综放开采顺槽超前支架支护技术研究.pdf

论文题目 综放开采顺槽超前支架 支护技术研究 作者姓名塞建焦 专业名称芷些塑 指导教师挞丕左 副指导教师邳尘挞 入学时间 研究方向 职称 职称 论文提交日期至Q 里量生量且 论文答辩日期至Q 曼量生量且兰曼目 授予学位日期 一避一～ S T U D YO NT H EA D V 删C ES U P P O R TT E C H N O L O G YO F F U L L ．Ⅳ【E C H A N I Z E DC A V I N GM I N I N GF A C EC R o S S H E A D I N G AD i s s e r t a t i o ns u b m i t t e di nf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t so ft h ed e g r e eo f M A S T E Ro FE N G I N E E R I N G S h a n d o n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y b y S o n gJ i a n w e i S u p e r v i s o r P r o f e s s o rL i nD o n g c a i C o l l e g eo fM i n i n ga n dS a f e t yE n g i n e e r i n g M a y2 0 1 5 声明 本人呈交给山东科技大学的这篇工程硕士学位论文，除了所列参考文献和世所公认 的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交于其它任何学 术机关作鉴定。 硕士生签名 日 A F F I R M A T I O N Id e c l a r et h a tt h i sd i s s e r t a t i o n ，s u b m i t t e di nf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o rt h e a w a r do fM a s t e ro fE n g i n e e r i n gi nS h a n d o n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，i s w h o H ym yo w nw o r ku n l e s sr e f e r e n c e do fa c k n o w l e d g e ．T h ed o c u m e n th a sn o tb e e n s u b m i t t e df o rq u a l i f i c a t i o na ta n yo t h e ra c a d e m i ci n s t i t u t e ． S i g n a t u r e D a t e 山东科技大学工程硕士毕业论文 摘要 摘要 随着煤炭的开采由浅、表部煤层向深部煤层开采，受井下复杂地质条件以及矿山压 力的影响，巷道围岩变形强烈、破坏范围大，极易出现冒顶、片帮，给深井综放工作面 顺槽支护带来巨大的挑战，严重影响到矿井高产高效生产。因此，亟需妥善处理好深井 综放工作面顺槽的超前支护难题。 论文以东滩煤矿1 4 3 1 0 综放工作面轨道顺槽为工程背景，采用现场观测、理论分析、 数值计算、现场实测等相结合的方法，深入研究了综放开采顺槽超前支架支护技术。结 合工作面顺槽支护现状，研究了工作面顺槽支护存在的问题采用理论分析深入研究巷 道支护结构作用机理及锚杆锚索支护机理的应力状态理论；结合以上理论分析与1 4 3 1 0 工作面地质概况，设计了1 4 3 l O 综放工作面两顺槽的支护参数运用理论分析研究了两 列两节式超前液压支架支护技术，对超前支护液压支架架型进行了研究，通过对比各种 架型的特点，选择两列两节式超前支架；结合工程地质条件，通过理论计算确定超前支 架主要技术参数，研究分析了两列两节式超前支架的受力情况及超前支架的适应性；在 1 4 3 1 0 综放工作面进行了顺槽支护技术工业性实验，工作面顺槽围岩变形量相对原始支 护大大小，顺槽处于稳定状态，满足了工作面正常开采的要求。 本论文的研究成果对东滩煤矿1 4 31 0 综放工作面顺槽超前支架支护工作有着实际的 指导意义，提高了工作效率，降低了生产成本，为矿井实现高产高效奠定了基础。 关键词综放开采顺槽支护；西互出匾苴式液压支架；超前支护 山东科技大学工程硕士毕业论文摘要 A b s t r a c t W i t ht h ec o a lb ys h a l l o wa n dt a b l ed e p a r t m e n tt ot h ed e e pm i n i n go fc o a l s e a m ，I n c r e a s i n gt h eu n d e r g r o u n dc o m p l e xg e o l o g i c a lc o n d i t i o n sa n dm i n i n g p r e s s u r e ，l e a dt os t r o n gd e f o r m a t i o no fr o a d w a ys u r r o u n d i n gr o c k 、w i d e rr a n g e o f d e s t r u c t i o n ，a n da p p e a re a s i l yr o o fc a v i n g 、r i bs p a l l i n g ，w h i c hb r i n g sah u g e c h a l l e n g ef o rd e e pw o r k i n gf a c ec r o s s h e a d i n gs u p p o r ta n ds e r i o u si n f l u e n c e st o t h eh i g hp r o d u c t i o na n dh i g he 珩c i e n tm i n e ．