回采工作面支護設(shè)計方案.ppt

1 回采工作面支護設(shè)計,1.1 回采工作面支架與圍巖關(guān)系 1.2 回采工作面頂板控制 1.3 回采工作面支護要求及原理 1.4 回采工作面支護強度確定,2019/6/30,山東科技大學(xué),1,1.1回采工作面支架與圍巖關(guān)系,1.1.1支架對頂板的工作狀態(tài) 1）支架對直接頂?shù)墓ぷ鳡顟B(tài)“給定載荷”方案 在頂板巖層沉降過程中，支架對直接頂?shù)墓ぷ鳡顟B(tài)按“給定載荷”考慮是接近實際的。無論頂板沉降到什么位置，直接頂給支架的作用力可以近似地看成是恒定的。,2019/6/30,山東科技大學(xué),2,2)支架對基本頂?shù)墓ぷ鳡顟B(tài)“給定變形”“限定變形” a.“給定變形”方案 在巖梁由端部斷裂到沉降至最終位態(tài)的整個運動過程中，支架只能在一定范圍內(nèi)降低巖梁運動速度，但不能對巖梁的運動起到阻止作用。 在“給定變形”工作狀態(tài)下，巖梁運動全過程中支架作用力與頂板壓力之間的關(guān)系為: QiRi 或 QiPiLK 式中， Qi 沿傾斜每米頂板給支架的作用力，N/m； Ri 沿傾斜每米支架阻抗力， N/m； Pi 回采工作面支架平均承載力， N/m2。,2019/6/30,山東科技大學(xué),3,巖梁運動至最終狀態(tài)時的頂板下沉量（如下圖）： 為防止支架在巖梁運動過程中被壓死，最大允許縮量須滿足：,2019/6/30,山東科技大學(xué),4,b.“限定變形”方案 采場支架對巖梁運動采取“限定變形”，是指采場支架對巖梁運動進行必要的限制。在支架阻力的作用下，巖梁不能沉降至最低位態(tài)。巖梁進入穩(wěn)定時的位態(tài)（巖梁運動穩(wěn)定時采場頂板下沉量）由采場支架的阻抗力所限定。 支架在“限定變形”狀態(tài)下工作時，支架阻力與取得平衡的巖梁位態(tài)之間存在著一定的力學(xué)關(guān)系，可以建立兩者的力學(xué)方程。在支架剛度一定的條件下，要求控制的位態(tài)越高，所需支架的阻抗力越大。,2019/6/30,山東科技大學(xué),5,1.1.2支架圍巖的一般關(guān)系 支護強度是指單位面積上支架給予頂板的支撐力。 合理的支護強度應(yīng)該能杜絕下列頂板事故：剪切冒落、滑動冒落、沖擊冒落；應(yīng)該盡可能抑制下列頂板壓力顯現(xiàn)：臺階下沉、破碎、離層、大懸頂、沖擊載荷。 式中，A直接頂作用力； hA 控頂末排最大頂板下沉量； hi 要控制的頂板下沉量； K 位態(tài)常數(shù)，由巖梁參數(shù)和控頂距決定。,2019/6/30,山東科技大學(xué),6,支架圍巖的雙曲線關(guān)系如下圖所示：,2019/6/30,山東科技大學(xué),7,1.2回采工作面頂板控制 根據(jù)回采工作面冒頂有壓、漏、推三個基本類型，回采工作面支架必須具備“支”、“護”、“穩(wěn)”的基本性能，即“支得起”、“護得好”、“穩(wěn)得住”。,2019/6/30,山東科技大學(xué),8,1.2.1支得起 1)支：用工作面空間基本支柱工作阻力平衡工作空間上方垮落帶巖重。依此可確定基本的支護強度，計算支護密度及柱排拒。 2）切：切斷下位巖層，防止頂板壓力前移。依此確定末排支柱工作阻力，計算末排支柱的線密度。 3）讓：適應(yīng)裂隙帶下沉。 4）挑：松動破碎厚層難冒頂板。,2019/6/30,山東科技大學(xué),9,1.2.2護得好 1）護住工作空間的頂板不冒落； 2）保證回柱人員有工作空間； 3）控頂端面頂板。 1.2.3穩(wěn)得住 1）支架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定； 2）提高支柱初撐力。,2019/6/30,山東科技大學(xué),10,1.3 回采工作面支護要求及原理,1.3.1回采工作面支護要求 煤炭安全規(guī)程對回采工作面支護作出了以下要求： 1.第53條規(guī)定：采煤工作面必須經(jīng)常存有一定數(shù)量的備用支護材料。使用磨擦式金屬支柱或單體液壓支柱的工作面，必須備有坑木，其數(shù)量、規(guī)格、存放地點和管理方法必須在作業(yè)規(guī)程中規(guī)定。,2019/6/30,山東科技大學(xué),11,采煤工作面嚴(yán)禁使用折損的坑木、損壞的金屬頂梁、失效的磨擦式金屬支柱和失效的單體液壓支柱。 在同一采煤工作面中，不得使用不同類型和不同性能的支柱。在地質(zhì)條件復(fù)雜的采煤工作面中必須使用不同類型的支柱時，必須制定安全措施。 2.第54條規(guī)定:采煤工作面必須按作業(yè)規(guī)程的規(guī)定及時支護，嚴(yán)禁空頂作業(yè)。所有支架必須架設(shè)牢固，并有防倒柱措施。嚴(yán)禁在浮煤或浮矸上架設(shè)支架。,2019/6/30,山東科技大學(xué),12,使用磨擦式金屬支柱時，必須使用液壓升柱器架設(shè)，初撐力不得小于50KN；單體液壓支柱的初撐力，柱徑為100mm的不得小于90KN，柱徑為80mm的不得小于60KN。對于軟巖條件下初撐力確實達不到要求的，在制定措施、滿足安全的條件下，必須經(jīng)企業(yè)技術(shù)負責(zé)人審批。嚴(yán)禁在控頂區(qū)域內(nèi)提前摘柱。碰倒或損壞、失效的支柱，必須立即恢復(fù)或更換。