周源山煤矿综采工作面矿压规律研究.pdf

周源山煤矿综采工作面矿压规律研究 学位类型堂苤型堂鱼 学科 专业学位类别采芷工程 作者姓名徨基飞 作者学号 1 0 0 1 0 1 0 2 0 0 8 实践导师姓名及职称 学院名称能源皇塞全工程堂院 论文提交日期2 Q 三生旦2 墨旦 学位授予单位塑直抖撞太堂 万方数据 S t u d yo nS t r a t a - - P r e s s u r eB e h a v i o ri nF u l l y - M e c h a n i z e d F a c eo fZ h o u y u a n s h a nC o a lM i n e T y p e o fD e g r e e △塑垂；墅坠逃臣堡 D i s c i p l i n e 一一． ．．．M i 坠i 超．垦蜮n 曼金 i 坠g C a n d i d a t eX UY a n - f e i S t u d e n tN u m b e r1 0 0 1 0 1 0 2 0 0 8 S u p e r v i s o ra n dP r o f e s s i o n a lT i t l e险￡墅坠Q 豳迪 P r a c t i c eM e n t o ra n dP r o f e s s i o n a lT i t l e S c h o o l 墨尘巡壁 曼蚁幽．逝壁哑嫂堑鸳 U n i v e r s i t y避丛亟堂醯煎苎曼i 塑盟趔鱼虫煦 Q 蚁 万方数据 学位论文原创性声明 本人郑重声明所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者鲐躲及吼M 年二月2 萝日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权湖南科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和 汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 日期力J 劳占月夕参日 日痧I 弓年J 月纱日日其砂I 弓年J 月涉日 万方数据 摘要 周源山煤矿近年来在推广综合机械化开采技术上进行了有益的探索和实践，由于 南方复杂地质条件下实施综采的矿井不多，所能借鉴相似条件下的成功案例更少，矿 井在探索实践综采技术过程中面临着许多问题，如采场矿压显现及其控制、综采液压 支架在复杂地质条件下的适用特性、工作面开采参数对矿压的影响及其合理性等众多 问题。围绕这些问题，在周源山煤矿首个综采工作面的开采过程进行了一系列的矿压 观测，并结合理论分析和数值模拟对工作面矿压规律进行了相关的研究。 运用关键层理论和关键块的“S - R “ 稳定条件并结合U D E C 数值模拟软件对2 2110 综采面上覆岩层结构特征及开采过程中岩块运动规律进行了分析，得出采场上覆岩 层中共有三层亚关键层和一层主关键层，关键岩块最大回转角为9 ．4 。，关键岩块满足 “R ’型回转失稳条件，控制老顶回转失稳支架工作阻力最小为1 7 3 ．3 4K N ／m 2 ；应用 离散元程序模拟得到基本顶初次来压和周期来压步距值分别为2 6 ．0 m 和1 1 ．3 m ，与理 论计算值2 5 ．9 m 和1 0 ．6 m 相近。 通过现场矿压观测得到2 2 1 1 0 综采工作面初次来压步距为2 4 ．5 m ，动压系数为 1 ．7 2 ；周期来压步距为1 0 ．3 m ，动压系数为1 ．6 2 。采场超前支承压力峰值在工作面上 端出现在煤壁前1 0 ～1 5 m ，工作面下端出现在煤壁前3 - 8 m 。受超前支承压力影响煤 壁前2 5 m 的区段回风平巷及煤壁前1 3 m 的区段运输平巷发生显著变形，区段回风平 巷内顶板岩体松散破碎带发育深度为2 ．0 3 m ，区段运输平巷内发育深度为0 ．2 1 m 。工 作面底板容许比压为9 ．4 M P a ，工作面顶板冒落灵敏度为7 4 ％。 采用数理统计及数据回归方法，对支架适用特性进行分析得出工作面布置的 Z Y 3 4 0 0 ／1 2 ／2 8 型综采液压支架在开采使用中，工作阻力利用率为0 ．3 8 9 ，设计初撑力 利用率为0 ．4 9 2 ，支架工作阻力富裕量过大，初撑力严重偏低；计算得出支架初撑力 需提高到2 5 ．3M P a 以上才能高效能地发挥支架性能。大倾角导致支架偏载严重，造 成支架长时间处于恒阻式工作状态，影响初撑力对支架支护性能的提升。 针对周源山煤矿在复杂地质条件下实现对拉面开采以及后工作面超越前工作面 开采的过程，应用F L A C 3 D 数值模拟软件并结合现场实测结果，分析得出两对拉面 后工作面超越前工作面开采过程中，叠加支承压力应力集中系数和应力集中区离工作 面端头的距离随错距的变化满足G a u s s 函数，两工作面对拉呈直线时，叠加支承压力 应力集中系数最小，当后工作面超前至某一位置时，工作面端头矿压显现最为显著， 在确定对拉面合理开采错距时应充分考虑避开这一区域。 关键词综采工作面；矿压特征；支架适用性；关键层；对拉工作面支承压力 万方数据 A B S T R A C T R e c e n t l y , Z h o uY u a n s h a nc o a lm i n eh a sc a r d e do nt h eb e n e f i c i a le x p l o r a t i o na n d p r a c t i c eo nt h ep r o m o t i o no ff u l l y m e c h a n i z e dm i n i n gt e c h n o l o g y , b e c a u s eo ft h ec o a l m i n ew h i c hi m p l e m e n tf u l l ym e c h a n i z e dm i n i n gu n d e rt h ec o m p l i c a t e dg e o l o g i c a l c o n d i t i o n so ft h es o u t hi sn o tv e r ym u c h , t h es u c c e s s f u lc a s e so ft h es i m i l a rc o n d i t i o n sw e c K nd r a wl e s s o n sf r o mi sS Op o o r ．