大采高倾斜长壁综采工作面矿压显现规律及控制研究.pdf

安徽理工大学 硕士学位论文 大采高倾斜长壁综采工作面矿压显现规律及控制研究 姓名张金龙 申请学位级别硕士 专业采矿工程 指导教师华心祝 20040430 一一一一 一6 8 0 3 9 8 摘要 通过现场实测、实验室相似材料模拟、计算机数值模拟和力学理论分析等方 法对大采高倾斜长壁综采工作面矿压显现规律进行了深入研究。从现场实测资料 分析入手，得出了大采高倾斜长壁综采工作面顶板来压规律和支架阻力分布规律 通过相似材料模拟试验得到了大采高工作面在不同推进速度下的矿压显现规律； 采用计算机手段对不同采高和不同倾角的工作面应力分布规律进行了模拟；通过 力学分析，初步建立了大采高倾斜长壁综采工作面顶板结构的力学模型，并分柝 了其顶板初次来压步距和周期来压步距的计算公式；根据该力学模型确定了工作 面液压支架合理支护阻力，并提出了大采高倾斜长壁综采工作面顶板和煤壁控制 措施。论文的研究将丰富大采高倾斜长壁工作面的矿压理论，并为类似地质条件 下的大采高工作面矿压控制提供理论依据。 关健词大采高 倾斜长壁 综采工作面矿压显现规律 俯斜丌采控制 A b s t r a c t T h es t r a t ab e h a v i o rl a wf o rl a r g e m i n i n gh e i g h td i pl o n g w a l l f u l l y - m e c h a n i z e dw o r k i n g f a c ea r es t u d i e dd e e p l ya n ds y s t e m i c a l l yi nt h i s p a p e r , b a s e d o ni n s i t ud a t a ．m o d e ls i m u l a t i o nt e s ti nt h e l a b o r a t o r y , n u m e r i c a t a n a l y s i sb yc o m p u t e ra n dt h e o r ya n a l y s i s ．T h e l a wo fr o o f a c t i v i t i e sa n dt h ed i s t r i b u t i o no f s u p p o r t sr e s i s t a n c ea r eg a i n e db ya n a l y s i s o fo ni n - s i t uo b s e r v a t i o nd a t a ，S t r a t ab e h a v i o r si nl a r g em i n i n gh e i g h td i p I o n g ．w a l lf u l l y ．m e c h a n i z e dw o r k i n gf a c e a r eo b t a i n e d t h r o u g hm o d e l s i m u l a t i o nt e s tu n d e rd i f f e r e n tm i n i n gs p e e d ．T h ed i s t r i b u t i o no fs t r e s sa r e s i m u l a t e du n d e rd i f i e r e n th e i g h ta n dd i f f e r e n ti n c l i n a t i o nc o n d i t i o n s ．B a s e d o nt h et h e o r ya n a l y s i s ．am e c h a n i c sm o d e lo fm a i nr o o fi nl a r g em i n i n g h e i g h td i pl o n g w a l lf u l l y m e c h a n i z e dw o r k i n g f a c ei se s t a b l i s h e d ． A c c o r d i n g t ot h i sm e c h a n i c sm o d e l ，t h ef o r m u l ao f b r e a k i n gs p a n so f m a i n r o o fi s p u tf o r w a r d ，a n d t h e p r o p e rw o r k i n gr e s i s t a n c e o fs u p p o r t si s e s t i m a t e d ．