韩家湾矿综采面矿压规律研究.pdf

西安科技大学 硕士学位论文 韩家湾矿综采面矿压规律研究 姓名雷薪雍 申请学位级别硕士 专业采矿工程 指导教师余学义 论文题目韩家湾矿综采面矿压规律研究 专业采矿工程 硕 士 生雷薪雍（签名） 指导老师余学义（签名） 摘要 韩家湾煤矿位于神府矿区石圪台井田范围内，煤层赋存特点是埋藏浅、顶板基岩 薄、地表为厚风积沙松散层，是典型的浅埋煤层。长期的开采实践表明浅埋煤层下进行 长壁开采矿压显现非常强烈，需要特大阻力液压支架平衡上覆岩层和松散层载荷，才能 防止煤层顶板出现覆岩整体全厚切落的发生。本文采用现场观测、理论分析及数值模拟 等研究方法对韩家湾煤矿综采工作面矿压规律及合理煤柱留设进行了深入研究。 选用 KJ216 监测系统，对2303 开采工作面及其两条回采巷道的顶板进行动态监测。 对观测数据分析得出 工作面个别支架工作阻力偏载严重， 工作面支架初撑力严重偏小 ， 主要是由于工作面顶底板下沉量不均匀及支架注液不规范导致；直接顶初次冒落步距为 20.3m、基本顶初次来压步距为 38m，基本顶周期来压步距平均为 9m；回风、运输顺槽 顶底板移近量为 64mm、52mm，巷道表面围岩位移速度变化为3.0mm/h，表明巷道压力 不大，现采用的支护方式合理。工作面数值模拟得出随着工作面推进，采空区顶板变 形和破坏影响范围逐渐增大，破坏进一步向顶板深部岩层转移，引起上覆松散层出现大 范围破坏并延伸至地表，形成地表台阶下沉；塑性区的破坏发展主要在顶板及上覆岩层 范围内，工作面附近煤壁塑性破坏范围较大；工作面前方支承压力随着工作面推进呈逐 渐增大趋势，峰值在煤壁前方 3～9m，影响范围 2535m。 根据顺槽顶底板移近量和压力分布特征分析，允许减小区段煤柱尺寸，提高资源回 采率，降低开采成本。为此，应用数值计算模拟方法，模拟采用 10～16m 不同宽度区段 窄煤柱时，巷道位移变形分布特征及其稳定性，得出工作面间区段煤柱可由原设计的 20m 宽减小到 12～14m。 研究结果对于保证韩家湾煤矿安全生产，提高矿井生产能力、技术经济效益和资源 采出率具有指导意义，为该矿创建安全生产与高产高效矿井奠定了基础。 关 键 词矿山压力；浅埋煤层；液压支架；窄煤柱；数值模拟；支护 研究类型应用研究 SubjeSubjeSubjeSubject ct ct ct S S S Studytudytudytudy onononon Strata-PressureStrata-PressureStrata-PressureStrata-Pressure BehaviorBehaviorBehaviorBehavior inin inin Fully-MechanizedFully-MechanizedFully-MechanizedFully-Mechanized FaceFaceFaceFace ofofofofHanjiawanHanjiawanHanjiawanHanjiawanCoalCoalCoalCoalMineMineMineMine SpecialtySpecialtySpecialtySpecialty MiningMiningMiningMining EngineeringEngineeringEngineeringEngineering NameNameNameName LeiLeiLeiLeiXin-yongXin-yongXin-yongXin-yongSignatureSignatureSignatureSignature SupervisorSupervisorSupervisorSupervisor YuYuYuYuXue-yiXue-yiXue-yiXue-yiSignatureSignatureSignatureSignature ABSTRACTABSTRACTABSTRACTABSTRACT Hanjiawan coal locates in the area of Shi Ge tai of Shen Fu mining field, the characteristics of coal seam are shallow burial depth, thin roof bedrock, thick windblown sands unconsolidated layers, which is the