工作面面长增加对支架支护强度的影响研究.pdf

论文题目 工作面面长增加对支架支护强度的影响研究 作者姓名 割慧渲入学时间2 Q 呈曼生窆且 领域名称 墨芷王翟研究方向芷出匡左皇蚩屋撞剑 指导教师昱良职称数．授 论文提交日期 论文答辩日期 授予学位日期 垄Q 曼垒生垒且垄Q 目 2 Q 曼垒刍巨量且2 互目 万方数据 S T U D Yo NI N F L U N C Eo FT H EI N C R E A S Eo FT H EL E N G T Ho FT H E F U L L YM E C H N I Z E DW O R K I N GF A C Eo NS U P P o R TS T R E N G T H f 脚J I 脚棚Ⅻ9 删J 舢啪l Ⅲ删删 Y 2 6 7 7 14 9 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 f t h er e q u i r e m e n t so f t h ed e g r e eo f M A S T E Ro FP ⅢL O S o P H Y f r o m 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 L i uH u i j i e S u p e r v i s o r P r o f e s s o r1 I v US h i l i a n g 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 J u n e2 0 1 4 万方数据 声明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，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 剀楚滤 期如忤f 、“ A F F I R M 已订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 l l 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 s n 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 “队f l f 岣之e D a t e ．矽悼多、“ 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 摘要 随着内蒙古鄂尔多斯煤田的开发，我国学者对综采加长工作面上覆岩层破断规律和 矿压规律进行了深入研究，关于工作面面长增加对支架支护强度的影响研究较少。随着 神东矿区综采工作面面长不断增加，研究工作面面长增加对支架支护强度的影响有着重 要意义。 本文选取榆家梁煤矿4 2 煤4 个不同面长等级的综采工作面为研究对象，以研究综采 工作面面长增加对支架支护强度的影响为目的，对上述4 个工作面进行矿压规律分析， 运用“四一法则”确定四个工作面支架合理工作阻力，并运用F L A C 3 d 模拟软件模拟研 究和概率统计学理论分析手段探讨面长对矿压定量影响。 研究表明，在支护强度不增加的条件下，工作面面长增加，工作面顶板周期来压步 距呈现增长和缩短2 种变化趋势，动载系数减小，顶板结构基本没有发生变化，工作面 顶板下沉量、煤壁片帮、支架安全阀开启等矿压显现增大；在相同面长条件下，随着支 护强度的增加，工作面项板下沉量呈减小趋势；在工作面面长和顶板控制效果己知的前 提下，综采工作面面长增加时支架合理支护强度增加的幅度和支护强度不变时工作面面 长增加的幅度。 实践表明，研究结果为榆家梁煤矿4 2 煤工作面面长增加后支架支护强度的确定、支 架支护强度不变条件下工作面面长的确定，继而为神东矿区其他类似条件下煤层开采提 供了宝贵经验。 关键词面长增加；矿压规律；支护强度项板下沉量；控顶效果；数值模拟概 率统计 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 A b s t r a c t W i t ht h ed e v e l o p m e n to f c o a lf i e l di nO r d o so f I n n e rM o n g o l i a ，t h er u l eo f o v e r l y i n gr o c k s t r a t ab r e a k a g ea n dt h er u l eo fm i n ep r e s s u r ei nf u l l ym e c h a n i z e dl o n g e rw o r k i n gf a c ea r e d e e p l ys t u d i e db ys c h o l a r s i no u rc o u n t r y , h o w e v e r ，t h es t u d ya b o u tt h ei n f l u e n c eo ft h e i n c r e a s eo ft h el e n g t ho ft h ew o r k i n gf a c eo nh y d r a u l i cs u p p o r ts t r e n g t hi sl i t t l e ．