长平矿大采高综采工作面矿压特征研究.pdf

声明 本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名j 司 一日期翌生二正上一 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；②学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； ③学校可允许学位论文被查阅或借阅；④学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；⑤学校可以公布学位论文的全部或部分内 容 保密学位论文在解密后遵守此规定 。 签名 2 扭日期独 笙兰颦 导师签名 翌 虱壑 日期塑竺堑2 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 长平矿大采高综采工作面矿压特征研究 摘要 我国的煤炭资源储量居世界前列，特别是厚煤层的储量极为丰富。为 了满足经济发展对煤炭资源的需求，在生产实践中需要保障厚煤层的安全、 高效开采。大采高综采，即对3 ．5 ～6 ．0 m 的厚煤层采用一次采全高的开采 方法，在我国得到了良好的应用，成为厚煤层综采的主要发展方向。 本文以长平煤矿4 3 0 4 工作面为工程背景，采用现场矿压监测、理论分 析、数值模拟相结合的手段，对大采高综采工作面进行了以下研究 1 运用“关键层“ 理论对长平矿4 3 0 4 工作面上覆岩结构进行了分析， 分析得知4 3 0 4 工作面上覆岩存在三层“关键层”，分别是一层主关键层和 两层亚关键层。通过理论计算得出直接项的垮落距离、老项的初次来压步 距以及顶板压力，并运用F L A C 3 D 软件模拟了工作面项板破坏状况和应力分 布状况。 2 通过现场实测，对工作面直接项初次垮落、老顶初次来压与周期 来压，以及支架工作阻力、初撑力进行分析。确定了支承压力对煤体、煤 柱的影响范围和强度，对煤体稳定性的影响，为巷道超前支护措施提供合 理的建议。 3 针对长平煤矿高水平应力条件下大断面沿底留顶巷道难以支护的 现状，进行了巷道顶板围岩破坏分析，提出4 3 0 4 2 巷道沿顶布置支护方案， 并通过设置测站实测表面位移、顶板离层、测力锚杆等方法对其稳定性进 T 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 行了分析，验证了4 3 0 4 2 巷道支护方案的合理性。 本文的研究成果可直接指导长平煤矿厚煤层安全高效开采，并可为同 类工作面的矿压研究提供参考。 关键词大采高，“关键层”理论，上覆岩层，数值模拟，巷道支护 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 S T U D Yo NR O C KP R E S S U R EF E A T U R EO FL A R G E M “ ⅡN GH E I G H TF U L L YM [ E C H A N I Z E DF A C E I NC H A N G P I N GC o A LM I N E A BS T R A C T O u rc o u n t r yc o a lr e s o u r c er e s e r v e si nt h ew o r l d ，e s p e c i a l l yt h et h i c kc o a l r e s e r v e si se x t r e m e l yr i c h ，t h i c kc o a lr e s o u r c e ss a f e t y , e f f i c i e n tm i n i n gf o rc o a l d e m a n da n dr e a l i z et h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fc o a li n d u s t r yi so fg r e a t s i g n i f i c a n c e ．L a r g em i n i n gh e i g h tf u l l ym e c h a n i z e dm i n i n gi nC h i n ah a sb e e na g o o da p p l i c a t i o n ，b e c o m et h em a i nd e v e l o p m e n t d i r e c t i o no ft h i c ks e a mm i n i n g ． I nt h i s p a p e r , 4 3 0 4w o r k i n gf a c ei nC h a n g p i n gM i n ea st h ee n g i n e e r i n g b a c k g r o u n d ，u s i n gl i v er o c kp r e s s u r em o n i t o r i n g ，t h e o r e t i c a la n a l y s i s ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o nc o m b i n i n gm e a n s ，f o rl a r g em i n i n gM e c h a n i z e dM i n i n gc o n d u c t e d t h ef o l l o w i n gr e s e a r c h 1 T h et h e o r y o fk e ys t r a t ai su s e dt or e s e a r c ht h es t r u c t u r eo ft h e o v e r l y i n gs t r a t a ．