移動輸送機機頭、機尾需要拆除附近的支架時，必須架好臨時支架。,2019/6/30,山東科技大學(xué),13,1.3.2回采工作面支護原理 1.對直接頂“支”與“護”兩重性 支架要有足夠的支撐能力，在采場支護住直接頂，使其不垮落；同時，由于直接頂比較破碎，支架還必須能夠護住頂板，使破碎巖塊不能進入工作面。 2.對基本頂控制狀態(tài)的選擇 根據(jù)回采工作面的需要來選擇支架的工作狀態(tài)：“給定變形”或“限定變形”。,2019/6/30,山東科技大學(xué),14,1.4回采工作面支護強度確定 支護強度的計算是一個超靜定問題，根據(jù)半定量的支圍關(guān)系、量化控制準(zhǔn)則和成功經(jīng)驗相結(jié)合的方法確定支護強度。 下面按工作面不同推進階段，計算合理支護強度。,2019/6/30,山東科技大學(xué),15,2019/6/30,山東科技大學(xué),16,1.4.2基本頂初次來壓期間 （1）支的準(zhǔn)則 防止直接頂向采空區(qū)推垮； 讓基本頂緩慢沉降到要求的位態(tài)（防止沖擊）； 保證支架不被壓死； 對可能發(fā)生剪切的采場，應(yīng)采取特殊的處理方法，并進行采場來壓預(yù)報。,2019/6/30,山東科技大學(xué),17,（2）力學(xué)保證條件 增加支柱初撐力和工作阻力，使直接頂和基本頂緊貼（加大泵壓，穿鞋或用大噸位升柱器等措施）； 支架能在不被壓死的情況下，承擔(dān)起基本頂?shù)牟糠肿饔昧腿恐苯禹數(shù)淖饔昧Α?2019/6/30,山東科技大學(xué),18,2019/6/30,山東科技大學(xué),19,2019/6/30,山東科技大學(xué),20,當(dāng)懸頂距較大時，自身有一定支承能力，其作用力無須支架全部承擔(dān)，懸頂斷裂后，在沉降過程中，根據(jù)靜力平衡，支架必須承受懸頂?shù)娜恐亓Γú豢紤]力矩的作用）。 長懸頂觸矸后，直接頂給支架的作用力：,2019/6/30,山東科技大學(xué),21,1.4.3正常推進階段 （1）支的準(zhǔn)則 類拱結(jié)構(gòu)采場，防止類拱在煤壁處切落（沿下圖中AB、CD線）； 梁式結(jié)構(gòu)采場防止基本頂來壓時出現(xiàn)大的臺階下沉和沖擊； 多巖層結(jié)構(gòu)采場防止上位巖梁對下位巖梁的沖擊； 防止支架壓死。,2019/6/30,山東科技大學(xué),22,類拱在煤壁處的切落位置,2019/6/30,山東科技大學(xué),23,2019/6/30,山東科技大學(xué),24,（3）支護強度 類拱結(jié)構(gòu) “給定變形” “限定變形” 多巖梁結(jié)構(gòu),2019/6/30,山東科技大學(xué),25,1.4.4合理支護強度的確定 根據(jù)前面計算的支護強度，取其中的最大值作為合理支護強度，這樣既可以防止直接頂滑動，又可以防止出現(xiàn)動壓沖擊和臺階下沉。,2019/6/30,山東科技大學(xué),26,案例 酸刺溝煤礦6上105-2綜放工作面 頂板控制技術(shù)項目研究總結(jié)報告,2019/6/30,山東科技大學(xué),27,項目提出,酸刺溝煤礦首次在6上105-2工作面采用綜采放頂煤采煤法。 在工作面開采過程中，由于自然條件和對綜采放頂煤采煤法的認識不足等原因，頂板管理問題成為了阻礙工作面順利開采的主要因素。 項目針對酸刺溝煤礦6上105-2綜放工作面頂板控制技術(shù)進行了深入探討。,28,2019/6/30,山東科技大學(xué),主要內(nèi)容,1 礦壓和采放工藝參數(shù)現(xiàn)場實測簡介 2 工作面頂板賦存特征 3 工作面支架工作阻力統(tǒng)計 4 采場頂板運動特征和參數(shù)確定及礦壓顯現(xiàn) 5 綜放工作面宏觀礦壓顯現(xiàn),29,2019/6/30,山東科技大學(xué),6 采放工藝參數(shù)和效果的實測及分析 7 綜放工作面頂板控制技術(shù) 8 綜放工作面上覆巖層破壞“三帶”高度觀測和地表巖移 9 主要結(jié)論 10 安全控頂?shù)慕ㄗh,2019/6/30,山東科技大學(xué),30,1 工作面概況及礦壓和采放工藝參數(shù)現(xiàn)場實測,1.1 6上105-2工作面基本情況 工作面位于6上105-2輔運順槽和6上105膠運順槽之間 工作面走向長度1356m，傾向長度245m ，平均埋深約200m 頂板多為粗粒砂巖、細粒砂巖，局部為泥巖；底板多為泥巖、砂質(zhì)粘土巖，局部為粗粒砂巖。,31,2019/6/30,山東科技大學(xué),32,圖1.1 6上105-2工作面和巷道布置,平 面 圖,剖 面 圖,2019/6/30,山東科技大學(xué),1.2監(jiān)測內(nèi)容 1）綜放工作面覆巖結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能探測； 2）綜放工作面頂煤頂板運動規(guī)律和礦壓顯現(xiàn)的監(jiān)測； 3）綜放工作面上覆巖層“三帶”觀測。 1.3監(jiān)測方法 1.3.1打孔取芯 在工作面輔運順槽中施工中深孔并取芯，按從煤層頂板下部向上的順序依次取巖芯樣并編號。