T h e r ea r em a n yp r o b l e m si nt h ee x p l o r a t i o np r a c t i c ei n t h ep r o c e s so ff u l l ym e c h a n i z e dt e c h n o l o g y , s u c ha st h es t r a t a p r e s s u r ec h a r a c t e r i s t i c sa n d i t sc o n t r o l ，a p p l i c a b l ec h a r a c t e r i s t i c so fh y d r a u l i cs u p p o r ti nt h ec o m p l i c a t e dg e o l o g i c a l c o n d i t i o n s ，t h ei n f l u e n c eo ft h em i I l i n gp a r a m e t e r si nw o r k i n gf a c eo ns 住a t ab e h a v i o r sa n d i t sr a t i o n a l i t ya n dS Oo n ．A r o u n dt h e s ei s s u e s ，as e r i e so fm i n ep r e s s u r eo b s e r v a t i o nW a s c a r r i e do u ti nm i n i n gp r o c e s so ft h ef i r s tf u l l y - m e c h a n i z e dm i n i n gw o r k i n gf a c ei nZ h o u Y u a n s h a nc o a l , r e l a t e dr e s e a r c ho ns t r a t ab e h a v i o r sW a sc a r r i e do u tc o m b i n ew i t h t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ． S t r u c t u r a lf e a t u r e so fo v e r l y i n gs t r a t aa n dm o v e m e n tl a wo fk e yb l o c k si nm i n i n g w e r ea n a l y z e dt h r o u g ht h ek e ys t r a t u mt h e o r ya n dt h ek e yb l o c k s “S R ，’s t a b i l i t yc o n d i t i o n c o m b i n i n g 埘t 1 1t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r eU D E C ．c o n c l u d e dt h a tt h e r e ’r et h r e e i n f e r i o rk e ys t r a t a sa n dam a i nk e ys t r a t u mi n o v e r l y i n gs t r a t a , t h em a x i m u mt u m i n g a n g l e o fk e yb l o c ki s9 ．4 。，k e yb l o c km e e tt h e ”R ”t y p er o t a r yi n s t a b i l i t yc o n d i t i o n s ，t h e m i n i m u mw o r k i n gr e s i s t a n c eo fh y d r a u l i cs u p p o r tt oc o n t r o lr o t a r yi n s t a b i l i t yo fm a i nr o o f i s17 3 ．3 4K N ／m 2 ；t h en u m e r i c a lr e s u l t so fi n i t i a lw e i g h t 吨i n t e r v a la n dp e r i o d i c w e i g h t i n gl e n g t ha l e 2 6 ．0 ma n d11 ．3r e , t h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o nv a l u ei s2 5 ．9 1 ma n d 10 ．6 m ，b o t ha r er e l a t i v e l ys i m i l a r ． S t r a t ab e h a v i o r so b s e r v a t i o n ss h o wt h a tt h ei n i t i a lw e i g h t i n gl e n g t hi s2 4 ．5 0m ，t h e d y n a m i cp r e s s u r ec o e f f i c i e n t i s 1 ．7 2 ；t h ep e r i o d i cw e i g h t i n gl e n g t hi s i s10 ．3m ，t h e d y n a m i cp r e s s u r ec o e f f i c i e n ti s1 ．6 2 ；T h el o c a t i o no fl e a da b u t m e n tp r e s s u r ep e a kn e a r b y t h eu p p e rp a r to fw o r k i n gf a c ei s10 - 15 mb e f o r ec o a lw a l la n d3 。8mb e f o r ec o a lw a l l n e a r b yt h el o w e rp a r to fw o r k i n gf a c e ．