采工作面，由于设备外形尺寸大、工作面需风量大，因 此需要的回采巷道断面明显增大， 红柳林煤矿大采高综采面巷道宽度已经达到 6.1m， 巷 道高度达到 4.2m。 采煤工作面两巷超前支护要随着采煤工作面的向前推进不断前移， 属于一种特殊的 巷道加强支护。 采煤工作面两巷超前支护是为了防止工作面超前支承压力及其与沿倾斜 方向支承压力的叠加作用而引起的巷道围岩发生严重变形和破坏， 是为了确保工作面上 下出口的畅通而采取的特殊加强支护。 传统的两巷超前支护一般采用单体液压支柱配合 铰接顶梁支护，这种超前支护方式完全依靠人工，劳动强度大、安全性差，而且速度慢。 随着大采高开采技术的发展和综采工作面机械化程度的提高，运输、通风和开采工 艺对两巷断面尺寸要求越来越大，传统的工作面单体液压支柱超前支护方式从支护能 力、支护速度、支护高度、自动化程度、可操作性、作业安全性等方面都不能适应安全 高效综采工作面对超前支护的要求， 两巷超前支护已经成为制约大采高工作面安全高效 的瓶颈之一。 综采面两巷超前支护是为了防止工作面超前支承压力和沿倾斜方向支承压力的叠 加作用而引起的巷道围岩变形、移动、破坏。当下开采方式普遍存在超前压力较大的情 形, 若不能有效支护, 不仅影响工作面推进效率, 且可能导致很大的安全隐患。 目前超 前支护多为单体液压支柱配铰接顶梁,或双排木支柱加横梁支护, 或单体液压支柱架板 梁。采煤工作面端头及超前巷道悬顶面积大，设备集中，受采动压力影响大，维护困难， 是影响采煤面生产的主要环节之一，也是工作面事故多发点之一，在顶板破碎的综采工 作面，这个问题更为突出。 在大采高综采工作面推进速度加快、巷道宽度和高度不断加大的情况下，探索研究 工作面两巷机械化自动化超前支护形式，改善综采工作面两巷超前支护状况，是进一步 提高综采工作面安全高效生产水平的重要途径。 一些矿井综采工作面回风巷超前支护已 经实现自移式液压支架支护，但由于大采高综采工作面运输平巷超前支护段转载机、破 碎机、胶带输送机机头等众多大型设备布置密布、空间尺寸紧张，又是工作面行人、通 风及输送煤炭咽喉，超前支架必须和该处所有设备进行合理配套，相互动作必须协调一 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 2 致，不得相互发生干扰，因此运输巷超前支护实现自移式液压支架支护的技术难度要比 回风巷大得多。 综采工作面运输巷超前支护段的巷道围岩控制好坏直接影响到工作面能 否正常运转和安全生产，在大采高综采面更显重要。 红柳林煤矿位于陕西省神木县城以西约 15km 处，地处陕北黄土高原北部，毛乌素 沙漠之南缘。该矿现开采 5-2煤层区。5-2煤层硬度 f1.7-2.5。 拟采用设备应用位置为 5-2煤 15206 工作面运输巷。 15206 工作面属于典型的大采高 综采工作面，15206 胶带输送机巷断面为矩形，规格为宽高6.14.2m。 。 本论文以红柳林煤矿 5-2煤层大采高综采工作面为具体对象，研究适用于大采高综 采面运输巷超前支护的运输巷自移式超前支架。 该支架是在认真总结国内外综采面超前 支护技术成果， 分析研究各种超前支护装置特点和使用经验的基础上并结合红柳林煤矿 大采高综采面胶带输送机运输巷具体的使用条件而研制一种适应工作面快速推进的运 输巷道超前液压支架显得尤为重要, 对提高煤矿经济效益和社会效益有着重要意义。 1.1.2 研究意义 随着采煤工作面的推进， 靠近采场一定范围的两道要受到采场超前支承压力的强烈 作用，因此为了保证巷道能够正常使用，需要对受采场超前支承压力影响段的巷道进行 加强支护。规定超前支护长度必须大于 20m。一般都采用单体液压支柱配合铰接顶梁进 行超前支护，只能人工实施，大采高工作面巷道高度大，需要采用加长的单体柱，人工 支护作业难度很大 该矿大采高综采工作面回风巷的超前支护已经采用了自移式超前液 压支架， 但运输巷由于巷道内装载机等设备制约而无法采用与回风巷一样的自移式超前 液压支架，所以一直采用单体液压支柱支护。