软煤层大采高综采采场围岩控制理论及技术研究.pdf

太原理工大学 博士学位论文 软煤层大采高综采采场围岩控制理论及技术研究 姓名朱涛 申请学位级别博士 专业岩土工程 指导教师康立勋 20100401 太原理工大学博士研究生学位论文 I 软煤层大采高综采采场围岩控制理论及技术研究 摘 要 我国煤炭储量丰富，厚煤层储量在我国煤炭总储量中约占 44。因 此，厚煤层开采技术在很大程度上决定着我国整个煤炭行业技术研究水 平的提高和经济效益的发挥。近十几年来，大采高液压支架、采煤机和 刮板输送机等配套设备的研制取得了重大突破，促进了大采高综采技术 的进步。由于大采高综采具有资源回收率高、采出煤炭含矸率低、工作 面生产时煤尘少、瓦斯涌出量小等方面的优点，使其成为在厚煤层开采 技术方面迅速发展的新工艺。但是，许多专家和学者通过多年的现场观 测和大量的理论研究发现，在类似地质条件下，大采高综采工艺随着工 作面煤壁和支架高度的加大，支架－围岩系统的稳定性降低、事故率增 加。如果再受到断层、裂隙、节理、褶曲、陷落柱等复杂地质条件及煤 质松软且煤层本身为节理、裂隙发育的软弱煤层等因素的影响时，极有 可能会使得大采高综采工作面支架－围岩系统的稳定性更差、事故率更 高，给煤矿的安全生产带来严重的隐患。 深入、系统地研究软煤层大采高综采采场围岩控制理论及技术，不 仅能为类似煤层煤矿的设计、开采、安全生产的管理和决策提供科学依 据，同时还能够丰富和发展矿山压力及岩层控制理论，所以，此课题的 研究具有重要的理论意义和工程实际意义。 作为软煤层大采高综采采场围岩控制理论及技术研究的初始阶段， 论文以晋城煤业集团赵庄煤矿二叠系下统山西组 3 号煤层及其顶底板为 太原理工大学博士研究生学位论文 II 主要研究对象，采用现场实测、理论分析、数值模拟计算和工业性试验 等方法，对软煤层大采高综采工作面矿山压力显现规律、顶板岩层结构 及运动破坏规律、煤壁片帮机理及防治技术、底板损伤破坏、支架－围 岩关系以及开采技术保障体系等六个方面做了探索性研究。主要研究成 果如下 （1）通过现场实测的方法，揭示了软煤层大采高综采工作面矿山 压力显现的基本特征和规律。 （2）以“砌体梁”理论为基础，较系统地研究了软煤层大采高综 采采场上覆岩层的结构形态、运动破坏规律等方面的内容。构建了软煤 层大采高综采采场基本顶岩层的平衡结构模型，分析了基本顶岩层受力 和变形的影响因素；提出了在软煤层大采高条件下，基本顶“砌体梁” 结构也具有回转变形失稳和滑落失稳两种失稳的可能性，并给出了这两 种失稳产生的条件；利用弹性力学变分问题方法对直接顶力学模型进行 了求解，得出了直接顶岩层下沉量与基本顶回转角、弹性模量以及液压 支架工作阻力的关系。 （3）通过对赵庄煤矿 3305 软煤层大采高综采工作面前方煤体塑性 区宽度的数值模拟和理论计算，得出了软煤层大采高综采工作面煤壁的 塑性区宽度；分析了软煤层大采高综采工作面煤壁片帮的主要影响因 素，提出了防治煤壁片帮的措施。 （4）运用弹塑性理论计算出了赵庄煤矿 3305 软煤层大采高综采工 作面前方底板岩层和采空区范围内底板岩层的支承压力；建立了软煤层 大采高综采采场底板岩层应力的计算模型，应用 Westergard 应力函数， 对该模型进行了分析计算，得出了在三个边界条件下的采场围岩应力计 算公式；根据 Coulomb-Mohr 准则，通过对平面应力状态下软煤层大采 太原理工大学博士研究生学位论文 III 高综采采场边缘破坏区的分析，得出了平面应力状态下和平面应变状态 下软煤层大采高综采采场边缘底板岩层最大破坏深度的计算公式；利用 修正后的采场底板岩体极限载荷计算公式和滑移线场理论，建立了软煤 层大采高综采采场支承压力所形成的底板屈服破坏深度的计算模型，通 过对该模型的分析计算，得出了煤层底板岩层的最大破坏深度、最大破 坏深度距离工作面端部的水平距离、采空区内底板岩层沿水平面方向最 大破坏长度的计算公式。 （5）通过对软煤层大采高综采工作面液压支架工作阻力与顶板下沉 量关系的研究，得出了在基本顶给定变形的条件下，软煤层大采高液压 支架所承担给定变形的比例小于普通采高液压支架，并给出了液压支架 初撑力、工作阻力的确定原则。构建了端面顶板漏、冒的“块体”结构 模型，揭示了软煤层大采高综采工作面端面顶板冒、漏的机理，并提出 了防治措施。从液压支架的顶梁长度与直接顶的自承极限垮距长度之间 的关系出发，对液压支架的顶梁长度、支柱位置与顶板的适应性进行了 分析。构建了支架掩护梁的受力模型，利用散体介质力学理论，得出了 液压支架掩护梁所受的水平推力和垂直压力的计算公式。 （6）针对软煤层大采高综采工作面在复杂地质条件下，顶板破碎 较为严重，容易产生漏、冒顶、漏风严重、上隅角瓦斯易超限等不安全 隐患，结合赵庄煤矿 3305 软煤层大采高综采工作面的实际情况，采用 现场实践的方法确定了开切眼和撤架通道顶板、两帮的支护加固技术、 软煤层大采高综采工作面超前注射玛丽散 N 型材料加固煤壁技术、预防 工作面煤壁片帮、冒顶的安全措施、工作面综合管理的安全措施、上隅 角防治瓦斯超限措施。形成了一套较为完善的软煤层大采高综采辅助技 术，为软煤层大采高综采工作面安全高产高效的实现提供了可靠的技术 太原理工大学博士研究生学位论文 IV 保障。 总之，本文通过对软煤层大采高综采采场围岩控制理论及技术深 入、系统的研究，解决了软煤层大采高综采中存在的实际问题，为今后 类似煤层煤矿的设计、开采、安全生产的管理和决策提供了科学依据。 