A st h e i n c r e a s eo ft h el e n g t ho ft h ef u l l ym e c h a n i z e dw o r k i n gf a c ei ng o de a s tm i n i n ga r e a , t h es t u d y a b o u tt h ei n f l u e n c eo ft h ei n c r e a s eo ft h el e n g t ho ft h ew o r k i n gf a c eo nh y d r a u l i cs u p p o r t s t r e n g t hh a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e ． T h i sa r t i c l es e l e c t sf o u rd i f f e r e n tg r a d e so ft h el e n g t ho ft h ef u l l ym e c h a n i z e dw o r k i n g f a c ei n4 2c o a ls e a mo fY u j i a l i a n gC o a lM i n ea st h er e s e a r c ho b j e c t ，a n ds t u d i e st h ee f f e c to f t h ei n c r e a s eo ft h el e n g t ho ft h ef u l l ym e c h a n i z e dw o r k i n gf a c eo nh y d r a u l i cs u p p o r ts t r e n g t h f o rt h ep u r p o s e ，a n da n a l y z e sm i n ep r e s s u r er e g u l a r i t yo ft h ea b o v ef o u rw o r k i n gf a c e ，a n d u s e st h el a wo f ‘‘O n eF r o mF o u r ’’t od e s i g nf o u rw o r k i n gf a c e ’Sh y d r a u l i cs u p p o r tr e a s o n a b l e w o r k i n gr e s i s t a n c e ，a n du s e sF L A C 3 ds i m u l a t i o ns o f t w a r ea n dt h et h e o r yo fp r o b a b i l i t ya n d s t a t i s t i c sa n a l y s i sm e t h o d st od i s c u s st h eq u a n t i t a t i v ei m p a c to ft h ei n c r e a s eo ft h el e n g t ho f t h ew o r k i n gf a c eo nh y d r a u l i cs u p p o r ts t r e n g t h ． S t u d i e sh a v es h o w nt h a tu n d e rt h ec o n d i t i o no ft h eu n c h a n g e ds u p p o r ts t r e n g t h ，w i t ht h e i n c r e a s eo fw o r k i n gf a c e ’Sl e n g t h ，t h er o o f sa v e r a g ep e r i o d i cw e i g h t i n gs t e pd i s t a n c ei s c h a n g e da n da p p e a r st w ot r e n d s ，a n dt h ed y n a m i cl o a dc o e f f i c i e n td e c r e a s e s ，a n dt h eb a s i c r o o fs t r u c t u r eh a sn o tc h a n g e d ，a n dm i n ep r e s s u r ea p p e a r sl a r g e r , s u c ha st h er o o fs u b s i d e n c e ， r i bs p a l l i n g ，s t e n t ss a f e t yv a l v eo p e n i n ge t c ；u n d e rt h ec o n d i t i o no ft h es a m et h el e n g t ho ft h e w o r k i n gf a c e ，w i t ht h ei n c r e a s eo fs u p p o r ts t r e n g t h ，t h er o o fs u b s i d e n c e ’St r e n dd e c r e a s e s ； u n d e rt h ep r e m i s et h a tt h el e n g t ho ft h ew o r k i n gf a c ea n dt h er o o fc o n t r o l i n ge f f e c ta r ek n o w n ， w i t ht h e t h ei n c r e a s eo ft h el e n g t ho ft h ef u l l ym e c h a n i z e dw o r k i n gf a c e ，t h eh y d r a u l i cs u p p o r t s t r e n g t hi n c r e a s e sw i t h i nr e a s o n ，a n du n d e rt h ec o n d i t i o no ft h eu n c h a n g e ds u p p o r t ，t h el e n g t h o ft h ew o r k i n gf a c ei n c r e a s e sw i t h i nr e a s o n ． M i n i n gp r a c t i c es h o w st h a tt h er e s u l t so f t h es t u d yp r o v i d et h et e c h n i c a ls u p p o r to nt h e d e t e r m