特厚煤层大采高综采综放适应性评价和技术原理.pdf

第 43 卷第 1 期煤 炭 学 报Vol. 43 No. 1 2018 年1 月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYJan. 2018 王国法,庞义辉. 特厚煤层大采高综采综放适应性评价和技术原理J. 煤炭学报,2018,43133-42. doi10. 13225/ j. cnki. jccs. 2017. 4200 WANG Guofa,PANG Yihui. Full-mechanized coal mining and caving mining uation and key technology for thick coal seam J. Journal of China Coal Society,2018,43133-42. doi10. 13225/ j. cnki. jccs. 2017. 4200 特厚煤层大采高综采综放适应性评价和技术原理 王国法1,2,庞义辉1 1. 煤炭科学研究总院 开采研究分院,北京 100013; 2. 天地科技股份有限公司 开采设计事业部,北京 100013 摘 要针对厚煤层综采放开采过程中遇到的技术难题,提出了大采高综采放开采面临的 3 个科学问题,建立了基于技术经济分析的厚煤层开采方法适应性评价指标体系与评价模型。 基于 液压支架与围岩的强度耦合、刚度耦合、稳定性耦合原理,建立了液压支架与围岩的耦合动力学模 型及煤壁片帮的“拉裂-滑移”力学模型,提出了大采高综采放液压支架合理工作阻力确定的 “双因素”控制法。 基于大采高综放工作面顶煤冒放性与煤壁稳定性控制的矛盾,提出了增大液压 支架的初撑力及优化液压支架架型结构等方法缓解 2 者之间的矛盾。 通过开发厚煤层大采高综采 放关键技术与装备,实现了厚煤层的安全、高效、高采出率开采。 关键词厚煤层开采方法;评价模型;液压支架与围岩耦合关系;工作阻力;煤壁片帮 中图分类号TD355 文献标志码A 文章编号0253-9993201801-0033-10 收稿日期2017-09-15 修回日期2017-12-06 责任编辑许书阁 基金项目国家重点研发计划资助项目2017YFC060305;国家重点基础研究发展计划973资助项目2014CB046302;国家自然科学基金 资助项目U1610251 作者简介王国法1960,男,山东文登人,研究员,中国工程院院士。 E-mailwangguofa tdkcsj. com 通讯作者庞义辉1985,男,河北保定人,博士研究生。 Tel010-84262109,E-mailpangyihui tdkcsj com Full-mechanized coal mining and caving mining uation and key technology for thick coal seam WANG Guofa1,2,PANG Yihui1 1. Coal Mining Branch,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China; 2. Coal Mining and Designing Department,Tiandi Science uation model;hydraulic support and surrounding rock coupling rela- 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 煤 炭 学 报 2018 年第 43 卷 tionship;working resistance;coal wall spalling 3 5 m 以上的厚煤层是高效矿井的优势资源,特 别是6 20 m 以上的特厚煤层,是我国大型煤炭基地 的主采煤层,其资源储量与产量均占我国煤炭资源总 储量与产量的 45 50 1-2,近年来,不断创新大 采高综采和大采高综放技术与装备,已经成功研发了 8 2 m 超大采高综采3和 20 m 特厚煤层大采高综采 放顶煤开采技术与装备,创造了安全高效开采效率的 新纪录。 