T h e r ea r et h r e ek e ys t r a t a si nt h eo v e r l y i n gs t r a t ao f 4 3 0 4c o a l f a c e ．T h r o u g ht h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n ss h o wt h a tt h ed i r e c tr o ofc a v i n g d i s t a n c e ，r o o ff i r s tw e i g h t i n gs t e p ，a n dt h er o o fp r e s s u r e ，a n du s et h eF L A C 3 Dt o s i m u l a t et h ew o r k i n gf a c er o o ff a i l u r es i t u a t i o na n ds t r e s sd i s t r i b u t i o n ． 2 F i e l dm e a s u r e m e n to ft h ef a c eb yal a r g en u m b e ro fi n i t i a lp r e s s u r es t e p I I I 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 a n dp e r i o d i cw e i g h t i n gs t e pa n da n a l y z et h er o o ft oc r u s hs t r e n g t h 。B yo b s e r v i n g t h ef o r c e s s t e n t ，t h es t e n td e s i g ni sr e a s o n a b l ea n a l y s i s ，i n c l u d i n gs u p p o r t w o r k i n gr e s i s t a n c e ，s e t t i n g l o a dm e e t st h er o o f s u p p o r tr e q u i r e m e n t s ． U n d e r s t a n d i n g a n d k n o w l e d g eo f ar e a s o n a b l e r o a d w a y a d v a n c e s u p p o r t m e a s u r e si nt h em i n i n gp r o c e s so fm i n i n gc o a la n dc o a lp i l l a ra h e a do ft h e s c o p e ，i n t e n s i t y , i no r d e rt od e t e r m i n e ． 3 F o rC h a n g p i n gM i n e ，u n d e rh i g hh o r i z o n t a ls t r e s sl a r g ec r o s ss e c t i o n a l o n gt h eb o t t o mr o a d w a yi sd i f f i c u l tt os u p p o r tt h es t a t u sq u o ，t h r o u g hs t r e s s t e s t i n g ，d r i l l i n gp e e p ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d ss u c ha sr o a d w a yr o o f r o c k f a i l u r ea n a l y s i s ．A c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so f t h ec o n c l u s i o n s ，p u tf o r w a r d4 3 0 4 2 r o a d w a ya l o n gt h et o pl a y o u ts u p p o r tp r o g r a m s ，a n db ys e t t i n gt h es t a t i o n m e a s u r e ds u r f a c ed i s p l a c e m e n t ，r o o fs e p a r a t i o n ，r o c k - b o l td y n a m o m e t e ra n d o t h e rm e t h o d s ，i t ss t a b i l i t yw e r ea n a l y z e dt ov e r i f yt h e4 3 0 4 2r o a d w a yp r o g r a m s r e a s o n a b l e ． R e s u l t so