（矿业工程专业论文）综放面围岩应力分布及矿压显现规律研究.pdf

摘要 本文通过现场实测、实验室相似材料模拟以及计算机数值模拟 综合研究方法对极软特厚煤层综放工作面围岩应力分布规律以及矿 压显现规律进行了深入研究。得出了综放工作面顶板来压规律、支 架阻力分布规律、顶煤板运移规律、巷道围岩变形规律以及小煤柱 合理宽度，认为加快推进速度是降低煤壁片帮的有效手段。该研究 成果为综放面矿压控制设计和巷道合理布置提供了理论依据，对提 高了综放面煤炭回收率有重要的现实意义，为其他类似条件下的综 放面提供了有益的借鉴，有较高的应用价值。 关健词：综放面，围岩，应力，矿压显现，煤柱宽度 a b s t r a c t i n t h i sp a p e r , c o m p o s i t i v er e s e a r c ht e c h n i q u e si n c l u d i n go ft h r e e - d i m e n s i o n a l n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，i n s i t um e a s u r e m e n ta n de q u i v a l e n tm a t e r i a ls i m u l a t i o na r e c a r r i e do u tt oi n v e s t i g a t et h es t r e s sd i s t r i b u t i o no fs u r r o u n d i n gr o c ka n ds t r a t a b e h a v i o r si nf u l l ym e c h a n i z e dt o p c o a lc a v i n gr f m t c ) f a c ew i t l le x t r a - t h i c ka n d e x t r a s o f ts e a l t l t h el a wo fr o o fa c t i v i t i e s ，t h ed i s t r i b u t i o no fs u p p o r t sr e s i s t a n c e ， m o v e m e n tl a w so ft o p - c o a la n dr o o f , d e f o r m a t i o nl a w so fg a t e ss u r r o u n d i n gr o c k a n dr e s o n a b l ew i d t ho fc o a lp i l l a ra r ep u tf o r w a r d a n dt h ee f f e c t i v em e t h o do f c o n t r o l l i n gw a l ls l o u g h i n gi sq u i c k i n ga d v a n c es p e e d t h er e s u l t sp r o v i d ea t h e o r e t i c a lb a s i sf o rr o c kp r e s s u r ea n ds t r a t ac o n t r o la n dc o n t r i b u t et of u r t h e rs t u d y t o p c o a lc a v i n gi nf u l l ym e c h a n i z e dt o p c o a lc a v i n gf a c e t h er e s u l t sa l s ob e n e f i tt o i m p r o v et h er e c o v e r yi nf m t cf a c e a tt h es a m et i m ei tp r o v i d e sb e n e f i c i a ll e s s o n s f o ro t h e rs i m i l a rf u l l ym e c h a n i z e dl o n gw a l lt o p c o a lc a v i n gm i n i n g k e yw o r d s ：f u l l ym e c h a n i z e dt o p c o a lc a v i n gf a c e ，s u r r o u n d i n gr o c k , s t r e s s ， s t r a t ab e h a v i o r s ，w i d t ho fc o a lp i l l a r i i 独创性声明 本少。