,2019/6/30,山東科技大學(xué),33,34,圖1.2 6上105-2工作面輔運順槽頂板取巖芯鉆孔位置,2019/6/30,山東科技大學(xué),表1.1 6上105-2工作面順槽頂板取芯鉆孔參數(shù),2019/6/30,山東科技大學(xué),35,1.3.2頂煤結(jié)構(gòu)和煤厚探測 重點對工作面煤厚、頂煤（板）結(jié)構(gòu)、采高、推進速度和放煤量等重要工藝參數(shù)進行針對性研究。 圖1.3 頂煤（板）結(jié)構(gòu)探測圖,2019/6/30,山東科技大學(xué),36,由于頂煤斷裂和冒落線位于支架切頂線前方，導(dǎo)致支架后柱能力的發(fā)揮嚴(yán)重不足。支架的實際控頂面積減小。由此提出了支架的有效控頂距和有效控頂面積均比設(shè)計控頂距和控頂面積減小的概念。 1）支架設(shè)計控頂距：（Lk=6982-6117mm），支架設(shè)計支護面積（S= 10.705m2 -12.218m2 ） 2）支架有效控頂距：控頂距（Lk=5249-4469mm ），支架有效控頂面積（S= 7.82m2-9.18m2）。,2019/6/30,山東科技大學(xué),37,1.3.3上覆巖層“三帶”高度觀測 在6上105回風(fēng)順槽和6上105-2工作面輔運順槽之間的聯(lián)巷中，共布置3個仰孔，均垂直于順槽軸線方向 ，各觀測孔的參數(shù)見表1.2。 表1.2 6上105工作面導(dǎo)水裂隙帶鉆孔參數(shù),2019/6/30,山東科技大學(xué),38,39,圖1.4 工作面頂板裂隙發(fā)育探測,2019/6/30,山東科技大學(xué),采用山東科技大學(xué)專利產(chǎn)品雙端封堵測漏裝置進行井下鉆孔雙端堵水觀測 ，上井后在煤層頂板剖面上，根據(jù)孔深和由高程靜壓確定的垂高畫出鉆孔軸線。鉆孔雙端封堵測漏原理如圖1.5所示 。 圖1.5 鉆孔雙端封堵側(cè)漏原理圖,2019/6/30,山東科技大學(xué),40,2 工作面頂板賦存特征,2.1采場頂板巖層結(jié)構(gòu)探測 1)利用6上105-2工作面輔運順槽鉆孔取芯成果、原地質(zhì)報告中Y11鉆孔和Y18鉆孔成果、本工作面主回撤通道鉆孔等4個不同部位的鉆孔資料，研究分析工作面不同部位頂板巖層結(jié)構(gòu)。沿工作面4個部位鉆孔分布如圖2.1所示 。 2)本次研究在輔運順槽布置ZZ1、ZZ2和ZZ3、ZZ4共4個取芯鉆孔，進行了巖性描述。,41,2019/6/30,山東科技大學(xué),42,圖2.1 工作面范圍4個部位頂板巖層結(jié)構(gòu)探測鉆孔分布,2019/6/30,山東科技大學(xué),43,2.2頂板巖層結(jié)構(gòu)分析 1）工作面范圍內(nèi)頂板巖層結(jié)構(gòu)變化主要是指沿工作面傾向和走向頂板巖性、分層厚度和強度及其組合特性差異。 2）以上4個區(qū)域鉆孔的柱狀對比可以看出 ，工作面不同區(qū)域頂板巖層結(jié)構(gòu)變化大 ，6上105-2工作面區(qū)域的沉積環(huán)境不穩(wěn)定，Y11、Y18以及輔運順槽4個鉆孔柱狀圖如下圖所示。,2019/6/30,山東科技大學(xué),44,圖2.2 6上105-2工作面輔運順槽ZZ1鉆孔柱狀,2019/6/30,山東科技大學(xué),45,圖2.3 6上105-2工作面輔運順槽ZZ2鉆孔柱狀,2019/6/30,山東科技大學(xué),46,圖2.4 6上105-2工作面輔運順槽ZZ3取芯鉆孔柱狀,2019/6/30,山東科技大學(xué),47,圖2.5 6上105-2工作面輔運順槽ZZ4取芯鉆孔柱狀,2019/6/30,山東科技大學(xué),48,圖2.6 6上105-2工作面Y18探煤鉆孔柱狀,2019/6/30,山東科技大學(xué),49,圖2.7 6上105-2工作面Y11探煤鉆孔柱狀,2019/6/30,山東科技大學(xué),50,3）6上105-2工作面輔運順槽鉆孔取芯成果、原地質(zhì)報告中Y11鉆孔和Y18鉆孔成果和本工作面主回撤通道鉆孔4個不同部位的鉆孔資料表明，6上105-2工作面區(qū)域頂板結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，煤層上方40m范圍內(nèi)頂板巖性總體為含礫粗砂巖和粗砂巖，分層總數(shù)812層。巖層分層明顯，厚度相差較大。,2019/6/30,山東科技大學(xué),51,2.3頂板巖層強度 1）2011年6月17日和7月11日完成了輔運順槽4個取芯孔ZZ3、ZZ4和ZZ1、ZZ2的取芯工作，進行完畢鉆孔的巖性描述工作后，及時將巖芯發(fā)往山東科技大學(xué)進行巖石力學(xué)試驗。 2）2011年6月8日7月11日完成4個取芯的巖石力學(xué)試驗工作。各鉆孔巖芯抗拉和抗壓強度如下表所示。,2019/6/30,山東科技大學(xué),52,表2.1 ZZ3和ZZ4鉆孔頂板巖石抗拉強度,2019/6/30,山東科技大學(xué),53,表2.2 ZZ1和ZZ2鉆孔頂板巖石抗拉強度,2019/6/30,山東科技大學(xué),54,表2.3 ZZ3和ZZ4鉆孔頂板巖石單軸壓縮強度,2019/6/30,山東科技大學(xué),55,表2.4 ZZ1和ZZ2鉆孔頂板巖石單軸壓縮強度,2019/6/30,山東科技大學(xué),56,3）進行了8個巖性，47塊頂板巖層的單軸抗拉強度試驗。其中最大分層含礫粗砂巖抗拉強度1.077.20MPa，平均3.097MPa；次最大分層粗砂巖抗拉強度0.842.46MPa，平均1.44MPa。 4）進行了8個巖性，45塊頂板巖層的單軸抗壓強度試驗。