针对厚煤层开采面临的矿山压力控制、煤壁片帮 冒顶、煤炭资源采出率等技术难题,文献4-7提出 了液压支架与围岩的耦合作用关系,建立了液压支架 与顶板的耦合动力学模型及煤壁片帮的“拉裂-滑 移”力学模型,分析了大采高工作面开采技术参数的 确定及影响因素,初步形成了工作面液压支架与围岩 控制理论体系框架;文献8-10针对我国西部矿区 埋深较浅、基岩层较薄的厚煤层赋存条件,进行了工 作面动载矿压及大小周期来压显现规律的多因素耦 合分析,得出了浅埋煤层工作面液压支架动载矿压发 生机理及防治措施;文献11-13针对厚煤层综放工 作面顶煤冒放性差等技术难题,基于顶煤放出的散体 介质流理论,提出了综放工作面顶煤冒落放出的 BPR 模型,得出了顶煤冒落放出的基本规律;文献 14-16通过进行大采高工作面矿山压力显现规律 的现场实测分析,研究了大采高采场顶板岩层断裂结 构及失稳特征,得出了 6 8 m 超大采高工作面围岩 稳定性控制技术及措施;文献17-18基于微震监测 技术研究了20 m 特厚煤层大采高综放工作面围岩活 动规律,提出了大采高综放工作面顶板、煤壁失稳破 坏准则及控制技术。 为规范开采方法名称,根据我国煤层传统分类和 综采发展现状,可定义最大采高4 m 以上为大采高综 采,其中最大采高 7 m 以上为超大采高综采;综放开 采机采高度4 m 以上为大采高综放,机采高度6 m 以 上为超大采高综放。 本文基于上述理论研究成果,通 过分析厚煤层大采高综采和综放开采技术面临的科 学问题,对厚煤层开采方法、支护参数确定及装备研 发等进行系统研究,为厚煤层大采高综采放开采 实践提供技术支撑。 1 大采高综采放面临的科学问题 由于厚煤层大采高综采放工作面一次开采煤 层厚度增加,导致煤层开采扰动范围增大,工作面围 岩由普通工作面的“回转失稳”发展为易发生“滑落 失稳”,工作面动载矿压显现明显,超大空间、超强矿 压、超高煤壁、强扰动岩层运动给工作面围岩稳定性 控制带来极大困难。 大采高综采放工作面机采高度增加,导致液 压支架的尺寸、质量等均成倍增大,液压支架由普通 液压支架的“小尺度、易自稳” 变为“大尺度、易失 稳”,且受到动载冲击、偏载的概率上升,其重型、复 杂结构的稳定性几何稳定性、结构稳定性及系统稳 定性控制难度极大。 由于综放工作面主要利用矿山压力进行顶煤的 破碎,顶煤冒落与煤壁片帮的力源与力学机理均相 同,工作面机采高度增加有利于提高综放开采技术的 适用范围及顶煤的冒放性,但导致煤壁片帮的几率增 大,大采高综放工作面煤壁片帮防治与提高顶煤冒放 性的矛盾突出。 基于上述大采高综采放 开采面临的技术难 题,提出以下 3 个科学问题 1开采工艺参数变化引起的超大空间围岩动 态失稳特性与液压支架的耦合作用规律不清楚,厚煤 层大采高综采放工作面围岩控制缺乏理论依据。 2大采高综采放液压支架大尺度、高动压敏 感结构特有的服役行为及失效机理不明,液压支架结 构优化及稳定性控制缺乏理论依据。 3大采高综放工作面提高顶煤冒放性与煤壁 片帮防治的矛盾突出,缺乏协调 2 者矛盾的原理与关 键技术。 2 基于技术经济分析的厚煤层开采方法适应 性评价 目前,厚煤层主要采用大采高一次采全厚开采方 法、综采放顶煤开采方法、分层开采方法19,由于现 有大采高一次采全厚开采技术的最大开采高度为 8 0 m,当煤层厚度大于8 0 m 时,则更适宜采用综采 放顶煤开采方法或分层大采高开采方法。 针对西 部矿区赋存的煤层厚度为 6 0 8 0 m、埋深较浅、煤 质坚硬的厚煤层,分析确定其合理的开采方法具有非 常重要的意义。 2 1 厚煤层开采方法适应性评价指标体系 为了实现厚煤层开采技术与经济效益最大化,针 对上述厚煤层大采高综采放面临的科学问题,建 立了厚煤层开采技术与经济综合评价指标体系,如图 1 所示。 