大倾角煤层长壁伪俯斜采场“支架--围岩”相互作用机理.pdf

分 类 号TD325密级 学号17203213038 硕士学位论文硕士学位论文 Thesis for Master’s Degree 大倾角煤层长壁伪俯斜采场大倾角煤层长壁伪俯斜采场 ““支架支架- -围岩围岩””相互作用机理相互作用机理 申请人姓名 段建杰 指 导 教 师 解盘石 （校内）陈建杰 （校外） 类别 全日制专业学位硕士 工 程 领 域 矿业工程 研 究 方 向 矿山压力与岩层控制 2020 年 7 月 万方数据 万方数据 万方数据 区域，支架其他部分呈现支架上部区域＞中部区域＞下部区域，工作面中上部区域围岩 相对活跃，极易导致支架发生失稳。 （5）支架倾向呈阶梯状布置易导致架间非对称的相互作用，主要位于顶梁侧向中 上部与底部侧推装置上，且具有明显的分区特征，下部区域底部侧推装置上形成应力集 中与最大位移；中部区域架间应力集中和最大位移区域易发生转移，极易导致支架的侧 向倾倒和摆尾；中上部区域，架间应力集中和最大位移区域在底部侧推装置及顶梁侧向 中上部，支架极易发生侧向倾倒、摆尾、上下错动等失稳现象。 （6）根据研究结论，对工作面布置、支架结构及支护参数进行了优化，现场工程 实践表明，“支架-围岩”系统稳定性大幅提高，取得了良好的经济社会效益。 关 键 词伪俯斜采场；分区特征；支架受载；顶板运移；相互作用特征 研究类型应用基础研究 万方数据 万方数据 strength and high frequency; the basic roof has a long time, high strength and low frequency. The action and degree of the broken roof on the support in different areas of pitching oblique mining area of steeply dipping seam are different. The action of the middle falling gangue on the support perance “Shocking, pressing and pushing“. The lower part is mainly the thrust acting on the rear side of the support, and the upper part is the weakest. The difference between the direct roof and the basic roof in the middle of the working face is that the direct roof has short acting time, low strength and high frequency, while the basic roof has long acting time, high strength and low frequency. With the increase of mining space, the support effect of the support along the working face inclines to the lower area the middle area the upper area. The coal wall has obvious effect on the stability of the support, which leads to the maximum movement speed of the support side plate. The reverse support function of the support inhibits the top plate movement and has obvious effect on the middle and lower part of the working face The movement of the support base is different in different regions due to sliding, and the support is prone to tilt forward and lose stability. As the mining space increases, the stress in the middle area of the support column is the largest, the stress in the lower area of the base is the largest, and the stress in the upper area of the working face of other parts of the support increases obviously, and the upper area the middle area the lower area; There are differences in the regional characteristics between the pillar and other parts of the support, the displacement of the column is in the middle region the upper region the lower region, and the other parts of the support are in the upper region the middle region the lower regiont .The stress in the lower part indicates that the surrounding rock in the middle and upper part of the working face is relatively active, and the support is prone to instability. The support arrangement of the working face is stepped, the area with obvious interaction between supports is in the middle and upper part of the side of the top plate and the side pushing device at the bottom of the support, and has obvious regional characteristics. In the lower area of the working face, the contact surface of the support s stress concentration and maximum displacement on the side pushing device at the bottom of the support; in the middle area of the working face, the stress concentration area and the maximum displacement area of the contact surface of the support It is easy to change, during which it is easy to topple and swing the tail; in the upper middle area of the working face, the support The stress concentration area and the maximum displacement area of the contact surface are located in the side pushing device at the bottom of the support and the side middle 万方数据 and upper part of the top beam of the support. The instability mode of the support is more complex. The support is prone to fall sideways, swing tail, up and down staggered