大倾角煤层综放面倒架机理与再稳定技术研究.pdf

论文题目大倾角煤层综放面倒架机理与再稳定技术研究 专 业采矿工程 硕 士 生刘志远 （签名） 指导教师贠东风 （签名） 摘 要 由于大倾角煤层赋存的特殊性，大倾角放顶煤开采存在着很多难题，其中之一就是 工作面支架稳定性问题。 液压支架是大倾角综放工作面最主要的设备， 其能否正常工作， 直接影响整个工作面安全生产。在工作面生产过程中，一旦某一支架发生倾倒，势必会 引起相邻支架发生失稳，甚至向上向下发展影响到整个工作面支架，导致工作面无法正 常运行，制约安全生产。因此，研究大倾角综放面支架倾倒的原因并深入分析找出相应 的对策，对保证大倾角厚煤层综放面的安全生产和高产高效有着非常重要的意义。 本文综合运用理论分析、现场调研、力学建模与分析、相似模拟实验研究和现场试 验相结合的研究方法，针对甘肃窑街煤电集团长山子煤矿1121不稳定三软煤层综放工作 面支架发生倾倒事故的原因和再稳定技术进行了研究。经过研究，影响支架稳定性的因 素主要有综放面地质条件、综放支架本身特点、综放面围岩本身特点、采煤工艺以及人 为管理因素等；工作面支架发生倾倒的原因是切眼施工时超高造成采高大于支架最大支 撑高度。在回采过程中，过早的进行放煤及相邻支架前探梁间顶煤的漏冒，造成支架顶 梁与顶板（煤）没有密实接触，使得支架顶梁受力不均匀，进而支架整体受力不均匀。 同时由于支架本身出现故障以及工人对支架操作不熟练或出现失误，导致支架在回采过 程中发生挤架、倒架和咬架。通过建立综放面液压支架受力的力学模型分析了大倾角综 放工作面液压支架的抗倾倒稳定性、抗下滑稳定性和尾部抗下摆稳定性，并在此基础上 研究了控制支架稳定性的技术。综合现场调研和理论分析得出了长山子煤矿1121综放工 作面发生支架倾倒的原因并深入研究其机理，进而确定了多次从机尾向下开帮、调架和 扶架使倾倒支架逐步进入实体煤以恢复顶梁载荷，确保支架站的准、站的住、站的稳的 “护扶移稳”的动态扶架方法，经过现场试验，取得了良好的效果。 本研究结果对于大倾角煤层综放工作面提高支架稳定性、预防支架倾倒具有指导意 义，提出的再稳定技术也可为类似条件工作面发生倒架后如何处理提供借鉴。 关 键 词大倾角；三软煤层；综放面；支架倾倒机理；再稳定技术 研究类型应用研究 万方数据 万方数据 Subject The Study on Mechanism of Hydraulic Powered Supports Toppling and Re-stabilization Technology in Fully-Mechanized Top Coal Caving Face of Steeply Inclined Coal Seam Specialty Mining Engineering Name Liu Zhiyuan Signature Instructor Yun Dongfeng Signature ABSTRACT There are many difficult problems in fully-mechanized top coal caving with steeply inclined coal seam for its particularity occurrence, one of them is the support stability of fully-mechanized caving face. Hydraulic supports are the major equipment in fully-mechanized caving face, the working conditions have a direct influence on safety and production of face. During the coal production, once a support toppling, it will cause the adjacent supports. In severe cases, a large number of supports up and down from the initially instable support will lose stability, resulting in the stability of the face cannot run normally and conditioning safety production. Thus, study the cause of the hydraulic support toppling of fully-mechanized caving face with steeply inclined thick coal seam and to identify appropriate countermeasures in-depth analysis has a very important significance to ensure safe production and high efficient. This paper integrated use of theoretical analysis, field research, similar simulation experiments study and field trials, study for the cause of No. 1121 unstable three soft coal seam fully-mechanized caving face hydraulic support toppling and re-stabilization technology in Changshanzi Coal Mine of YaoJie Coal Electricity Group Co., Ltd. Through the study , the influencing factors of support stability includes geological conditions of face, itself features of hydraulic support, surrounding strata nature, coal mining technology and management factor. The cause of hydraulic supports toppling is that the height of open-off cut taller than the maximum height of the support. During the mining process, prematurely coal caving and leakage of the top coal between adjacent supports forward canopy result in the canopy of hydraulic support cannot compacting contacts with roof coal, bring the canopy of hydraulic support force unequally and then the hydraulic support force unequally. At the same time, 万方数据 because the support itself fails and the workers operate unskilled or mistakes leading to the support crowed, tipping and biting. By establishing the model of hydraulic support force, analyze the anti-tipping stability, anti-sliding stability and empennage anti-downswing stability of hydraulic support in the fully-mechanized caving face with steeply inclined coal seam. And on this basis study the technology to control the stability of hydraulic support. Comprehensive field research and theoretical analysis, study