浅埋煤层大采高工作面矿压规律与“支架-围岩”关系研究.pdf

论文题目浅埋煤层大采高工作面矿压规律与支架-围岩‖关系研究 专 业采矿工程 硕 士 生刘海胜 （签名） 指导老师黄庆享 （签名） 摘 要 陕北侏罗纪煤田广泛赋存着浅埋煤层， 大采高综采已成为该区厚煤层安全高效开采 的主要方法。多年的生产实践表明，浅埋煤层大采高工作面矿压显现强烈及支架围 岩‖关系认识不统一，围岩控制主要依靠传统理论与经验。因此，研究浅埋煤层大采高 工作面矿压规律，揭示支架围岩‖关系，对浅埋煤层大采高开采具有重要的理论与实 践价值。 本文分别对大柳塔煤矿4m采高20601综采工作面、大柳塔煤矿4.3m采高20604综采 工作面、 榆树湾煤矿5m采高20102综采工作面、 补连塔煤矿5.5m采高32206 综采工作面、 张家峁煤矿6m采高15201综采工作面、纳林庙煤矿6.3m采高62105综采工作面和补连塔 煤矿7m采高22303 综采工作面共7个浅埋煤层大采高工作面的矿压实测数据进行了系统 的分析，得出了浅埋煤层大采高工作面矿压显现基本规律。以张家峁煤矿15201综采工 作面为原型，分别进行采高为 4m、5m、6m和7m时矿压相似模拟实验对比研究，得出 了浅埋煤层大采高工作面覆岩结构及运动规律。在现场实测和相似模拟实验的基础上， 从支架工作阻力、动载系数、顶板来压步距和覆岩结构等方面分析了浅埋煤层大采高工 作面矿压特征及影响因素。基于浅埋煤层大采高工作面老顶直接顶（支架煤壁） 底板‖支撑系统，提出了支架围岩‖关系的系统刚度模型，给出新的支架和煤壁刚 度计算公式。根据 支架-围岩‖系统刚度模型，给出了浅埋煤层大采高工作面支架的工 作状态，结合覆岩结构模型，建立了悬伸岩梁‖力学模型和台阶岩梁‖力学模型，给出 了支架工作阻力的计算公式。 以榆树湾煤矿20102大采高工作面和张家峁煤矿15201大采高工作面为例， 计算周期 来压时控制顶板所需的最小支架工作阻力，计算结果与实测基本相近，验证了计算公式 的可靠性。 关 键 词浅埋煤层；大采高；矿压规律；支架-围岩‖关系；围岩控制 研究类型应用研究 基金项目国家自然科学基金项目（51174156, 51174278）；陕西省科技统筹创新工程计划项目 （2011KTCQ01-41） Subject Shallow seam and large mining height working face research on mine pressure law and The relationship between “support and surrounding rock” Specialty Mining Engineering Name Liu Haisheng hang Pei （（Signature）） InstructorHuang Qingxiang Huang Qingxi （（Signature）） ABSTRACT Northern Shanxi Jurassic coalfield widely exists in shallow seam, has become the main for the safe and efficient mining of thick coal seam of the large mining height fully mechanized. Shows that many years of practice, the shallow coal seam working face strata behaviors strongly and the relation of support and surrounding rock‖understanding not unified, surrounding rock control mainly rely on traditional theory and experience. Therefore, study shallow coal seam of large mining height working face of mine pressure law , reveal the relationship between support and surrounding rock‖, has important theoretical and practical value to the shallow coal seam with large mining height. This paper respectively in Da Liu-ta coal mine 4m mining height fully mechanized coal mining face 20601, Da Liu-ta coal mine 4.3m mining height fully mechanized coal mining face 20604, Yu Shu-wan coal mine 5m mining height fully mechanized coal mining face 20102, Bu Lian-ta coal mine 5.5m mining height 32206 fully mechanized coal face, Zhang Jia-mao coal mine 6m mining height 15201 fully mechanized coal mining face, Na Lin-miao coal mine 6.3m mining height 62105 fully mechanized coal mining face and Bu Lian-ta coal mine 7m mining height 22303 fully mechanized coal mining face a total of 7 shallow seam and large mining height working face of mine pressure observation data for the analysis of the system, the shallow coal seam working face with large mining height mining basic pressure behavior. In 15201 fully mechanized coal face Zhang Jia-mao as the prototype, are high for mine pressure similar experimental simulation study on 4m, 5m, 6m and 7m, the shallow coal seam with large mining overburden structure and law of movement. Based on field observation and simulation experiments,from the aspects of support working resistance, dynamic load coefficient, roof weighting step distance and structure of overlying strata analysis of shallow coal seam and large mining height working face pressure characteristics and influencing factors. Based on the shallow buried coal seam working face with large mining height old top - direct roof – Support coal wall – floor‖ support system, put forward the system of support and surrounding rock‖ relationship stiffness model, given a new stiffness ula of the Support and coal wall. According to support and surrounding rock‖system stiffness model , given the shallow coal seam and large