大采高专题x

1大采高综采工作面矿压显现规律与支护技术探讨摘要：大采高是相应条件下厚煤层综采的主要发展方向之一。在界定大采高综采概念、分析其工作面开采基本特征的基础上，本文以大采高综采工作面围岩矿压显现规律为研究对象，结合大量相关文献，全面分析了国内在这一领域的研究进展，深入研究了大采高覆岩的运动规律对大采高采场矿压控制、地表塌陷评价及指导生产实践的重要意义.关键词：大采高综采工作面矿压围岩活动1引言煤炭作为我国的主要能源，在国民经济建设中具有重要的战略地位，长期以来，煤炭在我国一次能源生产和消费中均占30%。我国的厚煤层储量丰富，约占全部煤层储量的44％，厚煤层的产量也占总产量的40％以上。厚煤层资源在我国广泛分布，而且厚煤层是我国实现高产高效开采的主采煤层，具有资源储量优势。2008年煤炭总产量27.16亿t，已超过世界煤炭总产量的1/3，厚煤层开采技术水平决定着中国煤炭产业的科技进步与整体实力的提升。2006年国有重点煤矿厚煤层综采程度为77.47%，百万吨死亡率0.628。近年来，在神东、晋城、大同等矿区开采6m左右的厚煤层取得了成功，其效益已达到国际先进水平，大采高综采已成为我国厚煤层高效开采的重要发展趋势。对于一些厚煤层大采高综采工作面，围岩所处的地质力学环境对其开采有极大的影响，如何掌握和利用其围岩活动规律，是目前煤炭开采技术中的一个关键。1.1大采高综采的意义及目的由于大采高综采具有资源回收率高、工作面生产时煤尘少、瓦斯涌出量小等方面的优点，使其迅速成为在厚煤层开采技术方面发展的新工艺。但是，许多专家和学者通过多年的现场观测和大量的理论研究发现，在类似地质条件下，大采高综采工艺随着工作面煤壁和液压支架高度的加大，支架—围岩系统的稳定性差、事故率高（达19%以上，远高于一般采高的综采工作面）。如果再受到断层、裂隙、节理、褶曲、陷落柱等复杂地质条件及煤质松软且煤层本身为节理、裂隙2发育的软弱煤层等因素的影响时，极有可能会使得大采高综采工作面支架—围岩系统的稳定性更差、事故率更高。大采高综采工作面由于煤壁片帮经常发生，致使端面距增大，导致顶板漏冒的概率增加，冒顶时大量岩块落入工作面工作空间内，会给煤矿的安全生产带来严重的隐患。由于端面直接顶岩层的破坏冒落，迫使支架顶梁抬头，严重时还会因为支架上部失去约束，再加上复杂的地质条件，极有可能导致工作面大规模的咬架、倒架等支架稳定性事故的发生。深入、系统地研究大采高综采工作面围岩控制理论及技术，不仅能为类似煤层煤矿的设计、开采、安全生产的管理和决策提供科学依据，同时还能够丰富和发展矿山压力及岩层控制理论，最大程度的提高煤炭采出率，提高矿井的生产能力。1.2国内大采高开采理论及技术研究现状我国于1978年引进德国赫姆夏特公司生产的G320-23/45型掩护式大采高液压支架及相应的采煤、运输设备，在开滦矿务局范各庄煤矿1477工作面开采7号煤层。在7号煤层厚度为3.3m－4.5m、倾角10°的条件下，工作面平均月产量为70819t，最高月产量为94997t，取得了良好的开采效果。1985年在西山矿务局官地煤矿18202工作面首次采用国产大采高综采设备进行工业性试验，在倾角小于5°以及Ⅱ级3类顶板条件下，支架经历了仰斜、俯斜和斜推使用，该大采高综采工作面3个月产煤12000t。1980年到1990年代初期，我国先后在陕西铜川、河北开滦和邢台、山西西山、山东兖州等矿区使用了大采高综采方法，但采高均未超过5.0m。近年来，国内大采高综采工作面采高超过了5.0m，日产量达到了万吨级水平，其中部分工作面的生产能力及工效达到和超过了国际水平，成为国际一流的大采高综采工作面。类似条件下，在资源回收方面，较6.3m大采高综采工作面多采出煤炭1830000t，回收率提高10%左右。7.0m大采高综采工作面的投产，标志着我国又一项科技创新成果达到国际领先水平，对推动煤炭行业开采工艺和装备升级具有开创性意义。