the causes and mechanism of hydraulic support toppling of No.1121 fully-mechanized caving face in Changshanzi Coal Mine, then determine the “safeguard-right-advance-stabilize“ technology for right the toppling hydraulic powered support dynamically that gradual cutting coal wall and righting hydraulic powered support from above down time after time for the support into coal wall, to ensure that prospective support station, live station, station stable. The field experiments show that the technology achieved good effect. The results of this study have directive significance for fully-mechanized top coal caving face of steeply inclined seam to enhance supports stability and prevent hydraulic powered supports toppling. And the re-stabilization technology for toppling hydraulic powered supports in this paper can provide reference for the similar conditions face to manage after hydraulic powered supports toppling. Key words Steeply Inclined; Three Soft Seam; Fully-Mechanized Top Coal Caving Face; Mechanism of Hydraulic Powered Supports Toppling; Re-stabilization Technology Thesis Application Research 万方数据 目 录 I 目 录 1 绪论 ........................................................................................................................................ 1 1.1 研究背景及意义 .......................................................................................................... 1 1.2 大倾角煤层综放工作面支架稳定性控制国内外研究现状 ...................................... 2 1.2.1 国内大倾角煤层综放工作面支架稳定性控制研究现状 ................................ 2 1.2.2 国外大倾角煤层开采研究现状 ........................................................................ 7 1.3 论文研究内容、方法及技术路线 .............................................................................. 8 1.3.1 研究内容 ............................................................................................................ 8 1.3.2 研究方法 ............................................................................................................ 9 1.3.3 研究技术路线 .................................................................................................... 9 1.4 本章小结 ...................................................................................................................... 9 2 工作面生产条件 .................................................................................................................. 11 2.1 矿井概况 .................................................................................................................... 11 2.2 工作面概况 ................................................................................................................ 11 2.2.1 工作面开采煤层特征 ...................................................................................... 11 2.2.2 工作面顶、底板特征 ...................................................................................... 12 2.3 工作面巷道布置、采煤方法及回采工艺 ................................................................. 14 2.3.1 巷道布置 .......................................................................................................... 14 2.3.2 采煤方法及回采工艺 ...................................................................................... 14 2.4 工作面顶板管理方法及主要设备配备 .................................................................... 17 2.4.1 顶板管理方法 .................................................................................................. 17 2.4.2 工作面主要设备配备 ...................................................................................... 17 2.5 本章小结 .................................................................................................................... 19 3 大倾角综放面液压支架稳定性分析 .................................................................................. 