大采高综放工作面覆岩结构与支架载荷研究.pdf

论文题目大采高综放工作面覆岩结构与支架载荷研究 工程领域矿业工程 硕 士 生杨浩（签名）＿＿＿＿＿ 导师肖江（校内）（签名）＿＿＿＿＿ 董卫峰（校外）（签名）＿＿＿＿＿ 摘要 巨厚煤层大采高综放开采一次采出煤层厚度大，岩层运移范围广，工作面煤壁片 帮、支架被压死或损坏等问题严重制约大采高综放工作面安全高效生产。因此研究大 采高综放工作面覆岩移动破坏规律、结构特征、支架载荷，对巨厚煤层大采高综放开 采实现安全高效生产具有重要的意义。 本文以鄂尔多斯大唐龙王沟煤矿 6煤层在 6 上煤采与未采两种条件下进行大采高 综放开采 （采 5m 放 15m） 对比试验为例 （工程类比法取支架额定工作阻力 15000kN） ， 采用相似材料模拟实验及数值计算研究了工作面覆岩结构特征、应力演化规律及支架 载荷。结果表明 6 上煤未采条件下，覆岩拱结构发育范围小其内可形成砌体梁结构，工 作面矿压显现缓和，工作面可安全生产。6 上煤已采条件下，覆岩拱结构发育范围大其 内形不成砌体梁结构，工作面煤壁片帮严重、支架频繁被压死，因此认为在 6 上煤采空 区下进行 6煤开采是不可行的。分析研究 6 上煤采空区下进行 6煤大采高综放开采覆 岩移动破坏规律知，岩层移动破坏范围广，采空区不能有效充填，因此采空区对围岩 的约束减小， 同时 6 上煤开采时上覆岩层受采动影响强度减弱导致工作面前方出现超前 拉裂裂隙。超前裂隙的存在造就了工作面与超前裂隙之间存在超前岩柱，超前岩柱向 采空区的回转致使工作面煤壁片帮严重，支架受力陡然增大直至被压死。 基于上述分析综合对比两种开采条件下 6煤层开采覆岩运移规律知，工作面推进 过程中形成的拱结构与工作面存在拱结构滞后于、同步于、超前于工作面三种位置关 系，三种位置关系下工作面矿压显现差异明显。拱顶坚硬岩层控制着拱结构的发育， 对其建立力学模型明确了拱结构与工作面三种位置关系的判定条件并进行验算。同时 建立拱结构超前于工作面情况下支架受力的力学模型给出了工作面液压支架工作阻力 计算公式，并进行验算所得结果与实验实测值基本吻合。 关 键 词大采高综放；覆岩拱结构；拱顶力学模型；支架载荷； 研究类型理论研究 Subject Study on strata structurearch structure synchronization with work face;arch structure ahead of the work face.The arch structure ahead of the work face is the major cause lead to strong pressure behaviors in work face.The hard rock top of the arch structure controls the development of it,so established the mechanical model are defined determination conditions of the three positions of the arch structure and the working face and checked.Through established the mechanical model of support under the condition of arch structure ahead of the work face get the support working resistance calculation ula and the verification and the measured data are basically consistent. Keywordslarge mining height fully mechanized top coal caving;arch structure;The mechanical model of arch structure;support load； ThesisTheoretical research 目录 I 目录目录 1 绪论..........................................................................................................................................1 1.1 问题的提出...................................................................................................................1 1.2 研究意义.......................................................................................................................1 1.3 国内外研究现状...........................................................................................................2 1.3.1 采场覆岩结构理论研究现状............................................................................2 1.3.2 放顶煤覆岩运动与采场矿压显现研究现状....................................................5 1.3.3 