濟三煤礦4.0Mta新井設(shè)計含5張CAD圖-采礦工程.zip
濟三煤礦4.0Mta新井設(shè)計含5張CAD圖-采礦工程.zip,煤礦,4.0,Mta,設(shè)計,CAD,采礦工程
英文原文
Detecting Abandoned Coal Mine Entries by High Resolution Earth Resistivity Method
Xianxin Shi, Professor
Shu Yan, Professor
Mingsheng Shen, Professor
Xi’an Branch, CCRI (China Coal Research Institute)
Xi’an, Shaanxi, China
ABSTRACT
In surface electrical exploration the high resolution earth resistivity method (HRRM) is a very effective method for detecting abandoned drift mines workings. When the abandoned mines are more than 500 ft (150 m) deep, its detection capability reduces greatly and requires more effort to implement. In Yan Quan coal mine, Shanxi province, we tried to adapt this method for underground application. Two survey lines were designed with the spacing of current and potential poles 20 m and 10 m, respectively and measuring points at 2m. The measurement radius of I line and II line were 140 m and 60 m, respectively, and the infinitely far pole was 1200~2000 m from the survey line. (Note the I and II lines are located on the north and south ribs of main tunnel, respectively). The survey results showed that abandoned workings were located at 25-70m, Survey Line I and at 80-110m, Survey line II. Based on this finding, the longwall panel gateroads and set up entry were properly located thereby providing safe mining of the No. 15 Coal seam.
Key Words: Abandoned coal mine, High resolution earth resistivity, Underground electrical exploration
INTRODUCTION
The development of roadways for the 9th mining district for the #15 coal seam, Nanzhuang Coal Group Co Ltd, Yangquan, Shanxi Province are approaching the Hougou abandoned gobs. Since the data regarding the extent and condition of Hougou gobs were not reliable, it is difficult to finalize the panel layout for the #15 coal seam. In order to provide sufficient geological data for rational layout and safe development of mains and setup entry, the Hougou gob conditions (i.e. area and location) must be known clearly first.
Based on our experience gained in the past 10 years, when coal seam is less than 150 m deep, the high resolution surface resistivity method can produce better results. But the Hougou abandoned mine gobs were 350 m deep. For this reason, we tried to use the high resolution resistivity method underground to detect the gobs from entry ribs to facilitate the development of #15 coal seam.
CHARACTERISTICS OF EARTH RESISTIVITY
The #15 coal is the major coal seam in the reserve. Seam thickness is 5.25-6.63 m averaging 5.89 m and consistent throughout the whole reserve. It is anthracite with low-medium ash, very low-low sulphur and high heating value. It’s electric resistivity is relatively low. After mining, if the gob is not flooded with water, its apparent resistivity will increase significantly and behave as a high-resistivity material regardless whether the gob is caved or not. This is the prerequisite of physical property for the application of high resolution resistivity method.
UNDERGROUND HIGH-RESOLUTION RESISTIVITY METHOD
As mentioned above, good seam quality is the prerequisite for high resolution resistivity method. But what devices are needed to perform the resistivity exploration deserves further study. Due to the fact that a gob is a man-made isolated geological body and it’s not uniform as a bedded deposit, special devices that can superimpose its electric information and focus on its location such that it can distinguish it from the surrounding rocks, must be used to detect this type of geological body.
The underground high resolution resistivity method employs special three-pole devices, i.e. monopole-dipole device densely dispatched that can increase the level of observation and control, add the number of superposition, enlarge the amount of information, and improve the resolution of gob detection so that the gobs can be identified from the surrounding rocks. Figure 1 shows the array of survey stations.
The parameters adopted for the underground earth resistivity method are:
1.Distance between power supply stations, A and A: 20 m
2.Distance between survey stations, C and C: 2 m
3.Distance between poles, MN: 10 m
4.Radius of survey lines: Line I 140 m, Line II 60 m
5.Location of infinite distance pole: 1,200 – 2,000 m from the lines.
Figure 1 Survey array for underground earth resistivity method
Underground survey data were collected by flameproof microvolt digital direct current resistivity meter. In underground survey, the power supply station was located at 20 m interval. For every power supply station, the voltage difference between both directions of measurements must be recorded. The maximum distance of MN on both sides of each power supply was 140 m, i.e. the maximum offset distance was 140 m. This way double coverage observation can be realized and the exploration area can cover up to 140 m.
In order to insure the accuracy of the data obtained underground, the following measures were adopted:
1.In order to insure the power supply was well-grounded, a horizontal hole in the coal seam was drilled at its designated location. Mud and salt water were added. After insertion of the pole, the hole was tamped tight.
2.The bronze pole must be inserted sufficiently deep, reaching wet spots, and be tamped tight in order to insure data obtained were steady and reliable.
3.Batteries were changed frequently to insure the voltage of power supply was steady and current was sufficient. This is the key to insure the accuracy of the data obtained.
4.During the course of survey, always check if the location of the power supply was accurate and data obtained were steady. Once abnormal conditions were observed, the pole location must be re-confirmed, additional poles added, and measurements repeated until the errors obtained were within the limits allowed by regulations.
Due to the fact that the instrument employed was steady and precise. So with proper handling of the poles, the ground resistance was greatly reduced. As a result, the signal was stronger and the accuracy of data increased. During the course of survey measurement, the pole of MN was re-confirmed frequently. If abnormal data appeared, observations were repeated. This way the accuracy and reliability of the collected data were insured.
DATA ANALYSIS
The high resolution resistivity survey was performed along the survey lines simultaneously for measurements in cross-section and depth. Data analyses were divided into two steps: First, check the voltage difference at every supply pole and see if it decreases gradually with distance away from the pole. If there is an abrupt change, it must be analyzed why so? Then the results are computed and a cross section map of apparent resistivity drawn.
Since the small abandoned gobs in this mining district had little water, the cross section map of apparent resistivity should be one that exhibits an obvious high resistivity. In this map, if the rate of change is uniform and steady, it reflects the nature state of the rock strata; But if there are local abnormal changes or inconsistent changes, especially where random changes occur, it represents the existence of gobs. Because voids and fractures resulting from mining-induced stresses interrupt the intrinsic regular rhythm of coal measures strata and increase the resistivity.
Figures 2 and 3 are the cross-section apparent resistivity contour maps for Line I and II, respectively. Please note the unit of the vertical and horizontal axes is meter while the intensity of shade denotes resistivity intensity with darker being higher.
Figure 2 Apparent resistivity along Survey Line I, 8905 entry, Nan Zhuang Coal Group
Figure 3 Apparent resistivity along Survey Line II, 8905 entry, Nan Zhuang Coal Group
In Figure 1 the area between 25-70 m horizontally and 110-130 m vertically (or deep) and in Figure 2 that between 80-100 m horizontally and 30-50 m vertically (or deep) show obvious abnormal changes in apparent resistivity. They are darker indicating higher resistivity. This is in conflict with the intrinsic regular rhythm of physical property for the coal measures strata in their nature state. They were the results of abandoned gobs!
Based on the survey results, mine management drilled in-seam horizontal holes from the entry rib at 50 m location on Line I. When it reached 120.4 m from the rib, coal was soft without resistance and drilling water was completely lost. In addition, methane came out with smell of rotten-eggs. Accordingly it was determined this was the gob of a small abandoned coal mine, approximately 15 m wide. Therefore the survey results were validated.
Based on the survey results, mine management selected the proper location of mains and set-up entry and the safe mining operations of #15 coal seam were insured.
REFERENCES
[1]Fitch, A.A. Development in Geophysical Exploration Methods-5, Applied Science Publishers, London and New York, 1983.
[2]Yan, S., and M. Chen. Detecting Underground Openings by High Resolution Resistivity Method. Geology Press, Beijing, 1996.
[3]Shi, X., M. Chen et al. Report on Resistivity Exploration of #15 Coal Seam 9th Mining District, Nan Zhuang Coal Group, Yangquan, Xi’an Province, Xi’an Branch of CCRI, 2004.
