（采矿工程专业论文）综采62m采高工作面破碎顶板稳定性研究.pdf

硕士生：胥海东 ( 签名) 番主维 指导教师：范公勤 ( 签名) 阜, 名- - g 坳 大采高开采技术是厚煤层开采工艺的主要发展方向，而顶板失稳是制约大采高开采 的重要影响因素之一。破碎顶板在大采高开采条件下矿压显现强烈，更容易致使围岩裂 隙发育，破坏了岩体的整体性，其失稳控制又是一个具有局部化特征的动态复杂系统， 因此，大采高顶板稳定性研究不论是对现场安全生产，还是对大采高围岩控制理论的拓 展都具有十分重要的意义。 本论文通过工程地质调查、岩石力学实验、基于声发射的物理相似模拟及数值计算 等多种科学方法与技术手段，对复杂开采条件下羊场湾煤矿6 2 m 采高工作面破碎顶板 稳定性问题分析研究，并进行了现场工业性试验，保证大采高安全高效开采。 研究表明，破碎围岩在6 2 m 采高开采条件下引发的顶板破坏、变形和运移现象复 杂，矿压显现强度和超前支承压力影响范围均有所增大，在应力升高区内，易引发煤壁 片帮、顶板失稳。合理支护是采场顶板控制的首要任务，在顶板破碎和变形严重的区域 增加支护密度，增强围岩的整体性，控制工作面顶板失稳，实现安全开采。 本研究的控制技术应用于羊场湾煤矿综采6 2 m 采高工作面顶板失稳控制过程中， 取得了成功，为破碎项板下大采高综采顶板稳定性控制研究提供了可靠的依据，同时具 有一定的借鉴意义。 关键词：大采高综采；破碎顶板；声发射；稳定性分析 研究类型：应用研究 s u b j e c t；s t u d yo nt h eb r o k e nr o o fs t a b i l i t yi n6 2 mm i n i n gh e i g h t f u l l y - m e c h a n i z e df a c e s p e c i a l t y ：m i n i n ge n g i n e e r i n g n a m e：x uh a i d o n g i n s t r u c t o r ：f a ng o n g q i n a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u r e ) g r e a tm i n i n gh i g ht e c h n o l o g yi st h em a i nd i r e c t i o no fd e v e l o p m e n ti nt h i c kc o a ls e a m m i n i n gt e c h n o l o g y t h er o o fd e s t a b i l i z a t i o ni so n eo ft h ei m p o r t a n tc o n s t r a i n tf a c t o r si nt h e m i n i n go f t h i c kc o a ls e a n b r o k e nr o o f u n d e rt h ec o n d i t i o no fg r e a tm i n i n gh i 曲s h o w ss t r o n g b e h a v i o r ，r e s u l t i n gi nf r a c t u r er o c k ，d a m a g i n gt h ei n t e g r i t yo fr o c km a s s ，t h ei n s t a b i l i t y c o n t r o li sad y n a m i ca n dc o m p l e xs y s t e mw i t ht h ef e a t u r eo fl o c a l i z a t i o n t h e r e f o r e ，s t u d yt o t h es t a b i l i t yo ft h eg r e a tm i n i n gh i g hr o o f , n o to n l yf o rt h es a f e t yp r o d u c t i o n ，b u ta l s of o rt h e d e v e l o p m e n to fs u r r o u n d i n g c o n t r o lt h e o r yi ng r e a tm i n i n gh i 曲h a sg r e a ts i g n i f i c a n c e f o rt h eb r o k e nr o o fs t a b i l i t yp r o b l e mi nt h e6 2 mw o r kf a c eu n d e rt h ec o m p l e xc o n d i t i o n i nt h ey a n gc h a n g w a nc o a lm i n e ，t h i sp a p e ru s e dv a r i o u ss c i e n t i f i cm e t h o d sa n dt