小纪汗煤矿11203综采面矿压规律研究.pdf

论文题目小纪汗煤矿 11203 综采面矿压规律研究 专 业矿业工程 硕 士 生朱南京 （签名） 指导教师李龙清（校内） （签名） 李虎民（校外） （签名） 摘 要 我国中厚煤层储量丰富，综采随着高产高效的优点日益突出和配套设备的重大进 展，已经成为国内中厚煤层开采的主流技术。但是，由于煤层赋存条件的不同，矿井采 用综采技术后所显现的矿压规律并不完全一样。同时，由于综采支架发展很快，支架在 不同煤层赋存条件下会出现适应性不好的情况。小纪汗煤矿作为国家规划的“陕北侏罗 纪煤田榆横矿区（北区）”第一个千万吨级现代化矿井，对其进行工作面矿压规律和支 架适应性研究具有着重要的现实与理论意义。 论文以小纪汗矿11203综采面采场和巷道为主要研究对象在现场调研了工程地质概 况的基础上，理论分析了综采工作面上覆岩层结构及运动规律，对 11203 综采面进行液 压支架支护工作阻力、两巷超前应力分布、两巷围岩表面位移等方面进行监测，较全面 掌握监测工作面的矿压显现规律及工作面沿走向、倾向方向的应力分布特征。同时对支 架适应性进行研究， 通过提高液压支架初撑力以保证支架的支护效率， 增强支架适应性， 以保证工作面安全、高效的生产。该研究对揭示并总结该种煤层赋存条件下，工作面和 巷道矿压显现规律，完善相应开采技术及支护措施，保证工作面的高产高效具有重要的 意义。 关 键 词矿山压力；支架适应性；超前支承压力；顶板破断 研究类型应用研究 万方数据 Subject Study on Strata Behavior Regularity of 11203 Coalface in Xiaojihan Coal Mine Specialty Mining Engineering Name Zhu Nanjing Signature Instructor Li Longqing Signature Li Huming Signature Abstract Due to abundant reserves of thick coal seam in our country, fully-mechanized mining of coalface with increasingly prominent mrrits of its technology and significant improvement of the matching equipment, has already become the important development direction in terms of the mining of thick coal seam. However, the complicated conditions,such as the occurrence conditions is different with each other，At the same time,Due to rapid development of mechanized mining bracket,brackets in different coal seam conditions not always adaptability very well. Xiao Jihan as the firest million-ton modern mine in our national plan of “Jurassic coal mine of Yu Wang in northern Shaanxi North”, Have a research about it on the Strata behavior regularity of 11203 Coalface and Adaptability of Hydraulic Support is meaningful in practical and theory. Basied on the investgate of engineering geology of in Xiaojihan coal mine, This present paper takes stope and roadway of 11203 Coalface in Xiaojihan coal mine as research objects,analysized the mechanized mining face structure and movement of overlying strata in theory.Have a monitor on the roadway of 11203 Coalfac, the main aspects include hydraulic support quality, two-lane ahead of the stress distribution and two-lane country rock surface,By it we have a comprehensive grasp on the Stress distribution and the law of the stress with fifferent strike and driections.Meanwhile, Study on aaptability of hdraulic Support, esure a good adaption always there.The study revealed and summarized in this kind of coal seam conditions, Face and roadway laws of strata behavior, improve mining technology and support