大倾角煤层长壁伪俯斜采场顶板运移规律.pdf

万方数据 万方数据 万方数据 响“R（顶板）-S（支架）-F（底板）”系统稳定性的重要因素。因此，将伪俯斜工作 面的“支架-围岩”作用关系沿垂直岩层方向、倾斜方向、走向方向划分为“R-S-F”作 用、“矸石-支架与支架”作用、“矸石-支架-煤壁”作用，与真倾斜工作面相比，后 两种系统的稳定性控制对于伪俯斜采场岩层控制的要求更高。 现场工程实践表明，在论文研究结论的指导下，采用了工作面分区域顶板控制、提 高支护强度、严格控制伪斜角等措施，有效解决了伪俯斜工作面岩层控制系列难题，保 障了工作面安全，取得了显著的经济社会效益。 关 键 词大倾角煤层；伪俯斜采场；区域性特征；基本顶稳定性；“支架-围岩”作 用关系 研究类型应用研究 万方数据 万方数据 area. The main roof has obvious regional differences between stress distribution and deation under the influence of unbalanced filling of the falling roof in the pitching oblique mining area. The stress release and deation degree on middle part and upper part of main roof and stress concentration on its lower part in pitching oblique mining area are less than the basic top of the true oblique mining area, resulting in the damage range of the main roof of the pitching oblique mining area is less than the main roof of the true oblique mining area.Obviously, the stability of the main roof in the longwall and pitching oblique mining area of steeply dipping seam is higher than that of the true oblique mining area. With the increase of the pseudo-bevel angle and the range of effective support area in the lower part of the goaf，the main roof stability is gradually increased. The characteristics of strata behaviors in pitching oblique working face of steeply dipping seam are similar to that of the true oblique working face. However, the “support-surrounding rock“ effect relationship is more complex, especially the impact effect of the caving roof in the goaf is an important reason to affect the stability of the “Rroof-S support-F floor“ system. Therefore, the “support- surrounding rock “ action relationship is divided into “R-S-F“ action, “gangue-support and support“ action, “gangue-support-coal wall“ along the vertical rock ation direction, inclined direction, and strike direction. Compared with the true oblique working face, the stability control of the latter two systems has higher requirements for the control of rock ation in pitching oblique working face. The above research conclusions can provide theoretical support for the in-depth study of the interaction mechanism between the support and surrounding rock and the mechanism of surrounding rock instability and disaster in longwall and pitching oblique mining area of steeply dipping seam. Engineering practice shows that under the guidance of the research conclusions of the thesis, measures such as regional roof control of the working face, improved support strength, and strict control of Pitching oblique angle are adopted to effectively solve the series of difficulties in rock control of the pseudo-pitched working face, which guarantees The working face is safe and has achieved remarkable economic and social benefits. Key wordsSteeply dipping seam; Pitching oblique mining area; Regional characteristics; Basic roof stability; “Bracket-surrounding rock“ action relationship ThesisApplication 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 