大倾角松软煤层综放工作面顶煤破坏影响因素与机理研究.pdf

论文题目大倾角松软煤层综放工作面顶煤破坏影响因素与机理研究 专 业采矿工程 硕 士 生郎 丁 （签名） 指导教师伍永平 （签名） 摘 要 大倾角松软煤层综放工作面顶煤破坏影响因素多，机理复杂。回采过程中，顶煤的 破碎、漏冒对工作面支护系统稳定性起着决定性影响。研究大倾角松软煤层综放工作面 顶煤破坏的影响因素及作用机理对控制工作面“支架围岩”系统稳定、保证工作面安全 高效生产具有重要的指导意义。 本文采用数值分析、物理相似模拟实验、理论分析与工程实践相结合的方法对顶煤 破坏的影响因素及诸因素对顶煤破坏的作用机理进行了研究，结果表明 不同的煤层倾角、煤层强度、采放比以及支架的反复支撑是顶煤破坏的四个主要影 响因素。煤层倾角的增大将使得顶煤破坏程度的区域性特征凸显；煤层强度的降低则会 加剧端面顶煤的破坏，扩大破坏范围；随着采放比的增大端面顶煤的变形破坏程度将进 一步加剧；支架的反复支撑将使得控顶区顶煤的残余强度急剧下降，破坏为失去宏观力 学联系的散体介质。在这四个影响因素中，煤层倾角与煤层强度属内因，支架的反复支 撑与采放比设计属外因。 顶煤的“施载体”主要是基本顶“结构”与下位载荷层载荷。沿走向基本顶“结构”形式 将经历“悬臂梁”→“砌体梁”→“低位小结构”的转化过程。工作面推进过程中，顶煤受到 的顶板压力主要由非均衡约束作用下顶板的“低位小结构”失稳与载荷层载荷所提供。受 煤层倾角影响，沿倾斜方向“关键层”层位向上迁移导致不同区域顶板“结构”的形成层位 与失稳形式不一，进而使得顶煤在不同压力作用下的破坏程度出现区域性差异。当顶煤 进入支架上方后，随着围压状态的改变，煤体残余强度迅速降低，此时支架的反复支撑 将会对在支承压力下已发生损伤的顶煤造成再次破坏，特别是在煤层松软时，这种破坏 的程度更加剧烈，影响范围也更靠近煤壁，易造成顶煤漏冒。当采放比设计过大时，较 薄的顶煤抗载能力弱化，在外载作用下更加容易过早地在支架上方破坏为散体介质。上 述因素对顶煤的破坏作用在一定条件下耦合叠加，将极大弱化工作面“支架围岩”系统 稳定性，诱发工作面围岩灾害。 长山子煤矿 1121 工作面生产过程中支架的工作阻力分布以及稳定性的特征显现了 各影响因素对顶煤的破坏作用，并针对这些破坏作用提出了“大倾角松软煤层综放工作 万方数据 面支护系统稳定性关键控制措施”。 关 键 词大倾角煤层；放顶煤；分区破坏；端面漏冒；支架稳定性 研究类型应用基础研究 万方数据 Subject Research on the influence factors and mechanism of top-coal break on fully-mechanized caving face in steeply dipping soft seam Specialty Mining Engineering Name Lang Ding （（Signature）） Instructor Wu Yongping （（Signature）） ABSTRACT The mechanism of top coal break on fully-mechanized caving face in steeply dipping soft same is extremely complex and has many influence factors. During the mining process, the breaking and falling of top-coal has a crucial effect on support stability. Research on the influence factors and mechanism of top coal failure on fully-mechanized caving face in steeply dipping soft same has great significance to control “support - surrounding rock” system stability and ensure the safe highly effective production. By the integrated s of physical simulation, numerical simulation, theory analysis and engineering practice, the influence factors and mechanism of action to top coal failure are studied. The studied indicate that Different dip angle, seam strength, mining-caving ratio and repeatedly supporting are major factors of top-coal breaking. Along with dip angle increase the stress distribution on top-coal present asymmetric characteristics; along with seam strength decline the tip-to-face top coal generates larger deation and range; along with the race of mining-caving ratio the deation degree of tip-to-face top coal will be aggravated; repeatedly supporting will lead to the residual strength of top-coal located in the roof control area, and further broken into granular medium which has lost macroscopic mechanical connection. Along the four factors dip angle and seam strength are internal cause, mining-caving ratio and repeatedly supporting are external cause. The “load applied object” of top-coal is composed of main roof “structure” and the lower granular-mass load stratum. Along the strike the main roof “structure” will experience the conversion process as “cantilever beam” → “masonry beam” →“lower position micro structure”. During the working face advancing, the press on top-coal is mainly provided by the instability of “lower small structure” and load stratum. Affected by the dip angle, the removed of “key layer” along the tendency will lead to the “structure” location and instability expressed different characteristic, further makes the extent of top-coal breaking 万方数据 inconity. When top-coal located up over the support, with the decreased of confining pressures the residual strength of top-coal declined dramatically. For the time being, the repeatedly supporting by support will case the damaged top-coal under the abutment pressure