明所呈交的学= 位论文是率人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知、除了文中特别加以标注和致谢的地 方以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得塞擞堡点态堂或其他教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所傲的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论支作者签名：嵌签字日期：知鲜即龋 学位论文版权使用授权书 奉学位论文作者完全了解塞堂堡墨盍堂有保鳍，使用学 位论文的规定有权傈留并向国家雨关部门或机构送交论文的复印件 和磁盈，免许论文被查阅和借阁，率。授权一塞数堡王鑫堂 可 以将学位论灭的全部或部舟内容编凡有关数据库进行检索，可以采用 影印、维印或扫描等复制手段睬存、正编学位论文。t 保密的学位论 文在解密后适_ | j l 本授权书) 学位论叉作者鲐陬 导师签名 冲乡砰 签字日期：澎明币签字e 期：游中月翟乒 综放面围岩应力力分布及矿压显现规律研究 1 1 问题【j ：呈出 我国是个厚煤层开采大国，厚煤层开采煤量占总产量的4 0 5 0 ，厚煤层的开采技 术经济状况对我国煤炭行业的生产和经济凇沥隋掣堤尊蛰室的影响。而放顶煤开采具有效率 高、安全、低成本、能适应煤层厚度变化、社会经济效益好等一系列优点，因此应用综采 放项煤采煤法是实现高产高效既经济又实用的有效途硭”。放顶煤开采技术被煤炭部列为 “九五”期间科技攻关的重要课题。自从迸 9 0 年代，我国放项煤技术有了很大的发展， 高产综放工作面技术经济指标已处于世界先进水平，放顶煤工作面的高产高效特征也逐渐 得到了普遍认同。1 9 9 3 年，潞安矿务局王庄矿仓崎告了年产原煤2 5 3 万t ，工作面平均月产 达2 1 万t ，最高月产3 1 0 9 万t ，最高日产达1 6 万t ，回采工效达1 1 0 8 t 工的当时全国 记豸掣。1 9 9 7 年，全国年产3 0 0 万t 以上的4 个采煤队均为综放队，其中兖州矿务局东滩 煤矿综采二队年产达4 0 0 万t 、工效2 0 8 t i 口j 。1 9 9 8 年以来，该队又刨造了工作面年单产 超过5 4 0 万t 、工效达2 3 5 t ： ：的最佳成绩，步入国际先进行歹一。但是，综采放顶煤技术 是在中厚煤层一次采全商象台机械化开采的基础e 发展起来的一= 哆新技术，此项技术的发 生和发展，都是在传统的采矿理论的基础上。凭着丰富的生产经验，经过多次试验而取得 成功的a 由于缔葛【工作面一次采出厚度噌加了陪j 淡晤，编虹作面凰山励分日瑚睁 及显现、采场及采准巷道围岩运动、围岩运移规律等都有了很大变化，这些变化用传统的 矿山压力理论已无法进行圆满地解释由于一次采出厚度成倍的增加及煤炭回收方式( 矗免粥 的改变等引起的各利日寺殊珊j 蒙p 咽。因而在其发展过程中出现了不少新的问题，如采出率较 低、区劂某柱的訇鳗留设及编懒周围巷i 酋的布昏傩习醭擎等。正瞻认识缭撕的岩 层活动及矿压显现规律是采场矿山压力控制设计的依据，也是综放开采安全生产的保证。 果场周围的应力分布及其显现是晌定采区萄蓖布置蒯：的基础，也厨龟择萄鄯勘功式和 支护参数的依据。因此，有必要对综放围岩压力分布规律及矿压显既逆 行探 研究。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 综放开采技术的发展现状 放项煤开采法由来已久。法国、原苏联、南斯拉夫等国家于本越 己4 0 年代末5 0 年代初 即开始应用放顶煤开采法。1 9 5 7 年，原苏联研制出l c n 型放顶煤吏架，并在库兹巴斯煤田的 托姆乌辛斯矿使用，后因工艺复杂，金属材料消耗量大，效果不理想而未能大量推广。1 9 6 3 年，法国利用当时使用的节式支架改 戢“香蕉”形放顶精吱架，并于1 9 6 4 年用于法国布 朗齐矿区的迭尔西旷，试验取得了成功。之后，英国、法国、南斯拉夫、匈牙利等国家部 相继引进了这技术，并且对j 呦行了广泛的试验和研究。综故开采曾_ 度成为东欧岖 厚煤层开采的主要方法，由于各种原因，欧洲使用综放开采技术并没有取得很好的技术经 综放面围岩应力力分布及矿压显现规律研究 济指标。8 0 年代中期以后，国外放顶煤开始萎缩，至盱9 噼f 代初，国外只有极少数矿井仍在 使用放项煤开采p ”j 。 我国放顶煤开采主要是指长壁综合机械化放项煤开采。其实质就是采用常规方法开采 煤殿或分鼬底部厚度2 - 3 m 的一个分层，利用矿山压力的作用，使支架匕方的项煤配瓣# 成 散体后依靠重力回收顶煤。依据燥层赋存条件的不同，长壁综采放项煤可分为三种主要类 型：一次采全厚放项煤开采；预采顶分层网下放顶煤开采；倾斜分段放项煤开采。 其中，一次采全厚放顶煤开采在我国应用较一日。 我国综放开采技术的发展，大体e 可以分为三个时期i m l 4 1 。 ( 1 ) 探索阶段( 1 9 8 2 1 9 9 0 铜 我国从1 9 8 2 年开始研究引进综放开采，1 9 8 4 年沈阳矿务局蒲河矿首先进行了全部国产 设备铡账壁综放工作面的试验，由于支架设计有缺陋配套设备及生产系统不匹配，生 产管理也没有经睑试验基本e 不成功。以后转入在窑街矿务局急倾斜特厚煤层试验分段放 顶煤方法获得成功，随之在辽源旷务局梅河口矿、乌鲁木齐矿务局六道湾煤矿，急惯斜特 燃编诙均获得成功。