综放采场矿压显现异常机理的研究.pdf

山东科技大学 硕士学位论文 综放采场矿压显现异常机理的研究 姓名邢玉章 申请学位级别硕士 专业采矿工程 指导教师姜福兴 20040501 山东科技大学硕士学位论文 摘要 摘要 综放采场矿压显现异常是发生在综放采场的超出常规预计、对安全生产造成较大危 害的动压现象。针对近年来我国部分矿区多家综放采场发生的矿压显现异常现象，论文 在大量现场资料分析整理的基础上，对矿压显现异常进行了归纳分类。通过构建老顶结 构及其运动形式的模型并对其进行力学分析，建立了不同结构及运动形式下的力学平衡 方程式。依据力学平衡条件，提出了老顶运动滑落失稳和回转失稳两种形式下综放采场 发生矿压显现异常现象的条件。根据影响老顶运动规律变化的因素，提出了发生矿压显 现异常的三种模式，并论证了不同模式下矿压显现异常的来压机理。研究结果应用于实 践，很好的解释了综放采场发生的矿压显现异常现象，使理论分析得到了证实。最后， 论文给出了以预测、预报、预防为技术思路，采前精细预测、开采过程中对构造活化灾 变与覆岩断裂灾变的动态实时监测以及加强现场顶板控制技术的超前预报与应用控制相 结合的综合防治体系。 关键词综放采场矿压显现异常来压机理来压模式综合防治 山东科技大学硕士学位论文摘要 A b s t r a c t T h eg r o u n dp r e s s u r eb e h a v i o ra n o m a l yi nf u l l y - m e c h a n i z e d t o p - - c o a lc a v i n gw o r k i n gf a c e i sat r a n s n o r m a l l ya n dd e t r i m e n t a l l yd y n a m i cp r e s s u r ep h e n o m e n o n ．F a c i n gl o t so fg r o u n d p r e s s u r eb e h a v i o ra n o m a l yp h e n o m e n a o c c u r r e di nf u l l y m e c h a n i z e dt o p c o a lc a v i n gw o r k i n g f a c ei nr e c e n ty e a r s ，t h ep a p e rc l a s s i f i e st h e s ep h e n o m e n aa c c o r d i n ga st h ep l e n t i f u l s u r v e y d a t a , a n db u i l d se q u a t i o n su n d e rd i f f e r e n ts t a t i o n so fs t r a t as t r u c t u r ea n dm o v e m e n ts t y l eb y u p b u i l d i n gt h em o d e lo f m a i nr o o fs t r u c t u r ea n da n a l y z i n gi t ．A c c o r d i n gt ot h em e c h a n i c a l e q u a t i o nq u a l i f i c a t i o n ，t h ep a p e rp r o p o s e st h ec o n d i t i o n st h a ta r ep r e r e q u i s i t ew h e ng r o u n d p r e s s u r eb e h a v i o ra n o m a l yp h e n o m e n aO C C u ru n d e rd i f f e r e n ts t a t i o n s ．T h ep a p e ra l s op r o p o s e s t h r e em o d e l so f g r o u n dp r e s s u r eb e h a v i o ra n o m a l yp h e n o m e n aa n dd e m o n s t r a t e se a c hg r o u n d p r e s s u r em e c h a n i s m o f t h e m ．