峰丛地貌浅埋煤层综采工作面支架选型理论研究.pdf

1 贵 州 大 学 2018 届硕士研究生学位论文 峰丛地貌浅埋煤层综采工作面支架 选型理论研究 学科专业 采矿工程 研究方向 矿业系统工程 导 师 刘勇 教授 研 究 生 郭建达 中国﹒﹒贵州﹒﹒贵阳 2018 年 6 月 分 类 号 TD325 论文编号 2015022057 密 级 公开 万方数据 2 目录 摘要 ................................................................................................................................ 5 Abstract .......................................................................................................................... 6 1 绪论 ............................................................................................................................ 8 1.1 研究目的和意义 .............................................................................................. 8 1.2 国内外研究现状 .............................................................................................. 8 1.2.1 峰丛地貌下浅埋煤层矿压显现规律和顶板控制研究 ........................ 9 1.2.2 峰丛地貌下煤层开采覆岩运动研究 .................................................. 10 1.2.3 浅埋煤层综采工作面支架选型研究 .................................................. 11 1.3 研究内容 ........................................................................................................ 12 1.4 研究方法与技术路线 .................................................................................... 12 1.4.1 研究方法 .............................................................................................. 12 1.4.2 技术路线 .............................................................................................. 13 2 工作面工程地质背景概况及开采条件 .................................................................. 14 2.1 兖州矿业集团发耳煤矿 1107 工作面工程地质概况 .................................. 14 2.1.1 1107 工作面地形地貌特征 .................................................................. 14 2.1.2 1107 工作面开采方法及顶底板情况 .................................................. 15 2.2 工作面支架工作阻力及适应性分析 ............................................................ 18 2.2.1 支架工作阻力分析 .............................................................................. 18 2.2.2 支架适应性分析 .................................................................................. 20 2.3 本章小结 ........................................................................................................ 20 3 峰丛地貌浅埋煤层综采工作面覆岩运动规律物理模拟实验研究 ...................... 21 3.1 相似模型的制作 ............................................................................................ 21 3.1.1 相似模拟参数的确定 .......................................................................... 21 3.1.2 相似材料配比及用量的确定 .............................................................. 21 3.1.3 模型的制作工艺 .................................................................................. 22 3.1.4 模型开挖与测点布置 .......................................................................... 23 万方数据 3 3.1.5 模拟支架 .............................................................................................. 24 3.2 模型开挖结果分析 ........................................................................................ 