梅河口矿取得了工作面孵嘲万t 左占的成绩。在怠嘲渺猿銎袁放 开采的同时，东北若干矿区继续试验缓倾斜综放开采，由于各方面的原因，成绩不理想， 安全龇不太好，工作面发生过几次自燃火灾，单产水平也不高。1 9 8 7 年，平项山矿 全部引进匈牙币炉阻唧3 2 单输送饥高瞄测辎夜压支架为基础的全套综放设备投产，由 于多种原因，当时月产最高仅# j 4 力- t 多，没存表现出比分层综i 洧多大的优势。尽管如此 潞安、阳泉等我国主要的柳械化j 谳局仍醐嬲准备j 护黼。1 9 9 7 z ，鹤鲁术齐 矿务局由原中煤公司生产局机械化处召开了一次放顶煤开采技术交流会，对综放开采的发 展起了推动作用，会后发表的会议纪要，提出综放开采必须实现高产以表明其优势，提 出应在正规长壁工作面开展缡翻& 嗡冬觎点捌生产起了推动作用。会后，_ 蝴条 件较有利的潞安、阳泉等矿务局加紧长壁综放的试验。1 9 9 0 年e 半年，阳泉矿和潞安王 庄矿赧达到了工作面月产8 万t 以上的高产水平。9 0 年下半年，阳泉矿9 6 0 3 长壁综放工作 面月产超过1 4 7 j - t ，比该矿分层综采工作面产量和效率都提高了倍以上，工作面煤炭回收 率赶h 如o ，并摸索出绢澈开舜犍工作面实珊普遍高产的堂期律，列彭啾开采技 术发展产生了具有决定意义的、广泛的影响。 ( 2 ) 洌戚黼懈( 1 9 9 0 1 9 9 5 销 综放开采步入逐渐成熟阶段的标志是：兖州矿务局必隆庄旷工作面单产突破了3 0 0 万乇，a ，初步显示了编粥睬工作面高产高效的巨大潜力；稽黝粮臻澈开采睇沭有了重 大突破。1 9 9 0 年阳泉矿9 6 0 3 工作面达到了月产1 4 z j t ，在经济匕、技术上开始反映出综 放开采的巨大优势以后，在煤炭行业引起了巨大反响。1 9 9 3 年 潞安矿务局王庄矿又将高 综放面围岩应力力分布及矿压显现规律研究 产高效纪录提高到月产3 1 万c ，年产2 5 0 万t ，工效l o o t i 的新水平。在这阶段综放开采技 术的发展是迅速的，很多矿务同认识到并开始将发展墩揶驺猕提至蝻别勘的主要议程， 其中包括一些难采煤层如郑州矿务局的“三软”煤层、阳泉矿务局的高瓦斯煤层( 五n 、 石炭井矿务局的“大倾角”( 3 0 。) 煤层也都加快了实现综放开采的步伐。另一方面对岩层 控制、支架一围岩关系、顶煤可放性、放煤工艺、平行作业等部有了较多研宄并形成百家 争鸣的局面。 ( 3 ) 技术成熟和推广阶段( 1 9 9 6 现抽 由于综放开采巨大的技术、经济和社会效益激发了煤矿生产企业的积极性，同时由于 对综放开采的，i 卜重大技术难点的认识有了深化，并初步有了治理方法，综放开采的安全 优势也被公认。1 9 9 5 年煤炭工业科教兴煤大会e 确定了把综放开采技术定为“九五”期间 煤炭行业重点攻关和推广的五项技术之首，煤炭部园喇蔚妇翻燃的几个问题定为“九 五”期间煤炭工业重点科研攻关项目，使综放开采技术的发展有了个很好的外部环境， 在不长的时间内得到了快速发展。 近月年，综放开采技术在两种不同类型的情况下黼了发展。种类型是少数大型、 特大型矿井，煤层厚度大，储量大，地质构造较简单，瓦斯不大，煤质中硬，使用综放开采 的条件好，经过努力，工作面单产、效益大陶蔓增长( 单产超过2 0 0 万、旧。1 9 9 7 年兖州矿 务局东滩矿综放工作面年产达到4 l o 万t ，工作面效率达2 0 洲工就是典型代表。另种类型 则是大量的，即矿井井型较小( 1 5 唰a ) ，矿井各环节设备能力较小，地质条件相对复 杂，特别是一些难采煤民如“三软j ，、“两硬”、“大阪角 、“商列折湛至有突出) ”、“易燃”、 “边角煤、小块段”、“较薄厚煤层”等的综放开采技术有了较大发展并在技术e 形成了各 自的典型模式。近八年轻放支架研制成功更加扩大了综放开采的适用范围，较放支架工作 面数量增长很快。1 9 9 6 年，煤炭科学研究总院与邯郸矿务局合作，首次在云驾岭煤矿4 0 m 左右的煤层试验经孜开采技术，突破了以前综放开采煤厚的下限，丰富了综放开采的实践 和理论。该项目自l 脚月启动至1 9 9 8 年5 月验收时为止，工作面平均日产8 0 0t d ，最 高日产1 3 5 8t d ( 工作面长6 0 m ) ，综采工作面直接工效2 38t 压，为高档面、炮采缸效 胀3 倍和28 倍，工作面采出刺3 9 1 4 ，吨煤成本比炮采和高档工作面降低1 2 6 3 元，t 和 9 4 4 元，t ，比分层开采巷道掘进率i 绛q n 5 ，瓦斯绝对涌出量为0 2 3 m l h l ，相对涌出量 为0 6 2 m 3 ，瓦斯、粉尘浓度比分层开采没有明显增加。该项目的试验成功为3 5 5 o m 的 较薄难采厚煤层采用轻型支架综放开采技术实现高产高效起到良好的推动作用。 液压支架作为综放开采的关键设备，它关系到综采放顶煤的成败。我国自采用综放技 术以来，己先后研制出高、中、低位放煤系列3 0 多种形式的放顶煤支架。依据与支架配套 的输送机台数和放煤机构的不同，综激支架可分为单输送机商位、双输送饥中位和双输送 综放面围岩应力力分布及矿压显现规律研究 柳低位放顶煤支架。