21 3.1 大倾角综放面液压支架失稳影响因素分析 ............................................................ 21 3.2 大倾角综放面液压支架稳定性力学分析 ................................................................ 23 3.2.1 大倾角综放面液压支架抗倾倒稳定性分析 .................................................. 25 3.2.2 大倾角综放面液压支架下滑稳定性分析 ...................................................... 28 3.2.3 大倾角综放面液压支架尾部抗下摆稳定性分析 .......................................... 30 3.3 大倾角综放面液压支架稳定性控制 ........................................................................ 32 3.3.1 单个支架 .......................................................................................................... 32 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 II 3.3.2 工作面支架系统 .............................................................................................. 33 3.3.3 现场管理方面 .................................................................................................. 34 3.3.4 顶板管理 .......................................................................................................... 34 3.4 本章小结 .................................................................................................................... 35 4 相似材料模拟实验研究 ...................................................................................................... 36 4.1 实验准备 .................................................................................................................... 36 4.1.1 确定相似材料模拟实验架 .............................................................................. 36 4.1.2 相似材料模型铺装及相似参数计算 .............................................................. 36 4.1.3 监测手段 .......................................................................................................... 38 4.2 实验过程及现象 ........................................................................................................ 39 4.3 工作面顶板运移特征 ................................................................................................ 45 4.4 支架载荷特征 ............................................................................................................ 48 4.5 支架与围岩的相互作用特征 .................................................................................... 51 4.6 支架倾倒机理分析 .................................................................................................... 52 4.7 实验结果 .................................................................................................................... 53 4.8 本章小结 .................................................................................................................... 54 5 大倾角煤层综放面倾倒支架再稳定技术 .......................................................................... 55 5.1 工作面支架倾倒演化过程 ........................................................................................ 55 5.2 支架倾倒原因 ............................................................................................................ 58 5.3 支架倾倒机理 ............................................................................................................ 59 5.4 工作面倾倒支架再稳定技术 .................................................................................... 61 5.5 工作面支架倾倒的危害及再稳定的艰巨性 ............................................................ 63 5.5.1 工作面支架倾倒的危害 .................................................................................. 63 5.5.2 工作面倾倒支架再稳定的艰巨性 .................................................................. 64 5.6 倾倒支架再稳定安全技术措施 ................................................................................ 66 5.7 倾倒支架再稳定技术现场试验及效果 .................................................................... 67 5.8 本章小结 .................................................................................................................... 