typical shallow seam. The mining practice for mining in the thick unconsolidated layers show that the strata behaviors of long-wall mining in shallow seam pers strongly, which needs super resistance support to balance the loads of overlying stratas and unconsolidated layers and to prevent the integral breaking of the whole overlying strata. This thesis researches deeply the strata behaviors in fully-mechanized face of Hanjiawan coal by means of field observation, theoretical research and numerical simulation. Using the KJ216 monitoring system, the thesis monitors dynamically the roof of 2303 workface and two mining gateways. The analysis of monitor data shows that the setting loads of face supports are serious small and some support has offset load, which are caused by the uneven settlement of work-face roof and the non-standard support injection.Itobtains that the immediate roof first caving interval is 20.3m, while the main roof first weighting interval is 38m and the average periodic weighting length is 9m. It also indicates that the convergence between roof and floor of the air return gate and haulage gate are 64mm, 52mm separately, and the roadway surface displacement changing rate is 3.0mm/h, which show that the tunnel pressure is little and the present support pattern is reasonable.The numerical simulation of work-face shows that with face advancing the gob roof deation and its damage range enlarges gradually, which causes large-scale destroy to the unconsolidated layers and extends to surface to per step subsidence. The main influencing damage of plastic zone is in the range of roof and overburdens. The coal walls near work-face have serious plastic damage. The lead abutment pressure tends to increase, and the peak is 39m ahead of coal wall with 2535m influence scope. The analysis of roof to floor convergence and