各类支架均有其最佳的适用条件，但目前普遍认为，低位放顶煤支架 具有较好的发展前景i “。 综采放蹴世界范围内作为种新的采煤工艺，已有3 0 多年的历史了。其间国内外 学者对其有关的煤岩移动及顶煤破坏规律、采场周围支承压力分布等问题进行了大量的理 论研究与实践。在此基五出e ，初步揭示了综放采场的岩层结构持点及顶煤碰嘲嘲理，并对 顶煤的放出规律进行了详细的描述。这些对支架设计和综放工艺的完善都具有重要的指导 作用1 同。 1 2 2 绣崧嘱珏蜉翘翁苴围差 ! 压力分布瓤蜩啊侈啾 大量的现场观测和相似模拟等研究表明【1 嘲，综放面因开采厚度的增加，支承压力范 围增大，峰值点离工作面煤壁愈远。且煤的强度愈低，支承医力分布范围愈大，峰0 l c 离煤 壁愈远。 靳钟铭教授应用弹塑性理论，根据放项煤工作面支护系统闻岷醴且成( 图1 1 ) ，按弹塑 性理论( 单元体受力见图1 2 ) ，建立了综放面走向塑性区和弹性区支承压力分布规律方程 划纠，姬式1 1 和式1 2 所示。可见，支承压力与煤厚成正比，即月妫曝厚度的增大，支 承压力降低。 塑性区 盯：= k l k 2 s 1 ( 2 k l + k 2 、m 弹l 生区 铲枷蠕吖) ：， 式中：盯；支承压力； k l 直接顶冈u 度；k ，煤体刚度 聊煤层厚度；j 。直接顶的初次下沉，即煤俸旺鞠量； i 应力集中系数；支承压力峰值距工作面掳瞧距离； 声一，= l - u - + 瓦再麓斋 a ( x 一了n + m 2 ) 一( ，玎2 ) i 综放面围岩应力力分布及矿压显现规律研究 谢和平院士、陈忠辉博士类比不同围岩条件下岩石的应力应变本构关系，根据损伤理 论建立给定变形下( 图1 3 ) 的工作面支承压力分布规律，如式1 3 所示陟蠲。认为煤岩 的性质对支承压力影响最大，而觋喋和直接顶厚度影响甚微。 、 圜圈 图i 3 给定变形下支承压力的力学模型 旷扣e 咩“蚓一 a x b 孑o h ，。 m ， 式中：仃，支承压力， x 距煤壁的距离， s 原岩应变：， e 煤岩弹性模量， 煤岩围压，相当水平应力 a ，b 煤岩的变形曲线参数： 南硕煤和直接顶商度； 坍，岛j 崩罐荆哮对訇关系的形态系数。 宋振骐院士研究认为钟日，由于放顶煤采出煤层厚度增加，支承压力出现内应力场的 可能性和步卜应力场所延伸的范围都比允层开采大的多；内应力场范围与开采厚度成正比； 项煤的实际回收情况对采场结构鲴崩凇镕汲相关参数的影响很大，在撒霹盼翻爵 条件下， 跨落的直接顶厚度与采空区残留的浮煤高度间的关系式可用式1 - 4 表示： ：坠鬯掣 ( 1 4 ) m = ：一【1 4 ) 一l 式中：州：直接顶厚度，4 赚厚度，疟潋 厚度； 咒岩石釉蜥于点的沉降值，k 。冒落岩石的碎胀系数。 陆士良教菠研究认为闼，采空侧留设的护巷煤柱受橱邻工作面支承匪力分布影响。为 使煤柱处于稳定状态，煤柱的宽度b 应大于巷道开挖所形成的塑性区宽度r 和相邻工作面 开采在煤住采空区边缘形成的塑性区r ，煤柱中间应有一定宽度弹性，煤柱匕应力呈双峰 分布。即 b r o + 白竹+ r ( 1 5 ) 综放面围岩应力力分布及矿压显现规律研究 式中：”j 煤柱高度； k _ 系数，取l 2 。 贾光胜溯等针对具体条件下综放回采巷道煤柱内应力及巷道变形观测，结合平面应变 数值计算模拟，认为综放工作面护巷煤柱保持稳定状态的中间弹性宽度为巷高h 的2 倍： b r o + 2 h + r ( 1 6 ) 有的认为中间弹性宽度取大于1 倍以上一次开采厚度是合理的 3 0 3 ”。 侯朝炯、柏建彪、王卫军等研究认为删l ，采空区边缘巷道e 覆岩层与巷道支架存在 大小结构关系( 图1 4 ) 。应用损伤力学本构关系建立了给定变形条件下超前支承压力盯和 侧向支承压力盯：表达式( 式1 7 式1 8 ) ，认为当煤与直接项厚度较大时，支承压力相对 较高、影响范围较大。 ，、 、者排 辽r 者块目岩块cy u乃 心车工摔两 忑上e l t 尊世膏御 k ，。 莲蚕 ， ，2 v 。 平面 剖面 1 综放实体堞替蕉，2 _ 崩澎湖，卜崩澎龉空巷道； m 7 崔嘲嗽b 的回转力矩，m 本工作面老顶岩层断裂，岩境 的回转力矩 图1 4 回采时练撒箱空巷道与e 覆岩僻j 绷的关系 = 圭口卿( 熹舭( 竿+ c 1 )2 互口，唧( i i 二i ) + 占( ：i 一+ c 1 ) f f e x p z 6 叩_ 乃e x p ( 志) ，一1 尹一 ( 1 7 ) 综放面围岩应力力分布及矿压显现规律研究 = 圭盯卿c 南舭 叫。：c r 3 唧( 击) 。r 。一尹 s 0 ( 1 8 ) 式中：盯，煤岩围压；x 某点的走向距离； y 一亥点的倾向距离； 直接项与煤层的厚度；埘，g 。唧e i b u l l 分布标度与形态参数； t 2 b ，口2 ，b 2q ，c 2 _ 彳寺定常数。 陈忠耀尊士、诩和平院士和王加臣教i 弱亘过数罐喇够 析谢为嗣，支承压力具有明显 的分区特征，顶煤的始动点就是支承压力的峰值位置。支承压力分布范围较广，其峰值位 置位于煤壁前方5 7m 处。 