大采高综采覆岩运动与采场矿压显现研究现状............................................6 1.3.4 大采高综放覆岩运动与采场矿压显现研究现状............................................7 1.3.5 大采高综放工作面强矿压显现研究现状........................................................8 1.3.6 大采高综放面液压支架载荷研究现状............................................................9 1.3.7 文献评述..........................................................................................................10 1.4 研究内容及方法.........................................................................................................11 1.4.1 研究内容..........................................................................................................11 1.4.2 研究方法..........................................................................................................11 1.5 技术路线.....................................................................................................................11 2 煤层赋存条件及顶底板力学特性........................................................................................12 2.1 井田概况.....................................................................................................................12 2.2 6煤层赋存特征..........................................................................................................12 2.3 煤岩体物理力学参数研究.........................................................................................12 2.3.1 研究意义..........................................................................................................12 2.3.2 煤岩体物理力学实验......................................................................................13 2.3.3 煤岩体力学参数的确定.................................................................................15 2.4 顶底板特性.................................................................................................................15 2.4.1 直接顶特性......................................................................................................16 2.4.2 老顶特性..........................................................................................................16 2.4.3 底板特性..........................................................................................................19 2.5 本章小结.....................................................................................................................19 3 物理相似模拟实验研究........................................................................................................20 3.1 研究目的.....................................................................................................................20 