T h es i g n i f i c a n td e f o r m a t i o ns c o p ei ns e c t i o n t r a n s p o r t a t i o nd r i f ti s2 5m b e f o r ec o a lw a l l ，t h es i g n i f i c a n td e f o r m a t i o ns c o p ei ns e c t i o na i r r e t u r nd r i f ti s13 ．O mb e f o r ec o a lw a l l ，t h ed e v e l o p i n gd e p t ho fl o o s ef r a c t u r ez o n ei nr o o f r o c km a s so fs e c t i o na i rr e t u r nd r i f ti s2 ．0 3m ，t h ed e p t hi ns e c t i o nt r a n s p o r t a t i o nd r i f ti s 0 ．21 m ．T h ef l o o rs p e c i f i cp r e s s u r ei s9 ．4M P a , t h er o o ff a l l i n gs e n s i t i v i t yi s7 4 ％． A p p l i c a b l ec h a r a c t e r i s t i c so fh y d r a u l i cs u p p o r ti sa n a l y z e dt h r o u g hm a t h e m a t i c a l s t a t i s t i c sa n dd a t ar e g r e s s i o nm e t h o d ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eu t i l i z a t i o nr a t eo fw o r k i n g r e s i s t a n c ei s0 ．3 8 9 ，d e s i g ns e t t i n gl o a du t i l i z a t i o nr a t i oi s0 ．4 9 2 ，t h eW O r k j n gr e s i s t a n c ee x t r a a m o u n to fh y d r a u l i cs u p p o r ti st o ol a r g ea n dt h es e t t i n gl o a di ss e r i o u sl o w ；I no r d e rt o e x e ah y d r a u l i cs u p p o r tp e r f o r m a n c ee f f i c i e n t l y , t h eS e t t i n gl o a ds h o u l db ei m p r o v e dt o2 5 ．3 M P a ．L a r g ei n c l i n e da n g l e o fw o r k i n gf a c eh a v es e r i o u s i m p a c t o nh y d r a u l i c 1 1 - 万方数据 s u p p o r t ，m a i n l yr e a l i z e da ss e r i o u sp a r t i a ll o a d ，l o n gt i m et oc o n s t a n tr e s i s t a n c et y p ew o r k s t a t u s ，a f f e c t i n g t h ee f f e c to fs e t t i n gl o a do n i m p r o v i n gs u p p o r t i n gp e r f o r m a n c eo f h y d r a u l i cs u p p o r t ． B a s e do nt h eb a c k g r o u n do ft h er e a l i z a t i o no fd o u b l e ．u n i tf a c em i n i n gu n d e r c o m p l i c a t e dg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s a n dt h eb e h i n df a c ea d v a n c et h ef r o n tf a c eo f d o u b l e ．u n i tf a c ei n Z h o u y u a n s h a nc o a lm i n e ．c o m b i n i n gw i t h f i e l dm e a s u r e m e m r e s u l t s ．s t r a t a - p r e s s u r eb e h a v i o r l a wi s a n a l y z e dt h r o u g hF L A C 3 D n u m e r i c a ls i m u l a t i o n s o f t w a r e ，c o n c l u d e dt h a tt h es t r e s sc o n c e n t r a t i o nf a c t o ro fs u p e r p o s i t i o na b u t m e n tp r e s s u r e a n dt h ea l t e r n a t ed i s t a n c eo fd o u b l e u n i tf a c ea l em e e t i n gg a u s sf u n c t i o na n dt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ed i s t a n c ef r o ms t r e s sc o n c e n t r a t i o na r e at of a c ee n da n dt h e a l t e r n a t ed i s t a n c eo fd o u b l e ．