大采高综放面覆岩破坏演化规律及其控制.pdf

分类号分类号 TD353 密密 级级公公 开开 U D C 单位代码单位代码10424 学学 位位 论论 文文 大采高综放面覆岩破坏演化规律大采高综放面覆岩破坏演化规律及其控制及其控制 马飞马飞 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 矿矿业业工程工程 指导教师姓名指导教师姓名宁宁 建建 国国 职职 称称 副副 教教 授授 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二〇二〇一七一七年年九九月月 万方数据 论文题目论文题目 大采高综放面覆岩破坏演化规律大采高综放面覆岩破坏演化规律及其控制及其控制 作者姓名作者姓名 马马 飞飞 入学时间入学时间 2014 年年 9 月月 专业名称专业名称 矿矿业业工程工程 研究方向研究方向矿山压力与岩层控制矿山压力与岩层控制 指导教师指导教师 宁宁 建建 国国 职职 称称 副副 教教 授授 论文提交日期论文提交日期 论文答辩日期论文答辩日期 授予学位日期授予学位日期 万方数据 Failure Evolution Law and Control of Overburden Strata in Large-Height Fully Mechanized Caving Face A dissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF PHILOSOPHY from Shandong University of Science and Technology by MaFei Supervisor Associate Professor Ning JianGuo College of Mining and Safety Engineering September 2017 万方数据 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除所列参考文献和世所公认的文献本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除所列参考文献和世所公认的文献 外， 全部是本人攻读学位期间在导师指导下的研究成果。 除文中已经标明引用的内容外，外， 全部是本人攻读学位期间在导师指导下的研究成果。 除文中已经标明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本 人承担。人承担。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 硕士生签名硕士生签名 日日 期期 万方数据 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 本人完全了解山东科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所撰写的学本人完全了解山东科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所撰写的学 位论文的使用授权按照学校的管理规定处理。位论文的使用授权按照学校的管理规定处理。 作为申请学位的条件之一，作为申请学位的条件之一，学校有权保留学位论文并向国家有关部门或其指定机构送交论文的学校有权保留学位论文并向国家有关部门或其指定机构送交论文的 电子版和纸质版；有权将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库发表，并可以以电子、网络及电子版和纸质版；有权将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库发表，并可以以电子、网络及 其他数字媒体形式公开出版；允许学校档案馆和图书馆保留学位论文的纸质版和电子版，可以使用其他数字媒体形式公开出版；允许学校档案馆和图书馆保留学位论文的纸质版和电子版，可以使用 影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文；为教学和科研目的，学校档案馆和图书馆可以影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文；为教学和科研目的，学校档案馆和图书馆可以 将公开的学位论文作为资料在档案馆、图书馆等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。将公开的学位论文作为资料在档案馆、图书馆等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 （保密的学位论文在解密后适用本授权）（保密的学位论文在解密后适用本授权） 硕士生签名硕士生签名 导师签名导师签名 日日 期期 日日 期期 万方数据 学位论文审查认定书学位论文审查认定书 研究生研究生 在规定的学习年限内，按照培养方案及个人培养计划，完成了课在规定的学习年限内，按照培养方案及个人培养计划，完成了课 程学习，成绩合格，修满规定学分；在我的指导下完成本学位论文，论文中的观点、数程学习，成绩合格，修满规定学分；在我的指导下完成本学位论文，论文中的观点、数 据、表述和结构为我所认同，论文撰写格式符合学校的相关规定，同意将本论文作为申据、表述和结构为我所认同，论文撰写格式符合学校的相关规定，同意将本论文作为申 请学位论文。请学位论文。 导师签名导师签名 日日 期期 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 摘摘 要要 对于大采高综放面，其矿压显现一般比较强烈，影响矿压显现的覆岩范围较大。普 通采高工作面开采时能形成传递岩梁结构的低位坚硬顶板，在采用大采高综放开采采煤 工艺时，低位坚硬顶板会以悬臂梁周期破断的形式运动。 论文采用现场实测、数值模拟和理论推导等研究方法，对大采高综放面悬臂梁结构 形成的条件、悬臂梁结构对工作面矿压显现的影响以及大采高综放面支架合理工作阻力 进行了较为详细的分析。 通过现场实测支架工作阻力，分析出周期来压步距，推断顶板的运动形式，估算出 直接顶和基本顶厚度，进而确定顶板结构；利用 UDEC 数值分析软件模拟顶板的断裂过 程，验证该开采条件下顶板是否会发生悬臂梁断裂；构建周期运动中岩梁的力学模型， 推导岩梁两块体结构中后方块体未完全触矸和完全触矸时前方块体的极限下沉量表达式， 建立悬臂梁结构判定的判据。 在掌握大采高综放面顶板破断运动形式和对工作面矿压有明显影响的岩层厚度的基 础上，从老顶破断岩块结构的变形失稳和老顶破断块体结构的滑落失稳两个方面估算大 采高综放面悬臂梁结构下的合理的液压支架工作阻力，计算得到酸刺沟煤矿 6上105-2 大 采高综放面液压支架的合理工作阻力应为 20000kN 左右。 关键词关键词大采高综放面，液压支架工作阻力，传递岩梁，悬臂梁结构，极限下沉量 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 ABSTRACT ABSTRACT The overburden strata range and the overburden strata failure law in the large-height fully mechanized caving face have their own particularity, the strata behavior appear to be more strong, and the range of overburden strata affecting the strata behavior enlarge.The broken low hard roof in the normal-height fully mechanized face can the transferringrock beam structure, while the low hard roof will enter the caving zone and exist in the of cantilever beam when we adopt the large-height fully mechanized caving mining technology. Based on the of field measurement, numerical simulation and theoretical deduction, this paper makes a detailed analysis on the judging condition of ation of cantilever beam