大倾角厚煤层长壁大采高综采支架稳定性研究.pdf

论文题目大倾角厚煤层长壁大采高综采支架稳定性研究 专 业采矿工程 硕 士 生刘字楷 （签名） 指导教师伍永平 教授 （签名） 摘 要 大倾角厚煤层大采高工作面开采难度大，覆岩变形、破坏和运移规律复杂，影响支 架稳定性因素众多。回采过程中，工作面支架失稳更为复杂，严重制约工作面安全高效 生产，研究大倾角大采高工作面支架稳定性对此类工作面安全高效开采具有重要的理论 意义及实际价值。 论文采用数值计算、物理相似模拟、理论分析方法，对新疆焦煤集团 2130 煤矿 25221 大倾角大采高综采工作面覆岩运移破坏特征、应力分布特征及支架稳定性进行了 较为系统的研究，结果表明 （1）大倾角条件下大采高采场较一般采高采场顶板应力释放区较大且充分。围岩运 移范围及运移量大，应力不均衡现象明显；中上部区域支架受载不均衡，部分载荷较小 或为零，使“支架-围岩”系统元素缺失；顶板位移分布不均匀，支架顶梁具有向倾斜 下方运移趋势，底座具有向倾斜上方运移趋势，中上部支架较下部运移特征明显，使该 区域支架工作特性不能正常发挥，易导致“支架-围岩”系统失稳。 （2）大倾角条件下大采高采场比一般采高采场覆岩垮落高度大，形成非对称充填带， 中上部区域由于未充填空间较大，垮落岩层形成类似“马鞍”形态，工作面中部区域不 能形成完全充填，矿压显现表现为周期来压明显。中上部区域顶板垮落后对工作面支架 具有一定的冲击，不利于支架稳定。 （3）大采高支架重心较高，其结构稳定性较差，影响支架稳定性主要的因素重要度 为工作面倾角、开采高度、支架工作阻力。伪斜开采、规范移架、控制采高、提高初撑 力可以提高工作面液压支架的稳定性。 （4）现场工程实践与应用表明,工作面中上部区域液压支架工作阻力较大，其次为 下部区域，支架载荷分布频率呈正态分布。大部分支架初撑力占额定阻力 80，满足 支护需求，支架总体位态较好，有利于支架的稳定。 论文相关研究结果与实验室实验、理论分析结果相一致，现场应用效果良好，可 为类似条件工作面安全高效生产提供参考。 万方数据 关 键 词 大倾角厚煤层；大采高综采；支架载荷；支架稳定性；控制措施 研究类型应用研究型 万方数据 SubjectStability of Large Height Supports in Fully Mechanized Face Mining Steeply Inclined Thick Coal Seam SpecialtyMining Engineering Name Liu Zikai （（Signature）） InstructorWu Yongping （（Signature）） ABSTRACT Affected by the variation of seam dip angle, strata movement and gangue filling was complex in fully mechanized caving workingface in steeply dipping seam, resulting that it is difficult to achieve efficient production with conventional caving technology and difficult to achieve security management inthe fully mechanized working face with large mining height. In order to control thes tability of support in large mining height workingface in steeply dipping seam, it has high theoretical and practical value in the research of the lawof overlying strata and top coal deation, destruction and migration. By using physical simulation experiment, numerical analysis and field monitoring s to study the law of overlying strata and top coal deation, destruction and migration ,the time distribution of apparent stress and strata behaviors incaving workingface in steeply dipping seam in workingface 25221 of mine 2130 , results show that 1 In steeply dipping seam, compare with general mining height the stress of large mining hight releasing zone of roof is larger, and the movement of overlying strata is also larger than the normal working face. There are uneven stresses in the working face. Especially in the middle region and the upper region. Partial support is small or zero lead to “ support-surrounding rock” system element is missing. Roof displacement uneven distribution resulting supprot’s beam in downward trend and support’s base in upward trend. In the upper region of supportor than the lower region of the obvious characteristics of movement of the carriage, Support working properties can not function properly lead to “support- surrounding rock“ system instability. 2 As larger overburden falling height, there is a symmetric filling zone appeared. The body of falling over burden was resemble “saddle” shape. There is a large space for filling in the middleregion. The periodical weighting is obvious, the working resistance is large. In the upper region of the roof caving working face supportor with impact, It is not conducive to support stability. 3 The large mining height support has the higher center, structural stability is poor. Important degree of the main factors of influence support stability are workingface angle, mining height, support 万方数据 working resistance. False-inclined mining, standardized move the supports, cutting height control, increase the setting load and other facilities can ensure the stability of the hydraulic support. 