S o m em e a s u r e st oc o r t r o lr o o fa n dm e t h o d st o p r e v e n tf a c e s p a l l i n ga r ea d v a n c e d ．T h er e s u l t so fs t u d yw i l Ie n r i c h 也et h e o r i e so n s t r a t a b e h a v i o rl a wf o r l a r g em i n i n gh e i g h td i pl o n g - - w a l lf u l l y - m e c h a n i z e d w o r k i n gf a c e ，a n d i tp r o v i d e ss o m eb a s i sf o rm i n eu n d e rs i m i l a rg e o l o g i c a l c o n d i t i o n s ． k e yw o r d s l a r g em i n i n gh e i g h td i pl o n g w a l lf u l l y - m e c h a n i z e dw o r k i n g f a c e ， s t r a t a b e h a v i o r , d i pl o n g w a l l ，p i t c h i n gf a c e ， c o r t r o l 大采高倾斜长壁综采工作面矿压显现规律及控制研究 1 绪论 1 ．1 问题的提出及研究意义 我国煤层储量丰富，煤层赋存条件复杂，煤层倾角小于1 5 。的占8 0 ．3 8 ％， 煤层厚度大于3 ．5 m 的占4 3 ．1 7 ％⋯，厚煤层产量约为原煤总产量的4 0 ～5 0 ％1 2 1 ， 很多矿井赋存有3 ．5 ～6 ．O m 厚的煤层，且都为主采煤层。因此，厚煤层开采效 益的好坏，对我国煤炭企业的发展起着举足轻重的作用。因受地质、技术和经 济条件的限制，目前，我国开采厚煤层的方法主要有三种【3 j 传统的分层开采； 综合机械化放顶煤开采即综放开采；大采高整层综采。 传统的分层开采所需设备、开采布局与开采单一煤层基本相同，但由于增 加了分层假顶等特殊的工艺，增加了劳动力和材料消耗，故工作面单产较低， 生产管理较为复杂，安全隐患多J 。分层开采掘进量大，掘进费用高，工作面 搬家倒面次数比较多，采掘接替紧张，且分层巷道在区段煤柱支承压力影响下 受多次反复采动影响，使巷道维护困难，这严重的降低了矿井的经济效益，限 制了我国厚煤层资源优势的发挥。 9 0 年代发展起来的综合机械化放顶煤技术实现了厚煤层的整层开采，大大 提高了产量和效益，也缓和了煤矿生产的部分自然灾害威胁问题。由于综放开 采在工作面增加了一部后部输送机和支架的放煤机构，且增加了支架放煤、拉 后部输送机等工序，导致综放工作面系统可靠性降低，工作面管理难度加大， 循环工序增加【5 】，这使得综放工作面的单产受到一定的限制 有调查表明，目 前综放工作面最高产量低于大采高工作面的最高产量 。同时，长期的生产实践 证明【2 J 1 3 删【8 j 综合机械化放顶煤技术在丌采厚煤层时存在瓦斯涌出量大、采空 区因丢煤多易发火、粉尘浓度大以及采出率偏低、含矸率高五个突出问题，这 几个方面仍有待于进一步的研究、完善。这就在一定程度上限制了综放技术开 采厚煤层的优势，特别是受煤层厚度 有研究表明综放开采煤层最佳厚度的下 限值为6 m 左右 、煤层硬度 放顶煤开采时，煤的硬度系数一般不应大于3 、 煤层结构以及顶板条件等因素的限制时【3 l ，综放开采技术并未能将我国厚煤层 的储量优势转化为技术经济优势。 近些年发展起来的大采高综采是对3 ．5 ～6 ．O m 的厚煤层一次采全高的开采 方法。