pressure distribution characteristics indicates that in order to improve the recovery rate and reduce cost the section coal pillars are allowed to reduce. Meanwhile, the thesis simulates the roadway displacement deation and its stability when the size of section coal pillars is 1016m, which shows that the size can be reduced from original 20m to 1214m. The results have guiding significances for improving the coal production capacity, technical and economic benefits and recovery coefficient of Hanjiawan coal, and also for guaranteeing its safety production. The research lays a foundation for the coal to build a mine with safe production and high yield and efficiency. K K K KeyeyeyeywordswordswordswordsGround PressureShallow SeamHydraulic SupportNarrow Pillar Numerical SimulationSupport ThesisThesisThesisThesis Application Research 1 绪论 1 1 绪论 1.1 问题的提出及研究的意义 煤炭工业是我国国民经济健康发展的重要支柱产业，经过几十年的发展，已经具备 了雄厚的基础。根据国家统计部门显示，2009 年我国原煤总产量近 30 亿吨，同比增长 近 9[1]。神府、东胜煤田是我国现已探明煤炭储量最大的煤田，探明储量达 2236 多亿 吨，占到全国探明储量的 1/3。根据国家规划，这里将成为我国西部优质动力煤和出口 煤基地，对我国国民经济的发展具有重要意义[23]。 榆神府矿区地处我国西部的毛乌素沙漠和陕北黄土高原的接壤地带，本区水资源贫 乏，地质及生态环境脆弱，该矿区煤层的突出特点是埋藏浅、顶板基岩薄、地表为厚风 积沙覆盖层，是典型的浅埋煤层[4]。目前，除神东公司数对具有国际先进水平的现代化 矿井采用装备着世界一流综合机械化设备的长壁开采方法外，其它约400多个地方中小 型矿井仍采用回采率很低的非正规房式和柱式开采方法，不仅采出率很低，仅为20～ 35，极大地浪费煤炭资源，而且还有顶板大面积切落灾变危险，严重威胁矿井的人员 安全。如郭家湾煤矿1995年2月7日发生面积高达7万m2的大面积垮落；还有哈拉沟煤矿， 由于煤层顶板上水和沙层载荷的作用，长壁工作面顶板总是发生切顶水患，时刻面临着 顶板垮落威胁。为改善安全条件和提高回采率，曾有数个小煤矿尝试将房柱式开采改进 为长壁式开采，但都因为金属摩擦支柱的支护能力不能有效的控制顶板，导致发生顶板 台阶切落，这些小煤矿不得不终止了长壁式开采改进项目，又改回原房柱式采煤方法。 神东公司配备先进综合机械化设备的长壁开采方法实现了在榆神府矿区浅埋煤层 的高产高效和矿山安全，这为今后其它矿井参照神东公司模式采用综合机械化长壁采煤 方法提供了成功的经验，但这并不意味着我们就能盲目照搬神东模式顶板管理方法。神 东公司十多年来的开采实践表明，对于地表厚松散层浅埋煤层长壁开采，需要特大阻力 液压支架平衡上覆岩层和松散层载荷，才能防止煤层顶板出现覆岩整体全厚切落的发 生。如大柳塔煤矿C202长壁单体支柱工作面， 来压期间顶板沿煤壁台阶切落， 落差为350～ 600mm，最大切顶距离达70m；还有大柳塔1203长壁综采工作面，根据顶板分类所选择 的工作阻力为3500kN支架，来压期间工作面中部约90m范围顶板沿煤壁台阶切落，其中 30m范围切顶台阶达1.0m，导致支架被“压死”，从而造成了极大经济损失[56]。