东峡矿急斜分层走向长壁综放煤岩控制实验研究.pdf

分 类 号TD823密级 全日制工程硕士学位论文 东峡矿急斜分层走向长壁综放煤岩控制实验研究 SteepSeamLong-wallInclined StratifiedRockCaving toControl ExperimentalStudyinDongxia CoalMine 申请人姓名 李广印 指导教师程文东 （校内） 谢俊文 （校外） 工程领域安全工程 研究方向岩层控制 西安科技大学 二〇一五年六月 学 位 论 文 独 创 性 说 明 本人郑重声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及其取得 研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人或集体 已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学或其他教育机构的学 位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名日期 论文题目东峡矿急斜分层走向长壁综放煤岩控制实验研究 工程领域 安全工程 硕 士 生李广印（签名） 指导教师程文东（校内）（签名） 谢俊文（校外）（签名） 摘要 本文以甘肃华能华亭煤业集团公司东峡煤矿 37220 工作面为工程背景， 采用相似模 拟实验、理论分析、数值模拟和工程实际相结合的方法，对急斜煤层倾斜分层长壁综放 煤岩移动规律、顶板破断分布规律、矿山压力分布规律、顶煤放出规律及工作面支架的 稳定性进行了系统的研究，得出了一些有价值的成果，对于指导类似条件煤层的开采具 有实际意义。 利用相似模拟实验，研究了急斜煤层倾斜分层长壁综放过程中，煤岩在走向和倾向 两个方向的垮落规律及矿压显现特征；采用可调角散体放煤支架，研究了不同倾角、放 煤顺序及放煤方式，对顶煤的放出规律、含矸率和支架稳定性的影响。 应用有限差分计算程序FLAC3D，模拟分析三维综放工作面的宏观力学作用过程， 研究了综放面开采的整体推进过程中，工作面煤岩破断运移规律；应用散体元计算程序 （PFC2D），对散体顶煤和部分破碎直接顶的落放过程、落放规律及不同放煤步距连续 推进模式下的煤损特征等进行模拟分析。 根据现场工作面地质条件建立支架受力模型， 得出了支架在自重状态下的滑移临界 角为 17， 倾倒临界角为 37， 要使支架在工作面不发生滑移， 初撑力不得小于 167.35kN。 工作面采取“倾斜-圆弧过渡-水平”布置方式，改变了支架的受力状态，增加了设备的 稳定性。 通过模拟实验、数值计算、理论分析和现场观测，总结了急斜煤层倾斜分层走向长 壁综放工作面矿山压力分布规律、煤岩破坏分布特征，以及顶煤放出规律，对于急倾斜 煤层走向长壁综放开采煤岩控制，具有实际的应用价值。 关 键 词相似模拟 顶板破断 煤岩移动 围岩控制 研究类型应用研究 SubjectSteep Seam Long-wall Inclined Stratified Rock Caving to Control Experimental Study in Dongxia Coal Mine Specialty Mining Engineering NameNameLiLi GuangyinGuangyinSignatureSignature InstInstructorCheng WendongSignatureSignature Xie JunwenSignatureSignature ABSTRACT The paper has taken the East Gap coal mine of Gansu Huaneng Huating coal industrygroupcompanyin37220workingfaceastheengineering background,usingtheofsimilaritysimulationexperiment,theoretical analysis,numerical simulation and engineering practice combined to do system research about steep seam long wall caving tilt stratified movement rule,mining coal breaking distribution,pressure distribution,roof stability of mine coal caving support rules and working face.It has obtained some valuable achievements,which has a practical significance for guiding the similar conditions of coal seam mining. Using similar simulation experiments to study the steep seams inclined stratifiedLong-wallreleaseprocess,coalandrockinbothdirectionsand tendenciestowardcollapselawandStratafeatures;usingresearchgroup developed an adjustable angle of dispersion caving bracket,studied at different inclination,caving coal order and put under way,the release of the laws of the top coal refuse content and stability of the bracket. In numerical analysis,the paper use finite difference calculation program FLAC3D to analysis macro mechanics process of three-dimensional analysis of fully mechanized top coal caving stope and the coal and rock breaking movement; it also use discrete element calculation programPFC2D to analysis the dispersion of top coal and broken part direct top drop process,drop rule and different coal cavingstepdistanceandthecontinuouspropulsionmodeofcoalloss characteristics. According to the geological conditions of the site to establish stand Face force model,come to stand under the weight of state slip critical angle is 17 degrees,pour the critical angle of 37 degrees,to make the stent slippage does not occur in the face,setting load not less than 167.35kN. Face to take “tilt - arc transition - level“ arrangement,change the stress state of the stent,increasing the stability of the equipment. Through similarity material experiment,numerical calculation and theoretical analysis,summarized the steep seams inclined stratified put Long-wall mining stope pressure distribution,distribution of coal and rock damage,and top coal caving law,the results of Steep Seam caving technology in theory,for Steep Seam coal and rock disaster control,with