整体顶梁支架在复杂围岩下的应用研究.pdf

分类号分类号分类号 分类号 TD31TD31密密密 密 级 级 级 级 公公公 公 开开开 开 U D CU D C 单位代码单位代码单位代码 单位代码 104210424 4 工程硕士学位论文工程硕士学位论文工程硕士学位论文 工程硕士学位论文 整体顶梁整体顶梁整体顶梁 整体顶梁 支架支架支架 支架 在复杂围岩下的应用研究在复杂围岩下的应用研究在复杂围岩下的应用研究 在复杂围岩下的应用研究 张志猛张志猛张志猛 张志猛 申请学位级别申请学位级别申请学位级别 申请学位级别 工程硕士工程硕士工程硕士 工程硕士 领域领域领域 领域 名名名 名 称称称 称 矿业工程矿业工程矿业工程 矿业工程 指导教师姓名指导教师姓名指导教师姓名 指导教师姓名 曹曹曹 曹 庆庆庆 庆 贵贵贵 贵 职职职 职 称称称 称 教教教 教 授授授 授 副指导教师姓名副指导教师姓名副指导教师姓名 副指导教师姓名 马马马 马 同同同 同 福福福 福 职职职 职 称称称 称 高级工程师高级工程师高级工程师 高级工程师 山山山 山 东东东 东 科科科 科 技技技 技 大大大 大 学学学 学 二二二 二 〇〇〇〇六年十一月六年十一月六年十一月 六年十一月 论文题目论文题目论文题目 论文题目 整体顶梁整体顶梁整体顶梁 整体顶梁 支架支架支架 支架 在复杂围岩下的应用研究在复杂围岩下的应用研究在复杂围岩下的应用研究 在复杂围岩下的应用研究 作者姓名作者姓名作者姓名 作者姓名 张 志 猛入学时间入学时间入学时间 入学时间 2005 年 4 月 领域名称领域名称领域名称 领域名称 矿业工程研究方向研究方向研究方向 研究方向 矿山压力与岩层控制 指导教师指导教师指导教师 指导教师 曹 庆 贵职职职 职 称称称 称 教授 副指导教师副指导教师副指导教师 副指导教师 马 同 福职职职 职 称称称 称 高级工程师 论文提交日期论文提交日期论文提交日期 论文提交日期 2006 年 11 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 2006 年 11 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 TheTheThe The ResearchResearchResearch Research andandand and A A A A pplicationpplicationpplication pplication OfOfOf Of IntegratedIntegratedIntegrated Integrated TopTopTop Top BeamBeamBeam Beam SupportSupportSupport Support u u u u nderndernder nder C C C C omplicatedomplicatedomplicated omplicated S S S S urroundingurroundingurrounding urrounding R R R R ocksocksocks ocks 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 b b b b y y y y ZhangZhangZhang Zhang ZhimengZhimengZhimeng Zhimeng SupervisorSupervisorSupervisor Supervisor ProfessorProfessorProfessor Professor CaoCaoCao Cao QingguiQingguiQinggui Qinggui SeniorSeniorSenior Senior engineerengineerengineer engineer MaMaMa Ma TongfuTongfuTongfu Tongfu CollegeCollegeCollege College ofofof of NaturalNaturalNatural Natural ResourcesResourcesResources Resources andandand and EnvironmentalEnvironmentalEnvironmental Environmental EngineeringEngineeringEngineering Engineering NovemberNovemberNovember November 200620062006 2006 声声声 声 明明明 明 本人呈交给山东科技大学的这篇工程硕士学位论文，除了所列参考文献和世所公认本人呈交给山东科技大学的这篇工程硕士学位论文，除了所列参考文献和世所公认本人呈交给山东科技大学的这篇工程硕士学位论文，除了所列参考文献和世所公认 本人呈交给山东科技大学的这篇工程硕士学位论文，除了所列参考文献和世所公认 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其它任何的文献外，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 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 学学学 学 术机关作鉴定。术机关作鉴定。术机关作鉴定。 术机关作鉴定。 硕士生签名硕士生签名硕士生签名 硕士生签名 日日日 日 期期期 期 AFFIRMATIONAFFIRMATION I I I I declaredeclaredeclare declare thatthatthat that thisthisthis this dissertation,dissertation,dissertation, dissertation, tedtedted ted ininin in fulfillmentfulfillmentfulfillment fulfillment ofofof of thethethe the requirementsrequirementsrequirements requirements forforfor for thethethe the awardawardaward award ofofof of EngineeringEngineeringEngineering Engineering MasterMasterMaster Master ofofof of PhilosophyPhilosophyPhilosophy Philosophy ininin 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 paperpaperpaper paper 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 山东科技大学工程硕士学位论文摘要 摘摘摘 摘 要要要 要 对 10-2煤层在极复杂围岩条件下液压支架应用的可行性进行了分析，认为采用 ZHZ1600/16/24 整体顶梁液压支架提供的支护本质上更安全，减少了人员操作的安全风 险，降低了劳动强度，使产量和人工效率得到了较大提高，回采成本明显降低。