将厚煤层开采方法评价指标细分为技术可 行性指标与经济合理性指标,其中,技术可行性指标 43 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 第 1 期王国法等特厚煤层大采高综采综放适应性评价和技术原理 主要从围岩控制、开采装备与资源回收 3 个方面细分 为矿山压力控制适应性指数、煤壁片帮控制适应性指 数、顶煤冒放性指数、综采放设备适应性指数与安 全风险控制适应性指数;经济合理性指标则主要从资 源、效率与效益方面细分为资源采出率适应性指数、 投资与收益适应性指数、综采放效率适应性指数。 图 1 厚煤层开采方法适应性评价指标 Fig 1 Thick coal seam mining adaptive uation indicators 基于煤层厚度、硬度、倾角、埋深、节理裂隙发育 程度、顶底板岩层岩性等赋存条件,采用理论分析、模 拟计算及类比分析等方法,预测采用 3 种开采方法对 应的上述各评价指标值,为后续综合技术经济评价提 供基础数据。 采用层次分析法AHP确定上述各评价指标的 权重值 Wi n i 1 cij n j 1 n i 1 cij1 式中,cij为因素 i 和因素 j 对应目标的重要性,cij 0,cij c ji,cij1;Wi为相对权重。 各指标的权重值可以通过向 10 位综采放技 术专家进行咨询确定。 2 2 基于模糊评判方法构建评价矩阵 基于上述确定的 3 种开采方法评价指标值及评 价指标权重值,对 3 种开采方法与煤层赋存条件的适 应性分别进行打分,并进行归一化处理 Ci W ij 11121j 21222j i1i2ij 2 式中,Ci为开采方法对煤层赋存条件适应性的评价 矩阵;Wij为上述评价指标体系中各指标的权重向 量;ij为第 i 个评价指标的适应程度 j 的评分, n j 1 ij 1,n 为开采方法对煤层赋存条件的适应性级 别数量。 进行 3 种开采方法对煤层赋存条件的模糊综合 评判 D WiBi3 式中,Bi为专家评价结果矩阵。 基于 3 种开采方法对煤层赋存条件适应性评价 等级,确定开采方法对煤层赋存条件的适应性综合指 数评价集U 很适宜采用,适宜采用,比较适宜采 用,不适宜采用 90,75 90,60 75,2 的中硬或硬近水平或缓倾斜煤层,煤 层顶底板条件好,资源储量丰富 2综采放顶煤 大采高综采放顶煤开采方法。 煤 层厚度 9 20 m,煤层倾角小于 15, 硬度 f2,机采高度 3 5 6 m; 普通综采放顶煤开采方法。 煤层 厚度 6 12 m,煤层硬度 f2,不适宜 采用大采高一次采全厚的煤层,机采 高度 2 5 3 5 m 3 分层综 采放 煤层厚度大于 20 m 的巨厚煤层,可 采用分层大采高综放开采方法,或上 分层采用大采高综采开采技术,下分 层采用放顶煤开采技术混合开采方 法 3 液压支架与围岩的“三耦合”原理及参数 确定 针对上述厚煤层大采高综采放工作面存在的 3 个科学问题,笔者提出了液压支架与围岩的强度耦 合、刚度耦合、稳定性耦合“三耦合”原理,并基于液 压支架与围岩的“三耦合”原理,研究了液压支架合 理支护参数的确定方法。 3 1 液压支架与围岩的“三耦合”原理 工作面煤层开采打破了原岩地应力场的平衡状 态,在煤层与围岩体中出现应力集中,导致顶板岩层 发生周期性破断、煤壁片帮、底板底臌变形等,为了维 护工作面安全作业空间,液压支架的强度、刚度、稳定 性应适应围岩的变形破坏,因此,笔者提出了液压支 架与围岩的强度耦合、刚度耦合、稳定性耦合关系,如 图 2 所示。 图 2 液压支架与围岩“三耦合”作用原理 Fig 2 Hydraulic support and surrounding rock coupling relationship 在采动应力场的作用下,顶板岩层的强度决定直 接顶岩层的碎胀系数与基本顶的来压步距,煤层开采 高度与直接顶岩层厚度影响基本顶断裂失稳形成的 动载荷,液压支架的支护强度、结构强度应适应围岩 断裂失稳形成的矿山压力,并通过主动承压与合理让 压维护工作面安全作业空间。 