ft h i ss t u d ym a yb et h ed i r e c tg u i d a n c eo fC h a n g p i n gM i n et h i c k s e a mc o a lm i n i n gs a f e t ya n de f f i c i e n t ，a n dp r o v i d er e f e r e n c ef o rs i m i l a rs t u d i e s f a c eu n d e r g r o u n dp r e s s u r e ． K e yW o r d s g r e a tm i n i n gh e i g h t ，t h e o r yo fk e ys t r a t a ，o v e r l y i n gr o c k ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，r o a d w a ys u p p o r t I V 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I A B S T R A C T ⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I I I 第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 论文的研究背景及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 1 ．2 ．1 大采高综采技术现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．2 ．2 大采高综采工作面矿压研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 ．3 研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 第二章工作面概况与上覆岩力学参数测定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 ．1 工作面概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 2 ．1 ．14 3 0 4 工作面地质条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 2 ．1 ．24 3 0 4 工作面生产技术条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 ．2 上覆岩层物理力学参数测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．2 ．1 岩样抗压强度测定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．2 ．2 岩样抗拉强度测定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．2 ．3 岩样物理性质测定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 2 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 第三章大采高工作面矿压显现规律分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 3 ．1 关键层确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 3 ．1 ．1 关键层理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 3 3 ．1 ．2 关键层层位判别方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 3 ．1 ．3 上覆岩关键层层位⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．1 6 3 ．2 工作面矿压显现规律的理论分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 9 3 ．2 ．1 直接顶的垮落⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 9 3 ．2 ．2 老顶初次来压步距计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 3 ．2 ．3 顶板压力计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 3 ．3 工作面矿压显现规律的数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 2 V 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 ．3 ．1 数值计算方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 2 3 ．3 ．