与分层开采相比，大采高综采具有生产能力大，单产高，巷道布覆简单， 工序简单，巷道掘进量和维护量小，回采工效和煤炭资源回收率高，设备搬家 倒面次数少和节约假顶材料等优点1 2 0 1 与放顶煤开采相比大采商综采具有煤炭 资源采出率高，含矸率少。采面煤尘少，自燃发火和瓦斯涌出量小等优点。大 采高综采目前已经成为我国厚煤层综采的主要发展方向之～，成为厚煤层矿区 实现高效集约化生产的重要途径，是缓倾斜3 ．5 ～6 ．O m 煤层的一个重要发展方 大采高倾斜长壁综采工作面矿压显现规律及控制研究 向，是一种很具有发展潜力的开采方法，是建设一井一面 或一井两面 的高 产高效现代化矿井的主要采煤方法之一。实践证明在适当的地质条件下，大 采高综采技术是开采3 ．5 ～6 ．O m 煤层很有生命力的开采方法1 9 f 。 在我国，大采高综采已经在西山、邢台、徐州、义马、阜新、龙口、开滦、 铜川、双鸭山、淮南、晋城、神府等矿区使用，并取得了一定的成功I jJ 。大采 高综采经过二十年来的发展，现己取得了明显的进展，随着综采工作面生产设 备水平的不断提高，目前国内普通大采高综采面年产量已具有实现年产1 0 0 0 万 吨的能力。 大采高技术在以上矿区多是使用于走向长壁工作面，以致目前对大采高技 术理论研究大多针对走向长壁工作面，而对倾斜长壁大采高技术研究极少，然 而，与走向长壁相比，倾斜长壁开采具有很多优点。 倾斜长壁开采，由于推进方向与走向长壁不同，其矿山压力显现与围岩控 制技术肯定也有很大变化【“】，这些变化用走向长壁开采技术与理论已经无法得 到圆满的解释。因此，系统地研究大采高倾斜长壁综采工作面矿压显现规律及 控制技术，对有效地解决大采高倾斜长壁综采工作面支架选型、防止煤壁片帮、 冒顶和工作面安全正常生产具有很好的指导意义，同时也有利于提高矿井经济 效益、加快我国高产高效矿井建设的步伐及丰富厚煤层开采技术与理论。 1 ．2 国内外的研究现状 1 ．2 ．1 国外大采高综采的发展与相关研究 大采高综采受到了许多国家的普遍重视，是国外高产高效矿井采用的主要 采煤方法，特别是缓倾斜厚煤层 3 ．5 ～6 ．O m 大采高综采在国外得到了广泛的 发展。8 0 年代以来，世界主要的产煤国家高产高效综采技术发展迅速，综采工 作面高产高效纪录不断刷新，综采装备新技术也层出不穷。其中前苏联、南斯 拉夫、美国、澳大利亚、德国、英国、波兰、捷克、斯洛伐克、法国和南非发 展较快p j 。 前苏联对倾角为6 。～8 。，厚度为3 ．5 ～5 ．5 m ，坚硬程度不同的直接顶和 老顶的煤层进行了整层垮落开采，得到了以下几点结论㈣ 1 采高加大，支 架受载加大，老顶来压频繁； 2 支架支护强度不应小于1 ．4 ～l _ 5 M p a ，初撑力 与工作阻力之比不应小于0 ．5 ～O ．6 ； 3 支架要有完备的防片帮装最和防护顶 板动压的装罱。以上这些结论对大采高开采具有一定的指导意义。 南斯拉夫为确定大采高最大采高的合理值，作了不同采高的相似模拟试验， 得到了顶板初次垮落步距L 1 和周期垮落步距L 2 和采高M 的关系分别为1 1 8 】 厶 7 , 5 7 M 2 3 6 ．9 5 M 7 6 ．4 I - - 1 大采高倾斜长壁综来工作面矿压显现规律及控制研究 L 2 3 ．1 I M 2 2 4 ．8 M 5 4 ．5 1 2 美国是当今长壁综采水平最高的国家，其长壁开采技术在世界范围内一直 处于领先地位。美国也是最早采用大功率、高强度、高可靠性综采成套设备的 国家之一【4 1 。早在1 9 9 4 年。美国高产高效综采面平均长度就已达2 3 7 m ，最大工 作面长度为3 3 3 m ，工作面连续推进长度平均为2 4 7 0 m ，最大为4 4 1 8 m 。目前美国 新一代高产高效综采设备基本上实现了采煤工作面的半自动化。其中，工作面 液压支架的发展尤为突出，据统计，美国长壁工作面中液压支架基本以掩护式 为主，约占全部架型的9 6 ％，且有向两柱式发展和应用电液控制技术的明显趋势， 其两柱掩护式支架工作阻力大部分在7 0 0 0 ～8 0 0 0 k N ，最大的两柱掩护式支架工 作阻力已达到9 8 0 0 k N 。在支架高度上，5 ．5 m 结构高度支架的设计和制造加工技 术已经成熟，现正向6 ．O m 发展。 