老鹰山煤矿综采面矿压特征与支护适应性研究.pdf

硕士学位论文硕士学位论文 老鹰山煤矿综采面矿压特征老鹰山煤矿综采面矿压特征 与支护适应性研究与支护适应性研究 学位类型学位类型 学术型学位 学科 （专业学位类别）学科 （专业学位类别） 采矿工程 作者姓名作者姓名 陈 志 导 师 姓 名 及 职 称导 师 姓 名 及 职 称 朱川曲 教授 实践导师姓名及职称实践导师姓名及职称 谢东海 副教授 学院名称学院名称 能源与安全工程学院 论 文 提 交 日 期论 文 提 交 日 期 2012 年 5 月 31 日 密密 级级公开 中图分类号中图分类号TD323 老鹰山煤矿综采面矿压特征老鹰山煤矿综采面矿压特征 与支护适应性研究与支护适应性研究 学位类型学位类型 学术型学位 学科学科 （专业学位类别）（专业学位类别） 采矿工程 作者姓名作者姓名 陈 志 作者作者学号学号 09010102002 导 师 姓 名 及 职 称导 师 姓 名 及 职 称 朱川曲 教授 实践导师姓名及职称实践导师姓名及职称 谢东海 副教授 学院名称学院名称 能源与安全工程学院 论 文 提 交 日 期论 文 提 交 日 期 2012 年 5 月 31 日 学 位 授 予 单 位学 位 授 予 单 位 湖 南 科 技 大 学 Research on Ground Pressure Feature and Supporting Adaptability of Fully Mechanized Coal Face at Laoyingshan Mine Type of Degree Academic Degree Discipline Type of Professional Degree Mining Engineering Candidate Chen Zhi Student Number 09010102002 Supervisor and Professional Title Prof. Zhu Chuan-qu Practice Mentor and Professional Title associate prof. Xie Dong-hai School School of Energy and Safety Engineering Date May 26st, 2012 University Hunan University of Science and Technology 学位论文原创性声明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。 作者签名 日期 年 月 日 学位论文版权使用授权书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。 作者签名 日期 年 月 日 导师签名 日期 年 月 日 i 摘摘 要要 长期以来， “三软”煤层的开采一直是矿山压力与岩层控制支护优化的难题所在， 目前尚不存在一套完好的解决方案应用实践。本文以具有“三软”特点的老鹰山煤矿 81131综采面为依托，围绕其矿压特征与支护适应性，运用现场监测、理论分析与数值 模拟相结合的方法展开了系统研究。 实测表明，目前该综采面液压支架平均初撑力严重偏低，额定工作阻力具有较大富 余。工作面超前支承压力峰值出现在煤壁前方 38m 处，其中在距煤壁 5m 处达到最大。 实测还得到了周期来压强度、周期来压步距、来压动载系数、上下柱承载状况、支架活 柱下缩规律、工作面煤帮松动深度等一系列反应该综采面矿压特征的真实数据，认为整 个工作面压力变化大致呈局部来压明显，而整体来压较缓和的状况，ZY340013/32 型 掩护式液压支架能基本满足支护系统对底板比压的要求。分析得出 81131综采面上覆 岩层中的关键层为 08煤的老底，理论计算出该综采面液压支架的合理工作阻力为 2988.5KN，合理支护强度约为 0.4MPa，初撑力与合理工作阻力的比值控制在 7585 间为宜。分析认为 ZY340013/32 型掩护式液压支架基本能够适应工作面的矿压规律， 但因老鹰山煤矿泵站提供的油压偏低，致使液压支架的实际初撑力和工作阻力均达不到 要求，并由此引发了一系列矿压显现问题。运用 FLAC3D大型岩土分析软件对老鹰山煤 矿 81131综采面矿压规律进行了数值模拟， 得出该综采面合理支护强度为 0.40.5MPa，还得出“加大推进速度能在一定程度上减小顶板的下沉量，但当工作面 推进速度达到一定值后，顶板下沉量的变化将会越来越小”等一系列结论。建立了上端 自由、下端固定的受压杆件弯曲模型研究片帮发展过程，认为煤壁最先破裂是发生在顶 端位置，煤壁上部3/1倍的采高范围是发生片帮的重点区域。针对性的提出了增大初撑 力等 8 项提高“三软”煤层综采面围岩稳定性的技术措施，其中支架反错台布置技术是 针对类似老鹰山煤矿倾角 22.5 ，底板松软地质条件的综采面而提出的一项新型技术， 该技术很好的改善了支架受力状况，现场应用取得了一定效果。 本文得到国家自然科学基金项目51174086、50874042的资助。 关键词“三软”煤层；矿压特征；关键层；片帮；周期来压；初撑力 ii ABSTRACT For a long time, mining of three soft coal seam is a problem in support optimization on ground pressure and strata control, there does not exist a set of intact solutions to be applied in practice. Based on 81131 fully mechanized coal face which shows three soft characteristics at Laoyingshan mine, around its ground pressure featureand and support adaptability, field test, theoretical analysis and numerical simulation were used to conduct a system study. Measurement shows that, the average real setting load of hydraulic support is considered overall low seriously, and rated working resistance is much richer. The peak value of abutment pressure exists 3 to 8m in the front of coal wall, and it achieves the maximum 5m in front of coal wall. Actual measurement obtains such real data to reflect mine pressure characteristics as periodic weighting strength, periodic weighting drawing pace, dynamic load coefficient, loading status of upper and lower pillar, shrinkage law of stent and loosening depth of coal side, conclude that the local pressure changes obviously, but the whole pressure changes gently in the working face, ZY3400-13/32 type shield hydraulic support could meet the requirements of support system to the specific pressure in floor. The investigated result indicates that key stratum of overlying strata belongs to the old