e c h n o l o g y m e a n s ，i n c l u d i n gt h ee n g i n e e r i n gg e o l o g i c a ls u r v e y ，r o c km e c h a n i c st e s t ，a c o u s t i ce m i s s i o n b a s e do nt h ep h y s i c a ls i m u l a t i o na n dn u m e r i c a lc a l c u l a t i o n ，i n d u s t r i a lt e s ti nc o a lf i e l da n ds o o n ，e n s u r i n gt h es a f ea n de f f i c i e n to fg r e a tm i n i n g1 l i 曲 r e s e a r c hs h o w st h a tt h eb r o k e nr o c ku n d e rt h ec o n d i t i o no fm i n i n gw i t hh e i g h t6 2 m r e s u l t e di nt h ec o m p l e xp h e n o m e n o no f r o o f d a m a g e ，d e f o r m a t i o na n dm i g r a t i o n r o c kb u r s t i n t e n s i t ya n dt h es c o p eo fa h e a ds u p p o r tp r e s s u r eh a si n c r e a s e d ，i nt h er e g i o no fs t r e s s i n c r e a s e d ，e a s i l yt r i g g e rc o a lw a l la n dr o o fi n s t a b i l i t y r e a s o n a b l es u p p o r ti st h ep r i m a r yt a s k i nr o o fc o n t r o l ，i n c r e a s i n gt h ed e n s i t yo fs u p p o r ti nt h er o o fr e g i o no fs e r i o u sf r a g m e n t a t i o n a n d d e f o r m a t i o n ，e n h a n c i n gt h ei n t e g r i t yo f r o c k ，c o n t r o l i n gr o o ff a c ei n s t a b i l i t y f i n a l l y ， s a f b ，m i n i n gw e r ea c h i e v e d t h et e c h n o l o g yh a ds u c c e s s f u l l y a p p l i e dt ot h er o o fi n s t a b i l i t yc o n t r o l i n y a n g c h a n g w a nc o a lm i n e6 2 mw i t hf u l l ym e c h a n i z e dm i n i n gw o r k f a c e t h er e s e a r c hp r o v i d e sa r e l i a b l eb a s i sf o rc o n t r o lb r o k e nr o o fs t a b i l i t yi nf u l l ym e c h a n i z e dm i n i n gw i t hg r e a tm i n i n g h i 曲，a tt h es a m et i m e ，t h ec o n t r o lt e c h n o l o g yh a sac e r t a i nr e f e r e n ts i g n i f i c a n c e k e yw o r d s ：g r e a tm i n i n gh e i g h tf u l l y - m e c h a n i z e d b r o k e nr o o fa c o u s t i ce m i s s i o n s t a b i l i t ya n a l y s e t h e s i s ：a p p l i c a t i o ns t u d y 娄错技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究t 作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名猫日期炒7 歹夕 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题冉撰写的文章律注明作者单位为西安科技大学。 