3.2 物理相似模拟实验.....................................................................................................20 目录 II 3.2.1 相似材料模拟试验架......................................................................................20 3.2.2 测试系统..........................................................................................................20 3.2.3 相似材料模拟实验模型..................................................................................21 3.2.4 物理相似模拟对比实验过程及现象分析......................................................22 3.3 本章小结.....................................................................................................................37 4 数值计算研究........................................................................................................................39 4.1 数值模拟软件介绍.....................................................................................................39 4.2 模型的建立.................................................................................................................39 4.3 模拟开采及测线的布置.............................................................................................40 4.4 6 上煤未采情况下进行 6煤层的开采应力及应力拱演化........................................41 4.5 6 上煤已采情况下进行 6煤层的开采应力及应力拱演化.......................................44 4.6 本章小结.....................................................................................................................48 5 大采高综采工作面覆岩结构与支架载荷研究....................................................................50 5.1 覆岩拱结构与工作面相对位置关系.........................................................................50 5.1.1 拱结构滞后于工作面......................................................................................50 5.1.2 拱结构同步于工作面......................................................................................51 5.1.3 拱结构超前于工作面......................................................................................51 5.2 覆岩拱结构与工作面相对位置的判断.....................................................................52 5.2.1 力学模型的建立与分析..................................................................................52 5.2.2 拱结构与工作面三种位置关系的验算..........................................................54 5.3 大采高综放工作面支架载荷计算.............................................................................57 5.3.1 大采高综放面强矿压显现规律分析..............................................................57 5.3.2 力学模型的建立与解析..................................................................................58 5.3.3 