这就是研究开发适用于运输巷自移式超前 液压支架的基本原因。 现今采煤工作面回采巷道主要采用单体液压支柱配以金属铰接顶梁进行支护， 但是 在特殊地质条件下，该支护方法有许多缺点。针对单体液压支柱支护方式的局限性，在 借鉴综采工作面轨顺端头所用端头液压支架的基础上， 提出采用自移式超前支护液压支 架对运输巷道超前支护。 尽管大采高综采技术在适宜的地质条件下具有突出的优点， 大采高工作面顶板覆岩 运动规律和工作面压力显现规律也有其特殊性。采用大采高综采技术后，长壁工作面的 垮落带高度将随着工作面采高的增大而增加， 这导致了工作面垮落下的直接顶岩层将不 能填满工作面后方采空区，从而在基本顶下方出现较大的空间，使工作面顶板活动空间 与基本顶悬臂粱结构的弯距加大，使工作面压力加大，而且因工作面覆岩垮落高度及裂 隙带高度的加大， 使采动影响范围增大， 进而在工作面开采工程中引起强烈的周期来压。 因此， 当采用大采高综采技术开采时工作面顶板来压情况要比传统的分层开采和综放开 采更为强烈，采场动压对工作面运输巷和回风巷的影响也明显增大，为维护工作面上下 万方数据 1 绪论 3 端出口安全和两巷正常使用所需要的两巷超前支护也相应需要明显强化。 红柳林煤矿为典型的浅埋煤层赋存地质条件， 浅埋深煤层长壁综采工作面矿压显现 没有因煤层埋藏浅而缓和，相反却相当剧烈，其主要特点是工作面来压表现为煤层上覆 基岩全厚度切落，顶板出现台阶下沉，矿压显现强烈。周期来压时，两侧巷道压力显现 较强，煤壁爆帮和片帮严重，严重威胁着设备和人员安全。为保证安全回采，需对工作 面巷道进行 20m 以上的超前支护， 如果采用传统的单体液压支柱加金属铰接顶梁支护工 艺，每巷一般需要布置 3～4 排、约 60～80 根单体支柱，这种工作面两巷超前支护方式 是人工使用加长单体液压支柱配合铰接顶梁支护顶板， 单体液压支柱最大支撑高度需要 达到 4.5m， 每根单体液压液压支柱重量达到 110kg 左右。 这种人工支护方式支护方式支 护强度低，支护面积小，劳动强度大，人工支设单体柱和回撤单体柱作业的危险性大， 支护工艺技术落后，用人多，不利于安全生产，不能满足安全高效矿井的要求。因此， 研究适用于大采高综采面运输巷超前支护要求的超前支护设备， 对保证红柳林煤矿大采 高综采工作面安全开采和实现高产高效有着重要的现实意义。 对整个综采工作面巷道超 前支护实现机械化也具有重要意义。 1.2 研究领域内的国内外研究现状 1.2.1 支护理论及技术研究现状 1907 年俄国学者普罗托吉雅可诺夫提出普氏冒落拱理论[24]，提出在松散实体介质 中开挖巷道，其上方会形成一个抛物线形的自然平衡拱，下方冒落拱的高度与地下工程 跨度和围岩性质有关。该理论的最大贡献是提出巷道具有自承能力。 20 世纪 50 年代以来，Fenner 和 Kastner 用弹塑性力学解决巷道支护问题提出 Fenner[25]公式和 Kastner[26] 公式。 20 世纪 60 年代，奥地利著名工程师 L.V.Rabcewicz 在前人经验基础上总结并继续 研究，提出新奥法NATM[27][28]，该方法调动围岩自身承载能力，与构筑支护结构耦合形 成支撑环，促使围岩本身成为支护系统结构重要组成部分。其实质是初期喷射的混泥土 形成初期柔性支护， 通过锚杆形成围岩压缩带控制可能出现的两帮楔形剪切滑移的理论 [29]。 20 世纪 70 年代，M.D.Salamon 等人又提出了能量支护理论[30]。提出巷道的支护 结构与围岩耦合形成的承载环能量平衡，彼此相互作用、共同变形，变形过程中，围岩 释放部分能量，支护结构就吸收部分能量，因而，使支护结构具有调整围岩自动释放多 余能量的功能。 瑞典学者 B. Stillborg （1994） 很好的解释了锚杆支护对围岩稳定性控制的作用[31]。 澳大利亚 Skybey,G 研究提出了树脂锚杆的最佳杆体与锚孔的间隔距离，解释了锚 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 4 杆树脂围岩的载荷传递机理[32]。 