对支架 及其配套设备进行了选型，如采煤机、工作面刮板输送机、底盘及推移千斤顶、端头支 架等，确定了合理的采煤方法及工艺参数，确定了工作面支护方式及合理的支护参数。 同时还进行了底板比压测试以及底板控制研究，研究认为在正常条件下，支架所配底座 完全满足规定要求。论文建立并分析了复杂围岩条件下整体顶梁式支架的“顶板－支架 －底板”的系统刚度模型，根据曹庄煤矿复合顶板软弱、破碎的特点，模型分析认为直 接顶顶板刚度近似零状态，说明了其支护的困难程度。论文对支架的适应性作了分析， 分析认为支架初撑力大多满足要求，支撑系统刚度正常，支架在大面积底座及整体箱式 顶梁作用下，顶底板的刚度提高，保证了支撑系统的刚度，有效降低了顶板下沉量，减 轻了采煤工作面煤壁片帮和端面破碎程度； 支架工作阻力平均值为 1058kN， 支柱工作期 间平均增阻 344kN，增阻效果明显，说明该支架能较好地适应曹庄矿 10-2煤层这种复杂 的顶底板围岩条件，能保证围岩－支架体系的总体刚度，提供了较好的支护环境和支护 效果。 关键词关键词悬移支架 支架选型 底板比压 适应性分析 山东科技大学工程硕士学位论文摘要 ABSTRACTABSTRACTABSTRACT ABSTRACT Weanalyze the possibility of the suspended hydropost support application to 10-2coal seam on the condition of complicated surrounding rocks and find that the load density of whole-roof timber suspended hydropost support which is named as ZHZ1600/16/24 meets the demands,essentially more safe, lowers the risk of the operation, reduces the labor strength, makes the yield and the efficiency get to raise greatly and lowers cost obviously.We make selection of support and affiliated facilities which include shearer, scraper transporter in face, base, pusher jack and end support, so that we appropriately make sure the coal , the craft parameter, the support pattern and the logical support parameter. Synchronously we carry on the test of bottom specific pressure and the research of the floor control.We draw a conclusion that the base which pertains to the suspended support is up to the mustard completely. Then we establish and analyze the stiffness model of “roof-support-floor” system on the condition of complicated surrounding rocks when the suspended hydropost supports are used, and we conclude that the immediate roof is the roof which is named as approximate zero- stiffness roof, compound roof in Caozhuang Mine is the soft and broken roof, the stiffness of roof is approximately zero, the roof is hard to support.We carry on analysis of the support applicability and come to the verdict that the setting load is generally right, the stiffness of supporting-system is normal, the stiffness of roof is improved in order to improve the stiffness of supporting-system on the condition of the coeffection of the bigger-area base the whole box- roof-timber, roof convergence is effectively controlled so that the degree of rib fall and end face breaking is remarkably reduced. The average of support resistance