通过西安 科技学院和神东公司对厚松散层浅埋煤层岩层控制进行了深入研究，神东公司长壁工作 面所选的液压支架额定工作阻力愈来愈大，从20601工作面开始，支架额定工作阻力增 大到6708kN／架，从而有效地控制住了顶板沿煤壁全厚度整体切落，随着采高的增大， 目前支架额定工作阻力已达16800kN／架，这样大的工作阻力支架在我国也是绝无仅有 西安科技大学硕士学位论文 2 的。可见，液压支架是工作面安全生产的关键，而且其投资占到综采设备投资的85， 因此，对于不同赋存条件的浅埋煤层，应当在认识自身矿山压力规律的基础上，正确的 选择合理的液压支架，所以，本文通过对韩家湾2303综采工作面的观测，分析矿山压力 显现规律，进而深入浅埋煤层支架-围岩关系、支架主要参数确定以及液压支架适应性 的研究，为矿井今后选择技术上安全先进、经济上合理的液压支架提供参考依据。 得益于先进的综采设备和不断完善的综放开采工艺，2005年神东煤炭公司的年生产 能力突破亿吨，其中大柳塔、上湾等矿目前“一井一面”的年产量都已达到千万吨，补连 塔的“二井二面”的年产量达两千万吨，成为世界上年产量最大的矿井之一。目前我国的 综合机械化放顶煤开采技术已处于世界领先水平，但是，综放开采仍存在诸多问题，比 如煤柱宽度留设不合理，工作面采出率、采区采出率偏低，煤炭开采损失还比较严重 ； 巷道围岩控制技术滞后，巷道维护费用较高[7]。因此，综放条件下窄煤柱护巷技术成为 各矿井提高采区采出率的重要技术途径之一。保持窄煤柱稳定是控制巷道围岩稳定的关 键，传统的留设20～30m宽度的煤柱势必会造成煤炭资源的浪费，为了提高回采率，必 须减小煤柱尺寸。但是，如果煤柱尺寸过小，无法有效支撑顶板压力，不能保证工作面 的安全生产，要保持综采放顶煤巷道的稳定，就要分析煤柱的稳定性煤柱的稳定性与 煤柱的宽度、巷道的支护阻力、围岩的力学性质等有关，而解决这个问题的先决条件 是对巷道围岩压力分布规律及其显现有比较深入地研究和了解，使煤柱减少或避免支承 压力的影响[89]。为实现进一步提高回采率，本文采用数值模拟方法对浅埋煤层下采用 较窄区段煤柱进行初步探讨和研究。 矿井安全与高产高效是当今煤矿生产的两大主题，本文以陕西省神木县大柳塔镇韩 家湾煤矿 2303 工作面作为研究对象，通过对韩家湾煤矿综采工作面矿山压力显现规律 及合理尺寸煤柱研究，科学地选择适合于该煤矿煤层的综采工作面的管理方法，其研究 成果不仅对韩家湾煤矿，而且对榆神府煤田其他中小矿井采煤方法改革和实现高产高效 都具有重要意义。 1.2 国内外研究现状及发展趋势 1.2.1 浅埋煤层开采矿压研究现状 国外对于浅埋煤层的研究较为典型的是莫斯科近郊煤田和美国阿巴拉契亚煤田，印 度和澳大利亚也在进行浅埋煤层开采。较早的有前苏联 M 秦巴列维奇根据莫斯科近郊 煤田浅埋深条件提出的台阶下沉假说。该假说认为当煤层埋藏较浅时，上覆岩层可视为 均质。随工作面的推动，顶板将呈斜六面体沿煤壁上方垮落直至地表，支架上所受的载 荷应考虑整个上覆岩重的作用。 在浅埋煤层矿压显现方面，前苏联布德雷克于 1981 年在前苏联煤杂志中指出 1 绪论 3 在埋深 100m 且存在厚粘土层条件下，放顶时支架出现动载现象，约12％的采区煤柱出 现动载现象。说明浅埋深煤层顶板来压迅猛，与普通采场顶板逐次垮落失稳形成的缓和 来压有明显的区别。 80 年代初，澳大利亚 B.霍勃尔瓦依特博士等对新南威尔士安谷斯坡来斯煤矿浅部 长壁开采的一些矿压现象进行了实测。该矿开采李寺古煤层，顶板为煤、页岩互层，坚 固稳定，采高 2.6m，煤层赋存平缓，初期煤层开采深度约 72m，工作面长135m。顶板 破断与岩层移动特征初次垮落步距 10m。随工作面推进，沿工作面和采空区边缘的顶 板岩层几乎是垂直断裂，岩层破断角为 76～90，地表最大下沉量为采高的 60，最大 下沉量的 85％发生于距工作面 40m 范围内，说明采空区迅速压实，煤壁附近顶板岩层 迅速发生整体移动。 1995 年印度新歌难尼煤炭公司从中国煤炭工程机械装备及台进口公司（CME）购 置两套综采成套设备，使我国专家赵宏珠教授对印度浅埋煤层长壁矿压规律进行了研 究。PV 煤矿采深 65m，煤层倾角 5～7，采高 3m，顶板基岩约为 40m 沙岩层，表土层 厚 3m 左右。实测表明工作面顶煤、直接顶、老顶由下到上都有离层，沿工作面长度 方向，分段断裂和跨落，来压显现为煤壁前方顶底板移近速度增大，地表缓慢下沉。