急倾斜综放采场围岩控制技术及支架稳定性研究

发布时间：2017-08-04 11:32

  本文关键词：急倾斜综放采场围岩控制技术及支架稳定性研究

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【摘要】：我国自上世纪五十年代后开始系统研究急倾斜煤层开采方法及其相关配套技术和工艺以来,该地质条件下的采场围岩及支架稳定性控制一直是开采过程中最重要的技术难题。由于煤层倾角的存在改变了围岩的受力特征,使顶板法向受力减小而使切向受力增加,造成沿工作面倾向顶板垮落时序有显著差异,同时,下层位垮落顶板的下滑充填及切向分力造成倾向破断顶板铰接结构和“支架—围岩”关系等多方面的明显差异。尤其在遇到“三软”煤层、一次采出厚度较大、断层及构造应力工作面开采等复杂地质条件时,围岩控制更为困难,工作面容易产生滑底、片帮、局部冒顶和设备稳定性差等诸多问题,造成工作面推进困难,严重影响工作面安全生产。因此,研究急倾斜厚煤层综放采场的围岩活动规律及支架稳定性控制原则,寻求采场围岩控制设计及综放设备研制技术,是急倾斜厚煤层开采中亟需解决的关键问题。急倾斜综放采场走向开采的覆岩移动规律与近水平煤层之间产生显著差异的原因首先在于顶板的受力分布不同,其次是顶板破断后形成的结构差异。因此研究围岩控制技术就要研究顶板破断前后的受力及其形成的结构形式。本文以山西大远煤业1201急倾斜“三软”综放工作面为工程背景,利用结构力学理论分析、FLAC3D数值模拟、实验室相似模拟实验和现场工程实践及实测验证等手段,从采场围岩的受力特征及其结构形式入手,系统研究了该条件下顶板的破坏及失稳机理、矿压显现和覆岩移动规律、采场围岩控制技术、“支架—围岩”关系特征和支架稳定性控制技术,取得了以下主要结论和创新性研究成果:(1)利用结构力学建立了急倾斜采场顶板初次破断前沿倾向的不均衡受力模型,并分析了其受力和变形特征。研究表明:急倾斜采场顶板压应力最大值位于下端头处梁的下表面,其值比上端头高36%左右,而最大拉应力位于梁上端头的上表面,其值比下端头上表面处拉应力高26%左右,梁的不均衡受力特征以及岩石抗压不抗拉的特性导致工作面上部首先破断失稳造成较早来压。同时提出了沿倾向垮落带的二次抛物线形态和“三段式”(密实充填段、不均匀充填段和动载影响段)分布特征。密实充填段内覆岩结构主要为受垮落矸石支撑的长悬臂梁,来压强度最小;不均匀充填段内,垮落带发育层位较高,该阶段内下方充填程度沿倾向不一;动载影响段主要表现为短悬臂梁,支架载荷平时较小,动载特征明显。(2)根据急倾斜采场顶板破断后的结构特征建立了倾斜砌体结构的力学模型,并对其滑落失稳和变形失稳进行了分析。结果表明:随煤层倾角的增大,岩块的回转角逐渐减小,即煤层倾角越大,岩块咬合处的下沉量越小,下部的变形失稳程度越小;倾向岩块的砌体结构的滑落稳定性受煤层倾角的影响显著,煤层倾角越大,上部岩块越容易发生滑落失稳,最终导致上部支架更易出现动载现象。因此,急倾斜采场的倾斜砌体结构以上端头砌体岩块的滑落失稳为主。(3)设计了相似模拟实验模拟急倾斜采场的倾向覆岩移动规律和所形成的覆岩结构。实验结果表明,急倾斜采场覆岩垮落形态不对称,上部顶板垮落充分,下部受充填作用垮落不充分;上端头和下端头处均形成明显的倾斜砌体结构,但下部结构容易保持稳定,上部结构容易出现滑落失稳从而导致上端头空顶,影响上部围岩和支架稳定性控制。(4)数值模拟结果表明,工作面推进至60m时,工作面上、中、下部的超前支承压力分布明显不同。首先,中下部支承压力峰值明显大于上部。其次,超前支承压力峰值作用位置没有明显差异,均为距工作面煤壁前方12m左右,中、下部超前支承压力作用范围没有明显差异,约为40m,上部超前支承压力作用范围较中、下部偏大,约为54m左右。最后,上、中、下三处的应力集中系数分别为1.39,1.38和1.33,即中、上部的应力集中程度较下部更为明显,矿压显现可能较下部更为剧烈,因此有必要采取措施加强中上部的矿压和围岩控制。急倾斜开采时的顶板位移沿倾向分布特征与水平煤层有显著区别,也表现出明显的非对称特征。