t h e r e f o r e ，u r g e n t l yn e e dt ob es o l v e d t h ed e e pf u l l ym e c h a n i z e ds u b l e v e lc a v i n gw o r k i n gf a c ec r o s s h e a d i n ga d v a n c e d s u p p o r ti s s u e s ． T h i sp a p e rb a s e do nD o n g t a nc o a lm i n e14 310f u l l y ．m e c h a n i z e dw o r k i n g f a c er a i lc r o s s h e a d i n ga se n g i n e e r i n gb a c k g r o u n d ，t h es u p p o r tt e c h n o l o g yo f f u l l - m e c h a n i z e dc a v i n gm i n i n gf a c ec r o s s h e a d i n ga d v a n c es u p p o r tw e r es t u d i e d t h r o u g ht h es c e n eo b s e r v a t i o n ，t h e o r e t i c a la n a l y s i s ，s c h e m ed e s i g na n dp r a c t i c a l v e r i f i c a t i o nm e t h o d ．C o m b i n e dw i t ht h es u p p o r ts i t u a t i o no ft h ew o r k i n gf a c e c r o s s h e a d i n ga n ds u p p o r t i n gt h es t a t u sq u o ，b yt h e o r e t i c a la n a l y s i so ft h ec u r r e n t s i t u a t i o no fw o r k i n gf a c ec r o s s h e a d i n gs u p p o r ta n de x i s t i n gp r o b l e m s ；m e a s u r e b y t h e o r e t i c a l a n a l y s i s ，i n d e p t hs t u d y m e c h a n i s mo fr o a d w a ys u p p o r t i n g s t r u c t u r ea n dt h es u p p o r t i n gm e c h a n i s mo fb o l ta n c h o rc a b l es t r e s ss t a t et h e o r y ； c o m b i n e dt h ea b o v et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dg e o l o g i c a lc o n d i t i o no f14 310f a c e ． d e s i g nt h es u p p o r t i n gp a r a m e t e r so f t w oc r o s s h e a d i n go f1 4 31 0f u l l ym e c h a n i z e d c a v i n gm i n i n gw o r k i n gf a c e ；m e a s u r eb yt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，r e s e a r c ht h es u p p o r t t e c h n o l o g yo ft w oc o l u m nt w ot y p ea d v a n c e da d v a n c e dh y d r a u l i cs u p p o r t ，t h e n r e s e a r c ho nf o r e p o l i n gh y d r a u l i cs u p p o r t ，c h o o s et w oc o l u m n so ft w ot y p e f o r e p o l i n gs c h e m eb yc o m p a r i n gt h e c h a r a c t e r i s t i c so fa l lk i n d so ff l a m et y p e ； c o m b i n e dw i t ht h ee n g i n e e r i n gc o n d i t i o n s ，t h r o u g ht h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o no f f o r e p o l i n gm a i nt e c h n i c a lp a r a m e t e r s ．t h e nt h r o u g ht h et h e o r e t i c a la n a l y s i so ft h e t w oc o l u m n so ft w ot y p ea d v a n c e db r a c k e tb e a r i n gp r i n c i p l e ，a n du s i n gt h e t h e o r y o fp r e s u p p o r t c a l c u l a t i o n a d a p t a b i l i t y ；i n d u s t r i a le x p e r i m e n t o ft h e s u p p o r tt e c h n o l o g yo f 14 310 f u l l y m e c h a n i z e dc a v i n gf a c ec r o s s h e a d i n g ， w o r k i n gf a c ec r o s s h e a d i n gs u r r o u n d i n gr o c kd e f o r m a t i o ni Ss m a l l ．