周 期来压布距与地表裂缝间距大致一致。由于支架工作阻力比较大，所以矿压显现不是很 明显，根据 PV 矿地质条件和支架与围岩的关系建立了力学模型。 英国和美国为控制浅部开采地表沉陷，多采用房柱式开采，主要进行了地表岩层移 动和采前地表地震波探测与工程地质评价等研究工作。有些南美国家也因缺乏有关技术 而未能采用长壁开采，主要开展了房柱式开采地表沉陷预计和煤柱载荷确定的研究工 作。 综上所述，国外研究总体上认为浅埋深开采顶板破断直接影响到地表，顶板破断角 大，地表下沉速度快，来压明显且难以控制。然而，文献中仅对长壁开采的一些矿压现 象进行了描述，没有对浅埋深煤层顶板理论进行系统的研究，更没对上覆土层的破坏机 理进行研究[1021]。 在国内，西安矿业学院最早开始进行浅埋煤层的研究。1990年，西安矿业学院的侯 忠杰教授就对大柳塔煤矿C202试采工作面进行了实测。 这次试采和观测使现场和科研部 门认识到埋藏浅并不等于矿压缓和，需要对浅埋煤层问题进行研究 1993年，侯忠杰教授采用有限元数值计算对厚松散层下浅埋煤层开采进行了分析， 认为基岩破断及沿全厚切落是由剪切力造成的；整体台阶下沉造成冒落带高度增加，使 覆岩层发生了变化；浅埋薄基岩松散层顶不能形成稳定的砌体梁结构；由于整体台阶下 沉，常规的防沙岩柱经验公式在此不适用，工作面支护强度对基岩破坏及台阶下沉有明 显影响[2223]。 1996年，钱鸣高院士等人在文献[24]中首次提出了采场上覆岩层活动中的关键层理 西安科技大学硕士学位论文 4 论，建立了关键层的判别准则，深入研究了在关键层作用下岩层的变形、离层及断裂规 律。根据关键层的作用特性，描述了采场上覆岩层活动中的整体结构形态。关键层理论 的建立为岩层移动和采场矿压研究提供了一种统一思想和方法。 同年 6 月，西安矿业学院石平五、侯忠杰教授等主持完成的煤炭科学基金项目“浅 埋煤层矿压显现与岩层控制研究”，该研究总结了基岩全切落的特点并通过实验进行验 证，还提出了基岩切落后运动的概念，认为当液压支架有足够的初撑力时，基岩首先在 开切侧发生剪切破断，然后由于回转运动在支护侧上方产生拉裂缝组，在上覆盖层的作 用下沿支架尾端切落。基岩切落后各岩层的沉陷运动有阻滞过程，破断基岩的回转对溃 沙有影响[2526]。 1998年西安科技学院黄庆享教授的博士论文浅埋煤层长壁开采围岩控制研究完 成，以及在该博士论文基础上，进一步研究而撰写的专著浅埋煤层长壁工作面开采顶 板结构及岩层控制研究。该书系统地应用顶板结构理论对浅埋煤层进行了顶板控制的 定量化研究。 1999 年以来侯忠杰教授在钱鸣高院士提出的“关键层理论”基础上提出了“组合关键 层”理论，用“组合关键层”判据深入、系统地研究了浅埋煤层顶板控制理论[2729]。研究 认为，对于一般的浅埋煤层，煤层顶板某几层岩层形成组合关键层，不仅要满足刚度条 件，而且还要满足来压强度要求。地表厚松散层浅埋煤层的两层关键层必然发生组合效 应，形成组合关键层。组合关键层厚度大，因而岩柱断裂度大，岩柱结构不易发生回转 失稳。 2000 年西安科技学院吕军等人分析了影响浅埋煤层矿压显现的因素 [30]，通过对大 柳塔 1203 综采面及 20601 高产面的相似模拟实验的矿压规律研究，得出同一般开采条 件一样，开采浅埋煤层也存在着明显的初次来压和周期来压。浅埋煤层没有明显的“三 带”现象，不能形成稳定的“砌体梁”结构，顶板基岩成整体运动，形成较大整体岩柱， 从而导致基岩沿煤壁全厚切落。松散层厚度、顶板基岩厚度、支架的工作阻力、工作面 采高及直接顶的厚度等是影响浅埋煤层开采矿压显现的主要因素。 2002年黄庆享教授对浅埋煤层的矿压特征进行了分析并给出了浅煤煤层的定义[31]， 研究表明，顶板基岩沿全厚切落，基岩破断角较大，破断直接波及地表。来压期间有明 显的顶板台阶下沉和动载现象。工作面覆岩不存在“三带”，基本上为冒落带和裂隙带“两 带”；浅埋煤层工作面顶板一般为单一主关键层类型， 老顶岩块不易形成稳定的“砌体梁” 结构。基岩厚度比较大时，会出现两个关键层组，形成大小周期来压现象，其矿压显现 特征介于浅埋煤层采场和普通采场之间；顶板台阶下沉与基岩与载荷层厚度之比有关。 