A tl a s t ，t h ep a p e r p r o p o s e ss y n t h e t i c a lm e a s u r eo f p r e v e n t i o na n d c u r ef o r c o n t r o l l i n gg r o u n dp r e s s u r eb e h a v i o ra n o m a l yb a s e do nt h ei d e ao fc o m b i n i n g a d v a n c i n g f o r e c a s ta n ds i t ec o n t r 0 1 ． K e yw o r d s f u l l y - m e c h a n i z e dt o p - - c o a lc a v i n gw o r k i n gf a c e g r o u n dp r e s s u r eb e h a v i o ra n o m a l y g r o u n dp r e s s u r em e c h a n i s m g r o u n dp r e s s u r em o d e l s y n t h e t i c a lm e a s u r eo f p r e v e n t i o na n dC U r e 声明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所公认 的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交于其它 任何学术机关作鉴定。 硕地躲竹毛啤 日 期≯噼 f ． - v A F F I R M A T I O N Id e c l a r et h a tt h i sd i s s e r t a t i o n ，s u b m i H e di nf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o r t h ea w a r do fM a s t e ro f M i n i n gE n g i n e e r i n g i nS h a n d o n g U n i v e r s i t yo f S c i e n c ea n d T e c h n o l o g y , i sw h o l l ym yo w nw o r ku n l e s s r e f e r e n c e d o fa c k n o w l e d g e ．T h e d o c u m e n th a sn o tb e e ns u b m i t t e df o rq u a l i f i c a t i o na ta n yo t h e ra c a d e m i ci n s t i t u t e ． 吁 4 磁 殆哆。 X 洲 呲蛳 ～ 山东科技大学硕士学位论文 综述 1综述 1 ．1 课题来源及选题依据 能源是国民经济与社会活动赖以生存和发展的物质基础，而中国的能源结构以煤为 主，据统计表明㈨，1 9 9 5 年中国一次能源消费构成中，煤炭占了7 4 ．6 ％左右。有关专家 分析，这种以煤为主的能源结构在未来的相当时间内不会有太大变化，煤炭在中国2 l 世纪5 0 年代前的能源结构中将稳居5 0 ％以上。中国的煤炭资源十分丰富。但由于煤炭 是不可再生资源，因此，在中国合理开发利用煤炭资源，对于维护社会稳定和促进国民 经济持续发展有着特殊重要的意义。 世界厚煤层储量约占世界煤炭总储量的三分之一，而我国厚煤层储量约占总储量的 4 0 ％，拥有5 米以上的厚煤层的生产矿井数量为生产矿井总数的4 0 ．6 ％，特厚煤层的开 采方法多因地质条件和煤层赋存情况不同，使得常规采煤法在经济上和技术上存在着较 严重的问题，出于煤炭生产和竞争的需要，各主要产煤国的矿井实行高产高效已成为普 遍趋势，放顶煤采煤法正是适应了这一需要，特别是综采放顶煤技术在我国得到了较充 分的发展。 