本文關(guān)鍵詞：急傾斜綜放采場圍巖控制技術(shù)及支架穩(wěn)定性研究

  更多相關(guān)文章： 急傾斜 “支架—圍巖”關(guān)系 頂板結(jié)構(gòu) 支架穩(wěn)定性控制 圍巖控制

【摘要】：我國自上世紀(jì)五十年代后開始系統(tǒng)研究急傾斜煤層開采方法及其相關(guān)配套技術(shù)和工藝以來,該地質(zhì)條件下的采場圍巖及支架穩(wěn)定性控制一直是開采過程中最重要的技術(shù)難題。由于煤層傾角的存在改變了圍巖的受力特征,使頂板法向受力減小而使切向受力增加,造成沿工作面傾向頂板垮落時序有顯著差異,同時,下層位垮落頂板的下滑充填及切向分力造成傾向破斷頂板鉸接結(jié)構(gòu)和“支架—圍巖”關(guān)系等多方面的明顯差異。尤其在遇到“三軟”煤層、一次采出厚度較大、斷層及構(gòu)造應(yīng)力工作面開采等復(fù)雜地質(zhì)條件時,圍巖控制更為困難,工作面容易產(chǎn)生滑底、片幫、局部冒頂和設(shè)備穩(wěn)定性差等諸多問題,造成工作面推進困難,嚴(yán)重影響工作面安全生產(chǎn)。因此,研究急傾斜厚煤層綜放采場的圍巖活動規(guī)律及支架穩(wěn)定性控制原則,尋求采場圍巖控制設(shè)計及綜放設(shè)備研制技術(shù),是急傾斜厚煤層開采中亟需解決的關(guān)鍵問題。急傾斜綜放采場走向開采的覆巖移動規(guī)律與近水平煤層之間產(chǎn)生顯著差異的原因首先在于頂板的受力分布不同,其次是頂板破斷后形成的結(jié)構(gòu)差異。因此研究圍巖控制技術(shù)就要研究頂板破斷前后的受力及其形成的結(jié)構(gòu)形式。本文以山西大遠(yuǎn)煤業(yè)1201急傾斜“三軟”綜放工作面為工程背景,利用結(jié)構(gòu)力學(xué)理論分析、FLAC3D數(shù)值模擬、實驗室相似模擬實驗和現(xiàn)場工程實踐及實測驗證等手段,從采場圍巖的受力特征及其結(jié)構(gòu)形式入手,系統(tǒng)研究了該條件下頂板的破壞及失穩(wěn)機理、礦壓顯現(xiàn)和覆巖移動規(guī)律、采場圍巖控制技術(shù)、“支架—圍巖”關(guān)系特征和支架穩(wěn)定性控制技術(shù),取得了以下主要結(jié)論和創(chuàng)新性研究成果:(1)利用結(jié)構(gòu)力學(xué)建立了急傾斜采場頂板初次破斷前沿傾向的不均衡受力模型,并分析了其受力和變形特征。研究表明:急傾斜采場頂板壓應(yīng)力最大值位于下端頭處梁的下表面,其值比上端頭高36%左右,而最大拉應(yīng)力位于梁上端頭的上表面,其值比下端頭上表面處拉應(yīng)力高26%左右,梁的不均衡受力特征以及巖石抗壓不抗拉的特性導(dǎo)致工作面上部首先破斷失穩(wěn)造成較早來壓。同時提出了沿傾向垮落帶的二次拋物線形態(tài)和“三段式”(密實充填段、不均勻充填段和動載影響段)分布特征。密實充填段內(nèi)覆巖結(jié)構(gòu)主要為受垮落矸石支撐的長懸臂梁,來壓強度最小;不均勻充填段內(nèi),垮落帶發(fā)育層位較高,該階段內(nèi)下方充填程度沿傾向不一;動載影響段主要表現(xiàn)為短懸臂梁,支架載荷平時較小,動載特征明顯。(2)根據(jù)急傾斜采場頂板破斷后的結(jié)構(gòu)特征建立了傾斜砌體結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型,并對其滑落失穩(wěn)和變形失穩(wěn)進行了分析。結(jié)果表明:隨煤層傾角的增大,巖塊的回轉(zhuǎn)角逐漸減小,即煤層傾角越大,巖塊咬合處的下沉量越小,下部的變形失穩(wěn)程度越小;傾向巖塊的砌體結(jié)構(gòu)的滑落穩(wěn)定性受煤層傾角的影響顯著,煤層傾角越大,上部巖塊越容易發(fā)生滑落失穩(wěn),最終導(dǎo)致上部支架更易出現(xiàn)動載現(xiàn)象。因此,急傾斜采場的傾斜砌體結(jié)構(gòu)以上端頭砌體巖塊的滑落失穩(wěn)為主。(3)設(shè)計了相似模擬實驗?zāi)M急傾斜采場的傾向覆巖移動規(guī)律和所形成的覆巖結(jié)構(gòu)。