关键词软煤层，大采高，综采工作面，矿山压力，围岩控制，煤壁片 帮 太原理工大学博士研究生学位论文 V STUDY ON THE SURROUNDING ROCK CONTROL THEORY AND TECHNOLOGY OF SOFT SEAM IN HIGH MINING HEIGHT LONGWALL FACE ABSTRACT China is rich in coal reserves, Thick coal seam reserves account for about 44 of the total reserves in China, Therefore, the thick seam mining technology to a great extent determines the level elevation of technology research and the rtion of economic efficiency of the entire coal industry of China. Over the last decade, The research and production of Large mining height hydraulic support, shearer and the scraper conveyor and other ancillary equipment have made a major breakthrough, contributed to great advances in technology of great mining height fully mechanized mining. As the great mining height fully mechanized mining has the advantage of high recovery rate, the low rate of coal gangue-containing, less coal dust production, small amount of gas emission, etc. , it rapidly developed into a new technology in the thick seam mining technology. However, through years of field observations and a lot of theoretical study many experts and scholars discover that, in similar geological conditions, With the wall of working face and the height of hydraulic support increase, the stability of hydraulic support - rock system will reduce and the accident rate will increase. If subject to impact of faults, fissures, joints, fold, collapse columns of complicated geological 太原理工大学博士研究生学位论文 VI conditions and soft seam and the seam itself joints fractured, most likely that the stability of hydraulic support - rock system of the great mining height fully mechanized working face will be worse, the accident rate even higher, bringing serious risks to safety in production of the coal mine. In-depth and systematic study on the surrounding rock control theory and technology of soft seam great mining height fully mechanized stope, Not only provides a scientific basis for designing, mining, production safety management and decision-making of similar coal mine, at the same time is able to enrich and develop the mine pressure and strata control theory, Therefore, the study of this subject has important theoretical significance and practical significance. As the initial stage of study on the surrounding rock control theory and technology of soft seam great mining height fully mechanized stope, In this paper, the coal seam and the roof and floor of lowerpermian Shanxi ation seam 3 of Zhao zhuang coal mine in Jin cheng coal industry group were studied, Using s such as on-site measurement, theoretical analysis, numerical simulation, and industrial