早在1 0 0 多年前，法国、西班牙和南斯拉夫等国就应用放顶煤开采方法开采特厚煤 层，当时只是作为复杂地质条件下的一种特殊采煤方法，随着综采设备的发展，放顶煤 技术也进入新的发展阶段，综放技术的应用与发展，放顶煤工作面的产量、进尺、工效 成倍增加，材料消耗大为减少，效益明显。因此继法国、前苏联之后，前南斯拉夫、波 兰、捷克、罗马尼亚、匈牙利、西班牙、印度、韩国、土耳其、中国等也陆续采用了综 合机械化放顶煤技术。我国8 0 年代初开始引进机械化放顶煤开采技术，1 9 8 4 年第一套 国产综采放顶煤支架F Y 4 0 0 ．1 4 ／2 8 在沈阳蒲河矿下井试采，经过十几年的时间，放顶煤 综采技术逐步取得成功并加以推广。 目前，我国放项煤开采技术发展的成果主要反映在两个方面鳓，一方面是在一些地 质、生产条件好的矿井和煤层，充分发挥放顶煤的技术优势，不断改善设计参数，改进 和提高设备性能，提高工作面整体生产能力，解决实现高产高效的各个技术关键问题， 取得了比分层开采高得多的生产技术经济指标，中国在综采放顶煤技术方面已处于国际 领先地位；另一方面，在难采厚煤层不断攻克生产系统、工艺、装备、岩层 包括顶煤 些至塾垫查兰堡． 兰丝堡兰 鳖堕 控制、高瓦斯、易自燃、粉尘等各种技术难题，不断扩大综放开采的适用条件，放顶煤 开采方法已成为我国厚煤层开采的主要采煤法。 虽然我国己解决了其他国家没有解决的若干技术问题，站在了这项技术的发展前沿， 但综采放顶煤技术的潜力还未充分发挥，基础理论研究还需要加强，随着生产实践的不 断发展，一些新问题、新情况同时也摆在了我们面前，亟待着煤炭技术工作者进一步从 理论上进行分析研究，并用于指导生产实践。 综放开采技术的发展有待于配套设备的可靠性进一步增强，为进一步提高综采工作 面效率，加强综放工作面的顶板管理，一些厂家研制并开发了一系列大吨位液压支架投 入到生产中去，液压支架的工作阻力达到了6 0 0 多吨，缸径也在2 0 0 m m 以上。然而， 近年来，国内多家矿井相继出现了立柱爆裂、油缸变形等“压力异常”的情况。例如 1 9 9 4 年兴隆庄煤矿4 3 1 4 综放工作面首次出现四连杆断裂、底座箱开裂等问题；1 9 9 4 ．1 9 9 6 年，鲍店矿1 3 0 8 、1 3 0 6 综放工作面、东滩矿1 4 3 0 7 综放工作面也相继出现类似问题；东 滩矿9 9 年7 月4 3 0 8 综放工作面因水大压死支架2 0 0 0 年5 - 6 月份，鲍店矿5 3 0 8 综放 工作面突然来压，压死2 3 个支架，压坏1 6 棵立柱，压坏上四连杆2 3 个，并把架间管路 切断，给生产带来极大困难。济宁三号井6 3 0 1 工作面2 0 0 1 年1 2 月1 日顶板大面积来压， 近7 0 架支架被压死，液压支架损坏严重，支架立柱损坏1 0 2 棵，四连杆机构中的前连杆 损坏3 3 件，部分支架立柱柱窝开焊撕裂，个别液压支架立柱底座穿透。徐州矿务局张双 楼煤矿7 1 0 7 综采工作面2 0 0 0 年3 月2 8 日顶板压力异常增大，安全阀开启率达8 0 ％以 上，部分立柱安全阀开启速度慢，压力表显示支架最大工作阻力达4 0 ．5 0 M P a ，有两棵立 柱爆裂。煤壁片帮严重，影响整个工作面，深度达1 - 3 m 。工作面矿压显现异常虽未造成 人员伤亡，但严重影响了正常生产，给煤矿企业带来了重大经济损失。 关于综放工作面矿压显现异常的机理目前还缺乏统一、清晰的认识。作者正是从这 一角度出发，从综放工作面的围岩结构分析入手，建立上覆岩层的结构模型，分析上覆 岩层的活动特点，根据支架与围岩的关系，解释矿压显现异常的机理，并拟采用先进的 技术手段建立支护质量监测体系，最后，针对不同的来压机理给出了矿压显现异常的综 合防治措施。 1 ．2 综放开采技术研究现状 我国科技人员在综放开采的技术进步中，投入了大量的力量，在理论、技术和装备 2 生查型塾查兰堡主兰堡堡奎簦堕 等方面取得了系统和丰硕的成果⋯J 。现简述如下 1 、顶煤冒放性的定量评价方法 顶煤能否顺利冒落并有效放出，是决定放顶煤开采能否成功的关键，也直接影响到 工作面的煤炭回收率。我国科技人员先后提出了多种冒放性评价方法f l l 】。例如将影响 因素量化后进行回归；用回归公式计算冒放性用模糊聚类法计算冒放性用距工作面 煤壁不同距离处顶煤位移量达到1 0 0 m m 处的位置远近作为冒放性判别指标。现场使用 较多且直观方便的方法是“七因素加权模糊聚类法”。 