is 1058 kN, and the average addition of resistance is 344 kN during the pillar work.The effect is obvious, which prove that this kind of suspended support adapts to the condition of the complicated roof and floor in 10-2coal seam of Caozhuang Mine and is able to ensure the whole stiffness of support- surrounding rocks system and obtain the better support environment and result. KeywordsKeywordsKeywords Keywords suspended support ,selection of support,bottom specific pressure, analysis of applicability 山东科技大学工程硕士学位论文目录 目目目 目 录录录 录 1 1 1 1 绪论绪论绪论 绪论 1 1 1 1 1.1 课题研究的重要意义1 1.2 国内外研究与发展概况1 1.3 研究的主要内容3 1.4 课题的研究方法（技术路线）3 1.5 研究的关键4 2 2 2 2 极复杂围岩条件下支架应用的可行性分析极复杂围岩条件下支架应用的可行性分析极复杂围岩条件下支架应用的可行性分析 极复杂围岩条件下支架应用的可行性分析 5 5 5 5 2.1 地质及生产技术概况5 2.2 高档普采在 10-2煤层使用概述8 2.3 顶板控制及回采工艺的对比分析9 2.4 劳动组织对比分析10 2.5 主要经济技术指标对比分析11 2.6 投资概算及效益分析11 2.7 本章小结12 3 3 3 3 支架及配套设备的选型支架及配套设备的选型支架及配套设备的选型 支架及配套设备的选型 131313 13 3.1 支架选型13 3.2 采煤机选型17 3.3 工作面刮板输送机选型17 3.4 底盘及推移千斤顶18 3.5 端头支架选型21 3.6 本章小结21 4 4 4 4 采煤方法及工艺参数的确定采煤方法及工艺参数的确定采煤方法及工艺参数的确定 采煤方法及工艺参数的确定 222222 22 4.1 采煤方法的确定22 4.2 回采工艺的研究22 4.3 工作面支护方式及合理支护参数确定26 4.4 顶板管理研究31 山东科技大学工程硕士学位论文目录 4.5 本章小结32 5 5 5 5 底板比压测试及底板控制研究底板比压测试及底板控制研究底板比压测试及底板控制研究 底板比压测试及底板控制研究 .34.34.34 .34 5.1 测试仪器及测试准备34 5.2 测试及结果34 5.3 本章小结40 6 6 6 6 工作面刚度及支架适应性分析工作面刚度及支架适应性分析工作面刚度及支架适应性分析 工作面刚度及支架适应性分析 414141 41 6.1 “支架围岩”体系刚度41 6.2 支架适应性分析51 6.3 本章小结53 7 7 7 7 主要结论主要结论主要结论 主要结论 545454 54 致谢致谢致谢 致谢 555555 55 参考文献参考文献参考文献 参考文献 565656 56 山东科技大学工程硕士学位论文目录 CONTENTSCONTENTSCONTENTS CONTENTS 1 1 1 1 IntrodutionIntrodutionIntrodution Introdution 1 1 1 1 1.1 Curreut study status at both home and abroad...1 1.2 The questions to bestudied and its important.1 1.3 Research contents...3 1.4 Research meansTechnology course ..3 1.5 Research key...4 2 2 2 2 FeasibilityFeasibilityFeasibility Feasibility analyseanalyseanalyse analyse ofofof of supportsupportsupport support ’ ’ ’ ’ s s s s applicationapplicationapplication application underunderunder under complicatedcomplicatedcomplicated complicated surroundingsurroundingsurrounding surrounding rocksrocksrocks rocks conditionsconditionsconditions conditions . . . . 5 5 5 5 2.1 Geological and production survey.5 2.2 Survey of the top graded conventionally-mechanized coal winning technology in10-2 coal seam .....8 2.3 Contrast analyse of roof control and mining technics .9 2.4 Contrast analyse of labor organisation.10 2.5Contrast analyse of chief economy and technology inds...11 2.6 Investment budgetary estimatement and benefit analyse.11 2.7 Summary..12 3 3 3 3 SelectionSelectionSelection Selection ofofof of supportsupportsupport support andandand and fittingfittingfitting fitting equipmentequipmentequipment equipment . . . . 