赵庄煤矿大采高加长工作面矿压显现规律研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 I 赵庄煤矿大采高加长工作面矿压显现规律研究 摘 要 工作面实现高产高效是现代化矿井重要关注的问题之一，而实现高产 高效的较为有效的方式即是增加工作面的采高、倾斜长度和推进长度。工 作面的采高和推进长度一般受矿井煤层地质赋存条件等因素的影响。因此 逐渐扩展工作面长度成为各个矿区近年来主要研究的技术方向之一。工作 面长度增加不仅可以大大提升工作面产能，避免开采浪费，而且面长加长 后同时可以减少巷道布置，从而减少工作面搬家次数，这样更加利于矿井 的集中高效生产，提高资源生产效率。晋煤集团赵庄煤矿为了提高产能， 目前将工作面长度已经增加到了 295m。 工作面不断加长的同时，在开采过程当中的一些矿压显现也逐渐出现 了一系列新的特征，比如来压强度大、来压持续过程延长、煤壁片帮加重、 漏矸频发，经常出现一些露矸冒顶的事故，这样不利于矿井的安全生产， 同时减缓了资源开采进度。因此，为更好的掌握工作面加长之后的矿压显 现特点，以及工作面加长以后为矿井生产带来的一些隐性灾害，开展大采 高加长工作面的矿压显现特征研究，就显得十分必要。 本文以赵庄煤矿五盘区首个加长工作面 5316 为工程背景，采用力学理 论分析，现场实测和数学统计分析相结合的方法，主要研究了赵庄煤矿首 个大采高长度为 270m 的工作面矿压规律，并与 5302 普通长度工作面（斜 长为 219.7m）的矿压特征进行了对比，得出了工作面长度加长后一些矿压 变化情况，主要研究成果如下 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 II （1）结合关键层理论，揭示了工作面上覆岩层的关键层分布情况，并 通过“板理论”和“梁理论”对加长工作面来压步距进行了理论研究和计算。 通 过“板理论”研究了工作面长度对顶板来压步距以及来压强度的影响； （2）通过现场实测的方法，统计研究了 5316 大采高加长工作面的矿 压显现特征； （3）通过现场实测的方法，对 5316 加长工作面与 5302 普通工作面的 矿压显现特征进行了对比分析，掌握了工作面长度加长后矿压显现变化情 况，验证了理论分析的正确性。 （4）通过统计分析的数学方法，分析了工作阻力与初撑力、时间的相 关关系，并研究了初撑力和时间因素对工作阻力的显著性影响。 本论文对赵庄煤矿首个加长工作面5316 的矿压显现特征进行了详细的 研究，揭示了工作面加长之后的相关矿压显现特征，并对比了与普通工作 面的矿压情况，一定程度上不仅为赵庄煤矿加长工作面的安全生产提供了 指导，也为类似地质条件的工作面提供了矿压显现参考依据，给出了重要 的实际引荐价值。 关键词赵庄煤矿，大采高，加长工作面，上覆岩层，矿压 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 III STUDY ON STRATABEHAVIOR REGULARITY OF HIGH MININGAND LONG WORKING FACE IN ZHAOZHUANG MINE ABSTRACT The high efficiency and efficiency of the working face is one of the important concerns of the modern mine, and the more effective way to realize the high production and efficiency is to increase the height, width and advance length of the working face. The height of the working face and the length of the advance are generally affected by factors such as coal seam distribution. And increase the length of the face by this factor is not, so the gradual expansion of the face length of each mining area in recent years, one of the main technical direction of the study. With the increase in coal energy demand, the mine to pursue high production and efficient technology, many mines according to their own geological conditions and production conditions are reasonable to increase the length of the face.Increasing the length of the face can not only greatly improve the production capacity of the face, to avoid mining waste, and the length of the length of the road can also be reduced at the same time to reduce the number of roadway layout, thus reducing the number of face moving, which is more conducive to the mine focus on efficient production and improve resource production efficiency. In order to improve the production capacity, the length of the working face has increased to 295m. 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 IV At the same time, in the mining process which some of the mining pressure appears to have gradually emerged a series of new features, such as pressure to pressure, to extend the process of continuous extension, coal wall to help increase, often There are some exposed debris rooftop accident, which is not conducive to the safety of mine production, while slowing the progress of resource extraction. Therefore, in order to better grasp the characteristics of the mining pressure after the extension of the face and the recessive disaster brought by the mine production after the extension of the working face, it is very important to study the law of the occurrence of the strata necessary. In this paper, the first extended working face 5316 of Wu Area Coal Mine in Zhaozhuang Coal Mine is used as the engineering background,field measurement and mathematical analysis is used to study the first large mining height of 270 m And the results of 5302 normal length of the face pressure are compared with each other, and the results of some strata changes after the length of working face are obtained. The main research results are as follows 1 Combining the theory of key layers, the paper reveals the distribution of key layers in the overlying strata, and makes a theoretical study and calculation on the working face through “plate theory“ and “beam theory“. The influence of long working face on the pressure is studied by “plate theory“. 2 Through the field measurement , the law of the mining behavior of 5316 large mining height and long working face is statistically studied. 3 Through the field measurement , the rule of 5316 extended 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 V working face and the commutation rule of 5302 ordinary working face are compared and analyzed, and the change of mine pressure after the length of working face is mastered, and the correctness of the theoretical analysis is verified. 