movement, and there are phenomena of top beam separation between the supports and roof hanging. Through the field engineering practice, the support structure and support parameters are optimized to meet the production requirements of the working face, so that the stability of the “support -surrounding rock“ system is better, and good social and economic benefits are achieved. Key wordsPitching oblique mining area; Zoned characteristic; Support load; Roof movement; Interaction characteristics ThesisApplied research 万方数据 目录 I 目 录 1 绪 论........................................................................................................................................1 1.1 选题背景及研究意义...................................................................................................1 1.2 国内外研究现状...........................................................................................................1 1.2.1 我国大倾角煤层伪俯斜研究现状....................................................................2 1.2.2 国外大倾角煤层伪俯斜开采技术发展现状....................................................4 1.3 研究内容和技术路线...................................................................................................5 1.3.1 研究内容............................................................................................................5 1.3.2 研究方法............................................................................................................5 1.3.3 技术路线............................................................................................................6 2 大倾角煤层长壁伪俯斜采场支架与围岩作用特征数值模拟分析......................................7 2.1 矿井生产技术条件.......................................................................................................7 2.2 数值模拟计算..............................................................................................................9 2.2.1 数值计算及外置建模软件简介........................................................................9 2.2.2 研究内容..........................................................................................................10 2.2.3 参数确定..........................................................................................................10 2.2.4 数值模型..........................................................................................................12 2.3 大倾角伪俯斜采场围岩应力与运移演化规律数值模拟分析.................................14 2.3.1 围岩应力特征..................................................................................................14 2.3.2 采场围岩位移演化规律..................................................................................15 2.3.3 采场围岩塑性区演化规律..............................................................................15 2.4 大倾角伪俯斜采场支架力学响应数值模拟分析.....................................................16 2.4.1 支架应力分布与演化特征.............................................................................17 2.4.2 支架位移分布与演化特征.............................................................................29 2.5 本章小结....................................................................................................................40 3 大倾角煤层长壁伪俯斜采场支架与围岩作用特征相似模拟分析....................................41 3.1 实验目的....................................................................................................................41 3.2 实验参数及模型铺设................................................................................................41 3.2.1 实验参数.........................................................................................................41 3.2.2 模型铺设.........................................................................................................43 3.3 伪俯斜采场围岩运移................................................................................................44 3.3.1 