双龙煤矿2#煤采煤工作面矿压显现规律及支架适应性研究.pdf

论文题目双龙煤矿 2煤采煤工作面矿压显现规律及支架适应性研究 专 业采矿工程 硕 士 生徐泽 （签名） 指导老师范公勤 （签名） 摘 要 在煤矿开采的过程中，采煤工作面采煤和顶板管理离不开对矿山压力显现规律的认 识和利用。通过用 KJ103 煤矿安全监测系统对双龙煤矿 1501 综采工作面煤层顶板初次 来压、周期来压步距和工作面支架支护强度等数据的监测，同理论研究和数值分析相结 合，在分析研究的基础上得到了双龙煤矿 2煤层顶板矿压规律，本文研究的内容包括 中厚煤层顶板力学结构及矿压显现特征的研究、煤层支架-围岩关系、支架主要参数确 定、煤层液压支架适应性以及上覆岩层数值模拟等，并对工作面支架的适应性进行了分 析和探讨，为黄陵地区中厚煤层的开采现场生产管理提供了科学依据。 研究表明，2煤层 1501 工作面基本顶的初次来压步距为 42.1m，周期来压步距最小 8.9m，最大 15.3m，平均 12.03m，直接顶属 1 类不稳定顶板，基本顶属于Ⅱ级；上覆岩 层中，第三层为主关键层，关键层的破断分为上、中、下三个区，基本遵循“O-X”破断 特征；两帮巷道在工作面前方 30m 开始收敛，距离工作面 11m 附近顶底板移近速度较 快。巷道累计移近量较小，最大值为 90mm，现有支护方式比较安全。工作面的采动对 巷道的扰动较小，超前支护压力分析表明，支承压力峰值在煤壁前方 410m 范围，支 承压力影响范围在工作面前方 25m 范围内。工作面基本顶来压时动载系数 1.151.40， 平均 1.25，来压强度不高，顶板管理难度中等。按照支架平均最大工作阻力计算，得出 合理工作阻力为 42.90MPa，超过额定工作阻力 40.90MPa/架，在发生大的来压或者是大 周期来压时应该采取加强支护措施。数值模拟表明，工作面走向岩层垮落具有初次来压 和周期来压特征， 在工作面推进至 14m 左右时直接顶初次垮落， 基本顶初次垮落步距约 为 41m，周期来压步距 1015m，平均 12.43m，模拟的基本顶发生初次来压、周期来压 的步距与实测、理论研究基本吻合。 关 键 词中厚煤层；围岩结构；支护质量；运移规律 研究类型应用研究 Subject Research on Supporting Adaptability and Pressure Behavoir Mechanism of 2 Mining Workingface in Shuanglong Colliery Specialty Mining Engineering Name Xu Ze （（Signature）） Instructor Fan Gong-qin （（Signature）） ABSTRACT Fully understanding and use of underground pressure are necessary for several items, such as entry construction and supporting, coal excavation, layout of entries and slope stability of open-pit mines in mining process. It was clear about pressure traits of 1501 mechanical excavation workingface in Shuanglong Colliery according to KJ103 in-situ monitoring combination with theortical analysis and numerical simulation. Generally mechanical structure of roofs, pressure behavior rules, relation between supporting and surrounding rock, basic parameters of supporting and its adaptability via numerical simulation were gotten, which is benefits for scientific management in Huangling mining area. It indicated that pace of initial pressure in 1501 workingface was 42.1m with min pace of periodical pressure 8.9m and max one 15.3m, totally average one was 12.03m. immediate roof was No.1 unstable roof and main roof was No.2 one. Crucial layer was third one in strata. Moreover, broke up of crucial layer was fallen into triple zones restricted by “O-X”, which was up, middle and down. Constriction of entry was beyond workingface about 30m. besides, roof and floor were closer at 11m. As max one was 90mm, supporting in entry was available. With little mining distribution, peak