u n i tf a c ea l S Os a t i s f yt h eg a u s s i a nf u n c t i o n ；w h e nt h e d o u b l e - u n i tf a c eo n as t r a i g h tl i n e ，t h es t r e s sc o n c e n t r a t i o nf a c t o ro fs u p e r p o s i t i o na b u t m e n t p r e s s u r ei Sm i n i m u m ．w h e na f t e rf a c ea d v a n c et oap o s i t i o nt h ef r o mf a c ee n di Si nt h e g r e a t e s ti m p a c ta r e ao fs u p e r p o s i t i o na b u t m e n tp r e s s u r e ，a n df u l lc o n s i d e r a t i o ns h o u l db e g i v e nt oa v o i dt h i sa r e aw h e nd e t e r m i n i n gt h er e a s o n a b l ea l t e r n a t ed i s t a n c e ． K e y w o r d s F u l l y - m e c h a n i z e df a c e ； c h a r a c t e r i s t i c so fh y d r a u l i cs u p p o r t ； p r e s s u r e S t r a t a - p r e s s u r ec h a r a c t e r i s t i c s A p p l i c a b l e K e ys t r a t u m ；D o u b l e - u n i tf a c e ；A b u t m e n t - 1 1 1 万方数据 湖南科技大学硕士学位论文 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯i A B S T R A C T ⋯⋯⋯⋯⋯- - ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯- ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯i i 第一章绪论 1 ．1 选题背景及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 国内外矿山压力理论研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．3 研究内容和技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯“4 第二章上覆岩层结构特征及运动规律分析 2 ．1 上覆岩层物理力学特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 ．2 关键层的判识⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯”7 2 ．2 ．1 坚硬岩层上部载荷计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 2 ．2 ．2 坚硬岩层极限跨距计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．2 ．3 工作面上覆岩层关键层判识结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．3 工作面顶板结构及其稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l l 2 ．3 ．1 关键层破断结构分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．3 ．2 关键岩块结构稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 - 3 ．3 控制老顶回转失稳支架工作阻力确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 2 ．4 工作面开采顶板岩层移动特性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 2 ．4 ．1U D E C 数值模拟软件简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 2 ．4 ．2 建立模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 2 ．4 ．3 岩层移动特性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 2 ．4 ．4 不同支护强度控项效果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 2 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 第三章2 2 1 1 0 综采工作面矿压显现特征 3 ．1 工作面概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 3 ．1 ．1 水文地质条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 3 ．1 ．2 开采布置状况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 3 ．2 采场矿压观测及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 ．2 ．1 矿压观测方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 ．2 ．2 工作面初次来压特性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 3 ．2 ．3 工作面周期来压特性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．