4 Field engineering practice and application shows that working resistance was bigger in the upper region than the lower region of working face, and the distribution of support load is reasonable and show normal distribution. Mostly, the support resistance was about 80 of rated resistance, and benefit to the stability of support. The paper related research results with the experiment , theoretical analysis’ sesults are consistent. Field applicationeffect is good and well applied, can provide reference for the similar condition working face production safety. KeywordsSteep thick seam; Large mining hight fully-mechanized; Support load; Support stability; Control measure Thesis Applied 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 国内外研究现状 .......................................................................................................... 2 1.2.1 国内研究现状 .................................................................................................. 2 1.2.2 国外研究现状 .................................................................................................. 4 1.3 论文研究内容、方法及技术路线 ............................................................................. 5 1.3.1 研究内容 .......................................................................................................... 5 1.3.2 研究方法及技术路线图 .................................................................................. 6 2 大倾角厚煤层大采高综采采场围岩应力演化规律 ............................................................. 8 2.1 工作面生产技术条件 .................................................................................................. 8 2.2 数值模拟计算 ............................................................................................................ 11 2.2.1 三维有限差分法软件 FLAC3D 简介 ............................................................ 11 2.2.2 研究内容 ......................................................................................................... 11 2.2.3 参数确定 ......................................................................................................... 11 2.3 数值模拟结果 ............................................................................................................ 13 2.3.1 围岩应力演化特征 ......................................................................................... 13 2.3.2“支架-围岩“相互作用特征 ......................................................................... 16 2.3.3 支架载荷及运移特征 ..................................................................................... 17 2.4 本章小结 .................................................................................................................... 19 3 大倾角厚煤层大采高综采采场覆岩运移规律 ................................................................... 20 3.1 实验目的 .................................................................................................................... 20 3.2 实验参数及模型铺设 ................................................................................................ 20 3.2.1 实验参数 ......................................................................................................... 20 3.2.2 模型铺设 ......................................................................................................... 21 3.3 实验过程与主要结果分析 ........................................................................................ 22 3.3.1 覆岩运移特征 ................................................................................................. 22 3.3.2 支架载荷特征 ................................................................................................. 26 3.3.3 回采工序对支架影响 ..................................................................................... 