72 6 结论 ...................................................................................................................................... 73 参考文献 .................................................................................................................................. 74 致 谢 ...................................................................................................................................... 78 附 录 ...................................................................................................................................... 79 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 研究背景及意义 煤炭作为我国的主要能源之一，在近 20 多年来一直占我国能源的 70以上。由于 多年来持续不断的开采，大部分矿区浅部、近水平及缓斜等容易开采的煤炭资源已越来 越少，不得不由条件相对“优越”煤层开采转向倾角较大的煤层和深部煤层开采。大倾 角煤层在我国煤矿开采中所占的比重将逐步增大。 在我国大倾角煤层的储量大约占总储 量的 14.05，其年产量占全国煤炭总产量的 10左右，我国西部赋存有大量 35以上的 大倾角煤层，主要分布在四川、重庆、云南、贵州、新疆、甘肃、宁夏等省（区）[1]。 从 21 世纪开始，随着我国矿产资源开采重点的西移，煤炭资源已经成为西部区域经济 发展的重要支柱，因此，研究大倾角煤层开采对西部煤炭开采有极其重要的意义[2]。 我国从 1982 年开始研究引进综放开采，随后在我国厚煤层矿井试行并逐步推广的 综采放顶煤技术（简称综放） ，较好地解决了厚煤层矿井的高效和安全问题，使这一技 术以迅速发展，并逐步完善，成为当前我国厚煤层开采的主要方法，但这一技术主要使 用在近水平、 缓倾斜和急倾斜 （水平分段） 厚及特厚煤层， 在大倾角煤层中的应用较少， 发展水平远低于近水平和缓倾斜煤层。与近水平和缓斜煤层相比由于大倾角煤层赋存的 特殊性，大倾角放顶煤开采存在着很多的难题，其中之一就是工作面支架的稳定性问题 [3]。大倾角煤层综放工作面在向前推进的过程中，由于支架受到顶底板作用于顶梁和底 座上的力、自身重力及相邻支架间的相互作用力，支架会出现下滑、倾倒及架间挤、咬 等现象。从搜集到的资料来看，多数大倾角煤层综放工作面均发生过支架倾倒的情况， 如甘肃靖远王家山煤矿 44407 大倾角厚煤层综放面、甘肃华亭东峡煤矿 30217-2 大倾角 厚煤层综放面、山西大远煤业杜家村煤矿 1201 工作面、新疆焦煤 2130 煤矿 24221 综采 工作面、郑煤集团裴沟煤矿 32011 工作面、鹤壁二矿 3604 工作面和义煤集团义络煤矿 36020 工作面等。 窑街煤电集团长山子煤矿 1121 工作面是该矿首个综放面，工作面设备安装完成后 开始回采，当工作面上端头推进约 5m、下端头推进约 2.5m 时，工作面下段部分支架出 现挤架现象， 尤其是端头支架与过渡支架挤架严重， 中下段 11 号15 号支架出现倒架或 咬架现象。 随后工作面支架倾倒情况进一步加重， 由 11号15 号发展至 9号36 号支架， 且伴有不同程度的咬架现象， 如图 1.11.4 所示。 支架无法前移， 致使工作面生产瘫痪。 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 2 图 1.1 29 号和 30 号支架咬架 图 1.2 相邻支架顶梁上下错开 图 1.3 支架倾倒底座上翘 图 1.4 相邻支架掩护梁错开顶煤露出 液压支架是大倾角综采工作面数量最多的重型设备，其能否正常工作，直接影响整 个工作面安全生产。在工作面生产过程中，一旦某一支架发生倾倒，势必会引起相邻支 架发生失稳，然后像多米诺骨牌一样向上向下连续发展，导致工作面在短时间内无法正 常运行，制约安全生产。因此，研究大倾角综采工作面支架倾倒的原因并进行深入分析 找出相应的对策，安全稳妥扶正倾倒支架，对保证大倾角综采工作面的安全生产和高产 高效具有非常重要的意义。 1.2 大倾角煤层综放工作面支架稳定性控制国内外研究现状 1.2.1 国内大倾角煤层综放工作面支架稳定性控制研究现状 我国从 1982 年开始引进综放开采后，近几十年来随着综放开采技术在大倾角煤层 的成功应用，采矿工作者对大倾角综采工作面设备的稳定性进行了大量研究，有关支架 稳定性控制方面的研究主要有 吴绍倩、石平五两位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，提出了急 万方数据 1 绪论 3 倾斜煤层“顶板支架底板”相互作用模型和底板破坏滑移力学过程、围岩灾变机理 及其防治措施，并给出了相应的评价指标与体系[4]。 卓安华研究了在大倾角“三软”煤层条件下安全开采的顶板管理难点（煤层顶板正 压力小，下滑力较大，支架稳定性差，易于发生倒棚冒顶事故；煤层底板松软，遇水后 底板有下滑趋势，易于造成支架失稳；上下出口较难管理，上下出口处形成三角煤易于 片帮，出口很难维护） ，并根据大倾角“三软”煤层工作面顶板管理难点，制定针对性 的技术措施（提高支柱的初撑力，确保工作面支护质量。支柱具有足够的稳定性，并采 取纵向防倒措施；控制采高。初采、放期间适当控制采高，正常生产期间严禁超高；实 施“阻力监控”法，对“特殊点” 、 “重点区” 、 “异常段”监控管理。掌握顶板活动规律， 指导安全生产；工作面采取“四封闭” 。顶板铺设菱形金属网（多分层）或塑料网（不 分层） ，煤壁帮背严实，支柱穿鞋，底板设脚手板或铺设菱形金属网，防止底板下滑， 采空侧严防放顶线窜矸；安全设施要齐全，采取了“护身板” 、 “脚手板” 、 “闸煤板” 、 “防 倒绳” 、 “上下出口打过河”等技术措施，控制各类事故的发生，消除了事故隐患） ，是 实现安全开采的关键[5]。 煤炭科学技术信息研究所彭成等，分析了大倾角煤层工作面顶板事故的类型及其引 发事故的规律[6]； 中国矿业大学刘长友等构建了大倾角仰斜工作面“支架围岩”结构模型，分析了 直接顶的稳定性，并提出了顶板控制的参数[7]。 张希九，黄炳辉在淮北矿务局桃园矿“三软”大倾角（2742）煤层综采工作面， 通过采用先进的装备与工艺进行生产实践，提出了综采工作面液压支架防倒（机头机尾 两端组成支架排头架防倒；中部支架设置斜拉装置防倒；采用单体液压支柱辅助支撑防 倒；液压支架装有高强度宽侧护板防倒，强化管理与操作控制倒架） 、防滑（支架底座 前端安装防滑千斤顶防滑；支架底座尾部设计防滑千斤顶防滑；端头支架采用防滑装置 防滑；调整工作面回采方向控制支架下滑）的措施，通过实践得到 （选用合理的支架 结构及与输送机的连接方式，是控制支架防倒、防滑和输送机下滑的关键。工作面合理 的伪倾角也是实现防倒防滑的重要方面[8]。 徐州矿业集团索学权、王国青等，山西潞安矿业集团公司王庄煤矿赵建东等，太原 矿山机器集团有限公司李金莲、牛卫兵等生产现场及科研院所的技术研究人员从不同角 度研究了大倾角煤层走向长壁工作面设备下滑、倾倒的机理及可能引发的围岩灾害，提 出了工作面设备失稳防治措施和支护系统稳定性设计参数[9],[10]。 伍永平，贠东风建立了大倾角综采支架下滑和倾倒力学模型，分析了影响大倾角综 采面支架稳定性因素，主要包括支架本身的因素（支架的设计初撑力、工作阻力及高、 宽和重） 、地质及生产技术因素；研究了单个支架及工作面支护系统稳定性控制原则与 方法①在保证对顶板有足够支撑强度的前提下，尽量减轻支架重量。②增设防倒滑装 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 4 置。③适当增加初撑力和工作阻力，尽量降低对底板比压。④严格控制采高。适当加快 推进速度。控制采高也就是控制支架高度[11]。 师庆贺对倾斜厚煤层综放条件下工作面设备产生下滑和倾倒等现象的原因进行了 理论分析，从支架设计、回采工艺选取和生产管理等方面提出了针对性技术措施，为倾 斜厚煤层综放开采技术试验与应用提供了理论依据[12]。 伍永平通过大倾角煤层开采理论分