實驗結(jié)果表明,急傾斜采場覆巖垮落形態(tài)不對稱,上部頂板垮落充分,下部受充填作用垮落不充分;上端頭和下端頭處均形成明顯的傾斜砌體結(jié)構(gòu),但下部結(jié)構(gòu)容易保持穩(wěn)定,上部結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)滑落失穩(wěn)從而導(dǎo)致上端頭空頂,影響上部圍巖和支架穩(wěn)定性控制。(4)數(shù)值模擬結(jié)果表明,工作面推進至60m時,工作面上、中、下部的超前支承壓力分布明顯不同。首先,中下部支承壓力峰值明顯大于上部。其次,超前支承壓力峰值作用位置沒有明顯差異,均為距工作面煤壁前方12m左右,中、下部超前支承壓力作用范圍沒有明顯差異,約為40m,上部超前支承壓力作用范圍較中、下部偏大,約為54m左右。最后,上、中、下三處的應(yīng)力集中系數(shù)分別為1.39,1.38和1.33,即中、上部的應(yīng)力集中程度較下部更為明顯,礦壓顯現(xiàn)可能較下部更為劇烈,因此有必要采取措施加強中上部的礦壓和圍巖控制。急傾斜開采時的頂板位移沿傾向分布特征與水平煤層有顯著區(qū)別,也表現(xiàn)出明顯的非對稱特征。其垂直位移曲線在工作面中部附近有一處極大值,但是在整個工作面傾向的最大頂板下沉量發(fā)生在工作面上端頭附近。工作面上端頭約7~9m范圍內(nèi)垂直位移較大,若支架中心距為1.5m,即表明上部5~6架支架范圍內(nèi)圍巖活動較為劇烈。采取合理技術(shù)措施控制該段的圍巖活動,不僅是針對上端頭的圍巖控制和支架穩(wěn)定性,同時也是中下部的支架穩(wěn)定性控制的關(guān)鍵。(5)通過分析將影響急傾斜采場底板穩(wěn)定性的因素歸納為:底板巖性、巖體結(jié)構(gòu)、水的作用和開采技術(shù)因素四個方面。建立了底板滑移的力學(xué)模型,利用極限分析定理分析得出底板可保持平衡狀態(tài)的滑塊重量隨著殘余黏聚力及內(nèi)摩擦角的增大而增大,而在掘進及回采的雙重影響下直接底黏聚力迅速弱化,僅剩殘余黏聚力,因此,上端頭底板極易發(fā)生滑移,嚴(yán)重影響支架的穩(wěn)定性,需對其進行加固。利用強度折減法對底板滑移進行數(shù)值分析表明,底板內(nèi)存在局部剪切帶,為潛在滑移面,局部剪切帶內(nèi)底板的變形速度最大。實際底板巖體受采動影響后,表現(xiàn)為內(nèi)聚力弱化、摩擦力強化特征,巖體強度明顯降低,因此工作面推過后,底板滑移影響設(shè)備和頂板穩(wěn)定性的概率很大。大遠(yuǎn)1201工作面在上端頭底板打入錨索,起到固定滑體樁的作用,在數(shù)值模型中對底板進行錨索加固后,計算結(jié)果底板潛在滑動塊體不再出現(xiàn)滑動現(xiàn)象。實際工程應(yīng)用中,利用菱形網(wǎng)配合錨桿和枕木固定底板,成功阻止了大規(guī)模推底事故的發(fā)生,保證了“頂板—支架—底板”系統(tǒng)的穩(wěn)定。(6)建立了上端頭頂煤破壞的力學(xué)模型,求取了頂煤體應(yīng)力分布的解析解,利用“扇形分布錨索”加固上端頭頂煤及回風(fēng)巷,防止了上端頭放煤過程中對上部巷道的破壞,成功實現(xiàn)了端頭放煤。(7)建立了急傾斜綜放采場支架穩(wěn)定性分析的力學(xué)模型,提出了保證支架不發(fā)生下滑、傾倒及扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)的判據(jù),為指導(dǎo)不同地質(zhì)條件下工作面支架的穩(wěn)定性控制提供依據(jù)和理論技術(shù)支撐;分析了單個支架的滑移、傾倒和扭轉(zhuǎn)的力學(xué)邊界條件,得出了單支架保持穩(wěn)定性的合理頂板壓力。在單支架受力分析的基礎(chǔ)上,計算得出了上端頭多臺支架空頂時對支架穩(wěn)定性的影響,得出合理頂板壓力大小可以保證支架的穩(wěn)定性狀態(tài),支架的失穩(wěn)主要發(fā)生在降架、移架過程中,只要采取合理的支架管理措施即可保證支架的穩(wěn)定性。