其中主體巖層含礫粗砂巖抗壓強度9.6737.04MPa，平均17.89MPa；粗砂巖抗壓強度6.7430.88MPa，平均16.87MPa。,2019/6/30,山東科技大學(xué),57,2.4頂板巖層的水理性質(zhì) 1）巖石的含水率（w）是指巖石孔隙中含水的質(zhì)量與巖石烘干后的質(zhì)量之比。根據(jù)試件含水率狀態(tài)的不同，可分成巖石在天然狀態(tài)下的含水率和飽和狀態(tài)下的含水率。酸刺溝煤礦頂板巖石不同含水狀態(tài)下含水率的測試結(jié)果見表2.5。 2）根據(jù)生產(chǎn)需要，對酸刺溝煤礦頂板巖石進行了不同含水狀態(tài)下單軸壓縮試驗，不同含水狀態(tài)下頂板巖石單軸壓縮試驗結(jié)果見表2.6。,2019/6/30,山東科技大學(xué),58,表2.5 不同含水狀態(tài)下頂板巖石含水率測試結(jié)果,2019/6/30,山東科技大學(xué),59,表2.6 酸刺溝煤礦頂板巖石不同含水狀態(tài)下單軸壓縮試驗結(jié)果,2019/6/30,山東科技大學(xué),60,3）進行了2個巖性，12塊頂板巖層試塊的含水率及含水強度測試。頂板巖層天然含水率5.56.6%，飽和含水率9.910.1%。天然狀態(tài)下與飽水狀態(tài)下，巖石強度相差不大，干燥狀態(tài)下巖石的強度最大；巖石的彈性模量及泊松比隨著含水率的增加有逐漸變小的趨勢。,2019/6/30,山東科技大學(xué),61,3 工作面支架工作阻力統(tǒng)計,3.1工作面基本支架簡介 1）6上105-2綜放工作面使用的支架分為3種類型，分別為基本支架，過渡支架和排頭支架，中間支架（基本支架）額定工作阻力15000kN，額定初撐力31.4MPa（12778kN），中間支架主要結(jié)構(gòu)和參數(shù)如圖3.1所示。 2）工作面共布置46條支架壓力測線，統(tǒng)計其中有代表性的27條作為研究測線。,2019/6/30,山東科技大學(xué),62,3）分3階段統(tǒng)計了工作面礦壓參數(shù)，分別為階段1（5月15日6月20日）、階段2（6月16日7月15日）和階段3（7月13日7月29日）。 4）將工作面分為4個區(qū)域進行研究分析，4個區(qū)域分別是下部（130#），中下部（3170#），中上部（71100#）和上部（101140#）。 5）將壓力較為突出的6個重點支架進行單獨分析。6個重點部位支架指工作面從下部到上部的50#、60#、80#、90#、110#、120#支架。,2019/6/30,山東科技大學(xué),6)工作面采煤方法為綜采放頂煤垮落法采煤方法，采放高度比1:1.951:2.28，采放步距比1：1和1：2，割煤步距0.70.8m，設(shè)計工作面推進度285.45m/月，月產(chǎn)62.98萬t。2011年8月18日，工作面累計生產(chǎn)原煤328.36萬t，工作面推進831m。,2019/6/30,山東科技大學(xué),63,64,圖3.1 ZF15000/26/42四柱支撐掩護式放頂煤支架,2019/6/30,山東科技大學(xué),65,3.2安全閥開啟壓力的調(diào)整 2011年5月12日前，工作面基本支架安全閥開啟壓力36.86MPa，由于工作面經(jīng)常出現(xiàn)壓壞支架和架前漏煤壓死前部運輸機情況，對頂板的控制效果不好。5月12日之后，經(jīng)過研究決定將前柱安全閥開啟壓力升高至46.2MPa（受損修復(fù)的支架為42MPa，后又統(tǒng)一調(diào)整到46.2MPa），后柱升高至42MPa。,2019/6/30,山東科技大學(xué),66,3.3支架初撐力 支架初撐力是采場支護中的一個重要參數(shù)，其作用有兩個：一是確保支架按設(shè)計的增阻規(guī)律來增阻，使支架處于合理的工作狀態(tài)，發(fā)揮其最大的支護效能；二是抑制頂板的早期下沉，最大限度地保持直接頂（頂煤）的完整，防止冒頂及頂板下位巖層與上位巖層離層，有效避免動壓沖擊。,2019/6/30,山東科技大學(xué),67,（1）前柱初撐力 前柱初撐力9.321.1MPa，平均1517MPa，約占額定值（37MPa）的4146%。 （2）后柱初撐力 后柱初撐力2.915.5MPa，平均67MPa，約占額定值（37MPa）的1619%。 （3）整架初撐力 整架初撐力26986956kN，平均42004800kN，占額定初撐力（15056kN）的2832%。,2019/6/30,山東科技大學(xué),68,3.4支架循環(huán)末阻力 第1階段6個重點部位支架前柱和后柱循環(huán)末阻力變化曲線如圖3.2所示。本階段其余支架和第2、第3階段所有支架循環(huán)末阻力見附件。,2019/6/30,山東科技大學(xué),69,（a）50#支架,（b）60#支架,2019/6/30,山東科技大學(xué),70,（c）80#支架,（d）90#支架,2019/6/30,山東科技大學(xué),71,（e）110#支架,（f）120#支架,圖3.2 重點部位支架工作阻力變化曲線（5月15日6月20日）,2019/6/30,山東科技大學(xué),72,由上述3個階段循環(huán)末阻力分析圖可以分析出 （1）前柱末阻力 前柱末阻力22.926.7MPa，占額定值（46.2MPa）的5058%。 