value of abutment pressure was from 4 to 10m and dynamic ratio was 1.151.40. with all above, working resistance of supporting is 42.9MPa, which was necessary to enhance supporting when pressure was coming. According to numerical research, pace of initial and periodical pressure were separately 14m and 41m, which was satisfied with theatrical analysis and real monitoring. Key wordsmedium-thicknessseam;surrounding rock structure;support quality;migration rule ThesisApplication Research 目录 I 目 录 1 绪论 ......................................................................................................................................... 1 1.1 选题的背景、意义及问题的提出 .................................................................................. 1 1.2 国内外的研究动态及发展趋势 ...................................................................................... 2 1.2.1 国外研究现状 ........................................................................................................... 2 1.2.2 国内研究现状 ........................................................................................................... 3 1.3.研究的主要内容及方法 .................................................................................................. 5 1.3.1 研究的内容 ............................................................................................................... 5 1.3.2 研究的方案及技术路线图 ....................................................................................... 5 2 双龙煤矿概况及其煤岩参数测试 ......................................................................................... 7 2.1 矿井概况 .......................................................................................................................... 7 2.2 工作面概况 ...................................................................................................................... 9 2.3 煤岩参数测试 ................................................................................................................ 10 2.4 本章小结 ........................................................................................................................ 16 3 工作面上覆岩层结构特征分析 ........................................................................................... 17 3.1 上覆岩层垮落带高度的确定 ........................................................................................ 17 3.2 上覆岩层模型的建立 .................................................................................................... 