躲槲孳：影孑 1 绪论 1 1 现状与研究意义 1 绪论 随着国民经济的发展，今后相当长的时期内我国煤炭需求将长期保持增长态势，而 我国厚煤层储量十分丰富，约占总储量的4 4 ，其产量占煤炭总产量的4 5 左右，且大 部分为缓倾斜厚煤层，厚煤层开采在保障煤炭生产供应能力中占有重要地位。因此，厚 煤层开采技术几乎决定着整个煤炭行业的技术水平和经济效益i l 邡】。在适宜的煤层和地 质保障前提条件下，如何对资源更合理、高效开采，已成为高产高效矿井建设的根本， 厚煤层一次采全高高效综采( 即综采大采高) 是实现高产高效矿井的主要途径。 众所周知，厚煤层开采方法有三种：分层综采、放顶煤综采和大采高综采。目前矿 井一般采用分层不铺网综采工艺，项分层开采后，下分层还要根据顶板的自然条件下的 再生稳定性，另行研究开采方法和工艺，因下分层开采具有潜在风险大、稳定时间长、 开采难度大等不利因素，极易造成大量煤炭资源损失浪费，分层开采造成工序复杂、效 率低、生产成本高，严重影响了经济效益。有些矿井也采用放顶煤综采，放顶煤综采技 术近年来发展很快，取得了一系列有价值的成果，可是尚不成熟，不可否认的是有很多 技术难题至今尚未得到根本性解决，如采出率低、残留煤炭易自燃发火、工作面煤尘大， 异常气体涌出难以控制等，有许多问题需要进一步研究。厚煤层一次采全高综采( 即综 采大采高) 是世界煤炭井工生产技术主要竞争领域，其主要具有以下三点优势：实现 先进采煤技术现代化水平，促进煤炭工业发展；实现高产高效，提高经济效益的保障； 实现高质量煤炭，有效提高资源回收率。由于综采大采高综采资源回收率高，煤炭质 量好，能实现高产高效，经济效益好，因此，综采大采高已成为厚煤层开采工艺的重要 发展方向之一，同时也是在适应的厚煤层条件下首选的采煤方法。 二十世纪末开始“大采高”在各类文献和研究中频繁出现，随着煤炭工业的迅猛发 展，大采高作为一个相对的概念，开采高度的上限一直在变化着，并没有一个较为严格 的限定。大多数情况下，大采高指的是一次采全厚采煤法，使用与采高相同的支架及配 套设备，即大采高综采，开采厚度在3 5 m 以上的厚煤层综采整层开采方法，简称大采 高【3 】o 目前开采高度一般在3 5 m - 5 m 称为“次大采高，超过5 m 的才称大采高1 4 j 。 随着近年来采矿工作者的不懈努力，国内少数矿井对厚煤层应用大采高综采技术， 成功的开采实践填补了综采大采高开采的空白，使我国综采大采高技术也有了很大发 展。在此过程中，厚煤层综采机械化水平的逐步提高，一次采全高的高可靠性综采设备 的发展，使得我国大采高在工艺、设备及效益上都步入世界前列。大采高技术成功的范 例不仅解决了大采高综采矿井高产高效的难题，同时也取得了厚煤层一次采全高综采的 西安科技七学硕士学位论文 矿压显现和岩层移动基本规律等研究成果，为进一步深入研究大采高岩层= | 卒制理论与技 术奠定了基础。 但是，个别工作面的成功并不代表一种工艺的成熟，影响综采大采高实现高产高效 的因素有很多，这些因素都从不同程度上制约了综采大采高的发展。不同煤层赋存条件 下大采高综采，其围岩控制理论亟需完善，设备的可靠性亟需提高，太采高的发展是理 论与设备的共同发展，在其发展过程中，两者相互制约、相互促进，互为依托，理论指 导设备的设计与优化，设备实践完善理论。 在影响综采人采高实现高产高效的因素中，项板失稳是制约大采高发展的重要因 素，近年柬，我目项板事故在矿井事故中占有蘑要地位，顶板事故统计表如图1 1 所示 b u 8 0 【) ， d 耽 1 6 0 0 趾阱 i i 删扳市圳 = 1 4 0 0 口1 e “拙l i 燃鬣_ i纂600脚 耋口b 妞 ”2 0 0 12 0 0 22 0 0 32 0 0 42 0 0 52 0 0 62 0 0 72 0 0 8 年份q 目前大采高一次采全厚开采在5o m 以下煤层应用较多，但是6o m 及以上一次全厚开 采在国内外应用较少，已建成的5o m 以上大采高工作面主要集中在神东矿区、晋城矿区、 宁东矿区，国外没有60 m 以上开采工艺先例。近年来，国内一些典型大采高煤层开采， 如表1 l 所示。 表1 1 国内典型太采高煤层开采矿井统计 2 1 绪论 本论文主要研究复杂条件下6 2 m 采高综采工作面顶板稳定性。这项研究对煤矿安全 生产，提高矿井经济效益，实现矿井高产高效具有相当重要的意义，同时也拓宽了大采 高综采的应用范围，对推进我国厚煤层高产高效矿井建设具有重大的现实意义和工程应 用价值。 1 2 国内外研究动态及发展趋势 1 2 1 国外大采高综采设备的研究现状及发展趋势【3 。1 】 在6 0 年代，苏联、日本、德国、波兰、捷克和斯洛伐克等国就开始发展采用大采 高综采，其中日本曾设计了一种5 m 采高并带中间平台的液压支架，并获得了日本国家 设计奖。在1 9 7 0 年，德国使用贝考瑞特垛式支架成功地开采了热罗林矿4 m 厚的7 号煤 层，德国当时拥有的大采高液压支架，其架型主要包括威斯特伐利亚b c 2 5 5 6 、赫姆夏 特t 5 5 0 2 2 6 0 、蒂森r h s 2 5 5 0 b l 。