支架工作阻力核算..........................................................................................61 5.4 本章小结.....................................................................................................................62 6 结论........................................................................................................................................64 致谢...........................................................................................................................................66 参考文献...................................................................................................................................67 附件...........................................................................................................................................71 1 绪论 1 1 绪论 1.1 问题的提出 在中国的能源消费结构中，化石燃料占比高达 92.6，其中煤炭占比 70.4。能源 储量决定“贫油、少气、富煤”的现状将长期存在[1]。 我国煤炭资源已探明储量约 1.341 万亿 t，其中，厚度≥3.5m 的煤层储量占 44， 每年开采厚煤层的产量接近占我国煤炭总产量的一半。我国各地区均分布有厚煤层，且 煤层厚度是实现高产高效开采的主要因素，具有资源储量优势。伴随着我国煤炭行业理 论和技术的逐渐完善，根据我国煤炭开采现状形成了 14～20 m 特厚煤层开采的独特采 煤方法即大采高综放开采，煤炭产量不断攀升，在大同塔山煤矿，鄂尔多斯不连沟煤矿 得以成功应用[2-6]。 巨厚煤层的开采最有效的方法是大采高综放开采。大采高综放是指机采高度大于 3.5m 的综合机械化放顶煤开采[7-10]。 大采高综放开采方法的应用可增大工作面通风断面、 提高放煤效率及煤层采出率，同时为现代化先进的采运设备发挥设备优势提供了条件， 并且进一步增快瓦斯稀释，有利于建设安全高效生产工作面，因此大采高综放开采是实 现进一步安全高效开采的重要途径。 实践证明大采高综采开采 3.58.0m 和综放全厚一次 开采 520m 的厚及特厚煤层是可行的[11]。但是根据现有的开采情况，在放顶煤工作面和 大采高工作面都出现过矿压显现剧烈现象，比如陕西宝鸡麟游地区的各个煤矿的放顶煤 工作面出现了支架被压死现象，大同矿区同忻煤矿、塔山煤矿、榆神矿区麻黄梁煤矿、 酸刺沟煤矿也等都出现不同程度的大采高综放矿压显现剧烈情况，但是大采高综放工作 面支架与围岩关系不明，引起防治措施不当，导致工作面支架频繁压死，严重制约煤矿 生产。对巨厚煤层开采来说，因单次采出煤层厚度大，冒落岩层不能有效充填采空区形 成大空间未充填采空区。 大空间未充填采空区对工作面前方上部岩层约束小或没有约束， 因而这部分岩层运动形式表现为向采空区的倾倒式回转，给工作面支架施加大量的额外 压力。工作面支架被压死的现象出现严重影响煤矿的安全高效生产，威胁矿工的生命健 康。 因此有必要对大采高综放开采支架载荷及覆岩结构进行研究， 进一步释放煤矿产能、 确保煤矿安全生产。本文以鄂尔多斯大唐龙王沟煤矿 6煤层的开采为例进行大采高综放 工作面覆岩结构及支架载荷的研究。 1.2 研究意义 （1）本文的研究可以为大采高综放采煤方法适应性提供依据。 我国西部地区赋存大量的巨厚煤层，大采高综放开采工艺是巨厚煤层开采的重要途 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 2 径，但是对其适应性尚未做充足研究。于是研究大采高综放工作面覆岩结构及矿压显现 规律可以为大采高综放采煤方法适应性提供依据。 （2）本文研究为大采高综放工作面制定防治压架措施提供依据。 大采高综放工作面一旦出现强矿压的显现，轻者支架被压坏压死，重者就会出现人 员伤亡事故。因此是工作面安全生产的重大隐患。本文分析出大采高综放面支架载荷， 可以为制定防治压架措施提供依据。 （3）本文研究内容为大采高综放工作面安全高效生产提供借鉴。 本文主要研究大采高综放工作面覆岩结构及支架载荷，这部分内容的研究为大采高 综放工作面安全高效生产提供依据。 1.3 国内外研究现状 1.3.1 采场覆岩结构理论研究现状 纵观采场覆岩结构理论发展历史，可将其大体上可以分为两个阶段 1早期认识阶段 早期采场覆岩理论研究阶段（19 世纪后页20 世纪 50 年代）主要应用简单的力学 知识解释煤炭开采过程中出现的一些现象，并未形成有系统的理论。 比较有代表性的假说有[12] ①压力拱假说此假说由德国学者 V 海克和 R 旧特采尔特提出，认为在工作面上方 由于岩层运移及应力重新分布的结果而形成了一个“压力拱”，压力拱将覆岩分为拱内 和拱外岩石，并切断了这两部分岩石力的联系“压力拱”承担了上部岩层的重量，而回 采工作面的支架只承受压力拱内部分岩石的重量。 ②悬臂梁假说此假说由德国学者 W.Hack 和 G.Giuitzer 于 1928 年提出，将采场覆 岩视为连续介质，顶板初次来压后，将其简化为一端固支的悬臂梁。