液压支架与直接顶底岩层的组合刚度影响液 压支架与基本顶断裂点的相对位置,提高液压支架与 直接顶底板岩层的组合刚度、加快工作面的推进 速度,可以将基本顶岩层的断裂位置推移至采空区, 降低基本顶岩层断裂失稳对液压支架的载荷大小及 作用时间。 液压支架自身的稳定性几何稳定性、结构稳 定性是液压支架与围岩稳定性耦合的基础,通过 采用“自撑-邻拉-底推-顶挤”等刚柔耦合的液压 支架与围岩稳定性耦合技术,可以有效增强液压 支架自身的稳定性,提高液压支架对围岩失稳的 适应性。 63 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 第 1 期王国法等特厚煤层大采高综采综放适应性评价和技术原理 3 2 液压支架合理支护参数的确定 为了解决科学问题 1 中大采高综采放工作面 超大采动空间出现的动载矿压与煤壁片帮冒顶等技 术难题,笔者提出了大采高综采放液压支架合理 工作阻力确定的“双因素”控制法,即厚煤层大采高 综采放工作面液压支架的工作阻力不仅需要满足 对顶板岩层断裂失稳的支护要求,还应满足抑制煤壁 片帮失稳的需要。 1液压支架适应顶板失稳需要的支护力 针对厚煤层大采高综采放工作面动载矿压显 现特征,笔者通过进行大量现场矿山压力监测与分 析,提出了 6 8 m 厚煤层大采高综采工作面顶板岩 层断裂的“悬臂梁砌体梁”结构模型与 20 m 特厚煤 层大采高综放工作面顶板岩层断裂的“组合悬臂梁” 力学模型,如图 3 所示。 图 3 厚煤层综采放工作面覆岩断裂结构 Fig 3 Thick coal seam longwall mining working face overburden fracture structure 基于上述厚煤层综采放 工作面覆岩断裂结 构,将上部承载结构岩层如大采高工作面的砌体梁 结构岩层、综放工作面组合悬臂梁的上部关键承载岩 层视为模型边界,采用 UDEC 数值模拟方法计算承 载结构岩层在断裂瞬间具有的初始速度与加速度,并 作为模型的边界条件。 以煤层上覆岩层的强度、刚度 特性为基础,建立液压支架与围岩的耦合动力学模 型,如图 4 所示以大采高综采工作面为例。 采用 ADAMS 软件对液压支架与围岩的耦合动 力学模型进行动力学分析计算,可得液压支架适应顶 板失稳需要的支护作用力。 基于榆神矿区金鸡滩煤 矿 2 - 2 煤层大采高综采实践,建立了液压支架与围岩 的耦合动力学模型,并分析计算了不同采高、不同工 图 4 液压支架与围岩的耦合动力学模型 Fig 4 Hydraulic support and surrounding rock coupling dynamical model 作面长度条件下,液压支架适应顶板岩层失稳需要的 支护强度,如图 5 所示。 图 5 基于支架与围岩耦合动力学模型的支护强度计算 Fig 5 Hydraulic support supporting intensity based on hydraulic support and surrounding rock coupling dynamical model 2液压支架抑制煤壁失稳需要的支护力 针对工作面煤壁片帮现场观测结果,发现煤壁发 生破坏仅仅是煤壁发生片帮的必要非充分条件,煤壁 片帮的充分必要条件为煤壁发生破坏,且破坏的煤体 发生滑移失稳。 为此,笔者将煤壁片帮细分为拉裂破 坏与滑移失稳两个过程,建立了煤壁片帮的“拉裂- 滑移”力学模型,如图 6 所示。 通过对煤壁的“拉裂-滑移”力学模型进行分析, 得出了煤壁的破坏深度、宽度与煤体强度、采高的关 系,以及液压支架抑制煤壁破坏体发生滑移失稳需要 的临界护帮力20 cb2 6 F1 2 1 - 3a M F3a23M - a 2M2 a M - 1 t 5 F4l F3h Fd - F zf1cos - sin - mgsin cos 6 73 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 煤 炭 学 报 2018 年第 43 卷 图 6 煤壁的“拉裂-滑移”力学模型 Fig 6 Coal wall “tension