2 ．4 采场超前支承压力分布及影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 3 ．2 ．5 工作面底板比压测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 l 3 ．3 工作面倾角对矿压显现特征影响分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 3 ．3 ．1 工作面倾角对顶板压力的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 3 ．3 ．2 工作面倾角对支架支护特性的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 3 ．3 ．3 工作面倾角对顶板维护的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 万方数据 湖南科技大学硕士学位论文 3 ．4 推进速度对矿压影响研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 7 3 ．4 ．1 推进速度对顶板运动影响理论分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 3 ．4 ．2 推进速度对矿压影响数值模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 3 ．4 ．3 推进速度对矿压影响现场实测分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 3 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯“6 5 第四章工作面综采液压支架适用特性分析 4 ．1 工作面综采液压支架受力特征分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 7 4 ．1 ．1 支架初撑力统计及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 4 ．1 ．2 支架工作阻力统计及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 8 4 ．1 ．3 支架左右立柱偏载特性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 9 4 ．2 初撑力及端面距对支护性能及效果的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 9 4 ．2 ．1 初撑力对支架工作阻力影响分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 9 4 ．2 ．2 端面距对支架控顶效果影响分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 4 ．3 顶板来压支架安全阀开启统计及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一7 4 4 ．4 工作面附近爆破对支架的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯“7 6 4 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 8 第五章工作面对拉开采矿压规律研究 5 ．1 对拉面叠加支承压力形成过程分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯”8 0 5 ．2 数值模拟研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯”8 1 5 ．2 ．1 建模与开挖方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 1 5 ．2 ．2 落后面超前过程中采场叠加支承压力演变特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 5 ．2 ．3 落后面超前过程中叠加支承压力变化规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 5 5 ．2 ．4 叠加支承压力对顶板活动的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 7 5 ．3 现场实测分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一8 7 5 ．3 ．1 矿压观测方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 7 5 ．3 。2 采场矿压显现特性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 8 5 ．3 ．3 错距段巷道矿压显现特性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 0 5 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯”9 1 第六章结论与展望 6 ．1 主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一9 3 6 ．2 研究展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯“9 4 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。9 5 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 8 附录攻读硕士学位期间的主要成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 9 万方数据 湖南科技大学硕士学位论文 第一章绪论 1 ．