test, etc., Exploratory study was done on six aspects, i. e., the regularity of mine pressure of soft seam great mining height fully mechanized stope, the structure and movement breakage regularity of roof rock, the rib fall mechanism and control techniques, the floor damage, the relationship of hydraulic support-surrounding rock and mining technology security system. The key results are as follows （1）By on-site measurement , the basic features and laws of the regularity of mine pressure of soft seam great mining height fully mechanized stope are revealed. （2）On the basis of the “lining beam“ theory, aspects of morphology, movement breakage regularity of overlying strata of soft seam great mining height fully mechanized stope were systematically studied. A balanced 太原理工大学博士研究生学位论文 VII structure model of main roof rock of soft seam great mining height fully mechanized stope was constructed; Two kinds of deation instability and slip instability with the possibility of main roof “lining beam“ structure， under soft seam great mining height conditions，were proposed. And these two conditions for instability occurs were also given; using the elasticity problem variational , the mechanical model of immediate roof was solved, the relationship between the amount of immediate roof strata subsidence and therotation angle of main roof, elastic modulus and hydraulic support resistance was obtained. （3） By the numerical simulation and theoretical calculation of width of the plastic zone of coal front of the 3305 soft seam great mining height fully mechanized working face of Zhao zhuang coal mine, The mechanism of the rib fall of soft seam great mining height fully mechanized working face was obtained; the main factors of the rib fall of soft seam great mining height fully mechanized working face were analyzed, Control measures for the rib fall was proposed. （4） The set of degrees of support pressure rock bottom in front of working face and within goaf were calculated using elastic-plastic theory; rock stress calculation model for soft seam great mining height fully mechanized stope was established, Using Westergard stress function, by analyzing the model, the stope surrounding rock stress ula in the three boundary conditions was obtained; According to the Coulomb-Mohr criterion, Through the analysis of the edge of the destroyed areas of soft seam great mining height fully mechanized stope in the plane stress state and plane strain condition, the ula for calculating