1.3国外大采高开采理论及技术研究现状1960年代，日本设计了一种采高为5.0m并带中间平台的液压支架，荣获了日本国家设计奖。1970年德国使用贝考瑞特垛式支架成功地开采了热罗林矿4.0m厚的7#煤层。目前，国外厚煤层大采高液压支架的最大支撑高度已达7.0m。国外的生产实践表明，在一些地质和生产技术较好的条件下开采较硬的煤层，大采高综采能够实现高产、高效、高安全、高回收率和高经济效益的“五高”目标，但大采高综采开采缓倾斜厚煤层的经济效益从总体上看还需继续提高。国外专家3和学者认为，设备重型化和设备尺寸的加大、煤壁片帮与顶板冒落、支架稳定性、大断面顺槽掘进与支护、工作面运输等都是限制大采高综采技术取得显著经济效益和推广应用的障碍。因此，世界主要产煤国至今仍在积极地改进、完善大采高液压支架，并不断地进行现场实践以提高大采高综采技术的应用范围。在理论研究方面，前苏联全苏矿山测量科学研究院在实验室对开采厚度分别为2.0、4.0、6.0和8.0m的煤层进行了相似模拟实验。2大采高综采急需解决的关键性问题2.1大采高综采上覆运动规律及其结构稳定特征研究上覆岩层运动是采场矿压显现的根源,覆岩破断后,形成一定的稳定结构,研究其结构稳定特征对采场矿压控制具有重要意义,以砌体梁理论为代表的一系列研究成果为我国煤矿采场矿压控制提供了理论依据,而大采高综采条件下,尤其是目前支架工作阻力已达10000kN条件下,采场上覆岩运动规律及其结构稳定特征有何特殊性,需要进一步深入研究;另外,支架工作阻力对采动支承压力分布影响规律,即采动支承压力分布的支护效应需要深入的研究。2.2大采高综采面煤壁片帮控制问题煤壁片帮严重是大采高综采的突出问题,据统计,大采高综采面支架围岩事故是一般综采面的数倍。以往通常采用煤壁塑性区发育宽度来分析煤壁片帮的机理与防治技术,欠缺准确性,一是因为采动煤壁本身即为塑性大变形岩体,煤壁塑性变形只是片帮的必要条件,而非充要条件;另外,煤壁片帮是一个与时间有关的问题,即片帮具有时效性,现场实践也证明,工作面推进速度快,煤壁片帮相对易控制,反之,煤壁片帮严重,采场支架围岩关系恶化。因此,分析煤壁的塑性变形条件下的破坏机理,并从理论上对片帮时效性进行解释,才能更深入研究煤壁片帮的内在机理,也是煤壁片帮控制急需解决的关键技术问题。2.3工作面支架围岩耦合作用规律研究支架是采场支架围岩体系中的可控因素,调整支架工作状态与参数是控制采场围岩运动的常用途径,而支架围岩体系如何相互作用仍是需进一步研究的技术问题。以往的研究侧重于支架与顶板运动之间的关系,但在大采高综采条件下,煤壁、底板运动是采场围岩控制不容忽视的因素,如何将采场煤壁-顶板-4底板三维空间运动与支架工作状态结合起来,研究其系统的稳定性,是大采高综采面支架围岩系统稳定性控制面临新的挑战。2.4工作面端部围岩稳定性控制问题工作面端部围岩控制质量严重影响到工作面推进速度与开机率,是大采高综采技术能否有效发挥其生产能力的关键之一。目前,由于巷道掘进技术、支护手段等方面的原因,大采高综采面平巷高度通常低于采高2～3m,由此造成工作面端部底煤留设问题(国外通常采用留顶煤的方式),底煤的留设对支架稳定性的影响,如何尽少留底煤提高工作面采出率,端部围岩稳定性控制原理与技术等都是亟待解决的技术难题。3采场上覆岩层结构理论的发展新进展20世纪60年代至80年代初是采场顶板结构学说百花齐放的阶段，对覆岩可能形成的结构提出了众多假说和理论，用以解释采场各种矿压现象。1960年代以来，开采中出现的种种问题要求人们必须用定量分析的手段来发展采场上覆岩层结构理论。基于西方国家的经济实力和国情特点，其对采场矿山压力的控制和研究主要是从矿山机械设备方面予以进行的。由于当时我国国情的要求，只能以较低的设备投入来实现矿井的安全、高效生产，因此，我国学者的研究重点则是通过研究采场上覆岩层的结构，以发现采场矿山压力的规律并加以控制。我国专家、学者在这一阶段对采场上覆岩层结构的研究方面做出了较大的贡献。