fracture-glide reflection” mechanical model 式中,c 为煤壁的破坏宽度;b 为煤壁的破坏深度;F1 为顶板对煤壁的压力; 为顶板合力作用点偏移 y 轴 的距离;M 为开采高度;F3为深部煤壁对煤壁的矿山 压力;a 为深部煤体对煤壁合力作用点距底板的距 离;F4l为液压支架护帮板抑制煤壁破坏体发生失稳 的临界力;F3h为深部煤体对煤壁破坏体的法向力; Fd为液压支架对顶板支护作用下煤壁受到的顶板压 力;Fz为液压支架对顶板的支护作用力;f1为煤体之 间的摩擦因数; 为煤壁破坏面与煤壁的夹角;m 为 煤壁破坏体的质量。 通过对煤壁的拉裂破坏与滑移失稳过程进行力 学分析,发现液压支架护帮板对煤壁的支护作用力远 远小于煤壁受到的矿山压力,通过提高液压支架对顶 板的支护作用力,可以有效降低顶板对煤壁的压力及 煤壁破坏深度,从而降低液压支架抑制煤壁片帮的临 界护帮力。 以榆神矿区金鸡滩煤矿 2 -2 煤层大采高 综采实践为基础,采用上述理论力学模型及数值模拟 计算方法,得出了不同开采高度、不同液压支架支护 阻力作用下,液压支架护帮板抑制煤壁破坏体发生失 稳的临界护帮力,如图 7 所示。 3支架工作阻力确定的“双因素”控制法 基于上述液压支架与顶板的耦合动力学模型及 图 7 液压支架临界护帮力计算结果 Fig 7 Hydraulic support critical rib supporting 煤壁片帮的“拉裂-滑移”力学模型,发现厚煤层大采 高综采放液压支架的合理工作阻力应同时满足顶 板支护与煤壁片帮防护的要求,液压支架合理工作阻 力确定流程如图 8 所示。 图 8 大采高综采放支架工作阻力计算流程 Fig 8 Hydraulic support working resistance calculation process for high cutting face 利用上述液压支架与围岩的耦合动力学模型,计 算可得大采高综采放液压支架适应顶板失稳需要 的支护作用力,将该作用力代入煤壁片帮的“拉裂- 滑移”力学模型,计算液压支架护帮板抑制煤壁片帮 的临界护帮力,若计算所得的液压支架临界护帮力小 于液压支架护帮板的设计极限,则通过支架与围岩耦 合动力学模型计算支架对顶板的支护作用力即为液 压支架的合理工作阻力;若计算所得的支架临界护帮 力超出支架护帮板的设计极限,则需要提高液压支架 对顶板岩层的支护作用力,从而降低支架护帮板抑制 煤壁片帮所需的临界护帮力;若液压支架对顶板的支 护作用力超出了支架立柱的设计极限,此时护帮板的 临界护帮力仍然超出设计极限,则工作面应当采取其 他必要的煤壁防片帮措施,即上述厚煤层大采高综 采放液压支架工作阻力确定的“双因素”控制法, 不仅可以确定液压支架的合理工作阻力及临界护帮 力,同时还可以作为工作面是否需要采取额外防片帮 83 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 第 1 期王国法等特厚煤层大采高综采综放适应性评价和技术原理 措施的理论判据。 4 大采高综放工作面顶煤冒放性与煤壁稳定 性矛盾协调原理 为了解决科学问题 3 中大采高综放工作面提高 顶煤冒放性与煤壁片帮防治的矛盾,笔者提出了以下 协调原理 1厚煤层顶煤板冒落与煤壁片帮机理 通过对厚煤层大采高综放工作面矿山压力与煤 壁片帮现场观测结果进行分析,可将顶煤的破坏状态 在水平方向分为 3 个区散体区、塑性区与弹性区,如 图 9a所示。 其中,塑性区不仅决定了发展为散体 区的顶煤破碎块度与冒落形态,还直接影响工作面煤 壁的稳定性,即综放工作面煤壁片帮不仅与工作面矿 山压力有关,还受到顶煤的破坏、冒落、放出的影响, 建立了综合考虑顶煤冒落放出与煤壁破坏的综放工 作面煤壁片帮压剪力学模型21,如图 9b所示。 