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万方数据 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 I 综放工作面上覆岩层运动规律及支架选型研究 摘 要 厚煤层及特厚煤层的开采在我国煤炭资源的开发利用中占有相当重要 的地位。同时综放开采是我国厚煤层开采的主要方法之一，其安全高效开 采的首要任务和根本保证是对工作面进行有效的支护。液压支架作为综放 设备的核心，其能够有效保证必要的安全作业空间和工作面综放设备的机 械化移动，同时工作面液压支架的投资占整套工作面采煤设备投资的 60 以上，所以液压支架的正确选型不但决定着工作面能否安全高效生产，而 且决定着煤炭企业投资是否合理。为了实现井下工作面安全、高效、集约 生产，放顶煤工作面液压支架的初步选型和重要参数必须确定合理。 随着综合机械化放顶煤开采技术在我国的大面积推广，充分认识综放 工作面采场上覆岩层运动破坏规律和支架围岩相互关系，可以帮助我们 很好的了解放顶煤工作面围岩结构的受力特征和变形规律，具有指导工作 面安全生产的重要意义。 本文以三元煤业1312 工作面液压支架初步选型及参数确定为工程背景。 首先，考察并收集了三元煤业 1312 工作面资料，同时结合顶板窥视结果， 充分分析了 1312 工作面顶底板围岩的特性。其次，在前人研究成果的基础 上，充分认识了综放开采顶煤的破碎机理、影响顶煤冒放的因素、放顶煤 顶板及端头的围岩运动结构，以及采场支架围岩模型的强度耦合、刚度 耦合和稳定性耦合的支架围岩耦合理论。 再次， 根据液压支架选型理论， 结合三元煤业 1312 工作面具体地质条件，为该工作面进行液压支架初步选 型；同时结合理论计算公式与安全生产的要求，确定液压支架中心距、支 护强度和工作阻力、初撑力和最大、最小支撑高度等重要参数，并提出液 压支架操作过程中的注意事项。最后运用数值模拟软件 FLAC3D，研究和 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 II 分析了放顶煤开采的垂直应力分布规律及工作面中部和端头垂直应力与垂 直位移变形的分布特征，同时利用数值模拟软件 FLAC3D 分析了工作面顶 板在不同支架支护强度下顶板的垂直位移变形规律，从而验证理论确定支 护强度的正确性。综合考虑以上各方面因素，最终确定了 1312 工作面液压 支架的型号。所选定的放顶煤液压支架为三元煤业 1312 工作面创造了必要 的安全回采空间，为工作面安全、高效、集约生产创造了有利的条件，进 而为三元煤业取得了良好的经济效益。所以本次确定的液压支架型号契合 当代煤矿企业的发展要求。 本论文的研究成果可以为其他研究综放工作面上覆岩层运动规律及放 顶煤工作面液压支架选型提供一定的参考价值。 关键词综放工作面，上覆岩层运动规律，理论计算，数值模拟，支 架选型 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 III STUDY OF OVERLYING STRARA MOVEMENT LAW AND SELECTION OF SUPPORT IN FULLY-MECHANIZED WORKING FACE ABSTRACT The exploitation of extra thick coal seam plays an important role in the development and utilization of coal resources across China, and the fully mechanized caving mining is one of main s in mining thick coal seam. The effective support is the primary task and fundamental guarantee in fully mechanized caving mining safely and efficiently. Hydraulic support, as the core equipment in fully mechanized caving mining, which investment accounted for 60 of the whole working surface coal mining equipment, not only can effectively guarantee the safe operation space, but also can ensure the movement of comprehensive mechanical equipment. Therefore, the correct selection of hydraulic support not only determines whether the working face is safe and efficiently, but also determines whether the investment id reasonable. Therefore, the preliminary selection of hydraulic support and the determination of other parameters must be reasonable in order to keep safe, efficient and intensive mining. With the large promotion of fully mechanized caving mining technology across China, the relationship between the movement of overlying strata and the support-rock interaction should be well known, which will help us to understand the stress characteristics and deation law in rock strata around the fully mechanized caving face and will be important in guiding the safe mining. The selection of hydraulic support and the determination of parameters in working face No.1312 of Sanyuan coal mine is chose as the engineering background. Firstly, the data were collected and the characteristics of roof strata and floor strata were analyzed based on the peep results. Then, the crushing 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 IV mechanism of top coal, the factors influencing the cave of top coal, the rock structure of roof and rib, the strength-stiffness-stability coupling of rock strata and hydraulic support were explored. Thirdly, the hydraulic support was selected according with the geological conditions. The center distance, support strength, working resistance, initial support force, the maximum and minimum support height were calculated based on different theories. And some attention items were advised in the operation of hydraulic support. Finally, the vertical stress distribution rules as well as the vertical distribution characteristics of force and