中文譯文
高分辨率大地電阻率法探測廢棄煤礦巷道
石先新，晏殊，沈明申
（中國煤炭科學(xué)研究院西安分院）
摘 要：在表面荷電勘探中，高分辨率大地電阻率法是勘探廢巷十分有效的方法。但是當(dāng)廢棄煤礦的深度高達500英尺（150m）時，該方法的探測能力很大程度的降低，需要采取更多的措施來進行探測。我們在山西省陽泉煤礦使用此種方法進行地下勘探。探測過程使用兩條測線，分別設(shè)置20m的極間距和10m的極間距，同時在兩m處設(shè)置檢測點。第Ⅰ條線的檢測變徑為140m，第Ⅱ條線的為60m，而極遠處的極點大概離測線1200~2000m。（注意：Ⅰ、Ⅱ分別位于掘進大巷處）。試驗結(jié)果表明：測線Ⅰ的廢棄工作面在25~70m，測線Ⅱ的工作面在80~110m。通過試驗結(jié)果，對入口進行適當(dāng)?shù)亩ㄎ?，從而?5號煤層提供了安全的采掘環(huán)境。
關(guān)鍵詞：廢棄煤巷 高分辨率大地電阻率法 井下電法勘探
1引言
山西省陽泉南莊煤炭集團有限公司的15煤層的9號采區(qū)的巷道的推進是靠近后溝廢棄采空區(qū)的。由于關(guān)于后溝采空區(qū)的條件和采掘程度數(shù)據(jù)的可靠性較低，這給15號煤層面板布局的最終確定帶來了困難。為了給井巷的合理布局、設(shè)置安全入口以及主巷道的發(fā)展安全提供可靠性地質(zhì)資料，后溝采空區(qū)的情況必須清楚明了。
根據(jù)我們過去十年獲得的經(jīng)驗，如果煤層的厚度小于150m，高分辨率的表面電阻率法則可以得到更加精確的結(jié)果。然而，后溝廢棄采空區(qū)的煤層厚底卻達到了350m?？紤]到此種情況，我們在地下從掘進大巷入口處使用了高分辨率電阻率法以探測采空區(qū)的位置，從而方便15號煤層的挖掘的推進。
2大地電阻率的特征
15號煤層是儲備礦中主要的煤層。煤層的厚度主要在5.15m~6.63m之間，平均厚度為5.89m，貫穿了整個儲存區(qū)。煤層中主要為高熱值的無煙煤，含有少量的中低組分的灰分以及極低的含硫量。采掘完畢后，如果采空區(qū)沒有被水淹沒，它的表面電阻率將會有明顯地增加。無論整個采空區(qū)是否塌陷，都會呈現(xiàn)出高電阻率材料的特性。正是基于此種物理條件，我們選擇使用高分辨率電阻率法對采空區(qū)進行探測。
3地下高分辨率電阻率法
如上所述，好的煤層質(zhì)量是決定高分辨率電阻率法能否使用的關(guān)鍵。需要使用何種設(shè)備來進行電阻率的勘探是值得更長遠的研究的。事實上，采空區(qū)是一個人造的、孤立的地質(zhì)體，并不是一個統(tǒng)一的層狀礦床。因此需要利用一些可以疊加采空區(qū)的電子信息，定位采空區(qū)坐標(biāo)，并且能夠區(qū)分其與周圍的巖石的特殊設(shè)備來探測這種地質(zhì)體的類型。
地下高分辨率電阻率法需要使用三個特殊的電極。單極—偶極裝置發(fā)射的電波更加的密集，提高了觀測和控制的水平、增加了疊加的次數(shù)、放大信息量，從而提高了采空區(qū)探測的分辨率，使得采空區(qū)可以區(qū)別于周圍的巖石群。圖1為調(diào)查站的陣列圖。
圖1 地下高分辨率電阻率法調(diào)查陣列圖
地下高分辨率電阻率法所采用的參數(shù)分別如下：
1)供電站中間的距離為A，A=20m；
2)調(diào)查站之間的距離為C，C=2m；
3)極間距為MN，MN=10m；
4)測線的半徑為：線Ⅰ為140m、線Ⅱ60m；
5)無限遠處極桿坐標(biāo)離測線1200~2000m遠。
地下調(diào)查數(shù)據(jù)通過防爆型的微伏數(shù)字直流電阻率計收集。在地下探測中，每間隔20m設(shè)有一座供電站。對于每個供電站，都需要記錄兩端電壓差的不同。每個供電站兩端兩極間的最大距離為140m（因為偏移的最大距離為140m）。這樣就可以實現(xiàn)雙層覆蓋觀測，并且使得勘探區(qū)域可以覆蓋到140m。
采取以下措施以保證采取自地下數(shù)據(jù)得可靠性：
1)為了保證電源良好的接地，在煤層中指定的位置鉆水平井；
2)青銅極必須插入足夠的深度并且到達濕點、夯實堅固，以確保得到的數(shù)據(jù)穩(wěn)定和可靠；
3)電池需要經(jīng)常的充電以保證電源電壓的穩(wěn)定，滿足使用時的要求。這是獲得可靠、準(zhǔn)確數(shù)據(jù)的關(guān)鍵；
4)在調(diào)查過程中，要經(jīng)常地檢查電源的位置是否準(zhǔn)確，獲得的數(shù)據(jù)是否穩(wěn)定。一旦發(fā)現(xiàn)有異常情況，必須重新確認電極的位置，不斷的加入額外的電極，重復(fù)的測試，直到誤差在允許接受的范圍內(nèi)為止。
事實上，儀器是穩(wěn)定且精確的。只要在試驗過程中操作合理，就可以大大地降低大地的電阻率。作為結(jié)果，信號將變得更強，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性得到提高。在試驗過程中，MN極需要經(jīng)常的校正。如果有異常情況出現(xiàn)，檢測需要重復(fù)的進行。這樣的試驗方法確保了收集的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可信度。
4數(shù)據(jù)分析
高分辨率電阻率法的測定是沿著測線所在的橫截面和垂直面同時進行測量的。數(shù)據(jù)分析分兩個步驟進行：首先，檢查每個電極電壓的不同點。是不是離電極越遠電壓越低。如果在某處出現(xiàn)突然變化，則需要分析說明此種情況出現(xiàn)的原因。最后，利用所得數(shù)據(jù)，通過電腦繪制成一個電阻率橫斷面圖。
因為小的采空區(qū)中一般會出現(xiàn)少量的積水，在電阻率橫斷面圖上會出現(xiàn)一個明顯的高電阻率區(qū)域。如果圖上的斜率的變化是一致且穩(wěn)定的，那么它就反應(yīng)了巖層的自然狀態(tài)；如果圖上出現(xiàn)異常的變化或者不一致的變化，特別是變化是隨機發(fā)生時，則說明了采空區(qū)的存在。這是由于采礦時形成的孔洞和裂縫擾亂了煤巖層的內(nèi)在有規(guī)律的節(jié)奏，增加了電阻率。
圖2、3分別是測線Ⅰ和測線Ⅱ的電阻率斷面等高線圖。請注意：垂直和水平軸的單位是m，圖上陰影部分顏色越深則電阻率強度越強。
圖2 沿測線Ⅰ電阻率斷面等高線圖
圖3 沿測線Ⅱ電阻率斷面等高線圖
圖2中，在水平軸25~70m，垂直110~130m范圍內(nèi)；圖3，在水平軸80~100m，垂直30~50內(nèi)范圍，出現(xiàn)了電阻率明顯變化的情況。這些陰影越深說明了電阻率越高。這種現(xiàn)象與自然狀態(tài)下煤巖層顯現(xiàn)的內(nèi)在規(guī)律的物理性質(zhì)相沖突，從而證明了采空區(qū)的存在。