mining height working face of the support working state, combined with the structure of overlying strata model, to build hanging rock beam‖ mechanical model and step rock beam‖ mechanical model,give out the calculation ulas of working resistance of support. Taking Yu Shu-wan coal mine 20102 working face with large mining height and Zhang Jia-mao coal mine 15201 working face as an example, calculation cycle to pressure control of minimum support working resistance of roof required, the calculated results with the measured basic similar, validated the reliability of the ula. Key wordsshallow seam ;large mining height;mine pressure law;the relationship between support and surrounding rock‖;surrounding rock control Thesis application research 目录 I 目 录 1 绪论 ........................................................................................................................................ 1 1.1 选题背景和研究意义 ...................................................................................................... 1 1.1.1 选题背景 .................................................................................................................... 1 1.1.2 研究意义 ................................................................................................................... 3 1.2 浅埋煤层大采高国内外研究现状 .................................................................................. 3 1.2.1 国外研究现状 ........................................................................................................... 3 1.2.2 浅埋煤层大采高工作面矿压规律国内研究现状 ................................................... 5 1.2.3 大采高工作面支架围岩‖国内研究现状 ............................................................ 9 1.3 研究内容及技术路线 .................................................................................................... 11 2 浅埋煤层大采高工作面矿压显现规律实测分析 .............................................................. 13 2.1 大柳塔煤矿 20601 大采高工作面矿压显现规律 ........................................................ 13 2.1.1 20601 大采高工作面开采条件 ............................................................................ 13 2.1.2 20601 工作面覆岩组成 ........................................................................................ 13 2.1.3 20601 大采高工作面矿压显现规律 .................................................................... 14 2.2 大柳塔煤矿 20604 大采高工作面矿压显现规律 ........................................................ 15 2.2.1 20604 大采高工作面开采条件 ............................................................................ 15 2.2.2 20604 工作面覆岩组成 ........................................................................................ 15 2.2.3 20604 大采高工作面矿压显现规律 .................................................................... 15 2.3 榆树湾煤矿 20102 大采高工作面矿压显现规律 ........................................................ 16 2.3.1 20102 大采高工作面开采条件 ............................................................................ 17 2.3.2 20102 工作面覆岩组成 ........................................................................................ 17 2.3.3 20102 大采高工作面矿压显现规律 .................................................................... 18 2.4 补连塔煤矿 32206 大采高工作面矿压显现规律 ........................................................ 19 2.4.1 32206 大采高工作面开采条件 ............................................................................ 20 2.4.2 32206 工作面覆岩组成 ........................................................................................ 20 2.4.3 32206 大采高工作面矿压显现规律 .................................................................... 20 2.5 张家峁煤矿 15201 大采高工作面矿压显现规律 ........................................................ 23 2.5.1 15201 大采高工作面开采条件 ............................................................................ 