6個重點部位支架前柱末阻力2529MPa，占額定值（46.2MPa）的5463%，其中1535MPa所占比例約60%，3550MPa所占比例約57%。,2019/6/30,山東科技大學(xué),73,（2）后柱末阻力 后柱末阻力911MPa，占額定值（42MPa）的2227%。 6個重點部位支架后柱末阻力1113MPa，占額定值（42MPa）的2631%，其中05MPa所占比例約3747%。 （3）整架末阻力 整架末阻力65177620kN，占額定值（17946kN）的3643%。 6個重點部位支架末阻力71198639kN，占額定值（17946kN）的4048%，重點部位值比全工作面平均值大約20%。,2019/6/30,山東科技大學(xué),74,3.5工作面面長方向頂板壓力均值的差異 階段1：工作面下部、中下部、中上部和上部支架整架末阻力平均值之比值為：1:1.17:1.21:1.13。壓力大小排序：中上部值中下部值上部值下部值。 階段2：工作面下部、中下部、中上部和上部支架阻力平均值之比值為1:1.25:1.14:1.29。壓力大小排序：上部值中下部值中上部值下部值。,2019/6/30,山東科技大學(xué),75,階段3：工作面下部、中下部、中上部和上部支架阻力平均值之比值為1:1.37:1.45:1.39。壓力大小排序：中上部值上部值中下部值下部值。 總體而言，工作面從下往上4個區(qū)域頂板壓力有差異。一般為中上部值中下部值上部值下部值，其比例不超過1：1.3。個別情況有變化。,2019/6/30,山東科技大學(xué),76,3.6支架工作阻力發(fā)揮程度的評述 總體而言，工作面支架初撐力發(fā)揮程度不理想，尤其是后柱初撐力發(fā)揮程度不足20%。 工作面支架循環(huán)末阻力發(fā)揮稍好，但仍小于60%，其中后柱小于30%。初撐力和工作阻力小，使得工作面頂板下沉量增大，不能滿足工作面頂板控制目標(biāo)要求。,2019/6/30,山東科技大學(xué),77,4 采場頂板運動特征和參數(shù)確定 及礦壓顯現(xiàn),由6上105-2輔運順槽ZZ1、ZZ2、ZZ3和ZZ4鉆孔柱狀可知，煤層以上40m頂板巖性以含礫粗砂巖和粗砂巖為主，抗壓強度中等以下，最大42.8MPa，平均21.84MPa，分層較多，分層間層理清晰。因此我們可以推斷，6上105-2工作面頂板組成為直接頂和老頂兩部分，其中直接頂隨采隨冒或滯后冒落，老頂成周期性斷裂運動。,2019/6/30,山東科技大學(xué),78,4.1直接頂厚度 4.1.1工作面30#144#支架面長區(qū)域直接頂厚度 1）按直接頂冒落后充填滿采空區(qū)計算 隨采隨冒放頂煤采場直接頂厚度按此計算。參見圖4.1。此時直接頂厚度公式為： 計算得 ：,2019/6/30,山東科技大學(xué),79,2）按實測工作面頂板壓力值計算 （1）直接頂隨采隨冒沒有懸頂 此時，頂板力 計算的工作面直接頂厚度為33.435.4m 。 （2）上位直接頂有懸頂 按照1/2直接頂厚度巖層作為上位直接頂，其懸頂系數(shù)計算如下： 計算得：,2019/6/30,山東科技大學(xué),80,此時頂板壓力 按此種條件計算的工作面直接頂厚度為 10.4711.06m 。 （3）按照直接頂全厚度懸頂計算 此時頂板壓力 計算得到直接頂厚度為6.206.56m 。,2019/6/30,山東科技大學(xué),81,按照綜放采場直接頂組成一般特點，結(jié)合本礦巖層特點，正常條件下建議工作面直接頂厚度計算以上述（2）方式為準(zhǔn)。此時，直接頂厚度為10.4711.06m。,2019/6/30,山東科技大學(xué),82,4.1.2工作面內(nèi)1-30#支架面長區(qū)域直接頂厚度 此時，工作面按頂煤厚度03m計算。同樣，按照直接頂厚度分成等厚的二部分，其中上位直接頂按懸頂系數(shù)同樣取5.4計算。此時，頂板壓力 計算得到： 8.3110.66m,2019/6/30,山東科技大學(xué),83,由此可知，由于支架上方頂煤厚度和直接頂懸頂情況不同，全工作面內(nèi)不同部位直接頂厚度存在較大差別。,2019/6/30,山東科技大學(xué),84,4.1.3按照4個取芯鉆孔可知 1）ZZ1對應(yīng)部位工作面直接頂厚度 由1層厚度為11.46m含礫粗砂巖組成。 2）ZZ2對應(yīng)部位工作面直接頂厚度 由1層8.06m含礫粗砂巖組成。,2019/6/30,山東科技大學(xué),85,3）ZZ3對應(yīng)部位工作面直接頂厚度 共由3層巖層組成，分別為含礫粗砂巖（0.35m）、粗砂巖（1.13m）和含礫粗砂巖（6.9m） 。 4）ZZ4對應(yīng)部位直接頂厚度 共由2層巖層組成，分別為含礫粗砂巖（7.64m）和中砂巖（0.78m）,2019/6/30,山東科技大學(xué),86,上述4個鉆孔部位反映的工作面直接頂厚度為8.0611.46m，其中主體巖層均為含礫粗砂巖。根據(jù)巖層按拉彎破壞形式計算的含礫粗砂巖單層巖層的初次垮落步距和周期性斷裂步距計算結(jié)果如表4.1。,2019/6/30,山東科技大學(xué),87,表4.1 直接頂垮落步距計算結(jié)果,2019/6/30,山東科技大學(xué),88,已知含礫粗砂巖4個厚度和4個抗拉強度組合條件，計算得到的巖層初次垮落步距L0z=85.0437.87m，周期性斷裂步距Cz=28.3515.46m。4個鉆孔位置頂板條件下，計算得到的巖層初次垮落步距均值51.4766.74m，周期性斷裂步距均值21.0127.25m。