the depth of the greatest damage of soft seam great mining height fully mechanized stope was obtained; Using revised stope floor 太原理工大学博士研究生学位论文 VIII rock limit load calculation ula and slip-line field theory, the depth of yield damage calculation model of abutment pressure of soft seam great mining height fully mechanized stope was established, By calculation of the model, the ula of greatest damage depth of seam floor strata, the horizontal distance from the depth of the greatest damage to the face end and the length of the greatest damage of floor strata within goaf on horizontal direction were obtained. （5）Through the study of the relationship of hydraulic support working resistance and roof subsidence of soft seam great mining height fully mechanized working face, under the conditions of main roof given deation, Hydraulic support of soft seam great mining height undertaken by a given percentage of given deation was less than normal hydraulic support, principles were given to determine the setting load and working resistance of hydraulic support. The leakage “block“ structure model of the end roof was constructed, Revealed the mechanism of the end roof leakage of soft seam great mining height fully mechanized working face, and proposed control measures. Proceeding from the relationship between the top beam length of hydraulic support and limit collapse gauge the length of immediate roof, carried out an analysis of the top beam length, pillar location of hydraulic support and roof applicability. The force model of shield-beam of hydraulic support was constructed, by granular media mechanics theory, the calculation ulas of the level of thrust and vertical pressure of shield-beam of hydraulic support were obtained. （6）In complex geological conditions, for the existence of roof strata broken severely, easy to roof fall, severe leakage, upper corner gas easily overrun and the other hidden dangers of soft seam great mining height fully mechanized working face, With the actual situation of the 3305 soft 太原理工大学博士研究生学位论文 IX seam great mining height fully mechanized working face of Zhao zhuang coal mine, On-site practical was adopted to determine the support and reinforcement techniques of the roof and two side coal-walls of open-off cut and gateway, injection Malisan N material reinforcement technology advance soft seam great mining height fully mechanized working face, security measures to prevent the rib and roof fall, integrated