structure, the influence of the cantilever beam structure on the strata behavior of working face, and the determination of the reasonable working resistance of the hydraulic supportin large-height fully mechanized caving face. By analyzing the measured working resistance of the support, the periodic weighting length is obtained, the movement of the roof is deduced, the thickness of immediate roof and main roof is calculated, and the roof structure is determined.UDEC numerical analysis software is used to simulate the fracture process of the roofand verify whether the roof can breakin the of cantilever beam under the mining condition.This paper constructs the mechanical model of two block structure of rock beam in periodic motion, deduces the expression of the ultimate subsidence of the front block, and establishes the criterion of the cantilever beam structure. On the basis of fully mastering the broken motion of the roof of thelarge-height fully mechanized caving face and the thickness of the strata that have obvious influence on the strata behavior of the face, the reasonable working resistance of the hydraulic support under the cantilever beam structure of the large-height fully mechanized caving face is estimated from two aspects of the rotatingdeation instability of broken rock block of main roof and the sliding instability of broken rock block of main roof. It is calculated that the reasonable working resistance of the hydraulic support of 6105-2large-height fully mechanized caving face on Suancigoucoal mine should be around 20000kN. Keywords large-height fully mechanized caving face,working resistance of hydraulic support，transferringrock beam，cantilever beamstructure，ultimate subsidence 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 目目 录录 1 绪论绪论 ..................................................................................................................1 1.1 课题的提出及研究意义 .............................................................................................. 1 1.2 国内外研究现状 .......................................................................................................... 1 1.3 主要研究内容、研究方法和技术路线 ...................................................................... 7 2 大采高综放面矿压显现实测与影响岩层厚度的大采高综放面矿压显现实测与影响岩层厚度的推算推算 ..................................9 2.1 工作面基本条件 .......................................................................................................... 9 2.2 矿压显现实测 .............................................................................................................. 9 2.3 直接顶运动形式和厚度的推算 ................................................................................ 13 2.4 基本顶厚度的推算 .................................................................................................... 21 2.5 小结 ............................................................................................................................ 23 3 大采高综放面低位坚硬直接顶悬臂结构形态及大采高综放面低位坚硬直接顶悬臂结构形态及对矿压的影响对矿压的影响 .............. 24 3.1 大采高综放面低位坚硬直接顶断裂结构模拟 ........................................................ 24 3.2 大采高综放面低位坚硬顶板形成稳定结构时的极限下沉量 ................................ 27 3.3 大采高综放面坚硬直接顶悬臂梁结构的形成条件 ................................................ 31 3.4 直接顶悬臂梁结构对工作面矿压的影响 ................................................................ 33 3.5 小结 ............................................................................................................................ 35 4 大采高综放面支架合理工作阻力的确定方法大采高综放面支架合理工作阻力的确定方法 ........................................... 37 4.1 6上105-2 工作面生产中出现的压架问题 ................................................................ 37 4.2 回采工作面推进过程中岩块的运动 ........................................................................ 37 4.3 悬臂梁结构形态下支架工作阻力确定 .................................................................... 