2 数值模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 3 3 ．3 - 3 数值计算结果与顶板破坏状况分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 3 ．3 ．4 工作面矿压显现规律分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 3 。3 。5 工作面项板下沉量规律分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 第四章大采高工作面矿压实测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 4 ．1 回采期间工作面矿压显现规律实测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．31 4 ．1 ．1 工作面常规矿压观测目的及方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯31 4 ．1 ．2 工作面初次来压和周期来压判据分析及实测结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 4 ．1 ．3 工作面常规矿压实测结果汇总及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 4 ．2 工作面超前支承应力和侧向支承压力分布规律实测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 7 4 ．2 ．1 支承应力观测目的及方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 4 ．2 ．2 支承应力实测结果及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 4 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 8 第五章高水平应力条件下大采高工作面巷道支护技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 1 5 ．1 巷道应力环境及破坏原因分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 5 ．1 ．1 地应力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 l 5 ．1 ．2 钻孔窥视结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 1 5 ．1 ．3 数值模拟分析巷道破坏原因⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 5 ．2 支护方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 3 5 ．3 巷道矿压监测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 3 5 - 3 ．1 测站布置及监测内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 5 ．3 ．2 巷道表面位移及离层实测分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 5 ．3 ．3 测力锚杆实测数据分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 5 5 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 7 第六章结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 9 6 ．1 主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 9 6 ．2 研究展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 0 V 1 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 1 致{ 射⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 5 攻读硕士学位期间发表的学术论文⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 7 V I I 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章绪论．弗一早殖比 1 ．1 论文的研究背景及意义 我国是能源消费大国，随着经济和社会的发展，人们对能源的渴求程度越来越大， 而在我国的能源结构中，煤炭占着举足轻重的地位。我国拥有丰富的煤炭资源，煤炭资 源储量居世界前列，煤炭工业的持续发展为国民经济的发展提供了强有力的保证。不仅 现在煤炭在能源工业中占有重要位置，到2 0 5 0 年，煤炭能源的生产和消费在所有能源 中所占的比重仍将不低于5 0 ％，在未来几十年内，煤炭在我国能源消费中的主体地位不 会改变，其重要性不言而喻。