吴健教授等通过三维相似模拟和数值模拟研究认为冈，综放面煤体和e 覆岩层受到支 承压力作用影响而产生压力增加的初始e 厘是同步的，应力明显噌加的j 邕萌也相似。上覆 岩层所形成的大变形梁与开采厚度不成线性关系，工作面 页堞缸作面前方一定位置位于 卸压区。 1 2 3 综放面矿压显现规律研究现状 我国撒丽骟守同醐之勿，依据中厚某层或厚煤层分层开采传统的矿山压力理论，人 们普遍扭i ) 厚煤层次采全厚因开采厚度的增加会导致工作面矿压显现程度剧烈增加，为 此进行了大量的现场观测和相似捌料模拟等研究，总结出综放面开采矿压显现基本规律特 征d 7 1 ：综放面来压强度缓和、周期来压不明显、来压步距减小、动载系数不大；综放面 支架载荷不大，支架受载并不因开采煤厚的增加而加大，反而减小；支架前柱工作阻力普 遍大于后柱工作阻力，般高1 0 1 5 ，支架后柱在放谋唇育相当比例呈阻力下降，甚 至降为零。 综故开采技术在我国经过二十来的发展，取得的定的成功，但到目前为止，理论研 究还远远落后于生产的要求，而目理论研究多集中在e 覆岩( 煤) 层的活动规律陋硼h 日， 例如，提出采场的关踺层理论、研究了e 覆岩层的断裂规律、完善了砌俸粱理论。而对综 放开采巷道e 方、煤层走向、侧向、底板的支承压力分布规律及矿压显现规律等的系统研 究较少，理论还不够成熟。目前急需要套综放开采技术理论来指导目前的综放技术发展， i 潮论应包括项、底板岩层以及煤层受采动影响压力分布和显现规律等，从而为提高煤 炭回收率、煤柱的合理留设、绣澎睬场周围巷道的合理布置提供理论依据。 1 3 论文研究的主要内容与方法 结合淮北矿业集团朱仙庄煤矿8 4 1 5 和8 7 7 综放面的具体地质条件和岩体力学性质以及 一 ，j、，l p xe 综放面围岩应力力分布及矿压显现规律研究 8 煤层的赋存特点，采用现场实i 煲4 的方法对具体煤层条件下综放面支架工作阻力、回采巷 道变形、应力分布、顶煤岩运移规律以及煤壁片帮和支架端部破碎度进行观测与分析，结 合实验室相似材料模拟、计算机数值模拟来描述和掌握放顶煤开采过程中围岩应力分布规 律及矿压显觋规律，为合理巷道布置和采场矿压控制提供理论依据，论文研究的技术路线 如图1 5 所示。整个研究工作主要包括以下月介方面： ( 1 ) 结合具体的地质条件对综放面支架工作阻力、回采巷道变形、应力分布、项煤岩运 移规律以及煤壁片帮和支架端部破碎度进行大量的实测研究，总结绣嘟【开采围岩压力分布 及矿压显现规律； ( 2 ) 以8 4 1 5 综放面具体的地质和开采技术条件为背景，运用实验室相似材料模拟的综 研究方法分析研究综a 砸围岩应力分布、顶煤岩顶板应力分布及运移规律以及矿压显现； ( 3 ) 在j 舾剽捕移逼资料的基础已运用三维计算机数值睛泓对综放面围岩的应力分布 规律及矿压显现进行分析研究。 ( 4 ) 将研究成果应用于现场生产。 综放面围岩应力力分布及矿压显现规律研究 1 4 论文研究的理论 i ：1 实践意义 放顶煤开采过程中，围老压力分布规律及矿压显现壹是人们研究的重点，这是正确 认识编錾睬场的岩层活动及旷压显j 融蝌堤采场矿山压力控制设计的依据，也是综移 开采 安全生产的保证a 秀裼凋围的应力分布及= 魁秘嘿确定采区巷遗嬲剿瀚基础，也是选 择巷道支护方式和支护参数的依据。从而理论上完善和补充了综采放顶煤的顶煤岩的研究 及其矿山压力理论。同时，运用这些理论来指导生产，改进支黎形式，合理布置巷道，这 对提高了综放面煤炭回收率有重要的现实意义，从而使综放开采技术得到良性的发展，并 取得更好的经济效益。 9 综放面围岩应力力分布及矿压显现规律研究 2 综放面矿山压力的现场观测研究 2 1 地质及开采技术条件 8 4 1 5 工作面上与8 4 1 3 2 轻放工作面采空区相邻，下以1 1 8 4 皮带机t 山保护煤柱为界， 南至工厂保护煤柱，北到4 f 4 断层。工作面走向长5 2 0 m ，倾斜长1 2 6 m ，采深5 5 6 巧8 6 m ， 煤层倾角最大2 5 。，最小1 2 。，平均1 6 。煤层厚度平均9 1 m ，煤层硬度f o 5 ，容重 1 3 k n h n 3 。煤层稳定，光泽暗淡，鳞带日状结构，煤层内有2 弓层0 1 o 3 m 厚的泥岩夹 层。伪顶为深灰色泥岩，厚0 5 , - , 1 2 m ，直接项为浅灰色砂质泥岩，块壮构造，厚3 5 m ， 老顶为中粗砂岩，性硬，厚8 , 一1 0 m 。直接底为深灰色泥岩，厚l 1 2 m ，老底为灰色砂泥岩 护层，中薄层状，性硬，厚6 - - 9 m 。( 见图2 1 ) 工作面内有二条落差2 2 8 m 的正断层。水 文地页条件简单，主要受顶板砂岩裂隙水和8 4 1 3 老塘水的影响。瓦斯涌出量为2 8 m 3 t d ， 煤尘具有爆炸危险，爆炸指数为3 8 伊缸煤层有自然发火倾向，自然发火期为2 5 个月。 图2 18 4 1 5 工作面柱状图 8 7 7 综放面标高为3 2 8 q 7 5 i n ，走向长4 9 0 m 5 1 0 m ，平均5 0 0 m ，倾斜长8 4 m 1 2 6 m ， 平均为1 0 5 m 。所采煤层厚度为5 8 - - q 3 0 4 m ，平均为8 6 m ，容重为1 3k n h n 3 ，煤层倾角 综放面围岩应力力分布及矿压显现规律研究 8 。