2 、综放工作面的岩层结构 普遍认为，综放开采技术一次采出的煤层厚度成倍增加，由此引起上覆岩层活动特点 的变化，综放工作面的岩层结构及矿压显现既不同于倾斜分层开采，也不同于大采高整 层开采。前人的研究大都认定【3 1 ，直接顶的厚度受到放出率的控制。直接顶上方存在一 个传递力的结构。这种一般结构模型可用图1 ．1 表示。当直接项较薄，其上有厚层坚硬 岩层时，直接顶内不再存在小结构，这种结构称之为梁式结构，如图1 ．2 所示。 图1 ．1一般结构模型 F i g ．1 ．1 C o m m o ns t r u c t u r em o d e 3 、综放采场支架与围岩关系 图1 ．2梁式结构模型 F i g ．1 ．2 B e a ms t r u c t u r em o d e l 综放采场矿山压力显现的特征在许多方面与传统的支架与围岩关系不相吻合。有关学 者根据前述的两种结构提出了不同围岩结构下的支架与围岩关系【3 l 【9 】【1 3 1 1 1 9 l 1 一般结构下的支架与围岩关系。此结构下的载荷由三部分组成项煤重量、部分 或全部直接顶作用力和老顶间的接触应力。即P Q 』 只． 2 梁式结构下的支架与围岩关系。顶煤和直接顶以定载荷的方式作用在支架上，支 架同时还要承受老顶断裂时的冲击载荷。即月 p ， S 、／， 4 、综放工作面矿压显现特征的研究 坐蔓型垫查堂堡主兰垡堡兰 箜堕 一般认为，综放与综采同样有初次来压和周期来压，但来压机制不同。二者有如下 异同点 1 同样条件下，分层综采比综放开采初次来压步距小，但来压强度大； 2 同样条件下，综放开采周期来压步距小，来压强度无明显差别； 3 N 样条件下，综放开采与分层开采顶板来压时，煤壁和工作面支架的“反应”时 间不同。 另外，有人对“三软”煤层和硬煤条件下的综放开采围岩动态特征也进行了研究、 总结。 5 、综放工作面支架受力特征 这方面的研究以实测为主、理论分析为辅，目前的研究成果主要有 1 综放开采工作面支架的合力点靠前，经常出现前柱的阻力比后柱的阻力高的现象； 2 支架初撑力和额定工作阻力的比例与顶煤强度高低有关，且是决定顶煤塑性区宽 度的重要因素； 3 顶煤的存在，对支架的工作方式产生很大影响，支架除一般的“给定载荷”和“给 定变形”工作方式外，还可以工作于“限定载荷”方式下，此方式在支架后部处于破碎 塑性状态的顶煤残余强度低于支架额定支护强度时出现。 4 I 作面支架所受动载的显现普遍不强烈，动载系数一般低于采用分层开采的顶分 层，坚硬顶板的动载系数则有明显降低，表明上位顶板岩粱的运动对支架影响明显地缓 和。 6 、提高回收率的技术措施 经过十几年的奋斗，围绕提高煤炭回收率，展开了矿压、设备、回采工艺等一系列 的研究，目前取得了回收率高于8 0 ％的成果。 7 、新型系列综放支架及配套设备 我国综放支架的研制居于世界领先水平，目前已拥有适合不同倾角、不同厚度煤层 和不同顶底板条件的系列产品以及配套设备，而且成功地设计制造了过渡支架和端头支 架两个特殊品种，使综放开采技术具有了更好地适应性。 1 ．3 放顶煤采场矿山压力理论的国内外现状 随着综放开采技术的发展、推广、和应用，国内外学者对综放采场的岩层活动及矿 4 些查至 垫查兰堡 堂竺笙塞堡垄 山压力显现特点进行了研究，取得了一些较为一致的认识。普遍认为，综放开采是仍然 存在周期性的压力变化，支架载荷和矿压显现不大于分层开采，而在某些条件下又表现 出较为明显的矿山压力显现。由于综采放顶煤工艺的显著特点是一次采出煤层厚度成倍 增加，由此引起上覆岩层运动及结构特点的变化，这就要求人们在新的开采条件下，探 讨上覆岩层的活动规律和结构特点。西安矿业学院邓广哲 1 9 9 4 通过放顶煤现场实测 和立体相似模拟分析，探讨了放顶煤采场上覆岩层运动的拱结构特征及其矿压和控制规 律，借鉴拱壳结构力学分析方法，对放顶煤采场上覆岩层形成拱结构从宏观上作了初步 分析；煤炭科学研究总院北京开采所闰少宏、贾光胜 1 9 9 6 基于放顶煤开采上覆岩块 运动特点引入了有限变形力学理论，提出了上位岩层结构面稳定性的定量判别式，并根 据结构面极限挤压角的概念及挤压角与层面弯矩的关系分析了放顶煤开采上覆岩层平衡 结构向高位转移的原因兖州矿业集团赵经彻、陶廷云 1 9 9 7 应用内外应力场理论对 分层开采、网下综放、全厚综放三种不同开采条件下的冒落岩层厚度、导水裂隙高度、 