broken again, especially in soft seam, the extent of top-coal breaking will be more violent and the impact area will be closer to the coal wall, and will easily cause the top-coal falling. Meanwhile, excessive mining-caving ratio would weaken the capability of thin top-coal load resistance, thus make the top-coal broke into granular medium prematurely. The above factors’ coupling and superposing will extremely weakened the stability of “support-surrounding rock” system. The characteristics of working resistance distribution and support stability of 1121 working face have sufficiently validated the damage effect on top-coal of all the influence factors. Based on these, the “key control measures of supporting system stability on fully-mechanized caving face in steeply dipping soft seam” has been proposed. Key words steeply dipping seam top-coal caving partition break tip-to-face falling support stability Thesis Basic application research 万方数据 目录 I 目目 录录 1 绪论 ......................................................................................................................................... 1 1.1 选题背景及研究意义 ................................................................................................... 1 1.1.1 选题背景 ............................................................................................................. 1 1.1.2 研究意义 ............................................................................................................. 1 1.2 本课题研究领域国内外的研究动态及发展趋势 ....................................................... 2 1.2.1 我国大倾角煤层开采的历史沿革与发展 ......................................................... 2 1.2.2 我国大倾角开采岩层运动及控制理论研究现状 ............................................. 3 1.2.3 国内对综放采场顶煤破坏特征与机理的研究 ................................................. 5 1.2.4 国外对大倾角煤层开采理论的研究 ................................................................. 7 1.2.5 国外对综放采场顶煤破坏机理与特征的研究 ................................................. 8 1.3 国内外研究综述 ........................................................................................................... 8 1.4 研究内容、方法和技术路线 ..................................................................................... 10 1.4.1 研究内容 ........................................................................................................... 10 1.4.2 研究方法和技术路线 ....................................................................................... 10 2 大倾角松软煤层综放工作面顶煤破坏影响因素分析 ....................................................... 13 2.1 影响因素选取 ............................................................................................................. 13 2.2 数值计算 ..................................................................................................................... 13 2.2.1 研究内容 ........................................................................................................... 13 2.2.2 计算参数 ........................................................................................................... 14 2.2.3 实验方案 ........................................................................................................... 14 2.2.4 数值计算模型 ................................................................................................... 15 2.3 数值模拟结果 ............................................................................................................. 16 2.3.1 不同煤层倾角下的模拟结果 .......................................................................... 16 2.3.2 不同煤层强度下的模拟结果 .......................................................................... 19 2.3.3 不同采放比条件下的模拟结果 ...................................................................... 