1 5 。，平均为9 。，富含2 3 层夹矸，普氏硬度系数f 为0 2 0 a 。其基本顶为8 0 1 0 m 厚的中粒砂岩，岩陛坚硬；直接顶为块状泥岩或砂质泥岩，厚为1 5 3 0 m ；直接底 为1 s m 厚的泥岩；老底为l o m 厚的砂泥岩层。顶底板岩性综合柱状图如图2 2 所示。采 煤方法为走向长壁一次采全高，轻型支架综采放顶煤采煤法；所使用支架型号为z f 2 4 0 0 1 6 2 4 b f ，煤机型号为m g 2 0 0 - w 。：工作面的割煤高度为2 1 m ，放煤高度为6 5 m ，采放比 为1 ：3 ，1 0 。巷道支护采用u 型钢支护，间距为5 0 0 m m 。 名称层厚佃拄状岩性描述 灰色中细粒砂岩，性 基本顶8 j d 1 0 0 硬 直接顶】5 0 o 阏 灰色砂质泥岂含煤 线及植街比= 耐 8 煤j 罢，含= 至三层 不稳定泥岩夹矸，其 煤层 8 6 中近底御陕：矸鞍稳 定厚度为0 5 - 1 2 j n 黝 泥岂深荧包含植物 直接底1 5 化石碎屑 砂泥岩层灰白色中 细砂岩与灰色静e 岩 老底1 0 0 互层 联路巷 图2 3 测站布置图 s 7 7 回 风 巷 分析观测数据，可得工作面煤体应力沿走向的变化规律，如图2 4 2 5 所示。 1 0 0 - 9 0- 8 07 06 05 04 0一3 0- 2 0 距工作面距离m 图2 48 7 7 轻放面风巷l 帮侧向煤f 溉向应力j 蔓比嘶聿 1 2 6 是 n 翼 翅 2 0 驴 集 中 巷 综放面围岩应力力分布及矿压显现规律研究 03 691 21 5 距巷道下帮距离m 图2 58 7 7 锨面风巷e 奔孵0 向煤错稆倾向应力i 蝌 二规律 分析图2 小之5 可得： ( 1 ) 工作面侧向实饰鹄铝走向应力受谢：规律 从图2 4 可以看出，随着工作面的不断推进，各测点劬值缓慢t 升，在距工作面前 方约4 0 m 处日寸各测点应力值开始有太幅度的上升。距巷帮t s i n 测点在距工作面1 7 ，5 m 处 开始刚氐，到工作面前方5 5 m 处应力值降到0 ，这说明，受工作面回采的影响，巷帮1 5 m 范围的煤体叭工作面前方1 7 5 m 处开始破坏，直到5 5 m 处完全破坏；从距工作面前方4 0 m 开始，距巷帮5 3 m 和7 2 m 测点应力值e 升幅度较其它测点大，而7 2 r n 测点应力增加最 快，直至采空区后方；其余各测点应力值也增加，直至i 饺区后方。表明沿走向方向，侧 向实体煤应力在工作面前方基本不存在应力峰值，其应力峰值位置在采空区后方。 ( 2 ) 工作面侧向实体煤沿倾向应力变化规律 从图2 5 可以看出，从巷帮至岷巨巷帮7 m 处的煤体应力逐渐升高，随后，煤体应力逐 渐下降至平稳值，且在工作面的推进过程中，这种应力发展的趋势不断向巷帮纵深煤体 和采空区发展。沿倾向在距工作面较远处不存在支承压力峰值，i 姐作面时存在支承压 力峰值。 当工作面推进到5 5 m 时，距巷帮1 s i n 处应力值为0 ，此现象并一嘉保持下去，说明 巷帮1 5 m 范围的煤体在距工作面5 5 m 时，已经完全破坏。在工作面后方采空区内，距巷 帮2 4 m 处煤体应力开始上升，至距巷帮3 4 m 处保持平稳。而距巷帮5 4 m 处煤体应力增 加，至距巷帮7 2 m 处达到峰值。由此可以推断，受工作面回采影响，巷道匕帮煤体破坏 区宽度在1 5 r r r - - 2 4 m 之间；距风巷e 帮3 4 m - - 6 4 m 为应力刚氐区，是沿空掘巷的有利位置。 8 6 4 2 o 蛊要测r 翅 综放面围岩应力力分布及矿压显现规律研究 2 3 综放矿山压力显现基本规律的现场观测研究 2 3 1 综放面支架支护阻力观测 为了观测轻放工作面支架载荷变化j 隋况，工作面回采、放煤过程中在工作面上、中、 下部布置三条观测线。图2 6 所示，为工作面矿山压力显现规律的现场观测结果。 + 中部测站初撑力+ 中部测站工作阻力豁上部测站初撑力 i l 呻十一上部测站工作阻力一下部测站初撑力+ 下部测站工作阻力 。磊 怒喇黼嬲撩南酶 ￥霹 ，啊 、p 眄 霉 矿” ! 41 4 42 1 ：43 e 4 5 0 4 6 2 47 4 48 6 c9 8 411 0 4 ； 图2 68 4 1 5 下作而鹳g t 作阻力与准湃距离的关系 见图2 6 ，8 4 1 5 面支架初撑力的最大值为1 6 9 毋n 傈，最小为8 2 砸a 崃，平均l l l 8 k n 架，为设计初撑力1 8 3 品n 倮的6 1 。最大工作阻力为2 0 0 0 x n ，架，工作阻力平均值为 1 3 0 5 q ，架，为额定工作阻力2 2 7 5 q 架的5 7 。支架支护特性表现为叵阻式的占3 1 ， 增阻式的占6 9 。其中恒阻式中有极少数量的降阻现象，即支柱末阻力小于初撑力，增阻 式的以一次增阻为主。沿工作面f 鼎方向上，各测站上的支架工作阻力没有一定的变化规 律，这主要和工作面顶煤破碎、放煤等因素有关。 工作面初采推进7 n 时，直接项垮落，推进2 6 2 8 m 时，顶板初次来压，初次来压 的增载系数为1 3 7 。