i n a t i o no ft h eh y d r a u l i cs u p p o r ts t r e n g t hi nc o n d i t i o no ft h ei n c r e a s eo ft h el e n g t ho ft h e f u l l ym e c h a n i z e dw o r k i n gf a c e ；a n dt h ed e t e r m i n a t i o no ft h el e n g t ho ft h ef u l l ym e c h a n i z e d 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 w o r k i n gf a c ei nc o n d i t i o no ft h eu n c h a n g e dh y d r a u l i cs u p p o r ts t r e n g t ho fa n dS Oo ni n4 2c o a l s e a mo fY u j i a l i a n gC o a lM i n e ，a n dt h e no f f e r sv a l u a b l ee x p e r i e n c ef o ro t h e rs i m i l a rc o a ls e a m m i n i n gi ng o de a s tm i n i n ga r e a ． K e y w o r d t h ei n c r e a s eo fw o r k i n gf a c e ’Sl e n g t h ；s t r a t ab e h a v i o r r e g u l a r i t y ；s u p p o r t s t r e n g t h ；t h er o o fs u b s i d e n c e ；t h er o o fc o n t r o l m ge f f e c t ；t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；p r o b a b i l i t y a n ds t a t i s t i c s 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 目录 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 课题的提出及研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．3 主要研究内容和方法及技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 2 不同面长工作面矿压规律实测研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 2 ．1 工程概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．10 2 ．2 现场实测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 2 ．3 观测结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 5 2 ．4 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 3 4 2 煤综采加长工作面支架合理工作阻力确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 2 3 ．1 “四一法则”定义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 2 3 ．2 综采加长工作面支架合理工作阻力确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 ．3 综采工作面面长与合理支护强度的关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 3 ．4 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 4 工作面面长增加对支架支护强度影响的数值模拟研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 8 4 ．1 研究内容和软件介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 8 4 ．2 工作面推进过程中宏观矿压显现发展规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 4 ．3 综采工作面面长与支架支护强度的关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 4 ．4 ，J 、结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯51 5 主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 3 至贮谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 5 攻读硕士期间的主要研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 C o n t e n t II n t r o d u c t i o n ．⋯．⋯．⋯．⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯．⋯．⋯⋯．⋯．．⋯⋯．．I I ．