国内外研究动态及发展趋势.......................................................................................1 1.2.1 国外大倾角煤层开采研究现状........................................................................1 1.2.2 国内大倾角煤层开采研究现状........................................................................2 1.2.3 国内外研究综述................................................................................................7 1.3 研究内容和技术路线...................................................................................................7 1.3.1 研究内容............................................................................................................7 1.3.2 技术路线............................................................................................................7 2 大倾角煤层长壁伪俯斜采场顶板破坏与运移特征三维物理相似模拟分析......................9 2.1 研究目的.......................................................................................................................9 2.2 工程背景.......................................................................................................................9 2.2.1 矿井工程概况....................................................................................................9 2.2.2 绿水洞煤矿 3212 工作面概况.......................................................................10 2.3 三维物理相似材料模拟实验....................................................................................11 2.3.1 实验模型的建立..............................................................................................11 2.3.2 实验方法与监测手段......................................................................................12 2.4 伪俯斜采场直接顶破断与运移特征........................................................................13 2.4.1 采场直接顶区域性破坏特征..........................................................................13 2.4.2 采场直接顶区域稳定性转化特征..................................................................16 2.5 伪俯斜采场基本顶破断特征....................................................................................19 2.5.1 采场基本顶初次破坏特征..............................................................................19 2.5.2 采场基本顶周期性破坏特征..........................................................................21 2.6 伪俯斜采场垮落顶板充填特征................................................................................24 2.7 小结.............................................................................................................................27 3 大倾角煤层长壁伪俯斜采场基本顶应力演化与运移特征数值模拟分析........................28 3.1 研究目的.....................................................................................................................28 3.2 三维数值计算模型的建立.........................................................................................28 3.2.1 多工况下数值计算模型的建立......................................................................28 3.2.2 数值计算模型的开采......................................................................................29 3.3 伪俯斜采场空间顶板应力的传递与转换................................................................30 