葛亭煤矿1.5Mta新井设计【含CAD图纸+文档】
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专题部分 第16页大采高综采技术研究摘要：针对大采高综采工作面采场顶板岩层的运动规律和采场矿山压力显现规律有其特殊性的特点，着重研究大采高综采工作面的矿压显现特征及其规律、工作面采场围岩应力场、位移场及围岩塑性破坏场的分布规律以及大采高综采工作面煤岩组合力学模型及其控制。关键词：大采高综采，支架稳定 ，防倒措施引言目前，在我国一次能量消费结构中，煤炭占75%以上。煤炭不仅是我国的基本燃料，又是重要的工业原料，电力、钢铁、石油加工、水泥、化学原料五大行业都离不开煤炭，因此，煤炭工业的发展直接关系到国计民生。为使我国能源战略持续稳定的发展，必须稳步高效地发展煤炭工业。我国是世界上煤炭资源最丰富的国家之一。据不完全统计，己知含煤面积约55000k了，探明总储量在9000亿t以上，居世界前列。自1989年，我国一直是世界第一大煤炭生产国和消费国，煤炭产量占世界煤炭产量的1/4以上，而缓倾斜厚煤层煤炭产量又占我国总产量的40%以上，我国很多矿区赋存有3. 56. 0m厚的煤层，这类煤层在邢台、开滦、徐州、充州、淮北、阜新、双鸭山、义马、西山、铜川、阳泉等矿区均为主采煤层。随着市场经济的发展，煤炭工业日趋向大型化、集中化、高产高效方向发展，建设高产高效矿井，提高企业经济效益己成为煤矿企业的基本经营理念，尤其是市场经济的激励机制极大地促进了采煤技术与装备水平的快速发展。我国在引进国外大采高装备技术后，综采工作面日产量可达万吨，取得了举世瞩目的成绩。据目前国内外开采技术的发展，大采高综采是指采高在3. 56. 0m，工作面使用大功率双滚筒采煤机和重型刮板运输机割、运煤，用大吨位液压支架(支架工作阻力、单架支护面积和支架支撑高度大)控制顶板，一次采全高的综采技术。其设备趋于大型化、重型化和自动化，其特点是技术先进、性能可靠、装机功率大、生产效率高。对于煤层倾角小于30的厚煤层(3.56.0m)开采，大采高综采与综采采煤法相比，具有下列优点:煤炭资源回采率高;煤炭含研率低;回采工作面煤尘、煤的自然发火和瓦斯涌出安全性好;对于34m不适宜综采开采的厚煤层，大采高具有工效高、成本低等优点。大采高综采与分层开采相比，具有下列优点:工作面生产能力大，有利于合理集中生产;回采工效和煤炭资源回收率高、巷道掘进率和维护量低;回采工艺和巷道布置简化，综采设备搬家次数少，搬家费用省，增加生产时间;节省材料(人工假顶材料等)和回采成本低等。高产高效大采高综采生产能力大、回采率高、安全条件和经济效益好，是目前国内外厚煤层(3. 56. 0m)开采技术的主要发展方向之一，其优势使得在国内外被广泛采用。但是，经过矿山实践和许多专家、学者多年的现场观测及理论研究发现，大采高综采与一般综采(采高G，则可能接近于临界状态。(3)顶板压力作用线位于O点下侧，而自重作用线位于O点上侧，是否翻倒应视Q及G的比值而定，据式3-4有上式中，R为支架受底板的反作用力，。如果处于翻倒的临界状态，取c=0；如果未处于临界状态，c为0B/2之间的某一值。Qy为垂直于顶梁平面的Q值分力，。f1为顶板与顶梁的摩擦系数，它随接触条件不同有较大的变化范围，取0.3。当未处于临界状态时，有当处于临界状态时，有假定顶梁沿倾斜方向受均布载荷，则整理得在式（3-5）中，应有即当小于下限值，则顶板作用力Q及自重G作用线均未超出O点；当大于上限值，则上述二力均超出了O点。在式3-7中，令，当h值取3、4、5、6、7m时，值得变化范围见表3-1表3.1 不同h值时值变化h/m34567/()16.336.112.328.79.923.68.3207.1217.4由表3-1可见，随采高增加，的上下限值均呈减小趋势，如采高6m时，顶板压力Q作用线在为8.3以下时，才不会超出O点，而当超过20时，两线均超出了O点，比采高3m时的下限值及上限值分别减少了8及16，可见采高对倾角是很敏感的。