Akyol、Erdal 等在 Proc 11 Int Conf Ground Control 上发表了“Assessment of rock bolting in geologically disturbed mine gateways” ，对巷道中构造条件的影 响进行了探讨，给出了基于有限元数值计算的锚杆支护设计方法[33]。 1.2.2 超前支护理论及技术研究使用现状 很多矿区运输巷道多采用单体液压支柱架板梁作超前支护,但采用单体支柱支护工 人劳动强度大,支护强度低,回柱危险性大,成本高,在一定程度上制约了进口高性能综 采设备能力的发挥;随着综采面采高的增大,运输巷道断面高度的提高,运输巷道超前压 力也将明显增大,现有单体支柱无论从支护能力、 支护高度,还是人工可操作性等方面都 不能满足运输巷道超前支护要求，也不能满足高产高效矿井的要求。 超前支护是根据矿井实际情况进行量身订做，以达到适合矿井生产需要的支架类 型。支护强度合理，超前支护作用以“护”为主。为降低支架对巷道顶板的反复支撑破 坏，确定支架对巷道顶板的超前支护作用应以“护”为主，支架初撑支护强度不宜过高， 依靠初撑力与锚杆力联合支护防止采动影响顶板下位岩层过早离层破碎； 运输巷道支架 采用电液控制系统或先导控制系统，操作人员可以灵活地调整电液控制系统的参数，设 置带压移架功能，避免顶梁对顶板的反复支撑破坏。 目前，国内对综采工作面两巷超前支护的方式多种多样，对于一般矿井来说普遍采 用以单体液压支柱配合金属铰接顶梁进行支护， 对于特大型煤矿来说近年来有逐渐采用 自移式超前液压支架的趋势。 赵固二矿首次采用大采高综采技术开采厚煤层[1]，由于受大采高工作面采动影响， 回采工作面巷道超前压力大、顶板下沉严重，维护困难。为实现回采工作面快速推进， 结合赵固二矿井下支护条件和支护效果，对超前支护距离、采用单体液压支柱配合∏型 钢梁、工字钢底梁加强支护，打设横向棚、将工字钢底梁铺设方式改为垂直巷道中线方 向等参数进行优化， 使工作面超前支护达到了理想效果， 保证了回采工作面的安全生产， 同时实现了回采工作面的高产高效。 西山煤电集团公司机电总厂针对综采工作面端头及两巷采用传统单体支柱支护方 式所存在的安全与效率问题[2]，单体液压支柱超前支护的局限性，在借鉴综采工作面所 用液压支架的基础上，研制 ZTC12800/20/38 型超前液压支架代替传统的超前支护方式 进行超前支护，从而实现了工作面端头及两巷超前支护的机械化，超前支护液压支架如 图 1.3 所示。 万方数据 1 绪论 5 图 1.3 ZTC12800/20/38 型超前支护液压支架示意图 阳煤集团研制出了 ZZC4200/21/40 型巷超前支护液压支架。超前支架在阳泉煤业集 团二矿综采工作面现场试用， 效果较好， 减小了工人的劳动强度， 提高了生产工作效率， 巷道支护安全性好，提高了煤矿的经济效益。支架在巷内的布置如图 1.4 所示。 图 1.4 支架在运输槽内的布置 2006 年以来， 神东煤炭分公司研制开发了大采高综采面巷超前支护支架， 并推广应 用到上湾、补连塔[1]、哈拉沟等矿井 5m 以上采高的综采面，实现了大采高综采面巷超 前支护机械化，保证了巷超前支护的安全可靠性，提高了支护效率，降低了支护成本。 目前， 神东矿区的大采高综采面巷超前支护支架包括运顺超前支架系列和回顺超前支架 组系列两类，神东矿区运输巷和回风巷超前支护支架已经从工作阻力、支护高度、支护 长度等参数方面形成系列，并在矿区大采高综采面全面推广使用，取得了很好的应用效 果，针对神东矿区回风巷道超前支护现状及存在的问题，煤科总院太原分院研制出 ZFDC6000/26.5/47 型组合自移式超前支护支架组，如图 1.5 所示。根据神东煤炭分公司 上湾矿 51203 工作面回风巷地质条件，研制了 ZFDC10300/25/43 型自移式支架组，如图 1.6 所示。 