基于調(diào)查結(jié)果，礦山管理部門從掘進大巷入口即測線Ⅰ50m處鉆一個相對煤層水平的孔。當(dāng)鉆孔深度離大巷達到120.4m時，煤質(zhì)變得疏松且電阻率極低可忽略，同時鉆井水也完全的消失。此外，井巷中開始出現(xiàn)有臭雞蛋氣味的甲烷氣體。發(fā)現(xiàn)此處為一個小的廢棄煤礦的采空區(qū)，寬度大約為15m。因此，試驗結(jié)果得以驗證。
基于調(diào)查結(jié)果，礦山管理部門對礦井進行合理的定位、設(shè)置進口，從而使得15號煤層的安全采掘得以進行。
參考文獻
[1] Fitch, A.A.地球物理勘探方法發(fā)展.倫敦和紐約:應(yīng)用科學(xué)出版社, 1983
[2]晏殊，陳明.通過高分辨率電阻率法探測地下采空區(qū).北京:地質(zhì)出版社,1996
[3]石先新，陳明等.15號煤層第九采區(qū)電阻率勘探報告:陽泉南莊礦.中國煤炭科學(xué)研究院西安分院,2004
大采高綜采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究
摘要：針對大采高綜采工作面采場頂板巖層的運動規(guī)律和采場礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律有其特殊性的特點，著重研究大采高綜采工作面的礦壓顯現(xiàn)特征及其規(guī)律、工作面采場圍巖應(yīng)力場、位移場及圍巖塑性破壞場的分布規(guī)律以及大采高綜采工作面煤巖組合力學(xué)模型及其控制。
關(guān)鍵詞：大采高綜采，礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，巖層移動規(guī)律，支承壓力分布
0 引言
目前，在我國一次能量消費結(jié)構(gòu)中，煤炭占75%以上。煤炭不僅是我國的基本燃料，又是重要的工業(yè)原料，電力、鋼鐵、石油加工、水泥、化學(xué)原料五大行業(yè)都離不開煤炭，因此，煤炭工業(yè)的發(fā)展直接關(guān)系到國計民生。為使我國能源戰(zhàn)略持續(xù)穩(wěn)定的發(fā)展，必須穩(wěn)步高效地發(fā)展煤炭工業(yè)。
我國是世界上煤炭資源最豐富的國家之一。據(jù)不完全統(tǒng)計，己知含煤面積約55000k了，探明總儲量在9000億t以上，居世界前列。自1989年，我國一直是世界第一大煤炭生產(chǎn)國和消費國，煤炭產(chǎn)量占世界煤炭產(chǎn)量的1/4以上，而緩傾斜厚煤層煤炭產(chǎn)量又占我國總產(chǎn)量的40%以上，我國很多礦區(qū)賦存有3.5~6.0m厚的煤層，這類煤層在邢臺、開灤、徐州、充州、淮北、阜新、雙鴨山、義馬、西山、銅川、陽泉等礦區(qū)均為主采煤層。隨著市場經(jīng)濟的發(fā)展，煤炭工業(yè)日趨向大型化、集中化、高產(chǎn)高效方向發(fā)展，建設(shè)高產(chǎn)高效礦井，提高企業(yè)經(jīng)濟效益己成為煤礦企業(yè)的基本經(jīng)營理念，尤其是市場經(jīng)濟的激勵機制極大地促進了采煤技術(shù)與裝備水平的快速發(fā)展。我國在引進國外大采高裝備技術(shù)后，綜采工作面日產(chǎn)量可達萬t，取得了舉世矚目的成績。
據(jù)目前國內(nèi)外開采技術(shù)的發(fā)展，大采高綜采是指采高在3.5~6.0m，工作面使用大功率雙滾筒采煤機和重型刮板運輸機割、運煤，用大噸位液壓支架(支架工作阻力、單架支護面積和支架支撐高度大)控制頂板，一次采全高的綜采技術(shù)。其設(shè)備趨于大型化、重型化和自動化，其特點是技術(shù)先進、性能可靠、裝機功率大、生產(chǎn)效率高。
對于煤層傾角小于30°的厚煤層(3.5~6.0m)開采，大采高綜采與綜采采煤法相比，具有下列優(yōu)點:煤炭資源回采率高;煤炭含研率低;回采工作面煤塵、煤的自然發(fā)火和瓦斯涌出安全性好;對于3~4m不適宜綜采開采的厚煤層，大采高具有工效高、成本低等優(yōu)點。大采高綜采與分層開采相比，具有下列優(yōu)點:工作面生產(chǎn)能力大，有利于合理集中生產(chǎn);回采工效和煤炭資源回收率高、巷道掘進率和維護量低；回采工藝和巷道布置簡化，綜采設(shè)備搬家次數(shù)少，搬家費用省，增加生產(chǎn)時間；節(jié)省材料(人工假頂材料等)和回采成本低等。
高產(chǎn)高效大采高綜采生產(chǎn)能力大、回采率高、安全條件和經(jīng)濟效益好，是目前國內(nèi)外厚煤層(3.5~6.0m)開采技術(shù)的主要發(fā)展方向之一，其優(yōu)勢使得在國內(nèi)外被廣泛采用。但是，經(jīng)過礦山實踐和許多專家、學(xué)者多年的現(xiàn)場觀測及理論研究發(fā)現(xiàn)，大采高綜采與一般綜采(采高<3.5m)相比，這種新的回采工藝工作面內(nèi)支架——圍巖系統(tǒng)穩(wěn)定性差、事故率高，尤其嚴(yán)重的是高架(大采高支架的簡稱)穩(wěn)定性事故率高達19%以上，遠高于一般采高綜采面，高架的咬架、倒架事故直接引發(fā)的頂板事故及調(diào)整支架的難度、材料和工時的消耗，嚴(yán)重制約了大采高綜采效能的發(fā)揮。采場支承壓力是引起礦山壓力顯現(xiàn)的重要組成部分，其對開采煤層、頂?shù)装寮捌渥饔梅秶鷥?nèi)的煤巖層會產(chǎn)生很大的影響。在支承壓力作用下，工作面煤壁前方煤層發(fā)生壓縮和破壞，相應(yīng)的部位易出現(xiàn)頂?shù)装逑鄬σ苿右约爸Ъ苁芰ψ冃蔚戎С袎毫Φ娘@現(xiàn)，主要表現(xiàn)有：回采工作面煤壁片塌、冒頂和底鼓;沖擊地壓和煤層突出;超前巷道兩幫煤壁壓縮和片塌。煤層上方若賦存有堅硬巖層，大采高采場垮落的直接頂巖石往往不能填滿采空區(qū)，而在堅硬巖層下方出現(xiàn)較大的自由空間，折斷后的老頂巖梁難以形成“砌體梁”式的平衡，在其回轉(zhuǎn)運動的過程中，工作面前方的煤體內(nèi)形成較高的支承壓力，并在工作面引起強烈的周期來壓。因此，大采高采場老頂來壓更為劇烈、局部冒頂和煤壁片幫現(xiàn)象更為嚴(yán)重，支架沖擊載荷更為突出，這些都是影響高產(chǎn)高效大采高綜采工作面機械化水平的重要因素。回采工作面是地下移動的工作空間，為了保證生產(chǎn)工作的正常進行與礦工的安全，必須對它進行維護。然而回采工作面的礦山壓力顯現(xiàn)又決定于回采工作面周圍所處的圍巖和開采條件。因此，為了確?；夭晒ぷ髅婵臻g的安全，必須對回采工作面形成的礦山壓力顯現(xiàn)加以控制?？刂撇蓤龅V山壓力的基本手段之一是回采工作面液壓支架，其是平衡回采工作面頂板壓力的一種構(gòu)筑物，通過液壓支架直接地支護直接頂，從而間接地對老頂?shù)幕顒悠鹨欢ǖ目刂谱饔谩?