25 3.2.1 直接顶破断规律分析 .......................................................................... 25 3.2.2 基本顶破断规律分析 .......................................................................... 27 3.2.3 模型裂隙发育特点与分布规律分析 .................................................. 29 3.2.4 覆岩垮落带与裂隙带发育高度对比分析 .......................................... 30 3.2.5 工作面矿压显现规律分析 .................................................................. 31 3.3 本章小结 ........................................................................................................ 34 4 峰丛地貌浅埋煤层矿压显现规律数值模拟研究 .................................................. 35 4.1 FLAC3D 数值模拟软件 ................................................................................ 35 4.2 数值模拟的计算 ............................................................................................ 35 4.2.1 数值模型的建立 .................................................................................. 35 4.2.2 模型边界条件及载荷的施加 .............................................................. 38 4.2.3 确定模拟计算方案 .............................................................................. 38 4.3 数值模拟结果及分析 .................................................................................... 38 4.3.1 工作面采动坡体活动特征 .................................................................. 39 4.3.2 工作面覆岩移动规律分析 .................................................................. 43 4.3.3 液压支架工作阻力变化情况 .............................................................. 46 4.4 本章小结 ........................................................................................................ 47 5 支架合理选型研究 .................................................................................................. 48 5.1 工作面支架与围岩关系理论分析 ................................................................ 48 5.2 工作面支护强度设计 .................................................................................... 49 5.2.1 常规方法计算支护阻力 ...................................................................... 49 5.2.2 峰丛地貌浅埋煤层工作面支架支护强度的确定 .............................. 50 5.2.3 采场支架工作阻力确定 ...................................................................... 53 5.3 采场液压支架关键参数确定 ........................................................................ 54 5.4 峰丛地貌浅埋煤层工作面支架工作阻力实测 ............................................ 55 5.4.1 贵州某矿 1306 工作面地质概况及支架测区布置 ............................ 55 5.4.2 实测结果分析 ...................................................................................... 56 万方数据 4 5.5 本章小结 ........................................................................................................ 57 6 主要结论及展望 ...................................................................................................... 58 6.1 主要结论 ........................................................................................................ 58 6.2 不足之处与展望 ............................................................................................ 