图 9 综放工作面顶煤冒放结构与煤壁片帮力学模型 Fig 9 Fully mechanized caving faces top coal caving structure and rib spalling model 取单位宽度的煤层进行力学平衡计算,可得煤壁 的位移曲线方程如下 1 - 2 - 3 7 1 M 0 Qmyy2 24EI 4My - 6M2 - y 2dy 8 2 b/2 -b/2 X2 b/2 -b/2XQ dxdx 2EI dx9 3 M m Q gyy 2 24EI 4My - 6M2 - y 2dy 10 式中, 为煤壁的最大水平位移量;1为前方煤体内 的矿山压力 Qmy导致的煤壁位移量;2为顶板岩 层的矿山压力 Q dx与液压支架的支撑力 Qzx导致 的煤壁位移量;3为采空区冒落的矸石通过支架上 方破碎的顶煤传递给煤壁柱体的力 Q gy导致的煤 壁位移量;I 为煤壁长柱体的惯性距;M 为厚煤层一 次开采总厚度;m为工作面的机采高度。 基于上述厚煤层顶煤板冒落与煤壁片帮机理 研究结果,提高采空区冒落矸石传递给煤壁柱体的 力、液压支架对顶煤的主动支撑力可以有效降低煤壁 的水平位移量,从而减少煤壁片帮几率,同时提高顶 煤的放出率,因此需要对综放液压支架的架型结构及 支护参数进行优化设计。 2综放液压支架结构优化设计 目前,综放液压支架架型主要有两种四柱支撑 掩护式综放液压支架、两柱掩护式综放液压支架。 其 中,四柱支撑掩护式综放液压支架主要采用铰接前梁 结构,其顶梁前端对顶煤的支撑力较小,且顶梁前梁 对顶煤的支护作用力也较小,导致顶梁对顶煤反复支 撑作用的有效面积降低,不利于煤壁片帮防治及顶煤 的破坏;两柱掩护式综放液压支架则主要采用整体顶 梁结构,其顶梁前端对顶煤的支撑力较大,且顶梁对 顶煤反复支撑作用的有效面积较大,有利于煤壁片帮 防治及顶煤的破坏,两种大采高综放液压支架架型对 煤壁与顶煤的作用效果如图 10 所示。 为了最大程度提高顶煤的放出率,液压支架设计 采用 3 级强扰动放煤机构,如图 11 所示。 该结构不 仅可以增大液压支架后部放煤口的尺寸,同时还有效 降低了液压支架掩护梁的长度,从而减少了顶煤冒落 成拱的几率,有效提高综放工作面顶煤的冒放性。 3提高液压支架的初撑力 液压支架的初撑力是支架对顶煤板的主动支 护作用力,而工作阻力则是支架受到顶煤板的被 动压力。 基于上述煤壁片帮的“拉裂-滑移”力学模 型,提高液压支架对顶煤板的主动支护作用力,不 仅可以减小顶煤板对煤壁的压力,降低煤壁片帮 的几率,同时还可以提高液压支架对顶煤的破坏深 度,如图 12 所示,即提高液压支架的初撑力可以缓解 顶煤冒放性与煤壁片帮的矛盾。 5 大采高综采液压支架关键技术 我国已经成功研制应用 8 2 m 超大采高液压支 架及超大采高综采成套技术,并在兖矿金鸡滩煤矿成 93 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 煤 炭 学 报 2018 年第 43 卷 图 10 综放液压支架架型对煤壁与顶煤破坏的影响 Fig 10 Influence of full-mechanized coal mining support style to coal wall and top coal destruction 图 11 强扰动 3 级放煤机构 Fig 11 Strong disturbance three-gread top-coal caving institutions 功应用。 针对上述科学问题 1 中大采高工作面动载 矿压问题,研发了增容缓冲抗冲击双伸缩立柱,如图 13 所示,在立柱内设置弹性薄壁圆筒或气体腔室吸 能装置,当液压支架受到顶板动载冲击时,立柱内的 液体先流入弹性薄壁圆筒或气体腔室内,为立柱安全 阀开启提供缓冲时间,有效预防了立柱安全阀被冲 坏。 为了解决科学问题 2 中液压支架尺度增大带来 的稳定性及可靠性难题,开发设计了大采高液压支架 微隙准刚性四连杆稳定机构,提高液压支架的稳定 性。 为了提高大采高液压支架的刚度,设计开发了大 采高液压支架高压自动补偿系统,液压支架移架后自 动向立柱下腔补液,提高液压支架的初撑力。 