I P r o p o s e da n dr e s e a r c hs i g n i f i c a n c eo f t h es u b j e c t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2C u r r e n tr e s e a r c hs i t u a t i o no f d o m e s t i ca n do v e r s e a ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I 1 ．3M a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa n dm e t h o d s ⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2D i f f e r e n tl e n g t hf a c ep r e s s u r er e g u l a r i t yo ft h em e a s u r e dr e s e a r c h ⋯⋯．1 0 2 ．1 P r o j e c ts u m m a r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 2 ．2F i e l dm e a s u r e m e m ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．13 2 ．3T h eo b s e r v e dr e s u l t s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 5 2 ．4 C h a p t e rs u m m a r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 3D e t e r m i n a t i o no fs u p p o r ts t r e n g t ho nl e n g t h e nw o r k i n gf a c e ．⋯⋯⋯⋯⋯．2 2 3 ．1D e f i n i t i o no f t h el a wo f “o n ef r o mf o u r ”⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 ．2D e t e r m i n a t i o no f r e a s o n a b l es u p p o r ts t r e n g t ho nl e n g t h e nw o r k i n gf a c e ⋯．．⋯．⋯．．．2 2 3 ．3 R e a l a t i o n s h i p sb e t w e e nw o r k i n gf a c e ’Sl e n g t ha n d r e a s o n a b l es u p p o r ts t r e n g t h ⋯．3 7 3 ．4 C h a p t e rs u m m a r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 8 4N u m e r i c a ls i m u l a t i o n a lr e s e a r c ho nt h ee f f e c to ns u p p o r ts t r e n g t ho ft h e i n c r e a s eo fl e n g t h ．．．．⋯．⋯．．．．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 4 ．I R e s e a r c hc o m e n t sa n ds o f t w a r ed e s c r i p t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 9 4 ．2M a c r om i n ep r e s s u r ei nm i n i n go nw o r k i n gf a c e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 9 4 ．3 R e a l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h el e n g t ho f w o r k i n g f a c ea n ds u p p o r ts t r e n g t h ．．．．．．．．．．．．．．4 2 4 ．4 C h a p t e rs u m m a r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 3 5T h em a i nc o n c l u s i o n s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯．．⋯⋯．．⋯⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯5 4 T h a n k s ⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯．⋯．⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯．．⋯⋯．⋯．．⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯．⋯．⋯．．⋯．．5 6 R e f e r e n c e s ．⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯⋯．．⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯．5 7 M a i nw o r ka c h i e v e m e n to ft h ea u t h o rd u r i n gw o r k i n go nm a s t e rp a p e r ．⋯5 8 万方数据 山东科技大学硕士学位论文绪论 1 ．1 课题的提出及研究意义 综采工作面面长是一项重要的参数，它不仅关系到矿井和采区参数的选择，而且直 接影响到矿井生产的技术经济效果【l 】。在2 0 世纪9 0 年代，我国煤矿使用综合机械化开 采的工作面面长为1 2 0 ～2 0 0 m [ 2 】。在2 0 0 4 年以前，3 0 0 m 以上的综采工作面几乎没有，到 了2 0 0 7 年才出现了4 0 0 m 长的综采工作面【3 】。到了2 0 1 2 年，神东煤炭集团哈拉沟煤矿 建成了我国首个4 5 0 m 超长综采工作面并投产【4 】。在煤矿生产中，综采工作面合理的面 长是实现高产高效的重要条件，煤矿综采工作面的面长取决于很多因素【5 】。从理论上讲， 在不受地质条件、矿井通风和安全生产条件以及工作面配套设备的装备水平等因素的制 约时，工作面面长与工作面单产和生产效率成正比。在同一地质条件下，综采工作面长 度主要由开采工艺及装备水平来确定。随着设备性能大幅度提高和管理能力的提高，尤 其是日益丰富的工作面加大面长实践探索，人们逐渐发现，工作面矿山压力是制约面长 的一个重要因素，对应地，作为控制工作面矿压显现主要装备的支架性能和参数，成为 工作面长度制约因素研究中的最重要内容。同一地质条件下的综采工作面面长增加后， 如果仍然使用原有液压支架，即支护强度不增加的情况下，那么，顶板控制难度将会大 幅度增加，有可能造成安全事故。 确定综采工作面面长与支架支护强度的关系，可以得到在不改变支护强度的条件下， 安全开采的最大综采工作面面长，也可以得到增大工作面面长所需要增加的支架支护强 度，降低风险成本和投资成本。综采工作面的面长增加，留设的煤柱数量减少，煤炭资 源回收率提高，经济效益也会明显。东胜矿区所开采的煤层倾角小，厚度变化不大，顶 底板结构稳定，地质条件相对简单，有条件增加工作面的面长；矿区的机械化装备水平 高，要求单个工作面生产能力大，应该合理加大工作面面长；矿区产量要求高，在矿井 和工作面数量相对稳定的条件下，寻求最大合理工作面面长成为矿区煤层稳产高产的重 要技术途径之一。 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1 工作面长度确定方法研究现状 影响综采工作面面长的因素主要有地质因素、技术因素和经济因素。确定综采工 作面面长的方法有类比法 经验统计法 一根据类似条件下取得的有效数据，作为课 题的可行解；工艺分析法一根据确定条件下采煤机的工作，分析最优的工作面长度；经 济数学模拟法一用分析的形式建立工作面长度的经济数学模型，求相应于吨煤费用最低 的最优工作面长度【6 】。 东胜矿区采用面长与生产费用关系确定工作面长度，例如工作面设备日折旧和大修 费，回采巷道掘进费等，求取经济最优工作面长度L 木。一般认为工作面长度L 0 ．9 ～1 ．1 L 木之内都是合理的。进一步，他们采取地质条件和管理水平的经验系数修正L 幸，即 L * 2 0 ～5 0 m 为经济最优长度。 如上所述，传统的方法主要采用经济法求解工作面最优长度。 1 ．2 ．3 支架合理工作阻力确定方法研究现状 综采工作面支架工作阻力的确定主要决定于顶板压力的大小。工作面顶板压力的大 小，通常用支架的支护强度来衡量和表示。所谓支护强度，就是指采场项板的单位面积 上所需要的支撑力。既安全可行又经济的支护强度称为合理的支护强度。从安全角度出 发，排除直接顶易碎的采场后，支架的支护强度是越大越好。但从经济角度出发，应该 保证在安全和良好的采场工作环境条件下，尽可能减小支护强度，因为支护强的提高是 以制造支架时增加材料和支架使用中的投入为代价的。由此可以看出，针对不同的控顶 要求，支护强度是不同的。一般情况下，我们所说的某一个采场的支护强度是多少，是 针对一定的顶板控制状态而言的，因此不能以偏概全地认为该采场的顶板压力就等于测 得的支护强度。合理的支护强度应当能杜绝下列顶板事故以剪切的形式冒落、以滑动 的形式冒落、以冲击的形式冒落；应当尽可能抑制下列顶板压力事故顶板台阶下沉、 顶板破碎、上覆岩层出现离层、大面积悬顶、大的冲击载荷等。 1 ．2 ．3 ．1 国外确定支架工作阻力研究方法 1 英国W E L S O N 方法 英国威尔逊 W E L S O N 将采场工作面直接顶的平衡问题作为确定工作阻力的研究 依据，考虑了岩层断裂角和煤层倾角，认为支架应控制的直接顶厚度为2 倍采高，即认 为垮落岩石的松散系数为1 ．5 【_ 7 1 。岩石断裂角 与铅垂线夹角 有不同的值 2 万方数据 些查型茎奎兰堡主兰篁丝茎堑丝 顶板非常破碎，松软口 0 。 项板破碎口 1 5 。 顶板中等稳定口 3 0 。 顶板坚硬a 4 5 。 顶板非常坚硬a 6 0 。； 支护强度按式 1 ．1 计算 R 一WG H t a I l 口 1．1’CD 、， 其中W 皿H 式中形一直接顶的岩块重量，k N ； ，一顶板岩石容重，k n ／m 3 ； C 一支架中心距，m ； D 一工作面煤壁至支架合力作用点距离，m ； 三一工作面煤壁至顶梁后端距离，m ； 日一直接顶冒落高度，m ，一般H 2 M ； M 一采高，m 。 对于倾斜煤层，需要考虑沿倾斜层面的滑移，修正公式为 驴啬乜 H t a n 口 嚣 c o s 艿 ∽2 ， 式中6 一煤层倾角。 t a n 0 一层面摩擦因数，一般t a n 0 0 ．4 ，0 2 1 ．8 。。 2 德国确定支架工作阻力方法 前联邦德国规定，支架最小支护强度应考虑承担直接项岩重 采高的2 倍 ，并考虑 1 ．6 倍安全系数【7 】 即 R 1 ．6 2 5 2 M 8 0 M k P a 1 ．3 对于倾斜煤层，修正公式为 R 5 0 1 ．5 E m 1 ．4 式中 E 一煤层倾角，以g o n 表示，l g o n 0 ．9 。。 