根據(jù)急傾斜綜放采場支架下滑、傾倒和扭轉(zhuǎn)穩(wěn)定性的受力狀態(tài)分析,針對性地從支架型式、側(cè)護板、四連桿機構(gòu)和底座設(shè)計等方面提出了改進要求:1)將四柱支撐掩護式改為兩柱式,改善支架受力狀態(tài),避免拔后柱現(xiàn)象發(fā)生;2)采用“雙活”側(cè)護板和“遮掩式”鉸接設(shè)計,控制支架尾梁偏斜;3)四連桿機構(gòu)采用“前雙、后雙”結(jié)構(gòu),保證支架穩(wěn)定性;4)底座采用全封閉式設(shè)計,防止鉆底。(8)利用“支架—圍巖”關(guān)系分析所得的公式,代入1201工作面具體地質(zhì)條件,計算得出了工作面上、中、下部支架工作阻力的合理大小,分別為:4620k N,4580k N和1864k N,這與實際支架工作阻力選擇較為接近,滿足使用要求。通過引入動載系數(shù)A(m)對傾向不同位置支架工作阻力的分布特征進行了分析,實測支架阻力數(shù)據(jù)表明:沿工作面傾向來壓時序不一致,動載程度“上部中部下部”,沿傾向上端頭傾斜砌體結(jié)構(gòu)的滑落失穩(wěn)導(dǎo)致來壓波動程度較大,動載特征明顯,而下部結(jié)構(gòu)變形失穩(wěn)造成的來壓劇烈程度較小,故上端頭的傾斜砌體結(jié)構(gòu)的滑落失穩(wěn)是導(dǎo)致中上部來壓較為劇烈的原因�，F(xiàn)場的實測數(shù)據(jù)驗證了急傾斜工作面上端頭易產(chǎn)生動載的結(jié)論。(9)以支架穩(wěn)定性分析結(jié)論為基礎(chǔ),提出了相應(yīng)保障工作面支架不發(fā)生下滑、失穩(wěn)和咬架的技術(shù)措施:通過合理的移架順序、仰斜開采、提高支架初撐力、移架前確保相鄰支架穩(wěn)定,增大支架側(cè)護板寬度,充分利用支架本身的側(cè)護千斤頂和底調(diào)千斤頂調(diào)整支架等綜合性技術(shù)措施保證了支架的穩(wěn)定。通過“自上而下割煤、自下而上跑空刀”和前推刮板輸送機持續(xù)供液等綜合技術(shù)措施防止了采煤機的下滑;利用壓戧柱與防滑頂鎬相配合,調(diào)整刮板輸送機位態(tài),成功保證了刮板輸送機的穩(wěn)定性。
【關(guān)鍵詞】：急傾斜 “支架—圍巖”關(guān)系 頂板結(jié)構(gòu) 支架穩(wěn)定性控制 圍巖控制
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TD355
【目錄】：

• 摘要4-7
• Abstract7-16
• 1 引言16-28
• 1.1 研究背景及意義16-17
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀17-26
• 1.2.1 國外急傾斜煤層開采研究現(xiàn)狀17-18
• 1.2.2 國內(nèi)急傾斜煤層開采方法研究現(xiàn)狀18-19
• 1.2.3 急傾斜煤層開采的圍巖破壞和力學(xué)特征的研究現(xiàn)狀19-21
• 1.2.4 急傾斜煤層開采礦壓顯現(xiàn)特征的研究現(xiàn)狀21-22
• 1.2.5 急傾斜煤層開采支架等設(shè)備的穩(wěn)定性的研究現(xiàn)狀22-25
• 1.2.6 研究現(xiàn)狀綜述25-26
• 1.3 論文研究內(nèi)容與方法26-28
• 1.3.1 主要研究內(nèi)容26
• 1.3.2 研究方法和技術(shù)路線26-28
• 2 急傾斜綜放采場頂板破壞及失穩(wěn)機理28-50
• 2.1 頂板破斷及失穩(wěn)的力學(xué)機理28-34
• 2.1.1 頂板傾向非均布載荷力學(xué)分析28-32
• 2.1.2 傾向覆巖垮落形態(tài)32-34
• 2.2 急傾斜煤層傾斜砌體結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)特征34-38
• 2.2.1 滑落失穩(wěn)分析34-36
• 2.2.2 變形失穩(wěn)分析36-38
• 2.3 傾向覆巖運移規(guī)律38-48
• 2.3.1 相似模擬實驗設(shè)計38-42
• 2.3.2 傾向覆巖垮落形態(tài)42-45
• 2.3.3 傾向覆巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性45-46