在1 9 8 0 年，前西德赫姆夏特公司开发出6 5 5 0 2 2 6 0 掩护式支架，最大高度6 m ，在威斯特伐伦矿使用并取得了成功。2 0 世纪7 0 年代末，波 兰曾设计开发了p o m a 2 2 4 5 系列两柱掩护式大采高支架，也取得了较好的使用效果。 在1 9 8 3 年，美国采用长壁大采高综采技术开采厚煤层成功地使用在俄怀明州卡帮县l 号矿，工作面采高达到4 5 - - 4 7 m ，日产达6 2 0 0 t ，实现了高产高效。前苏联也采用k m 一1 4 4 型掩护式支架，取得了很好的使用效果。在1 9 9 3 年，捷克的l a z y 矿开始使用d b t 公 司的f 4 4 5 0 0 型大采高支架，经过不断对支架的改进，采高从4 m 增加到6 m ，在顶板较 为破碎的情况下，回采工效为3 8 v 工，工作面正常条件下单产为7 5 0 0 t d ，平均4 5 0 0 t d ， 最高单产达到了8 0 0 0 t d 。美国西麋鹿矿于1 9 9 5 年，工作面采高4 4 m ，9 月份( 2 4 d ) 创当 时月产6 0 1 万t 的世界记录。 自从2 0 世纪末期以来，高新技术不断向传统采矿领域渗透，美、澳、英、德等国 家采用了大功率可控传动、微机工况检测监控、自动化控制、机电一体化设计等先进适 用技术，研制出适应不同煤层条件的高效综采大型设备，实现了从普通综合机械化生产 向高产高效集约化生产的根本性转变。新型综采设备在传动功率、设计生产能力大幅增 加的同时，设备功能内涵发生了重大突破，设备可靠性显著提升，并实现了综采生产过 程的自动化控制，使综采新型装备的使用取得了很好的技术经济效益。例如新型电牵引 采煤机，总功率达到1 5 0 0 - , 2 0 0 0 k w ，装备了以微型电子计算机为核心的电控系统，采用 先进的信息处理技术和传感技术，实现了机电一体化。大采高强力液压支架，其综采液 压支架的架型主要为高工作阻力的两柱掩护式液压支架，其支架工作阻力一般在 6 - q 0 m n 范围内。重型刮板输送机、转载设备，采用了大功率软启动、铸焊结合重型中 部槽、交叉侧斜等先进技术。 目前国外综采成套设备的生产能力已经达到3 0 0 0 t h 以上，在适宜的煤层及地质保 3 西安科技大学硕士学位论文 障前提条件下，采煤工作面可实现年产8 0 0 万1 0 0 0 万t ，出现“一矿一面，一个采区， 一条生产线”的高效集约化生产模式，并且形成了以美国j o y 公司，德国的d b t 、e i c k h o f f 和波兰扎布执公司为代表的国际采矿设备供应商。例如大采高设备有j o y 公司生产的 z y l l 2 0 2 9 5 6 2 2 型支架，配套s l 5 0 0 采煤机采高可达6 m 。波兰扎布执公司生产的 z y l 2 0 0 2 8 6 0 型支架配套及其生产的1 2 5 0 k w 采煤机。z y 8 6 4 0 2 5 5 5 5 型支架配套j o y 公司或e i c k h o f f 公司生产的1 8 1 5 k w 采煤机等大采高综采高端产品。这些设备使用效果 非常显著，基本垄断了国际大采高综采高端产品市场。 国外的生产实践表明，在一些适宜的地质条件下，大采高综采实现了高产高效、高 安全、高回收率和经济效益好的目标。世界主要产煤国至今仍在积极地改进、完善大采 高液压支架，使得新型综采设备在传动功率、设计生产能力大幅增加的同时，设备功能 内涵发生了重大突破，设备可靠性显著提升，并实现了综采生产过程的自动化控制，使 综采新型装备的使用取得了很好的技术经济效益。 1 2 2 国内大采高综采设备的研究现状及发展趋势【3 1 1 】 我国在1 9 7 8 年，引进德国赫姆夏特公司g 3 2 0 2 3 4 5 型掩护式液压支架及相应的采 煤运输设备，在开滦范各庄矿1 4 7 7 综采工作面开采7 号煤层，开始试验厚煤层大采高 一次采全厚开采方法，取得了良好的效果。在1 9 8 5 年，首次使用国产b c 5 2 0 2 5 4 7 型 支撑掩护式4 5 m 采高液压支架在西山矿务局官地矿进行试验开采的8 号煤层，煤层平 均厚度4 5 m ，倾角小于5 。，综采工作面3 个月产煤1 1 2 万t 。在1 9 8 6 年，我国在邢台 东庞矿使用自行研制的b y 3 2 0 2 3 4 5 型掩护式支架，在倾角高达3 8 。的条件下试验成 功。在1 9 8 8 年，首次突破煤炭年产量百万吨的邢台矿务局东庞矿和义马矿务局耿村矿 采用4 4 m 采高综采技术，处于当时综采技术的较高水平。8 0 年代到9 0 年代中期，全国 累计有3 5 9 个年产超百万吨的综采队，其中3 5 m - 4 5 m 采高综采队有1 9 个，占5 3 。 上个世纪末，年产逾百万吨的大采高综采队已达8 个，其中最高平均单产己达3 0 9 万t ， 平均效率最高达2 1 8 t 工。例如神东矿区的大柳塔全套引进设备，于2 0 0 0 年7 月份产量 达到9 0 万t ，全年产量为8 6 0 万t 。