23 2.5.2 15201 工作面覆岩组成 ........................................................................................ 23 2.5.3 15201 大采高工作面矿压显现规律 .................................................................... 24 2.6 纳林庙煤矿 62105 大采高工作面矿压显现规律 ........................................................ 27 目录 II 2.6.1 62105 大采高工作面开采条件 ............................................................................ 27 2.6.2 62105 工作面覆岩组成 ........................................................................................ 27 2.6.3 62105 大采高工作面矿压显现规律 .................................................................... 28 2.7 补连塔煤矿 22303 大采高工作面矿压显现规律 ........................................................ 29 2.7.1 22303 大采高工作面开采条件 ........................................................................... 29 2.7.2 22303 工作面覆岩组成 ........................................................................................ 30 2.7.3 22303 大采高工作面矿压显现规律 ................................................................... 30 2.8 本章小结 ........................................................................................................................ 33 3 浅埋煤层大采高工作面覆岩结构及运动规律相似模拟实验 .......................................... 35 3.1 浅埋煤层大采高工作面相似模拟实验目的及内容 .................................................... 35 3.2 浅埋煤层大采高工作面相似模拟实验地质条件 ........................................................ 35 3.3 浅埋煤层大采高工作面相似模拟实验设计 ................................................................ 35 3.3.1 浅埋煤层大采高工作面相似模拟实验模型 ......................................................... 36 3.3.2 浅埋煤层大采高工作面相似模拟实验配比 ......................................................... 36 3.4 浅埋煤层大采高工作面相似模拟实验过程及分析 .................................................... 38 3.4.1 4m 采高实验过程及分析 ..................................................................................... 39 3.4.2 5m 采高实验过程及分析 ..................................................................................... 39 3.4.3 6m 采高实验过程及分析 ..................................................................................... 41 3.4.4 7m 采高实验过程及分析 ..................................................................................... 41 3.5 浅埋煤层大采高工作面相似模拟实验结果 ................................................................ 42 3.6 本章小结 ........................................................................................................................ 43 4 浅埋煤层大采高工作面矿压特征及影响因素分析 .......................................................... 44 4.1 采高及覆岩结构组成对矿压特征的影响 .................................................................... 44 4.1.1 支架工作阻力 ......................................................................................................... 46 4.1.2 动载系数 ................................................................................................................. 47 4.1.3 顶板来压步距 ......................................................................................................... 48 4.2 覆岩结构及运动规律 .................................................................................................... 48 4.2.1 典型浅埋煤层大采高工作面覆岩结构及运动规律 ............................................. 48 4.2.2 近浅埋煤层大采高工作面覆岩结构及运动规律 ................................................. 49 4.3 本章小结 ........................................................................................................................ 50 5 浅埋煤层大采高工作面支架-围岩‖关系 ......................................................................... 51 5.1 浅埋煤层大采高工作面支架-围岩‖系统刚度模型 ................................................... 51 5.1.1 浅埋煤层大采高工作面支架-围岩‖系统刚度计算 ............................................ 51 5.1.2 浅埋煤层大采高工作面支架-围岩‖系统刚度分析 ............................................ 