appropriate measures to ensure that face high yield and efficiency is of great significance. Key Words Mine Pressure; Support Suitability;Forepoling pressure;Roof breaking Thesis Applied Research 万方数据 目录 目 录 1 绪论 ..................................................................................................................................1 1.1 选题背景及研究意义 .............................................................................................1 1.1.1 选题背景 ......................................................................................................1 1.1.2 选题意义 ......................................................................................................3 1.2 国内外研究现状 .....................................................................................................3 1.2.1 综采面矿压显现规律 ..................................................................................3 1.2.2 工作面支架工作阻力计算 ...........................................................................7 1.3 研究内容与技术路线 ..............................................................................................8 1.3.1 研究内容 ......................................................................................................8 1.3.2 技术路线 ......................................................................................................9 2 工作阻力与来压步距理论分析 ....................................................................................... 10 2.1 工作面煤层赋存情况 ............................................................................................ 11 2.1.1 煤层条件 .................................................................................................... 11 2.1.2 水文地质条件 ............................................................................................. 11 2.2 工作面概况 ........................................................................................................... 11 2.2.1 工作面布置 ................................................................................................. 11 2.2.2 工作面设备布置 ......................................................................................... 12 2.2.3 顺槽支护方式及支护参数 ......................................................................... 14 2.3 工作面支架工作阻力理论计算分析 .................................................................... 15 2.3.1 老顶初次来压期间工作阻力的确定 .......................................................... 15 2.3.2 老顶周期来压期间工作阻力的确定 .......................................................... 