直接顶变形破坏规律.....................................................................................44 万方数据 目录 II 3.3.2 基本顶变形破坏规律.....................................................................................45 3.3.3 覆岩结构特征.................................................................................................46 3.4 伪俯斜采场支架动态载荷特征................................................................................48 3.5 本章小结....................................................................................................................50 4 大倾角煤层长壁伪俯斜采场支架与围岩相互作用规律....................................................52 4.1 垮落矸石-支架-煤壁围岩相互作用关系..................................................................52 4.1.1 矸石与支架相互作用特征..............................................................................52 4.1.2 支架与煤壁相互作用特征..............................................................................56 4.1.3 矸石-支架-煤壁系统稳定性分析..................................................................58 4.2 支架之间相互作用关系.............................................................................................60 4.3 支架-顶板相互作用关系........................................................................................... 63 4.3.1 支架-顶板相互作用特征................................................................................ 63 4.3.2 支架-底板相互作用特征................................................................................ 67 4.3.3 R-S-F 系统稳定性分析...................................................................................67 4.4 本章小结.....................................................................................................................68 5 大倾角伪俯斜工作面支架结构优化与工程实践................................................................69 5.1 支架结构设计优化.....................................................................................................69 5.2 矿压监测.....................................................................................................................74 5.2.1 矿压测点布置及监测......................................................................................74 5.2.2 矿压显现特征..................................................................................................75 5.3 效果分析.....................................................................................................................76 5.3.1 经济效益..........................................................................................................76 5.3.2 社会效益..........................................................................................................76 5.4 本章小结.....................................................................................................................77 6 结论与展望............................................................................................................................78 6.1 结论.............................................................................................................................78 6.2 展望.............................................................................................................................79 致谢...........................................................................................................................................80 参考文献...................................................................................................................................81 附录...........................................................................................................................................85 万方数据 1 绪论 1 1 绪 论 1.1 选题背景及研究意义 大倾角煤层为埋藏倾角是 35-55的煤层，其赋存条件相对复杂，是国内和国外采 矿界共识的难采煤层， 大倾角煤层中优质的焦煤和无烟煤等稀缺煤种占 50％以上。 在我 国西部的四川、新疆、甘肃等矿区，50％以上的矿井开采大倾角煤层，已成为许多矿井 的主采煤层；对于我国东部的多数矿区开采条件较好的资源已近枯竭，也出现该类煤层 的开采问题。从中表明，安全高效的开采大倾角煤层对促进我国区域经济社会发展具有 重要意义。