其垂直位移曲线在工作面中部附近有一处极大值,但是在整个工作面倾向的最大顶板下沉量发生在工作面上端头附近。工作面上端头约7~9m范围内垂直位移较大,若支架中心距为1.5m,即表明上部5~6架支架范围内围岩活动较为剧烈。采取合理技术措施控制该段的围岩活动,不仅是针对上端头的围岩控制和支架稳定性,同时也是中下部的支架稳定性控制的关键。(5)通过分析将影响急倾斜采场底板稳定性的因素归纳为:底板岩性、岩体结构、水的作用和开采技术因素四个方面。建立了底板滑移的力学模型,利用极限分析定理分析得出底板可保持平衡状态的滑块重量随着残余黏聚力及内摩擦角的增大而增大,而在掘进及回采的双重影响下直接底黏聚力迅速弱化,仅剩残余黏聚力,因此,上端头底板极易发生滑移,严重影响支架的稳定性,需对其进行加固。利用强度折减法对底板滑移进行数值分析表明,底板内存在局部剪切带,为潜在滑移面,局部剪切带内底板的变形速度最大。实际底板岩体受采动影响后,表现为内聚力弱化、摩擦力强化特征,岩体强度明显降低,因此工作面推过后,底板滑移影响设备和顶板稳定性的概率很大。大远1201工作面在上端头底板打入锚索,起到固定滑体桩的作用,在数值模型中对底板进行锚索加固后,计算结果底板潜在滑动块体不再出现滑动现象。实际工程应用中,利用菱形网配合锚杆和枕木固定底板,成功阻止了大规模推底事故的发生,保证了“顶板—支架—底板”系统的稳定。(6)建立了上端头顶煤破坏的力学模型,求取了顶煤体应力分布的解析解,利用“扇形分布锚索”加固上端头顶煤及回风巷,防止了上端头放煤过程中对上部巷道的破坏,成功实现了端头放煤。(7)建立了急倾斜综放采场支架稳定性分析的力学模型,提出了保证支架不发生下滑、倾倒及扭转失稳的判据,为指导不同地质条件下工作面支架的稳定性控制提供依据和理论技术支撑;分析了单个支架的滑移、倾倒和扭转的力学边界条件,得出了单支架保持稳定性的合理顶板压力。在单支架受力分析的基础上,计算得出了上端头多台支架空顶时对支架稳定性的影响,得出合理顶板压力大小可以保证支架的稳定性状态,支架的失稳主要发生在降架、移架过程中,只要采取合理的支架管理措施即可保证支架的稳定性。根据急倾斜综放采场支架下滑、倾倒和扭转稳定性的受力状态分析,针对性地从支架型式、侧护板、四连杆机构和底座设计等方面提出了改进要求:1)将四柱支撑掩护式改为两柱式,改善支架受力状态,避免拔后柱现象发生;2)采用“双活”侧护板和“遮掩式”铰接设计,控制支架尾梁偏斜;3)四连杆机构采用“前双、后双”结构,保证支架稳定性;4)底座采用全封闭式设计,防止钻底。(8)利用“支架—围岩”关系分析所得的公式,代入1201工作面具体地质条件,计算得出了工作面上、中、下部支架工作阻力的合理大小,分别为:4620k N,4580k N和1864k N,这与实际支架工作阻力选择较为接近,满足使用要求。通过引入动载系数A(m)对倾向不同位置支架工作阻力的分布特征进行了分析,实测支架阻力数据表明:沿工作面倾向来压时序不一致,动载程度“上部中部下部”,沿倾向上端头倾斜砌体结构的滑落失稳导致来压波动程度较大,动载特征明显,而下部结构变形失稳造成的来压剧烈程度较小,故上端头的倾斜砌体结构的滑落失稳是导致中上部来压较为剧烈的原因。现场的实测数据验证了急倾斜工作面上端头易产生动载的结论。(9)以支架稳定性分析结论为基础,提出了相应保障工作面支架不发生下滑、失稳和咬架的技术措施:通过合理的移架顺序、仰斜开采、提高支架初撑力、移架前确保相邻支架稳定,增大支架侧护板宽度,充分利用支架本身的侧护千斤顶和底调千斤顶调整支架等综合性技术措施保证了支架的稳定。通过“自上而下割煤、自下而上跑空刀”和前推刮板输送机持续供液等综合技术措施防止了采煤机的下滑;利用压戗柱与防滑顶镐相配合,调整刮板输送机位态,成功保证了刮板输送机的稳定性。
【关键词】：急倾斜 “支架—围岩”关系 顶板结构 支架稳定性控制 围岩控制
【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD355
【目录】：