在上述倾角范围内，支架是否会翻倒，由式（3-6）确定。如果左侧值大于右侧值， 则支架翻倒，反之，支架不会翻倒，临界值即为式（3-6）。Q值的变化范围为0Qg，令，Qg=8000KN，G=250KN，则的变化范围为032；当=0时，相当于支架不受顶板作用力，其翻倒状态前已述及。由式（3-6）确定的h关系如图3-3及表5-2。表5.2 极限值的计算表h/m00.51102030336.133.1432.2530.830.730.6428.727.9827.7827.4727.427.4523.624.6224.925.3425.3725.38620.0322.2822.923.8823.9523.98717.420.5621.4522.822.922.95图3-3 h与的关系图3-4 B与的关系以上计算过程中假定支架宽度取1.75m，显然，支架宽度会影响到支架的翻倒特征。下面取支架宽度B分别为1.75、1.8、1.85、1.9、1.95、2.0m分别计算采高3、6m时的与B的关系，如图3-4所示。显然，支架越宽，不论采高大小，极限角越大；采高大，极限角增加的幅度小；采高小，极限角增加的幅度大。随着支架载荷的增加，宽度的影响减小。如当h=6m时，当=0即支架为自由状态时，支架宽度从1.75m增大到2.0m，极限角从20.03增大到22.6，增加了 2.57；当=1即外载荷与支架重量相等时，极限角从22.9增加到24.34，增加了1.44；当 = 10时，增加量为1.1。同样，当=0、1、10时，考察在h=3m、h=6m的极限角时，随B的增大，h的变化规律如图3-5所示。可见，随支架宽度增加，支架极限高度也呈直线增加，当=0，为20.03时，支架宽度为1.75m，极限高度是6m，当支架宽度达到2.0m，极限高度可达6.86m，支架宽度每10cm对极限高度的贡献率为34cm；当=1，为22.9时，支架宽度1.75m的极限高度为6m，支架宽度达2.0m时，极限高度为6.87m，架宽每10cm对极限高度的贡献率与=0时基本相同；当=10，为23.8时，支架每10cm的贡献率为37.2cm。经计算，当 = 0、1、10，采高3.0m，B = 1.75m时，每10cm支架宽度的贡献率为17.2cm。可见，随采高减小，支架宽度的贡献率降低。图5-5 B与h的关系3结论综合单架翻倒力学模型计算分析，可得出以下结论：（1）支架在支护状态下，翻倒极限角与重心高度呈双曲线关系，相同采高情况下，重心越高，极限角越小，当重心高度小于2.5m时，微量的重心降低，可使极限角有较大的增加。因此，降低重心高度是防止支架翻倒的重要措施之一。（2）支架呈支护状态时，支架翻倒不仅与重心高度有关，同时与支架实际支撑高度h有关，h与极限角呈曲线关系。总的规律是支架高度越大，极限角越小。（3）支架采高与极限角的关系受顶板外载荷影响，当支架升架到初撑状态时，支架受到顶板对支架垂直于顶梁的作用力，此力有助于防止支架翻倒；当支架处于被动支撑状态时，支架由于受到顶板重力沿平行于顶梁倾向分力的影响，极限角值随采高的变化有不同的变化规律。当采高小于4.2m时，随顶板压力的增加，值呈降低趋势，但值降低的幅度越来越小。可见，支架抗翻倒的能力排序是：支架受垂直于顶梁的作用力（初撑力）支架不受顶板力（自由状态）支架受顶板重力（被动支护状态）。支架达到工作阻力后的支护过程中，翻倒的倾向性最大，但由于有邻架挤靠力的作用，反而不易翻倒。易发生翻倒的时候是降架及移架过程中，支架逐步脱离顶板，外载荷降低，如果降架过多，顶板破碎，加之工作面管理跟不上，导致支架顶梁间隙过大，则可能由于受到顶板岩石重力作用而导致支架翻倒。