22 2.3.4 支架反复支撑下的模拟结果 .......................................................................... 26 2.4 本章小结 .................................................................................................................... 28 3 大倾角综放工作面顶煤“施载体”结构的形成与演化 ....................................................... 30 3.1 沿工作面走向顶煤“施载体”结构的形成与演化 ..................................................... 30 万方数据 目录 II 3.1.1 实验模型 ........................................................................................................... 30 3.1.2 基本顶“结构”的形成与周期性失稳 ............................................................... 31 3.1.3 工作面矿山压力显现特征 ............................................................................... 35 3.1.4 沿工作面走向顶煤破坏特征 ........................................................................... 35 3.1.5 沿工作面走向支承应力演化特征 ................................................................... 36 3.2 沿工作面倾向顶煤“施载体”结构的形成与演化 ..................................................... 38 3.2.1 实验模型 ........................................................................................................... 38 3.2.2 实验过程及主要现象 ....................................................................................... 39 3.2.3 工作面倾向顶板垮落特征分析 ....................................................................... 41 3.2.4 沿倾斜方向顶煤运移特征 ............................................................................... 42 3.2.5 倾斜向支架工作阻力分布 ............................................................................... 43 3.3 本章小结 ..................................................................................................................... 44 4 不同影响因素对顶煤破坏的作用机理分析 ....................................................................... 45 4.1 顶煤的破坏机理 ......................................................................................................... 45 4.2 煤层倾角对顶煤破坏的作用机理 ............................................................................. 46 4.2.1 超前支承压力对顶煤的区域性预破碎作用 ................................................... 47 4.2.2“关键层”层位迁移对顶煤的区域性破坏作用 ................................................ 47 4.2.3 煤层倾角作用下顶煤的区域性破坏特征分析 ............................................... 51 4.3 煤层强度对端面顶煤稳定性的决定性作用 ............................................................. 51 4.4 采放比对端面顶煤稳定性的控制作用 ..................................................................... 53 4.5 支架反复支撑对控顶区顶煤的再破坏作用 ............................................................. 56 4.6 端面顶煤的多因素耦合破坏机理 ............................................................................. 57 4.7 本章小结 ..................................................................................................................... 58 5 工程实践 ............................................................................................................................... 60 5.1 工程背景 ..................................................................................................................... 60 5.2 顶煤破坏的工程显现 ................................................................................................. 61 5.2.1 1121 工作面矿山压力监测 .............................................................................. 61 5.2.2 顶煤的区域性破坏对支架工作状态的影响 ................................................... 62 5.2.3 端面顶煤破碎漏冒对支架稳定性的影响 ....................................................... 64 5.2.4 采放比对顶煤破碎程度影响作用的显现 ....................................................... 66 5.3 大倾角松软煤层综放工作面支护系统稳定性控制措施 ......................................... 67 5.3.1 放煤量的分区控制措施 ................................................................................... 68 5.3.2 移架措施 ........................................................................................................... 