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 6 图 1.5 ZFDC6000/26.5/47 型组合自移式超前支护支架组 图 1.6 ZFDC10300/25/43 型自移式支架组 根据红柳林煤矿综采工作面回风巷的支护要求，天地科技股份有限公司研制了 ZTC16044/27/50 型超前支架，如图 1.5 所示，该支架使用，成功解决了红柳林煤矿大采 高综采面回风巷超前支护的技术难题，保证了综采面的安全生产，提高了工作效率，降 低了生产成本，实现了综采面回风巷超前支护的机械化和自动化。 图 1.5 ZTC16044/27/50 型超前支架 纵观目前已经开发使用的综采工作面自移式超前液压支架， 可以实现综采工作面两 巷超前支护的机械化，它们是基于采煤工作面液压支架架型的基础上发展而来的，都带 万方数据 1 绪论 7 有四连杆机构，一般前后两架为一组，特点是具有较好的自稳能力和较强的支护能力， 缺点是尺寸相对较大，一般有整体底座，空间机动性差，向前推移难度较大，支护超前 巷道范围一般也达不到煤矿安全规程要求的 20m 长度。 因此这种超前支架用在回风巷效 果比较好；在运输巷里，由于装载机等大型设备限制而很难采用整体底座，一般要与装 载机联接起来，其支护能力会受到影响，特别是推移的机动性要受到很大限制，影响工 作面的快速推进。 大采高综采面运输巷的机械化超前支护技术是一个急需研究解决重要 问题。 1.3 论文研究内容和方法 1.3.1 研究内容 针对巷道支架遇到的问题和已有的研究成果，在红柳林矿的工程实践基础上，广泛 查阅、收集资料，利用计算机数值计算和力学分析等方法，研究大采高综采面巷道超前 支护的作用规律，研究内容主要包括以下几个方面 （1）大采高综采工作面运输巷超前支护阶段围岩变形特征； （2）大采高综采工作面运输巷超前支护作用数值计算分析； （3）红柳林煤矿大采高综采工组面运输巷超前支架结构及主要参数确定。 1.3.2 研究方法 （1）以红柳林煤矿 5 -2号煤层大采高综采为工程背景，采用理论分析和数值计算方 法分析大采高综采工作面开采过程中运输巷围岩超前变形及应力应变分布特征， 结合采 场矿压理论分析研究运输巷超前支架特性与围岩变形特征之间的关系， 提出超前支护的 围岩变形控制准则等超前支护基本原则，为合理确定超前支护参数提供科学依据。 （2）根据红柳林煤矿具体条件，分析研究临时支架结构形式以及主要参数的合理 性，以便合理确定临时支架的结构和主要技术参数。 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 8 1.4 技术路线 万方数据 2 大采高综采面运输巷在采动影响下变形破坏特征 9 2 大采高综采面运输巷在采动影响下变形破坏特征 大采高综采工作面运输巷周围的煤体，在巷道掘进前处于原岩应力平衡状态，由于 巷道掘进围岩受到“初次扰动” ，采用锚网等支护手段，巷道围岩再次达到平衡状态， 应力保持相对平衡。采煤工作面开采时，煤壁成为自由面，煤壁附近煤体的水平应力减 小，应力平衡遭到破坏。随着工作面向前推进，煤体不断被采出，采空区上及煤壁附近 上覆岩层因采动影响而活动加剧，顶板不断下沉，工作面前方煤岩层中发生应力集中 工作面前方形成支承压力，导致煤体受压增大而发生变形。当变形量超出煤体所能承受 的变形极限时，煤体内新的裂隙增加，即次生裂隙发育，导致煤壁处于不稳定状态。由 于运输巷靠近工作面煤壁侧的煤体已经塑性破坏变形，势必对运输巷产生“二次扰动” ， 造成运输巷的急剧变形破坏，特别是靠近工作面煤体处顶板和煤壁。 大采高综采面顶板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，对工作量运输巷的采动影响更大。 以红柳林煤矿 5-2号煤层大采高综采工作面运输巷道超前支护问题为工程背景，分 析研究大采高综采面运输巷在采动影响下变形破坏特征。 2.1 综采工作面概况