综采矿压研究(论文).doc

石炭第太原组5#煤特厚煤层综采放顶煤工作面矿压研究一、观察的目得、项目及方法1、观测目得：A、掌握综采工作面上覆岩层运动规律，回采空间围岩与液压支架的相互作用关系。B、确定支架在本煤层的运行及适应情况。C、提供支架受力的理论依据。D、确定老顶来压步距，判断老顶来压强度分级。2、观测项目及方法：采用ZDYJZA型综采矿压自动记录仪，沿工作面方向按“三区五线”布置测线。测站分别设在10#、30#、40#、50#、70#支架上。二、测区地质及生产技术条件1、观测工作面的地质条件（附柱状图）石湖矿51001综采放顶煤工作面开采5煤层，煤层平均厚度11.2米，直接顶为灰褐色碳质泥岩，厚1.85米。老顶为灰白色的粗砂岩，厚12.89米。局部地段有一层厚0.3米灰白色碳质泥岩伪顶。直接底为厚1.98米的黑色砂质泥岩。基本底为灰色或灰黑色泥岩和砂岩，厚5.61米。煤层倾角7度左右。51001工作面于2008年2月份开采，于2009年2月份结束。51001工作面在掘切眼过程中，遇到四个断层，落差最大8米，最小0.5米，对回采有一定影响，此处回采时不能放煤。具体断层情况如下：断层序号位置性质走向()倾角()落差(m)1M17处正断层3494582M18前25米正断层135470.53M19处逆断层93800.64M19前28米正断层95382.2该工作面范围内，没有褶皱构造、岩溶陷落柱、火成岩存在。2、观测工作面的开采系统、开采要素、工作面周围的回采状况与采空区的相对空间关系等（附采区平面图）。51001工作面位于510采区的1372水平；地面标高1558-1579米，井下标高为1315-1373米，地面面相对位置为山坡山梁。无任何建筑物。51001工作面东与井田边界线留设20米保安煤柱，西为采区三条下山巷，南为大运二级路，北为未设计的空工作面。51001工作面上巷为运料回风顺槽，长度为610米，巷内钉22Kg/m轨型、600mm轨距轨道，断面规格为3.52.8米的矩形巷道，下巷为运输进风顺槽，长度为710米，为机轨合一巷，与510运输下山联通，巷内靠工作面一侧钉22Kg/m轨型、600mm轨距轨道，下巷为4.22.8米的矩形巷道，都采用锚杆、锚索加菱形网支护，上巷用于运料、回风、行人；下巷主要用途为工作面出煤、进风、行人等。两条顺槽巷道均沿煤层底板布置。3、观测工作面支架型号及参数、支架规格、采煤机型号及工作方式、控顶宽度、端头支护方式及劳动组织等（附支架总图及主要技术特征表）51001工作面用ZF4600液压支架76架，采高2.8米，采放比为1：3。工作面最大控顶距4.927米，最小控顶距4.327米，最大端面距0.907米，最小端面距0.307米，移架后端面距最大不得超过0.35米。设备配备：存放地点设备名称型号数量备注工作面采煤机MG150/375-W1台放顶煤液压支架ZF4600/19/3076架过渡支架ZFG5000/21/324架端头支架ZTZ10000/21/321架后部刮板输送机SGZ764/4001部前部刮板输送机SGZ630/2641部转载机B-764/1321部破碎机PCM1101台主要机电设备技术特征：1、采煤机型号：MG150/375-W 装机总功率功率： 375KW截割高度：1.32.85米 电压等级：1140伏煤层倾角：小于35度 牵引力： 325KN牵引速度： 06m/min 滚筒型号：TZ16/6.0/3FC2、放顶煤液压支架型号：ZF4600-19/30 工作阻力： 36.62MPa支架高度：1.93.0米 支架重：15.136T支护强度：0.74MPa 初撑力：3220kn前柱缸径：220mm 后柱缸径：210mm3、后部刮板运输机型号：SGZ-764/400 设计长度：200米装机功率：2200KW 刮板链速：1.1米/秒输送量 ：900t/h4、前部刮板运输机型号：SGZ-630/264 设计长度：200米装机功率：2132KW 刮板链速：0.93米/秒输送量 ：450t/h5、转载机型号： B764/132 功率：132KW出厂长度：29.7米 刮板链速：1.33米/秒输送量 ：900t/h6、皮带输送机型号：DSJ-100/63/125型 功率：125KW运输能力：630T/h 输送长度：600 m带宽：1000mm 带速：1.88m/S贮带长度：50m7、破碎机型号：PCM110 破碎能力：1000t/h转动惯量：890KgM2 电动机转速：1470r/min破碎锤头冲击速度：22.7m/s 破碎主轴转速：470r/min最大输入块度：700700mm 功率： 110KW外形尺寸：580019501750 重量： 13.7吨8、乳化液泵型号：BRW-315/31.5/200 功率：200KW压力：31.5Mpa 外形尺寸：338012351360流量：315升/分 重量：4.5吨三、观测结果分析1）顶板来压特征本次观测只对支架的工作阻力进行了观测。根据初撑力末阻力综合曲线显示并结合现场实际观察，支架末阻力在大于平均阻力加一倍均方差，可认为出现周期来压。但由于顶板岩性的不均一性造成的力学性质差异和工作面推进度、地质构造以及支架支撑效果等的影响，周期来压时间、距离与强度并不相同。