deation were studied with the numerical simulation software FLAC3D. Meanwhile, the moving deation regular were explored with different supporting strength to verify the correctness of the supporting strength theoretically. With the above factors, the model of hydraulic support in working face No.1312 was determined, which will provide favorable conditions for the safe and efficiently mining and will bring well economic benefits for Sanyuan coal mine. The researches in this paper can provide a certain reference value for studying the movement deation of rock strata and selecting the proper hydraulic support in fully mechanized caving mining KEY WORDSComprehensive caving top coal face ,moving deation of overlying strata, theoretical calculation, numerical simulation, support selection 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 I 目 录 摘 要 ................................................................................................................................... I ABSTRACT ..................................................................................................................... III 第一章 绪论 ............................................................................................................... - 1 - 1.1 课题研究的意义 .......................................................................................... - 1 - 1.2 国内外放顶煤支架的发展及特点 .............................................................. - 2 - 1.2.1 国外放顶煤支架的发展及特点 ....................................................... - 2 - 1.2.2 国内放顶煤支架的发展及特点 ....................................................... - 5 - 1.3 放顶煤液压支架的发展趋势 ...................................................................... - 7 - 1.4 问题的提出与主要研究内容 ...................................................................... - 8 - 第二章 1312 工作面概况及液压支架概述 ............................................................. - 11 - 2.1 三元煤业 1312 工作面概况 ....................................................................... - 11 - 2.1.1 三元煤业井田地质概况 .................................................................. - 11 - 2.1.2 三元煤业 1312 工作面概况 ............................................................ - 11 - 2.1.3 水文地质情况 ................................................................................. - 13 - 2.1.4 煤层分布特征 ................................................................................. - 13 - 2.1.5 顶底板分布特征 ............................................................................. - 13 - 2.1.6 1312 工作面采煤工艺 .................................................................... - 14 - 2.2 液压支架的结构 ........................................................................................ - 15 - 2.2.1 液压支架的承载结构 ..................................................................... - 15 - 2.2.2 液压支架的辅助装置 ..................................................................... - 16 - 2.2.3 液压支架的液压元件 ..................................................................... - 16 - 2.3 液压支架的工作原理 ................................................................................ - 16 - 2.3.1 升降动作 ......................................................................................... - 17 - 2.3.2 推移动作 ......................................................................................... - 17 - 2.4 本章小结 .................................................................................................... - 17 - 第三章 综放工作面上覆岩层运动规律及围岩支架关系 ................................. - 19 - 3.1 采场上覆岩层活动规律 ............................................................................ - 19 - 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 II 3.1.1 国外有关采场上覆岩层活动规律假说 ......................................... - 19 - 3.1.2 国内有关采场上覆岩层活动规律假说 ......................................... - 21 - 3.2 综放开采的岩层控制 ................................................................................ - 24 - 3.2.1 顶煤破碎机理 ................................................................................. - 24 - 3.2.2 顶煤的破坏分区 ............................................................................. - 25 - 3.2.3 顶煤冒放的影响因素 ..................................................................... - 26 - 3.3 综放工作面上覆岩层运动规律 ................................................................ - 28 - 3.3.1 综放工作面顶板运动结构 ............................................................. - 28 - 3.3.2 综放工作面采场覆岩结构 ............................................................. - 30 - 3.3.3 综放工作面端头基本顶结构 ......................................................... - 32 - 3.3.4 综放工作面其他规律 ..................................................................... - 34 - 3.4 综放工作面支架围岩相互作用 ............................................................ - 35 - 3.4.1 支架围岩力学模型 ..................................................................... - 35 - 3.4.2 支架围岩强度耦合 ..................................................................... - 36 - 3.4.3 支架围岩刚度耦合 ..................................................................... - 37 - 3.4.4 支架围岩稳定性耦合 ................................................................. - 39 - 3.5 本章小结 .................................................................................................... - 39 - 第四章 1312 工作面液压支架选型及参数确定 .................................................... - 41 - 4.1 1312 工作面液压支架初步选型 ............................................................... - 41 - 4.1.1 放顶煤液压支架的选型原则 ......................................................... - 41 - 4.1.2 工作面液压支架架型的初步选择 ................................................. - 42 - 4.2 液压支架的参数确定 ................................................................................ - 43 - 4.2.1 液压支架中心距的确定 ................................................................. - 43 - 4.2.2 液压支架支护强度与工作阻力的确定 ......................................... - 43 - 4.2.3 液压支架初撑力的确定 ................................................................. - 47 - 4.2.4 液压支架高度的确定 ..................................................................... - 48 - 4.2.5 工作面支架布置台数的确定 ......................................................... - 49 - 4.2.6 工作面液压支架选型 ..................................................................... - 49 - 4.3 液压支架操作注意事项 ............................................................................ - 50 - 4.3.1 顶板管理时注意事项 ..................................................................... - 50 - 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 III 4.3.2 放煤时注意事项 ............................................................................. - 50 - 4.4 本章小结 .................................................................................................... - 51 - 第五章 工作面液压支架支护强度数值模拟研究 ................................................. - 53 - 5.1 FLAC3D 介绍 ............................................................................................ - 53 - 5.2 回采工作面模型建立 ................................................................................ - 54 - 5.3 数值模拟方案及结果分析 ........................................................................ - 55 - 5.4 本章小结 .................................................................................................... - 61 - 第六章 结论 ............................................................................................................. - 63 - 6.1 主要结论 .................................................................................................... - 63 - 6.2 展望 ............................................................................................................ - 64 - 参考文献 ................................................................................................................. - 65 - 致 谢 ........................................................................................................................... - 69 - 附录 1 攻读学位期间发表论文 .............................................................................. - 71 - 附录 2 攻读硕士期间参加的科研项目 .................................................................. - 71 - 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 IV 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 - 1 - 第一章 绪论 1.1 课题研究的意义 矿业为全人类提供了 80的自然资源，自人类诞生以来，矿业就是基础性产业，在 未来的相当一段时间内，煤炭在我国能源领域仍然占据着重要的战略地位。