3.4 伪俯斜采场基本顶应力演化与运移特征................................................................31 万方数据 目录 II 3.4.1 采场基本顶应力演化特征分析......................................................................31 3.4.2 采场基本顶位移演化特征分析......................................................................33 3.5 不同伪斜角布置条件下的伪俯斜采场基本顶运移特征对比分析.........................34 3.5.1 伪斜角变化对基本顶应力演化的影响..........................................................34 3.5.2 伪斜角变化对基本顶位移演化的影响..........................................................37 3.5.3 伪斜角变化对基本顶塑性破坏范围的影响..................................................39 3.6 小结.............................................................................................................................41 4 大倾角煤层长壁伪俯斜工作面矿山压力监测...................................................................42 4.1 矿压观测目的.............................................................................................................42 4.2 测区布置和观测过程.................................................................................................42 4.2.1 测区布置..........................................................................................................42 4.2.2 观测过程..........................................................................................................42 4.3 观测结果.....................................................................................................................43 4.3.1 工作面不同区域工作阻力..............................................................................43 4.3.2 支架工作状态..................................................................................................44 4.4 工作面矿压显现规律.................................................................................................45 4.4.1 沿工作面走向矿山压力显现特征..................................................................45 4.4.2 沿工作面倾向矿山压力显现特征..................................................................45 4.4.3 “支架-围岩”系统稳定性分析.........................................................................45 4.5 小结.............................................................................................................................47 5 大倾角煤层长壁伪俯斜采场顶板运移及控制...................................................................48 5.1 伪俯斜采场顶板运移规律.........................................................................................48 5.1.1 顶板破坏与运移特征.....................................................................................48 5.1.2 伪俯斜采场空间顶板支承压力分布特征及转换规律.................................50 5.2 伪俯斜采场顶板空间破坏特征.................................................................................51 5.3 伪俯斜采场“支架-围岩”作用特征............................................................................52 5.4 伪俯斜采场顶板区域稳定性控制措施.....................................................................54 5.4.1 回采过程中工作面顶板稳定性控制.............................................................54 5.4.2 