59 万方数据 5 峰丛地貌浅埋煤层综采工作面支架选型理论研究 摘要摘要 我国西南地区以贵州为代表的典型峰丛地貌， 地表多为起伏变化较大的山地 地形。 峰丛地貌浅埋煤层开采期间， 煤层埋深变化大， 工作面矿压显现异常强烈、 液压支架安全阀开启率高甚至出现支架被压死等现象， 不利于保证矿井的安全高 效生产。本文以发耳煤矿 1107 工作面为现场研究对象，综合运用现场调研和实 测、实验室物理模拟、数值模拟与理论分析等研究手段，对峰丛地貌浅埋煤层综 采工作面覆岩运动特征和矿压显现规律进行了系统的分析， 并以此研究结论为依 据进行了工作面液压支架的合理选型研究。主要研究成果如下 （1）相似模拟结果表明工作面基本顶初次垮落步距 42.5m，共出现八次 周期来压，周期来压步距处于 14.423.1m 之间，平均 18.4m。向谷开采段周期来 压步距平均为 18.7m，谷底段开采为 19.9m，背谷段开采为 15m，周期来压步距 平均值整体呈现“谷底段＞向谷段＞背谷段”的特征。 （2）相似模拟实验中向谷开采、谷底开采与背谷开采阶段的支架平均载荷 分别为 2760kN、2680kN、3150kN。工作面来压的“高压区”与“低压区”周期 性呈现，背谷开采阶段“高压区”的影响范围与整体数值均最大。背谷段开采由 于山地坡体临空面的存在，岩体间存在垂向载荷与水平作用力，导致上覆岩层产 生水平位移，岩块之间的摩擦力不足，易发生滑落失稳，背谷阶段支架支护难度 最大。支架工作阻力在背谷段达到 4300kN 的最大值，超出实际工作面支架阻力 的 26.4，说明现有支架无法提供足够的支护强度。 （3）采用 FLAC3D 数值模拟软件分析得到工作面采动影响下前方煤岩体的 应力集中程度整体呈现“背谷段＞向谷段＞谷底段”的特征， 与相似模拟实验中工 作面顶板来压规律相近。 （4）通过模拟工作阻力在 20005600KN 区间内顶板下沉量的变化规律，结 合安全开采和经济高效等因素考虑，确定支架合理工作阻力在 43004500KN 范 围内。与相似模拟实验中支架载荷最大值 4300kN 的支护要求相符。 （5）按照“给定变形”与“限定变形”的不同状态分析了支架与围岩相互作用 关系。结合前述实验结果对不同强度支护方案进行了计算，得出了合理的液压支 架支护工作阻力。 关键词关键词峰丛地貌；浅埋煤层开采；覆岩运动特征；矿压显现；支架工作阻力 万方数据 6 Study on the support type selection theory of fully mechanized mining face in shallow seam with peak- cluster land Abstract Typical peak-cluster lands represented by Guizhou in southwest China, the surface is more undulating and more mountainous terrain. During mining of shallow seam with peak-cluster land, the coal seam depth changes greatly, the mining pressure appears unusually strong, the safety valve opening rate of hydraulic support is high even the phenomenon of bracket being pressed. It is not conducive to ensuring safe and efficient production of mines. In this paper, 1107 face of hair ear coal mine is a field research object. Comprehensive use of field research and measurement, laboratory physical simulation, numerical simulation and theoretical analysis and other research means, In this paper, the characteristics of overburden movement and the Law of rock pressure appearing in the fully mechanized mining face in the shallow seam of the peak-cluster land are analyzed systematically. Based on this research conclusion, the reasonable selection of hydraulic support in working face is carried out. The main findings are as follows 1 Similar simulation results show that The basic roof of the face of the first collapse step distance of 42.5m, a total of eight cycles to pressure, the period of pressure step distance between 14.423.1m, the average 18.4m. To the Valley mining period to the average pressure step distance of 18.7m, the bottom section of the mining is 19.9m, back Valley section mining for 15m. The average of the periodic pressure-step distance presents the characteristics of the “bottom section and the Valley section and the Back Valley segment“. 