根据实测，浅埋煤层可以分为两种类型基岩比较薄、松散层厚度比较小的浅埋煤层， 其顶板破断为整体切落形式，易于出现顶板台阶下沉，老顶为单一关键层；基岩厚度比 较大、松散载荷层厚度比较小的浅埋煤层，其矿压显现规律介于普通工作面与浅埋煤层 1 绪论 5 工作面之间，表现为两组关键层，存在轻微的台阶下沉。 2005年西安科技大学的杨治林教授对浅埋煤层长壁开采顶板结构稳定性进行了分 析[32]，通过塑性理论建立了顶板岩体关键层塑性状态下的结构模型。李凤仪等人对浅埋 煤层工作面顶板活动及其控制进行了研究[33]，研究表明，埋藏浅、基岩厚度小、工作面 顶板呈现单一关键层活动，以及来压持续的时间短、有明显的动载现象，是薄基岩的典 型特征，其矿压控制的有效途径是增大支架工作阻力和变形刚度，尤其要保证初撑力达 到一定值。对于坚硬顶板，采取人工强制放顶等技术措施，降低关键层破断长度，这是 顶板控制的关键。 2006年西安科技大学的余学义教授等对浅埋煤层覆岩切落裂缝破坏及控制方法进 行了研究分析[34]， 通过理论分析和数值模拟研究了覆岩中关键结构稳定条件与采动损害 之间的关系。董爱菊等人对浅埋煤层周期来压动载机理进行了研究[35]，得出浅埋煤层周 期来压期间有明显的动载现象，厚沙土层在周期来压时呈弧形岩柱破坏特征。黄正全对 浅埋煤层开采岩移特征与渗水机理进行了分析[36]，通过建立地质力学模型，再现了浅埋 煤层采动后其上覆岩层破坏的动态发展过程，揭示了采场顶板的破断、上覆岩层来压及 采场推进过程中煤壁支撑压力、地表下沉的变化规律。 综上所述，目前国内对于榆神府矿区埋藏浅小于 100m、薄基岩、地表为厚风积沙 覆盖层浅埋煤层的研究主要是矿压显现规律、来压机理、顶板控制、涌水溃沙产生的 机理以及控制、保水开采、顶板的滑落失稳与回转失稳和对保水层及关键层等，可见， 学者们的孜孜追求使浅埋煤层的研究得到了系统、全面的发展，也为今后的浅埋煤层研 究工作积累了丰富的经验。 1.2.2 综采设备及强力液压支架发展现状 近几十年来，以长壁高效综采为代表的煤炭地下开采技术在我国取得前所未有的新 进展，主要体现在以下三方面一是综采工作面生产能力得到极大提高，采区范围不断 扩大，出现了“一矿一面”年产千万吨煤炭的高产高效和集约化生产模式；二是高效综采 设备和开采工艺不断完善，推广使用范围不断扩大，中厚煤层开采、厚煤层一次采全高 开采和薄煤层全自动化生产等技术和工艺取得巨大成功；三是高效综采设备的研制开发 取得新的技术突破，实现了综采工作面生产过程自动化，大型综采矿井技术经济指标已 经达到大型先进露天矿水平。 从 20 世纪末至今，高新技术不断向传统采矿领域渗透，美、澳、英、德等国家采 用了大功率可控传动、微机工况监测控制、自动化控制、机电一体化设计等先进技术适 应不同煤层条件的大型高效综采设备。新型综采设备在传动功率、设计生产能力大幅度 增加的同时，设备功能大幅提升，并实现了综采生产过程的自动化控制。综采成套设备 的设计生产能力已经达到 3000t/h 以上，在适宜的煤层条件下，采煤工作面可实现年产 西安科技大学硕士学位论文 6 800～1000 万吨，目前，美、澳、德等发达国家已经推广应用煤矿高效集约化生产技术。 美国和澳大利亚依靠其良好的资源赋存优势，大力推广长壁综采技术，生产技术装备不 断升级更新，工作面开采规模不断扩大，长壁开采产量不断提高。2001 年美国 53 个长 壁开采矿井共 57 个综采工作面已经全部采用电牵引采煤机、电液控制液压支架等新型 装备，实现了工作面生产的半自动化，年产量最高达 898 万吨。英国、德国等煤炭开采 历史长、资源条件差的国家在削减煤炭产量的同时，非常重视综采技术装备的更新，综 采生产取得新进展，在采深 800～1000m 井下温度高的恶劣开采条件下，德国鲁尔公司、 烟煤公司综采工作面年产突破400万吨。 综采新型装备的使用取得很好的技术经济效果 。 大型生产设备是高效综采生产技术的关键，其主要技术特点是 1 新型电牵引采煤机总功率达到1500～2000kW，采用微型计算机为核心的电控 系统、先进的信息处理技术和传感技术，实现了机电一体化。德国Eickhoff公司的SL500 系列采煤机的采高范围为2.0～6.0m，适用倾角≤35的煤层，截割功率为2750kw或 825kw，破碎机功率为100kw，牵引功率为290kwAC，装机总功率达到1965kW，该机 最大牵引力可达1000kN，最大牵引速度可达37m/min。