地表沉陷特征以及支承压力大小及分布特点进行了分析和探讨，建立了相应的计算模型； 张顶立 1 9 9 8 提出了“砌体梁”与“半拱”式结构结合而构成的综放工作面覆岩结构 的基本形式，指出覆岩结构的特殊性及顶煤的松软破碎是造成综放顶煤工作面矿压显现 复杂化的主要原因；太原理工大学贾喜荣 1 9 9 8 基于“弹性板与铰接板结构”力学模 型把中厚煤层开采中采场矿压计算的分析方法推广到放顶煤工作面顶板来压计算中，提 出了完全承载层、过度层和非承载层的基本判据；山东矿业学院矿压所杨淑华、姜福兴 1 9 9 9 在现场观测和动力学分析的的基础上，研究了综放采场支架载荷有时比分层开 采大而有时小的力学机理，给出了综放采场的两种典型顶板结构以及它们的静力和动力 学特征中国矿业大学陆明心、郝海金、吴健 2 0 0 2 认为综放工作面上覆岩层存在比 分层开采层位更高的平衡结构，以大变形梁的形式存在，结构的活动是一逐渐变化的过 程，在这一过程中，平衡结构与其下的顶板和硕煤相互作用姜福兴 1 9 9 4 认为放顶 煤采场的顶板结构由顶煤、直接顶和老顶组成。根据文献[ 3 1 ，放顶煤采场的需控岩层， 主要指直接顶和顶煤，由于顶煤的存在，老顶的运动效应将被“弱化”，变为次要的控制 对象。“不能永久地向煤壁前方和采空区矸石传递力”是直接顶的一个特征，在放顶煤采 场，由于顶煤从垮落到放完是一个动态过程。在此过程中直接顶的厚度是变化的，也既 老顶的厚度和位态是变化的，其变化主要由顶煤的放出率控制。尽管老顶在顶板控制中 不是主要对象，但老顶的周期运动在支架上产生周期性的压力。在直接顶上方存在一个 传递力的结构。放顶煤采场老顶的结构有三种，分别为“煤．煤结构”、“岩．矸结构”、“岩 S 生查型丝查堂堡 堂皇丝壅 一羔 生 梁结构”。由于“煤．煤结构”、“岩一矸结构”为块度小的顶煤或矸石组成的拱式平衡结构， 其失稳为变形失稳，对采场支架构成的威胁小，而岩梁结构出现在煤层上存在大厚度坚 硬岩层且直接顶厚度较小、顶煤较薄时，直接顶内不再存在小结构，直接顶的作用力必 须有支架全部承担，采空区充填不满，坚硬老顶底运动将对采场支架产生较大的作用。 此外，其他许多学者也在采场矿山压力理论及覆岩运动规律方面作了许多卓有成效 的工作，对于矿山压力与岩层控制理论的发展和完善起了巨大作用。近年来，有些学者 将非线性科学的一些基本原理应用到采场矿压与预测领域，对矿压现象的预测和可预测 评价问题进行了有益的探索。 1 ．4 采场上覆岩层结构的研究方法 进入9 0 年代后，钱鸣高院士 1 9 9 4 领导的课题组对砌体梁结构进行了进一步的研 究，促成了“s - R ”稳定性理论的形成。该理论认为采动后岩体内形成的砌体梁力学模 型是一个大结构，而此大结构中影响采场顶板控制的主要是岩层移动中形成的离层区附 近的几个岩块关键块，关键块的平衡与否直接影响到采场顶板的稳定性及支架受力 的大小。因此，钱鸣高教授在砌体梁结构研究的前提下重点分析了关键块的平衡关系， 提出了砌体梁关键块的滑落与转动变形失稳条件即“S - R ”稳定条件。缪协兴教授 1 9 8 9 对采场老顶初次来压时的稳定性进行了分析；西安科技学院侯忠杰【_ 7 2 】给出了较精确的老 顶断裂岩块回转端角接触面尺寸，并分别按照滑落失稳和回转失稳计算出了类型判断曲 线；黄庆享、钱鸣高、石平五 1 9 9 9 建立了浅埋煤层采场老顶周期来压的“短砌体梁” 和“台阶岩梁”结构模型，分析了顶板结构的稳定性，揭示了工作面来压明显和顶板台 阶下沉的机理是顶板结构滑落失稳，给出了维持顶扳稳定的支护力计算公式采场老顶 结构稳定性判据中有两项重要参数，即老顶关键块与前方岩体之间的端角摩擦系数和岩 块间的端角挤压系数，这两项参数的大小直接关系到顶板结构的稳定性及失稳形式的判 断，对采场顶板岩层控制的定量化分析至关重要，黄庆享、钱鸣高、石平五 2 0 0 0 通 过岩块实验、相似模拟和计算模拟，研究了老顶岩块端角摩擦和端角挤压特性，得出了 老顶岩块端角摩擦角为岩石残余摩擦角，摩擦系数为0 ．5 ，端角挤压强度受弱面的影响明 显且具有规律性，端角挤压系数为0 ．4 。