the actual value. Key words Similar simulation ； Breaking roof ； Coal and rock movement; Surrounding rock control ThesisApplication Research 目 录 I 目 录 1 绪论........................................................................................................................................1 1.1 研究背景及意义.......................................................................................................1 1.1.1 研究背景.........................................................................................................1 1.1.2 研究目的和意义...........................................................................................1 1.2 国内外研究现状.......................................................................................................2 1.2.1 国外研究现状................................................................................................2 1.2.2 国内研究现状................................................................................................3 1.3 研究内容、方法和技术路线................................................................................4 1.3.1 研究内容和方法...........................................................................................4 1.3.2 技术路线.........................................................................................................5 2 急斜煤层煤岩破断规律研究............................................................................................6 2.1 工程地质概况...........................................................................................................6 2.2 相似模拟实验研究..................................................................................................6 2.2.1 实验技术参数................................................................................................6 2.2.2 相似材料配比................................................................................................6 2.2.3 相似模型铺设................................................................................................7 2.2.4 实验过程及主要现象..................................................................................8 2.3 急斜煤层顶板破断的理论力学分析.................................................................18 2.3.1 直接顶极限跨距.........................................................................................18 2.3.2 基本顶初次断裂步距................................................................................19 2.3.3 基本顶周期断裂步距................................................................................20 2.3.4 工程实例分析............................................................................................. 23 2.4 本章小结..................................................................................................................23 3 煤岩放出规律研究...........................................................................................................25 3.1 相似模拟实验.........................................................................................................25 3.1.1 模型构建及参数确定................................................................................25 3.1.2 实验过程及主要现象................................................................................26 3.2 顶煤放出规律分析................................................................................................33 3.2.1 沿工作面走向............................................................................................. 33 3.2.1 沿工作面倾向............................................................................................. 35 3.3 放煤质量的影响因素分析.................................................................................. 