针对大 采高液压支架质量大、操作运输困难,开发了 Q890, Q1150 高强度易焊接结构钢及多层多道焊等焊接工 艺,如图 14 所示,实现大采高液压支架结构件减重 图 12 液压支架初撑力对煤壁与顶煤破坏的影响 Fig 12 Influence of hydraulic support setting load to coal wall and top coal destruction 图 13 增容缓冲抗冲击双伸缩立柱 Fig 13 Anti-impact double telescopic column with capacity-increase and buffering function 15以上。 6 两柱掩护式大采高综放液压支架关键技术 我国综放工作面一次开采煤层厚度达到20 m 以 上,目前,正在研发机采高度 6 m 以上的超大采高综 放液压支架。 针对科学问题 3 中综放工作面顶煤冒 04 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 第 1 期王国法等特厚煤层大采高综采综放适应性评价和技术原理 图 14 多层多道焊接工艺 Fig 14 Multi-layer and multi-pass welding technology 放性与煤壁片帮的矛盾,研发设计了带 3 级强扰动放 煤机构的两柱大采高放顶煤液压支架,如图 15 所示。 图 15 带 3 级放煤机构的两柱掩护式综放液压支架 Fig 15 Two-column covers type fully hydraulic support with three-great coal caving institution 为了提高综放工作面放煤的自动化水平,基于上 述支架与围岩的“三耦合”原理,开发了液压支架与 围岩智能耦合控制系统,如图 16 所示,该系统可以对 液压支架的姿态与受力状态进行实时监测,通过对监 测结果进行分析得出液压支架与围岩耦合状态的实 时结果,利用液压支架电液控制系统实现对液压支架 阀组的控制,完成液压支架姿态调整、立柱补液、收拉 平衡千斤顶等一系列动作,使液压支架始终处于良好 的支护状态。 图 16 综放支架与围岩智能耦合控制系统 Fig 16 Hydraulic support and surrounding rock intelligent coupling control system 基于顶煤、顶板运移模型和顶煤冒放的强扰动破 拱机理,开发了厚煤层基于音频传感器煤矸分界识别 与时序控制的智能放煤控制系统,基于果蝇优化算法 与 RBF 混合预测的放顶煤时间控制方法,实现了放 煤过程中放煤时间随煤层赋存条件变化而随之变化, 自动调整放煤时间,同时记录放煤过程中人工干预的 情况,修正控制程序,逼近最佳放煤参数。 7 结 论 1基于特厚煤层开采的三大科学问题分析,提 出厚煤层开采方法适应性评价指标体系和综合评价 方法,得出 9 m 以下稳定煤层优选大采高超大采 高综采方法,9 20 m 特厚煤层优选大采高综放开 采方法,20 m 以上煤层可选择分层综放或综采综放 混合分层开采方法的结论。 2基于支架围岩“三耦合”原理,得出厚煤层 综采综放工作面液压支架合理支护参数确定方法,经 实践证明了其参数的有效性和准确性。 3大采高综放工作面煤壁稳定性与顶煤冒放 性的矛盾可以通过优化放顶煤支架结构和参数、放煤 机构强扰动破坏平衡拱基底、提高初撑力等措施协调 解决。 4超大采高综采和综放液压支架是决定最大 采高的关键因素,其最大高度并不仅是由结构本身能 实现的高度决定,而是由液压支架与围岩耦合关系及 综合技术因素决定,并非支架能做多高就能采多高。 以我国千万吨大型矿井运输安装和生产条件,支架最 大高度 8 2 8 3 m,中心距 2 05 m 为适应性最佳选 择。 参考文献References 1 高天明,沈镭,刘立涛,等. 中国煤炭资源不均衡性及流动轨迹 J. 自然资源学报,2013,28192-103. 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