54 目录 III 5.2 浅埋煤层大采高工作面支架工作状态判定 ................................................................ 54 5.2.1 大采高工作面支架工作状态 .................................................................................. 55 5.2.2 浅埋煤层大采高工作面支架工作状态 .................................................................. 55 5.3 浅埋煤层大采高工作面支架工作阻力计算 ................................................................ 56 5.3.1 典型浅埋煤层大采高工作面支架工作阻力计算 .................................................. 56 5.3.2 近浅埋煤层大采高工作面支架工作阻力计算 ...................................................... 57 5.4 浅埋煤层大采高工作面支架工作阻力计算实例分析 ................................................ 60 5.5 本章小结 ........................................................................................................................ 64 6 结论 ...................................................................................................................................... 65 致 谢 ...................................................................................................................................... 67 参考文献 .................................................................................................................................. 68 附 录 ...................................................................................................................................... 74 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题背景和研究意义 1.1.1 选题背景 我国是世界上少数几个以煤炭为主要能源的国家之一， 煤炭在一次能源中所占比例 超过 70。2009 年，煤炭在我国一次能源生产和消费结构中的比例分别达到了 77.2和 70.3，今后随着可再生能源和国外输入能源的上升，国产煤炭占我国一次能源消费总 量的比例会逐渐下降，但煤炭消费的绝对值仍然会是上升的，煤炭仍然是我国主要的可 靠的一次能源。十一五‖期间，全国煤炭产量大幅快速增加。全国原煤产量由 2005 年 的 22.05 亿吨快速增加到 2012 年的 36.5 亿吨，年均增长 1.92 亿吨。建成神东、鲁西、 陕北、冀中、黄陇华亭、两淮、晋北、云贵、晋中、蒙东东北、晋东、宁东、河南 13 个大型煤炭基地。 大型现代化煤矿和安全高效矿井建设取得了实质性进展。 初步统计， 全国已建成年产 120 万吨以上的大型矿井 434 处，核定生产能力为 12.63 亿吨，占总核 定生产能力的 50.62；其中生产能力大于 1000 万吨的特大型矿井建成 25 处，总核定 生产能力为 3.4 亿吨。到 2008 年底，全国已经建成 290 多个安全高效生产煤矿，产煤总 量为 8.6 亿吨，占 2008 年全国煤炭总产量的 30.9。我国安全高效煤矿的采矿机械化达 90以上，综合机械化程度达 85以上。到了 十二五‖，全国煤炭开发规划逐渐调整， 我国西部煤炭资源丰富，资源储量超过总量的 60，煤炭资源开发将要重点西移[1]。根 据第三次全国煤炭资源预测结果，全国预测资源量 45521.04 亿吨，其中晋陕蒙（西）接 壤地区 17014.58 亿吨，占全国的 37.39，近年来随着地质工作的深入，晋陕蒙等地区 发现和探明了一批新的煤炭资源， 尤其是陕北侏罗纪煤田已经成为我国煤炭资源富集程 度最高、煤质最好、开发前景最好的区域之一，煤炭资源总量 2150 亿吨，探明约 1400 亿吨，以灰分产率小于 10、全硫含量小于 1的优质煤炭资源为主，占全国同类资源 的 50，具有良好的开发前景。是我国现已探明的煤炭资源量最大的煤田，煤炭资源约 占全国保有量的 14，该区以储量丰富、煤质优良、地质构造简单、开采技术条件优越 而备受国内外关注。 大规模煤炭开发始于 1987 年， 截至 2008 年底， 区内生产矿井有 260 余处，占陕西省全省矿井总数的 59，原煤产量占全省的 67以上，成为陕西省乃至全 国最重要的煤炭生产基地，2007 年原煤产量达到 1.32 亿吨，2008 年 1.55 亿吨，近年来 以每年 2000 万吨左右的速度递增，本区是国家 21 世纪煤炭工业战略西移的首选基地， 对国民经济发展具有重大意义[2]。 陕北侏罗纪煤田地处我国西北内陆干旱地区、 毛乌素沙漠与陕北黄土高原的接壤地 西安科技大学硕士学位论文 2 带，水资源贫乏，生态环境脆弱。煤层埋藏浅（一般300m以内） ，赋存稳定，上覆基岩 薄, 厚沙土覆盖层，呈现典型浅埋煤层和近浅埋煤层两种状态。煤层地质构造简单，倾 角1～3 ，开采条件优越，主要采用综合机械化长壁开采方法，全部垮落法管理顶板[2]。 有5个含煤组，可采煤层14层，单层最大厚度为12.5米[3]，煤层赋存形态如图1.1所示。厚 煤层储量巨大，大采高综采已成为该区厚煤层实现安全高效开采的主要方法。 图1.1 陕北侏罗纪煤田煤层赋存形态剖面图 实践表明，浅埋煤层长壁工作面矿压显现强烈，工作面普遍出现台阶下沉现象，如 大柳塔矿建井初期的试采工作面（C202） ，来压期间普遍出现350～600mm的台阶下沉， 第一个综采工作面（1203） ，埋深50～60m，采高4m，支架阻力3500kN，初次来压期间 工作面中部约90m范围顶板出现台阶下沉，矿压显现非常强烈，其中部31m范围内顶板 台阶下沉量高达1000mm，来压猛烈，造成工作面部分支架被压死[4]。近年来，随着浅 埋煤层长壁开采技术、顶板结构与岩层控制理论和液压支架支护能力的发展，顶板台阶 下沉和支架被压死现象已基本可以控制。但是，随着采高的加大，浅埋煤层大采高长壁 工作面矿压显现仍然强烈，煤壁片帮和局部冒顶现象严重，支架工作阻力剧增，支架损 坏率高、支架受偏心重载影响支架稳定及对围岩的支护作用，长期以来，制约着浅埋煤 层大采高工作面的安全高效生产。为了防止上述现象的影响，工作面不断增加大采高液 压支架的支护能力，支架工作阻力从过去的6700kN /架逐步提升到7200kN /架、8800 kN /架、乃至10000 kN /架以上，液压支架吨位的提高已经达到目前生产的极限，而其造价 也随着吨位的增加直线上升，工作面支护投资也因此直线上升，但仍然存在顶板局部台 阶下沉、煤壁片帮、局部冒顶、支架损坏率高的现象[5]。这充分说明支架围岩‖关系 认识不统一，围岩控制主要依靠传统理论与经验。因此，浅埋煤层大采高工作面矿压规 1 绪论 3 律与支架-围岩‖关系是今后陕北侏罗纪煤田浅埋煤层大采高工作面安全高效生产急需 解决的一个重大科技问题。 1.1.2 研究意义 陕北侏罗纪煤田是我国现已探明的煤炭资源量最大的煤田， 煤炭资源约占全国保有 量的 14，该区以储量丰富、煤质优良、地质构造简单、开采技术条件优越而备受国内 外关注。已经成为我国煤炭资源富集程度最高、煤质最好、开发前景最好的区域之一， 自 1987 年大规模煤炭开发，截至 2008 年底，区内生产矿井有 260 余处，