17 2.3.3 基于经验公式的支架工作阻力计算 ......................................................... 19 2.4 老顶初次来压与周期来压步距理论计算.......................................................................... 20 2.4.1 老顶初次来压步距理论计算 ..................................................................... 20 2.4.2 老顶周期来压步距理论计算 ...................................................................... 20 3 采动覆岩裂隙发育数值模拟 .......................................................................................... 21 3.1 数值模拟软件 RFPA2D介绍 .................................................................................. 21 3.2 数值计算原理及基本原则 ................................................................................... 21 3.2.1 数值模拟的理论基础 .............................................................................. 21 3.2.2 数值模拟基本原则 ..................................................................................... 22 3.2.3 小纪汗 2煤层开采数值模拟模型及方案 ................................................. 22 3.3 RFPA2D数值模拟结果 ........................................................................................... 24 I 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 3.4 RFPA2D数值模拟主要结论 ................................................................................... 30 4 工作面矿压监测 .............................................................................................................. 31 4.1 工作面矿压监测的目的及意义 ............................................................................ 31 4.2 矿压监测测站布置 ................................................................................................ 31 4.3 设备安装与数据采集 ............................................................................................ 33 4.3.1 工作面液压支架支护质量监测 ................................................................. 33 4.3.2 工作面两巷超前支护阻力监测 .................................................................. 36 4.3.3 工作面两巷顶板离层监测 .......................................................................... 37 4.3.4 工作面两巷围岩深部位移监测 .................................................................. 38 4.3.5 工作面矿压监测仪表安装情况说明 ......................................................... 39 4.4 工作面矿压实测结果及矿压规律分析 ................................................................. 41 4.4.1 工作面推进方向支架工作阻力分布特征 .................................................. 41 4.4.2 工作面液压支架初撑力分布 ..................................................................... 48 4.4.3 工作面液压支架末阻力分布 ..................................................................... 53 4.4.4 沿工作面倾斜方向来压显现特征分析 ..................................................... 