68 5.3.3 支架选型要求 ................................................................................................... 69 万方数据 目录 III 5.3.4 合理采放比确定依据 ....................................................................................... 69 5.4 本章小结 ..................................................................................................................... 70 6 结论与展望 ........................................................................................................................... 71 6.1 主要结论 ..................................................................................................................... 71 6.2 展望 ............................................................................................................................. 71 致谢 .......................................................................................................................................... 72 参考文献 .................................................................................................................................. 73 附录 .......................................................................................................................................... 77 万方数据 1 绪论 1 1 绪论绪论 1.1 选题背景及研究意义 1.1.1 选题背景 长期以来，煤炭占我国一次能源消费比重高达 70左右。近年，虽然随着新能源技 术的开发与推广，煤炭所占能源消费比重略有下降，但其作为我国主要能源的这一基本 面没有改变，并且据预测，在未来的二十年内煤炭在我国一次能源消费结构中仍将占有 50～60的比重[1]。与此同时，鉴于煤化工产业的蓬勃发展，处于产业链条上游的煤 炭，其需求量将持续保持稳定增长。随着我国煤炭资源开发的“战略西进”，西部地区广 泛赋存的大倾角煤层的开采将在我国煤炭资源开发的战略格局中将扮演越来越重要的 角色。一般将倾角处于 35 ～55 的煤层称为大倾角煤层[2][4]。世界主要产煤国家均赋存 有该类煤层。在我国，大倾角煤层储量占比达全国煤炭总储量的 14.5，西部地区大倾 角煤层储量尤其丰富，约有半数以上的西部矿井在开采大倾角煤层，且将其作为主采煤 层。 在西部地区，厚及特厚煤层赋存量占大倾角煤层总储量的 60以上，鉴于综放开采 高产、 高效、 低成本、 适应性强的技术优势， 目前在该类煤层的开采中得到了广泛应用。 然而在实际生产中，大倾角综放开采仍面临许多工程实践难题。以长山子 1121 工作面 为例，该工作面属于大倾角松软煤层综放工作面，在生产过程中顶煤架前、架间漏冒频 发，支架易发生倾倒且在工作面倾斜方向不同部位支护系统的稳定性差异较大，对工作 面支护作业的统一管理与控制带来困难，严重影响生产效率，威胁人员设备安全。如何 在保证顶煤放出率的同时有效控制支架稳定性， 是大倾角松软煤层综放开采面临重大难 题之一。 解决这一难题的关键在于厘清大倾角综放工作面顶煤破坏的主要影响因素及其 作用机理。 1.1.2 研究意义 大倾角煤层的形成多收复杂剧烈的地质构造运动影响， 岩层裂隙发育程度高易发生 破坏。同时，采空区垮落矸石受倾角影响具有显著的滑移充填特征，这使得工作面倾斜 方向不同部位顶板受到垮落矸石的非均衡约束作用进而造成顶板“结构”形成层位、应力 释放与变形破坏程度产生差异[5][9]。在综放工作面，作为支护系统与煤层顶板之间的唯 一介质，不同部位顶煤也将受这种差异的影响而处于不同受力状态，在倾斜方向不同部 位呈现出程度不一破坏，这对工作面的支护工作造成了困难。在松软煤层条件下，顶煤 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 2 易破坏进入散体状态在架前、架间漏冒并在支架上方沿层面方向滑移滚动，严重弱化了 “支架围岩”系统稳定性。同时，如何合理确定采放比以确保顶煤留设厚度既能保证端 面顶煤具有一定的抗载能力而不至在端面发生冒顶又能实现顶煤的顺利放出关系到矿 井的安全与经济效益。 因此， 对大倾角松软煤层综放工作面在多因素影响下的顶煤破坏特征及作用机理的 研究不仅丰富了大倾角煤层开采的基础理论研究内容， 同时对该类大倾角煤层的采场顶 板管理措施，支架设备选型及开采工艺优化等工程实践具有重要的理论参考价值。 1.2 本课题研究领域国内外的研究动态及发展趋势 1.2.1 我国大倾角煤层开采的历史沿革与发展 我国大倾角煤层的开采较早，技术也较为领先。早在上世纪 50 年代初期，倒台阶 采煤方法已得到应用，该采煤方法适应性强，回采率高，但下部台阶的失稳易引发工作 面整体失稳诱发事故，且回采工艺复杂、劳动强度高[10]。 在上世纪 60 年代，淮南、开滦等大倾角煤层赋存矿区开始推广伪斜柔性掩护支架 采煤法，取得了较好的效益。该方法使用柔性掩护支架将回采空间与采空区隔离，有效 遏制了滚落矸石导致的伤人损物事故，简化了支架回收与采空区处理工艺。但这种采煤 方法存在对工作面倾角变化及工作面倾斜长度的适应性差，工作面通风能力弱，瓦斯治 理困难等技术缺陷[11]。 20 世纪 80 年代，西南地区的众多大倾角煤矿在大倾角煤层俯伪斜采煤方法方面进 行了艰辛探索，发展形成了伪斜短壁采煤法、伪斜走向长壁分段密集支柱采煤法、伪斜 小巷多短壁采煤法等一系列针对性强、灵活简易的采煤方法，有效提高了西南地区大倾 角煤层的煤炭产量，极大丰富了我国大倾角煤层开采的技术理论体系，技术经济效益显 著[12][13]。 在我国西北地区，以甘肃省为代表的靖远、窑街等矿务局在 80 年代中期针对赋存 的大倾角厚煤层进行了非机械化大采高开采、大推进度开采、超前预爆破放顶煤开采的 工业试验，取得了成功[14][15]。 进入 80 年代后期，随着综采技术在我国的推广成功与迅猛发展，辽宁、新疆、河 北、四川等地矿区陆续自助研发或引进大倾角综采设备及技术，进行了大倾角煤层综合 机械化开采的工业性试验，但未取得预期效果。直到 1996 年．四川绿水洞煤矿与西安 科技大学合作在 5654 工作面成功进行了大倾角综合机械化开采，研制了成套大倾角煤 层综采设备，攻克了工作面设备放倒、防滑、“飞矸”伤人损物等一系列技术难题，实现 了大倾角综采工作面的安全高效开采，达到国际领先水平[16]。此后，绿水洞煤矿大倾角 煤层综合机械化开采技术很快在全国得到了推广，新疆焦煤集团、河北开滦集团、甘肃 万方数据 1 绪论 3 靖远煤业集团、华亭煤业集团、黑龙江双鸭山矿业集团、安徽淮南矿业集团分别结合自 身生产地质条件进行了一系列大倾角综采技术的革新与实验， 均获得良好的经济技术效 益[17][22]，开启了我国大倾角煤层综合机械化开采的崭新篇章。 1.2.2 我国大倾角开采岩层运动及控制理论研究现状 上世纪 80 年代以原成都干部管理学院平寿康教受为代表的我国学者开始对大倾角 长壁开采的围岩灾害及控制技术进行研究，先后完成了“大倾角矿压显现立体相似模拟”、 “大倾角薄及中厚煤层俯伪斜走向长壁采煤法矿压显现”“大倾角煤层采面顶板岩层运动 研究”等一大批科研课题[23][24