厚煤层及特 厚煤层一般具有储量大、赋存稳定、煤质好等优点，其开采在我国煤炭资源的开发利用 中占据着相当重要的地位。 大采高综采和综采放顶煤开采是我国重点煤矿在开采厚及特 厚煤层时采用的 2 种主要方法[1]。近十几年来，我国许多煤炭科学工作者致力于采煤方 法的研究，随着放顶煤技术取得重大突破，综放开采便成为我国开采厚及特厚煤层时的 主要方法之一。厚煤层采用综放开采与采用传统的分层开采方法相比具有高效、高产、 新型等显著的优越性； 同时煤炭企业采用综放开采技术开采厚煤层也取得了喜人的经济 效益[2-4]。综放开采的广泛应用有力的推动了综放开采设备的开发与应用，放顶煤液压 支架作为在综放工作面成套设备中能明显区别于普采设备的具备本质特征的唯一特殊 类型设备也取得了重大的发展[5-6]。 厚煤层采用综放开采技术开采的显著特点是一次采煤厚度加大、强度降低和裂隙 较发育的顶煤成了直接顶的一部分， 这使得综放开采的矿压显现与原来综采有了很大的 不同。综放工作面围岩原有的平衡状态在综放开采时便遭到了破坏，使得围岩因自重应 力和构造应力重新分布而诱发了多种煤矿安全事故； 同时在地下煤层开采过程中经常会 遇到诸如冲击矿压、构造和断层等各种地质灾害。液压支架作为综放开采的核心设备， 其能够支撑和控制顶板，防止采空区的矸石窜入工作面，从而确保作业人员必要的安全 空间； 同时支架能够通过千斤顶实现将刮板输送机和采煤机不断推向煤壁和随着工作面 的推进而机械化移动，从而满足煤矿高效生产的要求[7-9]。近年来，以美国、澳大利亚 为代表的发达产煤国家一直致力于矿井的现代化，矿井趋向于大型化、集约化，矿井生 产已基本实现半自动化，正向全自动化发展。放顶煤液压支架是综放开采工作面的核心 设备，其投资占成套工作面采煤设备投资相当大的比重；同时液压支架还肩负着管理顶 底板、保障开采所必须的工作空间、保护工作人员安全生产的重要任务。所以液压支架 的正确选型不仅关系着煤炭企业的投资，同时也是工作面能否安全、高效、集约生产的 决定性因素之一[10-11]。 近年来，随着对液压支架技术的创新与开发，支架对于煤层地质条件的适应范围不 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 - 2 - 断扩大。 煤矿井下工作面支护是否有效是煤炭企业在安全高效生产过程中所面临的问题 之一。综放工作面安全高效开采的首要任务和根本保证便是对工作面进行有效的支护， 工作面有效支护的关键是液压支架的合理正确选型。 液压支架作为综放开采的核心设备， 由于各矿区煤层地质条件的不同，所以确定的支架架型与参数均不同。在煤矿井下生产 过程中，液压支架为工作面采煤创造了有利的条件，保证了煤矿的安全生产。但在生产 过程中， 由于液压支架架型选择和参数确定错误造成的工作面液压支架事故仍是屡屡发 生，不但威胁着作业人员的生命财产安全，也造成了严重的社会影响。液压支架作为综 放开采工作面生产的核心设备，其正确选型决定着工作面能否获得有效的支护，进而终 决定着煤矿能否安全高效的生产。为确保液压支架对围岩的适应性和其自身的可靠性， 必须正确选择液压支架型号；同时确定的液压支架必须与工作面其他设备相匹配，只有 这样才能充分发挥成套设备的能力，保证工作面的安全与高效生产。所以液压支架的合 理初步选型和正确确定支架各项重要参数是综放工作面安全高效生产的重要保证。 工作面的液压支架并不是单一的孤立机构，而是处于与顶底板、煤壁及采空区相互 影响与制约的动态体系中，同时液压支架与围岩之间存在着刚度、强度、稳定性耦合关 系，这种耦合关系使支架与围岩达到相互平衡。所以必须认真研究支架围岩关系，正 确选择液压支架型号和参数，只有这样才能保证工作面安全高效的生产。 本课题通过对支架围岩关系的研究， 充分认识了综放工作面上覆岩层的运动规律； 同时采用理论计算与数值模拟相结合的方法确定了综放开采工作面液压支架型号和重 要参数，并且提出了工作面液压支架操作的注意事项。因此，本课题对于煤矿井下安全 和高效生产具有重要的指导和实践意义， 同时对放顶煤工作面液压支架选型具有一定的 借鉴意义和参考价值。 1.2 国内外放顶煤支架的发展及特点 首台支架于 1954 年在英国被研制出后，支架种类也随着采煤方法的创新而发生着 变化。采用放顶煤开采厚煤层方法的提出促进了放顶煤支架的产生于发展。随着学者对 放顶煤支架与围岩关系的研究和矿业工作者对支架的持续改进和完善， 液压支架的型式 和种类不断的丰富着。 1.2.1 国外放顶煤支架的发展及特点 苏联于 1957 年研发出 KTY 型放顶煤支架。法国于 1963 年研制出四柱式放顶煤液 压支架，该支架因其尾梁形状而被命名为“香蕉”形放顶煤液压支架，如图 1-1 所示， 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 - 3 - 同时该支架于次年在矿区进行生产性试验， 并且获得了成功。 工作面采煤时， 在 “香蕉” 形液压支架上方铺网， 通过在尾梁后面网上开口进行顶煤的冒落， 从而实现放顶煤开采。 图 1-1 “香蕉”形放顶煤液压支架 Fig.1-1 The hydraulic support used in caving top coal with with the type of banana 自上世纪 70 年代起，为了更好的进行顶煤放出工作，英国和法国等国家接连研究 开发了开“天窗”式放顶煤液压支架。英国研制的“天窗”式放顶煤液压支架如图 1-2 所示，该支架在“天窗”附近设置有使顶煤更容易冒落的搅动杆装置，同时为了避免因 顶煤过于坚硬而发生难以冒落的现象， 该类型液压支架在掩护梁上留有供打眼爆破的钻 眼孔。 图 1-2 开“天窗”式放顶煤液压支架 Fig.1-2 The hydraulic support used in caving top coal with the type of “skylight“ shape 为了解决“香蕉”形液压支架在生产中出现的问题，法国先后成功研制了四柱掩护 式 MB1728S 型液压支架和四柱支撑掩护式 FB2130S 型液压支架， 如图 1-3 和图 1-4 所示。MB1728S 型液压支架具有插板式液压支架的显著构造特点，FB2130S 型液 压支架具有开“天窗”式支架的显著特点。这两种类型液压支架的主要区别在于前者液 压支架重量较小，立柱空间较大，便于工作人员进行维修和大煤块的排放；后者液压支 架重量较大且稳定性好， 同时由于输送机安置在液压支架的底座上而可以随支架的推移 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 - 4 - 而一块前移，有利于顶煤的冒落和输送机的推移。 图 1-3 四柱掩护式 MB1728S 型液压支架 Fig.1-3 The hydraulic support with four shields typed as MB1728S 图 1-4 四柱支撑掩护式 FB2130S 型液压支架 Fig.1-4 The hydraulic support with four columns strut shield typed as FB2130S 匈牙利于上世纪 80 年代初研制成功的掩护式顶梁开“天窗”放顶煤液压支架在当 时取得了较好的经济效果，如图 1-5 所示，该支架放落的顶煤和机采的煤炭都由同一部 刮板输送机运输。 图 1-5 匈牙利掩护式顶梁开“天窗”放顶煤液压支架 Fig.1-5 The hydraulic support used in caving top coal with skylight from Hungary 万方数据 太原理工