29 3.3.4“支架-围岩”相互作用特征 ......................................................................... 30 3.3.5 支架失稳分析 ................................................................................................. 31 3.4 本章小结 .................................................................................................................... 32 4 大倾角厚煤层大采高综采采场支架稳定性分析 .............................................................. 33 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 II 4.1 支架失稳因素及危害 ................................................................................................ 33 4.1.1 支架失稳因素 ................................................................................................. 33 4.1.2 支架失稳危害 ................................................................................................. 34 4.2 支架稳定性分析 ........................................................................................................ 35 4.2.1 支架防滑稳定性分析 ..................................................................................... 35 4.2.2 支架防倒稳定性分析 ..................................................................................... 38 4.2.3 支架防滑稳定性验证 ..................................................................................... 41 4.2.4 支架阻力分析 ................................................................................................. 42 4.2.5 支架架型适应性分析 ..................................................................................... 44 4.3 支架的稳定性控制措施 ............................................................................................ 44 4.3.1 不同区域“支架-围岩”系统稳定性 ............................................................ 44 4.3.2 支架稳定性控制措施 ..................................................................................... 45 4.4 本章小结 .................................................................................................................... 46 5 工程实践 ............................................................................................................................... 47 5.1 矿压测点布置及监测 ................................................................................................ 47 5.2 矿压显现特征 ............................................................................................................ 48 5.2.1 支架受载特征 ................................................................................................. 48 5.2.2 支架初撑力特征 ............................................................................................. 54 5.2.3 支架循环末阻力特征 ..................................................................................... 55 5.3 支架运行状态 ............................................................................................................ 55 5.3.1 支架位态分析 ................................................................................................. 55 5.3.2 支架立柱伸缩状态分析 ................................................................................. 56 5.4 实践效果 .................................................................................................................... 57 5.5 本章小结 .................................................................................................................... 57 6 结论与展望 ........................................................................................................................... 58 6.1 主要结论 .................................................................................................................... 58 6.2 展望 ............................................................................................................................ 