58 4.4.5 工作面支架运行特征分析 ......................................................................... 58 4.5 两巷矿压实测结果及矿压规律分析 ..................................................................... 61 4.5.1 超前支护段单体支柱支护质量监测 ......................................................... 61 4.5.2 工作面两巷顶板离层监测 .......................................................................... 70 4.5.3 工作面两巷深部围岩位移监测 .................................................................. 72 4.5.4 工作面两巷围岩表面变形监测 .................................................................. 74 5 主要结论 ....................................................................................................................... 75 致 谢 ................................................................................................................................ 76 参考文献 ............................................................................................................................ 77 附 录 ................................................................................................................................ 80 II 万方数据 1 绪论 1 绪论 1.1 选题背景及研究意义 1.1.1 选题背景 国家能源中长期发展规划纲要（2004～2020 年）中确定，我国将“坚持以煤炭 为主体、电力为中心、油气和新能源全面发展的能源战略”；中国工程院国家能源发 展战略 2030-2050煤炭年需求量高达 38 亿 t。煤炭作为我国的主要能源，在国民经济 建设中具有重要的战略意义，在我国一次性能源消费结构中，煤炭约占 50 以上，随 着世界范围的能源危机，在相当长的时间内，我国以煤炭作为主要能源的状况不会改 变 [1-2]。 我国中厚煤层储量占 37[3-5]，“十一五期间”伴随煤炭科技创新体系的不断完善， 煤炭综合机械化水平得到大幅度提升，在中厚煤层开采技术装备等方面取得重要突破， 有效支撑了高产高效矿井建设和煤炭产业结构升级，保证了国民经济发展对煤炭的增长 需求 [6-7]。 我国陕北地区煤炭资源丰富，仅榆林地区的煤炭预测储量为 2800 亿 t。其中榆横矿 区（北区）位于陕北侏罗纪煤田的中部，地处陕西省榆林市榆阳区和横山县境内。榆横 矿区（北区）规划范围北以 3830′纬线为界，西以陕蒙省界为界，东以榆溪河及煤层 可采边界为界，南至无定河，矿区南北长 65km，东西宽 50km，面积约 3200km2，其中 含煤面积约 2700km2，地质储量 27064.05Mt[8-9]。为配合陕北能源化工基地建设，促 进陕北经济持续、快速发展，2006 年以来，榆横矿区先后有波罗、西红墩，小纪汗井田 完成了勘探（精查）。为满足小纪汗矿井开发建设需要，陕西华电榆横煤电有限责任公 司出资对榆林市小纪汗井田进行了煤炭资源勘探，2011 年 11 月，西安地质矿产勘查开 发院编制完成了陕西省陕北侏罗纪煤田榆横矿区小纪汗井田勘探地质报告，2012 年 3 月 2 日，陕西省国土资源厅以（陕国土资储备[2012]16 号）对陕西省陕北侏罗纪 煤田榆横矿区小纪汗井田勘探报告进行矿产资源储量评审备案证明。 全矿区共规划有 11 个井田，其中 1 个改扩建红石峡井田，新建波罗井田、西红墩 井田、小纪汗井田，预留巴拉素、袁大滩、可可盖、大海则、十六台、乌苏海则和红石 桥井田 7 个井田勘查区。 陕北侏罗纪煤田榆横矿区北区总体规划已于 2007 年获国 家发展与改革委员会批复,文号为发改能源[2007]411 号。规划矿区初期建设规模 33.0Mt/a。初期新建波罗井田（10.00Mt/a）、西红墩井田（10.00Mt/a）、小纪汗井田 （10.00Mt/a），改扩建红石峡井田（3.00Mt/a）。 1 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 榆横矿区（北区）是一个煤炭新区，尚未大规模开发建设。矿区内有四个生产煤矿， 分别为矿区东北部的榆阳煤矿以及矿区东南部的长城、山东、二石磕煤矿。榆阳煤矿为 大型矿井，位于规划的红石峡井田内，设计生产能力 3.0Mt/a，目前已按照榆林市政府 要求全面关停。长城、山东、二石磕煤矿为地方小煤矿，生产能力在 0.06～0.15Mt/a 之 间，另外，井田周边的巴拉素矿井、袁大滩矿井、西红墩矿井、可可盖矿井目前均已经 完成了勘探工作，正在进行项目前期工作。 “十一五”时期以来，虽然我国综合机械化采煤技术与装备取得了较大的进步，但 是在采场和巷道矿压显现规律的研究还有一些现象和问题没有得到很好地解决 [10-14]， 在 设备充分使用以及可靠性等方面由于现场操作工人的知识和文化水平不高还存在着一 定的问题 [15]。尤其是小纪汗煤矿作为榆横北区的一个千万吨矿井，其 11203 综采面作 为该矿的第一个综采工作面，其矿压规律尚不明确，需深入进行研究。主要表现在以下 两个方面。 （1）采场和巷道矿压显现规律还不够完全充分。高强度开采条件下工作面支护及 顶板管理、巷道支护还存在一些问题。 （2）设备可靠性，自动化水平有待提高。例如液压支架的使用过程中，存在着初 撑力不够，即使是性能较好的设备，由于操作和设计的不合理从而导设备没能得到合理 的有效的利用。 小纪汗煤矿为国家规划的“陕北侏罗纪煤田榆横矿区（北区）”的一个千万吨级现代 化矿井，地处榆林市城西 12km，位于榆林市榆阳区小纪汗乡。井田地质构造简单，该 矿共有 9 层可采煤层， 2、4-2 号煤层为主采煤层。其中 2 号煤层倾角 01，平均倾角 0.7；煤层厚度 1.62.95 m，平均厚度 2.67 m，煤层底板标高为 826-890m，地面标高为 1208-1225m，煤层为低瓦斯煤层，无高温区，无地热危害存在。2 号煤层直接顶为灰白 色中厚层状中粒砂岩及薄层状粉砂岩，含白云母碎片及暗色矿物，分选性较差，次棱角 状，硬度中等。老顶下部位为灰绿色中粒砂岩，上部为灰绿色薄层状粉砂岩，加有 2.7m 厚的灰白色厚层状粗粒砂岩，缓坡状层理。直接底为灰白色薄层状细粒砂岩，夹多层粉 砂岩薄层，硬度中等，老底为灰白色巨厚层状中粒砂岩，次圆状，硬度中等。2-2 号煤 层底板大部分地段为泥岩，强度较小，砂岩次之，强度较大。除局部地段岩质较软，强 度较小，易产生底鼓现象外，一般稳定性较好。回采区域内以承压含水层为主要充水水 源，基岩原生裂隙是主要的导水通道，基岩裂隙水表现为支架间淋水。 11203 综采面为小纪汗煤矿的试采面，该工作面位于五条大巷的北部，西邻 11205 工作面，东邻 11201 工作面，北为 1 号气井。工作面位于 2-2 煤层 11 盘区，工作面两 顺槽沿煤层倾向布置，工作面沿煤层走向布置，11203 综采面布置了一条胶顺槽，一条 辅运顺槽，一条回风顺槽；切眼距离主回撤通道 2651.2m，切眼宽 7.5m、高 3.1m。工 作面煤层底板标高为826890m， 地面标高为12081225m。 11203综采面煤层倾角0-1， 2 万方数据 1 绪论 平均倾角 0.7；煤层厚度 1.6-2.95m，平均厚度 2.67m。直接顶为灰白色中厚层状中粒砂 岩及薄层状粉砂岩，含白云母碎片及暗色矿物，分选性较差，次棱角状，硬度中等。老 顶下部位为灰绿色中粒砂岩，上部为灰绿色薄层状粉砂岩，加有 2.7m 厚的灰白色粒厚 层状粗砂岩，缓坡状层理。直接底为灰白色薄层状细粒砂岩，夹多层粉砂岩薄层，硬度 中等，巨老底为灰白色厚层状中粒砂岩，次圆状，硬度中等。 本论文以小纪汗煤矿 11203 综采面为研究对象，对中厚煤层、厚积岩条件下综采工 作面矿压规律及支架适应性进行研究。 为矿井安全、 高产高效生产提供理论和应用指导。 1.1.2 选题意义 小纪汗煤矿为陕北侏罗纪煤田榆横矿区北区第一个千万吨矿井，11203 综采面为该 矿的第一个中厚煤层工作面，对该综采面矿压显现规律的研究不仅对小纪汗矿井的安全 高效生产具有重要指导意义，而且对榆横矿区北区类似地质条件下的矿井开采也有着十 分重要的指导和借鉴意义。具体为 （1）对该工作面矿压规律的研究，有助于指导综采工作面安全高效生产，同时， 可有效预测预报工作面周期来压规律，有效保障工作面正常推进。 （2）对工作面矿压规律的正确把握可以有效的指导综采工作面末采期间的回采安 排，有效避开顶板来压，确保工作面顺利贯通。 （3）该研究有利于观测工作面支护质量，检查支护效果，加强工作面管理。 （4）11203 综采面为矿井的第一个中厚煤层工作面，对其矿压显现规律的研究，可 有效指导后续工作面的顺利开采。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 综采面矿压显现规律 世界上综合机械化采煤（简称综采）于 1954 年在英国问世 [8]，西德在 1957 年开始 使用综采， 前苏联和波兰出现综合机械化采煤是 20 世纪 60 年代。 中国在 1970 年 11 月， 由在国外留学的学者学习外国先进的采煤技术，回国后引进了采用综采设备进行井下工 作面的采煤，第一个试验使用的矿井选择在了山西省大同市煤峪口煤矿，试验的工作面 选择在了 8710 综采工作面，开始只是开展了实验性的工作，但此项试验性质的工作， 在中国的采煤历史上是具有里程碑意义的，是具有深远影响意义的革命性工作。 综合机械化采煤问世以来，已经有了 60 多年的历史 [9]。由于具备产量高，回采空 间稳定安全等诸多优点，该项技术慢慢的变为全世界主流的采煤技术。尤其是该套技术 的逐步发展，不断的采取了世界同步发展的计算机技术及现代化的机电和信息技术，以 上三种融为一体，造就了综合机械化采煤技术的空前大发展，引起了采煤技术的革命性 3 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 发展。该套技术极大的降低了采煤工人的劳动强度，提高了作业场所的安全性，使得煤 矿由一个人人闻之侧目，血横累累的产业发展成为了拥有现代化生产工艺的行业。尤其 是近代，煤炭产量的急剧攀升，而吨煤死人数却在不断下将。 中国自从引进了综合机械化采煤技术， 并在大同煤峪口煤矿成功试用以来， 40 多年， 该项生产工艺已为国内煤炭人普遍接受，并大规模使用。主要发展的过程有三个阶段的 显著变化 （1）20 世纪 70 年代建队伍、打基础、技术攻关，80 年代推广应用阶段。