澳大利亚具有世界上最好的开采条件，其综采水平在进二十多年来发展较 快，综采工作面数量从1 9 8 0 年的3 个增加到1 9 9 4 年的2 5 个，工作面年产量不 断提高 已超过3 0 0 万t ／a ，井工效率不断增加 已达到1 7 ．7 1 t ／工 。近年来， 澳大利亚为保持练采产量的持续增长，又引进了世界各国最先进的重型高效新 装备和新技术，实现了一井一面的集约化生产。 德国和英国是世界上综采技术装备最先进的国家，世界著名的采煤机械公 司主要集中在德国和英国。德国特别是在液压支架研制上取得了较大成果【4 1 ， 德国的D B T 公司曾与美国的J O Y 公司同为生产高工作阻力、高结构高度支架的 厂家。近年来，德国的大采高支架技术又有了较大的进展，支架结构进一步完 善，采用了高可靠性设计和先进的电液控制技术。我国神府矿区大柳塔煤矿就 曾在1 9 9 5 年引进了德国威斯特伐利亚公司生产的w S l ，7 6 7 5 0 ／2 l ／4 5 两柱掩护 式大采高支架并使用成功，2 0 0 0 年获得年产量8 0 3 万t 的好成绩。 除上述各国外。南非、波兰及法国等主要采煤国家都进行了大采高试验， 并取得了一定的成功。 ． 国外长壁工作面从一般综采发展到当今的高产高效大采高综采大约经历了 1 5 年，这一过程最明显的特点就是综采设备不断更新换代，采用重型化、强力 化、自动化和机电一体化的设备，特别是各种大采高综采液压支架的研制与加 工，使生产大大集中，工作面单产和工效大幅度提高。总结国外大采高综采高 产高效的成就主要体现在以下几点【9 】 1 矿井生产高度集中。井型为4 0 0 万t ／a 甚至更大，多为一矿一面。工 作面平均月产可达3 0 万t 以上，日产可达1 万t 以上。 2 广泛采用大功率高效能重型成套机电设备。采煤机总功率在1 0 0 0 k w 以上，最高已达2 2 8 5 k w ，采高已达5 ．5 1 1 1 以上；工作面刮板输送机功率已达 2 2 5 0 k w ，最大输送能力4 0 0 0 t ／h ，过煤量6 0 0 万t 以上；平巷带式输送机装机功 火采高倾斜陡壁综采二f 作面矿压显现规律及控制研究 率 2 ～4 又 2 5 0 ～3 0 0 k w ，最大转送能力达3 5 0 0 t ／h ，铺设长度2 0 0 0 m 以上； 液压支架广泛采用电液阀控制和高压大流量供液系统，支架的支撑高度，支护 强度和工作阻力不断加大。国外研制的掩护式支架结构高度已达7 m ，采煤机最 大高度已达到5 ．4 m ，支护强度一般为0 ．8 ～O ．9 5 M p a ，最大达1 ．1 M p a ，工作阻力 一般为6 0 0 0 ～8 0 0 0 k N ，最高已达1 0 0 0 0k N 。 3 工作面推进长度大。一般2 0 0 0 ～3 0 0 0 m ，最长已达5 2 8 0 m ，美国西 部某矿设计工作面推进长度已达6 7 0 0 m 。 4 工作面可靠性高。采、装、运和支护设备综合开机率达9 0 ％以上。 5 工作面设备配套合理。美国综采面刮板输送机、转载机、平巷带式输 送机的生产能力一般大于采煤机最大生产能力的2 0 ％，以便形成由工作面往外生 产能力越来越大的煤流，为保持工作面稳定高产创造条件。 1 ．2 ．2 大采高综采在我国的实践与发展⋯K 】 我国的大采高综采是在综合机械化采煤法的基础上发展起来的。我国综合 机械化采煤从7 0 年代开始，经过三十多年的发展，开采了各种地质条件的煤层， 积累了一定的经验和教训。特别是对采高比较大、顶板比较破碎、煤壁易片帮、 底板比较软等的地质条件下煤层的开采都有了比较深刻的认识。这些经验和成 果的取得，为我国大采高综采的发展在理论上和实践上莫定了颦实的基础。 从1 9 7 8 年起，我国从德国引进了G 3 2 0 2 0 ／3 7 型、G 3 2 0 2 3 ／4 5 型等型号的 大采高液压支架及相应的采煤运输设备，先后经历了消化、吸收和改进提高的 过程。到目前为止已经形成了较完整的设计、制造和科研体系，特别是对3 ．5 ～ 4 ．7 m 的缓倾斜厚煤层的综采设备已经基本上实现了国产化，其性能和质量己达 到国外同类产品2 0 世纪9 0 年代的水平f 4 】。 