这与分层炮采相比，初次来压步距有所增加。周期来压步距8 1 0 m ， 与分层炮采工作面的来压步距相当，增载系数为1 1 1 1 2 8 为，矿压显现不明显，这与项煤 塑性垫层的存在，“吸收”部分顶板压力有关。 一次采全高工作面的工作阻力较小的原因，由于一次采全高工作面的顶煤厚度大，破 碎充分，能够更加容易的缓解工作面的压力。预采项分层后，顶煤厚度较小，顶煤原先处 于工作面底板，没有得到充分破碎，在 覆垮落岩层压力下，形成一定程度的密实，可以 更好的，崮差e 部垮落带内岩层压力。同时预采顶分层后，醺基岩层的垮落高度较大，会对 工作面支架形成较大的静载压力。 2 3 2 综放面】页煤与顶板运移规律觋场观测 顶煤与顶板的运移规律的深基点观测的测站位置见图2 7 所示，测站位于风巷内，距开切 1 4 o 0 0 o o 0 差暑 差言 啪 姗 综放面围岩应力力分布及矿压显现规律研究 眼8 0 米，狈站中布置四个钻孔，5 个测点，其中2 号钻孔安设二个深基点，1 、3 、4 号钻 孔安设个深基点，利用深基点跟踪法对顶煤、顶板的变形和运移情况进行瓤坝9 ，具体的 钻孔布置见图2 7 所示。 煤徽 图2 78 4 1 5 工作面深基点在顶煤与顶板中的布置 观测方法：将深基点固定在项煤或顶板内，用细钢丝与深基点相连，另端放在巷j 酋内， 待深基点开始运移后，每天量测巷道内钢丝的移动量，并认真记录，观测结果如图2 8 所 示。 弋 乡一卜 p h = 3 0 3 m h = 5 1 5 m | 定丫，卜h = 7 7 9 m l 臻* 一h = 1 1 2 3 m 飞吨 i 一h = 1 5 6 9 m 鼍 、? 嚼 火。麓苎文 t 一， - 一一 一一一 到工作圃魅晒 图2 88 4 1 5 面顶煤、顶板位移与到辨面硝璃的关系 ( 1 ) 顶煤运移规律 从图2 8 中可以看到，顶煤运移情况为3 0 3 m 高的深基点在距工作面3 0 m 左右发生位 移，而7 7 9 m 高的深基点是在距工作面4 0 m 左右位置发生位移。顶煤体所处的层位不同时， 旨=胁伯蚰加m 0 综放面围岩应力力分布及矿压显现规律研究 其位移发生的初始点位置不同；且层位越高，顶煤位移始动点距离工作面煤壁越远。顶煤 位移量随煤壁的靠近而逐渐增大，当距煤壁一定距离时，顶煤盼酋g 眵增加迅速。在煤壁前 方6 - - 8 m 处顶煤的位移迅速增力1 1 ，顶煤发生宏观破碎。在工作面支架e 方，顶煤形成松散 体，发生流动。 ( 2 ) 顶板运移规律 从图2 8 中还可以看到，1 1 2 3 m 的深基点( 直接顶自q 基点) 和1 5 6 9 m 高的深基点( 下 位老顶的基点) 位移始动点均发生在工作面前方3 0 m 左右。在煤壁前二者的位移曲线变化 趋势比较接近，在煤壁后方，直接顶的位移增长梯度明显大于老顶，因此在控顶区内直接 顶和老顶有离层或错动趋势。在切顶线附近，顶煤和直接顶的位移增长梯度有迅速增加的 现象，而老顶下位岩层却无此特征，说明顶煤和直接项可随采随冒，而老顶下位岩层有一 定的悬顶。随着岩层层位的升高，顶扳岩层的初始位移点逐渐向采空区方向转移。根据顶 板移动曲线，可以得出，老顶的切项线位于煤壁后方2 米处，随采随冒的宣凄项会对顶煤 的起到覆盖层作用，有利于顶煤的放出和提高顶煤回收率。 受采动的影响，直接顶的运动变形始于煤壁前方，煤壁前方的直接项中周期性地出现 拉应力区，从而造成直接项的j 疆前破坏，直接顶呈分层垮落，并目各分层的垮落步距自下 而上依次增大，直接】页全厚垮落后，下位直接顶基本上可随项煤的放出而及时冒落，垮落 块间无水平力的联系，并呈不规喇e 列，放煤时i 茁常见。大块矸石堵放煤口，能证实这一点： t 位直接项垮落块度增大，同时由于回转空间的减小，可形成“半拱”式结构，它的破坏 和失稳定，也会影响采场。 综放面老项初始位移发生在煤壁前方，老顶断裂也发生在煤壁8 9 方，同时造成老顶断 裂线附近伴随着直接项及顶煤的严重破碎，并且直接项的垮落及“半拱”式结构的失稳定 将对老顶的运动产生明显影响，表现为煤壁前方和控项区e 方老顶位移增大。老项断裂时， 煤野i 方3 5 m 的煤体匝力大、煤壁片帮严重，但由于项缫轻 散体的存在，支架增阻不明 显。 2 3 3 综放面两巷矿压观测 在工作面两平巷内设置测点，进行巷道变形观测，每个测站观测两个断面，主要测量 巷道的顶底板移近量和两帮的移近量。回风老道变形量采用双十字布点法观测( 图2 9 ) ， 由于运输机巷铺设有皮带机，故采用单十字观测机共嘧虫! 形量( 图2 1 0 ) 。8 4 1 5 工作面机 巷有四种支护形式：自开切眼往外依次为8 9 m 锚梁网支护、6 7 m 锚梁网与工字钢梯形棚支 护、1 4 9 m u 型钢棚支护和1 4 0 m 工字钢梯形棚支护。回采后的观洌虹作安排在前三种不同 的支护方式巷道内，测站设在距开切眼分别为8 0 m 、1 3 0 m 、1 8 0 m 处，每测站设两个观测断 面，每个断面间距孙。 1 6 综放面围岩应力力分布及矿压显现规律研究 a ， _ 一 ， 一 ； ；h n 、f ，。 