35 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 II 3.4 本章小结..................................................................................................................36 4 数值模拟研究....................................................................................................................37 4.1 数值模拟内容.........................................................................................................37 4.2 模型建立..................................................................................................................37 4.2.1 计算参数确定............................................................................................. 37 4.2.2 计算过程...................................................................................................... 38 4.2.3 数值计算模型............................................................................................. 38 4.3 数值计算及分析.................................................................................................... 39 4.3.1 工作面倾向煤岩位移特征.......................................................................39 4.3.2 工作面倾向岩层破坏运移特征..............................................................40 4.3.3 工作面岩层运移特征................................................................................43 4.4 本章小结..................................................................................................................45 5“支架-围岩”系统稳定性分析......................................................................................... 48 5.1 支架稳定性分析.................................................................................................... 48 5.1.1 支架倾倒分析............................................................................................. 48 5.1.2 支架下滑分析............................................................................................. 49 5.1.3 支架尾部偏斜分析.................................................................................... 50 5.2 圆弧段对支架稳定性的影响..............................................................................51 5.3“支架-围岩”系统稳定性.......................................................................................52 5.3.1“支架-围岩”系统稳定性影响因素..........................................................52 5.3.2“支架-围岩”系统稳定性控制技术..........................................................52 5.4 本章小结..................................................................................................................53 6 工程实践.............................................................................................................................54 6.1 现场矿压观测.........................................................................................................54 6.1.1 测区布置方案............................................................................................. 54 6.1.2 观测数据分析............................................................................................. 54 6.2 支架移架方式.........................................................................................................56 6.3 放煤方式步距.........................................................................................................56 6.4 工作面产量.............................................................................................................57 7 结论与展望.........................................................................................................................58 7.1 煤岩运移破断规律................................................................................................58 7.2“支架-围岩”系统稳定性.......................................................................................59 7.3 展望...........................................................................................................................59 致谢......................................................................................................................................... 60 目 录 III 参考文献................................................................................................................................ 61 附录......................................................................................................................................... 65 1 绪论 1 1 绪论 1.1 研究背景及意义 1.1.1 研究背景 我国急倾斜煤炭储量约占全国煤炭储量的 1520，其年产量仅占全国煤炭总产量 的 3.88[l-3]。