2 In the similar simulation experiment, the average load of bracket in Valley mining, bottom mining and back Valley mining stage is 2760kN, 2680kN and 3150kN respectively. The “High Pressure zone“ and “Low pressure zone“ appear periodically in the face pressure, the influence range and the overall value of the “High Pressure zone“ are the largest in the back Valley mining stage. Because of the existence of the surface of mountain slope, the mining of Back Valley section there exists vertical load and horizontal force between rock bodies, resulting in horizontal displacement of overlying strata, insufficient frictional force between rock blocks, slipping instability 万方数据 7 easily, and difficulty in supporting support in Back Valley stage. The working resistance of the bracket reaches the maximum of 4300kN in the back Valley segment, exceeding 26.4 of the resistance of the actual working surface bracket, indicating that the existing bracket cannot provide enough support strength. 3 Using FLAC3D numerical simulation software to analyze the characteristics of the stress concentration of the front coal rock mass under the influence of mining in the face is the feature of “Back Valley section and Valley section“. 4 Based on existing research results, according to the different states of “given deation“ and “limited deation“, the relationship between bracket and surrounding rock is analyzed. The calculation of different strength support scheme is carried out, and the reasonable working resistance of hydraulic support supporting is obtained. 5 According to the different states of “given deation“ and “limited deation“, the relationship between bracket and surrounding rock is analyzed. Combined with the above experimental results, the different strength support schemes are calculated and the reasonable hydraulic support work resistance is obtained. Keywordspeak cluster land; shallow coal seam mining;strata behaviors;supports working resistance 万方数据 8 1 绪论绪论 1.1 研究目的和意义研究目的和意义 我国目前的能源分布状况为“多煤、贫油、少气” ，这就决定了煤炭在我国 能源供给中的主体地位。储量丰富的煤炭资源，对促进国民经济的发展与维护能 源供给的安全起着极其重要的作用。从现有情况来看，在未来相当长的时期内， 煤炭仍将是最主要的消费能源。随着国民经济的高速发展，我国煤炭产量由 200 0 年的 13.84 亿 t，扩增到 2014 年的 38.7 亿 t，在国内一次能源消费中其比重达 到 66.0[1]。 贵州省煤炭资源储量丰富，含煤面积超过 7 万 km2， 广泛分布于全省 88 个 县（市）中，占全省国土面积的 40以上。截至 2009 年底，探明资源量 707.61 亿 t，2000m 以下浅埋资源量 1880.94 亿 t，总资源量居全国第五位，达到 2588. 55 亿 t。 2015 年全年煤炭产量已达 1.7 亿 t，是江南最大的煤炭调出省，占云贵 煤炭基地总量的 2/3 以上[2]。 近些年来我国煤炭资源的开发重点逐步向西部转移， 并形成以内蒙古为代表 的西北和以贵州省为代表的西南两大发展方向。西部煤田主要特点有一是煤炭 资源大多以浅埋煤层赋存，探明储量多在垂深500m以内；二是地形地貌多样， 地表起伏大，西北内蒙古、陕西省多为冲沟发育区，而西南贵州、云南省则为山 区地形。贵州省属于石灰岩较发育地区，岩溶较发育，形成的喀斯特峰丛地貌对 煤层埋藏深度影响较明显，地形起伏较大。 贵州峰丛地貌下煤矿地质赋存条件复杂，浅埋煤层在山地下进行开采时，工 作面矿压显现与常规埋深条件下相比更为强烈，顶板易发生整体切落，基岩破断 角大，采动影响会直达地表。工作面呈现初次来压更为猛烈，周期来压频繁且时 间缩短，基本顶来压期间常伴有顶板台阶下沉现象。开采过程中易出现压断支架 尾梁或与顶梁与尾梁分离、 液压支柱遭到压裂破坏甚至支架活柱被压至最大行程、 支架过载率过高等现象，严重威胁井下作业人员的人身安全和煤矿的正常生产。 而现有针对峰丛地貌浅埋煤层矿山压力与顶板岩层控制理论的研究较少，因此， 本文拟以山东兖州矿业集团贵州能化公司发耳煤矿 1107 工作面为研究对象，对 开采期间覆岩移动规律进行针对性研究， 进而指导峰丛地貌浅埋煤层工作面支架 的合理选型工作，实现矿井的安全高效开采。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 通过查阅发现国内外对浅埋薄及中厚煤层顶板控制、采动滑坡、露天矿边坡 稳定性控制、山区地表变形规律等方面的研究较多，成果较为丰富；针对峰丛地 万方数据 9 貌的研究主要是从地质、土壤、地表形成过程等方面研究其形成[35]。