18 3.3 上覆岩层的垮落特征 .................................................................................................... 20 3.4 工作面顶板范围及分类 ................................................................................................ 22 3.5 本章小结 ........................................................................................................................ 24 4 数值模拟与分析 ................................................................................................................... 25 4.1 数值计算方法 ................................................................................................................ 25 4.2 数值计算模型的建立 .................................................................................................... 26 4.3 工作面数值模拟 ............................................................................................................ 26 4.4 本章小结 ........................................................................................................................ 30 5 工作面矿压观测及矿压显现规律、支架适应性分析 ....................................................... 31 5.1 矿压观测方案 ................................................................................................................ 31 5.2 矿压观测结果分析 ........................................................................................................ 37 5.2.1 工作面观测支架的工作阻力 ................................................................................. 37 5.2.2 工作面支架偏载情况分析 ..................................................................................... 38 5.2.3 工作面支架阻力适时监测分析 ............................................................................. 39 5.2.4 工作面支架整架平均工作阻力 ............................................................................. 41 5.2.5 支架合理的工作阻力 ............................................................................................. 43 西安科技大学硕士学位论文 II 5.2.6 工作面顶底板位移变化 ......................................................................................... 44 5.3 回采巷道表面位移观测结果分析 ................................................................................ 45 5.3.1 回采巷道围岩表面移近速度 ................................................................................. 45 5.3.2 回采巷道超前支护观测结果与分析 ..................................................................... 48 5.4 工作面矿压显现规律分析 ............................................................................................ 50 5.5 支架适应性分析 ............................................................................................................ 