因此，要充分發(fā)揮大采高綜采回采工藝的優(yōu)越性，以指導(dǎo)礦山生產(chǎn)實踐，就必須充分了解大采高綜采工作面采場礦壓顯現(xiàn)特征，全面認識采場上覆巖層的運動規(guī)律和采場支承壓力分布規(guī)律及其煤壁的破壞規(guī)律，建立大采高綜采工作面煤巖組合力學(xué)模型及其控制。其研究為大采高綜采技術(shù)在我國煤炭行業(yè)的推廣應(yīng)用和發(fā)展提供有益的實踐經(jīng)驗，具有重要的工程實際意義，同時可以豐富和發(fā)展礦山壓力及巖層控制理論，具有重要的理論意義。
1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
1.1大采高綜采技術(shù)現(xiàn)狀
1.1.1國外現(xiàn)狀
德國、波蘭、英國、俄羅斯、捷克、日本等國從60年代開始就發(fā)展采用大采高綜采技術(shù)。早在60年代，日本曾設(shè)計了一種6m采高并帶中間平臺的液壓支架，獲得了日本國家設(shè)計獎。德國在1970年使用貝考瑞特垛式支架成功地開采了熱羅林礦4m厚的7號煤層，德國擁有的大采高液壓支架架型包括威斯特伐利亞BC-26/26、赫姆夏特T5}0-22/60、蒂森RHS26-60BL及6320-23/4型大采高液壓支架。前蘇聯(lián)采用M120-34/49型掩護式支架、波蘭采用POMA22/46型掩護式支架、捷克使用F4/4600型支架作為大采高液壓支架。目前，國外厚煤層大采高液壓支架的最大支撐高度達7m，采煤機最大采高達5.4m。各國的生產(chǎn)實踐表明，在一些良好的地質(zhì)和生產(chǎn)技術(shù)條件下開采較硬的煤層，大采高綜采實現(xiàn)了高產(chǎn)高效、高安全、高回收率和經(jīng)濟效益好的目標(biāo)。國外一般認為:設(shè)備重型化和尺寸加大、煤壁片幫與頂板冒落、高架穩(wěn)定性、大端面順槽開掘與支護、采面運輸?shù)榷际窍拗拼蟛筛呔C采取得顯著經(jīng)濟效益和推廣應(yīng)用的障礙。因此，世界主要產(chǎn)煤國至今仍在積極改進、完善大采高液壓支架，并不斷進行現(xiàn)場實踐和擴大大采高綜采的應(yīng)用范圍。
1.1.2國內(nèi)現(xiàn)狀
我國從1978年起，開始試驗厚煤層大采高一次采全厚開采方法，至今已取得了長足進步。在神東、邢臺、開灤、鐵法、西山、徐州、棗莊等礦區(qū)得到了廣泛推廣使用，效益良好。于1978年引進德國赫姆夏特公司6320-23/45型掩護式大采高液壓支架及相應(yīng)的采煤運輸設(shè)備，在開灤范各莊礦1477綜采工作面開采7號煤層，開采效果良好。1985年在西山礦務(wù)局官地礦首次進行國產(chǎn)BC520-25/47型支撐掩護式大采高液壓支架試驗，開采的8號煤層平均厚度4.5m，傾角小于50，在采高4.0m及II級3類頂板條件下，支架經(jīng)歷了仰斜、俯斜和斜推使用，綜采工作面3個月產(chǎn)煤11. 2萬t。1986年我國研制的BY3200-23/45型掩護式支架在東龐礦試驗成功，1987~1988年東龐礦又與北京煤機廠合作研制了改進型BY3200-23/45型和BY3600-25/50型掩護式大采高液壓支架，并成功地應(yīng)用于東龐礦2號煤層開采。開灤礦務(wù)局林南倉礦采用BY3200-23/45型掩護式支架在1182綜采工作面開采8-1煤層，支架在煤層傾角6°~38°(平均傾角22°)及II級2類頂板條件下，經(jīng)歷了過老巷、斷層和無煤柱等惡劣條件的考驗，工作面平均月產(chǎn)煤4萬t。西山礦務(wù)局官地礦、西銘礦及雙鴨山局新安礦使用BC480-22/42型支架，總體效果良好。義馬礦務(wù)局耿村礦選用QY350-25/47型二柱掩護式支架，并于1987年10月在12061工作面安裝投產(chǎn)，總體來看義馬煤田厚煤層的工程技術(shù)條件能適應(yīng)4~5m厚煤層綜采一次采全高的技術(shù)要求。此外，徐州礦務(wù)局權(quán)臺礦在“三軟”(頂軟、底軟、煤層軟)煤層，大同礦務(wù)局在“三硬”煤層條件下，分別研制了端面支撐力大、底座比壓小的ZYR3400-25/47型短頂梁插腿掩護式液壓支架及支撐能力大、切頂性能強、整體穩(wěn)定性好的TZ10000-29/47型支架，大屯徐莊礦在2004年9月開始利用新研制的大采高綜采支架回采近距離煤層下組煤。經(jīng)過10余年的發(fā)展，我國研制和生產(chǎn)的大采高液壓支架己有10余種架型，支架結(jié)構(gòu)高度最高為5m，支架工作阻力最高達l0MN/架，架型有二柱掩護式和四柱支掩式兩種，前梁有挑梁式和伸縮梁式兩種，底座有插腿和非插腿式兩種，推移機構(gòu)有長、短框架和帶移步橫梁的多種，護幫板長度從0.8m增加到2.2m。從全國使用情況看，年產(chǎn)逾百萬噸的大采高綜采隊中，最高年產(chǎn)已達170萬t，回采工效達87. 9t/工。
1.1.3大采高綜采技術(shù)發(fā)展趨勢
采煤機的選型上以寧大勿小為原則。近年來，采煤機的截割速度一直在增加，目前采煤機的截割速度一般在12~15m/min，一些新研究開發(fā)出來的采煤機的截割速度達到了24~36m/min;截割功率、牽引功率更高更大，總裝機功率將超過2400kW。
工作面液壓支架工作阻力更高、單架支護面積更大，設(shè)計手段更先進，設(shè)計使用壽命要大于60000個循環(huán)。為滿足采煤機截割深度大于1000mm的要求，增加支架頂梁的長度，以維護工作面頂板，防治冒頂;液壓支架的寬度有1.5m和1.75m兩種，從目前看還有加大的余地，支架中心間距可達到2000mm，可以增加大采高支架的穩(wěn)定性，以滿足增加支撐力的要求。隨著采高、工作面長度及生產(chǎn)能力的不斷增長，工作面輸送機鏈的直徑也不斷增大。刮板輸送機的輸送長度達到300m，小時運輸量可達到5000t，輸送機溜槽寬度、鏈條直徑、總裝機功率等都要增加，鏈條直徑達到48mm以上，總裝機功率達到3200kW,供電電壓可達到4160V。
1.2大采高綜采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究現(xiàn)狀
大采高綜采工作面采場頂板巖層的運動規(guī)律和采場壓力顯現(xiàn)規(guī)律有其特殊性。工作面采高大，不僅使工作面頂板活動空間與老頂懸臂梁結(jié)構(gòu)的彎距加大，使工作面壓力加大，而且因工作面上覆巖層冒落高度及裂隙帶高度的加大，使采場采動影響波及的范圍增大，易發(fā)生“煤壁片幫——頂板冒落——煤壁片幫”的惡性循環(huán)。頂板冒落使支架失去上部約束而產(chǎn)生傾倒，支架傾倒后受力狀態(tài)惡化和承載能力下降又使工作面頂板出現(xiàn)進一步冒漏。國內(nèi)外采礦工作者十分重視大采高帶來的頂板巖層運動規(guī)律和采場壓力顯現(xiàn)規(guī)律的研究，由于煤礦地質(zhì)條件的多樣性和復(fù)雜性，我國大采高綜采面液壓支架穩(wěn)定性等類的事故率平均高達6%~20%以上，遠比采高小于3.5m的綜采面嚴(yán)重。大采高綜采面礦壓規(guī)律特殊性問題己成為生產(chǎn)實踐中迫切需要研究解決的采礦問題。國外由于受客觀條件的限制，適合大采高綜采的厚煤層不多，而厚煤層賦存較多的美國、澳大利亞等大多采用房柱式采煤法，就目前而言，我國在大采高綜采工作面與巷道圍巖控制技術(shù)方面進行了一定的探索，但由于大采高綜采實踐時間短，各研究單位所觀測到的礦壓數(shù)據(jù)和研究結(jié)果，大多只適用于局部相似條件的范圍，而對其它類似條的地區(qū)僅有一定的參考價值，因此，進行大采高綜采工作面礦壓顯現(xiàn)特征及控制研究，掌握頂板活動規(guī)律及壓力顯現(xiàn)規(guī)律具有現(xiàn)實指導(dǎo)意義。