活鸡兔矿井也采用全套引进设备，于2 0 0 0 年8 月 5 2 5 日产量达到5 7 万t 的好成绩。 随着大采高工作面的发展，其优势越来越得到普遍认可。在新世纪之初，大采高开 采技术发展到一个新的阶段，个别工作面的产量及效率达到并超过国际水平。例如在 2 0 0 3 年，神华神东公司补连塔煤矿大采高综采工作面年产原煤9 2 4 万t ，采高达到4 8 m 。 在2 0 0 4 年，神华神东公司上湾煤矿大采高工作面年产原煤1 0 7 5 万t ，实际采高5 4 r n 。 晋城煤业集团寺河矿在高瓦斯矿井条件下，采高达到了5 5 m 。大同煤矿集团公司四老沟 矿使用国产z 9 9 0 0 2 9 5 5 0 液压支架在“两硬”条件下，实际采高已达到4 5 m 。在2 0 0 6 年，晋城煤业集团寺河矿在近水平煤层中，使用国际先进的z y 9 4 0 0 2 8 6 2 支架，采高 4 1 绪论 达到6 0 m ，极限高度可达6 2 m 。2 0 0 7 年，中国首个6 3 m 大采高重型综采工作面在神 东煤炭分公司上湾煤矿“诞生 ，充分发挥了6 3 m 大采高液压支架的优势，大幅度提高 回采率及工效。目前，神华宁煤集团公司羊场湾煤矿已装备了两个大采高重型综采工作 面，在复杂条件下采高最大可达6 2 m 。 近三十年来，我国在神东、徐州、宁东、铜川、开滦、阳泉、西山、兖州、邢台、 双鸭山、铁法、枣庄等矿区，推广使用大采高综采，至今已取得了长足进步。为适应我 国煤矿综采机械化的发展，国内综采设备科研设计和制造企业已研制开发出具有独立知 识产权、较先进技术水平的大功率电牵引采煤机、重型刮板输送机、电液控制强力液压 支架和多点驱动大运力带式输送机，配套设备的生产能力达到1 5 0 0 2 5 0 0 t h ，在适宜的 煤层和矿井条件下，综采工作面可实现年产3 0 0 万t 以上。例如天地科技股份有限公司 研制成功的m g 7 5 0 1 8 1 5 g w d 型交流电牵引采煤机，总装机功率达到1 8 1 5 k w ，西安 煤矿机械厂的m g 7 5 0 1 9 1 0 w d 型和m g 9 0 0 2 2 1 0 w d 型交流电牵引采煤机，总装机功 率分别达到1 9 1 0 k w 和2 2 1 0 k w 。西北奔牛集团公司研制成功的s g z l 2 0 0 1 5 7 5 型刮板 输送机，输送能力最大达到2 5 0 0 t h ，总装机功率达到1 5 7 5 k w 。我国近期研制成功了 z y 9 9 0 0 2 0 4 5 两柱支撑掩护式支架、z z 9 9 0 0 2 0 4 5 四柱支撑掩护式支架。郑州煤机厂为 晋城研制成功z y 9 4 0 0 2 8 6 2 两柱支撑掩护式支架，整体结构强度高，调高范围3 m - - , 6 m ， 支护高度最大可达到6 2 m ，采用电液控制技术，寿命实验达5 万次以上。我国新研制开 发的新型大采高综采装备技术参数已接近国外先进水平，综采工作面年产能力达到3 0 0 万t 以上。 我国虽然在这方面起步比较晚，但是通过这三十年的努力，取得了较好的技术经济 效果。但是我国大采高综采设备受设计制造水平、优质材料等条件限制，在技术性能和 工作可靠性方面，与国际先进水平有明显差距。煤矿使用的高端煤炭生产装备几乎被国 外厂商所占领，重点矿区蛳m 厚煤层一次采全高综采装备主要依靠进口。例如创造综 采年产世界记录的神华、兖矿等煤炭企业，其大采高综采的高端装备仍以进口为主。美 国、澳大利亚综采工作面全部采用计算机网络化自动化控制技术，而我国综采工作面成 套设备平均生产能力( 3 0 0 万t 左右) 仅相当美国、澳大利亚的5 0 。我国在综机制造业上 和国际水平的差距，正是今后我国大采高综采设备发展所需要弥补的。 厚煤层一次采全高综采技术是世界煤炭井工生产技术主要竞争领域。目前各产煤大 国，正在积极地探索大采高采煤工作面围岩运动规律，分析采煤工作面围岩内应力分布， 为更合理的确定大采高支架工作阻力和结构高度等主要参数提供依据。并对大采高支架 设计提出更高要求，保证支架及输送机设备整体的稳定性，加强防倒防滑锚固调架及防 片帮冒顶控制，优化采煤系统，有效地利用大采高综采管理顶板和煤壁，探索实践中所 遇到问题采取的相应措施，不断地完善管理，不断地总结、提炼。随着矿井大规模集中 化生产的发展，大功率、高性能的设备是必不可少的。大采高综采设备的研制要坚持三 5 西安科技大学硕士学位论文 个方面的发展方向：装备大型化、配套化、机械化程度高；装备无轨化、液压化、自动 化程度高；装备技术性能成熟，可靠性高。各行业高新技术也在迅猛的发展，并不断地 向采矿学科渗透，使得大采高综采技术更加细化、精化，并j 下日趋成熟和完善。 1 2 3 大采高采场理论的现状及发展 1 3 1 9 】 1 9 1 6 年，德国人k s t o c k 提出悬臂梁假说，得到了英国的i f r i e n d 、前苏联的格尔 曼的支持。1 9 2 8 年德国人w h a c k 和g g i l i c e r 提出了压力拱假说。5 0 年代初，i j f 苏 联人库兹涅佐夫提出了铰接岩块假说。