r o a d w a yi Si n s t a b l ec o n d i t i o n ，e n s u r et h es a f e t yo fw o r k i n gf a c ea d v a n c i n gc r o s s h e a d i n g ． T h er e s e a r c hr e s u l t so ft h i sp a p e rf o rD o n g t a nm i n e14 310f u l l y - m e c h a n i z e d w o r k i n gf a c ec r o s s h e a d i n gs u p p o r th a sp r a c t i c a lg u i d i n gs i g n i f i c a n c e ，i m p r o v e e f j f i c i e n c yo fW O r k i n g ．r e d u c e sc o s to ft h ep r o d u c t i o n ，w h i c hl a i daf o u n d a t i o n f o rm i n er e a l i z eh i g hp r o d u c t i o na n de f f i c i e n c y ． “东科技大学工程硕士毕业论文摘要 K e y w o r d s f u l l - m e c h a n i z e dc a v i n gm i n i n g ，g a t e w a ys u p p o r t ，t w oc o l u m n s o ft w ot y p e ，h y d r a u l i cs u p p o r t ，a d v a n c e ds u p p o r t 山东科技大学工程硕士毕业论文 目录 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 I ．3 主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 1 ．4 研究方法及技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 2 综放工作面顾槽支护现状分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。8 2 ．1 工作面顺槽支护现状分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 2 ．2 超前支护及存在问题分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯，⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 3 综放工作面顾槽支护设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 5 3 ．1 巷道支护结构作用机理分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 3 ．2 锚杆锚索支护机理的应力状态理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯18 3 ．3 综放工作面两顺槽支护参数设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 4 两列两节式超前液压支架支护技术研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 4 ．1 超前支护方式选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 4 ，2 两列两节式超前液压支架设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 4 ．3 两列两节式超前支架的受力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 4 ．4 超前支架适应性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 5 ，11 4 3 1 0 工作面概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 5 ．2 工业性试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯， 5 ．3 观测数据分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯． 5 - 4 工业性试验分析总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯． 3 4 6 2 4 4 4 5 ● ■ ■ ● ‘ ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ■ ● ●■ ■ ● ● ■ ● ● ■ ● ● ‘ ， ‘ ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ‘ ● ● ● ● ● ● ● ● ■ ● ● ● ● ● ‘ ● ● ● ● ● ● ● ‘ ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ■ ● ● ● ● ■ ● ●● ， ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ■ ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ■ ● ● 山东科技大学工程硕士毕业论文目录 6 ．