計算的直接頂運動步距較大，主要是由于其抗拉強度比一般巖層大導(dǎo)致的。,2019/6/30,山東科技大學(xué),89,4.2工作面老頂厚度 1）按老頂周期來壓期間的頂板壓力計算 計算得： 6.48.94m。 2）工作面不同部位老頂厚度的分析 （1）ZZ1對應(yīng)部位老頂厚度,2019/6/30,山東科技大學(xué),90,（2）ZZ2對應(yīng)部位老頂厚度 （3）ZZ3對應(yīng)部位老頂厚度 （4）ZZ4對應(yīng)部位老頂厚度,2019/6/30,山東科技大學(xué),91,計算得到的工作面老頂初次來壓步距和周期性來壓步距見表5.5。老頂初次來壓步距為3855m，周期來壓步距為1622m，該周期來壓步距計算值和實測的工作面老頂來壓步距約20m基本吻合。老頂厚度反算初次來壓步距見表4.2。,2019/6/30,山東科技大學(xué),92,表4.2 老頂厚度反算老頂來壓步距,2019/6/30,山東科技大學(xué),93,4.3頂板運動步距 1）主要以支架工作阻力的周期性變動作為判別頂板運動步距的標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)前述對支架前柱和后柱工作阻力統(tǒng)計可知，前柱工作阻力的利用率達到50%以上，后柱工作阻力平均12MPa，方差約12MPa，阻力利用率25.95%。相對而言，前柱更能真實反映支架的受力狀況，因此，選擇支架前柱工作阻力作為判定頂板來壓步距的主要標(biāo)準(zhǔn)。,2019/6/30,山東科技大學(xué),94,2）第1階段周期來壓循環(huán)末阻力變化曲線見前述圖3.2，由圖3.2可以得到第1階段內(nèi)工作面4個區(qū)域?qū)?yīng)支架處頂板運動特征統(tǒng)計信息，見表4.1。第2、3階段周期來壓循環(huán)末阻力和頂板運動特征統(tǒng)計信息表見附件。,2019/6/30,山東科技大學(xué),95,表4.3 4個區(qū)域來壓步距和持續(xù)步距統(tǒng)計,2019/6/30,山東科技大學(xué),96,3）由各階段統(tǒng)計信息得出 正常情況下，工作面老頂周期性來壓步距 ，其中來壓持續(xù)步距（亦稱顯著運動步距） ，即 。來壓前步距（亦稱相對穩(wěn)定步距） 。 7月25日后，由于工作面采空區(qū)留設(shè)尺寸比較規(guī)范的煤垛支撐頂板，導(dǎo)致工作面來壓步距減小， ， ， ，可知，來壓步距 。,2019/6/30,山東科技大學(xué),97,4.4頂板運動引起的礦壓顯現(xiàn) 4.4.1各階段重點部位頂板周期來壓過程壓力顯現(xiàn) （1）顯著運動過程支架工作阻力 前柱工作阻力38.9942.78MPa，整架工作阻力1162813057kN。 110#支架來壓時16000kN。有效支護強度大于2Mpa。 （2）相對穩(wěn)定運動過程支架工作阻力 前柱阻力21.43222.73Mpa，整架工作阻力59266689kN。 （3）周期運動過程支架工作阻力 前柱阻力25.1926.56Mpa；整架工作阻力73087961kN。,2019/6/30,山東科技大學(xué),98,4.4.2支架動載系數(shù) 以支架前柱阻力計算動載系數(shù) =1.741.87。以整架阻力阻力計算的動載系數(shù) =1.742.08。工作面開采不同階段動載系數(shù)有差別，放煤較多時，動載系數(shù)較大。從動載系數(shù)衡量，6上105-2綜放工作面屬于來壓強烈的工作面。另外，工作面面長方向上動載系數(shù)也有差別，工作面70#80#以上動載系數(shù)大，以110#120#附近區(qū)域支架動載系數(shù)為最大，最大值 、 大于2。,2019/6/30,山東科技大學(xué),99,5 綜放工作面宏觀礦壓顯現(xiàn),通過6月11日7月30日，對6上105-2工作面端面頂煤破碎度（示意圖如5.1所示）、支架頂梁仰俯角、安全閥開啟情況以及支架活柱縮量進行宏觀礦壓顯現(xiàn)監(jiān)測、數(shù)據(jù)處理和分析，各階段分析表見階段報告及其附件。主要結(jié)論如下：,2019/6/30,山東科技大學(xué),100,圖5.1 頂煤（板）破碎度觀測示意圖,2019/6/30,山東科技大學(xué),101,1）工作面頂梁第1接頂點到頂梁前端的距離以及作業(yè)規(guī)程規(guī)定的端面距均偏大，對破碎頂板控制不利，建議減小。第1接頂點到煤壁的距離大，表明支架頂梁和頂煤不是面接觸，頂梁低頭，頂梁和頂煤成剪刀差接觸，支架經(jīng)常栽頭，工作狀態(tài)不好。 2）總體而言，工作面煤壁片幫深度、冒頂高度、高度均較小，說明工作面推進過程中實體煤壁保護較完整。但從7月25日7月30日工作面生產(chǎn)情況來看，工作面頂煤破碎有所加劇，局部區(qū)域漏煤嚴(yán)重。,2019/6/30,山東科技大學(xué),102,3）工作面頂煤斷裂線在支架前柱附近，至使后柱受力減小。放空頂煤，易發(fā)生直接頂沖擊支架事故。建議有序放煤，改善支架受力狀態(tài)。 4）工作面支架安全閥開啟壓力平均為44.92MPa，最大值為56MPa，開啟的安全閥集中在工作面中部和上部。 5）工作面非來壓期時，支架工作循環(huán)活柱縮量小，一般幾個毫米；來壓期間支架工作循環(huán)活柱縮量在100mm左右，最大值為609mm，最大活柱縮量目測約為900mm。