美国JOY公司的7LS6采煤机采高 范围为2.0～5.5m，截割功率2650或750kW，破碎机功率为110kW，牵引功率为 2110kWAC，装机总功率为1860kW，该机最大牵引力可达800kN，最大牵引速度可达 30m/min。上述两种设备设计生产能力均可达3000t/h以上。 2 工作面刮板输送机国外工作面刮板输送机向大运量、高强度、重型化、软起 动、高可靠性方向发展。世界上运载量最大的刮板输送机为6000t/h，装机功率为 4800kw。重型工作面刮板输送机大多采用交叉侧卸式机头，中板为耐磨合金钢，中部 槽为铸造槽帮，中部槽内宽为1000～1200mm，1750mm长度中部槽已普遍使用，最长的 达2000mm，中部槽的槽间连接强度达到4500kN。刮板链采用双中链形式，链环直径最 大已达到2Ф52。刮板链的张紧方式，在传统的机械张紧装置基础上，增加了伸缩机尾 的液压自动张紧装置。在机头和机尾均采用双电机驱动，大幅度提高了输送能力和设备 的可靠性。 3 强力液压支架 国外综采液压支架的架型主要是高支护阻力的双柱掩护式支架， 其支护工作阻力为6000～10000kN，最大达到16800kN，支护高度为2～7m，最大6m支 架立柱缸径250～380mm，最大420mm；支架中心距为1.5～1.75m，最大2.0m；支架结 构为整体顶梁，刚性连接的分体式底座，带有提底座装置；支架推移机构为推移千斤顶 反装的倒拉框架式结构；支架控制方式为环形供液及电液阀控制，它可以实现自动控制 调整支架的支护状态；支架的升、降、移循环时间小于10s，支架的寿命试验高达5万次 以上。 4 顺槽带式输送机长距离、大运量、高带速是目前大型带式输送机的发展方向。 大型带式输送机装机功率可达4970kW，运输能力达到5500t/h，带速为5m/s以上。应用 1 绪论 7 动态分析和计算机监控等高新技术对大型带式输送机进行起、制动动态特性的试验研究 动态设计及动态过程监测、监控等，确保了输送机运行的可靠性。 我国的煤炭开采以地下开采为主，占煤炭总产量的 90％以上，综合机械化采煤是我 国煤炭开采技术的主要发展方向。与中厚煤层和薄煤层开采相比，厚煤层开采具有同等 开采面积产量高、同等生产规模矿井生产工作面少的突出特点，厚煤层开采一直是我国 综采生产发展的重点。上世纪八十年代，国内就研制开发了适应采高 4m 的综采成套设 备，主要设备有MXA300/600 型液压牵引采煤机、 SGZ764/264 型刮板输送机和 ZY4200/18/40 型支撑掩护式液压支架，工业性生产试验中单产达到当时的先进水平。九 十年代初期我国又研制开发了适应采高 4.5m 的第二代厚煤层综采成套设备，主要设备 有总功率 AM500/4.5 型液压牵引采煤机、SGZ764/320 型刮板输送机和 ZY5600/22/48 型支撑掩护式液压支架。世纪之交的十多年来，我国高效综采矿井的建设发展呈现车强 劲势头2004 年全国统计高产高效矿井 177 处，煤炭产量达到 5.6 亿 t，国有重点煤矿 综采机械化程度达到 71.8％，全国 441 个综采工作面共生产煤炭 5.12 亿t，综采工作面 年平均产量达到 116 万t；2004 年神东煤炭分公司大柳塔煤矿采用全套引进厚煤层综采 装备的“一矿、两井、两面”年产量达到 2109 万 t；榆家梁煤矿单井年产量突破千万吨， 全员生产效率 141.21t/工，达到世界大型矿井领先水平；采用引进采煤机、配套国产综 采成套装备的兖矿集团公司兴隆庄等矿井综采工作面突破年产量 600 万t。 为适应我国煤矿高效综采的发展，国内综采设备科研设计和制造企业已研制出具备 较先进技术水平的大功率电牵引采煤机、重型刮板输送机、带电液控制系统的强力液压 支架和大型带式输送机，配套设备的生产能力达到1500～2000t/h，在适宜的煤层赋存条 件下，综采工作面可实现年产量三百万吨以上。目前，我国生产能力最大的综采成套设 备适应最大采高为4.8m，生产能力最大的MG600/1400-WD型电牵引采煤机总功率达到 1400kw，输送能力最大的SGZl200/1575型刮板输送机总功率为1575kw，近两年开始测 绘仿制国外进口大采高双柱掩护式液压支架，液压支架高度达到5.5m，工作阻力达到 12000kN以上。 