1 主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 6 ．2 创新点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。5 6 参；考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 山东科技大学工程硕士毕业论文 目录 C o n t e n t s II n t r o d u c t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯1 1 ．1R e s e a r c hB a c k g r o u n da n dS i g n i f i c a n c e ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1 1 ．2D o m e s t i ca n dF o r e i g nR e s e a r c hP r e s e n tS i t u a t i o n ⋯．．．．．．．，，，，．．．．．．．．⋯．⋯．．．．．．．．．．．．．，．．，⋯．．．．．．．．，，，，，．．．．．．．．．．．2 1 ．3T h eR e s e a r c hM a i nC o n t e n t s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 ．4T h eM a i nR e s e a r c hM e t h o da n dT e c l m i c a lR o u t e ⋯ 2 A n a l y s i sO fT h eS t a t u sQ u o o fF u l l - M e c h a n i z e dC a v i n gM i n i n gF a c eC r o s s h e a d i n g S u p p o r t ⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 2 ．I A n a l y s i so f T h eS t a t u sQ u oo f W o r k i n gF a c eC r o s s h e a d i n gS u p p o r t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯8 2 ．2 T h e A d v a n c e d S u p p o r ta n d A n a l y s i so f t h eE x i s t i n g P r o b l e m s ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．，．．⋯．．．．．．．．．．，．．．．．．．．．．．．．．1 2 3 D e s i g nT h eS u p p o r t i n go fF u l l M e c h a n i z e dC a v i n gM i n i n gF a c eC r o s s h e a d i n g ⋯⋯．1 5 3 ．1 A n a l y s i so f R o a d w a yS u p p o r t i n gS t r u c t u r eM e c h a n i s m ⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯．．⋯．．⋯．．⋯．⋯．．1 5 3 ．2T h eS t r e s sS t a t eT h e o r yo f B o l t A n c h o rC a b l eS u p p o r tM e c h a n i s m ．．⋯．．．．．．，⋯，．⋯．．⋯⋯，，⋯⋯．．⋯．18 3 ．3 D e s i g nt h eS u p p o r tP a r a m e t e r so f1 4 31 0F u l l y M e c h a n i z e dC a v i n gM i n i n gF a c eC r o s s h e a d i n g2 0 4 S t u d yo nT h eS u p p o r tT e c h n o l o g yo fT w oC o l u m nT w oT y p eA d v a n c e dA d v a n c e d H y d r a u l i cS u p p o r t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 7 4 ．1T h eC h o i c eo f A d v a n c eS u p p o aW a y ⋯．．．．．．．．，．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2 7 4 ．2 S t u d yo nT w oC o l u m n so f T w oT y p eo fF o r e p o l i n g ⋯．2 8 4 ．3T h eT w oC o l u m nT w oA d v a n c e dB r a c k e tB e a r i n gP r i n c i p l e ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．3 8 4 ．