management of working face safety measures, upper corner gas easily overrun measures. A set of perfect aid technology for soft seam great mining height fully mechanized was achieved, providing a reliable and efficient technical support for safe extraction in soft seam great mining height fully mechanized working face. In short, the thesis researches deeply and systematically into the theory and technology of surrounding rock control in soft seam great mining height fully mechanized stope, solves the practical problems existing in soft seam great mining height fully mechanized and has reference value to the future similar coal mine design, mining, product safety. KEY WORDS soft seam, great mining height, fully mechanized longwall coal mining face, underground pressure, surrounding rock, rib spalling 太原理工大学博士研究生学位论文 1 第一章 绪 论 1.1 选题的目的和意义 煤炭工业是关系我国经济命脉的重要基础性产业，支撑着国民经济的持续、快 速、健康发展。我国煤炭资源总量丰富，预测煤炭资源储量达 5570Gt，已经探明的 煤炭资源储量达 114.5Gt，占已探明化石能源总量的 96以上。1949 年以来，煤炭 在我国一次性能源生产和消费结构中一直占 70左右。煤炭提供了 76的发电能源、 工业燃料和动力、70的化工原料以及 60的民用能源。根据国家统计局最新公布 的 2009 年国民经济和社会发展统计公报，2009 年我国共生产原煤 3050Mt。据预测， 2020 年我国煤炭的需求量为 3400Mt，约占我国一次性能源消费的 60左右[1-4]。 我国煤炭储量丰富，厚煤层储量在我国煤炭总储量中约占44 [5-6]。我国有很多 赋存厚度≥3.5m煤层的矿区，如河北邢台和开滦、江苏徐州、山东龙口和兖州、安 徽淮北、辽宁阜新、黑龙江双鸭山、河南义马、山西西山、大同、潞安、晋城和阳 泉、陕西铜川等矿区。因此，厚煤层开采技术在很大程度上决定着我国整个煤炭行 业技术研究水平的提高和经济效益的发挥。我国厚煤层开采方法主要有以下三种[7] （1）分层开采 平行于煤层面将其分为若干个2.03.0 m的分层，自上而下进行开采。如图1-1 所示。 图 1-1 分层开采示意图 Fig.1-1 Slice mining 太原理工大学博士研究生学位论文 2 （2）放顶煤开采 在煤层底部布置一个2.03.5 m采高的长壁工作面，利用矿山压力的作用或辅以 人工松动预爆破等的方法对顶煤进行破碎，破碎后的顶煤由支架的放煤口放出，经 工作面后部刮板运输机运出工作面。如图1-2所示。 图 1-2 放顶煤开采示意图 Fig.1-2 Top coal caving （3）大采高综采 使用与采高相同的综采支架（根据MT550－1996大采高支架技术条件规定， 最大开采高度大于或等于3800mm， 用于一次采全高工作面的液压支架） 和配套设备， 开采整层厚度≥3.5m煤层的方法 [8]。 1980年代以前，分层开采是厚煤层开采的主要方法，虽然技术比较成熟，但其 缺点也较多，如巷道的掘进率高、下分层巷道的支护难度大、区段煤柱的损失量 大、采空区易自燃、开采成本高等。1990年代，由于放顶煤开采厚煤层具有产量高、 效益好等方面的优点，在山西潞安、山东兖州等矿区试验成功后，迅速在全国进行 了推广，但仍然有很多技术难题未得以解决，如回收率较低、煤层易自燃、煤尘 大、瓦斯易集聚等[9-10]。 近十几年来，国内外在大采高液压支架、采煤机和刮板输送机等配套设备的研 制方面取得了重大突破，极大地促进了大采高综采技术的发展。由于大采高综采具 有资源回收率高、工作面生产时煤尘少、瓦斯涌出量小等方面的优点，使其迅速成 为在厚煤层开采技术方面发展的新工艺[11]。 但是，许多专家和学者通过多年的现场观测和大量的理论研究发现，在类似地 质条件下，大采高综采工艺随着工作面煤壁和液压支架高度的加大，支架围岩系 太原理工大学博士研究生学位论文 3 统的稳定性差、事故率高（达 19以上，远高于一般采高的综采工作面） 。如果再受 到断层、裂隙、节理、褶曲、陷落柱等复杂地质条件及煤质松软且煤层本身为节理、 裂隙发育的软弱煤层等因素的影响时，极有可能会使得大采高综采工作面支架围 岩系统的稳定性更差、事故率更高。 软煤层大采高综采工作面由于煤壁片帮经常发生，致使端面距增大，导致顶板 漏冒的概率增加，冒顶时大量岩块落入工作面工作空间内，会给煤矿的安全生产带 来严重的隐患。煤壁的稳定性又与工作面上覆岩层的运动状态、支架的形式和工作 状态、工作面采高、推进速度等因素紧密相关。在软煤层大采高采场上覆岩层运动、 煤壁稳定性、底板岩层损伤等多种因素的共同相互作用下，液压支架的受力状态往 往发生恶化，严重时甚至会造成液压支架主要部件乃至整架的损坏或报废。