开滦矿区早在7 0 年代未就试验4 m 左右煤层综采一次采全高，1 9 7 9 年范各 庄煤矿综采队在1 4 7 7 工作面利用从西德H s 公司引进的G 3 2 0 2 3 ／4 5 两柱掩护 式支架，配套E D w 一3 0 0 L H 双滚筒采煤机，5 K F 3 ／7 4 V 工作面输送车凡试采3 ．3 - - 4 ．3 m 厚煤层取得成功，’平均月产达7 0 8 1 9 t ，最高月产达9 4 9 9 7 t ，工作面工效1 9 7 t ／ 工，达到当时我国综采最好水平。 1 9 8 4 年西山矿务局官地矿在8 煤层1 8 2 0 2 工作面使用我国自行研制的第一 套大采商综采设备B C 5 2 0 2 5 ／4 7 型支撑掩护式液压支架、M A X 一3 0 0 ／4 ．5 无链牵引 采煤机，进行了大采高一次采全厚综采的工业性试验，并获得成功。 1 9 8 6 年邢台矿务局东庞煤矿使用B Y A 3 2 9 - 2 3 ／4 5 型国产掩护式液压支架及 与其相配套的大采高综采设备，在2 7 0 2 工作面进行了工业性试验并取得了成功， 以及使用B Y 3 2 0 2 3 ／4 5 柱掩护式支架、M A x 一3 0 0 型双滚筒采煤机及S G z 一 7 3 0 ／3 2 0 8 刮板输送机等设备在2 2 1 4 工作面进行了工业试验，试验期间平均月产 8 0 4 8 5 t ，最高月产1 3 5 1 4 6 t ，平均工效2 4 t ／工，以后又相继在其它几个回采工 大采高倾斜睦壁综采一[ 作面矿压显现规律及控制研究 作面试用。在以上试验的基础上，东庞煤矿与北京煤机厂合作，迸一步研制了 最大采高达5 ．O m 的B Y 3 6 0 0 2 5 ／5 0 型大采高液压支架，并于1 9 8 8 年8 ～1 0 月在 该矿采高为4 ．8 m 的2 1 0 1 工作面，进行了试验，也获得了较好的效果。该矿自 1 9 8 9 年以来一直保持了大采高综采队年产百万吨以上的水平。 1 9 8 7 年，徐州矿务局张双楼矿使用8 Y 3 6 0 0 ／2 5 ／5 0 B 型掩护式液压支架 和型采煤机，在9 煤层进行了采高为5 ．O m 的大采高综采试验，获得了成功。2 0 0 0 年，该矿的原煤总产量为1 3 9 万t 。全员工效7 ．1 5 t ／工，是我国大采高综采的 又一成功范例。 1 9 9 1 年，铁法大兴矿采用北京开采研究所Z Z 6 4 0 0 ／2 4 ／4 7 支撑掩护式液压支 架配合M G Z X 4 0 0 - - G W 采煤机，在7 2 煤进行了大采高综采。采高4 ．2 m ，工作面 平均月产达2 0 万t 以上，实现了高产高效。 “七五”期间，在徐州矿务局权台煤矿3 1 4 7 工作面进行了4 ．5 m 的厚“三 软”煤层一次采全高综采成套设备及工艺研究，经过长达5 年的技术攻关，解 决了许多技术难题，取得一些科研成果。在此基础上，1 9 9 2 年，龙口梁家矿综 采队采用Z Y Y 4 4 1 0 ／2 3 ／4 2 支撑掩护式支架配合A M 5 0 0 型采煤机，在4 ．2 m 大采高 和“三软”煤层条件下，使用了一次采全高大采高综采，2 0 0 0 年原煤总产量达 1 5 6 万t ，刨我国“三软”煤层开采的高产纪录1 3 】。 1 9 9 6 年，神东矿区大柳塔煤矿，从美国、德国以及英国全套引进国际先进 设备，在2 2 煤采用一次采全厚大采高开采，取得成功，其大采高综采面单面 最高日产为3 6 8 4 6 t ，最高月产8 6 7 2 6 2 t ，平均日产可达2 ．5 万t 以上。2 0 0 0 年 生产原煤9 2 0 ．6 万t ，单面年产量达8 0 3 ．3 万t ，全员工效达9 3 ．3 t ／工，达到了 世界先进水平。 综上所述，我国大采高综采经过二十年的发展，在实践上已取得了较大的 成功，并在技术经济上体现出了明显的优越性和潜力。 1 2 3 国内外倾斜长壁开采的发展及研究现状 倾斜长壁采煤方法具有简化生产系统、减少上山掘进量等优点【叫。 6 0 年代以来，倾斜长壁采煤法在世界主要的产煤国家如原苏联、德国、法 国、英国、1 波兰等相继得到推广应用。原苏联的顿巴斯、库兹巴斯和卡拉甘达 等煤田在1 9 5 6 年就应用倾斜长壁采煤法，到1 9 7 5 年，其倾斜长壁采煤法的产 量占总煤产量的1 4 ％，后来又增加到总产量的1 9 ％。 在西欧国家如法国和西德倾斜长壁开采也有一些应用。