A、老顶周期来压显现周期来压次序周期来 压测站位 置支护阻力（MPa）初撑力（MPa）上部中部上部中部一来压前15.25.590.5来压时227.5413.83.5来压时/来压前1.451.371.537二来压前9.56.178.51.92来压时23.710.616.87来压时/来压前2.491.721.983.65三来压前13.22.674.250.33来压时26.59.0422.75.58来压时/来压前23.395.3416.9四来压前21.87.6116.35.57来压时34.214319.57来压时/来压前1.571.841.91.72五来压前5824.67来压时2718.213.810.7来压时/来压前5.42.286.92.29B、来压步距依据支架支柱工作阻力的平均值与均方差，确定老顶来压峰值（数据曲线已显示）及步距。PmP+(1-2)PPm-判定老顶来压的支护阻力；P-支护阻力的均方差。P-观测期间全部支护阻力的平均值；由于工作面切眼内有4条断层，切眼附近的数据不能反映工作面整体情况，故数据选取远离切眼的数据进行分析。根据ZDYJZA型综采矿压记录仪的数据曲线分析，周期来压间隔为2-3天，每天按2.4米的推移速度算：老顶周期来压步距为：5-8米。由于切眼处有断层存在，不能准确反映老顶初次来压步距，故按公式： 可知，老顶初次来压步距为：16-24米。 C、来压强度来压性质来压次序情况说明来压步距（米）间隔时间（天）动载系数按初撑力计按最大阻力计平均周期来压1上部1.531.451.49中部71.374.192上部4.821.982.492.24中部7.233.651.722.693上部7.235.3423.67中部7.2316.93.3910.154上部7.231.91.571.74中部4.821.721.841.785上部7.236.95.46.15中部4.822.292.282.285D、确定老顶来压强度级别：N=h/h采=【（1-75%）*11.2+1.85】/11.2*75%=0.55L老=16-24米由此可判断老顶来压强度分级为级。3)、对支架参数合理性的分析（1）、初撑力的平均值及分布频率；（后附初撑力与末阻力统计直方图）按照初撑力与末阻力统计直方图（6月份40号架），初撑力在900KN-1200KN为10%；1200KN-1500KN为10%；1500KN-1800KN为30%；1800KN-2100KN为10%；2100KN-2400KN为20%；2700KN-3000KN为10%；3300KN-3600KN为10%；3600KN-3900KN为5%；3900KN-4200KN为5%。初撑力最大为4156KN，最小为1148KN，平均值为2309KN。达到额定初撑力只占5%。由于初撑力过低，这样就使顶煤直接顶得不到及时支撑，造成顶煤和直接顶过大的离层或过早断裂，上覆老顶活动取得不了平衡容易失去稳定，这样支架不仅要承受直接顶的压力，还要承受来自老顶的压力，这容易造成相邻支架超负荷运行而损坏支架或造成架前冒顶，给回采工作造成困难。（2）、初撑力对时间的加权平均阻力的影响时间加权平均阻力：工作阻力315032003400350036003427时间0.5131.5工作阻力370041504250420041504167时间0.5113.5工作阻力200025002800300032002735时间11.51.51工作阻力390040004100415042504100时间0.5111工作阻力360038004100390043503936时间1.50.511.5工作阻力125013001700180024001526时间0.810.50.2工作阻力170020002100230025002105时间1.511.51工作阻力260028003000320034002957时间22.511.5工作阻力300032003500360037003489时间0.511.51.5工作阻力360038003900400041003877时间12.511序号初撑力（KN）平均阻力（KN）序号初撑力（KN）平均阻力（KN）序号初撑力（KN）平均阻力（KN）1315034275360039369300034892370041676125015261036003877320002735717002105439004100826002957对以上数据作散点图如下：由散点图可看出，数据接近于一条直线，故可用一元回归方程来表示他们之间的关系：P初=a+bP阻大P初-支架初撑力，KNa、b-回归系数P阻大-支架最大工作阻力,KN列表如下求a、b回归方程系数：序号P初P阻P初2P阻2P初P阻1315034279922500117443291079505023700416713690000173638891541790032000273540000007480225547000043900410015210000168100001599000053600393612960000154920961416960061250152615625002328676190750071700210528900004431025357850082600295767600008743849768820093000348990000001217312110467000103600387712960000150311291395720028500323198895500011159833999440950回归直线方程计算表初=28500阻=32319n=10初/n=2850阻/n=3231.9初2=88955000阻2=111598339阻P初=99440950（初）2/n=81225000（阻)2/n=104451776.1初阻/n=92109150初2 -（初）2/n=7730000 阻2 -（阻）2/n=7146562.9阻P初-初阻/n=7331800b=（阻P初-初阻/n）/初2 -（初）2/n=0.9485a=初/n-b（阻/n）=-215.5于是得到回归方程为：P初=-215.5+0.9485P阻相关系数：r=Lxy/（Lxx*Lyy）1/2=7331800/（7730000*7146562.9）1/2 =0.9861并且靠近1查才相关系数检验表：n-2=8 d=5%则r=0.6320.986说明初撑力与时间的加权平均阻力有密切的线性关系。（3）、初撑力对最大阻力的影响序号初撑力（KN）最大阻力（KN）序号初撑力（KN）最大阻力（KN）序号初撑力（KN）最大阻力（KN）1315036005360043509300037002370042506125024001036004100320003200717002500439004250826003400对以上数据作散点图如下：由散点图可看出，数据接近于一条直线，故可用一元回归方程来表示他们之间的关系：P初=a+bP阻大P初-支架初撑力，KNa、b-回归系数P阻大-支架最大工作阻力，KN列表如下求a、b回归方程系数：序号P初P阻大P初2P阻大2P初P阻大1315036009922500129600001134000023700425013690000180625001572500032000320040000001024000064000004390042501521000018062500165750005360043501296000018922500156600006125024001562500576000030000007170025002890000625000042500008260034006760000115600008840000930003700900000013690000111000001036004100129600001681000014760000285003575088955000132317500107650000回归直线方程计算表初=28500阻=35750n=10初/n =2850阻/n =3575初2=88955000阻2 =132317500阻P初=107650000（初）2/n =81225000（阻)2/n =127806250初阻/n=101887500初2 -（初）2/n=7730000 阻2 -（阻）2/n=4511250阻P初-初阻/n=5762500b=（阻P初-初阻/n）/初2 -（初）2/n=0.7455a=初/n-b（阻/n）=184.8于是得到回归方程为：P初=184.8+0.7455P阻大相关系数：r=Lxy/（Lxx*Lyy）1/2=5762500/（7730000*4511250）1/2=0.981并且靠近1查才相关系数检验表：n-2=8 d=5%则r=0.6320.98说明初撑力与最大阻力有密切的线性关系。（4）、临界初撑力的确定；根据初撑力与时间加权平均阻力以及初撑力与最大工作阻力的回归线性方程以及安全阀开启频率可知：临界初撑力P临=3634KN（5）、额定初撑力的利用率从初撑力统计直方图中可看出，额定初撑力的利用率仅为5%。（6）、额定阻力合理性的评价，建议的额定阻力。A、确定临界初撑支护强度q：q=p临/B0Lm=3634/(1.5*4.927)=491.7KN/m2p临-临界初撑力，KNB0-支架中心距，1.5mLm-控顶距，4.927mB、确定临界时间加权支护强度q临：q临=1.4q=1.4*491.7=688.4 KN/m2C、确定必须的支护强度：Qh=2.1 q临=1445.6KN/m2由此可看出，51001工作面支架选型偏低。4）、顶梁载荷分布及改善途径（1）、根据实测阻力及支架参数，计算顶梁的平均合力作用点及垂直合力；由于前后柱受力的不同，其合力作用点的位置不同。按照采集数据，取它们的平均数值以及最大数值进行分析：51001工作面在2008年6月20日到30日的观测数值中，前柱最大工作阻力为：2660KN，平均工作阻力为905.7 KN。后柱最大工作阻力为1281 KN，平均工作阻力为618.1 KN。A、支架所承受的载荷为：Q=n1p1+n2p2n1-前柱数目。n2-后柱数目。p1-前柱工作阻力，KNp2-后柱工作阻力，KN故在6月20日到30日，支架所承受的最大工作阻力为：7882 KN，所承受的平均工作阻力为：3047.6 KN。基本与所测数据相符。B、合力作用点位置：P1L1=P2L2 故P1