我国厚煤层资源储量非常丰富，厚煤层的开采利用也越来 越广，每年厚煤层的产量占全国煤炭总产量的比重达到5 0 ％左右。因此，为了满足经济 发展对煤炭的需求和促进煤炭工业的可持续发展，就需要保证厚煤层资源的安全、高效 开采【1 训。 近年来，随着煤炭工业的发展，大采高综采技术在我国得到了良好的推广和应用， 经过在生产实践中的检验，成为厚煤层综采的主要发展方向。大采高综采就是对3 ．5 ～ 6 ．O m 厚的厚煤层一次采全高，与分层开采相比，大采高综采生产效率高，能够大幅提 高工作面产量；巷道布置简单，回采巷道的掘进量小且易于维护；能够减少综采设备搬 家次数，增加生产时间，节省材料和搬迁费用。所以，尽管大采高综采所需要的设备费 用高，投资比较大，但是由于其有分层开采所不具备的优势，使得大采高综采可以取得 更优的综合经济效益M 】。 晋城矿区优良的地质和煤层赋存条件，适合机械化集中、大型开采，晋城煤业集团 从2 0 0 1 年开始，引进国外全套先进的综采设备，率先在寺河煤矿3 3 0 2 工作面进行5 ．5 m 大采高综采试验，并取得了成功。 本文针对长平煤矿4 3 0 4 工作面，对大采高综采工作面矿压显现规律进行研究，研 究成果可直接指导长平煤矿厚煤层安全高效开采，为长平矿推广高效高采出率大采高开 采技术提供理论依据和技术经验，对提升长平矿整体开采技术水准、保持矿区煤炭产量 持续增长具有重要作用，同时可为相类似工作面提供参考。 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1 大采高综采技术现状 从上世纪6 0 年代起，针对能源逐渐紧张的局面，国外开始对大采高综采技术进行 研究，在取得一定成果后，在生产中进行了广泛的推广和应用。随着科技发展和社会进 步，在传统的采矿领域，高新技术的应用越来越多，综采设备不断实现更新换代，重型 化、强力化、自动化和机电一体化设备的使用，使得生产集中，工作面单产和工效得以 大幅提高【6 】。在美国、英国、德国等国家，研制出了大功率高效能重型成套机电设备， 使得煤矿生产由过去的普通综合机械化生产，实现了向高产高效集约化生产的转变。国 外所使用的新型高效综采设备，能够适应不同的煤层条件，不仅大幅增加了设备的传动 功率和设计生产能力，而且在设备功能内涵上实现了重大突破，明显了提升设备的可靠 性，使生产过程的自动化控制成为了可能，为保持工作面稳定高产创造了条件，并且能 够降低工作面直接生产成本和矿井吨煤生产成本，取得了良好的经济效益【6 ，7 1 。目前， 国外的高产高效矿井已经实现矿井高度集中生产，一矿一面，工作面目产l 万t 以上。 工作面推进长度通常为2 0 0 0 ～3 0 0 0 m ，工作面可靠性高，设备综合开机率可达9 0 ％以上。 工作面设备配套合理，监测监控设备齐全，生产系统先进可靠，基本上能够满足工作面 高产高效的要求【6 。1 2 】。 我国从上世纪7 0 年代起，从德国引进了G 3 2 0 ．2 0 ／3 7 型、G 3 2 0 ．2 3 ／4 5 型等类型的掩 护式大采高支架以及相配套的采煤运输设备，开始对大采高综采技术进行试验。与此同 时，为了打破国外的技术垄断，我国也启动了对大采高设备的自主研究。经过多年的研 究，我国大采高设备已有了很大发展，国产的大采高液压支架在一些工作面进行了试验， 取得了比较好的效果。目前，我国的科研制造单位，已经研发出一系列达到国际先进水 平的大采高设备，其中包括采煤机、输送机、液压支架等，配套设备的生产能力已经可 以达到比较高的水平，有力地促进了我国煤矿综采的机械化发展。在良好的地质和技术 条件下，一个综采工作面的年产量能够达到3 0 0 万t 以上【1 3 】。不过大采高一次采全高综 采工艺在我国只经过了短短数年的发展，到目前只在部分矿区进行过试验，为这种工艺 服务的技术装备还不十分成熟，还不能够充分发挥工作面的生产能力。客观的说，与现 有国际上应用的技术装备所达到的先进水平相比，我国自主研发的大采高综采成套装备 还是存在较大改进空间【6 J 。 2 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 ．2 ．2 大采高综采工作面矿压研究现状 大采高综采技术与分层开采的不同，决定了大采高工作面的矿压显现规律有其特殊 性，为了保障生产的安全高效，这一问题亟需得到研究和解决。对于大采高综采工作面 的矿压显现特征，我国学者已经进行过大量的研究和探索，得出了很多有益的结论。不 过大采高综采技术在我国的应用时间尚短，很多研究还不具有普遍性，所观测到的数据 和研究结果只能在某些局部条件相似的范围内适用，对于其他的一些地区，现有的研究 结果往往只能提供～定的参考【1 4 】。 太原理工大学弓培林教授、靳钟铭教授等学者，在关键层理论的基础上，研究了大 采高采场覆岩结构特征及运动规律，研究认为，关键层的特征、层位及分布对覆岩的垮 落断裂起控制作用。垮落带高度在采高小于3 m 时，符合经验公式的近似分式函数关系； 垮落带高度在采高大于3 m 后，其高度受关键层特征控制，大于相同煤厚分层开采时的 垮落带高度。断裂带高度在采高大于5 m 后，其高度会随着采高的增大而大幅上升，大 于相同煤厚分层开采时的断裂带高度[ 1 4 A 5 ] 。 中国矿业大学郝海金等学者认为，大采高开采工作面矿压显现的特征与直接顶 放 顶煤开采工作面包括顶煤 的残余强度、厚度及损伤特性有关，而直接顶的损伤特性将 影响上覆岩层平衡结构的层位及结构形式。在直接顶岩层受到损伤后，岩层的残余强度 大于煤层强度，在这种情况下，岩层传压性能较好，使工作面的矿压显现明显剧烈。