1.2.1大采高采場頂板巖層運動規(guī)律研究
采場中一切礦壓顯現(xiàn)的根源是采動引起的上覆巖層的運動。因此，研究大采高采場頂板巖層的運動規(guī)律有助于深入了解大采高礦壓顯現(xiàn)特征?；凇捌鲶w梁”理論的頂板巖層運動規(guī)律：以錢鳴高院士所提出的“砌體梁”理論為基礎(chǔ)，研究了大采高采場上覆巖層的結(jié)構(gòu)形態(tài)和活動規(guī)律以及頂板下沉量的影響因素。其主要結(jié)論如下：(1)大采高綜采直接頂運動一般是自下而上逐層垮落直至充滿采空區(qū)。直接頂?shù)暮穸纫话銥椴筛叩?.0~2.5倍。(2)由于煤壁支承的作用，巖塊劇烈回轉(zhuǎn)滯后于工作面煤壁，巖塊完成回轉(zhuǎn)的時間為該巖塊斷裂后到其下的直接頂全部垮落為止。在此期間該巖塊回轉(zhuǎn)的多少主要與直接頂?shù)膸r性、工作面煤壁的穩(wěn)定性及支架的支護阻力有關(guān)。(3)直接頂頂板的下沉量與支架工作阻力、直接頂高度、直接頂彈性模量、老頂回轉(zhuǎn)角等密切相關(guān)。
基于“關(guān)鍵層”理論的頂板巖層運動規(guī)律：太原理工大學(xué)靳鐘銘教授等學(xué)者，運用關(guān)鍵層理論研究了大采高采場覆巖結(jié)構(gòu)特征及運動規(guī)律，結(jié)果表明：(1)覆巖的垮落斷裂受關(guān)鍵層的特征、層位及分布控制，在不同采高時“三帶”范圍的確定應(yīng)根據(jù)關(guān)鍵層的特征確定。當(dāng)一次性開采高度小于3m時，垮落帶高度符合經(jīng)驗公式的近似分式函數(shù)關(guān)系，當(dāng)一次性開采高度大于3m時，垮落帶高度大于相同煤厚分層開采時的垮落帶高度，其高度受關(guān)鍵層特征控制。(2)斷裂帶高度受關(guān)鍵層特征控制，上覆巖層中的厚硬關(guān)鍵層控制著一定采高范圍內(nèi)(2~5m)的斷裂帶高度，當(dāng)這層關(guān)鍵層隨采高增大而斷裂下沉?xí)r，必將造成其上覆巖層的大規(guī)模運動，斷裂帶高度急劇上升，采高大于5m后，斷裂帶高度要大于同厚煤層分層開采的斷裂帶高度，且隨采高增大上升的幅度較大，總體而言，斷裂帶高度隨采高增大呈臺階狀上升，每一個平臺表示一層厚硬關(guān)鍵層的控制作用。(3)大采高開采一般開采高度在3.5m以上，垮落帶及斷裂帶的范圍要遠大于同厚度煤層分層開采相應(yīng)的范圍，因而大采高開采采場礦壓顯現(xiàn)及控制、覆巖運動、地表沉陷都有其新的特點，應(yīng)用關(guān)鍵層理論深入研究大采高條件下覆巖運動是解決上述問題的可行途經(jīng)。
基于損傷力學(xué)的頂板巖層運動規(guī)律：中國礦業(yè)大學(xué)郝海金等學(xué)者，在大采高綜采面上位巖層移動實測、模擬實驗及工作面礦壓觀測的基礎(chǔ)上，對上覆巖體破斷位置及其平衡結(jié)構(gòu)進行了分析研究。結(jié)果顯示:大采高綜采工作面基本頂斷裂的位置在工作面前方、上覆巖層存在著比分層開采層位更高但和綜采開采相似的平衡結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的活動是逐漸變化的過程，在這一過程中，平衡結(jié)構(gòu)與其下的直接頂相互作用，這種作用方式與直接項的多次損傷有關(guān)。傳遞到支架的載荷主要取決于支架上方直接項的巖性和損傷的程度。因此，平衡巖梁的變形對支架產(chǎn)生的影響受直接頂?shù)膸r性和其損傷后的強度的影響是明顯的。
1.2.2大采高綜采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究
目前礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的研究方法多采用礦壓數(shù)據(jù)實測分析、相似模擬研究及數(shù)值模擬研究。中國礦業(yè)大學(xué)郝海金結(jié)合寺河礦10201S大采高綜采面現(xiàn)場觀測和平面、立體相似模擬，研究得出大采高綜采面前方支承壓力影響范圍及峰值點位置;支承壓力峰值隨著采高的加大逐漸向工作面煤壁前移;不同采高、工作面不同位置周期來壓變化規(guī)律;大采高支架工作阻力遠遠大于分層開采和綜采工作面支架的工作阻力值。安徽理工大學(xué)王貴虎采用現(xiàn)場實測的方法研究了張集礦111 (3)大采高綜采面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律：工作面頂板有明顯的初次來壓和周期來壓現(xiàn)象，工作面頂板屬于有明顯來壓頂板；工作面平時煤壁片幫發(fā)生較少，周期來壓時有片幫發(fā)生，工作面停產(chǎn)時煤壁片幫加劇;非來壓期間支架多為初撐或一次增阻，來壓期間多為二次增阻或多次增阻;工作面支承壓力的影響范圍是隨工作面開采面積增大而增大的。
研究結(jié)果表明大采高綜采老頂來壓較普通綜采更為劇烈，局部冒頂和煤壁片幫現(xiàn)象更為嚴(yán)重，支架沖擊載荷更為突出，支承壓力影響范圍更為廣，工作面周期來壓明顯，來壓強度增加。我國7個采高大于3.5m的緩傾斜一次采全厚綜采工作面的礦壓觀測結(jié)果表明:與采高小于3.5 m的綜采工作面相比，采高大于3.5 m的工作面的老頂來壓強度提高了約5.2%，周期來壓步距增大了約4.6%。
1.2.3綜采面液壓支架合理工作阻力確定
綜采支架合理工作阻力確定有許多方法，目前國外確定支架合理工作阻力的方法可歸結(jié)為三種:巖石自重法、頂?shù)装逡平糠ā⒔y(tǒng)計法。巖石自重法以采高為自變量，支架工作阻力與采高呈直線關(guān)系，所以一般說來，采高越大，計算的支架工作阻力越偏大。頂?shù)装逡平糠ㄒ皂數(shù)装逡平亢椭Ъ苤ёo強度支架的雙曲線關(guān)系為依據(jù)，但計算的許多系數(shù)需要實驗獲得，一般易與實際情況產(chǎn)生誤差。統(tǒng)計法以液壓支架端面頂板冒落高度和臺階下沉作為衡量支護強度是否足夠的指標(biāo)，以獲得合理支架支護強度的經(jīng)驗數(shù)據(jù)。
我國液壓支架合理工作阻力的確定方法因不同采場條件及對頂板控制的不同認識，存在多種方法。主要有載荷估算法、理論分析法和實測統(tǒng)計法。載荷估算法認為支架合理工作阻力應(yīng)能承受控頂區(qū)以內(nèi)及懸頂部分的直接頂載荷和老頂來壓時的形成的附加載荷。理論分析法按照砌體梁學(xué)說，工作面支架的作用應(yīng)及時支撐控頂區(qū)內(nèi)直接頂巖層，同時要對上覆可能形成的砌體梁結(jié)構(gòu)的老頂巖層形成支撐，用以平衡其部分載荷，避免老頂沿工作面形成切頂和大量臺階下沉。實測統(tǒng)計法主要有三種，即太原理工大學(xué)靳鐘銘教授提出的數(shù)理統(tǒng)計的回歸公式估算、礦壓實測數(shù)據(jù)確定和按照頂板分類中支架的支護強度確定。