另外，钟新谷 1 9 9 4 借助突变理论分析了煤矿 长壁工作面顶板变形失稳的初始条件，推导了变形失稳的分叉集，指出了顶板不发生大 面积来压的条件；钟新谷 1 9 9 6 利用板的弹性稳定理论，分析了采场坚硬顶板的稳定 6 坐查型茎查兰婴生堂垡丝苎篓堡 性，提出了大面积顶板来压时采场顶板临界稳定参数模型；钟新谷【7 9 】借助结构稳定理论， 分析了工作面顶板“三铰拱”结构、“砌体梁”结构的变形失稳机理，建立了顶板变形失 稳的几何、载荷参数条件，提出了确定合理支架刚度的标准及计算公式，同时指出，顶 板岩层流变会降低顶板结构承载能力，促使变形失稳发生。煤炭科学研究总院北京开采 所闰少宏、贾光胜 1 9 9 6 基于放项煤开采上覆岩块运动特点引入了有限变形力学理论， 提出了上位岩层结构面稳定性的定量判别式。 1 ．5 课题研究的目的和意义 我国虽然是世界主要产煤大国之一，但产量和效益等主要技术经济指标与世界先进 采煤国家相比，差距还比较大I 矧。出于竞争的需要，各主要产煤国的矿井实行高产高效 已成为普遍趋势，因此，综放技术得到广泛应用。近年来，我国在早期认为不适合使用 放顶煤的“二硬”煤层、“三软”煤层、倾角较大煤层、高瓦斯易突出煤层及易自燃煤层 等中，成功地实现了综放开采，在国际上都属首, 自r j t 2 3 1 。虽然我国站在了这项技术的前沿， 但综采作为一项完善的技术理论体系，尚有许多问题等待我们去解决。 综放工作面矿压显现异常就是近年来摆在煤炭科技工作者面前的问题之一。综放工 作面矿压显现异常现象给企业带来了重大经济损失，但关于矿压显现异常的机理尚未有 深入的研究，缺乏清晰的认识。本文通过理论分析与现场实践相结合的方法，并借助于 实验室实验的手段，以鲍店矿5 3 0 8 工作面事故为典型事例，深入分析研究综放工作面矿 压显现异常的机理，并提出综合防治措施。 该研究成果应用于生产实践，将进一步挖掘综放开采技术的潜力。推动综放丌采技 术的发展。此外，由于综放开采技术应用十分广泛，本研究成果将有良好的推广应用情 景和重要的借鉴作用。 1 ．6 课题的研究内容 1 、建立综放开采异常压力显现采场上覆岩层的结构模型。层状岩体结构是煤系 地层的重要特征，随煤层的采 放 出，上覆岩层呈明显的剥离特征。传统的理论认为， 由于传递岩梁的存在，工作面处于传递岩梁的掩护之下，因而只承受顶煤、直接顶和部 分老顶的作用力，甚至只承受顶煤和部分直接项的作用力。但传统的理论显然不能合理 些垄兰 垫查堂堡 兰垡丝苎 ．堑堡 解释综放采场矿压显现异常的状况。通过对矿压显现异常采场地质条件的分析，建立相 应的上覆岩层的结构模型，对于合理解释综放采场矿压显现异常现象具有十分重要的意 义。 2 、分析矿压显现异常采场上覆岩层结构变形失稳的机理。老顶岩梁达到断裂极限 跨距后，随工作面的继续推进，岩梁就会形成断裂。岩梁在断裂时，随岩块的转动形成 强大的水平挤压力，很有可能形成三铰拱式的平衡。也就是说，在老顶岩梁的强度、厚 度以及采高的共同作用下，老顶岩梁的断裂步距和垮落步距不一定一致。关于三铰拱平 衡条件，前人已做了大量研究，认为【l 】当挤压处的岩块强度不足时，挤压处进入塑性变 形，甚至破坏，从而导致整个结构的失稳。另外，当剪切力大于摩擦力或层面夹角小于 4 5 。一52 ．时，都将发生结构失稳。尽管上述条件均能满足，当岩块间咬合处的变形超过一 定值，常常导致失稳，一般称之为变形失稳。关于变形失稳的极限条件有待于进一步探 讨。综放工作面采空区相对充填不实，老顶岩梁回旋空间大，导致结构失稳的机会增加。 一旦发生结构失稳，将对工作面造成强大的冲击载荷。 3 、综放工作面矿压显现异常机理的论证。本论文将以具体采场矿压显现异常事故 为例，分析发生矿压显现异常现象的水文地质条件、力学条件，揭示矿压显现异常的真 正原因，来验证综放工作面矿压显现异常机理分析的正确性。 4 、综放工作面矿压显现异常的综台防治措施。综放工作面的异常来压具有突发性、 迅猛性和难以推断性，但并非不可预防。若按异常压力值去设计超大吨位液压支架，既 不现实也没必要。采用电磁辐射动态监测开采过程中构造活化灾变与岩层断裂灾变的全 过程，并依此制定岩层控制的措施，改变开采工艺的方法渡过有可能发生异常来压的地 段。 1 ．7 课题的研究方法和手段 l 、基础资料的分析整理充分收集、整理有关课题研究的现场资料和学术论文及 著作。 2 、理论分析根据力学知识对矿压显现异常的综放工作面上覆岩层的结构模型进 行研究，分析结构失稳的条件，并预计异常压力值的大小。 3 、工程应用利用典型事例验证研究结果的合理性和正确性。 