3.1“砌体梁”理论上覆岩层结构形态主要的研究工作开始于1960年代初，中国工程院院士钱鸣高教授在铰接岩块假说和预成裂隙假说的基础上，通过对中煤大屯煤电公司孔庄煤矿开采后岩层内部移动的观测，研究了裂隙带岩层形成结构的可能性和结构的平衡条件，提出了上覆岩层开采后呈“砌体梁”式平衡的结构力学模型，如图3.4所示。5图3.4采场上覆岩层中的“砌体梁”结构模型该理论认为采场上覆岩层的岩体结构主要是由多个坚硬岩层组成，每个分组中的软岩可视为在坚硬岩层上的载荷，在水平推力作用下，断裂后且排列整齐的坚硬岩块可形成铰接关系。此结构具有滑落和回转变形两种失稳形式。该理论给出了采场上覆坚硬岩层周期性断裂后形成平衡结构的条件，并阐述了采场来压、支架—围岩关系等一系列的问题。中国矿业大学缪协兴教授和钱鸣高教授在1995年给出了关于“砌体梁”的全结构模型，并对“砌体梁”全结构模型进行了力学分析，得出了“砌体梁”的形态和受力的理论解以及“砌体梁”排列的拟合曲线。3.2采场上覆岩层结构理论的现代发展（研究）阶段1994年，中国工程院钱鸣高院士领导的课题组通过对“砌体梁”结构进一步的深入研究，促成了“S-R”稳定性理论的形成。该理论认为，影响采场顶板控制的主要是离层区附近的关键块，关键块的平衡与否对采场顶板的稳定性和支架受力的大小有着直接地影响。2000年，钱鸣高院士、黄庆享教授和石平五教授三位学者通过岩块实验室试验、相似模拟和数值模拟研究了老顶岩块端角摩擦和端角挤压特性，得出了老顶岩块端角摩擦角为岩石残余摩擦角，摩擦系数为0.5，端角挤压强度具有规律性，端角挤压系数为0.4。钱鸣高院士领导的课题组于1990年代中后期提出了岩层控制的关键层理论，进一步研究了硬岩层所受的载荷及其变形规律，分析了影响工作面及地表沉陷的主要岩层及其变形形态。关键层判断的主要依据是其变形和破断特征，即在关键层破断时，其上覆全部岩层或局部岩层的下沉变形是相互协调一致的，前者称为岩层活动的主关键层，后者称为岩层活动的亚关键层。岩层中的主关键层只有一层，而亚关键层可能不止一层。中国矿业大学许家林教授和钱鸣高院士于2000年给出了上覆岩层关键层位置的判断方法。许家林教授、钱鸣高院士分别对上覆岩层采动裂隙分布特征和上覆岩层采动裂隙分布的“O”形圈特征进行了研究，建立了卸压瓦斯抽放的“O”形圈理论，保证了卸压瓦斯钻孔有较长的抽放时间、较大的抽放范围和较高的瓦斯抽放率。关键层理论表明，相邻硬岩层的复合效应增大了关键层的破断距，当其位置靠近采场时，将引起工作面来压步距的变化。不仅第一层硬岩层对采场矿山压力显现产生影响，与之产生复合效应的邻近硬岩层也对矿山压力显现产生影响。姜福兴教授探索了采动上覆岩层空间结构与应力场的动态关系。研究表明，在评判巷道围岩应力、工作面底板应力及离层注浆后注浆立柱的地下持力体的稳定性6时，采用立体力学模型计算出的结果更合理和准确。4大采高综采围岩活动规律研究4.1大采高综采工作面矿压显现规律研究现状大采高综采工作面采场顶板岩层的运动规律和采场压力显现规律有其特殊性。工作面采高大，不仅使工作面顶板活动空间与老顶悬臂梁结构的弯距加大，使工作面压力加大，而且因工作面上覆岩层冒落高度及裂隙带高度的加大，使采场采动影响波及的范围增大，易发生“煤壁片帮——顶板冒落——煤壁片帮”的恶性循环顶板冒落使支架失去上部约束而产生倾倒，支架倾倒后受力状态恶化和承载能力下降又使工作面顶板出现进一步冒漏。国内外采矿工作者十分重视大采高带来的顶板岩层运动规律和采场压力显现规律的研究，由于煤矿地质条件的多样性和复杂性，我国大采高综采面液压支架稳定性等类的事故率平均高达6％～20％以上，远比采高小于3.5m的综采面严重。大采高综采面矿压规律特殊性问题己成为生产实践中迫切需要研究解决的采矿问题。国外由于受客观条件的限制，适合大采高综采的厚煤层不多，而厚煤层赋存较多的美国、澳大利亚等大多采用房柱式采煤法，就目前而言，我国在大采高综采工作面与巷道围岩控制技术方面进行了一定的探索，但由于