38 4.4 小结 ............................................................................................................................ 42 5 主要结论主要结论 ....................................................................................................... 43 5.1 主要研究结论 ............................................................................................................ 43 5.2 展望 ............................................................................................................................ 43 参考文献参考文献 ............................................................................................................. 44 致谢致谢 ..................................................................................................................... 49 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 攻读硕士期间主要成果攻读硕士期间主要成果 ..................................................................................... 50 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 Contents Contents 1 Introduction 1 1.1 The raise and research significance of issue 1 1.2 Research status 1 1.3 Main research contents, research and technical route 7 2 The measured strata behavior and calculation of roof thickness 9 2.1 Basic conditions of working face 9 2.2 The measured strata behavior 9 2.3 The motion inference of immediate roof and calculation of the immediate roof thickness 13 2.4 Calculation of the main roof thickness 21 2.5 Chapter Summary 23 3 The cantilever structure characteristics of low-position thick-hard immediate roof and its influence on the ground pressure in large-height fully mechanized caving face 24 3.1 Fractured structure simulation of low-position thick-hard immediate roof in large-height fully mechanized caving face 24 3.2The ultimate subsidence of low hard roof ing stable structure 27 3.3ing conditions of cantilever beam structure of hard immediate roof 31 3.4Influence of the cantilever beam structure on the underground pressure of working face 33 3.5 Chapter Summary 35 4 Determination of the reasonable working resistance of the hydraulic support in large-height fully mechanized caving face 37 4.1 The hydraulic support jammed accident in production of 6105-2working face 37 4.2 Movement of rock mass during the working face propulsion 37 4.3 Determination of working resistance of support under cantilever beam structure 38 4.4 Chapter Summary 42 5 Main Conclusions and Prospects 43 5.1 Main Conclusions 43 5.2 Research Prospects 43 References 44 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 Contents Acknowledgements 49 Main achievements during the postgraduate period 50 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 1 1 绪论绪论 1.1 课题的提出及研究意义课题的提出及研究意义 瓦斯、煤尘、水、火和顶板灾害是煤矿的五大自然灾害，在整个煤矿安全事故中， 顶板事故所占比重远大于其他自然灾害引发的事故。 “十五”期间，在整个煤矿安全事故 中， 顶板事故所占比重超过 50。 据正式统计， 2009 年整个煤矿安全事故中 顶板 49.8， 瓦斯 9.7，机电 6.0，运输 17.6，放炮 2.8，水害 2.9，火灾 0.2，其它 9.5。 由此看出由矿山压力及顶板运动情况不清引发的顶板事故在整个煤矿安全事故中占主导 地位。 随着装备水平等的提高，出现了大采高综采及大采高综放等采煤工艺。大采高综采 采煤工艺的实践推动了大采高综采面的矿压显现规律和顶板运动规律的研究，基于“传 递岩梁理论” 、 “砌体梁理论”等对大采高综采面的矿压显现规律和顶板运动运动规律的 研究成果已有一定的突破，现已能指导大采高综采面的安全生产。 基于实测资料的大采高综放面矿压显现规律和顶板运动运动破坏规律相关研究工作 较少，缺乏从大采高综放面矿压显现特征的实测结果对覆岩结构形态的分析、大采高综 放面低位坚硬岩层的结构形态及其对矿压显现影响以及影响大采高综放面矿压显现的覆 岩范围的研究。 酸刺沟煤矿 6上105-2 工作面采用大采高综放采煤工艺[1-6]，工作面上方顶板具有厚 度及岩性复杂多变，悬顶距大，直接顶薄、冒采比小等特点，有利于研究大采高综放面 的矿压显现规律和顶板运动破坏规律。 因此，结合酸刺沟煤矿 6上105-2 面大采高综放开采的特点，研究大采高综放面悬臂 梁结构形成的判定条件、悬臂梁结构对工作面矿压显现的影响以及大采高综放面支架合 理工作阻力的确定方法， 对于完善和发展我国大采高综放开采具有重要的实际应用价值。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 1.2.1 采场矿山压力理论的发展采场矿山压力理论的发展 采场矿山压力理论是摸清顶板运动规律，进行采场来压预测预报和顶板控制的最重 要的理论依据，也是本文研究大采高综放面覆岩破坏演化规律和液压支架合理工作阻力 的确定方法这一课题的主要理论基础。采场矿山压力理论经历了一个不断发展的过程， 自上一世纪二十年代至五十年代， 国外先后出现了悬臂梁假说 （1916年， 德国人K.Stock） 、 压力拱假说（1928 年德国人 W．Hack 和 G．Gilicer） 、铰接岩块假说（19501954 年， 万方数据 山东科技大学硕士学位论文