山东科技大学硕士学位论文综放采场矿压显现异常现象 2 综放采场矿压显现异常现象 2 ．1 综放采场矿压显现异常的内涵 由于采场围岩 主要指直接顶、老顶和直接底 赋存状况不同，采煤工艺参数 如 采深、采高、倾角、回采率及推进速度等 不尽相同，各采场间矿压显现规律有明显的 差别。但总的来说，采场矿压显现有一个共同特征，即都要经历初次来压和周期来压两 个过程，且来压过程中处理得当，一般不会对生产和人身安全造成威胁。 为了保证生产工作的正常进行与矿工的人身安全，必须对回采工作面进行维护，对 回采工作面形成的矿山压力进行控制。在生产实践中，人们往往根据采场的布置、采煤 工艺、采空区处理方式等特点对采场的矿压显现进行分析，利用估算法、实测法预计支 架应承担的顶板压力Ⅲ，然后结合不同类型支架的性能和工作特征，对采场进行支架的 优化选型，即可满足安全生产的需要。 然而，在煤层赋存条件特殊的情况下也会发生例外。例如【6 6 】新汶矿业集团公司华 丰煤矿4 4 煤顶板上方l O O m 左右有一层5 0 0 ～8 0 0 m 的巨厚砾岩层，受采动影响，该巨厚 砾岩层与老顶复合运动，由于老顶整体性好，分层厚度大，利于传递上位岩层对下位煤 层的冲击载荷，巨厚砾岩层的自重应力通过采场前方的支撑区和后方的采空区向深部转 移，当高集中应力传递到采场时，采场发生大面积来压。见表2 ．1 。 表2 ．1华丰矿犬面积来压统计 T a b l e2 ．1S t a t i s t i c so f p r e s s u r ec a u s e db y b i ga r e ac a v i n gi nt h eH u a f e n gM i n e 9 山东科技大学硕士学位论文 综放采场矿压显现异常现孽 此外，在当工作面顶板是由厚度的、强度高、变形能力弱的岩层组成时，采空区内 往往大面积悬顶，一旦垮落，破坏性极大。如1 2 】山西大同马脊梁矿4 0 2 采区开采2 号煤 层，顶板为4 m 厚砂砾岩，其上为5 0 ～1 0 0 m 厚的砂岩，当采空区悬顶面积达1 5 1 0 0 0 m 2 时，采场大面积来压，一次冒落面积1 2 5 0 0 0 m 2 ，冒落时挤出风量约5 0 0 0 0 0 m 2 ，暴风吹 倒三座永久性密闭，给安全生产造成极大危害。北京、新疆艾维尔沟等矿区也有大面积 来压现象发生。 顶板运动规律受地质构造、煤层赋存状况和覆岩状况的共同影响，我们把由顶板运 动规律变化导致的超出常规预计的、对采场安全生产造成较大危害的采场压力称为异常 压力，由异常压力引起的强烈的采场矿压显现如支架损坏、顶板台阶下沉、严重片帮、 架前漏冒、煤与瓦斯突出等现象称为矿压显现异常。 本文所指的矿压显现异常现象特指发生在综放采场的较强烈的动压现象，指在采深 不太大，顶板条件一般的采场，在经历初次来压和几个周期来压均正常生产的’隋况下， 突然出现较大面积的顶板异常来压，采场支架被迅速压死，甚至压坏，对工作面正常生 产造成不利影响。这种异常来压现象在工作面推进方向的距离上往往不具有周期性，因 而对安全生产更具有危害性。 2 ．2 综放采场矿压显现异常现象 综放开采技术以其高产、高效和安全的综合优势，已经成为我国厚煤层开采的主要 技术。其中，液压支架是综放技术的关键设备，我国综放支架的研制居于世界领先水平， “九五”重大科技攻关项目Z F S 6 2 0 0 ／1 8 ／3 5 型放顶煤液压支架使得工作面单产达到了5 0 0 万吨，工作阻力6 0 0 0 ～6 2 5 0 K N ，支护强度为0 _ 8 ～0 ．8 6 M P a 。“十五”期间将为进一步提 高工作面单产研制工作阻力更高、支护强度更大的液压支架。但在支护强度如此大的综 放采场依然发生了支架被压死、油缸变形、爆裂等严重事故的矿压显现异常现象。表2 ．2 是我国兖州、徐州矿区部分综放采场发生矿压显现异常现象的资料统计。 1 0 山东科技大学硕士学位论文 综放采场矿压显现异常现象 表2 ．2 综放采场矿压显现异常资料统计 T a b l e2 ．2S t a t i s t i c so fg r o u n dp r e s s u r eb e h a v i o ra n o m a l yi nf u l l y m e c h a n i z e dt o p - c o a lc a v i n gw o r k i n g f a c e 矿区 工作 煤层厚 来压时采 柬压时问来压现象来压后果 面编支架型号场位置地 矿名度 m 号质状况 顶板淋水， 采空区涌水，1 0 棵立柱损坏，7 2 0 0 1 ．