4T h eF o r e s u p p o r tA d a p t a b i l i t yA n a l y s i s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 5 A n a l y s i so ft h eI n d u s t r i a lT e s tR e s u l t s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 3 5 ．1 T h eP r o f i l eo f1 4 31 0W o r k i n gF a c e ．．．．．．．．．．．．．．．，，，，．．．．．．．．．．．，．．．．．．．．．．．．．．．，，．⋯．．．．．．．．．．，．．．．．．．．．．．．．．，，．．．．．．．．．．。．．．．4 3 5 ．2 T h eI n d u s t r i a l “ r e s t ⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯．⋯⋯⋯，4 4 5 ．3 A n a l y s i so f O b s e r v a t i o nD m a ．．．⋯，．．，，．．．．．．．．．⋯，．．．．．．．．．．．．．，，，， ．．．．．．4 6 5 ．4T h eA n a l y s i sS u m m a r yo fI n d u s t r i a lT e s t ．．．．，⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．，．．．．．，．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．，．5 2 山东科技大学工程硕士毕业论文 目录 6T h eM a i nC o n c l u s i o na n dI n n o v a t i o nP o i n t s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 4 6 ，1T h eM a i nC o n c l u s i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一 6 ．2T h eI n n o v a t i o nP o i n t s A c k n o w l e d g e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 6 R e f e f e n c e s 山东科技大学工程硕士学位论文 绪论 1 绪论 1 ．1 研究背景及意义 煤炭作为重要的基础能源，在我国能源消费结构中占据着十分重要的地位，为我国 经济发展做出了突出贡献，是我国经济发展的强有力能源保障[ 1 3 1 。同时煤炭的开采已由 浅、表部转到深部，受深部复杂地质条件和矿山压力变大的影响，巷道围岩变形强烈、 破坏范围大，极易出现冒顶、片帮【4 】【5 1 。据国家安全监管总局的统计，近年来，顶板事 故死亡人数一直占全国煤矿事故总死亡人数的3 0 ％以上【6 】，特别要做好井下巷道支护来 确保矿工的安全。因此，亟需进一步研究深并综放工作面顺槽的支护技术难题。 锚杆支护是我国煤矿巷道的主要支护方式。自从上世纪8 0 年代中后期在新汶、徐 州、淮南、西山等少数几个矿区进行～些基础性的研究和试验以来，经过2 0 余年的发 展，目前我国国有大中型煤矿煤巷锚杆支护应用的比例已经达到9 0 ％。锚杆支护的广泛 应用改善了支护效果、降低了支护成本、加快了成巷速度、减轻了劳动强度、提高了巷 道断面利用率、简化了工作面的维护工艺，已成为煤矿高产高效生产必不可少的配套技 术【4 1 1 6 1 。 目前，我国综采工作面上、下顺槽巷道支护，主要采用单体支柱与金属铰接顶梁或 长钢梁的超前支护方式1 7 1 I 引。但是对于高产高效工作面，特别是工作面顺槽高度达到4 ～ 5 m 时，该种支护方法存在诸多缺点 1 支护强度低。单体液压支柱钻底量大，回撤困难，对于项板压力较大的煤层， 达不到要求的支护强度，易造成工作面安全出口处的顶板下沉。 2 支护速度慢。由于单体液压支柱、金属铰接顶梁回撤速度难以大幅度提高，制 约了采煤工作面的推进速度，难以实现综采工作面的高产高效。 3 劳动强度大。由于支设、回撤单体液压支柱及铰接顶梁频繁，并且全部采用人 力，造成了工作面使用人员多，劳动强度大、效率低，影响工作面生产效率，对端头压 力大或顶板破碎的工作面，圆柱和回收钢梁均很困难，增加了安全隐患。 4 成本高、安全性差。因顶板压力或操作等原因，支柱、铰接顶梁、柱鞋的损坏 量较大，并且工序复杂，人工操作多，造成事故的概率较大。 1 山东科技大学工程硕士学位论文 绪论 因此，采用单体支柱进行超前支护与高产高效综采工作面的开采效率不相匹配。 东滩煤矿1 4 3 1 0 综放工作面埋藏深度大，埋藏深度最大处达6 0 0 米左右，轨顺超前 支护距离为9 0 m ，其中超前工作面煤壁6 0 m 架设4 路8 0 0 m m 6 0 0 m m 金属十字项梁组 成网状顶梁配合单体液压支柱支护项板。工作面顺槽顶板压力大，巷道变形距离大、变 形严重，尤其是顺槽常常遭受矿震及冲击压力的影响，严重增加了东滩煤矿巷道管理和 维护的困难。 为此，论文以东滩煤矿1 4 3 1 0 综放工作面轨道顺槽为工程背景，进一步研究综放工 作面超前支护技术，满足东滩煤矿对巷道的支护要求，保证工作面超前顺槽的安全，提 高工作效率，降低生产成本，为矿井实现高产高效奠定基础。 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1 深都巷道锚杆支护研究现状 8 0 年代中后期以来，我国锚杆材质由低强度圆钢锚杆向高强度螺纹钢锚杆发展。不 仅锚杆材质及锚固材料与方式得到了发展，锚杆支护设计、施工机具与工艺以及支护监 测也得到了相应发展，形成了煤巷锚杆支护成套技术，大大提高了煤巷支护的安全性、 经济性[ 9 】[ 1 0 】。 国内外许多专家、学者通过研究，认为高预紧力锚杆支护对围岩变形破坏的控制作 用在于①主动及时支护围岩，减小围岩早期变形破坏，提高围岩的峰值强度和残余强 度，充分发挥围岩自身的承载能力，提高围岩稳定性。