7 0 年代以后，英国 的倾斜长壁多数用于煤层烦角为1 5 。以下的煤层。德国的倾斜长壁工作面煤产 量占全国煤炭产量的1 2 ．5 ％。法国的倾斜长壁工作面煤产量占全国煤炭产量的 2 0 ％。 我国的的倾斜长壁采煤法是1 9 7 5 年首先在大同煤峪口矿、枣庄矿务局天屯 大采高倾斜欧壁综采』作面矿压显现规律及控制研究 矿开始试验成功并推广使用的⋯J 。当时主是要应用于8 。以下的缓倾斜煤层。 1 9 8 0 年，在倾角1 2 。以下的缓倾斜薄及中厚、厚煤层中，推广使用了倾斜长壁 和倾斜分层倾斜长壁采煤法，获得了很好的技术经济效果。后来鸡西矿务局在 倾角1 2 。～2 4 。条件下采用倾斜长壁也取得了成功。现在对煤层倾角为1 4 。～ 2 0 。以及在“三软”条件下也有少数相关研究。 检索表明，倾斜长壁采煤法在我国多用于倾角小于1 2 。，采高小于3 ．5 m 厚的薄及中厚煤层。随着目前新型采煤设备不断的更新，引进国外先进技术设 备。对于厚度在3 ．5 ～6 ．O m 的煤层完全可以实现一次采全高的倾斜长壁开采。 从而取消分层开采集中巷道的布鼍，提高采区和工作面的技术经济指标。 1 ．2 ．4 大采高矿压理论研究现状 随着大采高综采技术在我国的发展和应用，大采高综采的理论与实践的研 究也取得了一定的进展，其主要表现在以下几个方面 ． 1 大采高工作面矿压显现规律研究 西安科技学院的吕军和侯忠杰采用相似模拟实验及矿压观测等方法对浅埋 煤层大采高工作面矿压显现进行了研究【l4 1 。指出松散层厚度、顶板基岩厚度、 采高、支架工作阻力及直接顶厚度等是影响其矿压显现的重要因素。其结论丰 富了我国浅埋煤层的矿压理论，对指导浅埋煤层大采高开采具有一定的意义。 吴士良博士通过对龙口矿务局梁家煤矿“三软”煤层围岩力学性质以及直 接顶与老顶的构成的分析，对“三软”煤层大采高综采直接顶、老顶初次来压 与周期来压步距以及顶板压力的变化规律进行了研究[ 1 3 ] ，提出了加大初撑力 及时护顶等控制顶板运动的措施以及防止煤壁片帮和支架插底的技术措施，取 得了三软煤层大采高控制围岩的预期效果。 牛学良硕士采用有限元程序模拟了在不同采焉，不同硬度煤层、不同支护 强度条件下大采高走向长壁工作面顶板来压前后采场顶底板及煤层应力分布， 并对大采高工作面煤壁片裁做了简要的分析【旧】，其研究成果充实了走向长壁大 采高工作面矿压的理论。 高级工程师赵宏珠等人从矿压角度探索了大采高综采面围岩运动规律，分 析了采面围岩应力分布特点【l l ，从而为确定大采高支架工作阻力和结构高度等 主要参数提供了理论依据，并对大采商支架设计提出了要求。 另外，还有国内的学者对邢台矿务局东庞矿4 ．5 m 大采高工作面和徐州矿务 局权台矿4 ．5 m “三软”大采高工作面的矿压规律进行了相关的研究，得到了一 些较具有代表性的结论。 2 围岩控制的研究 石家庄铁道学院的李宏建、孙星亮和西安矿业学院的石平五等通过实验室 相似模拟试验，对大采高工作面在高速推进过程中上覆岩层的运动规律及支架 大采高倾斜睦壁综采工作面矿压显现规律及控制研究 与围岩的相互作用关系进行了研究I l ”，指出在高速推进过程中支架初撑力对围 岩的控制作用，为工作面支架的选型和参数的选择提供了一定的理论依据。 张守祥工程师根据开滦矿区煤层采高大、顶板较破碎、煤壁易片帮、底扳 较软的特点，设计出了Z Y 3 6 0 0 ／2 0 ／4 5 型掩护式支架【l7 1 。使得在该地质条件下的 顶扳支护和煤壁片帮问题得以很好的解决，大大简化了大采高采煤工艺，创造 了较好的经济效益和社会效益，并为类似地质条件下支架的选型和参数设计提 供了经验。 3 支架稳定性研究州～I ”1 我国大采高综采面液压支架稳定性事故率平均高达6 ～1 0 ％以上【2 0 】[ 2 2 】，远比 采高小于3 ．5 m 的综采面严重，并己制约了大采高综采高产高效潜力的发挥与推 广。可见，大采高液压支架倾倒问题已成为生产实践中迫切需要研究和解决的 采矿难题。根据大采高支架在井下的生产实践，大采高支架稳定性问题分为两 大类，即横向稳定和纵向稳定。二十年来，我国的采矿工作面者和科研人员分 别对这两类支架的稳定性进行了相关的研究和探索。 