工作面周期来压现 象可由此假说得到较好的解释，但是悬臂梁假说没有考虑到支承压力峰值超前于工作面 煤壁，支承压力对顶板岩层产生预破坏，其将顶板认为一端固支的悬臂梁模型存在着局 限性，其对覆岩结构形态的描述存在片面性。 ③预成裂隙假说由比利时学者 A.拉巴斯于 1947 年正式提出，将采场周围岩石分 为采动影响区，应力降低区和应力增高区三个区域，并随着工作面推进动态发展；受采 动影响采场围岩产生各种裂隙，从而将其视为假塑性梁。 ④铰接岩块假说此假说由前苏联学者 T.H.kuznetsov 于 1954 年正式提出，将采场 上覆岩层分为垮落带和裂隙带，裂隙带岩块间存在有规律的水平挤压力的联系是区别垮 落带和裂隙带的主要因素，由于水平挤压力的存在从而相互铰合而形成一条多环节的铰 链；同时此假说认为，给定载荷、给定变形是工作面液压支架存在的两种工作状态。 1 绪论 3 2近代发展阶段 近代发展阶段（20 世纪至今），此阶段随着采矿工业快速发展，出于生产实际需 要采场覆岩结构理论快速成熟与完善。同时期国外学者研究方向主要针对采矿机械设备 的提升进行矿山压力与岩层控制针对采场覆岩结构理论研究较少。我国许多专家学者在 这一阶段对采场覆岩结构进行了细致的研究，形成了系统的理论体系，为采场覆岩结构 理论的发展做出主要贡献。 采场覆岩理论体系如下 ①以“砌体梁”及“关键层理论”为主体的采场覆岩结构理论 “砌体梁”结构模型及“关键层理论”诞生 上世纪 60 年代初至 70 年代末，我国著名学者钱鸣高院士等研究人员正式提出煤层 开采后开采后覆岩呈“砌体梁”式平衡的结构力学模型，为煤矿采场上覆岩层力学模型 的建立提供特定边界条件， 同时为煤矿采场矿山压力参数理论计算方法奠定了理论基础。 在此基础上，上述学者又提出弹性基础梁力学模型用于解释岩层断裂前后的状态及板在 各种不同支撑条件下的力学模型，进行老顶来压的预报。对覆岩承受载荷及变形规律的 分析提出坚硬岩层对覆岩运移起主要作用，即“关键层理论”的提出，此理论的提出为 进一步修正采场来压规律提供理论依据，同时“关键层理论”可以判断上覆岩层内部裂 隙分布、离层区位置和识别对地表破坏起主导作用的岩层。 “砌体梁”平衡的关键块研究及“S-R”稳定 “砌体梁”力学模型是解析覆岩稳定性的一个大结构，其中离层区附近的几个岩块 是影响采场顶板控制的主要因素，将其称之为关键块。因此，在研究“砌体梁”大结构 的前提下，重点分析离层区附近的几个岩块保持平衡状态的条件，由此建立力学模型解 析“砌体梁”关键块的滑落与回转变形失稳的力学条件，所得结论总结为“S-R”稳定 条件。采场直接顶稳定性的分析需要明确直接顶的上部边界条件，“砌体梁”关键块的 分析为此提供了理论基础。 （a）开采后岩层活动状态（b）“砌体梁”关键块的“S-R”稳定 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 4 （c）承载层的“砌体梁”结构 图 1. 1“砌体梁”平衡的关键块研究及“S-R”稳定示意图 采场“支架围岩”关系研究及整体力学模型的建立 “支架围岩”关系的研究是工作面顶板事故的防治、支架选型和合理支护阻力的 确定等的基础。支架工作阻力与顶板下沉量的关系曲线即“P-ΔL”类双曲线关系，是中 厚煤层开采条件下，影响支护参数选择的主要观点，原因在于此种开采条件下将直接顶 视为“似刚体”。放顶煤开采时，直接顶不再简化为“似刚体”，因此提出了“松脱体 压力”与“回转变形压力”概念，证实“砌体梁”结构吸收了直接顶的回转变形载荷， 这种条件下类双曲线关系即“P-ΔL”关系曲线需重新建立，由上述研究分析最终建立采 场整体力学模型。 图 1. 2 实测统计所得“P-ΔL”曲线 a前苏联，b英国，c联邦德国鲁尔矿区 ②以“传递岩梁”为主体的采场覆岩结构理论[13] 20 世纪 70 年代至今，我国著名学者宋振骐院士等研究人员根据巨量现场实测数据 及其对煤矿现场覆岩运移的监测建立了“以岩层运动为中心”的实用矿山压力理论，并 做了进一步完善，煤矿安全生产及机械化发展等方面在该理论指导下取得长足进步。 “矿山压力”及“矿山压力显现”作为两个矿山压力与岩层控制的基本概念，在此 理论中得到了严格的区分和定义，同时强调了矿山压力显现具有相对性。该理论从容易 得到的矿山压力显现入手，推断了采场矿山压力分布，及覆岩运移状况，合理的解释了 各种矿山压力现状。 针对煤矿采场在生产过程中是个动态变化的过程，指出“矿山压力”及“矿山压力 显现” 随工作面推进也是在不断的发展变化， 将时间效应引入矿山压力与岩层控制学科。 同时认为其变化是由岩层运动决定的，有规律可循。从而确定了上覆岩层的运动状态在 1 绪论 5 矿山压力与岩层控制研究中的主体地位，通过研究覆岩运动状态揭示矿山压力及其显现 与覆岩运动的关系。经过大量的实践，为在采场通过观测支承压力显现规律，预测预报 采场顶板运动，推断支承压力大小分布以及正确建立采场矿压控制设计结构力学模型提 供了“两个应力场”的理论基础。 该理论指出部分覆岩是影响采场矿山压力及其显现的主要因素即有限性（这部分覆 岩一般包括“直接顶”及“老顶”两个部分），同时可以通过这部分覆岩运动时对矿压 显现的影响找到这部分岩层的范围即可知性，通过改变采高、开采程序、顶板处理方法 等采动条件使这部分岩层范围发生变化即可变性，因而这部分岩层范围是可以人为控制 的。该理论创造性的提出了划分顶板属性的新思想和新概念即按围岩在运动过程中的结 构力学特征，及运动对矿山压力显现的影响来进行。 在通过深刻研究采场顶板来压时支架的支护强度与顶板位置状态关系的基础上，率 先提出了支架在“给定变形”和“限定变形”两种状态下工作的观点。建立支架“限定 变形”工作状态下的“岩梁位态方程式”，并针对煤矿现场工作条件给出了实用性的找 到该方程的方法。同时该理论提出了顶板控制设计的准则及相应的的力学保证条件。