合理设计工作面布置方式控制顶板稳定性..................................................55 5.5 小结.............................................................................................................................56 6 结论与展望............................................................................................................................57 6.1 结论.............................................................................................................................57 6.2 展望.............................................................................................................................58 致 谢.........................................................................................................................................59 万方数据 目录 III 参考文献...................................................................................................................................60 附录.......................................................................................................................................64 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题背景及研究意义 大倾角煤层是指埋藏角度为 3555的煤层，赋存条件复杂，是国内外采矿界公认 的难采煤层，广泛分布于我国各大矿区，已探明储量约为 18003600 亿吨，且 50以上 的大倾角煤层为优质焦煤、无烟煤等稀缺煤种。在我国西部的四川、贵州、甘肃、新疆、 宁夏等矿区，50以上的矿井开采大倾角煤层，且已成为许多矿井的主采煤层；中东部 的山东、河北、安徽、山西等矿区，持续多年的高强度开采已使赋存条件“优越”的煤 层储量越来越少， 许多矿井不得不转向赋存条件相对复杂的大倾角或急倾斜煤层开采[1]。 可以看出，大倾角煤层开采是我国资源开发中的重大工程问题，对促进西部矿区经济的 跨越式发展和东部矿区的可持续发展都具有重要意义。 近年来， 大倾角煤层开采在理论研究、 技术应用与装备研制方面取得了长足进步[2]， 实现了特定条件下大倾角煤层走向长壁综合机械化开采，但是，实际生产中仍存在支架 受载不均且易发生倾倒下滑、煤壁片帮和飞矸频发等问题，采用长壁伪俯斜综合机械化 开采方法可以解决上述问题， 但针对大倾角长壁伪俯斜布置下采场顶板活动规律方面的 研究尚属空白。 与真斜布置下的大倾角工作面相比，伪俯斜布置减小了工作面倾角，可有效解决煤 壁片帮和飞矸危害等难题， 但非对称的伪俯斜开采空间导致其具有特殊的采场顶板应力 分布与演化规律、变形垮落特征及其载荷传递机理，与一般大倾角煤层开采时存在明显 差异。因此，深入分析大倾角煤层长壁伪俯斜采场异形顶板变形、破坏与运移规律，可 为大倾角煤层长壁伪俯斜采场围岩稳定性控制提供理论支持， 具有重要的理论与现实意 义。 1.2 国内外研究动态及发展趋势 1.2.1 国外大倾角煤层开采研究现状 国外急倾斜及大倾角煤层开采主要集中在前苏联所属地区，同时在德国、法国、西 班牙、印度等国家也有一些开采矿井。前苏联对急倾斜大倾角煤层开采技术的研究比较 系统，也具有较高的水平，特别是针对岩层移动而提出了“三带”理论，使人们对覆岩岩 层移动的过程有了全面的认识， 但这一理论还不能充分揭示急倾斜煤层开采后的岩层移 动模式。法国的洛林矿区采用伪倾斜布置的方法，使用 TSA 型迈步式支架及相应的防 滑防倒装置进行了大倾角煤层的开采[3]。 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 2 在开采装备方面，在 20 世纪 70 年代，前苏联研制了应用于大倾角和急倾斜煤层的 各类综采支架及采煤机，并在此基础上对大倾角特别是 45以上的煤层开采工艺进行了 较系统地研究， 基本奠定了急倾斜煤层开采的科学技术基础[4-6]。 采矿技术非常发达的波 兰虽然在有的文献资料中提及过其生产的大倾角煤层装备我国曾经引进过该国制造的 相关装备， 但未检索到专门的文献资料。 在 70 年代到 80 年代中期， 前苏联对急倾斜大 倾角煤层的研究比较系统，也具有较高的技术水平，在此之后由于政治制度的变更和 经济发展下滑，在工业发展整体停滞不前的大气候下，对煤炭开采技术的研究也受到了 影响，近年来很少见到这方面公开发表的研究成果及文献报道。美国和澳大利亚是世界 产煤大国，但大倾角煤层开采问题目前还不是特别突出，相应的研究主要是为下一步的 发展进行技术储备如美国西弗吉尼亚大学（WestVirginia University）一些学者现在进行 的研究是为阿巴拉契亚矿区（Appalachian Coal Basin）规划所用等，基本没有矿井生产 方面的文献报道。 国外研究的另一特点是研究集中于大倾角煤层的开采装备方面。不论是前苏联、西 德，还是法国、西班牙，文献中绝大篇幅介绍的是开采装备，特别是介绍工作面液压支 架和采煤机，对采场围岩控制理论研究的介绍所占比例很小。就发展水平来看，大倾角 煤层综合机械化开采的产量和效率均较低， 只有很少的矿井产量可以与缓倾斜长壁工作 面相比1992 年，德国鲁尔矿区 Stthotl 矿，但生产仅持续了 3 个月[2]。此外，也有一些 矿井采用非机械化开采大倾角煤层法国、印度。总体而言，国外对大倾角煤层开采理 论和技术的系统性研究不多，水平不高。 总的来说，由于其他国家的煤层赋存条件较中国简单，且储量有限，所以国外大倾 角（急倾斜）煤层开采的研究较少。俄罗斯对急倾斜煤层矿压研究较多，其他国家如美 国、波兰，澳大利亚等，其研究方向为大倾角煤层开采中开采设备的设计。 1.2.2 国内大倾角煤层开采研究现状 （1）我国大倾角煤层开采技术发展现状 我国大倾角煤层开采方法来源于急倾斜煤层，大致经历了以下几个发展阶段，具体 见表 1。 