据统计，全国重点矿区有 100 多个矿井进行急倾斜煤层开采，特别是在我 国西部矿区 50以上矿井开采属于急倾斜煤层，如主要产煤省（区）宁夏、新疆、贵州、 云南、四川、甘肃等，急倾斜煤层正逐渐成为许多矿井或矿区的主采煤层。随着我国西 部大开发战略的实施，矿产资源开采重点西移，煤炭资源开采已成为西部区域经济发展 的重要支柱，加强对急倾斜煤层开采煤岩移动和支架-围岩稳定性技术研究是西部煤炭 开采的重大课题；东部矿区由于多年来高强度的开采，致使赋存条件较好的浅埋煤层日 渐枯竭，因此急倾斜煤层开采问题逐渐引起了人们的关注[4-8]，如安徽淮南与淮北矿区、 河北邢台和开滦矿区、江苏徐州矿区等，以上矿区中的很多矿井开采只能转向埋藏较深 复杂结构的急倾斜煤层开采，很显然，要保证矿区高产高效的可持续发展，也必须加强 急倾斜煤层开采煤岩移动与支架-围岩稳定性技术的研究； 目前急倾斜煤层开采仍然存在以下几点难题[8-17]①急倾斜煤层工作面上部冒落的 煤岩石会向采空区下部滑落，对工作面下部采空区进行充填，引起工作面下部覆岩变形 破坏范围小、工作面上部覆岩变形破坏范围大，在沿煤层倾斜方向的采空区中形成研石 的滑空、充填特征，造成回采巷道、急倾斜工作面的矿压显现呈非对称性特征，围岩控 制困难；②急倾斜煤层工作面顶板受到平行层理面的分力大于垂直层理面的分力，因此 工作面支架等设备主要受到平行层面的倾斜推力作用，稳定性控制困难；③急倾斜工作 面割落或片帮产生的煤体、冒顶产生的岩石会沿倾斜方向加速向下滑落，损坏设备、砸 伤人员，同时大量煤岩整体下滑会冲坏或堵塞急倾斜工作面下出口，影响工作面正常生 产；④支架的选型和工作面布置方式等问题。以上急倾斜煤层走向长壁综放工作面开采 期间存在的部分难题也是主要制约急倾斜煤层走向长壁综放技术发展的重要因素。 实现 急倾斜煤层的安全高效开采，迫切需对急倾斜煤层走向长壁综放工作面覆岩运动规律及 其控制机理进行系统的研究。 1.1.2 研究目的和意义 最近几十年，虽然在煤岩控制技术方面从理论到实践取得了显著成就，但是这些成 果大部分集中在近水平煤层、缓斜煤层和倾斜煤层长壁综放开采的研究领域[18-20]。由于 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 2 急斜煤层倾斜长壁综放开采这种采煤方法的发展时间不长， 因此急斜煤层开采煤岩破断 运移分布规律及矿压显现规律研究还不够充分。 急斜煤层倾斜分层放顶煤开采，由于受到煤层较厚、倾角较大的影响，一定会形成 大体积的采空区，大范围内部岩层悬空，大体积采空区周围的顶板和工作面上覆煤岩的 运动，不但会使工作面面临大范围岩层垮落灾变危险性，而且有可能造成地表灾害的加 剧。因此，加强急斜煤层倾斜分层长壁综放煤岩规律的研究具有重要的意义。 首先，运用相似模拟实验、理论分析及数值模拟，充分了解东峡煤矿急斜煤层倾斜 分层长壁综放开采过程中上覆岩层运动破断规律， 为防止工作面面临的大范围垮落灾变 危险性提供技术保障。 其次，采用散体顶煤运移实验、数值模拟及支架稳定性分析，分析了顶煤在不同条 件下的运移规律，为东峡煤矿急斜煤层倾斜分层长壁综放开采工作面选取了合理的放煤 步距、放煤方式、放煤顺序、支架布置方式及防滑措施。 第三，通过工程现场分析，包括矿压观测、放煤步距、移架方式、工作面产量等， 验证了研究急斜煤层倾斜分层长壁综放所带来的实际的意义。 本文以华亭东峡矿区典型的急倾斜煤层长壁综放工作面煤岩地质开采条件为基础， 对该类煤层开采引起的覆岩受力变形、裂隙演化规律、矿压显现规律、围岩和支护的稳 定控制技术等进行研究，为其开采提供了技术支持，保障了急倾斜工作面的高产、高效 开采。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 国外研究现状 20 世纪 30 年代，针对急倾斜煤层工作面矿压显现分布规律前苏联就进行了相关研 究[21]，通过对开采过程中煤岩层运移规律的观测，提出了更加完善的岩层控制技术及采 煤工艺[22-23]，并在急倾斜煤层工作面进行了相关的矿山压力的观测[24-25]，给出了急倾斜 煤层支护阻力的计算方法及顶板下沉量预测方法， 归纳了急倾斜煤层的矿山压力分布规 律特征。70 年代，前苏联通过急倾斜煤层开采的实验研究[26]，研制出了能够适用于急 倾斜煤层综放工作面开采的的采煤机及支架设备[27-29]，并以此为基础急倾斜煤层开采工 艺进行了系统的研究，为急倾斜煤层开采奠定了理论技术基础。 自从 20 世纪以来，德国学者G.Gillitzer和W.Hack、比利时学者、原苏联学者分别提 出了不同的矿山压力假说[30]，即悬臂梁结构假说，预成裂隙结构假说，铰接岩块结构 假说。德国学者把顶板岩层看作一种连续的分层结构，当发生破断垮落时，岩层一边固 定，一边悬露，称之为“悬臂梁假说”；比利时学者把随着工作面不断的推进煤岩的破坏 呈现非连续性， 且工作面周围应力分布呈现非对称性， 缓慢向前移动的这种现象称为“预 1 绪论 3 成裂隙假说”；原苏联学者通过阐述工作面上覆岩层的破断分布规律，得出了铰接岩块 内部相互作用的力学关系及可能存在的岩石结构形态，称之为“铰接岩块假说”。 法国学者在达尔西矿D综放工作面进行了深基点的位移观测，分析了顶底板的位移 量、顶煤运移规律及煤壁煤体膨胀等[31]。结果显示，顶底板移近量较大，从煤壁到支架 后方的移近量均可达到lm左右，顶煤水平位移近似为垂直位移的一半；顶煤的水平位移 始动于工作面前方 6m左右，跟煤壁的水平断裂有关；顶煤的水平位移是由于整个顶煤 向采空区方向滑移造成的。 1956 年， 库兹巴斯急倾斜厚煤层充填开采法的出版，较系统的介绍了急倾斜厚 煤层的采煤方法、巷道布置方式、工作面配套装备、不同煤层地质赋存条件适用的采煤 方法以及煤层开采之后利用充填法减小采空区岩层移动变形的回采工艺[32]。 1986 年， 乌克兰学者用过实验研究分析设计了适用于急倾斜煤层开采的采煤机及支 护系统，并先后装备 54 个综采工作面，取得了一定的成就[33-35]。德国学者将赫姆夏特 通过研究液压支架工程力学关系进行了改装， 并与曼斯菲尔德支架结合， 加强辅助防倒、 防滑技术用以开采急倾斜煤层工作面[36]。 1992 年， 德国学者在鲁尔矿区的威斯特豪尔特矿， 通过改进实验设备及其配套设施， 如采煤机、液压支架等，开采了该矿区的 1845倾斜工作面[33]。 英国学者[37]、 印度学者[38]、 西班牙学者[39]将应用于缓倾斜近水平煤层综放开采的设 备，通过改进使之应用于急倾斜煤层的开采，并取得了一定的成效，为急倾斜煤层综放 开采技术的发展起到了一定的积极的推进作用。 1.2.2 国内研究现状 20 世纪 50 年代初，在开采急倾斜、大倾角煤层过程中使用了倒台阶采煤法。该采 煤方法对工作面倾角、煤层厚度、地质断层等条件的适应性较强，并具有采出率高，通 风系统简单等优点；但采煤工序繁杂，顶板管理复杂，劳动环境较差等[40]。到 50 年代 末，在急倾斜、大倾角煤层工作面使用了钢丝绳锯采煤法[41]。 20 世纪 60 年代初，我国淮南矿区率先采用伪倾斜柔性掩护支架采煤法开采了大倾 角煤层[42-43]，该采煤方法具有通风条件好、生产系统简单、掘进率低等优点，但支架对 煤厚和倾角适应性较差，工作面煤岩较大，工作环境较差等缺点。 1984 年，煤科总院经过理论检验，研制出了可以适用于 3555煤层倾角的液压支 架 ZYS9600-14/32，由于各种原因一直没有应用于实践；沈阳蒲河煤矿对国产综放支架 FY400-14/28 进行了相关工程实践，获得了急倾斜煤层综放开采的相关技术经验，对于 指导急倾斜工作面生产产生了积极的意义[44]。 1986 年， 南桐矿务局进行了矿压观测在南桐二矿， 得出了工作面来压期间的周期步 距、顶底板运移规律等与采煤工艺之间的关系[45]。 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 4 1990 年，吴绍倩、石平五等[46]通过相似模拟实验与工程实际相结合的方法，分析 了急倾斜煤层矿山压力显现规律，得出了急倾斜工作面开采过程中的煤岩破断运移规律 及矿山压力规律，对急倾斜工作面实现高产高效的生产具有重要的意义。 1996 年，在煤层倾角为 3543的华蓥山绿水洞煤矿，成功的应用了西安科技大学 和煤