131313 13 3.1 Selection of support13 3.2 Selection of shearer.17 3.3 Selection of the scraper conveyor for working face17 3.4 Underpan and processed jack..18 3.5 Selection of the face-end support.21 3.6 Summary..21 4 4 4 4 coalcoalcoal coal mimingmimingmiming miming andandand and technicaltechnicaltechnical technical parametersparametersparameters parameters 222222 22 山东科技大学工程硕士学位论文目录 4.1 Coal mining .22 4.2 Coal mining techics..22 4.3 Support and reasonable support parameters26 4.4 Roof management31 4.5 Summary..32 5 5 5 5 BottomBottomBottom Bottom specificspecificspecific specific pressurepressurepressure pressure testingtestingtesting testing andandand and bottombottombottom bottom controlcontrolcontrol control researchresearchresearch research 343434 34 5.1 Testing apparatus and setout34 5.2 Testing data..34 5.3 Summary..40 6 6 6 6 WorkingWorkingWorking Working facefaceface face stiffnessstiffnessstiffness stiffness andandand and supportsupportsupport support feasibilityfeasibilityfeasibility feasibility analysisanalysisanalysis analysis 414141 41 6.1 Stiffness of support and surrounding rock system...41 6.2 Support feasibility analysis..51 6.3 Summary .53 7 7 7 7 ConclusionsConclusionsConclusions Conclusions ..54..54..54 ..54 AcknolegementsAcknolegementsAcknolegements Acknolegements . . . . .55.55.55 .55 ReferencesReferencesReferences References .. .. .. .. .56.56.56 .56 山东科技大学工程硕士学位论文绪论 1 1 1 1 1 绪论绪论绪论 绪论 1.1.1. 1. 1 1 1 1 课题研究的重要意义课题研究的重要意义课题研究的重要意义 课题研究的重要意义 支架回采自20世纪70年代在我国使用以来，由于它的支护强度大，安全性能好，对复 杂地质条件的适应性强等特点，在全国中小型煤矿得到了广泛的应用[1-4]。目前大多数支架 工作面仍是采用传统的分体式顶梁支架，该类支架结构简单，重量轻，操作方便，但护顶 面积小，顶板破碎时需要铺顶网，工艺复杂，安全性差，不利于使用大面积的底座，所以 ， 对于顶板破碎、底板松软的工作面，它的使用受到了局限[5-24]。 综采支架，包括轻型支架采煤工作面的支护性能优越，安全性好，通常是首选的采煤 方法，但由于它对工作面的地质条件要求较高，适应性差而受到极大限制，“三软”工作 面，包括顶底板围岩较差的工作面往往地质构造复杂，断层、尤其是小断层较多影响了综 采设备的使用[25-27]，所以发展适应性强、支护强度高、护顶及抗底效果好、重量轻、工艺 简单的整体式顶梁液压支架的回采方法一直是研究的重点，对于极复杂的围岩条件下的采 煤工作面生产具有重要的意义，近年来整体顶梁液压支架得到了发展，它对于提高支护强 度、 加强底板的抗压入性能等方面得到了很大提高， 但它对各种煤层条件的应用及适应性 ， 尤其是极复杂围岩条件下的适应性需要进行深入的研究和实践[1-24]。本课题的研究，旨在 研究整体顶梁液压支架在极复杂围岩条件下的稳定性、适应性、工艺特征、采场压力显现 、 上覆岩层冒落及运移规律等，为在极复杂围岩条件下的高产高效寻求更加有效的途径和方 法。 1.21.21.2 1.2 国内外研究与发展概况国内外研究与发展概况国内外研究与发展概况 国内外研究与发展概况 目前，我国井工采煤工作面支护主要有二种型式，一种是综采综放液压支架即综采， 另一种是单体液压支柱配铰接顶梁即高档普采。前者支护安全可靠，自动化程度高，工 作效率高，能适用于放顶煤工艺开采，适用于大型高产高效矿井，但初期投资大，工作面 搬家困难，对地质条件的适应性比较差，通常只适合于地质构造比较简单、埋藏比较稳定 的煤层条件；后者安全可靠性相对较差，工序操作困难，支回柱劳动强度大，工作效率低 ， 不能适用于放顶煤工艺开采，但初期投资少仅有综采综放支架的 1／51／10，变换工作 山东科技大学工程硕士学位论文绪论 2 面方便，适用于中小型矿井。整体顶梁支架是介于综采综放支架和单体液压支柱之间的中 间架型，它既具有综采综放支架支护性能稳定、安全可靠、机械化程度高的优点，又克服 了单体液压支柱整体性能差，使用劳动强度大和不能用于放顶煤工艺开采的缺点，因此， 是当前我国一些中小型煤矿，特别是煤层厚度在 46.5m、经济条件差、地质条件不适合使 用综采综放支架的煤矿首选设备，同时，它具有重量轻、强度高、切顶能力强、结构简单 、 操作灵活方便、安装拆卸工作量小、对地质条件适应性强、经济实用、可用于放顶煤工艺 开采的一种新架型[1-6]。 1976 年我国研制出了第一代推移伸缩式和并列式二种顶梁液压支架， 但其存在抗侧向 推力能力差，连接前后梁的弹簧钢板易折断等不安全因素，1990 年后研制出了第二代顶