51 5.6 本章小结 ........................................................................................................................ 52 6 结论 ....................................................................................................................................... 53 致 谢 ...................................................................................................................................... 54 参考文献 .................................................................................................................................. 55 附 录 ...................................................................................................................................... 57 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题的背景、意义及问题的提出 煤炭是我国重要的化工原料和能源燃料，自建国以来，煤炭在我国的一次性能源消 耗结构中，占据比例达 70以上，提供了全国 76的发电能源和工业燃料、并且 60 的民用能源以及 70的化工原料也由其提供。根据中国工程院院士陈清如预计，即使到 21 世纪中期，我国的一次性能源消耗中，煤炭所占比率可能依然高达 50以上。可见， 我国煤炭工业的发展直接关乎着我国经济、社会的持续健康发展。 我国煤炭资源的地理分布极不平衡。煤炭资源北多南少，西多东少，煤炭资源的分 布与消费区分布极不协调。随资源的日益紧缺，缺煤地区必然要提高薄中厚煤层的开采 利用率，所以研究复杂条件下中厚煤层的上覆岩层运移规律有其重要的意义，本文研究 的内容包括中厚煤层顶板力学结构及矿压显现特征的研究、煤层支架-围岩关系、支 架主要参数确定、煤层液压支架适应性以及上覆岩层数值模拟等研究。 观测工作面为黄陵双龙煤业开发有限责任公司 1501 综采工作面，顶板的运动规律 具有一定的代表性。通过对其综采工作面的矿压观测，能够直接获取完整的矿压资料， 通过资料分析和实践经验总结，能够获取复杂地质条件下的矿山压力显现规律及顶板管 理经验，是保障矿井安全高效的基础，对生产具有直接指导意义。 矿山压力与岩层控制是采矿工业的一门重要学科，采场矿山压力研究的三大主题包 括顶底板岩层的组成结构，顶底板岩层的物理力学性质以及支护系统的载荷确定。地 下岩体在受到开挖之后，其原岩应力遭到破坏，引起岩体内部应力的重新分布，同时伴 随着各种力学现象，我们将这种力学现象统称矿山压力与矿山压力显现。研究的内容包 括上覆岩层作用在采煤面、采空区底板及支护系统上的载荷，并由此引起上覆岩层及 支承物的变形破坏和力学效应。在大多数情况下，矿压显现会对采矿工程造成不同程度 的危害。我们必须采取有效措施把矿山压力显现控制在一定范围之内。矿山压力的研究 基本对象包括直接顶、基本顶和煤层底板，其中矿山压力理论的基础是上覆岩层的结构 特征，支架载荷用基本顶荷重来衡量。通过研究岩层的承载特征，发现直接顶破断后自 身承载能力消失，并且支架担负全部荷重，基本顶在破断后将变成一种半承载结构，其 中一部分的荷重将由自身承担， 其余部分的载荷将由支架承担， 而对于上覆岩层的破断， 它自身承担全部荷重。因此，我们可以将矿压理论研究的核心归为三个方面上覆岩层 的基本力学性质、岩层断裂的前后结构特征和断裂后岩层作用于支架上荷重的量值[1,2]。 矿压显现会给采矿生产带来危害。 我们在进行地下开采的过程中， 顶板事故是最常见的。 如顶板的大面积冒落，由于矿山岩体的移动造成破坏，甚至由于矿山岩爆造成的强烈破 西安科技大学硕士学位论文 2 坏而使矿井被迫关闭。这说明，对采场顶板进行监测分析和矿压显现规律研究在煤矿开 采中有着其深远的意义[3]。 黄陵矿区开采实践表明，液压支架能平衡采场上覆岩层载荷，综合机械化开采对于 预防顶板事故固然就像“安全箱”一样可靠，但这必须是建立在综采设备的选择合理并且 保证良好运行状况的基础上，如不此既不能保证安全高效，更不能实现生产安全，尤其 是支架良好的运行。该围岩情况下煤层的赋存条件、支护、采高以及井型等方面与其它 形式的煤矿都有很大差异，如果盲目的套用其它矿井工作面的矿压显现规律，矿井将会 存在安全隐患，甚至导致事故的发生。因此，通过对双龙矿 1501 综采工作面的矿山压 力分布规律进行系统的研究， 为 2中厚煤层科学地制定保障矿井安全高效的生产管理方 法和技术措施。 1.2 国内外的研究动态及发展趋势 随着科技进步， 近几十年来， 采场矿压规律研究已经取得了一系列进展和研究成果。 人们在煤炭的开采过程中发现，工作面上覆岩层荷重远大于工作面支架压力，既使在长 壁开采的过程中，工作面支架承受的来自上覆岩层的作用力也仅是岩层载重的 15％， 因此，有关学者专家提出了受某种结构掩护之下的已采空间。