2 大采高綜采工作面礦壓觀測
2.1沙曲礦24101大采高綜采工作面概況
沙曲礦位于柳林縣境內(nèi)，開采的3, 4號合并層為二疊紀(jì)山西組含煤系，煤巖層整體呈一單斜構(gòu)造，走向3400，傾向SW，平均傾角50°，地質(zhì)勘探資料表明，井田內(nèi)無大的斷裂和陷落柱構(gòu)造，在工作面運輸順槽掘進中，揭露5條斜交巷道的正斷層，落差均小于1. 8m。
24101工作面為井田北翼首采工作面，工作面走向長1208m，傾斜寬度180m，平均傾角30°，煤層平均厚度4.2m，含夾石兩層，結(jié)構(gòu)為0.35(0.10)0.70(0.25)2.80，夾石巖性為灰黑色泥巖或炭質(zhì)泥巖，抗壓強度10.5~14.77MPa。煤層呈黑色，玻璃光澤，均一結(jié)構(gòu)，內(nèi)生裂隙發(fā)育，容重1.36t/耐，抗壓強度10.5-14.77MPa，整個工作面煤層穩(wěn)定，可采系數(shù)為1，變異系數(shù)13.6% 。工作面直接頂為灰色中粒石英砂巖，抗壓強度27~42.7MPa;基本頂為灰色粗粒石英砂巖，抗壓強度30~40MPa;直接底為灰黑色細砂巖，抗壓強度42.7~47.7MPa。 工作面可采面積0.162km2，軌道順槽底板標(biāo)高+442.1~+540.9m，運輸順槽底板標(biāo)高+443.7~+545.5m，工作面上覆地表均為黃土覆蓋區(qū)，地面標(biāo)高+840~+966m，厚度均在350m以上，最厚達460m,平均405m。工作面頂板節(jié)理比較發(fā)育，一般發(fā)育兩組:一組75°和345°，另一組30°和315°，傾角60°~80°，節(jié)理間距0.8~1.0m，節(jié)理屬強扭性，節(jié)理裂隙在煤巖層產(chǎn)狀變化大的地段較發(fā)育。工作面上覆各砂巖含水層間有泥巖等隔水層，富水性弱，直接底砂巖含水層為弱含水層，距離L5灰?guī)r17m，有良好隔水層。工作面瓦斯涌出量為3~4m3/mi n，屬高瓦斯礦井。
工作面采用三條巷道布置，分別為運輸順槽、軌道順槽和瓦斯尾巷。工作面斜切進刀，采煤機選用IGTY-300/730型電牽引雙滾筒采煤機，往返一次割兩刀煤，循環(huán)進度為0.665m，一天8個循環(huán)。工作面頂板采用ZZ5200-25/47型四柱支撐掩護式液壓支架支護，其技術(shù)特征參數(shù)參見表2.1，共120架，其中工作面116架，端頭4架。工作面最小控頂距6.61m，最大控頂距7.275m。運輸順槽超前支護距離為40m，軌道順槽超前支護距離為30m。
表2.1 支架技術(shù)特征表
序號
名稱
單位
數(shù)值
1
支架額定工作阻力
kN
5200
2
支架額定初撐力
kN
1653
3
支架最小/最大高度
m
2.5/4.7
4
支護面積
m
6.35
5
支架中心距
mm
1500
6
移架步距
mm
665
7
最大端面距
mm
340
8
立柱缸徑
mm
230
2.2 24101大采高綜采工作面礦壓觀測方案
2.2.1工作面礦壓觀測方案
在工作面的上部、中部和下部布置3條支架載荷觀測線，每條測線3架支架，分別在每條測線的兩臺支架的前后對角線兩柱上各設(shè)置一套圓圖壓力自記儀，整個工作面共布置12套，另一臺支架的前后柱上安裝4塊壓力小表，整個工作面共安裝12塊。參見圖2.1。
圖2.1 工作面礦壓觀測布置方案
2.2.2軌道順槽來壓顯現(xiàn)觀測方案
為了配合工作面的礦壓觀測，在軌道順槽內(nèi)距離工作面煤壁前方的50m和100m位置設(shè)置順槽來壓顯現(xiàn)監(jiān)測站，分別布置巷道壓力、位移測點和頂板離層測站。巷道壓力測站布置參數(shù):在每個測站的工作面測巷布置兩個鉆孔液壓枕，鉆孔間距2.0m，孔深5.0m,孔徑45mm，距離底板1.5m。
巷道錨桿測力計和頂板離層儀布置參數(shù):每個測站設(shè)三個斷面，每個斷面三個測點，此外每個測站的工作面?zhèn)认镌O(shè)置巷道頂?shù)装逡平鼫y站，每個測站三個測點，間距2.0m。觀測工作面回采期間巷道頂?shù)装逡平亢头治銎湟平俣?。參見圖2-3。
圖2.3 軌道順槽來壓預(yù)報站一起布置方案
2.3 24101大采高綜采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律
2.3.1支架載荷分布及變化規(guī)律
1.工作面初次來壓規(guī)律分析
根據(jù)工作面支架載荷觀測數(shù)據(jù)表和P-L變化曲線，考慮6.5m的開切眼，工作面下部、中部、上部測線分別推進到2.66~4.655m，4.655m、4.655m時，支架載荷達到最大值，直接頂開始垮落，對應(yīng)的平均來壓支架載荷分別為32MPa, 34MPa, 28MPa,即工作面下部、中部、上部測線的直接頂初次垮落步距平均分別為10. 128m，11.155m，11.155m。來壓前3條測線的平均載荷分別為26MPa，27.8MPa，24.3MPa，綜合3條測線的結(jié)果可知，工作面直接頂垮落步距為10.8m，來壓平均支架載荷為31. 3MPa,平時平均支架載荷為26MPa，動載系數(shù)為1.21。工作面下部、中部、上部測線分別推進到17.805~20.465m，18.47-20.465m， 21.13~22.46m時，支架載荷達到直接頂初次垮落后的最大值，對應(yīng)的平均來壓支架載荷分別為33.4MPa，31.5MPa，30MPa，即工作面下部、中部、上部測線的初次來壓步距平均分別為19.135m，19.468m，21.795m，來壓前3條測線的平均載荷分別為26.75MPa，27MPa， 23.9MPa，綜合3條測線的結(jié)果可知，工作面初次來壓步距為20.2m，來壓平均支架載荷為31.7MPa，平時平均支架載荷為25.9MPa，動載系數(shù)為1.23。工作面初次來壓特征參見表2.2。
表2.2 24101工作面初次來壓特征
參數(shù)
下部測線
中部測線
上部測線
初壓前平均載荷（MPa）
26.75
27
23.9
初壓期間平均載荷（MPa）
33.4
31.5
30
動載系數(shù)K
1.25
1.17
1.26
來壓步距L（m）
19.135
19.468
21.795
2.工作面周期來壓規(guī)律分析
初次來壓過后，隨著工作面推進，在覆巖載荷的作用下，基本頂巖梁彎曲應(yīng)力逐漸增大，回轉(zhuǎn)變形也趨于顯著，直至受載巖梁的拉應(yīng)力超過基本頂巖體的抗拉強度時，就會進入一個相互類似的周期失穩(wěn)斷裂來壓過程。現(xiàn)依據(jù)礦壓實際監(jiān)測數(shù)據(jù)分析24101工作面的周期來壓規(guī)律。根據(jù)工作面支架載荷觀測數(shù)據(jù)表和P-L變化曲線，工作面推進距離為120. 4m，共經(jīng)歷6次周期來壓，具體分析參見工作面周期來壓規(guī)律分析表2.3。
表2.3 工作面周期來壓分析表
周壓
參數(shù)
下部測線