• 2.3.4 傾向覆巖運移規(guī)律46
• 2.3.5 直接頂和基本頂傾向破壞與運移規(guī)律46-48
• 2.4 小結(jié)48-50
• 3 急傾斜綜放采場礦壓顯現(xiàn)規(guī)律和圍巖控制技術(shù)50-70
• 3.1 急傾斜煤層采場礦壓顯現(xiàn)規(guī)律50-57
• 3.1.1 數(shù)值模型的建立及參數(shù)選取50-51
• 3.1.2 急傾斜綜放工作面超前支承壓力分布規(guī)律51-54
• 3.1.3 急傾斜采場覆巖移動規(guī)律54-57
• 3.2 俯、仰斜布置的特點及適應(yīng)性57-58
• 3.3 底板穩(wěn)定性分析及控制58-62
• 3.3.1 底板穩(wěn)定性影響因素58
• 3.3.2 底板穩(wěn)定性理論分析58-60
• 3.3.3 底板滑移的數(shù)值分析60-62
• 3.3.4 底板加固措施62
• 3.4 端頭放煤回風(fēng)巷道加固技術(shù)62-68
• 3.4.1 未放頂煤應(yīng)力分布解析62-65
• 3.4.2 上端頭頂煤加固效果分析65-67
• 3.4.3 頂煤加固方案67-68
• 3.5 小結(jié)68-70
• 4 急傾斜綜放采場支架與圍巖關(guān)系70-80
• 4.1 傾向破斷及運動特征70-73
• 4.1.1 覆巖破斷的雙向分布特征70-71
• 4.1.2 傾向支架與圍巖關(guān)系差異71-73
• 4.2 直接頂和基本頂?shù)姆秶_定73-74
• 4.2.1 直接頂范圍確定73
• 4.2.2 基本頂范圍確定73
• 4.2.3 沿傾向直接頂與基本頂?shù)姆秶町?/span>73-74
• 4.3“三段式”支架與圍巖關(guān)系模型74-76
• 4.3.1 上部“支架-圍巖”關(guān)系74-76
• 4.3.2 中部“支架-圍巖”關(guān)系76
• 4.3.3 下部“支架-圍巖”關(guān)系76
• 4.4 上端頭動載效應(yīng)的控制措施76-77
• 4.5 小結(jié)77-80
• 5 急傾斜綜放采場液壓支架穩(wěn)定性控制80-90
• 5.1 支架的防倒穩(wěn)定性分析80-82
• 5.2 支架的防滑穩(wěn)定性分析82-85
• 5.3 支架扭轉(zhuǎn)穩(wěn)定性分析85-87
• 5.4 支架適應(yīng)性分析87-89
• 5.4.1 支架基本參數(shù)87
• 5.4.2 支架設(shè)計改進措施87-89
• 5.5 小結(jié)89-90
• 6 現(xiàn)場工程試驗90-104
• 6.1 試驗工作面概況90-93
• 6.1.1 主采煤層特點90
• 6.1.2 煤層頂?shù)装鍘r性90-92
• 6.1.3 巷道布置92-93
• 6.2 工作面設(shè)備及回采工藝93-95
• 6.2.1 工作面主要設(shè)備93
• 6.2.2 回采工藝93-95
• 6.3 支架工作阻力檢驗95-99
• 6.3.1 支架工作阻力計算95-96
• 6.3.2 液壓支架工作阻力分布特征96-99
• 6.4 支架穩(wěn)定性控制的技術(shù)措施99-102
• 6.4.1 基本移架方法99-100
• 6.4.2 防倒架技術(shù)措施100
• 6.4.3 調(diào)架技術(shù)措施100-101
• 6.4.4 支架控制效果101-102
• 6.5 工作面其他安全生產(chǎn)保障技術(shù)措施102
• 6.5.1 采煤機防滑措施102
• 6.5.2 刮板輸送機防滑102
• 6.6 小結(jié)102-104
• 7 結(jié)論與展望104-108
• 7.1 主要結(jié)論104-106
• 7.2 主要創(chuàng)新點106-107
• 7.3 研究展望107-108
• 參考文獻108-116
• 致謝116-118
• 作者簡介118-119

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

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本文編號：619339