与 综采放顶煤相比，大采高综采工作面周期来压的强度、支架载荷和动载系数都有不同程 度的增大【1 6 , 1 7 ] 。 太原理工大学宋选民教授对工作面长度与大采高工作面矿压显现的关系进行了研 究，研究结果表明工作面长度的增加与初次来压步距、周期来压步距和周期来压强度 成反比，与初次来压强度成正比。在工作面长度增加的情况下，顶板来压显现的位置具 有随机性，增载幅度的随机性也比较大。整个工作面中，中部矿压显现最为显著，靠近 中部的部分区域矿压显现较剧烈，而机头和机尾的矿压显现相对缓和。开采期间的支架 末阻力与初撑力，以及周期来压期间的最大末阻力与平时末阻力都表现为线性正比增 加。工作面长度增加，最大冲击载荷随之增大【18 1 。 1 ．3 研究内容 根据厚煤层大采高综采存在的问题，结合长平矿煤层的具体条件及现场中亟待解决 的技术难点，确定本研究内容如下 3 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 3 4 煤层开采上覆岩层运动规律； 2 支承压力分布研究； 3 工作面顺槽支护技术。 本文技术路线如图1 ．1 所示。 图1 ．1 研究技术路线图 F i g u r e1 - 1T e c h n o l o g yp r o c e s sf l o wo fr e s e a r c h 4 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章工作面概况与上覆岩力学参数测定 2 ．1 工作面概况 2 ．I ．14 3 0 4 工作面地质条件 1 工作面位置 4 3 0 4 综采工作面位于泮沟村东部，釜山村西部，回沟村南部，北部为胶轮车大巷、 胶带机大巷、第二回风大巷、第一回风大巷，东部、南部为I Ⅱ四盘区南翼泄水巷，西部 为I I l 4 3 0 6 综采工作面。 2 煤层赋存情况 工作面所采3 。煤层，平坦断口，亮煤为主，半光亮型。煤质情况为黑色，玻璃光泽， 性脆，低硫，发热量高的优质无烟煤。作面煤层底板标高5 6 1 ～6 2 8 m ，地面标高8 9 5 “ - 一 1 0 0 6 m ，煤层倾角l ～1 0 0 平均4 0 ，煤层厚度4 。5 6 “ - 6 。8 3 m 平均5 ．7 0 m ，煤层结构 4 ．2 8 0 ．1 0 0 ．8 ；普氏硬度 f 煤层1 ～2 ，夹矸为1 ～3 ，直接顶2 ．2 ～3 ．9 ，直接底1 ．2 ～ 3 ．0 ；该工作面煤层赋存稳定，变异系数为0 ．0 8 ％，可采指数为1 ．0 ，煤体容重为1 ．4 3 t ／m 3 。 老顶为细粒砂岩，厚度为8 ．0 4 m ，深灰色，分选较差，磨圆一般，多见黑色泥质 斑状，局部夹薄层泥岩。 直接顶为砂质泥岩，厚度为2 ．0 8 m ，深灰色，富含植物化石碎片，底部泥质增多， 含炭质。 直接底为砂质泥岩，厚度为1 ．5 0 m ，深灰色，含炭质，富含植物化石碎片，岩心 破碎。 老底为细粒砂岩，厚度为1 ．5 0 m ，深灰色，见少量植物化石碎片，含泥质，水平 层理发育。 煤层及顶底板特征见图2 ．1 。 5 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 地层单位 累深层厚柱状 岩性 岩性描述 系统组 m 皿 1 2 0 0 一一 J 』 二 -J』 3 5 7 ．3 6 2l4＼⋯’／ 砂质泥岩深灰色，借光疏松，水平层理较发育，岩芯完整。 ＼一一一／ ＼ 一一 ／ 山 3 6 3 ．2 55 ．8 9中粒砂岩 灰色，厚层壮，质平纯，分选，，一石英为主，长石次之，见星片壮云母， 岩芯完整。 下 ＼， 深灰色，水平层理发育，植物化石碎片多见，夹薄层细砂岩，下部含砂 3 7 48 91 1 ．6 { 泥岩 质，见薄煤线。 3 7 9 ．0 84 ．1 9砂质泥岩深灰色，见大量植物化石碎片，水片层理发育。 统 3 8 71 280 4 细粒砂岩深灰色，分选交差。磨园一般，多见黑色泥质斑块，局部夹薄层泥岩。 叠 l I 西 3 8 9 ．2 02 ．0 8砂质泥岩深灰色，富含植物化石碎片，底部泥质增多，含炭质。 3 9 4 ．9 05 ．7 0一一 3 号煤 黑色．以亮j 巢为主，镜煤次之，内生裂隙发育强玻璃光泽，属光亮 型煤，阶梯状断口，简单结构，上部块状，下部粉末状。煤层结 ＼＼一一一一一f ／ 构0 ．3 0 0 ．0 6 4 ．4 4 O ．1 0 o ．8 0 。 I l 一一 J f 1 【一 * 一l 』 3 9 6 ．4 0】5 0 { I 懒_ 一懒一』砂质泥岩深灰色，含碳质，富含植物化石碎片，岩心破碎。 I』J 1 一一 一』J 3 9 7 ．9 01 ．j 0 细粒砂岩深灰色，见少量植物化石碎片，含泥质，水平层理发育。 组 系 I _ 6 ．8 5 砂质泥岩 深灰色，质细，平坦状断口，见星散状云母，岩芯完整。 4 0 4 ．7 5 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 5 瓦斯及二氧化碳涌出情况 工作面瓦斯绝对涌出量预计为2 0 ．0 2 ～- 31 ．7 m 3 ／m i n ，相对瓦斯涌出量4 ．7 8 ～6 ．8 4 m 3 ／t 。 工作面二氧化碳绝对涌出量预计为1 ．4 ～2 ．7 5 m 3 ／m i n 。 2 ．1 ．