比利时学者a 拉巴斯提出了预成裂隙假说。 我国钱鸣高院士在6 0 8 0 年代初，提出了“砌体梁”力学模型1 2 0 - - 2 4 1 。随后在1 9 9 4 年，钱鸣高院士又在“砌体梁”基础上建立了“s r 稳定理论 2 5 , 2 6 。与“砌体梁 力 学模型提出的同时，宋振骐院士提出了“传递岩梁理论 2 7 2 8 1 。 随后国内众多学者根据不同煤层条件及开采实践，提出了一些丰富采动引起采场上 覆岩层运动规律的理论。石平五口9 】教授针对一些矿山压力问题( 1 9 8 4 年) 提出能量原理， 靳钟铭【3 0 】教授( 1 9 9 4 年) 提出了坚硬顶板的采场“悬梁结构 ，贾喜荣【3 1 教授( 1 9 9 7 年) 提 了采场“薄板矿压理论 。 这些基础理论是研究大采高综采工作面采场顶板岩层的运动规律和采场压力显现 规律的基石，但是大采高采场覆岩结构及运动规律是有其特殊性的。 前苏联曾对2 - 8 m 采高围岩运动规律及控制原理进行初步研列3 2 1 ，全苏矿山测量研 究院在实验室对开采厚度为2 、4 、6 、8 m 煤层进行相似模拟实验，实验与现场研究表明： 来压步距不决定于开采煤层厚度，而决定于岩层的特性及其结构；煤层厚度增加，顶板 下沉量增大，必须先规定支架的可缩量；随煤层厚度增加，工作面内顶板下沉量，由于 岩层断裂而引起的来压强度都将增大，实质上是一些大采高岩层运动规律。 赵宏珠【3 3 , 3 4 墩授通过对我国3 5 5 m 采高综采设备初期使用情况进行研究，初步阐 述了大采高支架与围岩相互作用关系，初步给出了大采高支架设计和支架选型主要参 数。主要结论是：采高加大对上覆岩层断裂、垮落后产生的自由空间影响最大，采空 区内自由空间高度随采高增大而增大，采高为3 5 、4 5 、5 5 、6 5 m 时，自由空间高度分 别为2 、3 、4 、5 m 。工作面上覆岩层断裂垮落后自由空间高度随采高加大而增高，采高 达6 5 m 时，整个回采过程中自由空间始终存在，且大于3 m ；决定大采高支架阻力的 主要因素是由于采高加大而导致的老顶来压加剧，工作面上覆岩层断裂范围加大，而靠 加大支架工作阻力改变围岩应力分布，从而阻止上覆岩层断裂的作用不大。因此大采高 支架合理工作阻力应首先按岩层自重法确定，并定量的指出采高和支护强度的关系； 大采高支架工作面煤壁片帮是有规律的，其片帮程度与采高、支架工作阻力、老顶来压、 工作面推进方向、顶梁接顶程度、梁端距、煤质硬度及煤壁暴露时间有关。 中国矿业大学郝海金【3 5 , 3 6 】等通过工作面上位岩层移动实测、模拟实验及工作面矿压 6 1 绪论 观测，对3 5 5 2 m 采高综采工作面上覆岩体破断位置及其平衡结构进行了研究。结果 表明：大采高综采工作面基本顶断裂的位置在工作面前方、上覆岩层存在着比分层开采 层位更高但和放顶煤开采相似的平衡结构，结构的活动是一个逐渐变化的过程，在这一 过程中，平衡结构与其下的直接顶相互作用，这种作用方式与直接顶的多次破裂有关； 传递到支架的载荷主要取决于支架上方直接顶的岩性和破碎的程度。平衡岩梁的变形对 支架产生的影响受直接顶的岩性和其损伤后的强度影响。 太原理工大学靳钟铭教授、弓培林博z t z t 了阳8 】等通过研究了3 5 m - 一6 o m 采高采场覆岩 结构特征及运动规律、支承压力分布规律、直接顶变形破坏规律及工作面矿压显现特点， 提出了以下结论：覆岩的垮落断裂受关键层的特征、层位及分布控制，在不同采高时 “三带 范围的确定与关键层位置有关。当一次性开采高度大于3 m 时，垮落带高度受 关键层特征控制。采高加大，直接顶厚度与采高比值n 大于2 9 3 2 ，采高越大，n 值 越大，大采高采场覆岩破坏呈“梯形台体结构 ，各个区域变形特征不同程度影响采场 围岩控制。大采高近煤壁支承压力峰值低，峰值点距煤壁远，远离煤壁的支承压力随 采高增大而增大，影响范围远，支承压力分布及大小与覆岩结构、煤层厚度有关。大 采高综采一般开采高度在3 5 m 以上，垮落带及断裂带的范围要远大于同厚度煤层分层 开采相应的范围，因而大采高综采的采场矿压显现及控制、覆岩运动、地表沉陷都有其 新的特点，应用关键层理论深入研究大采高下覆岩运动是解决上述问题的可行途经。 目前，采矿界越来越重视大采高带来的采场上覆岩层结构及运动规律的研究。大采 高综采的采高加大，造成采空区空间较大幅度的增加，使得只有更高的垮落带才能维系 整个采场岩体的平衡，工作面顶板活动空间与老顶悬臂梁结构的弯距加大，采场采动影 响具有较大的波及范围，并且采空区空间加大易造成岩体结构失稳破坏及衍生灾害【3 9 ， 采空区失稳及衍生灾害是复杂地层结构承受复杂环境作用的演化过程，这一过程是能够 通过现场监测进行预警，并可以得到有效的控制。国内一些学者对大采高的围岩控制提 供了一些有益的观点和建议，这些零散的观点及意见对大采高理论是一个新的丰富和发 展，但是并不是很完善，在具体应用中受到一些条件的限制。 1 2 4 羊场湾煤矿大采高综采现状 神华宁夏煤业集团的宁东矿区是我国1 3 个重要煤炭生产基地之一，羊场湾煤矿又 是宁东矿区首开的现代化特大型矿井。