20 世纪 50 年代初期，我国发明了大倾角煤层倒台阶采煤法。60 年代，在淮南、开 滦等矿区出现了大倾角煤层伪斜柔性掩护支架采煤方法。 80 年代， 在四川形成了伪斜短 壁采煤法、伪俯斜走向长壁分段密集支柱采煤法，伪斜小巷多短壁 采煤法等，有效改善了四川的各大矿区大倾角煤层开采效率，取得了显著的经济社 会效益。与此同时，甘肃华亭矿区、窑街矿区、江苏徐州矿区、新疆建设兵团、河南义 马矿区等进行了“高档普采”、“双大开采”以及非机械化放顶煤的研究与试验。80 年代后 期，我国开始自主研发综采设备，但未取得良好的应用效果。此外在四川南桐、攀枝花 万方数据 1 绪论 3 等矿区引进国外综采设备和技术，但均未取得良好效果。 直到 20 世纪 90 年代中后期， 在四川绿水洞煤矿运用自主研制的综采设备进行的大 倾角煤层综合机械化开采取得了良好效果，实现了大倾角煤层安全高效开采，技术水平 达到了国际领先。2000 年以后，在我国大范围内进行了不同条件下大倾角长壁综采，不 同程度地解决了大倾角煤层开采难题，取得了明显的经济与社会效益[1]。 表表 1.1大倾角煤层开采技术总结表大倾角煤层开采技术总结表 年代年代采煤方法采煤方法 机械装备及采空区机械装备及采空区 处理处理 优缺点优缺点 1950-1960 倒台阶采煤法 风镐落煤，刮板运输机 运煤，机械式回柱，冒 落法处理釆空区 生产能力低 劳动强度高 安全状况差 1960-1970 伪斜柔性 掩护支架等 电钻打眼爆破落煤， “八字”型掩护支架， 金属支柱、金属铰接顶 梁，金属网假顶等 生产能力低 劳动强度高 安全状况差 1970-1980 伪斜柔性掩护支架 釆煤法 滚筒式釆煤机落煤 伪斜柔性掩护支架 产量大 生产系统简单 巷道掘进量小 回釆工序少 生产安全 材料消耗低 劳动效率高 1980-1990 伪斜短壁采煤法 伪俯斜走向长壁分段 密集支柱采煤法、 伪斜小巷多短壁采煤法 非机械化放顶煤 综合机械化开采 滚筒式釆煤机落煤 伪斜柔性掩护支架 自主研制综采设备 与国外引进相结合 提高了开采 效率，取得了显 著的社会经济效 益，但综采未取 得良好效果 1990-2000 综釆长壁工作面 综釆放顶煤采煤法 滚筒式釆煤机落煤 伪斜柔性掩护支架 刮板运输机运煤 实现了大倾 角煤层安全高效 开采，技术水平 达到国际先进 2000-至今 综釆长壁工作面 综釆放顶煤采煤法 急倾斜煤层放顶煤 滚筒式釆煤机落煤 伪斜柔性掩护支架 刮板运输机运煤 实现了全国 大范围高产高效 开釆大倾角煤层 （2）我国大倾角煤层采场围岩稳定性研究的基础理论 目前，我国在世界范围内开采大倾角煤层最多，对大倾角煤层围岩控制理论与技术 的研究处于世界领先水平， 重点集中于长壁工作面矿山压力显现规律和顶板结构与灾害 防控等领域。 经过不断地研究与工程实践， 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[7]， 该理论系统 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 4 总结了大倾角煤层走向长壁工作面开采岩层移动和矿山压力显现特征。 通过对支架在不 同灾变状态下动态稳定性的分析，得到大倾角煤层走向长壁工作面开采过程中保持 “R-S-F”系统动态稳定的支架基本工作阻力，给出了引发“R-S-F”系统失稳的主导参数， 确定了“R-S-F”系统动态稳定性控制模式。从而奠定了大倾角煤层开采采场围岩控制的 理论和技术基础。 伍永平，解盘石等研究了大倾角煤层采场空间的非对称变形破坏特征、大倾角煤层 开采覆岩应力场及演化特征等问题， 首次提出了大倾角煤层采场顶板破断的倾斜砌体结 构（倾向堆砌和反倾向堆砌）[8]，提出了采场围岩具有非对称应力特征，且岩层沿倾向 不同区域存在不同的破坏结构形式；同时，大倾角煤层采场存在三维“似壳“力学结构， 其倾向和走向剖面包络形状可以用包含煤层倾角、开采高度、工作面倾斜长度、顶板岩 性等参数非线性二次函数来表示[9]。 解盘石，郭金帅，王红伟，伍永平等学者针对大倾角煤层长壁开采覆岩变形、破坏 和运移规律复杂，对工作面安全开采影响大等问题，提出了大倾角煤层走向长壁机械化 开采过程中，沿倾斜方向采场顶板低位岩层与高位岩层均呈现出非对称力学特征，且破 坏运移呈现出时序性和不均衡性[10-13]。在此基础上分析了大倾角大采高采场围岩运移、 顶板结构和“支架-围岩“相互作用特征， 指出大倾角大采高采场围岩运移规律与一般采高 大倾角煤层相似，具有明显非对称性[14]。但大采高采场围岩的运移特征更为活跃，初次 来压和周期性来压步距均明显减小，来压强度增大，并伴有煤壁片帮现象[14]。王金安建 立了大倾角厚煤层支架失稳力学模型，得出了大倾角工作面支架失稳判定条件[15]。 伍永平，王红伟建立了应力拱壳分析模型和坐标系统，推导出宏观应力拱壳的形态 方程，给出应力拱壳的稳定性判别准则，根据应力拱壳关键部位失稳过程可将应力拱壳 的失稳分为“壳基-壳顶壳肩“失稳模式和“壳顶壳肩-壳基“失稳模式[16-17]。罗生虎等在 考虑大倾角工作面冒落矸石非均匀充填效应的基础上， 建立了沿倾向和沿走向的三铰拱 力学模型，推导给出了沿倾向非对称拱和沿走向对称拱的轴线方程，确定了空间应力拱 壳的基本形态[18]。 罗生虎根据大倾角煤层工作面支架的受受载特征，分析了支架的失稳特征，给出了 工作面采高增加， 支架失稳程度增加和支架工作阻力减小以及不均衡受载程度的增大将 加剧工作面支架的失稳几率的结论[19]，同时，提出了顶板载荷对支架的切向作用是支架 失稳的主要原因[20]。 伍永平，尹建辉等建立了大倾角煤层开采工作面下部矸石充填力学模型，得到了大 倾角煤层开采工作面岩梁剪切力、弯矩分布和两端支座反力的表达式，提出矸石滑移充 填具有非均匀性，工作面矿压现象具有分区域性，来压时间具有时序性[21]。相啸宇等研 究了不同倾角下充填矸石对顶板变形程度的影响，提出了倾角越大，顶板挠度越小且倾 角较小时，应及时充填的观点[22]，王港盛等人同样对大倾角采场充填作用下的顶板建立 万方数据 1 绪论 5 了力学模型，研究了采空区充填对顶板活动的影响[23]。 杨科等以潘北矿 5 煤和 4 煤近距离大倾角煤层开采为背景， 揭示近距离采空区下大 倾角厚煤层综采支承压力演化叠加机制，提出工作面矿压控制对策，取得良好的应用效 果[24]。 王金安等学者基于弹性力学理论，建立了基本顶的薄板力学模型，提出了大倾角煤 层基本顶的初次破断为“V-Y”型断裂模式[25]， 周期破断的空间顺序为“中下部→中上部→ 上部→下部”。验证了基本顶周期破断过程中采场顶板应力分布及矿压显现具有时序性 和非对称特征[26]。 王家臣， 张锦旺， 王金安等采用离散元数值模拟系统研究了综放开采顶煤放出规律， 分析了煤岩分界面形态以及支架和移架对其影响，提出了可用抛物线拟合煤岩分界面， 提出了 BBR 研究体系[27-28]；