1 选题背景及意义 煤炭资源作为我国的主要能源，在国民经济建设中具有重要的战略地位，随着我 国经济的持续快速发展，对能源的需求在高速增长【l 埘，据推测2 0 2 0 年煤炭消费在我 国一次能源消费结构中的比例将控制在6 0 ％左右，由此可见我国未来一段时间内煤炭 在我国的一次能源消费中仍将占主导地位【3 】；2 0 1 1 年我国煤炭消耗量已达到3 5 ．2 亿t ， 根据煤炭行业“十二五”期间发展规划，预计2 0 1 5 年煤炭消耗量能达到约3 9 亿t ， 到2 0 3 0 年煤炭资源的消费将达到4 5 亿t 以上【4 ’5 】。 煤矿的根本出路在于机械化，这早己成为煤炭行业的共识。随着综采装备的不断 进步，综采工作面单产和效率日益提高，特别是八十年代以来国内外综采技术和装备 发展很快，使得综采工艺的优势愈加显现【6 】，随着矿山机械设备研发水平的提高，如 针对大倾角煤层的开采研发了大倾角综采液压支架【_ 7 1 ，针对薄煤层的开采研发了薄煤 层综采液压支架和薄煤层采煤机【引，针对煤层厚度变化大、项板不平整工作面的开采 研发了轻型液压支架等【9 l ；这使得煤矿的综合机械化开采适用范围更加扩大，针对南 方复杂地质条件下的煤层实施综合机械化开采也得以实现。 周源山煤矿近年来在推广综采技术上进行了有益的探索和实践，2 0 1 0 年1 2 月， 周源山煤矿首个综采工作面投产使周源山煤矿成为湖南省首家使用综采综掘综合配 套工程投产的高产高效矿井。由于南方复杂地质条件下煤层稳定性 包括煤层形态、 厚度、结构和可采性 和地质构造的复杂多变，造成工作面倾角、可采煤层厚度变化 大，井下可采区域煤块不规则；断层、构造发育多，造成应力集中；同时， 工作面 支护形式由单体支柱改为综采液压支架，工人操作熟练性较差； 由于机械化程度的 提高，工作面推进速度加快，采场矿山压力显现规律也将发生改变。 由于南方复杂地质条件下实施综采的矿井不多，所能借鉴的相似条件下的成功案 例较少，实施起来将面临很多的技术问题。特别是在周源山煤矿首个综采工作面的开 采中有关综采工作面以及巷道矿压显现及其控制问题，工作面综采液压支架在复杂地 质条件下适应性问题，综采工作面开采参数对矿压的影响及合理性问题；以及开采过 程中面临的支架、顶板、底板稳定性的问题。因此，围绕这些问题，在周源山煤矿首 个综采工作面的开采过程进行了一系列的矿压观测，并结合理论分析和数值模拟方法 对工作面矿压规律进行了相关的研究。其研究成果对周源山煤矿实施、推广综采工艺 具有重要的指导意义，对综采工艺在复杂地质条件下煤炭资源开采中的应用也提供了 有益的指导、借鉴。 万方数据 第一章绪论 1 ．2 国内外矿山压力理论研究现状 1 5 世纪为矿山压力认识的初始阶段；1 9 世纪后期到2 0 世纪开始采用一些简单的 力学原理对矿山压力现象进行解释【1 0 - l2 1 ，“压力拱假说”和岩石坚固性系数7 r 为这一 时期具有代表性的矿压解释；2 0 世纪3 0 年代到5 0 年代，开始出现运用弹性理论解 决矿山压力问题，典型的代表如计算圆形巷道周围应力的分布情况[ 1 3 - 1 6 ] ；2 0 世纪6 0 年代至8 0 年代为矿山理论百花齐放的时期，这一时期矿山压力与岩层控制理论体系 逐渐建立起来，在理论研究和工程实践方面也都取得了长足的发展。 1 9 0 7 年原苏联学者普洛托奇雅可诺夫 M ．M ．兀p Q Ⅱo T 嘲c 0 H O B 创立了普氏学说即 普氏岩石坚固性系数 通过装满干砂的箱底开孔试验，箱中的干砂会形成穹窿性平 衡，穹窿以上的砂子不再掉落；由此认为巷道顶部的岩石也存在该种现象，巷道顶板 所需的支护力仅为拱内岩石的重量。 1 9 1 6 年德国施托克 K ．S t o c k 提出悬臂梁假说，后得到英国的费里德和前苏联 的格尔曼等的支持。此假说将工作面和采空区上方的顶板视为悬臂梁，梁的一端固定 于煤岩体内，另一端则处于悬伸状态；将上覆顶板的几个岩层视为组合悬臂梁。 1 9 2 8 年德国学者哈克 w H a c k 和吉里策尔 G G i l l i t z e r 提出压力拱假说，该假 说认为回采工作空间上方由岩层的自然平衡形成一个“压力拱”，工作面前方煤壁和 后方采空区垮落区为压力拱的两个拱脚，工作面处于压力拱两拱脚之间的保护区域， 压力拱随着工作面推进而不断前移。 1 9 5 0 ～1 9 5 4 年原苏联E H ．库兹涅佐夫提出铰接岩块假说，该假说将工作面上覆岩 层的破坏分为下部垮落带和上部规则移动带，垮落带分上下两部分，下部分垮落的岩 块凌乱无序，上部分垮落的岩块整齐规则的排列，规则岩块之间相互铰合，岩块之间 水平方向挤压形成一多环节的铰链，铰接岩块之间存在三铰拱式平衡。该假说认为工 作面支架存在两种工作状态；当规则移动带变形小，各铰接岩块之间三铰拱式平衡不 发生折断，此时，支架只承受垮落带岩层重量，称之为“给定载荷状态”；当规则移 动带变形大，各铰接岩块之问三铰拱式平衡打破，支架受上部规则移动带岩石不断移 动下沉的载荷不断增大，直到岩块受垮落带支承作用达到平衡，称之为支架的“给定 变形状态”。 2 0 世纪5 0 年代初，几乎与铰接岩块假说同一时期，比利时学者A ．拉巴斯提出预 成裂隙假说，该假说认为受开采影响回采工作面上覆岩层发生连续性破坏，上覆岩层 中出现各种裂隙，围岩应力使岩体发生很大的类似塑性体的变形；这种假塑性体处于 挤紧的状态时形成类似梁 假塑性梁 的平衡，受自重和上覆岩层作用，假塑性梁发 生明显的假塑性弯曲，当各岩层的假塑性弯曲下沉不协调时，岩层出现离层，此假说 指出，支架控顶时必须具有足够的初撑力和工作阻力以便及时支撑住项板岩层，使各 岩层、岩块之间保持挤紧状态，借助之间的摩擦力以阻止岩层、岩块之间的离层、滑 万方数据 湖南科技大学硕士学位论文 移和张裂。 2 0 世纪7 0 年代末到8 0 年代初，钱鸣高院士在铰接岩块假说和预成裂隙梁假说 的基础上，提出了开采后覆岩结构中的“砌体梁”平衡结构力学模型【1 。卜1 9 】，将回采 工作面上方岩体分为垮落带、裂缝带和弯曲下沉带，裂缝带及其以上岩层内断裂岩块 似砌体一样排列，岩块之间相互咬合，可能形成一种外形似梁而实质为拱的结构体， 因此称之为“砌体梁”；并沿工作面开采方向将上覆岩层分为煤壁支撑区、离层区和 重新压实区。 在砌体梁理论提出的同一时期，宋振骐院士等人在大量现场观测的基础上，建立 并逐步完善了以岩层运动为中心，预测预报、控制设计和控制效果判断三位一体的实 用矿压理论体系，矿压界也称之为“传递岩梁”理论【2 0 。2 2 1 。该理论依据移架后岩层的 冒落与否与传递力的差异，将采后及时冒落且推进方向上没有传递力的称为