矿井2 0 0 3 年5 月开工建设，2 0 0 5 年8 月首采工 作面投入生产。 神华宁煤集团羊场湾煤矿已有两套综采装备，都在2 4 煤层开采。国产设备工作面采 高3 8 4 o m 。截止2 0 0 6 年5 月3 1 日，累计推进1 7 0 3 m ，完成产量2 2 5 1 5 万t ，平均月 进度1 8 5 m ，平均月单产2 4 5 万t ，最高月进度2 8 7 8 m ，最高月单产3 8 6 4 万t ，最高日 进度1 4 7 6 m ( 1 8 刀) ，最高日产量1 8 5 万t 。进口设备工作面，采高4 2 4 3 m ，截止2 0 0 6 7 西安科技大学硕士学位论文 年5 月3 1 日，累计推进3 8 0 m ，完成产量5 3 1 万t ，平均月进度1 7 3 8 m ，平均月产2 4 7 4 万t ，最高月进度1 7 5 m ，最高月单产2 4 1 6 万t ，最高日进度1 5 8 4 m ( 1 8 刀) ，最高日产 量2 4 2 万t 。两个工作面的开采时间都不长，但从工作面的日产日进、月产月进记录看， 都已达到较高水平。这两个工作面能在短期内能达到较高水平，除了设备水平、人的素 质、管理水平以外，开采工艺与生产地质条件相适应是一个关键的因素。两个工作面的 煤层倾角均为8 0 1 5 0 ，局部2 0 0 。与大采高综采工作面煤层埋藏条件基本一致。两个工 作面的采高己达3 8 4 3 m ，超出了常规采高。但开采以来基本没有出现顶板煤帮失控问 题。这些相同、相近条件下的开采实践活动已经为进行更大采高条件下的开采积累了大 量技术和操作方面的经验，是试验大采高综采工艺的非常难得的有利条件之一。 羊场湾矿在基本相同的煤层条件下，把采高从4 3 m 增加到6 2 m ，只要设备的可靠 性有充分的保证，大采高综采工艺在羊场湾煤矿二煤中应用是完全可行的。 本论文以神华宁夏煤业集团羊场湾煤矿为试验场地，通过对缓倾斜厚煤层6 2 m 采 高综采工作面破碎顶板稳定性进行研究，解决大采高综采在缓倾斜、顶板破碎、围岩侧 压大的复杂条件下工作面顶板的稳定性问题，完善大采高围岩控制理论，使得大采高在 实际应用中能够充分发挥其潜力，取得较好的效果，促使综采大采高成为一种成熟的工 艺，对于宁夏煤业集团的快速发展具有十分重要的战略意义，也将为保护国家资源，提 高煤炭资源回收率提供强有力的技术支持。 1 3 研究的内容和技术路线 11 3 1 主要研究内容 本论文以羊场湾煤矿缓倾斜条件下6 2 m 采高综采工作面破碎顶板稳定性综合控制 为目标，结合大采高有关理论，采用现场实地调查、相似材料模拟、数值模拟等手段和 方法，对大采高综采工作面进行理论与实验研究，通过对现场工业化试验进行工作面的 综合监测与分析，得出大采高综采破碎顶板失稳控制措施。主要研究以下内容： ( 1 ) 现场工程地质调查与岩石力学实验分析 现场调查大采高综采工作面的实际特征参数，如工作面布置的相关参数和开采技术 条件、顶底板综合柱状特征等；结合国内外有关大采高综采工作面顶板研究理论，分析 影响大采高工作面顶板稳定性的地质因素：调查和收集煤壁片帮防护及其控制、端面冒 顶防护及其控制等资料，深入分析研究大采高工作面区域地质特征。 ( 2 ) 大采高综采工作面的物理相似模拟研究 以羊场湾煤矿6 2 m 采高工作面所涉及区域地质资料为基础进行物理相似材料模拟， 得出大采高的覆岩运动及破坏规律，直观的得到大采高模型采场的覆岩垮落形态及大采 高模型矿压显现规律，同时利用声发射测试技术，监测和分析模型顶板初次垮落和老顶 8 1 绪论 初次来压时的声发射特征。 ( 3 ) 大采高综采工作面的数值模拟研究 基于相似模拟的大采高工作面矿压显现规律建立大采高综采工作面数值模拟模型， 利用有限差分f l a c 3 d 数值模拟方法分析研究大采高工作面顶板变形、破坏的力学特征， 尤其对大采高开采时上下端头破坏情况进行分析，并对大采高工作面顶板破坏范围进 行预计，研究采场应力分布、覆岩层的运移规律。 ( 4 ) 现场工业化试验综合监测与分析 基于以上理论与实验研究，对现场进行工业化试验。利用p m 3 1 电液控制压力传感 器、压力计、钻孔应力计等矿压仪器，监测开采扰动下支架受载情况、压力分布规律、 煤壁片帮情况等，对现场开采特征、采场支承压力分布特征、煤壁片帮特征进行综合分 析，得出大采高综采工作面破碎顶板稳定性研究的相关规律。 ( 5 ) 综采6 2 m 采高工作面顶板稳定性综合分析与控制 综合现场地质调查、相似模拟、数值计算等理论与实验分析，结合现场综合监测结 果，对大采高工作面顶板稳定性及其失稳因素进行深入研究，提出大采高顶板稳定性有 效的控制措施，形成综采6 2 m 采高破碎顶板稳定性综合控制措施。 1 3 2 关键技术路线 根据以上所述的研究方案，本研究的技术路线如图1 2 所示。 9 皇耋兰垒叁茎筌圭茎竺耋耋 2 羊场湾煤矿工程地质特征调查与分析 采高加大后，复杂的工程地质条件更窑易孕育顶板事故 4 0 a t 】。研究大采高破碎顶板 的稳定性，必须进行现场工程地质特征综合调查，剖析地质构造与顶板失稳的关系，通 过煤岩物理力学史验，揭示其力学特性，从而为后续的大采高破碎顶板研究提供基础。 