24 3 0 4 工作面生产技术条件 1 巷道布置 工作面为四巷布置方式I I I 四盘区南翼泄水巷进风，运料、排水用；I Ⅱ4 3 0 4 1 巷进 风、运煤、供水、排水用；I I ／4 3 0 4 2 巷回风、排水用；I ] 1 4 3 0 4 3 巷回风、运料、供电、 供液、供风、供水、排水用；工作面顺槽、切眼及均沿煤层项板掘进。 2 回采工艺及装备 4 3 0 4 综采工作面走向长度为1 0 8 0 ．3 m ，倾斜长度为2 2 0 ．7 m ，采用倾斜长壁、全部 垮落、后退式综合机械化大采高一次采全高采煤方法，工作面设计平均采高为5 ．5 4 m ， 采用全部垮落法管理顶板。 工艺流程为割煤一拉架_ 推溜_ 清煤，端头斜切割三角煤进刀，进刀长度5 0 m ， 双向割煤。工作面主要机电设备如表2 ．1 所示。 表2 ．1 工作面设备参数 T a b l e2 1P a r a m e t e rt a b l eo ff a c i l i t i e si nw o r k i n gf a c e z Y l 2 0 0 0 ／2 8 ／6 2 型支架 艾柯夫S L 5 0 0 双滚筒采煤机 序号项目技术参数序号项目技术参数 1支架额定工作阻力1 2 0 0 0 k N1滚筒截深D ．8 6 5 m 2 支架额定初撑力 7 9 l7 k N2 最大牵引速度D ．2 6 ．8 m ／分钟 3 额定供液压力 3 1 ．5 M P a3电压 3 3 0 0 伏 4支架高度2 8 0 0 r a m ．6 2 0 0 r a m 4 总装机功率 18 15 k W 5中心距l7 5 0 m m S G Z l 0 0 0 ／1 7 1 0 刮板机 6平均支护强度1 ．3 6 ．1 ．4 M P a1输送量2 5 0 0 t ／h 7 底座平均比压2 ．8 ．2 ．8 6 M P a2链速1 ．5 4 m ／s 8 操作方式电液控制 3 电机功率 2 8 5 5 k W 9 最大控顶距 5 4 9 5 1 1 3 m4 链中心距 2 8 0 m m 1 0最小控项距4 6 3 0 r a m5 刮板链规格；0 4 8 15 2 m m l l梁端距3 4 0 m m6 刮板间距 9 12 m m 1 2 适应煤层倾角曼l5 o 7 减速器型号K P L 4 5 型 1 3 支架重量 约4 0 ．5 t8 调整型偶合器5 6 2 D T P K W L 2 型号 1 4 支架运输尺寸 7 7 9 0 xl6 6 0 2 8 0 0 9电压3 3 0 0 V S Z Z l 2 0 0 ／3 7 5 转载机 D S J l 4 0 ／2 5 0 ／3 4 0 0 型皮带机 序号项目技术参数序号项目技术参数 1额定电压3 3 0 0 Vl 输送量 2 5 0 0 吨，小时 2 总长度 3 3 m2运距1 2 0 0 m 7 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 3输送量3 2 0 0 t ／h3带速3 ．5 m ／秒 4 刮板链速1 ．7 8 m ／s 4 带宽1 4 0 0 毫m 5链中心距5 0 0 m m5储带长度12 0 m 6 与皮带机搭接长度2 7 0 0 m m 6 电机功率 3 4 0 0 k W 7 最大高度 2 6 0 0 m m7电压 6 6 0 ／1 1 4 0 伏 8电机功率3 7 5 k W8最大外形尺寸5 4 7 5 2 5 2 0 2 8 0 0 P C M 3 7 5 型锤式破碎机 序号项目技术参数序号项目技术参数 1破碎能力3 5 0 0 t ／h4 破碎进料高度 1 0 0 0 m m 冲击板厚度及最 2 最大可破碎硬度 10 0 M p a 58 0 m m 大破碎强度 3 8 0 0 3 5 4 5 l9 6 5 m m 3 外形尺寸 L W x H 2 ．2 上覆岩层物理力学参数测试 为了深入了解长平矿4 3 0 4 大采高综采工作面上覆岩层的岩性和物理力学参数，为 4 3 0 4 工作面的开采提供依据，对4 3 0 4 工作面上覆岩进行了物理力学参数测试，测试内 容主要包括岩样的容重、内聚力、内摩擦角等物理参数，和岩样的抗压强度、抗拉强度 刍苣 寸。 本次测试采用地质取芯钻机，从长平矿4 3 0 4 大采高综采工作面2 拌横川内采集了3 号煤及顶板岩样，采样过程遵照煤和岩石物理力学性质测定的采样一般规定执行， 采样后对岩样进行妥善包装后运到太原理工大学。岩样到达实验室后，按照煤和岩石 物理力学性质测定方法，对所采集的不规则岩样进行加工，使之符合测试标准。 2 ．2 ．1 岩样抗压强度测定 1 试件制备从采集到的岩样中选取体积合适的岩块，加工成直径为5 c m ，高 度为1 0 c m 的圆柱体。 2 试验设备游标卡尺，微机控制电液伺服压力试验机。 3 试验内容测试加工好的试件的单轴抗压强度。 4 测试方法准备好试件后，将加工好的的试件置于压力试验机上，通过调整 使试样位于承压板中心，均匀受力。观测试件受力情况，直到试件破坏【1 9 】。 8 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 图2 ．2 单轴压缩试验 F i g u r e2 - 2U n i a x i a lc o m p r e s s i o nt e s t 5 数据整理计算 抗压强度可由试样破坏时的最大载荷与垂直于加载方向的截面积之比得出，相关计 算公式为 仃y P ／A 2 1 式中唧一单轴抗压强度，Ⅷa ； 尸一最大破坏载荷，N ； 彳一与加载方向垂直的试件横截面积，1 1 1 】玉。 2 ．2 ．2 岩样抗拉强度测定 1 试件制备从采集到的岩样中选取体积合适的岩