近年来，大倾角煤层已实现了特定情况下的走向长壁机械化开采，但从开采 实践状况表明[1]，工作面开采过程中液压支架存在收载不均匀、易发生倾倒下滑、煤壁 片帮与飞矸频发等问题，长壁伪俯斜综合机械化开采方法是解决上述难题的有效途径， 但针对大倾角长壁伪俯斜布置下采场支架与围岩关系及其稳定性控制方面的研究尚属 空白，揭示“支架围岩”相互作用机理，是实现大倾角长壁伪俯斜工作面安全高效开采 的科学基础，具有重要的理论与实践意义。 本文以四川省华蓥山煤业股份有限公司绿水洞煤矿为研究背景， 随着开采水平的延 伸，煤层赋存条件较差，开采难度异常严峻，必须进行综采工艺在采煤方法上的技术创 新，从根本上解决大倾角、急倾斜综采存在的问题，如煤壁容易片帮、飞矸严重、下出 口易积矸堵塞等， 在总结分析前人研究的基础上， 提出采用伪俯斜开采减缓工作面倾角， 减小片帮飞矸威胁，采用综合机械化开采工艺，优化回采过程工序，实现工作面安全高 效生产，以利于大倾角、急倾斜煤层综采技术发展，但支架沿伪俯斜推进时出现摆尾、 推底现象，急倾斜伪俯斜工作面支架尾部整体呈阶梯状布置，理论上每一架支架尾部的 上角容易受到采空区落矸的冲击，其次由于为俯伪斜工作面存在伪斜角，支架受力与真 斜工作面开采支架受力不同， 支架受到自身重力沿工作面倾向位置不同， 容易发生摆尾、 滑倒或倾倒等支架失稳现象。因此，研究大倾角煤层长壁伪俯斜采场“支架围岩”系统 稳定性机制与控制，对绿水洞煤矿的安全、高效开采，具有重要的工程实践意义。 开展大倾角煤层长壁伪俯斜采场支架与围岩相互作用关系研究， 支架是研究该类煤 层采场“支架-围岩”四维（顶板、煤壁、矸石、底板）作用机理的关键。因此，研究大倾 角长壁伪俯斜“支架-围岩”相互作用机理，既能对实际工程的支架选型起到指导性作用， 还对于丰富大倾角煤层长壁开采理论具有重要意义。 1.2 国内外研究现状 国内外学者早期研究较多的是急倾斜的煤层， 大倾角煤层和急倾斜煤层都存在的难 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 2 题是煤层倾角的影响，在研究时大倾角煤层多借鉴急倾斜煤层的研究成果，因此在研究 大倾角煤层长壁伪俯斜采场“支架-围岩”稳定性机制与控制时， 可借鉴大倾角相关的研究 成果。 1.2.1 我国大倾角煤层伪俯斜研究现状 （1）国内大倾角煤层伪俯斜开采技术的发展进程 多年前我国已经开始大倾角（急倾斜）煤层伪斜开采[2]，最开始采用采煤法是伪俯 斜非机械化开采，在 20 世纪 50 年代初，运用了沿俯斜开采的掩护支架的采煤法，少数 矿区在落煤、运煤及处理采空区等方面使用小型的机械工具如风镐和刮板输送机等[3]。 到 20 世纪 60 年中期，淮南的某些矿基于平板型掩护支架采煤法，在一些煤层赋存 条件较好的大倾角煤层中， 成功地测试出了伪倾斜柔性掩护支架的采煤方法[4-9]。 由于掩 护支架它的结构的不同，因此分为多种形式，此方法是沿伪斜放置液压支架于工作面， 掩护支架依靠冒落矸石的作用进行自动移进支架，劳动强度相对较低[10]。由于掩护支架 和矸石之间的相互作用，构成了一个的相对稳定的支护体系，有效控制了工作面顶板的 垮落滑移，降低了大倾角工作面上部采空区顶板空顶的形成，同时也有效抑制了垮落矸 石对人员伤害，安全性有了较大改善[11]。 在 20 世纪 80 年代，由于柔性掩护支架法的兴起，在四川省很多矿区开始使用俯伪 斜为主的采煤方法的革新[12]。如伪斜短壁采煤法的中梁山煤矿，四川的广旺矿务局下的 旺苍矿及芙蓉矿务局下的杉木树矿、 南桐矿务局下的柳新矿采用的伪俯斜走向长壁分段 密集采煤法， 芙蓉矿务局下的巡场矿的伪俯斜密集支柱采煤法和广旺矿务局下的唐家河 矿采用的俯伪斜多短壁采煤法等[13-17]，伪俯斜采煤法在大倾角煤层中具有诸多优势，为 社会带来了良好的经济效益。在此期间，湖南省的群力煤矿[18]，该煤层倾角为 5590。 存在直行倒转的岩层赋存状态，该矿井一直采用短壁式采煤法的坑木支护手段。由于放 炮采煤的影响，工作面上部区域支架受到煤和矸石冲击，片帮和冒顶事故经常发生[19]。 此矿区研究并推行了伪倾斜布置工作面、单体液压支柱进行支护、放炮采煤的采煤方法 得到了成功。 近几年来，四川华蓥山李子娅南井、绿水洞矿[20]、淮南矿业有限责任公司潘北煤矿 [21]等开始试用伪俯斜长壁综采技术， 此方法有效抑制了工作面煤壁片帮和矸石垮落造成 的危害， 降低垮落矸石的下滑与采空区非均匀充填长度， 可提高支架和围岩系统稳定性。 （2）国内大倾角煤层伪俯斜开采理论研究现状 吴绍倩、石平五[22-24]教授等较为全面地分析了急倾斜煤层的工作面覆岩破断规律和 空间展布结构形态特点， 提出了急斜煤层开采过程中的顶板破断在倾斜方向形成三铰拱 结构的观点，这些结论对于急倾斜煤层支架-围岩关系的后续研究提供了有力支持。 伍永平[25-31]较为全面分析了了大倾角的工作面“R-S-F”理论的系统动力学控制基础 万方数据 1 绪论 3 理论，建立了大倾角采面上的“R-S-F”完备的动力学力学模型，通过确定引发“R-S-F”系 统稳定性的主要研究参数，为大倾角煤层安全开采提供了理论基础，也拓展了复杂难采 煤层的应用领域。 赵元放[32]等研究了大倾角工作面上下端面上的围岩应力展布规律和覆岩变形破断 特点， 通过特定煤矿的地质生产状况， 分析得到大倾角的工作面开采过程中的来压状况、 开采扰动影响区域及工作面发生煤壁片帮等矿压显现特点， 并根据推进过程中的问题提 出了具体采取的措施。 刘庆林[33]等研究了大倾角工作面沿走向于倾斜方向上覆岩形成的“大结构”特点，确 定出了“关键岩块”的相对位置和在开采过程中顶板下沉规律与工作面覆岩来压的具体 特征。 解盘石[34-35]分析得到急倾斜工作面围岩受力特征出现非对称性分区域分布，岩层破 断后易发生“倾向堆砌”与“反倾向堆砌”的两种覆岩破断结构，由于垮落矸石分区域充填 特征，其顶板岩层断裂在工作面倾向上也具有分区域特征。 罗生虎[36-37]研究背景为新疆的大倾角煤矿，通过现场的监测数据对顶板破断特征与 支架受载特点研究， 并且通过理论分析较为全面的研究出了工作面覆岩运移对液压支架 的受载特征和失稳特点的具体影响，用理论分析方法，将底板假设为弹性地基，构建支 架倾向力学模型，研究顶板载荷作用下支架的行为响应。 王国法[38-39]通过对液压支架的失稳特点分析，重点分析了液压支架形态失稳特征和 其控制措施，得到了液压支架的“自撑、临拉、底推、顶挤”平衡力矩的三维支护理论和 刚柔的系数解释， 对于大倾角工作面支架失稳特性及其应对能力给出了定量分析,通过支 架与围岩耦合的方程，分析得到大倾角支架维持稳定性的基本要求，基于平面杆系建立 了四柱支撑掩护式支架的力学模 型，推导出支架极限外载荷大小和分布区间的解析表 达式，得出支架外载荷与顶梁合力和底座合力 是一一对应关系，支架能够平衡的外载 荷必须满足其对应的顶梁合力和底座合力均在其长度范围内，否则，支架将不能保持稳 定状态; 支架极限外载荷区间不是完全覆盖顶梁长度， 依据前后排立柱 的最大工作阻力 和最大拉力分为 5 个区域。 王红伟[40]研究了大倾角工作面的变角度“支架-围岩”系统的失稳控制的问题，得到 大倾角变角度工作面覆岩变形破断和支架失稳特征的分区域特点， 并给出通过的工作面 进行仰伪斜的变角度布置与进行分区域控制支架稳定性的围岩失稳控制技术。 杨科[41]分析得出大倾角旋转俯伪斜支架失稳性控制措施， 分析了大倾角采面俯伪斜 液压支架的发生倾倒和向下滑移两种失稳机理，研究得到支架区域受力特点，得到旋采 段开采进行调斜的比例是 13。 贠东风[42]通过以大倾角 2130 煤矿为研究工程背景，明确了在大倾角开采过程中伪 仰斜工作面与伪俯斜工作面的特点， 得到大倾角伪俯斜工作面应采用特定异型支架支护 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 4 顶板，更好的达到支架-围岩稳定。 杨胜利[43]指出， 急倾斜煤层走向长壁工作面顶板冒落的矸石会对采空区形成不同程 度的充填，自下而上依次为“密实充填段“、“不均匀充填段“、“非充填段“3 段，工作面底 板稳定性显著影响煤壁的稳定性,实际生产中发现，在煤层赋存和开采条件不同时,煤壁 破坏一般会呈现出“塑性-流动“、“挤出-滑移“、“剪切-滑移“3 种破坏模式。 赵麒麟[44]指出，由于煤壁易片帮等大倾角煤层仰伪斜综采技术问题，针对技术优化 进行了设计，明确了大倾角伪俯斜开采技术条件，具体阐明了俯伪斜工作面设备主要科 学参数、工作面地质生产条件、采取采煤工艺、技术效果。 唐忠亮[45]得到大倾角煤层伪俯斜开采过程中面临的复杂地质条件， 支架之间的相互 作用，垮落矸石的冲击支架，工作面支架-围岩关系极其不稳定。为了确保安全的采出 煤炭资源，研究了支