当采高大于4.2m时，随顶板压力增大，极限角增大，且采高越高，极限角随外载荷增大幅度越大，在此情况系下，自由状态（不接顶）最易翻倒，因此，接顶移架是必须的。（4）在支架宽度取1.75m，重心高度取支架高度的0.4倍情况下，不同采高的极限角度变化情况如下：采高4.0m时，28.7时，支架翻倒；当12.328.7，为支架敏感区域，与顶板重力、支架自重比值义有关，顶板压力越大，越易翻倒。考虑到支架易在降架时发生翻倒，将=1时即顶板重力与支架自重相等时的极限角定为该种情况下的极限角，其值为4=27.8；采高5.0m时，9.923.6，不接顶为临界值，5=23.6；采高6.0m时，8.320，不接顶为临界值，6 =20；采高7.0m时，7.124.2m，自重越大，值越小，极限角变小，支架易翻倒；当h4.2m时，应设法减轻支架重量，h4.2m时，可增大支架重量，但重量因素影响较小，因而通过提高支架重量而提高支架抗翻倒能力是不合理的。综上所述，从抗翻倒能力角度分析，大采高支架结构上应为低重心，宽底座，轻重量；从适应地质条件看，顶板应为中等稳定，顶底板起伏变化小；从操作上，移架时应低降架，快移架，快升架。3.3多架翻到特征多架与单架受力状态的区别是，工作面支架一般排列紧密，顶梁将受到上下相邻支架的作用力Ts及Tx。在工作面正常的支护状态下，当支架未超过翻倒极限角时，每个支架均处于稳定状态而不会翻倒，此时Tx=Ts，即支架顶梁受上下邻架作用力相等，一般为零；反之，当超过极限角时，支架翻倒，支架必须承受上邻架由于翻倒趋势给予本架的作用力了Ts，同时也给予下邻架作用力Tx。假定上端头第一架支架发生翻倒趋势，为阻止其翻倒第二架支架必须提供Tx，表达式为。令h=6m，hg/h=0.4,f1=0.3,B=1.75，G=250KN，则当超过与相对应的极限角是，Tx值如图3-6所以。在此情况下，Tx值与值及有关，值越大，击顶板压力越大，下架承受上架的侧向力越大；超过1后，Tx值急剧增长。第二架支架对第三架支架的推力为，第n-1架2支架对第n架支架的推力，整个工作面支架要实现平衡，下端头最后一架支架必须提供的侧向推力。家丁工作面长200m，布置115架支架，则与的关系见表3-3。图3-6 与Tx的关系表3.3 与的关系0110/()20253022.9283323.82934/KN01058211603876765902921057500由表3-3可见，当超过极限角度时，随顶板压力增加，下端头最后一架用于平衡支架的侧向推力急剧增大，当=10，即顶板压力为2500KN，超过极限角10时，必须在工作面下端头市价57500KN的侧向力，这在实践中没有可操作性。考虑全工作面最困难的情况，取=30，即权工作面每架支架全部受到7500KN的顶板压力，此时极限角为23.98，约24，此时工作面侧向力均为0。随着顶板压力的降低，侧向力将有所加大。当极限角为24是，与关系见表3-4。表3.4 =24时，与的关系01102030/KN8488336935180由表3-4可见，需提供的侧向力为848KN，这在实践中是能够实现的。因此，当h=6m，G=250KN时，可取=30时的临界角24作为临界角。同理，采高5、7m的临界角可定为25及23。当采高小于4.2m时，在4.0m左右对极限角的影响较小。取=0，研究超过极限值时的，见表3-5。表3.5 h=4m，=0时，与的关系/()28.73338/KN09882124可见，当超过极限角10左右时，需要推力2000KN左右，这在工作面是能够实现的。按推力不超过1000KN考虑，采高4m，当有侧推力作用时，理论上极限角度可以高于自由状态时5，即可达到4。3.4支架受侧向力与单架支架情况下支架翻倒特征比较支架高度小于4.2m且在4m左右时，支架的翻倒受义的影响较小，即与顶板压力状态关系不大。