复杂条件大倾角综放工作面冒顶倒架机理及控制技术研究.pdf

分类分类号号TD355TD355密密级级公公开开 U D CU D C 单位代码单位代码 104210424 4 学学 位位 论论 文文 复杂条件大倾角综放工作面冒顶倒架机复杂条件大倾角综放工作面冒顶倒架机复杂条件大倾角综放工作面冒顶倒架机 复杂条件大倾角综放工作面冒顶倒架机 理及控制技术研究理及控制技术研究理及控制技术研究 理及控制技术研究 李来源李来源 申请学位级别申请学位级别硕士学位硕士学位专业专业名名称称采矿工程采矿工程 指导教师姓名指导教师姓名林林 东东 才才职职称称教教授授 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二零一一年六月二零一一年六月 论文题目论文题目论文题目 论文题目 复杂条件大倾角综放工作面冒顶倒架复杂条件大倾角综放工作面冒顶倒架复杂条件大倾角综放工作面冒顶倒架 复杂条件大倾角综放工作面冒顶倒架 机理及控制技术研究机理及控制技术研究机理及控制技术研究 机理及控制技术研究 作者姓名作者姓名作者姓名 作者姓名 李来源李来源入学时间入学时间入学时间 入学时间 200920092009 2009 年年 9 9 9 9 月月 专业名称专业名称专业名称 专业名称 采矿工程采矿工程研究方向研究方向研究方向 研究方向 采矿方法与工艺采矿方法与工艺 指导教师指导教师指导教师 指导教师 林东才林东才职职职 职 称称称 称 教教 授授 论文提交日期论文提交日期论文提交日期 论文提交日期 201120112011 2011 年年 5 5 5 5 月月 论文答辩日期论文答辩日期论文答辩日期 论文答辩日期 201120112011 2011 年年 6 6 6 6 月月 授予学位日期授予学位日期授予学位日期 授予学位日期 201120112011 2011 年年 6 6 6 6 月月 STUDYSTUDYSTUDY STUDY ONONON ON MECHANISMMECHANISMMECHANISM MECHANISM ANDANDAND AND CONTROLCONTROLCONTROL CONTROL TECHNIQUETECHNIQUETECHNIQUE TECHNIQUE OFOFOF OF ROOFROOFROOF ROOF FALLFALLFALL FALL ANDANDAND AND SUPPORTSUPPORTSUPPORT SUPPORT COLLAPSECOLLAPSECOLLAPSE COLLAPSE LARGELARGELARGE LARGE SLOPESLOPESLOPE SLOPE FULLYFULLYFULLY FULLY MECHANISEDMECHANISEDMECHANISED MECHANISED CAVINGCAVINGCAVING CAVING FACEFACEFACE FACE UNDERUNDERUNDER UNDER COMPLEXCOMPLEXCOMPLEX COMPLEX CONDITIONSCONDITIONSCONDITIONS CONDITIONS A A A A DissertationDissertationDissertation Dissertation tedtedted ted ininin in fulfillmentfulfillmentfulfillment fulfillment ofofof of thethethe the requirementsrequirementsrequirements requirements ofofof of thethethe the degreedegreedegree degree ofofof of MASTERMASTERMASTER MASTER OFOFOF OF PHILOSOPHYPHILOSOPHYPHILOSOPHY PHILOSOPHY fromfromfrom from ShandongShandongShandong Shandong UniversityUniversityUniversity University ofofof of ScienceScienceScience Science andandand and TechnologyTechnologyTechnology Technology bybyby by LiLiLi Li LaiyuanLaiyuanLaiyuan Laiyuan SupervisorSupervisorSupervisor Supervisor ProfessorProfessorProfessor Professor LinLinLin Lin DongcaiDongcaiDongcai Dongcai CollegeCollegeCollege College ofofof of ResourceResourceResource Resource andandand and EnvironmentEnvironmentEnvironment Environment EngineeringEngineeringEngineering Engineering JuneJuneJune June 2 2 2 2 011011011 011 声声明明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和所公本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和所公 认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交于认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交于 其它任何学术机关作鉴定。其它任何学术机关作鉴定。 硕士生签名硕士生签名 日日期期 AFFIRMATIONAFFIRMATIONAFFIRMATION AFFIRMATION I I I I declaredeclaredeclare declare thatthatthat that thisthisthis this dissertation,dissertation,dissertation, dissertation, tedtedted ted in in in in fulfillmentfulfillmentfulfillment fulfillment ofofof of thethethe the requirementsrequirementsrequirements requirements forforfor for thethethe the awardawardaward award ofofof of MasterMasterMaster Master ofofof of PhilosophyPhilosophyPhilosophy Philosophy in in in in ShandongShandongShandong Shandong UniversityUniversityUniversity University ofofof of ScienceScienceScience Science andandand and Technology,Technology,Technology, Technology, is is is is whollywhollywholly wholly mymymy my ownownown own workworkwork work unlessunlessunless unless referencedreferencedreferenced referenced ofofof of ackNowledge.ackNowledge.ackNowledge. ackNowledge. TheTheThe The documentdocumentdocument document hashashas has notnotnot not beenbeenbeen been tedtedted ted forforfor for qualificationqualificationqualification qualification atatat at anyanyany any otherotherother other academicacademicacademic academic institute.institute.institute. institute. SignatureSignatureSignature Signature DateDateDate Date 山东科技大学硕士学位论文摘 要 摘摘 要要 本文针对葛亭煤矿 2313 大倾角综放工作面地质生产条件，综合运用现场调研、数值 模拟、力学分析及现场试验等方法，深入研究了综放工作面端面顶煤冒落机理、支架稳 定性及其控制技术，研究成果对于促进大倾角综放面安全高效开采具有重要的意义。 