中部測線
上不測線
總平均
Ⅰ
平時平均Mpa
27.30
27.80
23.90
26.33
來壓平均Mpa
33.40
30.00
30.00
31.13
最大值Mpa
34.00
32.00
30.00
32.00
動載系數(shù)
1.22
1.15
1.26
1.21
來壓步距（m）
11.31
10.79
21.28
14.46
Ⅱ
平時平均Mpa
27.90
25.60
22.00
25.17
來壓平均Mpa
36.00
29.00
34.00
33.00
最大值Mpa
38.00
32.00
36.00
35.33
動載系數(shù)
1.29
1.13
1.49
1.30
來壓步距（m）
7.32
13.96
10.31
10.53
Ⅲ
平時平均Mpa
28.60
26.30
25.20
26.70
來壓平均Mpa
34.00
28.00
32.00
31.33
最大值Mpa
38.00
28.00
34.00
33.33
動載系數(shù)
1.19
1.07
1.27
1.18
來壓步距（m）
15.96
9.97
13.30
13.08
Ⅳ
平時平均Mpa
26.90
24.70
22.30
24.63
來壓平均Mpa
33.40
30.00
32.00
31.80
最大值Mpa
34.00
32.00
32.00
32.67
動載系數(shù)
1.24
1.22
1.44
1.30
來壓步距（m）
19.28
14.29
10.64
14.74
Ⅴ
平時平均Mpa
27.90
25.20
21.00
24.70
來壓平均Mpa
36.00
31.00
32.00
33.00
最大值Mpa
38.00
34.00
34.00
35.33
動載系數(shù)
1.29
1.23
1.52
1.35
來壓步距（m）
6.35
13.30
12.63
10.76
Ⅵ
平時平均Mpa
26.40
25.20
21.00
24.20
來壓平均Mpa
34.00
32.00
30.00
32.00
最大值Mpa
34.00
34.00
34.00
34.00
動載系數(shù)
1.29
1.27
1.43
1.33
來壓步距（m）
26.60
16.30
10.64
17.85
3 大采高綜采工作面礦壓顯現(xiàn)特征分析
3.1沙曲礦大采高綜采工作面礦壓特征分析
3.1.1沙曲礦的地質(zhì)及開采條件
沙曲礦開采的3.4號合并層為石炭系二疊紀(jì)山西組煤系，24101大采高綜采工作面為井田北翼的首采工作面。開采煤厚4.2m，工作面長度180m，走向長度1208m,傾角3°～8°。煤的容重1. 36t/m3，煤的堅固性系數(shù)f=1～1.5，屬中硬煤。工作面直接頂為3.7m的中粒石英砂巖，基本頂為3. 8m的粗粒石英砂巖。
3.1.2礦壓觀測結(jié)果
1.工作面頂板來壓規(guī)律
24101工作面直接頂初次垮落過程中，支架載荷為5200kN/架，初次來壓期間，平均支架載荷為5266kN/架，平均最大支架載荷為5649kN/架，周期來壓期間，平均支架載荷為5367kN/架，最大平均支架載荷為5649 kN/架。參見表3.l。
表3.1 24101工作面頂板來壓強度
參數(shù)
項目
步距（mm）
平時平均載荷（MPa）
來壓平均載荷（MPa）
最大載荷（MPa）
來壓動載K
直接頂跨落
10.8
26
31.2
1.21
初次來壓
20.2
25.9
31.7
34
1.23
周期Ⅰ
14.5
26.3
31.2
32.7
1.21
周期Ⅱ
10.5
25.2
33
35.4
1.31
周期Ⅲ
13.1
26.7
33.4
33.4
1.18
周期Ⅳ
14.8
24.7
31.8
32.7
1.3
周期Ⅳ
10.8
24.7
33
35.4
1.35
周期Ⅵ
17.9
24.2
32
34
1.33
周壓平均
13.6
24.2
32.4
34
1.28
2.支架載荷直方圖
圖3.1 支架工作阻力分布直方圖
根據(jù)24101工作面礦壓觀測數(shù)據(jù)分布區(qū)間統(tǒng)計結(jié)果繪制的支架初撐力與工作阻力的頻率直方圖可知，支架初撐力直方圖為亞正態(tài)分布，即初撐力總體上偏低，平均16MPa，即2660 kN/架，約為額定初撐力的57.1;支架工作阻力直方圖為雙正態(tài)迭加分布，平時平均阻力26MPa，來壓時平均阻力31MPa，分別為4319kN/架和5150 kN/架，以此計算動載系數(shù)為1. 20。
3.1.3沙曲礦24101大采高綜采工作面礦壓顯現(xiàn)特征
1.采場支架載荷大，來壓時平均支架載荷為5266kN/架，最大平均支架載荷達5649kN/架，較普通綜采面高10~27%。這是由于大采高工作面支架需控制的頂板層位高，也就是要垮落的巖層層位高的緣故。
2.來壓時動載系數(shù)小，且無沖擊載荷。24101工作面周期來壓期間動載系數(shù)1.28，初次來壓僅1.23，相當(dāng)于普通綜采面的II級基本頂。這是由于大采高工作面頂板變形位移大，部分原來的基本頂可能變?yōu)橹苯禹敚S支架及時垮落，垮落頂板的墊層加厚，使動載系數(shù)減小，且無沖擊性。
3.基本頂來壓明顯，但不強烈。支架工作阻力直方圖為雙正態(tài)迭加，且來壓峰值較低，初次來壓步距20m，周期來壓步距10~18m，平均13.6m，但是24101大采高綜采面基本頂厚度與采高的比值為0.9，與普通綜采相比，相當(dāng)于II,m級來壓強烈的頂板，但實際工作面來壓并不強烈。這是因為基本頂巖層的破斷步距不因采高的增大而變化，但因下位頂板及時垮落，研石墊層加厚而造成來壓減弱。
4.24101工作面周期來壓期間支架載荷大于初次來壓期間支架載荷，且動載系數(shù)大。說明在大采高條件下，基本頂厚度相對較薄時，承受上覆巖層的壓力弱，隨著工作面推進，基本頂層位必然上升，造成周期來壓期間支架載荷較初次來壓大。
3.2康家灘礦大采高綜采工作面礦壓特征分析
3.2.1康家灘礦的地質(zhì)及開采條件
康家灘礦井田位于河?xùn)|煤田的北部，開采的8號煤層為石炭系二疊紀(jì)山西組煤系，88101大采高綜采工作面為8號煤層的首采工作面。開采煤厚4.12~8.32m，平均5.67m，設(shè)計采高4m，工作面長度207m，走向長度2037m，傾角3°~9°。煤的容重1.47t/m'。工作面直接頂為0.83m的泥巖，基本頂為14. 88m的粗砂巖，以長石和石英為主，工作面采用DBT雙柱掩護式液壓支架，工作面最大控頂距4.5m，最小控頂距3.635m。
3.2.2礦壓觀測結(jié)果
1.工作面頂板來壓規(guī)律
88101工作面直接頂初次垮落過程中，支架載荷為5141kN/架，初次來壓期間，平均支架載荷為6300kN/架，最大平均支架載荷為7572kN/架，周期來壓期間，平均支架載荷為7104kN/架，最大平均支架載荷為7591kN/架。參見工作面頂板來壓強度表3.2。
2.支架載荷直方圖
88101工作面礦壓觀測數(shù)據(jù)分布區(qū)間統(tǒng)計結(jié)果繪制了支架初撐力與工作阻力的頻率直方圖。由支架工作阻力頻率分布直方圖3.2可知，支架初撐力直方圖為亞正態(tài)分布，即初撐力總體偏低，平均24MPa，即4487 kN/架，約為額定初撐力的60.4%。支架工作阻力直方圖為雙正態(tài)迭加分布，平時平均阻力30MPa，來壓時平均阻力.41MPa，分別為X609 kN/架和7666kN/架，以此計算動載系數(shù)為1. 36。