floor of 08coal, which is above 81131fully mechanized coal face. Theoretical calculation of fully mechanized coal face displays that the reasonable working resistance of hydraulic support is 2988.51 KN, reasonable support strength is about 0.4MPa, the ratio of setting load and reasonable working resistance control in between 7585 for appropriation. By analysis, ZY3400-13/32 type shield hydraulic support meets basically the strata behavior regularity of working face, but that the pump station of Laoyingshan mine provides lowly hydraulic results in that the actual setting load and the working resistance of hydraulic support cannot reach thestandard requirements, so that series of problems of strata behaviors emerge in succession. Applying FLAC3D geotechnical analysis software conducted numerical simulation on strata behavior regularity of the fully mechanized coal face at Laoyingshan mine. It is obtained that the reasonable support strength of the fully mechanized coal face is about 0.40.5MPa, and iii similar the result is made easily that in certain degree increaseing advance speed could reduces squat of roof, but when advance speed reach some certain value, the squat of roof would change less and less. By establishing bending model of the upper freedom, and the lower fixedcompression member, the developing process of rib spalling was studied, and draw a conclusion that the first rupture of coal wall is produced in the top position, the range of upper one third times mining height of coal wall is the key area to produce rib spalling. Eight technical measures were put forward to keep the stability of surrounding rock of three soft coal seam in fully mechanized face such as increasing setting load, and the technology of reverse malocclusion station layout of stent is a new technology which could be used to that similar to Laoyingshan mine dip angle is 22.5, bottom plate is soft in the geological conditions of fully mechanized face. This technology is very good to improve the stress state of stents, and the field application has obtained some certain effect. This paper is funded by the national natural science fund project 51174086, 50874042. Key Words three soft coal seam; ground pressure feature; key stratum; rib spalling; periodic weighting; setting load 湖南科技大学硕士学位论文 目 录 摘摘 要要 ................................................................................................................................... i ABSTRACT ......................................................................................................................... ii 第一章第一章 绪绪 论论 1.1 选题背景及意义 ..........................................................................................................1 1.2 国内外研究现状 ..........................................................................................................2 1.2.1 工作面上覆岩层结构及活动规律 .........................................................................2 1.2.2 “三软”煤层研究现状 ........................................................................................5 1.3 研究内容、方法及技术路线 .......................................................................................7 1.3.1 研究内容 ...............................................................................................................7 1.3.2 研究方法及技术路线 ............................................................................................7 第二章第二章 矿压观测研究矿压观测研究 2.1 老鹰山煤矿生产条件概述 ...........................................................................................9 2.1.1 矿井概况 ...............................................................................................................9 2.1.2 实验工作面地质概况 .......................................................................................... 10 2.1.3 综采面“三机”配套情况 .................................................................................. 12 2.1.4 工作面端头和超前支护形式 .............................................................................. 13 2.2 矿压观测方案 ............................................................................................................ 13 2.2.1 观测依据 ............................................................................................................. 13 2.2.2 测站布置 .............................................................................................................. 14 2.2.3 综采面矿压观测内容 .......................................................................................... 15 2.2.4 综采面区段巷道矿压观测内容 .......................................................................... 15 2.3 矿压观测结果及分析................................................................................................. 16 2.3.1 综采面矿压观测结果 .......................................................................................... 16 2.3.2 综采面区段巷道矿压观测结果 .......................................................................... 28 2.4 本章小结 .................................................................................................................... 31 第三章第三章 综采面上覆岩层结构分析及支护阻力确定综采面上覆岩层结构分析及支护阻力确定 3.1 综采面上覆岩层的关键层分析 ................................................................................. 33 3.1.1 关键层的判别 ..................................................................................................... 34 3.1.2 关键层理论在老鹰山煤矿的应用 ....................................................................... 36 3.2 老鹰山 81131综采面上覆岩层结构模型 ................................................................ 37 3.3 综采面液压支架工作阻力的确定 ............................................................................. 38 3.3.1 支架工作阻力的确定方法 ................................................................................... 39 湖南科技大学硕士学位论文 3.3.2 几种主要支架支护阻力确定方法的适用要求 ................................................... 44 3.3.3 老鹰山煤矿综采面支架合理工作阻力的确定 ................................................... 44 3.4 本章小结 .................................................................................................................... 45 第四章第四章 综采面矿压规律数值模拟综采面矿压规律数值模拟 4.1 FLAC3D简介 .............................................................................................................. 48 4.2 模型参数及初始平衡................................................................................................. 49 4.2.1 参数选取 ............................................................................................................. 49 4.2.2 计算模型和初始平衡 .......................................................................................... 50 4.3 模拟方案及模拟结果分析 ......................................................................................... 51 4.3.1 不同推进距离数值模拟 ...................................................................................... 52 4.3.2 不同支护强度数值模拟 ...................................................................................... 60 4.3.3 不同推进速度数值模拟 ...................................................................................... 65 4.4 本章小结 .................................................................................................................... 67 第五章第五章 “三软”煤层综采面围岩变形运动机理及控制“三软”煤层综采面围岩变形运动机理及控制技术研究技术研究 5.1 “三软”煤层综采面围岩变形运动机理分析 .......................................................... 