大倾角综放工作面由于断层多、陷落柱发育、煤体强度低、节理裂隙发育，且液压 支架上方的顶煤沿工作面倾斜向下滑移的分力较大及移架和放煤过程的扰动，因此支架 围岩系统易出现冒顶倒架事故。运用离散元对大倾角综放工作面端面煤岩体稳定性影 响因素、端面控制效果及顶煤放出特征进行了数值模拟，确定了综放面支架端面距应小 于 0.75m，支架工作阻力的临界值应为 3600kN，水平工作阻力的临界值为 160kN，且指 向工作面煤壁。通过对支架稳定性进行力学分析，分别得到了在顶板冒空条件下支架不 发生倾倒和下滑的煤层临界倾角值以及在支架擦顶移架过程中不发生倾倒下滑的支架立 柱最小支撑力。通过力学模型分析支架横向的结构稳定性，确定了支架带压移架且保持 稳定的最小支撑力等计算公式。 对葛亭煤矿 2313 大倾角综放工作面进行了矿压监测统计分析，现场实施了冒顶倒架 控制措施，实现了复杂条件下平均倾角为 36，最大倾角为 51的安全高效综放开采。 关键词关键词大倾角，复杂条件，综放工作面，冒顶，倒架控制 山东科技大学硕士学位论文摘 要 AbstractAbstractAbstract Abstract Based on the geological and production conditions of 2313 large slope fully mechanized caving face in Geting coal mine, using application of field survey, numerical simulation, mechanics analysis, field test and the other s, this paper deeply studied the mechanism of head face top-coal caving, stability of hydraulic supports and their control technique. The research achievements are of great significance to promote safety and high efficient coal mining of large slope fully mechanized caving face. Due to the complex conditions such as numerous faults, vary collapse columns, low strength coal mass, numerous joints and cracks in large slope fully mechanized caving face, and because of top coal above hydraulic support having a larger component force sliding downward along the working face tendency and disturbance of advancing supports and coal caving, support-surrounding rock system is inclined to occur rooffalland support collapse accidents. UDEC numerical simulation was applied to analyze the influencing factor of coal and rock mass, control effect of the large slope head face, and characteristic of top coal caving. The result shows that head face distance of supports should be less than 0.75m, the critical value of support working resistance and horizontal working resistance should be 3600kN and 160kN respectively, and their direction should be directing to the coal wall. Through mechanical analysis on support stability, this paper obtained coal seam critical inclination value for supports nonoccurrencing collapsing and gliding while roof caving was empty and minimum bearing power of support and column without dumping and sliding down while advancing supports. According to mechanics model analysis on support horizontal structure stability, this paper determined calculation ula of minimum support force for support moving under press and maintaining stability. Strata control observation, statistic analysis, and the measures for control rooffalland support collapse were carried out in 2313 large slope fully mechanized caving face of Geting coal mine, and we have achieved fully mechanized top-coal caving face mining safety and efficiency under the complex conditions that the average inclination is 36and the maximum angle is 51. K K K K eywordseywordseywords eywords large slope, complex conditions, fully mechanized caving face, roof fall, support collapse control 山东科技大学硕士学位论文目 录 目目 录录 1 1 1 1 绪绪绪 绪 论论论 论 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 1 1 1.1问题的提出..................................................................................................1 1.2国内外研究现状..........................................................................................3 