太原理工大学的弓培林博士和靳钟铭教授对单个支架以及多架支架在不同 采高、倾角、重心高度等多因素条件下的横向倾倒与滑移进行了实验室试验研 究，且对试验结果进行了正交分析【1 9 1 ，得出①对于单架支架，倾角、采商、 重心高度等对支架横向倾倒明显影响，三者之中倾角居首位，随着倾角 倾角 系指支架短轴方向与水平面的夹角 的加大，支架表现为两种横向失稳趋势 一是底座的下滑，二是支架以底座下侧为支点的向下倾倒。一般来讲，随着采 高的增大，支架的重量加大，支架的重心也随之而升高，而重心越高则支架越 易发生倾倒。故它们影响程度的排序为倾角一采高一重心高度。②对多架支 架来讲移架顺序对于工作面的整体下滑起很大作用，由下而上移架的下滑量要 比由上而下的下滑量大的多。考虑移架顺序时，影响因素的排序是移架顺序 一倾角一采高一配重。 段子晔工程师通过对平顶山煤业集团十二矿大倾角大采高综采工作面支架 下滑和倾倒原因迸行了分析，分别给出了支架与顶板接触 有顶板压力 和支 架与顶板没有接触 无顶板压力，如顶板冒空 时下滑的控制条件以及支架倾 倒的控制条件[ 2 3 l ①支架下滑 a 支架与顶板接触时 有顶板压力 的控制条件 a ≤a r c t a n f 1 3 其中a 煤层倾角 f 支架底座与底板问的摩擦系数。 b 支架与顶板无接触时 无顶板压力 的控制条件 大采高倾斜长壁综采工作面矿压显现规律及控制研究 。a r c t a i l ， 1 彘 “_ 4 其中n 煤层倾角； ． f 支架底座与底板间的摩擦系数； G 支架重量； Q 顶板对支架的压力。 ②支架倾倒 口≤a r c t a l l 些生一】 1 5 、Q H G H l ’ 其中n 煤层倾角； Q _ 一顶板对支架的压力 B 支架底座宽度； H 支架使用高度； H t 支架重心高度。 并提出了在支架设计上应增加底座宽度、降低支架重心高度、适当增加支架的 初撑力和工作阻力、加大支架侧护板高度和增加侧推力、增加支架拉架力、增 加支架底座与底板的摩擦系数等措旌，在工艺上应将工作面伪倾斜布置、坚持 推溜和移架由下至上的操作程序以及煤机割煤时尽量不留顶煤以使支架顶架与 顶梁接触严密等措施。 中国矿业大学钱鸣高教授和何富连博士等通过现场调研实测，分析了大采 高液压支架的倾倒特征[ 2 0 i ，指出顶板冒漏或在移架过程中出现的支架下滑和向 下翻倒是导致支架倾倒的关键问题，有效防治支架倾倒的基础是单个支架的稳 定性。单个支架不能稳定时才考虑发挥邻架的侧向约束及防倒、防滑和调架装 簧的作用。并采用力学分析方法，以单个二柱掩护式支架为研究对象，着重研 究了顶板冒漏的极限状态顶板冒空条件下和移架过程中支架倾倒的控制问 题。分别给出了支架在顶板冒漏条件下和移架过程倾倒的控制条件 ①顶板冒漏肘支架倾倒的控制条件为 ． o F 。 1 7 其中F 移架过程中支架卸载后单根立柱的实际残余支撑力 大采高倾斜K 壁综采r 作面矿压显现规律及控制研究 F 。保障支架擦顶前移的单根立柱残余支撑力最小值F 。I 、防止支架下滑 的单根立柱残余支撑力最小值F 。2 和防止支架向下翻倒的单根立柱残余支撑力 最小值F 。3 三者中的最大值，即F m m a x F m l ，F 。2 ，F r 0 3 。其中F m l ，F r 0 2 ， F 。3 的表达式如下 P‰F 4 f 2 t 6 ．T l l 一 G l lg l G 2 z “ c o s a ． h 1 一 瓦一1 一一2 k 一 一’ ，G s i n a 一∥lc o s ／4 一 1 6 7 “ 1 1 一 G i l g I G 2 1 9 2 C O S 。 h 2 。可万瓦万一 i ■一 P G 2 H R s i n 口一B c o s a ／．一，2 ，6 ，T l l 一 G j l 口1 一G 2 ，s 2 c o s a “3 2 1 s 口 2 ／1 2 Ⅳ ‘ 2 1 5 式中Q 。～支架擦顶前移过程中需承受的最小顶板载荷，k N ，保障支架擦顶 前移的最低支护要求W 2 Q 。； a 煤层实际倾角； G 支架重力，k N G 。顶梁重力，k N G 2 顶梁和掩护梁重力，k N ； T 平衡千斤顶作用力，k N ； B 支架底座宽度，m ； H r 一支架重心高度，m ； H 支架实际支撑高度，m ； f 9 1 七1 对0 1 点的力臂，m ‘* 2 - G 2 对0 2 点的力臂，m 其它参数和尺寸如图l 一1 所示。 