②使项板处于预应力刚性梁状态， 有效减轻顶板中部的拉破坏以及顶角的剪切应力集中，减小顶板下沉，避免出现垮冒。 ③充分锚杆的支护能力，对破碎围岩实现高阻让压。高预紧力可使锚杆在工作过程中具 有较大的支护强度，而锚杆的大延伸率则可对围岩的变形实现让压f 1 1 ] 1 1 2 ] 。 虽然我国锚杆预紧力水平得到了较大提高，但与国外一些锚杆支护较先进的国家相 比，我国预紧力水平仍然偏低。支护强度是影响巷道围岩控制效果的另一重要因素。深 部巷道，特别是构造应力区域的巷道，围岩的破碎区范围大、围岩变形量大，需要支护 强度也较大。对于深部巷道，支护强度应达到02 ～0 ．3 M P a 才能有效控制围岩变形。康 红普等【1 3 】针对深部巷道以及各种复杂困难巷道，在理论分析、数值计算以及巷道支护工 2 山东科技大学工程硕士学位论文绪论 业性试验的基础上，提出高预应力、强力支护理论，认为应采用“先刚后柔再刚、先抗 后让再抗”支护理念，通过高预应力、强力锚杆支护，最大限度地减少围岩强度降低， 尽可能一次支护即可有效控制围岩变形破坏。 虽然近年来我国煤巷锚杆支护技术得到了迅速发展，锚杆材质强度、锚杆支护强度 以及锚杆支护的预紧力水平均得到较大提高，巷道支护效果得到明显改善，但是深部构 造应力作用下厚煤层巷道的支护难题仍然没有解决。该类高地应力巷道围岩变形破坏严 重，且易于出现锚杆、锚索破断失效等问题【1 4 】。 1 ．2 ．2 国内回采巷道超前支护研究现状 综合机械化放顶煤开采技术从2 0 世纪8 0 年代初期开始试验研究，经过了十余年的 引进、探索、提高和推广，到9 0 年代中期首先在克州煤业股份有限公司兴隆庄煤矿创造 了月产2 5 万t 的纪录，已经实现了国产化综放设备的高产高效。但是，综采、综放工作 面端头区乃至两顺槽超前区域的维护仍处在需要深化发展阶段，为了适应大功率、大配 套重型设备发展及使用要求，需要提高工作面端头作业的机械化，才能更好的发挥成套 装备的能力、保证高产高效【4 1 。目前综采、综放工作面端头及顺槽的超前支护仍普遍采 用十字金属铰接顶梁 或一字梁 配合单体支柱进行文护，出于支护强度低、工艺落后， 工作面上厂端头山门的维护，成了综采、综放工作面劳动强度最大、危险系数大和事故 频发的一项工作【1 5 q 8 1 。 例如东滩1 4 3 1 0 综放工作面原始的超前支护如图1 ．1 所示，煤矿轨顺超前支护距离 为9 0 m ，其中超前工作面煤壁6 0 m 架设4 路8 0 0 m m 6 0 0 m m 金属十字顶梁组成网状顶 梁配合单体液压支柱支护顶板，每排4 个金属十字顶梁，其支护效果如图1 ．2 所示。 - 二’ ～弋。⋯专旆卟f 尹 。。 j 墨磊川曲 ．t 叠二 趔衲乏护 j ’j 7 ㈡了』1 ■j 。。_ 『作 ‘々 一 一 t jr 郇 、 _ 一、i 二 二土 轨Ⅲ∽f 1 i ■‘二 J t J } j 诎护 轨训m _ 7 ⋯ 一⋯※薹至量兰 主⋯三．．．．j． 图1 ．1 常规超前支护综放工作面布置示意图 F i g ．1 ．1 T h ec o n v e n t i o n a la d v a n c e ds u p p o r to ff u l l ym e c h a n i z e dc a v i n gf a c es k e t c hm a p 1 山东科技大学工程硕士学位论文 绪论 图1 ．2 顺槽严重变形后现场实拍图 F i g ．1 ．2 T h es e r i o u sd e f o r m a t i o no fc r o s s h e a d i n ga f t e rt h er e a ls c e n eg r a p h 因此，在特殊地质条件和临面开采时，单体液压支柱配合铰接顶梁进行超前支护的 局限性逐渐表现出来，主要是支护强度低、推进速度慢、劳动强度大、成本高及安全性 差【1 9 】。 近年来我国已有不少煤矿、煤机公司及高校院所对工作面顺槽超前液压支架支护技 术进行了研究，其研究成果在多个煤矿进行了应用。如郑州煤机厂研制了Z T 2 4 5 0 0 ／1 8 ／3 5 型端头支架，并应用在兖矿集团下属各煤矿工作面运输顺槽【2 0 2 2 1 ，大大提高了超前支护 质量，同时改变了原有的超前支护工序，显著地降低了工人的劳动强度，消除了原有支 护方式的隐患，减员增效效果明显【4 1 。 同时国内一些教授也对超前支架了许多研究。吕兵【2 3 】认为采煤工作面两巷采用单体 液压支柱 木梁的联合超前支护方式，这种支护方式支护强度低，易发生安全事故，且 支护工作量大，支护效率低，提出采用超前液压支架进行超前支护的方案徐亚民【2 4 】认 为采用超前支护液压支架进行回采巷道超前支护，极大减少了顺槽围岩变形；张崇宏【2 5 】 认为研发成套综放工作面端头及两巷超前支护液压支架，可实现综放工作面端头及两巷 超前支护的机械化；曾明胜【2 6 】研制出能够适应长距离、大变形深部巷道的两列两节式强 力超前支架支护系统，支护系统支护效果好，巷道围岩变形较小，满足综放工作面深部 巷道支护的要求。 王永安等针对传统液压支架开发模式存在的弊端，提出应用虚拟样机 V P 技术开发 自移式超前液压支架，阐述了子系统的功能与实现方式，探讨了子系统与A D A M S 内核 的集成方式，实现了基于V P 技术的自移式超前液压支架的开发【2 7 】【2 8 】。王军通过对目前 4 山东科技大学工程硕士学位论文绪论 国内自移式超前支架的主要型式、主要特点、主要技术参数的对比及在井下适应性介绍， 提出了适合晋城煤业集团一次采全高工作面分体快速自移式超前支架，并对其应用提出 了几点建议【2 9 ] 。 显然，要设计符合工作面顺槽巷道超前支护要求的支架，确定支架的合理支护强度 是最为重要的。目前国内绝大部分研究重点在于工作面液压支架在不同地质条件下的支 护强度分析及相应的选型设计【4 1 1 3 0 1 ，而关于顺槽超前液压支架合理支护强度的研究鲜见 报道。文献针对某矿具体工作条件，进行了顺槽超前液压支架支护强度的计算和选型【3 I 】， 对于本文很有借鉴性。 1 ．2 ．3 国外回采巷道超前支护研究现状 国外如英国、波兰、德国