在自由状态时（支架不受其他支架影响），=30，极限角为27.4，取27，当超过自由状态极限角后，随着角度增大，支架受到相邻支架侧向力的影响，但从研究结果看，只需在下端头第一架给予一个较小的力，即可满足支架平衡要求而不翻倒，如当提供980KN的力，极限角可达到33，提供2124KN的力，极限角即可达到38。考虑到支架地质构造变化、工作面管理等因素，工作面可能出现支架自由状态的情况，因此，采高4m时，极限角为27。当采高大于4.2m后，极限角受义的影响随采高加大而增加，越大，即顶板压力越大，极限角越大，自由状态时为5.0、6.0、7.0m的极限角分别是23.6、20.03及17.4。当超过自由状态极限角后，支架受侧向力的影响随角度增大而增大，且受的影响很大，顶板压力越大，采高越高，产生的侧向力越大，据此确定的极限角在采髙5.0、6.0、7.0m时的值为25、24、23。同样考虑移架，地质构造的影响，工作面支架可能出现自由状态，因此，将自由状态时采高为5.0、6.0、7.0m时的极限角分别确定为23.6、20.03及17.4。从侧向力角度分析防翻倒措施，当采高较小时（h4.2m），相应的力要远大于采高小时，且顶板压力越大，该力越大，因此应采取综合措施防翻倒，如下端头施加推力，上端头施加拉力，工作面分段设防倒千斤顶等。4 结论（1）支架在支护状态下，翻倒极限角与重心高度呈双曲线关系，相同采高情况下，重心越高，极限角越小，当重心高度小于2.5m时，微量的重心降低，可使极限角有较大的增加。因此，降低重心高度是防止支架翻倒的重要措施之一。（2）支架呈支护状态时，支架翻倒不仅与重心高度有关，同时与支架实际支撑高度h有关，h与极限角呈曲线关系。总的规律是支架高度越大，极限角越小。（3）支架采高与极限角的关系受顶板外载荷影响，当支架升架到初撑状态时，支架受到顶板对支架垂直于顶梁的作用力，此力有助于防止支架翻倒；当支架处于被动支撑状态时，支架由于受到顶板重力沿平行于顶梁倾向分力的影响，极限角值随采高的变化有不同的变化规律。当采高小于4.2m时，随顶板压力的增加，值呈降低趋势，但值降低的幅度越来越小。可见，支架抗翻倒的能力排序是：支架受垂直于顶梁的作用力（初撑力）支架不受顶板力（自由状态）支架受顶板重力（被动支护状态）。支架达到工作阻力后的支护过程中，翻倒的倾向性最大，但由于有邻架挤靠力的作用，反而不易翻倒。易发生翻倒的时候是降架及移架过程中，支架逐步脱离顶板，外载荷降低，如果降架过多，顶板破碎，加之工作面管理跟不上，导致支架顶梁间隙过大，则可能由于受到顶板岩石重力作用而导致支架翻倒。当采高大于4.2m时，随顶板压力增大，极限角增大，且采高越高，极限角随外载荷增大幅度越大，在此情况系下，自由状态（不接顶）最易翻倒，因此，接顶移架是必须的。（4）在支架宽度取1.75m，重心高度取支架高度的0.4倍情况下，不同采高的极限角度变化情况如下：采高4.0m时，28.7时，支架翻倒；当12.328.7，为支架敏感区域，与顶板重力、支架自重比值义有关，顶板压力越大，越易翻倒。考虑到支架易在降架时发生翻倒，将=1时即顶板重力与支架自重相等时的极限角定为该种情况下的极限角，其值为4=27.8；采高5.0m时，9.923.6，不接顶为临界值，5=23.6；采高6.0m时，8.320，不接顶为临界值，6 =20；采高7.0m时，7.124.2m，自重越大，值越小，极限角变小，支架易翻倒；当h4.2m时，应设法减轻支架重量，h4.2m时，可增大支架重量，但重量因素影响较小，因而通过提高支架重量而提高支架抗翻倒能力是不合理的。综上所述，从抗翻倒能力
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