• 摘要4-7
• Abstract7-16
• 1 引言16-28
• 1.1 研究背景及意义16-17
• 1.2 国内外研究现状17-26
• 1.2.1 国外急倾斜煤层开采研究现状17-18
• 1.2.2 国内急倾斜煤层开采方法研究现状18-19
• 1.2.3 急倾斜煤层开采的围岩破坏和力学特征的研究现状19-21
• 1.2.4 急倾斜煤层开采矿压显现特征的研究现状21-22
• 1.2.5 急倾斜煤层开采支架等设备的稳定性的研究现状22-25
• 1.2.6 研究现状综述25-26
• 1.3 论文研究内容与方法26-28
• 1.3.1 主要研究内容26
• 1.3.2 研究方法和技术路线26-28
• 2 急倾斜综放采场顶板破坏及失稳机理28-50
• 2.1 顶板破断及失稳的力学机理28-34
• 2.1.1 顶板倾向非均布载荷力学分析28-32
• 2.1.2 倾向覆岩垮落形态32-34
• 2.2 急倾斜煤层倾斜砌体结构的失稳特征34-38
• 2.2.1 滑落失稳分析34-36
• 2.2.2 变形失稳分析36-38
• 2.3 倾向覆岩运移规律38-48
• 2.3.1 相似模拟实验设计38-42
• 2.3.2 倾向覆岩垮落形态42-45
• 2.3.3 倾向覆岩结构稳定性45-46
• 2.3.4 倾向覆岩运移规律46
• 2.3.5 直接顶和基本顶倾向破坏与运移规律46-48
• 2.4 小结48-50
• 3 急倾斜综放采场矿压显现规律和围岩控制技术50-70
• 3.1 急倾斜煤层采场矿压显现规律50-57
• 3.1.1 数值模型的建立及参数选取50-51
• 3.1.2 急倾斜综放工作面超前支承压力分布规律51-54
• 3.1.3 急倾斜采场覆岩移动规律54-57
• 3.2 俯、仰斜布置的特点及适应性57-58
• 3.3 底板稳定性分析及控制58-62
• 3.3.1 底板稳定性影响因素58
• 3.3.2 底板稳定性理论分析58-60
• 3.3.3 底板滑移的数值分析60-62
• 3.3.4 底板加固措施62
• 3.4 端头放煤回风巷道加固技术62-68
• 3.4.1 未放顶煤应力分布解析62-65
• 3.4.2 上端头顶煤加固效果分析65-67
• 3.4.3 顶煤加固方案67-68
• 3.5 小结68-70
• 4 急倾斜综放采场支架与围岩关系70-80
• 4.1 倾向破断及运动特征70-73
• 4.1.1 覆岩破断的双向分布特征70-71
• 4.1.2 倾向支架与围岩关系差异71-73
• 4.2 直接顶和基本顶的范围确定73-74
• 4.2.1 直接顶范围确定73
• 4.2.2 基本顶范围确定73
• 4.2.3 沿倾向直接顶与基本顶的范围差异73-74
• 4.3“三段式”支架与围岩关系模型74-76
• 4.3.1 上部“支架-围岩”关系74-76
• 4.3.2 中部“支架-围岩”关系76
• 4.3.3 下部“支架-围岩”关系76
• 4.4 上端头动载效应的控制措施76-77
• 4.5 小结77-80
• 5 急倾斜综放采场液压支架稳定性控制80-90
• 5.1 支架的防倒稳定性分析80-82
• 5.2 支架的防滑稳定性分析82-85
• 5.3 支架扭转稳定性分析85-87
• 5.4 支架适应性分析87-89
• 5.4.1 支架基本参数87
• 5.4.2 支架设计改进措施87-89
• 5.5 小结89-90
• 6 现场工程试验90-104
• 6.1 试验工作面概况90-93
• 6.1.1 主采煤层特点90
• 6.1.2 煤层顶底板岩性90-92
• 6.1.3 巷道布置92-93
• 6.2 工作面设备及回采工艺93-95
• 6.2.1 工作面主要设备93
• 6.2.2 回采工艺93-95
• 6.3 支架工作阻力检验95-99
• 6.3.1 支架工作阻力计算95-96
• 6.3.2 液压支架工作阻力分布特征96-99
• 6.4 支架稳定性控制的技术措施99-102
• 6.4.1 基本移架方法99-100
• 6.4.2 防倒架技术措施100
• 6.4.3 调架技术措施100-101
• 6.4.4 支架控制效果101-102
• 6.5 工作面其他安全生产保障技术措施102
• 6.5.1 采煤机防滑措施102
• 6.5.2 刮板输送机防滑102
• 6.6 小结102-104
• 7 结论与展望104-108
• 7.1 主要结论104-106
• 7.2 主要创新点106-107
• 7.3 研究展望107-108
• 参考文献108-116
• 致谢116-118
• 作者简介118-119

【参考文献】

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本文编号：619339