1.3研究的内容..................................................................................................5 1.4研究的方法与技术路线..............................................................................6 2 2 2 2 复杂条件大倾角综放工作面地质生产条件复杂条件大倾角综放工作面地质生产条件复杂条件大倾角综放工作面地质生产条件 复杂条件大倾角综放工作面地质生产条件 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 8 8 8 2.1复杂条件大倾角综放工作面地质概况......................................................8 2.2复杂条件大倾角综放工作面生产条件......................................................9 2.3冒顶倒架事故特征及其原因分析.............................................................11 2.4本章小结....................................................................................................12 3 3 3 3 端面煤岩体稳定性及其合理支护参数研究端面煤岩体稳定性及其合理支护参数研究端面煤岩体稳定性及其合理支护参数研究 端面煤岩体稳定性及其合理支护参数研究 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141414 14 3.1综放面煤岩体稳定性的数值模拟............................................................14 3.2模拟计算结果分析....................................................................................18 3.32313 综放面顶煤放出的数值模拟...........................................................18 3.4端面煤岩体稳定性控制指标....................................................................31 3.5本章小结....................................................................................................32 4 4 4 4 大倾角液压支架横向稳定性及其控制参数研究大倾角液压支架横向稳定性及其控制参数研究大倾角液压支架横向稳定性及其控制参数研究 大倾角液压支架横向稳定性及其控制参数研究 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333333 33 4.1大倾角综放液压支架失稳原因分析........................................................33 4.2大倾角液压支架稳定性力学分析............................................................36 4.32313 大倾角综放面液压支架控制参数的确定.......................................44 4.4本章小结....................................................................................................46 5 5 5 5 大倾角综放面纵向支架大倾角综放面纵向支架大倾角综放面纵向支架 大倾角综放面纵向支架 围岩作用机理与控制研究围岩作用机理与控制研究围岩作用机理与控制研究 围岩作用机理与控制研究 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484848 48 5.1影响综放面顶煤冒漏的关键因素分析....................................................48 5.2大倾角综放面纵向支架围岩作用机理................................................49 山东科技大学硕士学位论文目 录 5.3支架顶梁俯仰角与端面煤岩体冒漏的关系研究....................................55 5.42313 大倾角综放面支架顶梁控制参数的确定.......................................60 5.5本章小结....................................................................................................60 6 6 6 6 大倾角综放面冒顶倒架控制实践大倾角综放面冒顶倒架控制实践大倾角综放面冒顶倒架控制实践 大倾角综放面冒顶倒架控制实践 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 626262 62 6.1大倾角综放面矿压观测分析....................................................................62 6.2综放面支架围岩控制指标确定及控制措施........................................71 6.3综放面冒顶倒架控制效果分析................................................................73 6.4本章小结....................................................................................................74 7 7 7 7 结论结论结论 结论 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 757575 75 7.1主要结论....................................................................................................75 7.2展望............................................................................................................76 8 8 8 8 致谢致谢致谢 致谢 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 777777 77 参考文献参考文献参考文献 参考文献 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 787878 78 攻读硕士期间主要成果攻读硕士期间主要成果攻读硕士期间主要成果 攻读硕士期间主要成果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 818181 81 山东科技大学硕士学位论文目 录 ContentsContentsContents Contents 1 1 1 1 IntroductionIntroductionIntroduction Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .