清水营煤矿大倾角厚煤层大采高开采技术研究.pdf

西安科技大学 硕士学位论文 清水营煤矿大倾角厚煤层大采高开采技术研究 姓名张建华 申请学位级别硕士 专业矿业工程 指导教师伍永平;肖蕾 论文题目清水营煤矿大倾角厚煤层大采高开采技术研究 专 业矿业工程 硕 士 生张建华 签名 指导老师伍永平 签名 肖 蕾 签名 摘 要 复杂条件下大倾角特厚煤层大采高开采技术是重要研究课题。 以清水营煤矿大倾角 煤层大采高开采技术研究为目标，通过现场综合调查与室内实验，系统分析了包括复杂 工程地质环境、 开采技术条件和地下水等影响清水营煤矿大倾角大采高覆岩变形与破坏 的主要因素；基于三维数值模拟，分析了推进过程中顶板受力情况，定量确定了初次来 压与周期来压步距、工作面推进过程中的应力-变形特征以及受开采扰动影响下的顶板 下沉规律等，揭示了复杂围岩环境下大倾角大采高工作面覆岩运动规律、工作面矿压显 现和工作面采空区“三带”发育具有变异性等特征；利用物理相似模拟与现场监测等综合 方法，深入分析了复杂条件下的围岩变形特征和 110202 大采高工作面大断面开切眼应 力分布特征与顶板下沉规律，确定了大断面开切眼的支护方式与维护措施。基于大倾角 煤层大采高工作面支架-围岩关系原理，确定了大倾角大采高工作面与与回采设备关键 参数，提出并实施了现场监测、钻孔窥视和构建疏水巷等综合技术与管理措施或方案， 有效控制了围岩灾变并解决了回采装备失稳等难题，实现了安全开采。本研究对宁东矿 区和全国同类条件矿井的大倾角大采高工作面建设与安全开采具有借鉴意义。 关 键 词清水营煤矿；复杂条件；大倾角特厚煤层；大采高；安全开采 研究类型应用研究 Subject Research on Mining Technique of Large Cutting Height Workface in Steep and Thick Seam of Qingshuiying Coal Mine Specialty Mining Engineering Name Zhang Jianhua Signature InstructorWu Yongping Signature InstructorXiao Lei Signature ABSTRACT Large height mining techonology of big and superthick coal seam under complex conditions is an important study area. This paper’s goal is to study the mining technology of big and superthick seam of Qingshuiying coal mine, by the spot survey and lab tests, the main factors including complex engineering geoenvironment, mining conditions and the effects of groundwater that effected overlying rock’s deation and failure are analysised； based on three dimensional numerical simulation, the stress of roof during face advanced is analysed either, besides that, the first and cyclic pressure step are quantitative identified, the deation-stress characteristics during face promoting , roof’s subsidence law effected by mining are determined, all of these reveal the roof movment law of dip-large mining height face under complex surrounding rock, rock strata’s pressure rule and face’s variability characteristic of face’s “three zones” development； Through triphosphatis s’ utilization of physical simulation and in-situ monitoring, the deation characteristics under complex conditions surrounding rock, stress of large section cut of No.110202 large-height mining face, and roof’s subsidence rule are analysised, and its support s and maintenance measures identified. Based on the relationship principle between supports and surrounding rock of large-height mining face in dip seam, the key parameters of mining equipment are identified, technology and management practices or scenario including in-situ monitoring, borehole imaging, pump tunnel are introduced and implemented, all of these means effective control the catastrophe of surrounding rock and the mining equipments’ destabilization, and the goal of safe mining is achieved.This study can provided referential significance for dip large-height mining face’s construction and safe mining of Ningdong mines and whole similar condition mine. Key words Qingshuiying Coal Mine Complex conditions Steep and thick seam Large minging height Safe mining Thesis Application research 1 绪论 1 绪论 1.1 研究背景 我国厚煤层储量丰富，约占煤炭探明储量的 47.7，每年地下开采的厚煤层产量约 占全国煤炭产量的 4050。大倾角煤层储量大约占煤炭总储量的 15～20。在我 国西部，该类煤层占煤炭总储量的 30左右，50以上的矿井开采有该类煤层，如主要 产煤省区的四川、重庆、云南、贵州、新疆、甘肃、宁夏等，大倾角煤层是许多矿区 或矿井的主采煤层；总体看来，随着煤炭资源的大量开采，大倾角煤层在我国煤矿开采 中所占的比重逐渐增加，因此，随着近年来开采强度不断的增加，以大倾角煤层为主采 煤层的矿井实现机械化开采是矿井解决高产高效唯一途径和迫切任务[1]。 西北煤炭资源总量为 4.7 亿万吨，占全国 84.5。国家批建的 13 个大型煤炭生产基 地中，西北占 4 个宁东、陕北、黄陇、和神东，占总数的 30。其中，宁夏回族自治 区煤炭资源远景储量 2029 亿t，已探明储量 313.6 亿t，居全国第六。宁东矿区含煤面积 约 3500km2，煤炭储量约 300 亿t，占全区资源储量的 87。近年来该区煤炭工业的迅速 发展，为我国西部建设作出巨大贡献。清水营煤矿处于宁东鸳鸯湖矿区，地质赋存条件 复杂，岩体节理与裂隙发育，富含水。从开采技术条件复杂程度出发，清水营其总体特 征为地质赋存条件复杂，岩体节理与裂隙发育，富含水，煤层平均厚度 5.25m，倾角 20-27，平均倾角 23，属于典型的“三软”煤层开采条件。顶板为泥质砂岩含水层，岩石 松软易风化；底板为泥质砂岩，遇水易膨胀，且工作面支架失稳。从关键开采装备系统 稳定性角度出发，随着煤层倾角变化增加，采煤机与输送机稳定性随之降低。工作面 处于典型的“三软顶板软、底板软和煤层软”煤层开采条件下，顶板为泥质砂岩含水层， 岩石松软易风化，随工作面推进过程中顶板易碎、裂隙加大，属易冒落顶板；岩层为渗 透性强，富水性强的主要含水层；底板为泥质砂岩，遇水易膨胀。当顶板不稳定时，极 易发生冒顶，回采装备易失稳，亟需研究复杂条件下大倾角厚煤层大采高开采技术，这 是煤矿开采中面临的一个迫在眉睫的重大科学问题[2-7]。 宁东矿区是国家批准建设的 13 个亿吨级大型煤炭基地之一、国家规划建设的 6 个 大型煤电基地和 7 个煤化工基地之一，2008 年，国务院关于进一步促进宁夏经济社会 发展的若干意见又提出“要把宁东建设成为国家重要的大型煤炭基地、煤化工产业基 地、西电东送火电基地和国家循环经济示范园区”。因此宁东基地被宁夏列为举全区之 力建设的“一号工程”。宁东基地煤炭产业发展建设的主体是建设安全高产高效矿井，其 核心是在 5.0m 以上特厚煤层开采工艺和成套设备的突破和提升，亟需开展复杂地质条 件下 5.0m 以上大倾角大采高开采技术研究，保障矿井实现高产高效开采。 1 西安科技大学工程硕士学位论文 1.2 研究的意义 随着西部大开发战略的实施，大型基础设施正以前所未有的速度在西部地区营建。 西部地质环境的特殊性是我国其他地区不可比拟的， 如何处理重大工程建设与复杂地质 赋存环境之间的关系，保障重大工程建设与运营过程中的安全性，是采矿科学界和工程 领域内面前亟待解决的问题。众所周知，就井工煤矿安全高效开采而言，厚煤层开采方 法有三种分层综采、放顶煤综采和大采高综采。目前一些矿井采用分层不铺网综采工 艺，顶分层开采后，下分层还要根据顶板的自然条件下的再生稳定性，另行研究开采方 法和工艺，因下分层开采具有潜在风险大、稳定时间长、开采难度大等不利因素，极易 造成大量煤炭资源损失浪费，分层开采造成工序复杂、效率低、生产成本高，严重影响 了经济效益。有些矿井也采用放顶煤综采，放顶煤综采技术近年来发展很快，取得了一 系列有价值的成果，可是尚不完善，不可否认的是有很多技术难题至今尚未得到根本性 解决，如采出率低、残留煤炭易自燃发火、工作面煤尘大，异常气体涌出难以控制等， 有许多问题需要进一步研究。 随着近年来采矿工作者的不懈努力，国内少数矿井对大倾角煤层成功的开采实践， 填补了大倾角煤层走向长壁机械化开采的空白， 不仅解决了该大倾角煤层矿井高产高效 的难题，同时，也取得了该类煤层开采的矿压显现和岩层移动基本规律等一系列的研究 成果，开拓了新的煤层开采理论，为进一步深入研究大倾角煤层岩层控制理论与技术奠 定了基础。 大倾角单一煤层走向长壁工作面围岩移动和矿压显现特征与缓倾斜煤层明显 不同，因此，不论是围岩控制方法还是开采设备的选择都受到很大的制约，导致开采大 倾角煤层的矿井几乎都发生过由于开采方法与围岩控制问题引发的安全事故。 随着我国采矿科学家和工程技术人员的不懈努力，大采高开采技术取得了长足发 展，厚煤层综采机械化水平的逐步提高，一次采全高的高可靠性综采设备的发展，使得 我国大采高在工艺、设备及效益上都步入世界前列。大采高技术成功的范例不仅解决了 大采高综采矿井高产高效的难题， 同时也取得了厚煤层一次采全高综采的矿压显现和岩 层移动基本规律等研究成果。本研究是复杂地质条件下 4.0m 以上大倾角大采高开采技 术研究和试验的新领域， 将对我国大倾角特厚煤层大采高煤矿开采工艺技术的发展与提 高，将产生具大推动作用和深远的影响。 1.3 国内外研究动态及发展趋势 1.3.1 大倾角开采技术研究现状与进展 国内对大倾角煤层开采的研究源于急倾斜煤层，研究主要内容涉及开采方法、围岩 控制等方面。20世纪50年代初期，在我国采煤方法改革中，大倾角煤层主要是发展倒台 2 1 绪论 阶采煤法。这种采煤方法的特点是工人在倒台阶的伞檐下工作，防止上部落煤和冒落研 石的窜砸，但一旦下部台阶支护失效、顶板冒落，极易使失效和破坏向上蔓延，引发工 作面大面积的垮落，形成灾害性事故。20世纪60年代，安徽淮南矿区曾成功地在一部分 赋存条件较好的急倾斜和大倾角煤层中研究和试验了柔性掩护支架采煤法。 其特点是工 作面支架在安装之后依靠冒落矸石的作用自动调整和前移，劳动强度有所降低。有效支 撑控制了工作面顶板，避免了急斜和大倾角长壁工作面上部因采空区顶板大面积悬空， 压力较大，矸石下滑冲击支柱，发生窜矸、堵面、伤人等事故。但这种方法也存在着在 回采过程中不能调整支架宽度和扭、斜，支架无初撑力，回采过程中无法排矸，在淋水 大的煤层中作业环境差， 采空区特别是支架上的煤矸易自燃发火等缺点。 20世纪80年代， 四川省鉴于大倾角煤层在煤炭生产中所占比例很大， 一些矿区同时开始了以俯伪斜体系 为代表的采煤方法改革。如重庆中梁山煤矿的伪斜短壁采煤法，四川广旺矿务局旺苍矿 及芙蓉矿务局杉木树矿、南桐矿务局柳新矿的伪俯斜走向长壁分段密集采煤法，芙蓉矿 务局巡场矿的伪俯斜走向分段密集支柱采煤法及广旺矿务局唐家河矿伪斜小巷多短壁 采煤法等，改革获得了成功。同时，甘肃华亭矿务局东峡煤矿针对该矿大倾角特厚易燃 煤层群，煤层数量多、围岩条件差、煤层较坚硬的特点，通过近20年的努力，研究使用 了非机械化“双大”大采高、大推进度开采方法，取得了良好的技术与经济效益；1998 年， 由西安科技大学、 四川华蓥山矿务局及煤炭科学研究总院北京开采所合作完成的“绿 水洞煤矿大倾角煤层综采技术研究”成果，相关技术参数如表1.1所示，使我国关于大倾 角煤层综合机械化开采的研究目前处于国际该领域的前沿。 国内与大倾角煤层开采相关理论与技术研究主要集中在岩层控制矿压显现规律、 岩层移动规律及不同条件下所采用的各具特点的开采方法与设备等领域。特别值得称 道的是平寿康、吴绍倩、石平五、尹光志，鲜学福，代高飞，张东明等，在大倾角煤层 开采技术研究中作出了卓越贡献。西安科技大学伍永平教授，在大倾角煤层开采理论分 析和工程实践中总结出了大倾角煤层开采“R-S-F”系统动力学控制基础理论，该理论总 结了大倾角煤层开采矿山压力显现规律及大倾角煤层开采围岩变形、破坏和运移规律， 提出了大倾角煤层开采的关键技术。奠定了大倾角煤层群开采的理论和技术基础，同时 也拓展了复杂埋藏条件下煤层开采技术的研究领域。 表表 1.1 典型典型“大倾角工作面大倾角工作面”技术参数统计技术参数统计 6134 工作面 5634 工作面现开采工作面 倾角范围 局部 25 3743 4753 煤层倾角 平均倾角 36 40 50 走向长度 550 650 500700 工作面长度 m 倾斜长度 120 120 120 开采高度m 1.53.0 工作面支架高度 1.33.2 支架高度m 端头支架高度 1.62.5 年产量万 t/a 27 3 西安科技大学工程硕士学位论文 1.3.2 国外大采高开采技术研究现状及进展 在国外，由于西方国家工业化发展进程较快，对煤炭能源的需求较高。20 世纪 60 年代，苏联、德国、波兰等主要产煤国家就率先发展采用大采高综采试验，主要在提高 大采高装备水平方面作出了卓越贡献。例如，1970 年德国拥有了大采高液压支架。在赫 姆夏特公司在 1980 年开发出 6550-22/60 掩护式支架并在威斯特伐伦矿成功应用。20 世 纪 70 年代末，波兰设计开发了POMA22/45 系列两柱掩护式大采高支架。美国在 1983 年采用长壁大采高技术开采厚煤层并在俄怀明州卡帮县 1 号矿取得成功，采高达到 4.54.7m， 日产达 6200t。 前苏联也采用KM-144 型掩护式支架， 取得了很好的使用效果。 在 1993 年，捷克的LAZY矿开始使用DBT公司的F4/4500 型大采高支架，经过不断对支 架的改进，采高从 4m增加到 6m，在顶板较为破碎的情况下，回采工效为 38t/工，工作 面正常条件下单产为 7500t/d，平均 4500t/d，最高单产达到了 8000t/d。美国西麋鹿矿于 1995 年，工作面采高 4.4m，创当时月产 60.1 万吨的世界记录。自 20 世纪末期以来，高 新技术不断向传统采矿领域渗透，美、澳、英、德等国家采用了大功率可控传动、微机 工况检测监控、自动化控制、机电一体化设计等先进适用技术，研制出适应不同煤层条 件的高效综采大型设备，实现了从普通综合机械化生产向高产高效集约化生产转变。目 前国外综采成套设备的生产能力已经达到 3000t/h以上，在适宜煤层及地质保障前提条 件下，采煤工作面可实现年产 800 万1000 万t，形成了以美国JOY公司，德国DBT、 Eickhoff和波兰扎布执公司为代表的国际采矿设备供应商。例如大采高设备有JOY公司 生产的ZY1120-2.95/6.22 型支架，配套SL500 采煤机采高可达 6m。波兰扎布执公司生产 的ZY1200-2.8/6.0 型支架配套及其生产的 1250kW采煤机。ZY8640-2.55/5.5 型支架配套 JOY公司或Eickhoff公司生产的 1815kW采煤机等大采高综采高端产品。 国外的生产实践 表明，大采高综采实现了高产高效、高安全、高回收率和经济效益好的目标[8-16]。 1.3.3 国内大采高开采技术研究现状及进展 随着我国煤炭技术的发展，在“八.五”建设期间，由原煤炭工业部组织，煤炭开采技 术研究总院，中国矿业大学和西安科技大学等单位联合攻关，在大采高开采技术方面取 得了重大进展与突破。我国在 1978 年，引进德国赫姆夏特公司 G320-23/45 型掩护式液 压支架及相应的采煤运输设备，在开滦范各庄矿 1477 综采工作面开采 7 号煤层，开始 试验厚煤层大采高一次采全厚开采方法，取得了良好的效果。在 1985 年，首次使用国 产BC520-25/47型支撑掩护式4.5m采高液压支架在西山矿务局官地矿进行试验开采的8 号煤层，煤层平均厚度 4.5m，倾角小于 5，综采工作面 3 个月产煤 11.2 万吨。在 1986 年，我国在邢台东庞矿使用 BY320-23/45 型掩护式支架，在倾角高达 38的条件下试验 成功。在 1988 年，首次突破煤炭年产量百万吨的邢台矿务局东庞矿和义马矿务局耿村 4 1 绪论 矿采用 4.4m 采高综采技术，处于当时综采技术的较高水平。80 年代到 90 年代中期，全 国累计有 359 个年产超百万吨的综采队。 20 世纪末， 年产逾百万吨的大采高综采队已达 8 个，其中最高平均单产己达 309 万吨，平均效率最高达 218t/工。 随着大采高工作面的发展，其优势越来越得到普遍认可。在新世纪之初，大采高开 采技术发展到一个新的阶段，个别工作面的产量及效率达到并超过国际水平。例如在 2003年， 神华神东公司补连塔煤矿大采高综采工作面年产原煤924万吨， 采高达到4.8m。 在 2004 年，神华神东公司上湾煤矿大采高工作面年产原煤 1075 万吨，实际采高 5.4m。 晋城煤业集团寺河矿在高瓦斯矿井条件下， 采高达到了 5.5m。 大同煤矿集团公司四老沟 矿使用国产 Z9900-29-5/50 液压支架在“两硬”条件下采高已达 4.5m。 在 2006 年， 晋城煤 业集团寺河矿在近水平煤层中采高达到 6.0m。2007 年，中国首个 6.3m 大采高重型综采 工作面在神东煤炭分公司上湾煤矿“诞生”。 总之，厚煤层一次采全高综采即综采大采高是国内外煤炭井工生产技术主要竞争 领域， 其主要具有以下三点优势 ①实现先进采煤技术现代化水平， 促进煤炭工业发展； ②实现高产高效，提高经济效益的保障；③实现高质量煤炭，有效提高资源回收率。由 于综采大采高综采资源回收率高，煤炭质量好，能实现高产高效，经济效益好，因此， 综采大采高已成为厚煤层开采工艺的重要发展方向之一， 同时也是在适应的厚煤层条件 下首选的采煤方法。目前大采高一次采全厚开采在 5.0m 以下煤层应用较多，但是 5.0m 及以上一次全厚大倾角煤层大采高开采在国内外应用较少， 如表1.2所示， 已建成的5.0m 以上大采高工作面主要集中在神东矿区、晋城矿区和宁东矿区。 表表 1.2 国内典型大采高煤层开采矿井统计国内典型大采高煤层开采矿井统计 最大采高 最大支护高度 煤层厚度煤层倾角 序号 矿井或工作面名称 m m m 1 神华宁煤集团羊场湾煤矿 6.3 1520 6.2 6.2 2 神东上湾矿 51202 工作面 6.08.3 6.0 6.3 3 山西晋城寺河矿 4.48.86 5左右 6.0 6.2 4 神东上湾矿 51104 工作面 0.286.1 5.5 5.5 5 邢台东庞煤矿 4.8 13 5.0 5.0 6 平煤集团八矿 12170 工作面 5.0 912 4.5 4.5 7 淮南矿业集团张集煤矿 3.9 59 4.0 4.0 为适应我国煤矿综采机械化的发展， 国内综采设备科研设计和制造企业已研制开发 出具有独立知识产权、较先进技术水平的大功率电牵引采煤机、重型刮板输送机、电液 控制强力液压支架和多点驱动大运力带式输送机，配套设备的生产能力达到 5 西安科技大学工程硕士学位论文 15002500t/h，在适宜的煤层和矿井条件下，综采工作面可实现年产 300 万 t 以上。例 如天地科技股份有限公司研制成功的 MG750/1815-GWD 型交流电牵引采煤机，总装机 功率达到 1815kW，西安煤矿机械厂的 MG750/1910-WD 型和 MG900/2210-WD 型交流 电牵引采煤机，总装机功率分别达到 1910kW 和 2210kW。西北奔牛集团公司研制成功 的 SGZ1200/1575 型刮板输送机，输送能力最大达到 2500t/h，总装机功率达到 1575kW。 我国近期研制成功了 ZY9900/20/45 两柱支撑掩护式支架、ZZ9900/20/45 四柱支撑掩护 式支架。郑州煤机厂为晋城研制成功 ZY9400/28/62 两柱支撑掩护式支架，整体结构强 度高，调高范围 36m，支护高度最大可达到 4.5m，采用电液控制技术，寿命实验达 5 万次以上。我国新研制开发的新型大采高综采装备技术参数已接近国外先进水平，综采 工作面年产能力达到 300 万 t 以上。 大采高综采技术是世界煤炭井工生产技术主要竞争领域。目前各产煤大国，正在积 极地探索大采高采煤工作面围岩运动规律，分析采煤工作面围岩内应力分布，为更合理 的确定大采高支架工作阻力和结构高度等主要参数提供依据[17-25]。 1.3.4 大采高开采理论的现状 20 世纪 90 年代后期，钱鸣高等提出了岩层控制的关键层理论，并出版了岩层控 制的关键层理论 ，全面深入地论述了关键层理论的提出、意义、基本概念及判别方法； 在理论上系统地阐明了关键层上的载荷分布规律、关键层的破断规律及其复合效应，建 立了关键层破断后形成的“砌体梁”的结构力学模型；同时也分析了关键层运动对采场矿 压显现、覆岩移动与地表沉陷及采动裂隙场分布的影响；最后介绍了关键层理论在开采 沉陷控制、卸压瓦斯抽放及底板突水防治等方面的工程应用等等可以说，我国在采动岩 体破裂与岩层移动的理论研究和实际应用方面都取得了巨大的成绩[26-37]。 宋振骐院士提出了“传递岩梁”理论[38-39]。随后国内众多学者根据不同煤层条件及开 采实践，提出了一些丰富采动引起采场上覆岩层运动规律的理论。石平五[40]教授针对一 些矿山压力问题1984 年提出能量原理，靳钟铭[41]教授1994 年提出了坚硬顶板的采场 “悬梁结构”，贾喜荣[42]教授1997 年提了采场“薄板矿压理论”等。这些基础理论是研究 大采高综采工作面采场顶板岩层的运动规律和采场压力显现规律的基石， 但是大采高采 场覆岩结构及运动规律是有其特殊性的。 [43-44] 赵宏珠教授通过对我国 3.55m采高综采设备初期使用情况进行研究，初步阐 述了大采高支架与围岩相互作用关系，初步给出了大采高支架设计和支架选型主要参 数。中国矿业大学郝海金[45-46]等通过工作面上位岩层移动实测、模拟实验及工作面矿压 观测，对 3.55.2m采高综采工作面上覆岩体破断位置及其平衡结构进行了研究。结果表 明大采高综采工作面基本顶断裂的位置在工作面前方、上覆岩层存在着比分层开采层 位更高但和放顶煤开采相似的平衡结构，结构的活动是一个逐渐变化的过程，在这一过 6 1 绪论 程中，平衡结构与其下的直接顶相互作用，这种作用方式与直接顶的多次破裂有关；传 递到支架的载荷主要取决于支架上方直接顶的岩性和破碎的程度。 平衡岩梁的变形对支 架产生的影响受直接顶的岩性和其损伤后的强度影响。太原理工大学靳钟铭教授、弓培 林博士[47-48]等通过研究了 3.56.0m采高采场覆岩结构特征及运动规律、 支承压力分布规 律、直接顶变形破坏规律及工作面矿压显现特点，同时指出了应用关键层理论研究大采 高下覆岩运动是解决上述问题的可行途经。 张世豪[49]利用相似模拟试验与数值模拟相结 合的方法，对寺河 3煤层在不同采高条件下矿压显现进行研究。刘卫忠，孙立亚[50]等 人通过相似模拟试验研究了张集矿大采高大倾角工作面上覆岩层移动和破坏特征，认 为①大倾角煤层开采后，直接顶从采空中部偏上开始向采空区弯曲，最后产生断裂破 坏形成冒落带，顶板的冒落有沿面向下滑的趋势，冒落形状不对称，冒落的边界向采空 区上部偏移；②冒落形成使其上的岩层以弯曲拱的形式向采空区移动；③垂直层面方向 位移呈拱沿层面方向位移在工作面中上部呈不对称盆地形，中下部呈半个盆地形；④大 倾煤层工作面上下侧支承压力呈不对称分布，下侧比上侧大，影响范围亦大；⑤大角煤 层开采后，上覆岩层逐层冒落，沿倾斜方向也能形成“铰接岩块”平衡结构，不过该结构 固支端在工作面下侧煤壁内，另一端在采空区冒落的矸石上。 目前，采矿界越来越重视大采高带来的采场上覆岩层结构及运动规律的研究。大采 高综采的采高加大，造成采空区空间较大幅度的增加，使得只有更高的垮落带才能维系 整个采场岩体的平衡，工作面顶板活动空间与老顶悬臂梁结构的弯矩加大，采场采动影 响具有较大的波及范围，并且采空区空间加大易造成岩体结构失稳破坏及衍生灾害[51]， 采空区失稳及衍生灾害是复杂地层结构承受复杂环境作用的演化过程， 这一过程是能够 通过现场监测进行预警，并可以得到有效的控制。国内一些学者对大采高的围岩控制提 供了一些有益的观点和建议， 这些零散的观点及意见对大采高理论是一个新的丰富和发 展，但是在应用中受到不同工作面具体开采条件的限制。 1.3.5 相似模拟技术发展现状与进展 随着国家对西部大开发的战略逐步深入， 西部矿井开采及灾害防治问题就显得更加 突出，随之物理相似模拟实验技术也得到了更大的发展。如针对倾角煤层和急倾斜煤层 群采动及控制技术问题，伍永平教授[52-56]主持研制了可变角大型立体模拟实验装置；石 平五教授等主持研制的 1.50.21.5m“固-液-气”Solid-Liquid-Gas，S-L-G三相相似材 料模拟实验装置系统，如图 1.1a所示，可解决地下工程存在的多相介质局部化耦合作 用难题，其涉及①研究由于地下采动对地表局部区域内水体及潜水的局部化渗流机理 和过程，寻求防止矿井局部化涌水灾害和保护地下水资源可靠途径；②研究开采扰动下 围岩局部化破断过程中煤与瓦斯突出以及局部有害气体聚集和运移过程， 寻求防止局部 化灾害以及可能“变害为利”的有效途径；③研究采矿工程中采用局部化注水弱化等手段 7 西安科技大学工程硕士学位论文 改变覆岩体特征后局部矿压显现和岩层控制途径等。 针对西部复杂围岩环境下高应力与富含水的岩层控制问题，伍永平教授改造了 532m大型立体模拟实验装置平台，如图 1.1b所示。 ab 图 1.1 “固-液-气”三相实验系统a和大型立体模拟实验装置b 该实验装置平台整体结构尺寸为 8.85.612m，是由我国著名采矿专家吴绍倩教 授、刘听成教授在 90 年代主持建成的亚洲惟一的多功能立式支架试验台，可为公路、 铁路隧道、地下建筑与城市地铁等大型结构力学性态进行试验，使我国煤矿巷道支架试 验从卧式变为立式，从中小断面提高到大断面，从单架试验扩大到多架试验。整个试验 台加载能力仅次于波兰居世界第二，试验台规模可与波兰、德国、英国等大型巷道支架 试验台相比美，而在加载框架的结构设计、加载方式与测试系统等方面更为先进，其主 要包括动-静耦合Dynamic-Static Coupling-State加载系统、声发射Acoustic Emission， AE测试系统、 光学钻孔窥视Optical-Borehole-Camera系统、 围岩松动Rockmass-Broken 范围测试系统、 分布式光纤测试系统Distributed Fiber Optical Sensing和光学全站仪测试 系统等。 在工程控制层面上，西安科技大学伍永平教授等，针对对称结构的巷隧道支护体 在非对称荷载作用下易于变形和破坏的特点其实质就是非对称变形诱发局部化变形失 稳，通过大量的现场观测，建立了该条件下巷隧道的“支护体-围岩”相互作用模型，引 入非对称荷载因子和结构分析方法， 研究了不同类型支护体在非对称荷载条件下的内力 及变形性能，讨论了非对称荷载对支护体承载能力和可缩性能的影响，提出了内外主承 载结构控制方法理念，体现在实现相对控制，也即系统控制应用、从“静态”准静态向 动态或相对准动态以及动力学控制等方面发展。 1.4 研究的内容方法和技术路线 1.4.1 研究内容 以清水营煤矿大倾角煤层大采高工作面开采为背景，采用理论研究、现场调查和开 采试验等方法，对大倾角煤层大采高开采技术进行研究，主要研究内容如下 8 1 绪论 1现场工程地质调查与分析 通过现场综合调查与室内岩石力学实验，系统分析了包括复杂工程地质环境、开采 技术条件和地下水等影响清水营煤矿大倾角大采高覆岩变形与破坏的主要因素。 2大倾角大采高综采工作面围岩运动规律数值模拟 基于三维数值模拟，对大倾角大采高采高工作面受力与变形进行计算，分析推进过 程中顶板受力情况，定量确定初次来压与周期来压步距、工作面推进过程中的应力-变 形特征以及受开采扰动影响下的顶板下沉规律等，揭示复杂围岩环境下，大倾角大采高 工作面覆岩运动规律、工作面矿压显现和工作面采空区“三带”发育具有变异性等特征。 3综合监测与分析 利用物理相似模拟与现场监测等， 深入分析复杂条件下的围岩变形特征和大采高工 作面大断面开切眼应力分布特征与顶板下沉规律，确定了切眼的支护方式与维护措施， 为工作面安全构建与后续开采提供了安全保障。 4现场安全开采应用与实践 基于大倾角煤层大采高工作面支架-围岩关系原理，确定了大倾角大采高工作面与 与回采设备关键参数，提出并实施了现场监测、钻孔窥视和构建疏水巷等综合技术与管 理措施或方案，有效控制了围岩灾变并解决了回采装备失稳等难题，保障安全开采。 1.4.2 研究技术路线 针对本论文研究目标与内容，采用理论研究、现场调查和开采试验等方法，对大倾 角煤层大采高开采技术进行研究，图 1.2 给出了研究的技术路线。 清水营大倾角大采高开采技术清水营大倾角大采高开采技术 现场调查 综合研究 开采实践及应用现场调查 综合研究 开采实践及应用 开 采 技 术 调 查 开 采 技 术 调 查 石 力 学 学 实 验 石 力 学 学 实 验 三 维 数 值 计 算 三 维 数 值 计 算 大 倾 角 岩 层 控 制 理 论 现 场 综 合 监 测 大 采 高 工 作 面 安 全 开 采 实 践 大 倾 角 岩 层 控 制 理 论 现 场 综 合 监 测 大 采 高 工 作 面 安 全 开 采 实 践 围 岩 环 境 分 析 围 岩 环 境 分 析 复杂条件下大倾角大采高安全开采技术复杂条件下大倾角大采高安全开采技术 图 1.2 研究的技术路线 9 2 清水营煤矿工程地质特征调查与分析 2 清水营煤矿工程地质特征调查与分析 2.1 矿区概况 清水营井田位于宁夏回族自治区中东部地区， 西北距银川市约55km， 西距灵武市约 36km。井田范围井田呈南北向条带状展布，北起宁蒙边界长城，南止白芨滩古河道 S 连线，西以十八煤层露头线为界，东至F 516断层，南北长约11km，东西宽约7km，面积 约77km2。北以清水营正断层F3断层为界，南至高速公路北保安煤柱，西以十八煤露头 为界，东界第2勘探线以南以二煤750m水平为界水平大巷向东约1000m；第2勘探线 以北以206号钻孔和106号钻孔连线至清水营正断层F3为界，面积约为18.02km2。 图2.1 清水营煤矿总体布局 2.2 矿区区域综合地质特征 2.2.1 自然地理特征 井田内地形为低山丘陵，西高东低，南高北低，间有植被。井田内最大高程点位于 南端的杨家庄1404 号钻孔附近， 海拔高度为 1426m， 最低高程点位于井田北端唐家湾， 海拔高度为 1288m，相对高差约 138m。 2.2.2 矿区区域综合地质特征 据全国地层多重划分对比宁夏回族自治区岩石地层岩石地层划分成果，鸳鸯湖 矿区属晋冀鲁豫地层区V 11-2 、华北西缘地层分区V 和桌子山-青龙山地层小区V 444 。 如图 2.2 所示，桌子山-青龙山地层小区V 1-2为中生代拗陷区， 以中生代地层最为发育。 4 11 西安科技大学工程硕士学位论文 古生代地层被广泛发育的中、新生代地层所掩盖，埋藏较深。仅在矿区西北部的横城和 西南部的韦州煤田有零星出露，缺失三叠侏罗系沉积，新生界普遍发育。宁夏以青铜 峡固原断裂为界将境内划分两个一级大地构造单元，其东北侧为华北地台，西南侧属 秦祁褶皱带。鸳鸯湖矿区属华北地台A、南北向逆冲构造带A2、桌子山-横山堡逆冲 带A 3 2。本区东临鄂尔多斯台拗，西接六盘山弧形构造带，呈一南北向之狭长地带，其 南北方向均延至区外。本区由一系列走向NNW或