于是，专家学者相继提出 了“梁”结构假说、“拱”结构假说及“板”结构假说等[58]。 1.2.1 国外研究现状 （1）悬臂梁假说 此假说是在 1916 年由来自德国的施托克提出，后来得到英国人费里德、苏联人格 尔曼等专家的支持。假说将采空区和工作面上方的顶板看做梁来处理，其一端被固定在 岩体内，另一端则认为是悬伸状态。这种假说简单明白的解释了采场上覆岩层的运动规 律，并且较好的说明了其采场周期来压的现象，所以得到许多采矿专家学者的拥护。从 以后的发展来看，“悬臂梁”假说为掩护梁假说的发展，起到了很好的奠基性作用[9]。 （2）压力拱假说 “拱”假说的基本理论认为①采场采动的空间是由于“拱”结构的存在，这种“拱”担 负了上覆岩层大部分的荷重；②通过拱脚把上覆岩层的荷重传到煤体和岩体上，这种荷 重在煤体和岩体中所形成的应力是煤岩破坏的原因，同时导致“拱”结构朝更大范围方向 扩展；③采场支护所能承受的荷重由“拱”的结构所确定的已经破坏岩层荷重决定。“拱” 假说的典型代表称为“压力拱”假说。这个假说是被德国人吉里策尔和哈克在 1928 年提 出。它通过研究巷道上方顶板的成拱，得出采煤面从开切眼的地方也形成上述压力拱， 拱随着采煤面的不断推进而继续扩大，直至拱顶到达地表为止。这个模型比较合理的解 释了工作面采场周围所存在的支承压力，较好的解释了为什么支架压力远小于上覆岩层 1 绪论 3 荷重。由于此假说考虑到“压力拱”是随工作面推进而向前移动，因此避开了以前自然平 衡拱假说认为的平衡拱随工作面推进而不断扩大的错误。 （3）预成裂隙假说 “预成裂隙梁”假说认为采场是在一系列“预成裂隙梁”或“假塑性梁”的覆盖之下， 而梁中裂隙的预先形成是由于工作面煤壁前方支承压力的作用。它们本身的抗拉能力已 基本消失，对于维持平衡与抵抗弯曲，主要来自水平挤压力所产生的摩擦力，如果水平 方向的挤压力消失，岩梁就会发生失稳塌落。裂隙梁沉降或平衡遭到破坏导致采场工作 面支架上压力的显现。这个假说是比利时学者 A 拉巴斯在 20 世纪 50 年代初与铰接岩 块假说几乎同时提出。假说认为由于来自开采的原因，回采面上覆岩层的连续性遭到 破坏，从而成为非连续体，并且在回采面周围存在三区即①应力降低区②应力增高区 ③采动影响区。随回采面的向前推进，三个区域也相应地有规律向前移动。我们将开采 后存在这些裂隙的上覆岩层看做“假塑性体”，形成这种类似梁的平衡是由于被各种裂隙 破坏的假塑性体处于彼此挤压的状态所导致。在自重和上覆岩层的共同作用下，它必然 发生显著的假塑性弯曲。当下面岩层下沉量大于其上面岩层时就易发生离层。由于煤壁 前方强大的支承压力作用，在岩层中预先形成了这些“梁”的裂隙。此假说还认为，支架 应具有充足的初撑力及工作阻力，同时及时撑住顶板，使各层之间形成挤进的状态，利 用各层之间的摩擦阻力，防止各岩块间的相对移动。“预成裂隙假说”揭示了煤层及邻近 采场的部分岩层在支承压力作用下超前于煤壁破坏的可能性，正确指出其破坏的原因是 岩层中两个方向的应力差超过岩石强度极限所致[4]。 （4）铰接岩块假说 该假说由前苏联库兹涅佐夫在 19501954 年提出， 他认为采煤面进行回采以后其上 覆岩层的破坏形式分为两带靠近采空区底板的不规则垮落带和其上的规则移动带。 ， 由于岩层受到破裂分割，不规则垮落带内的岩层被分裂成多个岩块，这些岩块便可以自 由的在采空区内跨落且互不影响。岩层在规则移动带内，虽然也被破裂成许多段的层状 岩块，但每层内的岩块之间仍然保持一定联系。岩块之间相互铰和形成一条多环节的铰 链，整体规则地下沉，且岩块之间不存在单个垮落现象[2]。岩层的规则移动和不规则垮 落，取决于是否岩层保持上述所提的铰链关系。形成这种铰链取决于顶板垮落岩层的厚 度和岩层垮落的自由空间高度。根据它们比例关系的不同，把岩层分为三种基本方式。 该假说对采场围岩的力学活动特性作了较详细的阐述，定义了支架的“给定变形状态”， 对支架和围岩的相互作用做了比较切合实际情况的分析。 1.2.2 国内研究现状 （1）关键层及砌体梁理论 该理论由钱鸣高院士在二十世纪九十年代对岩层控制理论的深入研究而得出。 他认 西安科技大学硕士学位论文 4 为采场的直接顶上方地层的分层特性差异，仅有其中的一层或几层较为坚硬的岩层在采 场的上覆岩层运动中起到控制作用。采场上覆岩层的破断、变形、离层及地表沉陷等一 系列的矿压显现规律主要受较为坚硬岩层中的一层或几层被称作关键层的岩层控制。 岩 层移动中的离层与裂隙的产生是因为主关键层与亚关键层、亚关键层与亚关键层之间变 形的不协调。此理论将关键层的破断机理进行了系统的研究，并得出了关键层的判断依 据， 还指出采场关键层一般是坚硬而厚的岩层。 关键层理论为采场矿压显现的科学解释、 预测预报及控制提供了理论基础，形成了矿山压力及其控制的完备理论体系。对整个上 覆岩层直至地表岩层的整体运动规律提出了“横三区”（影响区、离层区和重新压实区） 、 “竖三代”（垮落带、裂隙带和整体弯曲下沉带） 。关键层理论研究的实质是进一步研究 了硬岩层所受载荷及变形规律。将上覆岩层中的坚硬岩层看做是承载主题，而将软弱岩 层看做其载荷或弹性基础，从而以坚硬岩层为对象，按连续介质力学方法研究其变形破 断规律。坚硬岩层破断后的力学行为以结构模型思想来研究，从整体上分析破断岩体的 结构效应，在块体铰合的局部研究其失稳条件。据此提出的关键层及砌体梁理论，显然 具有十分重大的理论和实践意义，尤其为采场顶板管理和支护提供了理论基础[8][10][12]。 （2）传递岩梁理论 山东科技大学宋振骐通过大量现场实测的数据分析，提出了预测预报和控制相结 合，并以上覆岩层运动为中心的“传递岩梁”理论。该理论认为基本顶岩梁对支架的作用 力由支架对岩梁运动的抵抗程度所决定，并且可能存在“限定变形”和“给定变形”两种工 作方式，同时给出了在“限定变形”工作状态下支架围岩关系的表达式，即位态方程。 