59 致谢 .......................................................................................................................................... 60 参考文献 .................................................................................................................................. 61 附录 .......................................................................................................................................... 64 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 研究背景及意义 大倾角煤层是指埋藏倾角为 35 ～55 的煤层。在我国，煤炭总储量的 1520为 大倾角及急倾斜煤层。该类煤层在我国年产比例占煤炭总产量的 10左右。如四川省 煤炭产量的 40～50来自于这类煤层[1]。在我国西部，一半以上的矿井开采有该类煤 层[2]。 厚煤层的开采方式主要为分层开采、放顶煤开采及大采高综采。分层开采是我国 厚煤层开采方式中较为传统的采煤方法，但是随着综放开采技术的不断发展，分层开 采厚煤层技术的确定也越发突出。厚煤层综放开采还有很多未能从根本解决的技术难 题，例如煤尘比较大、煤炭回收率比较低、煤层自燃等危险存在。随着我国煤炭事业 的发展，厚煤层大采高综采技术也相应发展，厚煤层大采高技术将我国煤炭事业在国 际上具有一定的竞争力。大采高是提高经济效益的要求。这项技术的不断发展推进了 我国厚煤层进行综合机械化开采，推进了煤炭开采的现代化进程。同时，其缩短了我 国与先进采煤国家的差距。 新疆焦煤集团 2130 煤矿 25221 工作面 5煤层为主焦煤，是我国稀缺煤种，煤层厚 度 3.58-9.77m，平均厚度 5.77m，属特厚煤层。工作面初期采用综合机械化放顶煤采煤 法进行回采，回采 256m 后，因采煤方法不适合，事故的频频发生，后进行采煤方法改 造，改为大采高综合机械化回采方法。在工作面回采过程中，液压支架是较为重要的 设备，其稳定性会是否良好会对工作面安全高效的生产产生一定影响。在工作面进行 生产过程中，若工作面液压支架发生失稳现象，同时会影响到相邻支架的稳定性。工 作面液压支架的失稳会使工作面在一定时间内无法进行正常的生产，同时，影响到工 作面设备及工人的安全。软底软煤条件下大倾角煤层的开采难度很大，控制的难点在 于“R-S-F 系统的稳定性。若大倾角“R-S-F”系统成为不稳定或部分不稳定系统，进而开 采时灾害性事故会发生，产量低下[3]。作为工作面生产需要的关键设备，液压支架不仅 需要对顶板进行有效支护，同时需要对作业空间的安全进行维护，对采煤机及输送机 的推移，所以工作面液压支架的稳定性成为工作面安全高效开采的关键因素。为实现 高产、高效和本质安全的理念，对艾维尔沟 2130 大倾角煤层走向长壁大采高支架进行 稳定性分析，实现液压支架的稳定性、高可靠性，为支架稳定性控制提供依据，为此 类工作面安全高效开采奠定基础。 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 2 1.2 国内外研究现状 1.2.1 国内研究现状 我国大倾角煤层综采技术的发展共经历了三个阶段第一个阶段是上世纪七十年 代我国主要以引进国外大倾角煤层综采成套设备；第二阶段是上世纪八十年代我国研 制第一代大倾角煤层综采成套设备，但是工业试验效果不理想；第三阶段是上世纪九 十年代我国研制第二代大倾角煤层综采成套设备，取得阶段性成功。 西安矿业学院吴绍倩教授、石平五教授完成首批煤炭科学基金项目。两位教授较 为系统研究急倾斜煤层围岩运移规律及破坏规律，提出了“顶板-支架-底板“模型、采 场围岩灾变机理以及对其防治的措施[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，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，实现安全开采[5]。 中国矿业大学刘长友等，构建了大倾角煤层仰斜工作面“支架-围岩”结构模型。分 析了直接顶的稳定性，提出相应合理的顶板控制参数[6]。 黄炳辉和张希九采用较为先进的采煤工艺及工作面设备，在桃园矿煤矿大倾角综 采工作面进行生产实践。得到控制支架防倒防滑稳定性的关键在于工作面选用较为 合理的支架结构与输送机的连接方式。同时，工作面合理的伪斜布置也能实现工作面 液压支架的稳定性[7]。 徐州矿业索学权、王国青等。太原矿山机器集团的李金莲、牛卫兵等对大倾角煤 层工作面设备滑移、倾倒机理以及预计引发围岩灾害从不同的角度进行了较为详细的 研究。提出来大倾角煤层工作面支架稳定性的参数及工作面设备防治失稳的有效措施 [89]。 西安科技大学伍永平教授和贠东风教授建立了大倾角煤层综采工作面支架滑移、 倾倒力学模型。对大倾角煤层综采工作面支架稳定性影响因素进行了分析，对单个支 架及支护系统稳定性进行了较为详细的研究。提出了单个支架及支护系统稳定性控制 方法对支架增设防倒防滑装置，保证其稳定性；控制工作面采高，适当的对推进速 度加快；增加支架的初撑力及工作阻力，降低其对工作面地板的比压[10]。 师庆贺对倾斜煤层综放条件下工作面支架倾倒、滑移现象进行了详细的理论分析。 从工作面液压支架的设计、工作面回踩工艺的优化以及工作面生产管理等方面提出了 相应的稳定性措施。为倾斜煤层综合机械化放顶煤技术的引用提供了理论依据[11]。 西安科技大学伍永平教授提出“R-S-F”系统动力学控制基础理论[1214]。较为系统 的总结出大倾角煤层长壁开采覆岩予以规律及矿压显现特征。并通过工作面围岩灾变 建立了“R-S-F”系统动力学模型，对“R-S-F”系统动态稳定性进行分析，得出“R-S- 万方数据 1 绪论 3 F”系统失稳的主要参数及支架动态稳定的工作阻力，确定了动态稳定性控制模式[1516]。 奠定了大倾角煤层开采的理论、技术基础，同时，也拓展了复杂条件下煤层开采技术 的研究领域[1718]。 西安科技大学贠东风教授和伍永平教授对大倾角煤层综采工作面仰伪斜推溜定理 进行了论述并给予证明。同时，以此定理总结出大倾角煤层综采工作面仰伪斜原理及 方法[19]。西安科技大学来兴平教授通过对大倾角厚煤层综合机械化放顶煤工作面回采 过程中煤岩力学特征以、运动规律、液压支架力学模型和应力分布规律进行较为详细 的研究[20]。 四川师范大学黄建功和楼建国等对大倾角煤层工作面覆岩运移特征及破坏规律进 行了较为深入的研究。提出在大倾角煤层直接顶容易形成砌体梁大结构，在工作面中 下部区域会形成砌体梁小结构。对工作面中下部区域小结构保持平衡的极限条件以及 结构失稳的形式进行了详细的探讨[21]。同时，分析了工作面不同区域“支架-围岩”的 相互作用关系，对“支架-围岩”在工作面上的结构特点进行了深入的研究，依次提出 了相应的“支架-围岩”结构的模型[22]。 张东升，吴鑫等以高庄矿 3 上 509 大倾角大采高工作面具体地质条件为基础，对 工作面开采时期支架稳定性进行了力学分析。在力学分析基础上，提出了技术措施， 可以有效地防止工作面生产过程支架发生下滑和倾倒[23]。 林忠明[24]等对大倾角工作面支架抗倾覆、滑移、扭斜稳定性从力学角度进行了分 析。其解决了王家山煤矿 44407 工作面中面临的支架稳定性控制难题。 西安科技大学解盘石[25]通过现场实测、物理相似模拟实验及数值计算分析结合理 论研究，建立相应力学模型，给出了支架-围岩力学模型，最后得出“支架-围岩”稳定性 判定准则。 谢生荣[26]针对大倾角工作面，从液压支架系统、防倒防滑装置、支架-围岩稳定性 控制、三机设备防倒防滑操作工艺等方面提出控制技术。 刘国顺和栾桂宏对大倾角工作面设备失稳以及飞矸伤人等问题，提出了设备及工 艺控制防失稳的新理念，建立防止飞矸伤人的体系，在吉新煤矿进行了相应的工作面 试验，结果有效地解决工作面设备防倒防滑及飞矸问题[27]。 欧亚伟以白坪矿生产为基础，以理论分析工作面设备失稳因素。其总结了大倾角 煤层综采工作面设备稳定性控制措施。通过现场实测，取得了良好的稳定效果[28]。 张东升，吴鑫，张炜等对大倾角煤层特殊阶段回采过程中液压支架稳定性进行力 学分析。提出相应支架稳定性控制措施，对工作面回