由于端 面直接顶岩层的破坏冒落，迫使支架顶梁抬头，严重时还会因为支架上部失去约束， 再加上复杂的地质条件，极有可能导致工作面大规模的咬架、倒架等支架稳定性事 故的发生。支架稳定性事故不但会加剧工作面设备的磨损和老化，倒架和高架冒顶 事故直接引发顶板事故，而且在工作面有限的空间内重新调整大采高液压支架的难 度、危险性系数、材料和工时的消耗等方面也都很大，直接导致了煤矿生产成本增 加，并且严重制约了大采高综采设备能力的发挥。 实践表明，在煤壁弱面发育、煤质松软、顶板破碎或坚硬、地质条件复杂等条 件下，随着工作面采高的增大，发生煤壁片帮的概率也较大。特别是在坚硬顶板条 件下，如果工作面的来压步距大、强度大、支架的工作状态不理想时，来压时顶板 岩层极易造成对工作面煤壁和支架的冲击。对支架本身而言，可能会引起支架失稳； 对煤壁而言，可能会加重其片帮的程度，给煤矿安全生产带来严重隐患。 因此，深入、系统地研究软煤层大采高综采工作面围岩控制理论及技术，不仅 能为类似煤层煤矿的设计、开采、安全生产的管理和决策提供科学依据，同时还能 够丰富和发展矿山压力及岩层控制理论，所以，此课题的研究具有重要的理论意义 和工程实际意义。 1.2 研究现状与文献综述 太原理工大学博士研究生学位论文 4 1.2.1 采场上覆岩层结构理论研究的国内外现状 采场上覆岩层结构理论研究主要集中在采场矿山压力及控制、开采沉陷及控制 两个领域上。采场上覆岩层结构理论的形成和发展过程大致经历了三个阶段[12-14]， 提出的假说和理论研究成果对矿山压力及岩层控制具有一定的指导意义[15]。 1.2.1.1 采场上覆岩层结构早期认识与初步研究阶段 1950 年代以前，由于受到当时科学技术发展水平的限制，人们对采场上覆岩层 结构的认识仅仅处于假说阶段，本阶段比较有典型代表性的假说主要有[16-23] （1）压力拱假说 压力拱假说是由德国学者哈克（W.Hack）和吉里策尔（G.Gillitzer）于 1928 年 提出的。该假说认为从长壁回采工作面自开切眼起，在工作面上方形成一个“压力 拱” 。拱的一个支撑点在采空区已垮落的矸石或采空区的充填体上，形成后拱脚 A， 而另一个支撑点在工作面前方煤体 内，形成前拱脚 B，如图 1-3 所示。随 着工作面的向前推进，A、B 拱脚也随 之向前移动。A、B 拱脚处均为应力增 高区（S1、S2） ，而工作面则处于应力 降低区。在 A、B 拱角之间无论顶板 或底板中都形成了一个减压区（L1） ， 工作面内的支架只承担压力拱 C 内的岩石重量。 压力拱假说解释了两个重要的矿山压力现象一是支架承受上覆岩层的范围是 有限的；二是工作面前方煤壁上和采空区矸石上也将形成较大的支承压力。 由于该假说难以回答岩层变形、移动和破坏发展的过程以及支架围岩的相互 作用关系等问题，所以，只是停留在对一些矿山压力现象的一般解释水平上。 （2）铰接岩块假说 前苏联学者库兹涅佐夫（г.Н.Kуэнедов）在实验室采场上覆岩层运动规律研究 的基础上，在 19501954 年提出了铰接岩块假说。铰接岩块假说比较深入地揭示了 采场上覆岩层的发展状况。 图1-3 压力拱假说模型[16] Fig.1-3 Model for hypothesis of pressure arch 太原理工大学博士研究生学位论文 5 该假说认为，工作面上覆岩层的破坏可分为垮落带和垮落带上的规则移动带。 垮落带分为上、下两部分，下部垮落时，岩块杂乱无章；上部垮落时，岩块呈规则 的排列。规则移动带岩块间可以相互 绞合而形成一条多环节的铰接，并规 则地在采空区上方下沉，如图 1-4 所 示。工作面支架需要控制的顶板有垮 落带和其上的铰接岩梁组成。在水平 推力的作用下，铰接岩块构成一个平 衡结构，这个结构与支架之间存在“给定变形”的关系。 铰接岩块假说重大的贡献在于它不仅解释了拱假说所能解释的矿山压力现象， 而且解释了采场周期来压现象，并第一次提出了直接顶厚度预计的计算公式，揭示 了支架载荷的来源和顶板下沉量与顶板运动的关系。 （3）悬臂梁假说 德国学者施托克（K.Stoke）于 1916 年提出悬臂梁假说，后得到英国的弗里德 （I.Friend） 、前苏联的格尔曼（A.П.Герман）等学者的支持。该假说认为工作面和 采空区上方的顶板可视为梁，初次垮落后，顶板可以看作是一端固定在工作面煤壁 前方煤体上，另一端处于悬伸状态的悬臂梁。当悬伸长度很大时，发生有规律的周 期性折断，从而引起周期来压。 悬臂梁假说可以较好地解释工作面前方出现的支承压力和工作面出现的周期来 压现象，但没有考虑支承压力预破坏顶板岩层的影响。 （4）预成裂隙假说 比利时学者A拉巴斯于 1947年初提出了预成裂隙假 说。 该假说认为，由于工作面 前方支承压力的作用，顶板岩 层中产生了矿山压力裂隙，致 图1-4 铰接岩快假说模型[16] Fig.1-4 Model for hypothesis of hinged rock beam 图 1-5 预成裂隙假说示意模型 Fig. 1-5 Model for hypothesis of the pre-signal fissures 太原理工大学博士研究生学位论文 6 使上覆岩层的连续性遭到破坏，从而成为非连续体。在工作面周围存在着三个区域， 即应力降低区、应力升高区和采动影响区。随着工作面的向前推进，三个区域同 时也相应地前移，如图1-5 所示，图中I为应力降低区，Ⅱ为应力升高区， Ⅲ为采 动影响区。 该假说的贡献在于其揭示了煤层及临近采场的部分岩层在支承压力作用下超前 破坏的原因，但是不能正确地解释采场上覆岩层的周期性破坏和来压规律。 此外，还有俄国学者 M.M.普罗托季亚科诺夫于 1907 年提出的描述采场矿山压 力的“普氏平衡拱”假说。 1.2.1.2 采场上覆岩层结构理论的近代发展阶段 1960 年代以来，开采中出现的种种问题要求人们必须用定量分析的手段来