这 些研究理论的提出为采场顶板控制提供了理论基础。 该理论独创性的提出了采场支架有效支撑能力的概念，同时根据其影响因素，建立 了采场支架有效支撑能力的计算方法。为科学的选择采场支架类型、确定支护强度提供 了理论依据。 图 1. 3“传递岩梁”覆岩运移示意图 1.3.2 放顶煤覆岩运动与采场矿压显现研究现状 据资料记载，放顶煤采煤方法历史久远，20 世纪中页，南斯拉夫、法国、前苏联等 国家，开始将放顶煤开采技术运用于煤炭的实际开采[14-17]。1957 年，第一次将放顶煤开 采法在库兹巴斯煤田（苏联）运用，开采厚度为 9～12m 倾角为 5～18的巨厚煤层选用 KTY 型掩护式液压支架[18]。60 年代随着机械设备制造水平的进步综合机械化采煤得到 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 6 长足发展，1963 年法国相关研究学者研制成功“香蕉”形放顶煤液压支架，次年用于布 朗齐矿区达尔西矿（法国），工业试验取得成功[19-23]。我国于 1982 年引进综采放顶煤技 术，1984 年在沈阳蒲河煤矿开始工业试验，经过近四十年的发展目前已成为厚煤层开采 的一种重要方法。在综放开采技术推广的过程中，覆岩运动与矿山压力显现的关系作为 一个重要研究内容，我国相关专家学者对此研究取得了一系列研究成果。 中国矿业大学杜峰、白海波对司马煤矿进行研究认为，放顶煤开采过程中覆岩形成 “半拱形”式平衡结构，“半拱形”结构的有规律的破断失稳是薄基岩综放工作面矿压 显现的根源[24]。 煤炭研究总院古全忠、 史元伟认为采场上覆岩层运动结构为拱梁结构； 拱顶岩层的失稳与升高实现拱梁转换。通过研究认为顶板岩层断裂角、放煤步距、顶 板岩层块体尺寸、顶煤厚度是影响顶板运动的主要因素，放顶煤工作面采用放煤步距过 大反而会降低顶煤放出率，放煤的步距过大老顶垮落的动压冲击严重。总结认为放顶煤 工作面采空区不能有效充填，覆岩运动剧烈，煤壁前方支承压力峰值较大[25]。西安科技 大学邓广哲认为，上覆岩层拱壳结构的运动将对工作面产生有利的免压保护和有害的冲 击动压作用[26]。太原理工大学贾喜荣、翟英达等证明适用于中厚煤层开采采场矿压计算 的“弹性板与铰接板结构”力学模型，在放顶煤工作面顶板来压计算中仍然适用；针对 顶板结构特征和开采技术条件提出了完全承载层、过渡层和非承载层的基本判据，进一 步证实“弹性板与铰接板机构”力学模型在放顶煤工作面顶板来压计算中仍适用[27]。吉 林工业大学朱诗顺等认为在放顶煤开采工作面，上覆煤岩体的活动范围大，作为直接顶 板的顶煤被回收，导致垮落带高度增大。多数情况下，对工作面矿压显现起主要作用的 部分老顶，以嵌固悬臂梁的形式存在，从而形成支架围岩的给定载荷关系[28]。河南理 工大学李化敏，蒋东杰等对不连沟煤矿特厚煤层大采高综放开采进行研究认为开采空间 的增大、直接顶厚度增大，低位基本顶在采动影响下转化为直接顶成为悬壁结构、高位 基本顶形成砌体梁，二者形成“上位砌体梁下位倒台阶组合悬臂梁结构”[29]。辽宁工 程技术大学张宏伟，朱志洁通过研究同忻煤矿特厚煤层综放开采覆岩破坏高度认为各亚 关键层控制着覆岩破坏的发育主关键层抑制覆岩破坏[30]。中国矿业大学（北京）陆明心、 郝海金等通过研究认为综放工作面高层位上覆岩层形成以大变形梁形式存在的平衡结 构。这种结构的平衡取决于其下顶板与顶煤耦合作用关系，这种作用方式的形成与顶煤 的多次损伤联系密切[31]。 1.3.3 大采高综采覆岩运动与采场矿压显现研究现状 中国矿业大学许家林，鞠金峰通过研究神东矿区补连塔煤矿 22303 工作面得到由 于特大采高工作面一次采出煤体厚度大，覆岩运移范围广亚关键层演化为垮落带中一部 分，不能形成“砌体梁”平衡承载结构，而以“悬臂梁”结构形式发生周期性破断，从 而形成工作面的周期来压， 支架控顶距与周期来压的持续长度近似相等， 较关键层以 “砌 1 绪论 7 体梁”平衡承载结构来压持续长度增大。煤层间仅存一层关键层结构区域，关键层层位 越低，矿压显现强度（除来压步距外）越大；而在煤层间存在多层关键层结构区域，工 作面存在大小周期来压交替出现的情况，且大来压步距时动载系数较小。通过对比神东 矿区其它几个大采高综采面的矿压显现规律与补连塔煤矿 7.0 m 支架综采面发现，随着 采高的增加，支架工作阻力有增加趋势，然而动载系数有减小趋势，且一次采出煤体厚 度增大、低位亚关键层距离煤层越近，亚关键层主要以“悬臂梁”结构形式存在，工作 面来压维持距离越长[32-33]。太原理工大学弓培林，靳钟铭通过研究认为随着一次采出煤 体厚度增大采场“直接顶”范围扩大，在大采高采场直接顶范围扩大至部分基本顶，大 采高工作面顶板控制具有其特殊性。 将大采高直接顶根据直接顶岩层不同分为 3 种类型， I 型直接顶载荷按现行方法进行计算；II 型直接顶覆岩条件不适用于大采高综采；III 型 直接顶情况较为复杂应综合考虑关键层厚度、高度及岩体物理力学性质，当直接顶中的 关键层层位过低应当考虑冲击载荷对直接顶载荷的影响[34]。中国矿业大学吴峰峰博士通 过研究认为大采高综采工作面一次采出煤体厚度大，覆岩运动与变形空间范围广，覆 岩应力分布及岩层的垮落形式，及其形成的结构与普通采高综采工作面存在本质上的区 别。随着大采高综采工作面的不断推进，覆岩运移与采空区有着密切关系。因为采空区 空间范围广泛，矸石充填与普通采高情况下存在较大差异，原本形成的覆岩稳定结构在 大采高综采工作面难以形成，这部分岩石的载荷将直接作用于采空区矸石及下部坚硬岩 层形成的平衡结构上。当下部坚硬岩层形成的平衡结构上为软弱岩层时，此时平衡结构 可简化为组合悬臂梁结构进行分析，当上部岩层较为坚硬时，其极限破断距增大，向采 空区回转时与矸石接触，采空区矸石对其有支撑作用，因此这种情况下下位坚硬岩层形 成的平衡结构受力将减小[35]。山东科技大学文志杰