通过对比，我们得出以下结论 ① 我国的综采采煤机平均功率相当于美国的49.6％，相当于澳大利亚的34.5％； ② 刮板输送机平均功率相当于美国的48.2％，相当于澳大利亚的37.3％ ③ 液压支架工作阻力相当于美国的48.8％，相当于澳大利亚的45.6％，且美、澳综 采工作面液压支架全部采用了微机电液自动化控制技术，而在我国仅有极少数综采面采 用。 我国综采设备的设计、制造和检测虽然取得不少进步，但限于目前仍落后于发达国 家研究设计、 制造水平和国内高强度优质材料供应等因素， 还是不能满足厚煤层年产600 万吨综采生产要求。即使是近年来我国新研制开发出来的综采设备，在技术性能、工作 西安科技大学硕士学位论文 8 可靠性和使用寿命方面与国际先进水平仍有明显差距。 随着煤矿开采技术水平的提高，我国在液压支架制造领域取得了重大进步。从架型 上淘汰了早期的垛式和节式支架，重点研制和推广双柱和四柱式掩护式支架。CCRI研 发了300多种型号的液压支架，成功研制出能够适应不同煤层赋存条件的掩护式支架， 大大拓宽了液压支架的适用范围。根据采高，研制成功了lm以下的薄煤层支架到5.5m的 大采高支架；根据坚硬顶板的特点，研制成功了高阻力、大容量抗冲击立柱和大流量安 全阀为主要特征的支掩式支架；研制成功了各种类型的铺网支架和大倾角支架；创新开 发了多种放顶煤液压支架等新架型，使放顶煤技术日臻成熟；研制成功了多种型式的端 头支架，有效的改善了工作面端头支护，为高产高效创造了条件。我国的液压支架及成 套综采设备已先后出口到美国、印度、土耳其、俄罗斯和孟加拉等国家[3738]。 我国在液压支架的研究发展过程中中，通过对支架与围岩的适应性进行长期观测与 在生产实践和矿压观测总结的基础上，制定了顶板分类方案，为液压支架的合理选型和 结构参数优化提供了依据。 液压支架的设计理论取得新的突破，提出了三维力学模型，采用了有限元计算方法 和计算机辅助设计，建立了比较完整的液压支架数据库和通用图库，并开发了支架通用 设计软件等方法。 建立了液压支架技术标准体系， 制定了一系列液压支架及其元件标准 ， 并逐步与国际标准欧洲标准接轨。建立了整架和各种元部件的试验台，并配备先进的 测试仪器，已经成为亚洲最具规模的液压支架检测中心。 以四连杆稳定机构为特征的掩护式支架经过近30年的发展，已经成为一种成熟架 型。我国己成为世界上最大的液压支架生产国，每年可以生产6000～10000架各种型号 的掩护式液压支架。根据矿井不同生产条件，对液压支架参数和配套设备尺寸的要求有 很大差异。一些矿井采用轻型支架，工作阻力只有1800kN，每架重量为4～6吨；一些大 型矿井采用重型配套设备，液压支架工作阻力达到1000吨。双柱式和四柱式支架使用的 比例基本相当，其不同的类型适应不同的矿井条件。由于受矿井罐笼尺寸所限制，大部 分支架采用1.5m的中心距，一些新矿井则可以采用1.75m的中心距。 支架结构经过优化设计，材料等级达到σs700Mp，σb≥800Mp，进一步提高了其工 作可靠性。制造工艺不断改进，采用惰性气体保护焊，增加焊前预热和焊后回火时效处 理，消除了焊接应力。改进立柱和千斤顶的密封结构显著提高了支架工作性能。 针对一些复杂的矿井地质条件，CCRI 研制了多种支架结构形式适应软岩破碎顶板的 顶梁伸缩梁和多级护帮板机构；适应大倾角工作面的支架防倒防滑装置和安全防护装 置，适应快速移架要求的推移机构和提底座装置[39]。 1 绪论 9 1.2.3 窄煤柱护巷研究现状 国外关于窄煤柱护巷的研究较早，但窄煤柱护巷技术的应用并不多见，澳大利亚 和英国等国家学者认为由于受到上工作面开采的影响，在距上工作面采空区一定范围 内，煤体产生采动倾斜裂缝，在存在裂缝的围岩中布置煤巷是非常不稳定的，布置煤巷 时应该避开这些裂缝，因此，区段平巷的护巷煤柱尺寸应该是巷道埋深的1/10，煤柱宽 度至少应当在15m以上。美国和德国等国家的区段煤层平巷均布置在实体煤中，俄罗斯、 乌克兰大多数矿井也都采用较宽煤柱护巷[4041]。 我国学者对窄煤柱护巷技术做了大量的研究工作，取得的结论如下 ① 窄煤柱沿空掘巷不仅在掘巷期间围岩强烈变形，而且在巷道掘出后仍保持较大 的持续变形； ② 认为巷道的压力主要来自窄煤柱一侧，破坏了的窄煤柱对顶板基本上起不到支 承作用； ③ 窄煤柱巷道中的煤柱有利于改善巷道掘进条件，加快掘进速度以及隔离采空区， 并可以防止矸石和采空区积水进入巷道。 在 70 年代以前，我国煤矿巷道布置方式主要采用的是双巷布置留煤