說明來壓期間支架工作循環(huán)活柱縮量明顯增大，工作面屬于來壓劇烈工作面。,2019/6/30,山東科技大學(xué),103,6 采放工藝參數(shù)和效果的實測及分析,6.1采煤工藝 自2011年5月12日以來，工作面采煤工藝參數(shù)進行部分調(diào)整，目前6上105-2工作面主要采煤工藝參數(shù)如下：采高3.84.0m，循環(huán)割煤步距700mm，放煤高度7.818.67m，采放高度比1:1.951:2.28。采用兩采一放雙輪順序放煤方式，第一輪平均放煤時間85s，第二輪平均放煤時間98s，放煤步距1400mm。工作面月生產(chǎn)能力達百萬噸以上。,2019/6/30,山東科技大學(xué),104,6.2工作面頂板控制技術(shù)和效果分析 2011年2月21日4月22日，工作面在老頂初次來壓和周期來壓期間，發(fā)生過多起影響工作面正常生產(chǎn)的事故。 為保證安全高效生產(chǎn)，2011年5月12日開始至7月20日，工作面頂板控制常規(guī)技術(shù)措施主要從以下4個方面著手。,2019/6/30,山東科技大學(xué),105,（1）提高初撐力標(biāo)準(zhǔn) 工作面支架初撐由25.2MPa提高到28MPa。但通過前期工作面支架初撐力統(tǒng)計結(jié)果顯示，初撐力發(fā)揮程度最好的前柱也僅為僅為一半左右，支架初撐力利用率仍然很低。 （2）提高安全閥開啟壓力 前柱由36.86MPa提高到46.2MPa，后柱由36.86提高到42MPa。工作面基本沒有支架被壓死的情形出現(xiàn)。,2019/6/30,山東科技大學(xué),106,（3）嚴(yán)格控制放煤時間和放煤量 采用兩采一放雙輪順序放煤方式并根據(jù)來壓強度、活柱行程等礦山壓力顯現(xiàn)情況確定放煤與否及放煤量，工作面近1/4的支架不主動放煤。 （4）來壓期間工作面快速推進 工作面在周期來壓期間采用快速推進不放煤或壓力明顯區(qū)不放煤來控制頂板下沉量，甩開頂板壓力。雖能達到控制頂板的目的，但丟煤較多，頂煤回收也會有所下降。,2019/6/30,山東科技大學(xué),107,7 綜放工作面頂板控制技術(shù),6上105-2綜放工作面頂板控制的主要難題 （）頂板來壓時工作面頂板下沉量大，多次壓死支架。 （）采空區(qū)頂板大面積懸頂，垮落頂板沖擊支架和采空區(qū)氣體，產(chǎn)生支架的損害和風(fēng)害。 （）柱支架后柱能力發(fā)揮嚴(yán)重不足，導(dǎo)致支架工作阻力不足，不能有效控頂。,2019/6/30,山東科技大學(xué),108,控制頂板困難的主要原因 （）頂板賦存（巖性、厚度和強度等）的變化導(dǎo)致的頂板運動形式和運動參數(shù)的急劇變化，對工作面頂板管理提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。 （）頂煤冒落的特征和參數(shù)導(dǎo)致支架工作阻力發(fā)揮嚴(yán)重不足。 （）頂板運動形式和規(guī)律的掌握和運用于指導(dǎo)生產(chǎn)不夠。 （）支架型式和頂煤的運動和冒落特征不夠匹配。 （）隊伍新。,2019/6/30,山東科技大學(xué),109,頂板控制的基本目標(biāo) （1）保證工作面頂板下沉量控制要求。 （2）預(yù)防采空區(qū)頂板大面積冒落產(chǎn)生的風(fēng)害和對支架的損害。 （3）回采率滿足要求。,2019/6/30,山東科技大學(xué),110,綜放工作面頂板控制一般技術(shù) （）采煤工藝控制 （）放煤工藝控制 （）支架工作狀態(tài)和工作阻力的控制 （）頂板的處理（復(fù)雜和成本高）,2019/6/30,山東科技大學(xué),111,頂板控制的思路和專門技術(shù) 1）思路 立足現(xiàn)實條件，在掌握回采工作面頂板和頂煤運動特征和參數(shù)的基礎(chǔ)上，從工作面采放工藝控制，支架工作阻力的管理等基礎(chǔ)工作著手，達到頂板控制的目標(biāo)。 2）2項專門技術(shù) （1）實現(xiàn)工作面基本支架的“給定變形”工作狀態(tài)。 （2）工作面必要的地段和時間，提高采空區(qū)的充填率。,2019/6/30,山東科技大學(xué),112,由前述工作面頂板組成及頂板縱向運動的分析，可以得到6上105-2綜放工作面頂煤頂板結(jié)構(gòu)特征，參見圖7.1。 頂板結(jié)構(gòu)主要特點 （1）工作面采高h=3.9m，頂煤按最大厚度hd=9m，直接頂總厚度MZ=10m，其中上位直接頂MZ2=5.0m，下位直接頂MZ2=5.0m，老頂厚度ME=8m。 （2）頂煤后部切頂線處于支架前后立柱中間。,2019/6/30,山東科技大學(xué),113,（3）直接頂主體巖層為抗拉強度較大的含礫粗砂巖，分層明顯。下位直接頂及時冒落，上位直接頂最大懸頂步距LZ=13m。 （4）老頂由多個巖層組合而成，呈有規(guī)律的斷裂運動并引起強烈的工作面頂板來壓顯現(xiàn)，因此，來壓開始時，老頂斷裂線位于工作面有效控頂距內(nèi)。 （5）由于工作面直接頂厚度較小，冒落后不能全部充填滿后方已采空間，并且采空區(qū)內(nèi)有部分厚度的冒落頂煤堆積。