69 5.1.1 直接顶漏冒原因分析 .......................................................................................... 69 5.1.2 煤壁片帮机理分析 .............................................................................................. 70 5.2 “三软”煤层综采面围岩控制技术 ......................................................................... 73 5.3 本章小结 .................................................................................................................... 76 第六章第六章 结论及展望结论及展望 6.1 主要结论 .................................................................................................................... 79 6.2 研究展望 .................................................................................................................... 80 参考文献参考文献 ........................................................................................................................... 81 致致 谢谢 ............................................................................................................................... 85 附录附录攻读硕士学位期间的主要成果攻读硕士学位期间的主要成果 ..................................................................... 87 湖南科技大学硕士学位论文 - 1 - 第一章第一章 绪绪 论论 1.1 选题背景及意义选题背景及意义 能源作为工业之源，是社会发展国民稳定的根本保障，近年来，随着我国国民经济 的快速增长，能源的需求量也大量增加，在能源结构中，煤炭一直占据我国一次能源生 产和消费中的 70左右[1]，而据中国工程院预测，至 2050 年这个数字仍接近 50。相关 资料显示[2]，2011 年，仅大型企业煤炭产量就达 21.8 亿 t，同比增长 10.9，可以预知， 在今后很长一段时期内，煤炭行业仍将作为我国能源的支柱产业而存在，因此，必须加 快建设安全高产高效矿井。 贵州省煤炭资源储量丰富，位居全国第五，素有“江南煤海”之誉，总体埋藏不深， 煤质优良，但开采地质条件却异常复杂高瓦斯、煤与瓦斯突出、井下水灾及“三软” 煤层等特点均是制约其普及大规模综合机械化采煤的不利因素[3]，水城矿业集团老鹰山 煤矿于 2011 年初曾提出年产量力争 60 万 t 的口号， 但因该矿首个综采面 81131综采面 一直无法正常推进，严重影响了产量进度及矿井效益，据调研该采面属于直接顶厚度较 大的“三软”煤层开采条件。 根据矿压理论，煤体开采后，水平应力得到释放，迅速减小；同时由于应力集中及 上覆岩层活动作用，垂直应力呈迅速增大之势，导致原本相对连续的煤体产生了新的节 理裂隙，即开采引起了次生裂隙的扩展发育。直接顶是开采维护的直接对象，对于“三 软”煤层而言，因整个支护系统刚度较低，造成直接顶下沉严重，与上覆基本顶岩层产 生离层，使支架支护性能不易发挥，同时由于底板松软，易造成支架底座凹陷，等同进 一步降低了支护系统刚度，此时煤壁前方承受较大的支承压力，伴随着基本顶周期性断 裂来压，煤壁节理裂隙最发育的地方会最先受到破坏，如果端面距过大，随着工作面推 进，煤体会加剧破坏，从而造成煤壁片帮，使煤体失去支撑能力，片帮引起上覆直接顶 漏冒，更进一步抑制了支架阻力的发挥，形成恶性循环，同时可能由于倾角的存在，若 支架参数或防护措施选取不当会产生错位、歪倒等现象，使直接顶无法被安全及时的控 制和维护，影响正常生产。 相关矿压观测结果表明，顶板的下沉量与工作面推进速度相关，推进速度越小，停 采时间过长，顶板的下沉量就越大，对煤壁及端面区直接顶的压缩破坏越严重。因此， 第一章 绪论 - 2 - 减少非正规循环作业时间和提高正规循环作业率， 对于降低顶板下沉量非常关键。 同时， 由于节理面不可能是绝对平整的，在两面相对位移量较小时，凹凸不平处的相互咬合作 用会导致两节理面之间的摩擦力增大，当两面位移量较大时，这个作用就会失去，表现 为沿节理面的大位移量使工作面出现台阶下沉，或严重片帮。 综上所述，本文拟通过对老鹰山矿 81131综采面的现场矿压观测，得出该综采面 的一系列矿压规律，分析支架底板比压对底板特征的适应性，理论研究该综采面上覆岩 层中的关键层位置，分析上覆岩层的结构特征与活动规律，因煤层采高只有 2.8m，拟在 固定采高不变的情况下，理论计算出适合该工作面的合理支架支护阻力，数值模拟回采 距离、支护强度及推进速度对于综采面矿压规律的影响，分析顶板漏冒原因，构建一定 的力学模型探索煤壁片帮的发展过程，采取有效措施增强支架的支护有效性，防止煤壁 片帮及端面顶板冒落，系统地进行老鹰山煤矿 81131综采面矿压特征与支护适应性研 究，这对于老鹰山煤矿的后续综采面及类似老鹰山煤矿偏“三软”地质条件的工作面具 有一定的现实指导意义。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 1.2.1 工作面工作面上覆岩层结构及活动规律上覆岩层结构及活动规律 自长壁回采工艺推广以来，采场上覆岩层结构及其活动规律一直作为采矿学科的核 心问题之一而被广大国内外学者研究，形成了诸多不同假说和理论，这些理论不同程度 的回答了上覆岩层因受开采而产生的矿山压力问题，极大促进了岩层控制学科的发展。 普氏平衡拱理论由俄国学者普罗托奇雅阔诺夫[4]首次提出，认为在节理化岩体里开 挖地下坑道，若无支护会发生冒落，形成一个暂时稳定的平衡拱，并依据两帮的稳定与 否提出了两种力学计算模型，见图 1.1。 1916 年，德国人施托克K.Stoke率先提出悬臂梁假说[5]，后被前苏联人格尔曼、英 国人弗里德等大力支持，此假说把工作面及采空区上方的顶板看作一端悬伸、一端固定 于煤壁前方岩体内的梁构件，当上覆顶板为复合岩层时，便形成组合梁结构。此假说认 为， 上覆岩层的周期来压是由于悬臂梁的悬伸长度过长， 引起梁的周期性断裂而造成的。 该假说可以解释一定的矿压基本现象，如工作面周期来压及煤壁前方出现的超前支承压 力；近煤壁位置支护阻力相对小，顶板下沉量也小，而距煤壁越远二者皆增大等现象。 湖南科技大学硕士学位论文 - 3 - 但是该假说并无严谨的力学模型作为支撑，也就是说，对采场上覆岩层的活动规律并未 查明，虽然提供了多种算法，但由此计算的支架载荷与顶板下沉量都与实测误差较大。 x y aa b dx H aa a1a1 E′ 45 Φ/2 E A B D C D′A′ B′C′ b′ H a 两帮稳定时自然平衡拱力学模型 b 两帮不稳定时自然平衡拱力学模型 图 1.1 自然平衡拱力学模型 Fig.1.1 Mechanical model of natural equilibrious arch 德国人哈克W.Hack与吉里策尔G.Gillitzer在 1928 年提出了压力拱假说[6]，认为压 力拱是岩层自然平衡的结果， 自开切眼起便已形成， 且随工作面推进不断向前扩展移动。 压力拱具有前后两拱脚，前拱脚位于工