4Throughthemathematicalanalysisofstatisticalanalysis,the relationship between work resistance and initial support force and time is analyzed, and the significance of initial force and time factor on work resistance is studied. This paper makes a detailed study on the law of strata behavior of the first extended working face 5316 in Zhaozhuang coal mine, and reveals the characteristics of the relevant strata after the extension of the working face, and compares the ground pressure of the working face with a certain degree Not only for the Zhaozhuang coal mine to extend the safety of production face to provide guidance, but also for similar geological conditions to provide a reference to the face of mining pressure, given the important practical reference value. KEY WORDS ZhaoZhuang mine,high mining, long working face,overlying strata, mine pressure 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 VI 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 VII 目 录 摘 要........................................................................................................................................... I ABSTRACT..............................................................................................................................III 第一章 绪论...............................................................................................................................1 1.1 论文研究的背景和意义................................................................................................1 1.2 国内外研究现状............................................................................................................2 1.2.1 综采工作面发展研究现状..................................................................................2 1.2.2 大采高工作面矿压显现特征研究现状..............................................................3 1.2.3 加长工作面矿压显现特征研究现状..................................................................4 1.3 主要研究内容和方法....................................................................................................5 1.3.1 问题的提出..........................................................................................................5 1.3.2 研究内容和方法..................................................................................................6 1.4 技术路线........................................................................................................................7 第二章 工程概况及开采技术条件...........................................................................................9 2.1 赵庄煤矿 5316 工作面概况..........................................................................................9 2.1.1 工作面位置及布置方式......................................................................................9 2.1.2 地质和水文情况................................................................................................11 2.1.3 采煤方法及顶板管理........................................................................................14 2.2 巷道支护方式..............................................................................................................15 2.2.1 巷道超前支护方式............................................................................................15 2.2.2 巷道正常支护....................................................................................................16 2.3 本章小结......................................................................................................................17 第三章 大采高加长工作面来压特征理论分析.....................................................................19 3.1 关键层理论..................................................................................................................19 3.2 关键层确定..................................................................................................................20 3.2.1 上覆岩层结构....................................................................................................20 3.2.2 关键层层位确定方式........................................................................................21 3.2.3 上覆岩层载荷....................................................................................................22 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 VIII 3.3 顶板破断距求解..........................................................................................................23 3.3.1“板”式计算.........................................................................................................23 3.3.2“梁”式计算.........................................................................................................25 3.4 顶板孕育特征分析......................................................................................................27 3.4.1 顶板三带划分及特征........................................................................................27 3.4.2 垮落带及裂隙带高度确定................................................................................28 3.5 顶板断裂步距与工作面长度关系分析......................................................................29 3.6 本章小结......................................................................................................................32 第四章 5316 加长工作面矿压显现规律实测........................................................................33 4.1 矿压观测目的及内容..................................................................................................33 4.2 工作面来压分析..........................................................................................................33 4.2.1 判据准则确定....................................................................................................33 4.2.2 初次来压特征分析............................................................................................34 4.2.3 正常回采来压特征分析....................................................................................40 4.2.4 停采期间来压特征分析....................................................................................43 4.2.5 短面来压特征分析............................................................................................45 4.3 支架阻力统计分析......................................................................................................46 4.3.1 支架初撑力分析................................................................................................47 4.3.2 支架工作阻力分析............................................................................................50 4.3.3 支架活柱下缩量统计分析................................................................................54 4.4 回采巷道矿压观测分析..............................................................................................55 4.4.1 巷道表面位移观测分析....................................................................................55 4.4.2 超前支承压力观测............................................................................................59 4.4.3 回采巷道宏观特征分析....................................................................................62 4.5 煤柱支承压力观测......................................................................................................63 4.6 本章小结......................................................................................................................64 第五章 工作面不同长度矿压实测对比.................................................................................67 5.1 工作面条件对比分析..................................................................................................67 5.2 工作面矿压显现对比..................................................................................................67 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 IX 5.2.1 工作面来压情况对比........................................................................................67 5.2.2 工作面支架工作阻力对比................................................................................70 5.3 工作阻力与初撑力、时间关系..................................................................................72 5.3.1 初撑力与时间显著影响因素分析....................................................................73 5.3.2 工作阻力与初撑力关系....................................................................................77 5.3.3 工作阻力与时间关系........................................................................................79 5.3.4 工作阻力与初撑力、时间综合关系................................................................80 5.3.5 5316 和 5302 工作面阻力差异原因分析.........................................................81 5.4 面长 270m、220m 以及 155m 支架阻力对比......................................................... 82 5.5 本章小结......................................................................................................................84 第六章 结论与展望.................................................................................................................87 6.1 主要结论......................................................................................................................87 6.2 不足与展望..................................................................................................................89 参考文献...................................................................................................................................91 致 谢.........................................................................................................................................95 攻读硕士期间发表的学术论文...............................................................................................97 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 第一章 绪论 1.1 论文研究的背景和意义 我国煤炭资源储量丰富，在很长时间内国家工业发展还是会以煤炭作为主要能源结 构。根据资料统计2016 年全国煤炭资源消耗约 43.6 亿吨，同比增长了 1.4左右，可见 煤炭需求还是有很重要的占比，煤炭产业发展在国家现今迅速发展阶段不容忽视。因此， 大采高加长工作面的开采技术的发展就变得尤为重要。 近些年，随着大采高超长工作面开采技术的不断研究和发展，越来越多的矿井将这项 技术应用到实际开采中。为了提高煤炭资源的利用率，不断加大采高和增加工作面长度已 经成为诸多矿井重点发展的技术之一。随着采高和工作面长度的不断增加，给矿井生产带 来了不少益处，它不仅可以大大提升工作面产能，避免开采浪费，而且工作面加长后同时 可以减少巷道布置，从而减少工作面搬家次数，这样更加利于矿井的集中高效生产，提高 资源生产效率。因此国内外许多高产高效矿井应用了新的综采技术，实现大采高一次采全 高，并尝试增加工作面长度。除采高之外，工作面面长也是提升资源开采率的一个关键的 参数,如果不考虑地质构造、 工作面生产环境以及生产设备等方面的因素， 工作面长度越长， 则资源采出效率将会越高。因此随着工作面开采工艺和开采设备的不断提升的过程中，一 些符合生产条件的矿井，逐渐将采煤工作面加长，保证安全生产的前提下，使得矿井集中 高效生产。然而随着工作面面长不断增加，相应的也会提升开采难度，并且加长工作面在 矿压显现方面也会展现出一些新的特征。比如支架阻力增加、来压强度大、煤壁片帮严重、 漏矸冒顶频繁等现象，给工作面管理和安全生产造成了更大的难度。为了改善工作面加长 后出现的一系列难以解决的问题，有必要对大采高加长工作面的矿压显现特征做相应的研 究，总结工作面加长后表现出的不同的矿压显现现象，对之后相似条件的工作面开采提供 实际指导意义，十分必要。 晋煤集团赵庄煤矿为特大型矿井，设计生产能力 800 万 t/年，现主采 3 号煤层，该煤 层为软煤层，平均厚度 5.5m，赋存稳定，煤层倾角较小，采用大采高一次采全高采煤方式 进行开采。赵庄煤矿原有的工作面倾向设计长度一般为 220m，推进长度为 6003000m 不 等。为提高生产效率，进行必要的尝试，特将 5316 工作面长度加长为 270m，这在赵庄煤 矿尚属首次。 为更好的掌握工作面加长后的矿压显现特点，有必要对 5316 加长工作面的矿压显现 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 特征及加长工作面相对普通工作面的矿压变化特征进行研究，掌握不同的长度条件下 3 号 煤层大采高开采矿压显现特征，进而为赵庄煤矿 3 号煤层后续加长工作面回采，提高工作 面生产效率，加强长工作面生产条件管理，提供必要的理论指导。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 综采工作面发展研究现状 如今，为了实现矿井的高产高效，工作面不断加长，采高不断加大，合理的工作面长 度和采高布置时具有十分必要的意义，它不仅可以提高矿井产能，而且也会减少采区巷道 布置的数量。总之，工作面集中高效开采取决于诸多因素，而工作面采高和面长就是其中 两个尤为重要的因素。不考虑地质构造以及工作面生产设备等因素的影响，工作面的资源 开采效率理论上讲与采高和面长均成正比。