,2019/6/30,山東科技大學(xué),114,圖7.1 6上105-2綜放工作面頂煤頂板結(jié)構(gòu),2019/6/30,山東科技大學(xué),115,7.1巖梁位態(tài)與支架工作狀態(tài) 1）采空區(qū)充填與巖梁末端沉降值的關(guān)系 直接頂和頂煤冒落后充填采空區(qū)，充填高度H1 計算得：H1=（9-7.80.8）1.39.821.3=16.35m 上覆巖層冒落和開采煤厚總高度（空間）： 老頂巖梁末端自由沉降高度SA：,2019/6/30,山東科技大學(xué),116,以上計算說明，老頂巖梁末端有6.39m的下沉空間（自由空間），即已冒落直接頂和采空區(qū)遺煤不能全部充填滿采出空間，頂板來壓時有較大的自由下沉空間。,2019/6/30,山東科技大學(xué),117,不放頂煤時采空區(qū)充填情況 H為負值，說明工作面后部冒落的頂煤完全不放煤時，由頂煤垮落后在采空區(qū)形成的墊層能完全充滿采空區(qū)。因此，老頂運動的幅度受到極大限止，頂板來壓時對工作面礦壓顯現(xiàn)的增量作用不明顯。,2019/6/30,山東科技大學(xué),118,7.2老頂自由沉降到穩(wěn)定位態(tài)時工作面頂板下沉量 此時，支架處于“給定變形”工作狀態(tài)。由相似三角形定理： 計算得 ： 由此可知，老頂沉降至自由位態(tài)，工作面對應(yīng)控頂距處（前柱后方800mm）頂板下沉量達1394mm，后柱處的頂板下沉量約為1642mm。目前支架允許活柱縮量最大1100mm，支架會被壓死。,2019/6/30,山東科技大學(xué),119,7.3支架實際工作狀態(tài) 1）實測階段1來壓時工作面最大工作阻力為110#支架，工作阻力13383kN，此時，前后柱工作阻力分別為42.8MPa和23.0MPa，折合有效支護強度1.71MPa。此時，支架處于“限定變形”工作狀態(tài)。工作面頂板下沉量由下式計算 ：,2019/6/30,山東科技大學(xué),120,2）取最小有效控頂距， =4.5m； 計算得到： 和允許的頂板下沉量1100mm相比，頂板下沉量富余量約349mm。 3）按來壓時6個重點部位平均工作阻力11628kN計算，則頂板下沉量富余量101mm，此時支架仍有被壓死的危險。,2019/6/30,山東科技大學(xué),121,4）支架發(fā)揮最大工作阻力時 ，支架仍處于“限定變形”工作狀態(tài)。支架最大阻力能控制的頂板下沉量為，同樣可以由式 計算得到。此時 923mm。即目前狀態(tài)的支架工作阻力能控制的頂板位態(tài)即前立柱處頂板下沉量為923mm。頂板下沉量富余量107mm，同樣，支架有被壓死的危險。 5）不同情況下工作面頂板下沉量計算結(jié)果如圖7.2所示。,2019/6/30,山東科技大學(xué),122,圖7.2 6上105-2綜放工作面頂板結(jié)構(gòu)和支架位態(tài)示意圖,2019/6/30,山東科技大學(xué),123,6）礦壓測試2、3階段，工作面來壓時，全工作面支架中阻力最大的110#支架末阻力均值分別為16316kN和16943kN，折合有效支護強度約2.092.17MPa，計算得到有效控頂距附近頂板下沉量509538mm。來壓時，6個重點部位支架末阻力均值分別為13057kN和13595kN，折合有效支護強度約1.671.74MPa，計算得到頂板下沉量647680mm，同樣可知，支架處于“限定變形”工作狀態(tài)。,2019/6/30,山東科技大學(xué),124,7.4采空區(qū)留條形間隔煤垛控制工作面礦壓顯現(xiàn)技術(shù) 1）在面長方向上，將工作劃分為4個區(qū)域?qū)Ψ琶哼M行控制。 2）沿工作面推進方向，以平均周期來壓步距（20m）對放煤時間進行控制，在每個周期來壓步距內(nèi)頂板來壓時約割煤57刀（3.5m4.9m）不放煤，不放煤步距基本與工作面平均顯著來壓步距（5m）基本相當(dāng)，即在來壓期間不放煤可形成滿足要求的最大煤垛高度。 3）在每個不放煤區(qū)域內(nèi)，仍可以以8架為單位對放煤進行控制，相鄰條形內(nèi)放煤與不放煤間隔進行，如圖7.3所示。,2019/6/30,山東科技大學(xué),125,圖7.3 采空區(qū)分區(qū)域留條形間隔煤垛控制工作面礦壓顯現(xiàn)示意圖,2019/6/30,山東科技大學(xué),126,7.5 留煤垛提高采空區(qū)充填率控制工作面礦壓顯現(xiàn)的實踐成果 1）酸刺溝煤礦采煤一隊在現(xiàn)場實際生產(chǎn)過程中，創(chuàng)造性應(yīng)用了上述留煤垛控制礦壓技術(shù)。 2）他們實施了“全工作面一線雙十架放煤”技術(shù)。 具體做法為：頂板非來壓時全工作面正常放煤，頂板來壓時全工作面一線10架支架放煤，鄰近10架支架不放煤，以此類推，最終采空區(qū)留下寬度約7刀煤（寬約4-5m），面長方向約10個架子（長17.5m）的直線條形間隔煤垛支撐采空區(qū)頂板。如圖7.4所示。,2019/6/30,山東科技大學(xué),127,圖7.4 一線雙十架采空區(qū)留間隔條形煤垛,2019/6/30,山東科技大學(xué),128,3）礦壓監(jiān)測顯示，所留煤垛確實能支撐頂板，控制工作面頂板下沉量，實測來壓時工作面頂板下沉量一般不超過150mm，避免了老頂沖擊和壓死支架情形。 4）實際的采空區(qū)煤垛高度不足。（被動放煤量較多） 5）頂板控制初步成效的取得，是上述2項專門技術(shù)雙管齊下的成果。,2019/6/30,山東科技大學(xué),129,8 綜放工作面覆