5 ．7 顶板下沉速个支架被压死 度明显加大 充州 t将6 l 一鲥4 架压 矿区褶曲核部 淋水量加大。死。同时9 8 一1 0 8 4 鲍店 5 3 0 88 ．5Z F S 6 2 0 0 ／1 8 ／3 5 B 压力由2 7 架，I I 1 9 4 架也 有断层 2 0 0 1 ．5 ，8 矿 4 矿架向两边 出现一定程度来 延伸 压现象。立柱累 计损坏1 4 棵 淋水、采空区 将6 扩、9 1 9 4 4 2 0 0 1 ．51 2 架压死．累计损 涌水 坏立柱1 6 棵 工作面6 3 ～ 部分变架顶粱下 竟州 7 5 支架{ 现支设的单体液压 矿区 淋水，采空区支柱被压断．立 济宁6 3 0 l6 ．9Z F S 6 2 0 0 1 1 8 ，3 5 C断层附近2 0 0 I1 l3 0 出现涌水且柱半圆环崩i n ， 三号涌水量逐渐缸口开裂，工作 井 增大 面】l ～7 7 支架 争部被压死 顶板淋水大， 来压面积和强度 充州 支架安全阀与上次基本相 矿区 开启，里现雾同．工作面停产 济宁 6 3 0 l6 ．9Z F S 6 2 0 0 ／1 8 ，3 5 C 断层附近 2 0 0 2 1 ．1 l 状喷射2 0 小时 三号 2 0 0 2 ．1 ．2 8 顶板淋水，支立柱大幅度下 井 架安全阀开缩，片帮严重， 停产1 6 小时 兖州 矿区 四连杆断裂、底 兴隆 4 3 1 48 ．5Z F S 6 2 0 0 ／1 8 ，3 5 B 小构造1 9 9 46工作面淋水 座箱开裂 庄矿 兖州 2 0 余架支架被压 矿区项板裂隙 死，停产2 3 小时 东滩 4 3 0 878Z F S 6 2 0 0 ／J 8 ／3 5 B1 9 9 9 ．7 工作面水大 发育 矿 煤壁持续淋 部分支架被压 徐州 水．安全阀开死．两棵立柱爆 矿区构造、裂隙 启率达8 0 ％．裂．溜子道被淹， 张双 - 1 1 0 745W S l ．7 - 1 ．2 f l ，82 0 0 03 2 9 煤壁片帮严工作面被迫停产 非常发育 楼矿 重．影响范围 波及整个工 作面 山东科技大学硕} ‘学位论立 综放采场矿压显现异常现象 2 ．3矿压显现异常现象的分类 通过对发生矿压显现异常现象采场的现场调研，对比分析大量的矿压显现异常现象 的材料，结合发生矿压显现异常时采场的顶板状况、采场周围的构造状况以及来压现象， 对矿压显现异常机理初步分析，矿压显现异常可分为以下三种类型 1 地下水诱导型； 2 地质构造诱导型； 3 顶板大面积来压。 2 ．4 小结 通过对矿压显现异常资料的分析，可以看出矿压显现异常现象有以下几个特点 1 普遍性。从资料来看，矿压显现异常现象不是发生在某个采场的个别现象，在多 个矿区的多家采场均有发生，具有一定的普遍性。 2 突发性、迅猛性。矿压显现异常时，采场来压时间短。速度快，项板的快速下沉 对支架造成强大的冲击载荷。 3 强破坏性。发生矿压显现异常时，顶板破碎、淋水，煤壁片帮，支架被压死、压 坏，安全生产条件恶化，有时工作面被迫停产，给矿井带来重大的经济损失，因而矿压 显现异常具有极强的破坏性。 4 规律性。尽管矿压显现异常现象在时间和推进方向的距离上没有一定的关联性， 但矿压显现异常现象发生时，采场往往处于地质异常带，如褶曲的向斜、背斜处，断层 附近，构造应力集中的地质破碎带等。且来压前常伴有顶板淋水，采空区涌水，煤壁严 重片帮等预兆。 5 可预测、预防性。通过分析综放采场顶板结构运动形式及其失稳条件，利用微地 震监测技术对采场顶板运动的“活化”程度进行全方位实时监控，准确预报有可能发生 矿压显现异常的地质异常带，并采取相应的岩层控制措施，完全有可能避免矿压显现异 常的发生。 山东科技大学硕士学位论文 综放开采技术对采场矿压显现的影响 3 综放开采技术对采场矿压显现的影响 综采放顶煤工艺的显著特点是一次采出煤层厚度成倍增加，由此引起上覆岩层活动 及结构特点的变化。同时考虑到支架直接支撑的是松软顶煤，“支架一围岩”关系发生了 较大的变化，从而使综放采场的矿压显现趋于复杂化。综放开采的岩层结构及矿压显现既 不同于分层开采，也不同于大采高整层开采，并且在不同开采条件下又表现出较大的差 异。那