20 世纪 70 年代，综采技术的发展主要有 3 件事一是 1970 年 11 月大同煤峪口煤矿出现了国 内第 1 个综采工作面，提出了综采技术的优越性集中表现在“一少、两高、三低”。从现 在来看，有些优越性是较为明显的。 （2）20 世纪 90 年代，综采上水平、大发展，综采放顶煤攻关提高，取得了创新性 的成果。20 世纪 90 年代，综采技术的发展主要是综采技术进入以高产高效为目标的上 水平、大发展阶段。 （3）21 世纪初，千万吨综采工作面涌现，回采巷道控制技术也初露端倪。目前在 地质条件较好的矿井还出现了十几个年产千万吨综采工作面，以及回采巷道控制的综合 自动化工作面。 综上所述，中国综合机械化采煤技术的发展经历了一个从试验模仿到逐步发展壮大 的阶段，时至今日，中国的综采技术已经走在的世界的前列，涌现出一批具有世界先进 水平的千万吨级现代化高产高效工作面。与此同时，综采工作面安全管理水平也在不断 的提升之中。 随着综合机械化采煤技术的空前发展，国内外学者对矿压及岩层控制的研究也在逐 步深入， 但受到客观条件的限制， 人们在最初的研究中， 更多的只是假象和假说 [16,17,18]。 压力拱假说是德国学者哈克（W.Hack）和吉利测尔（G.Gillitzer）特提出的，此假 说认为，在工作面上方由于岩层自然平衡的结果而形成了一个“压力拱”。前拱脚为工作 面前方的煤体，后拱脚为采空区已垮落的歼石或采空区的充填体，随工作面推进，前后 拱脚也将向前移动 [19,20,21]。压力拱假说可以解释长壁开采的某些矿山压力现象，但对采 场周期来压等仍不能解释清楚。 德国学者施托克（K.Stoke）于 1916 年提出了悬臂梁假说。该假说认为，顶板岩层 是一种连续介质，初垮以后，可以看作一端固定在工作煤壁前方煤体上的悬臂粱。正是 这种岩梁随采场推进有规律的折断，才导致采场来压的现象。悬臂梁折断的步距可由连 续介质力学的方法确定。悬臂梁假说可以较好地解释工作面周期来压的现象 [22,23,24]，但 没有考虑支承压力预破坏顶板岩层的影响，因而对覆岩结构形态的描述不够全面。 1947 年，比利时的 A.拉巴斯提出了预成裂隙假说。该假说认为，由于工作面前方 支承压力的作用，使顶板岩体中形成了矿压裂隙，上覆岩层的连续性遭到破坏，从而形 4 万方数据 1 绪论 成非连续体，这种介质将似塑性体那样发生很大的变形，因此可将其视作“假塑性体”。 并且假说认为，在回采工作面周围存在着应力降低区、应力升高区和采动影响区。随着 工作面的推进，三个区域同时相应地向前移动。 铰接岩块假说该假说由前苏联学者 C.T 库兹涅佐夫于 1954 年提出。假说认为工作 面上覆岩层的破坏可分为跨落带和其上的规则移动带。跨落带分上下两部分，下部垮落 时，岩块杂乱无章；上部垮落时，成规则的排列，但与规则移动带的差别在于无水平方 向有规律的水平挤压力的联系。规则移动带岩块之间刻意互相铰合而形成一条多环节的 铰链，并规则的在采空区上方下沉 [25,26,27]。 这些观点对后来进一步研究采场上覆岩层的结构都具有十分重要的意义。后来随着 地下采矿工业的飞速发展，开采中出现和导致的问题要求人们必须研究可以用定量分析 的手段来指导采矿设计与生产的采场上覆岩层结构理论。西方国家由于自身经济实力及 国情特点对采场矿压的控制更多地从机械设备方面加以解决，国外对采场上覆岩层结构 的研究显得不足 [28,29,30,31,32]；在我国，国情要求只能以最低的设备投人实现安全及高效 生产，因此，研究采场上覆岩层结构以搞清采场矿压的规律并加以控制就成为我国学者 的研究重点之一 [33]。总的来讲，我国专家学者在这一阶段对采场上覆岩层结构的研究 作出了重要贡献，成熟理论的代表主要有“砌体梁结构”理论该理论由中国工程院院士 钱鸣高教授创立 [34]。钱鸣高教授根据现场观察到的实际情况而推测的块体结构形态模 型可称之为点接触块体结构模型。钱鸣高教授于 60 年代初就开始研究断裂岩块间的力 学关系， 在总结铰接岩块假说和预成裂隙假说以及在大量生产实践及对岩层移动现场实 测的基础上，于 70 年代末 80 年代初提出了采场裂隙带岩体的“砌体梁”结构模型理 论 [35,36,37]。该理论认为采场上覆岩层的岩体结构主要是由每个坚硬岩层组成，每个分组 中的软岩层则可视为坚硬岩层上的载荷，在水平推力作用下，断裂后且排列整齐的坚硬 岩块可形成铰接关系。此结构具有滑落和回转变形两种失稳形式。“砌体梁结构”理论给 出了采场上覆坚硬岩层周期断裂后形成平衡结构的条件，并阐述了采场来压、支架一围 岩关系等一系列问题。该理论的重要意义主要表现在开采后采场上覆岩层结构形态的解 决为采场给出了具体的上部边界条件，同时为论证各项采场矿山压力控制参数奠定了基 础，因此受到国内外同行的高度评价。 “传递岩梁”理论这是由中国科学院宋振骐院士 80 年代初提出的 [38-40]。 该理论认为， 老顶岩梁对支架的作用力取决于支架对岩梁运动的抵抗程度，可能存在给定变形和限定 变形两种工作方式，并给出支架－围岩关系的表达式，即位态方程。工作面煤壁前方的 内、外应力场理论也是该假说的重要组成部分，即认为以老顶断裂线为界分为内、外两 个应力场。此观点对确定合理巷道的位置及采场顶板控制设计起到了积极的作用。由于 “砌体梁”结构的叙述仅限于采场中部沿走向的平面问题，随着对采场矿山压力的深人研 究，尤其是老顶来压预测预报的发展，将老顶岩层视为四周受各种支撑条件限制的板成 5 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 为必然。在八十年代中后期，钱鸣高 [41]院士与朱德仁教授、贾喜荣教授、刘双跃博士 等把老顶岩层视为板结构，对该种结构及其稳定性进行了研究，建立了采场上覆岩层的 不同支撑条件下的 Kirchhoff 板结构理论的完善。经过近 20 年的不断发展，“