t 4 走冉觇西’僻冉砸萄 图1 1移架过程中支架倾倒的力学模璀 中国矿业大学的姚志昌、方新秋、何富连等人通过实验室模拟和现场实测 对仰采工作面大采高支架顶梁俯仰角y 与顶板控制的关系进行了研究‘2 ”，研究 具体分析了支架顶梁产生俯、仰角的原因．指出要使顶梁处于较佳工况必须控 火采高倾斜K 壁综采工作面矿压显现规律及控制研究 制俯仰角在0 0 到5 。之间，其极限范围在一5 。到l O o 之间，并提出了高架顶梁俯 仰角的监测方法和控制措施。 4 合理采高与合理支架高度的研究一J 国内外的一些学者对大采高综采的产量与采高之间的关系以及支架的合理 高度进行了研究。研究认为，在一定厚度范围内一次采全高的条件下，采高越 大，产量越高。但当采高过大时，工作面片帮冒顶事故也会增多，反而影响产 量。定性地说，从综采最低可采高度到最佳采高，产量与采高成正比；从最佳 采高到最大采高，产量与采高成反比。同时认为采高并非愈大愈好，采高大小 必须与煤层地质条件、目前的综采设备技术水平及采煤工艺各环节的配套能力 相适应。研究表明，随着采高的加大，工作面液压支架的结构重量都将随之增 加。且当采高大于4 ．5 m 后，支架重量增大的幅度也明显加大。若采高超过5 m ， 支架的结构重量将大于2 2t 。工作面设备的大型化和重型化，不仅会使成本大 幅度增加，而且会使设备的井下运输及工作面搬移的困难程度和费用增加，大 采高综采带来的经济效益将会因设备和生产成本的大幅度提高面被抵消。一般 认为，大采高液压支架的最大结构高度应选择为比实际最大采高大O ．2 m 至0 ．3 m 左右。 此外，还有一些学者对大采高综采技术进行了一些相关研究，丰富了大采 高综采的理论。 本论文以淮南矿业集团张集煤矿大采高倾斜长壁综采工作面为依托，将重 点放在大采高倾斜长壁综采工作面矿压显现规律和支架合理支护阻力的确定 上，并试图为类似地质条件下的厚煤层开采提供一些理论依据。 1 ．3 论文研究的主要内容、方法和思路 1 ．3 ．1 论文研究的主要内容和方法 本论文在广泛收集资料及调研的基础上，采用类比研究、现场实测、实验 室相似模拟，结合计算机数值模拟和力学分析相结合的综合研究方法，针对工 作面的具体条件，对大采高倾斜长壁综采工作面矿压显现规律进行深入地研究， 其主要工{ 乍和解决的主要问题如下 1 现场实测研究 通过工作面现场观测资料，分析大采高倾斜长壁综采工作面顶板的初次来 压步距和周期来压步距、来压动载情况、支架支护阻力分布、沿煤层走向的压 力分布规律及煤壁片帮和超前冒顶规律等。 2 实验室相似模拟研究 结合现场条件，通过实验室相似材料模拟，研究大采高综采工作面在不同 推进速度下的顶板冒落规律、上覆岩层移动规律、工作面超前支承压力分布规 律，并分析其与工作面煤壁片帮和冒顶的关系。 1 0 大采高倾斜长壁综采工作面矿压显现规律及控制研究 3 数值模拟研究 针对工作面的具体条件，采用F L A C 程序模拟在不同倾角、不同采高下的工 作面应力分布规律，探讨大采高倾斜长壁综采工作面的矿压显现特点，为工作 面顶板控制及煤壁片帮提供理论依据。 4 大采高倾斜长壁综采工作面项板控制研究 采用类比研究以及数学力学的方法分析大采高倾斜长壁综采采场覆岩结构 力学模型，分析支架与围岩相互作用关系，从而确定支架的合理工作阻力。 1 ．3 ．2 论文研究的思路 本论文的研究思路见图1 2 顶 板 来 压 特 征 工作面地质条件 开采技术条件 堡堑塞型lI 塑 坠塑整塑型I1数值模拟 驯中 不 同 倾 角 顶板结构分析 支护阻力确定 图l 一2论文研究的思路 不 同 采 高 大采高倾斜氏壁综采[ 作面矿压显现规律及控制研究 2 现场实测研究㈣～[ 3 2 】 2 ．1 工作面矿压观测的目的和内容 2 ．1 ．1 观测目的 全面了解和掌握大采高倾斜长壁工作面顶板来压规律，工作面支架阻力的 分布和变化规律，为确定回采空间围岩与液压支架相互作用关系、系统的分析 大采高倾斜长壁工作面顶板结构以及制定合理的顶板控制措施提供依据。 2 ．1 ．2 观测内容及方法 1 工作面顶板来压特征观测在工作面布置测线，对工作面直接顶跨落， 基本顶的初次来压步距和周期来压步距等进行全面的观测。 2 工作面支架支护阻力观测利用Z Y D C I I I 综采压力自记仪观测支架 立柱循环阻力。