3 法国确定支架工作阻力方法 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 法国提出了根据顶板下沉量确定支架额定支护强度的经验公式 c 划。∽粕州降一] 式中c 一每米推进度下沉量，m m ／m M 一采高，m ； 日一采深，i l l ； 绪论 1 ．5 q 0 ．2 口一考虑采空区充填程度的系数，垮落法q 1 ，风力充填法q 0 ．5 ，水沙充填 P 一每延米支护强度，k ／V ／m 。 当临界下沉量C 足确定后，代入公式 1 ．5 ，可确定支架必需的额定支护强度P 【7 】o 4 前苏联确定支架工作阻力方法 前苏联学者关于支架工作阻力的计算有很多论著，其中，最有代表性的首推全苏测 量研究所阿奥尔洛夫的研究成果 s 口一b p c e n p №，P 一了 1 ．6 式中S 一顶板累计下沉量，m m ； P 一支护强度，1 0 k P a ； M 一采高，m ； Z ，一控顶宽度，m ； 口，6 ，c ，玎，七一与顶板岩性有关的常数‘7 1 。 5 前捷克斯洛伐克确定支架合理工作阻力方法 前捷克斯洛伐克科学院提出的方法 R 吾尘冬K D z K z K 。 1 ．7 K ．一l ～‘。 式中必一采高，m ； K ．一直接顶垮落松散系数； y 一直接顶岩石容重，k N ／m 3 ； 4 万方数据 山东科技大学硕士学位论文绪论 K D z 一滞后冒落系数； K z 一采空区附加支撑系数，冒落法K z l ，风力充填法K z 0 ．5 ，水砂充填法 K z 0 ．3 K s 一上层顶板自承系数‘7 1 。 1 ．2 ．3 ．2 国内确定支架工作阻力研究方法 1 老顶来压步距法 北京开采所根据相应的综采面测得的老顶周期来压步距厶及选用支架的采面地质 和采矿资料，利用式 1 ．8 求得液压支架工作阻力‘8 】 易 - 3 ．6 5 ．8 M 1 ．4 L 2 3 ．6 L M 1 ．8 式中M 一采高，m ； 厶一老顶周期来压步距，m ； 乙一控顶距，m 。 2 岩石自重法 此方法实质是以老项周期来压时，采面上覆岩层移动所波及的范围，即按垮落带内 岩石重量和周期性断裂岩层所产生的冲击载荷来确定液压支架工作阻力或支护强度‘引。 1 利用实测“两带”高度确定支架合理工作阻力 根据“两带”高度实测值，考虑q ，日的修正系数后，可用下列经验公式求得液 压支架合理支护强度 工作面老顶来压不明显时 鼻 H l 厄 O ．6 H I y 1 ．9 工作面老顶来压明显时 式中 日。一垮落带高度，m ； 日一裂隙带高度，m ； 最 H 2 心2 0 ．5 H 2 y 1 ．1 0 C 。一日l 修正系数 平均0 ．6 ； 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 c 一日2 修正系数 平均0 ．5 。 2 “砌体梁”力学模型法 中国矿业大学钱鸣高院士通过对上覆岩层移动规律的研究，认为支架合理的支护强 度应以来压时防止出现顶板沿煤壁切落及高差较大的台阶下沉为准则，支架工作阻力应 能平衡直接顶在控顶区内的重量及裂隙带结构岩层不能被块内摩擦力所平衡的部分载荷 【9 】，其关系式如下 形锄y [ 2 一黜R ㈦⋯ 式中形一液压支架支护强度，k N ／m 2 ； ∑办一直接顶厚度，m ； y 一直接顶容重，l 忒／m 3 ； 三一老顶周期来压步距，m ； 西一岩块间的摩擦角，砂岩约为4 5 。； 0 一岩块破断角 破断线与垂直线之间的夹角 ； h 一岩层厚度，m ； S 一老顶岩块的下沉量，m m Q 一工作面顶板上方裂隙带下位岩层中暴露岩块的全部重量，k N 尺一控顶距，m 。 3 “传递岩梁”力学模型法 山东科技大学宋振骐院士等建立了以上覆岩层运动为中心的矿山压力理论，即“传 递岩梁“ 理论。以上覆岩层运动为中心的矿压理论，就是要力争在搞清上覆岩层运动发 展规律、矿山压力的分布和显现与上覆岩层运动间关系的基础上，解决有关的控制问题 [ 1 0 ，1 1 ，1 2 ] O 按“传递岩梁“ 理论，工作面正常开采阶段，支架支护强度可按照式 1 ．1 2 计算 p 4 M E T E C 1 ．1 2 l K T L K A M z y z f z 1 ．1 3 6 万方数据 山东科技大学硕士学位论文绪论 式中么一直接项给支架的作用力，k N M ，一直接顶厚度，m ； y z 一直接项容重，Ⅲ／m 3 ； 厶一直接项悬项系数； M ，一老顶厚度，m ； ，E 一老顶容重，l d q ／m 3 c 一老顶周期来压步距，m ； 三r 一支架控顶距，m ； K 产岩重分配系数，受直接顶厚度与采高之比的控制。 3 经验类比法 根据本煤层临近工作面的矿压观测资料，来确定工作面支架的支护强度。这是目前 确定支护强度的最有效的方法。 1 ．2 ．3 工作面面长增加对支架支护强度影响国内外研究现状 综采工作面面长增加对支架支护强度影响这一课题，国内外学者进行了许多有益的 理论探索和实践。 国外有些学者从控制顶板角度出发，借助“a n P a 9 ．4 ”计算机，应用无限单元法进行 数学模拟，得出了在不同等级的工作面面长条件下的冒落岩体拱顶的高度和破裂岩体的 重量；随着工作面面长增加，顶板上覆岩层负荷按指数关系增长；当回采工作面面长大 于2 5 0 m 时顶板破裂岩体质量显著增大，工作面长度4 0 0 m 时达到临界值；工作面面长 的最大值取决于支架的支护强度‘13 1 。 美国学者R 博西尼等人通过对上费里波特煤层和P o c a h o n t a s 3 号煤层中支架工作阻 力的测定，确定长壁工作面面长对支架支撑能力的影响，得出当工作面面长达到1 5 3 m 后，在工作面中央和附近的支架对上覆岩层的最大影响不再增加，支架的支护强度不需 要随着工作面面长的增加而增加‘14 1 。 煤炭科学研究总院刘全明等为了选择大采高综放工作面合理的面长，采取数值模拟 的方法对大采高综放工作面在不同等级面长情况下的上覆岩层结构和采场周围岩石应力 的分布规律进行研究。研究结果显示，伴随着工作面面长的增加，工作面的超前支承压 力的影响范围增大，峰值远离煤壁，峰值增大，工作面覆岩应力拱的高度加大，矿压显 7 万方数据 山东科技大学硕士