同时此假说认为，因为断裂岩块间相互铰合，始终向煤壁前方及采空区矸石上传递作用 力，因此，岩梁运动时的作用力无需由支架全部承担；支架承担岩梁作用力的大小，由 对其运动的控制要求决定。采场周围的支承压力分布的内、外应力场理论也是此假说的 重要组成部分，即认为以老顶岩梁断裂线为界分为内、外两个应力场。此观点对采场顶 板的控制设计及确定合理的巷道位置发挥了重要作用。它确立了矿山压力的分布、显现 与岩层运动之间的关系，通过现场观察得到的“矿山压力显现”数据便可以预测预报岩层 运动和矿山压力分布等情况，将理论和方法进行了完美的统一[11]。 另外，为了将矿山压力与岩层控制理论变得更加的完善，其他学者也在其矿山压力 理论和上覆岩层运动规律等方面作了大量卓有成效的工作。如西安科技大学石平五教授 就是利用能量原理分析了矿压中的有关问题，他认为采场只是在开挖空间中一个极小的 部分，对于整个开挖空间而言岩层移动范围很大，但处于其边缘采场上方的岩层活动范 围却是很有限的，所以支架的作用主要就是维护有限范围内顶板的连续性，从而形成支 架直接顶共同承载的结构[13]。 1 绪论 5 1.3 研究的主要内容及方法 1.3.1 研究的内容 （1）分析采面直接顶及老顶初次破断，老顶周期性破断情况的规律，建立关键块 的力学模型。 （2）分析出支架支护特性及顶板下沿破碎的规律。 （3）找出工作面两巷超前压力、围岩表面和深部位移的规律。 1.3.2 研究的方案及技术路线图 （1）监测内容综采工作面支架的立柱和前梁平衡千斤顶或支护板的工作阻力， 两巷道超前支护范围内单体液压支柱阻力观测和工作面巷道顶底板巷道变形量监测。 （2）本文通过对双龙煤矿 1501 工作面进行矿压观测，获得工作面的采场顶板压力 观测数据和超前支护数据，以理论分析与现场实践相结合，对大量数据处理、汇总并进 行系统的分析，来确定顶板初次和周期来压步距、来压强度及支架的工作阻力参数等。 同时对实测顶板进行级别分类，以便于后续采区工作面的生产和管理。 （3）通过 1501 工作面的支架末阻力矿压曲线图，分析 1501 工作面上覆顶板压力 的分布规律。 （4）通过采用数值相似模拟实验研究的方法，用现场所取的煤样、岩样在实验室 进行测试而获得的煤层有关的物理力学参数，对工作面进行数值相似模拟研究，并建立 相关的物理力学模型，得出开采过程中工作面顶板活动的规律和矿压显现规律。 （5）在结合大量相关文献和理论成果的基础上，通过综合分析工作面支架阻力曲 线图，采场顶板压力及超前支护阻力状况，对采场顶板规律进行了较为系统的研究。研 究的结果对指导煤矿生产实践具有参考价值，有利于煤矿的安全生产。 （6）最终通过现场观测、理论建模及数值模拟分析采场工作面矿压规律和支护阻 力，提出生产管理的措施。 本文的技术路线图如图 1.1 所示， 西安科技大学硕士学位论文 6 图 1.1 技术路线图 现场监测、收集资料 理论分析 数值模拟研究 现场观测分析 1、 确定顶板垮落带高度及 其来压步距 2、推断关键层位置 3、对顶板进行等级分类 1、 分析现场数据总结 顶板破断规律 2、分析支架适应性 1、模拟顶板破断 规律及特征 2、模拟顶板最终 垮落形态 对比结果分析 2煤层矿压显现规律 2 双龙煤矿概况及其煤岩参数测试 7 2 双龙煤矿概况及其煤岩参数测试 2.1 矿井概况 双龙煤矿矿井核定生产能力为 60 万吨/年。其井田地处陕北黄土高原之南部。矿区 南部有海拔15301780m 的财神梁和山神庙梁，将煤田分割为黄陵矿区及焦坪矿区， 分别隶属于黄陵县和宜君县。 由于河流冲刷侵蚀，本井田上部多为阶地发育、沟壑交错、长梁起伏、地形复杂的 中、低山地貌，沟谷切割深达 100120m，谷底标高一般在1000m 左右。山丘地带基本 上全为自然林覆盖。 双龙井田位于黄陵矿区的中南部，井田总体构造形态为一开阔而平缓的不对称向斜 构造，见图 2.1 所示。向斜轴向在井田中部近南北向，在井田北部和南部为北北东向， 两翼地层倾角 15 。 该向斜构造是控制区内主采煤层 2煤空间展布及厚度变化的同沉积 褶皱构造，图 2.2 为其综合柱状图。 图 例 井田边界 860 煤层底板等高线 正断层 880 840 850 860 870 860 880 890 870 860 870 860 850 870 860 H11m N9801000 E 9801000 图 2.1 双龙井田构造略图 井田内断层不发育，在煤矿开采过程中，在井田北部揭露出一条近东西走向的正断 西安科技大学硕士学位论文 8 层，落差 11m，对煤矿生产有一定影响。 层 厚 累 厚 柱 状 1200 地 质 年 代 岩 性 描 述 1.3--2.2 2.10 6.70 5.20 1.50 0.70 8.70 343.83 345.93 352.63 同上 同上 上三迭统 延长组 T3Y 同上 同上 同上 同上 泥岩深灰-灰黑色，泥质-粉砂质结 构，水平层理，夹少量黄铁矿薄层,随 工作面推进由薄变厚底部有50-200mm 砂质泥岩含黄铁矿结核 2煤层黑色，为中灰、低硫、高发 热烟煤。近水平层理，夹矸为黑色泥 岩。 根土岩上部为黑色，向下变深灰、 灰色。含根部化石。 泥岩灰-灰绿色，泥质结构，块状构 造，滑面发育。 中细粉砂岩 碳质泥岩 薄层中砂岩 灰黑色泥岩，中部有夹薄层中砂岩 粉细砂岩互层，灰-灰黑色，水平层 理，中夹砂质泥岩 0--13.69 21.6--11.3 中下侏罗 统延安组 J1-2Y 同上 330.14 318.84 310.14 302.74 307.94 图 2.2 综合柱状图 可采煤层的直接充水含水层为顶板砂岩含水层，富水性弱到极弱，地下水补给条件 差。根据矿区水文地质工程地质勘探规范 （GB12719－91）及煤、泥炭