而欲实现 峰丛地貌下浅埋煤层综采工作面支架的合理选型， 需要首先弄清楚该特殊地貌下 浅埋煤层矿压显现及顶板控制规律和采动影响下覆岩移动规律两方面内容， 目前 针对上述两方面内容及支架合理选型的研究成果主要有 1.2.1 峰丛地貌下浅埋煤层矿压显现规律和顶板控制研究峰丛地貌下浅埋煤层矿压显现规律和顶板控制研究 莫斯科近郊煤田和美国阿巴拉契亚煤田是典型的大型浅埋煤田， 另外印度和 澳大利亚等国家也在进行浅埋煤层的开采（埋深在 100 m 以） 。国外在浅埋煤层 开采矿压显现规律的观测方面取得了较多成果， 但对顶板控制理论的研究还主要 集中在简单的支架受载力学模型分析和经验公式的应用方面。 前苏联B B 布德雷克在1981年总结了埋深为100 m、顶板为厚粘土层条件下 浅埋煤层的矿压显现特征，指出顶板来压十分猛烈，产生动载现象。20世纪80 年代初，澳大利亚B 霍勃尔依特博士等对新南威尔士安谷斯 坡来斯煤矿浅部长 壁开采的矿压现象进行了实测，发现回采后采空区迅速压实，煤壁附近顶板岩层 迅速发生整体移动，支架有动载现象，安全阀开启频率较高，顶板破断期间来压 猛烈，支架很快达到额定工作阻力，在接下来的一周内又重新减小。 我国的科研工作者和工程技术人员对于浅埋煤层长壁开采顶板控制理论的 研究始于20世纪90年代初，并在短时间内取得了颇为丰富的研究成果。主要体现 在两个方面 一是浅埋煤层长壁开采矿压显现规律的观测及顶板破断运动机理的定性分 析。1995年，西安科技大学侯忠杰教授通过对石圪台煤矿两个高产长壁工作面的 二维一相固态相似材料模拟试验和矿压观测的基础上， 得出了浅埋煤层矿压显现 的基本规律，认为具备以下两个条件时可防止工作面顶板架前整体切落一是基 岩厚度足够大时， 其在工作面上方可以形成能够承担松散岩层自重载荷的力学结 构；二是工作面支架须提供足够大的支护阻力。石平五教授、侯忠杰教授等通过 对大柳塔煤矿1203工作面的观测， 得出薄基岩在厚沙覆盖层作用下的整体切落是 顶板破断运动的主要方式。1999年，侯忠杰教授又提出了“组合关键层”理论， 该理论基于“关键层”理论的基础之上，并结合了矿压实测结果和浅埋煤层的赋 存特征，他认为在上覆基岩条件相同时，地面松散层厚度的差异将会很大程度上 影响其关键层层位的分布；普通浅埋煤层的最下一层坚硬岩层可能是主关键层， 也可能是亚关键层；但地面厚松散层浅埋煤层，两层坚硬岩层都是主关键层；地 表厚松散层浅埋煤层的两层关键层发生组合效应后，将形成组合关键层[610]。煤 炭科学研究总院唐山分院的张世凯等人以大柳塔首采面矿压实测为基础， 对厚松 散层薄基岩近水平煤层上覆基岩垮落规律和顶板来压机理进行了分析， 提出了顶 板“全厚切落式”来压的概念[11]。 万方数据 10 二是基于浅埋长壁工作面矿压显现规律的顶板破断运动机理及控制的定量 化研究和工程实践。2000年以来，西安科技大学黄庆享教授提出了初次来压期间 关键层破断的非对称三铰拱结构， 该理论基于工作面矿压实测及模拟实验基础之 上。他认为基本顶初次来压时关键层破断通常呈现非对称形态，推进侧和开切侧 岩块长度之比约为1.5，前者长于后者，并提出了周期来压的“短砌体梁”和“台 阶岩梁”结构，浅埋煤层工作面周期来压异常的主要原因就是顶板岩块破断后， 相互之间水平力降低，易处于滑落失稳状态。并以浅埋煤层顶板结构及其稳定性 控制为核心，确定了岩块结构定量分析参数，提出了初次来压和周期来压顶板结 构理论，考虑载荷传递效应，建立了浅埋煤层顶板控制的基本框架，为浅埋煤层 的顶板支护奠定了基础[1216]。 1.2.2 峰丛地貌下煤层开采覆岩运动研究峰丛地貌下煤层开采覆岩运动研究 近些年来，国内外学者针对采动裂隙的形成演化过程、形态特点和采动覆岩 运动规律的研究，进行了诸多探索并取得了较多突破性研究成果。蒋金泉等认为 上覆采场的变形是复杂多变的，其不协调变形的原因，主要是由于上覆煤岩层围 岩的应力重新分布所引起的，应力变化产生材料裂纹的动态扩展，随着采面的移 动而前移[22]。 杨栋等指出突水的产生与裂隙发育及其导通是直接相关的。 其产生 的原因是应力重分布、裂隙发育导通、水力相互耦合作用导致的[23]。李树刚等认 为多重关键层的存在将会导致主关键层得下部产生变形间断， 而亚关键层的存在 可能是连续与非连续产生的原因[2426]。 方新秋制作出了六种不同的相似模拟模型，考虑到不同的因素块体构造、 直接顶裂隙、老顶失稳方式等，最后指出拉伸与剪切破坏耦合是上覆岩层裂隙扩 展的主要形式[27]。靳钟铭等通过物理相似模拟实验的研究并结合理论分析成果， 给出了支承压力比较详细的计算表达式， 并计算了围岩塑性区的范围[28]。 刘泽功 利用相似模拟试验的方法， 详细研究了采空区顶板裂隙特征分布特征规律及其力 学本质[29]。 黄炳香等人进行了采场顶板尖灭隐伏逆断层区导水裂隙发育特征研究， 他提 出导水裂隙在断层尖灭点附近的高度方向停止发展， 而完整岩层能在一定程度上 阻隔构造导水裂隙的竖向扩展[30]。 曾强等人指出煤田的火灾区煤层燃烧以后形成 的裂隙分带与煤层开采类似， 火区供氧与烟气逸散的物理通道是裂隙[31]。 刘金海 等人采用了数值计算的方法研究了C型采场支承压力的分布特征，并指出了垂直 应力分布是呈“C”形，应力峰值位于工作面上、下角落的深部[32]。贺桂成等运 用RFPA软件，根据工作面现场实测情况建立了AMFIS模型，深入分析了采空区 高度等影响因子对覆岩裂隙带发育产生的影响[33]。 万方数据 11 自20世纪50年代以来， 针对采场上部岩层应力场作用规律及范围和岩层铰接 结构形式的研究，国内、外专家通过相似模拟、理论分析和数值模拟等方法提出 了许多对应的假说，其中极具代表性的有悬臂梁假说（W.Hack 和G.Gillitzer） 、 预成裂隙假说（A.Labasse） 、铰接岩块假说（Г.H.K.）等[34]。 上个世纪60年代， 钱鸣高院士和李鸿昌教授两人对采场上覆岩层块体之间的 力学作用机理做出了深入分析， 对铰接岩块假说以及预成裂隙假说进行了极大的 发展与改进。在80年代初期，钱鸣高院士等人通过诸多的现场考察、工程实践以 及对工作面上覆岩层岩块间的相互作用关系和作用方式进行了大量研究， 提出了 “砌体梁”模型。该模型的建立为工作面矿压规律、周期来压等方面的研究奠定 了理论基础，同时论证了采场矿压控制[1719]。 1.2.3 浅埋煤层综采工作面支架选型研究浅埋煤层综采工作面支架选型研究 工作面支架与围岩关系是工作面支架合理选型研究的核心。 回采工作面顶板 控制技术的关键就是正确认识并处理好液压支架与采场围岩之间的关系 [41]。二 者关系的实质是工作面所选用支架的各项性能与参数对自身工作状态及围岩运 动规律的影响，回采工作面支架与采场围岩之间联系紧密，通常被视为相互作用 的矛盾统一整体， 支架存在主动支护和被动支护两种不同工作状态， 主动支护时， 能够一定程度上改变围岩体性质，迟缓裂隙发育，提高围岩承载能力，作为被动 支护体时，则需有足够支护阻力承载覆岩作用力 [42]。 刘长友、 杨培举等基于两柱掩护式综放支架新架型， 通过相似模拟实验手段， 对工作面顶部煤层的破坏规律