2 1 矿井工程地质概况 神华宁夏煤业集团的宁东矿区是我围1 3 个重要煤炭牛产基地之一，也是宁夏回族 自治区重点建设的能源化工基地。羊场湾煤矿足神华宁夏煤业集团宁东矿区首开的特大 型矿井建设项目。羊场湾井田位于宁夏回族自治区灵武市宁东( 原磁窑堡) 镇境内，地 处东经1 0 6 。3 5 1 0 6 。3 8 北纬7 0 5 9 - 3 。0 3 之间。 2 1 1 区域综合地质特征 羊场湾煤矿井田位于灵武煤用碎石井区中部，即刘家庄碎石井背斜与磁窑堡长梁 山向斜来侧f 1 断层之间，地质构造复杂，围岩破碎。井盱1 浅部羊场湾区呈北东南西走 向、向南东倾斜的单斜构造形态，井田深部东庙区呈北西一南东走向、两翼对称的简单 背斜构造，由于次级褶曲较为发育井田内地层产状沿走向和倾向变化较大。次级褶曲 有四组，其中黑疙瘩背斜在井田内构成主干构造，如图21 所示。 羊场湾煤矿井田区域位于鄂而多斯盆地西缘吴忠地震活动带东侧，属于地震频发地 段，地震震中多集中在黄河沿岸，历史上曾发生较大地震8 次，罩氏震级42 55 级之 间。地震活动在空白j 围绕灵武、吴忠两市附近迂回跳跃呈一密集的地震群分布，地震 分布如图2 2 所示。 2 羊场湾煤矿5 - 程地质特征调查与分析 羊场湾处于毛乌素沙漠边缘，地表呈现地形起伏不大，总体趋势南高北低，沙丘广 布，属低缓剥蚀残丘地貌。井田北以第1 2 勘探线为界，与磁窑堡井田相临，东及东南 以1 1 7 # 孔连线为界，西南以赵儿塔井向斜轴与枣泉井田为界，南北长8 k m ，东西宽5 k m ， 面积为4 0 k i n 2 ，井田海拔标高一般在+ 1 3 4 0 - - 4 - 1 4 0 0 m 之间，全井田设计可采储量 4 5 5 3 8 m t 。井田划分为+ 1 0 5 8 m 、+ 8 5 0 m 两个水平开拓，第一水平上、下山开采，第二 水平下山开采。矿井共分为四个分区，+ 1 0 5 8 m 水平上、下山阶段为一分区，+ 8 5 0 m 水 平下山阶段至黑疙瘩背斜轴部二煤+ 9 3 0 m 水平为二分区，圆疙瘩向斜与1 3 勘探线之间 为三分区，黑疙瘩背斜轴部二煤+ 9 3 0 m 水平至+ 6 0 0 m 水平为四分区。每个分区根据煤层 间距共划分为四个煤组，一、二、二下、三煤为第一煤组，五、六、七煤为第二煤组， 九、十、十一、十二煤为第三煤组，十三、十四、十五、十六煤为第四煤组，每个煤组 布置采区上下山集中开采。 2 1 2 煤层赋存特征 羊场湾煤矿大采高工作面布置在二煤中，二煤层为全井田赋存稳定的厚至特厚煤 层，浅部呈走向北东、向南的倾斜的单斜构造，走向受褶曲构造影响，煤层有起伏。深 部受山疙瘩背斜影响，煤层走向、倾向均发生较大变化。煤层倾角一般8 0 1 5 0 ，局部最 大2 0 0 ，走向方向煤层起伏坡度一般为8 0 ，最大达1 4 0 。煤层可采厚度4 4 2 1 0 1 5 m ，平 均7 2 m ，f = 2 3 ，韧性指标9 1 0 。煤层结构较简单，一般含l 3 层夹矸，集中于煤层 下部，最大厚度达1 4 2 m 。煤层顶板为砂岩，常有薄层状泥岩伪顶，底板为砂岩，岩性 以泥岩为主，粉砂岩次之，f - - 4 - 6 。从附近已施工的巷道及上一个工作面的开采情况来 看，煤层中沿倾向方向的节理较发育，节理方向北东4 0 0 8 0 0 ，与工作面走向方向的夹 角在3 0 0 左右。 2 1 3 影响顶板失稳的地质特征 根据羊场湾煤矿地质资料和大采高工作面回风巷、上运巷及工作面切眼的施工情 况，对大采高综采区域进行地质特征调查与分析，得出如下一些影响顶板失稳的地质条 件： ( 1 ) 受火烧坡背斜构造的影响，在工作面南部区域范围内小褶曲较发育，煤层走向 及倾向均存在波浪起伏变化。褶皱构造是岩( 煤) 层在地质作用力的影响下，产生变形而 形成波状弯曲且未失去连续性的构造形态。从地质力学分析，褶曲一般是水平挤压力或 水平挤压剪切力作用形成，煤层要发生塑性流动或滑动，岩层受构造应力的作用，不同 部位会产生一系列的裂隙、小断层、节理等内部小构造。特别是在褶曲轴部往往裂隙、 节理更发育、岩层破碎，煤层暴露后吸水脱落，同时其轴部产状变化急剧，煤厚发生急 剧挤厚压薄现象，小褶曲的轴部裂隙发育，回采中易发生片帮及漏( 冒) 顶事故。尤其在 西安科技大学硕士学位论丈 同采工作面过向斜轴时，由于顶板岩层f 沉极易离层或f 沉产生张裂隙，从而导致顶板 管理非常困难。 ( 2 ) 由于煤系地层受地质应力及后期构造变动影响，煤( 岩) 层均已产生形变，导致 围岩破碎。煤层中节理裂隙发育，受采动影响，节理易变成裂隙，顶板中出现裂隙的多 少，直接反映了顶板整体性和坚固性，裂隙越发育，密度越大，即它们的间距越小，顶 扳的稳定性就越差，造成煤层易片帮、项板易冒落。裂隙导致丁项板多变不平整，煤层 形态多变，围岩破碎的区域地质特征。 ( 3 ) 顶板岩层胶结物以泥质、粘土质为主的，容易产生顶板滑移失稳。并且本区域 煤岩结构复杂，煤层中往往含有多层夹矸层，回采中夹矸至上分层易脱落。 总之，羊场湾煤矿处于独特的地球物理环境中受历史