巷道变形观澳9 结果如图2 1 1 图2 1 3 所示曲线。 综放面围岩应力力分布及矿压显现规律研究 穆 1 7 5 0 攀 1 5 0 0 j 1 2 5 0 1 0 0 0 7 5 0 5 0 0 2 5 0 0 p 项底扳移近量 + 两帮移近量衄 “k 心、 、 鼍、，一 k - 、1 k i 03691 21 51 8 2 i2 42 73 0 3 3 3 6 3 9 4 2 + 锚粱网 - 一锚+ 梯形棚 、j 十u 型钢支护 、 l。 、：) 。，j 沁 03691 2 1 5 1 8 2 1 2 42 73 0 3 33 63 9 4 2 距工作阿l 谪抽 图2 1 28 4 1 5 面柳巷项底板移近量 1 l 卜锚粱阿 卜卜c k 懿 一锚+ 梯形棚 + u 型钢支护 趴 。 ，。，、 弋) k 03691 2 1 51 8 2 12 42 73 03 33 6 3 9 4 2 距工作面陋断n 图2 1 38 4 1 5 面胡老两帮移近量 1 8 咖御啪湖栅|枷啪。 移近量喜 锄 蚕； 差毫 猢 姗 o 椿近量哥旨 综放面围岩应力力分布及矿压显现规律研究 从图2 1 1 , - - 2 1 3 可以看出，工作面风蘑和机巷变形始动点均在煤壁前方3 5 - - - 4 0 m 处， 工作面风巷的变形量及变形速度明显大于机巷。并目机巷的支护形式不同，变形量也不尽 相同，u 型钢支护的顶底板移近量和两帮移近量最小。回风巷道的移近量在距工作面煤壁 1 0 - - q 5 m 处有较大幅度增加，但两帮移近量在距煤壁3 0 - - a o m 处有时就表现明显，具有分段 性。分析巷道变形及其间的差异原因，有如下几点： 工作面回风巷匕帮距8 4 1 3 采空区只有8 - , 1 0 m 的煤柱，受到原来的采动影响，风巷 正好处于庄力集中区，使其矿压蕊觋严重，变形量大。与8 4 1 3 工作面风j 勖储以及沿空掘 巷段相比，变形量增大5 0 以上。机巷e 下都是实体煤；因而变形量小。 一次采放高度增大，达到9 1 m 左右，在煤体裂隙发育、煤质极软的条件下，使得工 作面顶煤的变形及移动范围大，上覆岩体的活动范围大，使工作面前方的支承压力区前移， 分布宽，巷道在工作前方较远处就承受支承压力作用，巷道变形有足够的时间。与分层炮 采巷道相比，影响时间长。 在特厚极软鹚啦烈新勘簖寓j 苴中，采用锚梁网支护，在淮北矿区是首欢试验，锚梁网 支护参数选取尚在探索中，因而锚粱支护的项底板移近量最大，u 型棚支护两帮移近量最 小。今后针对现场具体实际，优化支护参数，会黝融蝴决该条件下的支护问题。 回风巷道的2 9 u 型钢棚材料绝大部分为旧料复用或改造成的，支护前外形尺寸不符 合要求，因而支护后变形快、变形大，抗变形能力差。 2 3 ，4 综放面破碎度观测 由于煤层极软，在进行综放开采时，掌握工作面支架端部破碎与煤壁片帮规律，采取 正确的措施进行工程控制是重要的工艺研究内容。 在工作面内进行统计观测，包括工作面的端面顶板( 顶煤) 破碎度、支架工作状态等。见 图2 1 4 。 图2 1 4 端面项扳( 项煤) 破碎度 工作面项板破碎度f 计算方法如图3 屯所示，顶板破碎度为： f 一! a + b + c 1 9 综放面围岩应力力分布及矿压显现规律研究 其中，a 一支架项梁第个接顶点至顶梁前端点的距离； b 一顶梁前端点至噪壁足巨i 葛； c 一：踌避片帮深度； s = a + b + c 一端面项板无支护空顶距( 空顶区) ； d 一空顶区内顶板冒落宽度( 冒高小于l o c m 不计) 。 测努汲i 贝0 站布置：沼工竹；面布置1 1 条钡4 线，即选择矿、1 1 4 、1 8 # 、2 5 4 、3 矿、3 矿、4 酽、 5 3 # 、6 矿、6 7 、7 铲女3 曝，工作面开始正式回采后，每天观测一次，记录各点的a 、b 、c 、d 值，取它们的平j 列直作为计算f 的依据。实测结果见图2 1 5 、2 1 6 。 6 0 5 0 4 0 3 0 2 0 1 0 0 图2 1 5 工作面的 页皈破黼崩孵深度 推进舢 图2 1 6 工作面顶板破碎度与推进度的关系 开采时间，d 由于煤层极软，顶煤极易破碎，因此工作面项板的平均破碎度为1 6 7 7 ，其中检修班 平均破碎度为6 3 5 ，生产班平均瞄碎度为2 7 1 9 ，即破碎度与生产工序有关。同时与工 作面雠度有很大关系，图1 - 3 0 表明，摊割按大时，工作霭预板破碎度较低，当推进度为 2 4 m d 时，顶板破碎度为推进度为12 l ：n 刎时的6 5 5 。这一观测结果表明，继续加强项煤 控制、保证工作面正常的推进度是实现极软煤层轻放开采的技术关键之一。 综放面围岩应力力分布及矿压显现规律研究 2 3 5 综放面煤壁片帮观测 8 4 1 5 工作颂煤壁片帮观测结果见表2 1 和图2 1 7 所示。结果表明，工作面的平均和 最大的片帮深度和长度与工作面推进度密切相关，因此加速工作面推进速良是避负煤壁片 帮的有效措施。 表2 18 4 1 5 工作面片帮与推进度的关系 2 5 2 1 5 1 0 5 0 _ + 平均片帮深度m 吣3 + 最大片帮深度m 。 u 、 珏 34 2 扣