表3.2 頂板來壓強度表
參數(shù)
項目
步距（mm）
平時平均載荷（MPa）
來壓平均載荷（MPa）
最大載荷（MPa）
來壓動載K
直接頂跨落
13
23.1
27.5
1.19
初次來壓
58
26.8
33.7
40.5
1.26
周期Ⅰ
15.8
30.7
35.5
38.3
1.16
周期Ⅱ
23.15
30.7
38.4
42.5
1.25
周期Ⅲ
17.25
31.6
37.9
40.2
1.2
周期Ⅳ
24
31.1
37.9
41.1
1.22
周期Ⅳ
24.25
32.6
38.9
41
1.2
周期Ⅵ
28
34.6
39.2
40.6
1.13
周壓平均
22
31.9
38
40.6
1.2
圖3.2 支架工作阻力分布直方圖
3.2.3康家灘礦88101大采高綜采工作面礦壓顯現(xiàn)特征
1.采場支架載荷大，來壓時平均支架載荷為7104kV/架，最大平均支架載荷達7591kN/架，較普通綜采面高20~35%。這是由于大采高工作面支架需控制的頂板層位高，也就是要垮落的巖層層位高的緣故。
2.來壓時動載系數(shù)小，且無沖擊載荷。88101工作面周期來壓期間動載系數(shù)1.20，初次來壓也僅1.26，相當(dāng)于普通綜采面的II基本頂。這是由于大采高工作面頂板變形位移大，部分原來的基本頂可能變?yōu)橹苯禹?，隨支架及時垮落，垮落頂板的墊層加厚，使動載系數(shù)減小，且無沖擊性。
3.基本頂來壓明顯，但不強烈。支架工作阻力直方圖為雙正態(tài)迭加，且來壓峰值較低，初次來壓步距58m，周期來壓步距15~28m，平均22m，與普通綜采相比，相當(dāng)于III級來壓強烈的頂板，但實際工作面來壓并不強烈。這是因為頂板巖層的破斷步距不因采高的增大而變化，但因下位頂板及時垮落，研石墊層加厚而造成來壓減弱。
3.3寺河礦大采高綜采工作面礦壓特征分析
3.3.1寺河礦的地質(zhì)及開采條件
23101工作面為寺河礦的首采工作面，位于東二盤區(qū)西部，采深208~690m，工作面平均煤厚約6.22m，傾角2°~8°，煤質(zhì)中硬。直接頂為6.33m的砂質(zhì)泥巖，有偽頂0~0.4m厚的炭質(zhì)泥巖，基本頂為4.26m厚的細砂巖，其上為6.42m厚的薄層狀砂質(zhì)泥巖，底板為1. 38m厚的砂質(zhì)泥巖，其下為4.47m厚的細砂巖，23101工作面長224m，走向長3800m，平均采高 4.5m，工作面采用S1500型交流電牽引采煤機，其生產(chǎn)能力為4000t/h，總功率為1715kW，液壓支架為DBT-2 X 4319型雙柱掩護式。工作面采用PF4/1132型刮板輸送機，運輸能力為2500t/h，封底雙中鏈，功率2 X 700kW，溜槽尺寸為1750X 988 X 284mm，順槽采用ACE型膠帶輸送機，帶寬1400mm，運輸量為2500t/h，功率1200~2000kW。工作面最大控頂距為5.49m,最小控頂距為4.625m，端面距延550mm，采用“四·六”制作業(yè)，循環(huán)進度865mm，每日12個循環(huán)，即10.4m。
3.3.2礦壓觀測結(jié)果
1.工作面頂板來壓規(guī)律
由P-L曲線可知，23101工作面初次來壓步距37. 9m，第一次周期來壓步距為11.7m，第二次周期來壓步距5.2m，平均8.45m。據(jù)統(tǒng)計資料知，工作面初次來壓步距為31.2m，周期來壓步距10~25m，平均16.3m，該資料初次來壓步距未計算開切眼寬度，故初次來壓步距應(yīng)為37.9m。
2.支架載荷
據(jù)統(tǒng)計資料知，平均支架初撐力為3048kN/架，為額定初撐力的51.8%，平均支架工作阻力為4075kN/架，為額定工作阻力的47.2%，直接頂初次垮落過程中，支架載荷為5141kN/架，初次來壓期間，平均支架載荷為6300kN/架，最大平均支架載荷為7572kN/架，周期來壓期間，平均支架載荷為7104kN/架，最大平均載荷為7591kN/架。
3.支架載荷直方圖
由寺河礦23101工作面礦壓觀測數(shù)據(jù)分布區(qū)間統(tǒng)計結(jié)果繪制了支架初撐力與工作末阻力的頻率直方圖。由直方圖3.3分析，平均初撐力為3226kN/架，為額定初撐力的54. 8%，有35%的支架初撐力低于2800kN/架，即低于額定初撐力50%的占35%，65%的支架的初撐力高于50%的額定初撐力，若除去支撐力過低的支架，由直方圖可知，正常支架的初撐力平均5049kN/架，為額定初撐力的85.8。由直方圖3.3知，平均支架工作阻力5080kN/架，為額定工作阻力的58. 8%，有17. 2%的支架工作阻力大于7293kN/架，平均為8288kN/架，為額定工作阻力的95. 3%。
圖3.3 支架工作阻力分布直方圖
3.3.3寺河礦23101大采高綜采工作面礦壓顯現(xiàn)特征
1.采場支架載荷大。23101工作面支架載荷比普通綜采的I級頂板所需支架載荷高69%，比普通綜采的II級頂板所需支架載荷高30%，按照最大平均載荷8228kN/架選型，目前該工作面所用支架是可靠的。
2.來壓時動載系數(shù)大。普通綜采的I級頂板動載系數(shù)應(yīng)小于1.2，II級頂板動載系數(shù)應(yīng)小于1.5，m級頂板的動載系數(shù)一般小于1.75，W級頂板應(yīng)大于1. 8，該工作面動載系數(shù)不僅大于1.5，且有1.98-2.57的統(tǒng)計，說明頂板控制不正常，其中初撐力低，偽頂煤頂破碎是其主要原因，在這種情況下，能達到日產(chǎn)1.5萬t的高產(chǎn)水平，主要是由于大功率采煤機和大噸位液壓支架作保障，雖然頂板控制不佳，但高阻力支架運行正常，大功率采煤機和輸送機可正常工作，故高產(chǎn)高效不受影響。
3.支架降阻式運行特性多，占140%，主要是平均1.72m煤頂所致，因為支架上方有軟的煤頂，其單軸抗壓強度僅8~11 MPa，易造成切頂線前移的緣故。
4 大采高綜采工作面煤巖組合力學(xué)模型及其控制
4.1大采高綜采工作面煤巖組合力學(xué)模型的建立
4.1.1大采高采場上覆巖層的平衡結(jié)構(gòu)
依據(jù)采場上覆巖層移動的“三帶’，理論，長壁工作面煤層開采后，煤層頂板會垮落去充填采空區(qū)，這一部分巖層一般稱為垮落帶巖層(相當(dāng)于直接頂)，在采空區(qū)，隨著未垮落巖層的沉降，自由空間的高度越來越小，直到不滿足跨落的幾何條件，此刻下位裂隙巖層就會形成一種平衡結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的運動對采場礦壓有明顯的影響，這部分巖層一般稱為裂隙帶(裂隙帶包括老頂，但不一定全部屬于老頂)，裂隙帶往上直至地表為彎沉帶，彎沉帶的運動被認為對采場礦壓無明顯影響。
根據(jù)支架工作阻力與頂板下沉量的雙曲線關(guān)系可知(如圖4.1)，采場上覆巖層存在一個臨界面，臨界面以下為可控巖層，臨界面以上為不可控巖層。不可控巖層在運動過程中能夠形成力學(xué)平衡結(jié)構(gòu)，通過這種力學(xué)平衡結(jié)構(gòu)將不可控巖層所產(chǎn)生的礦山壓力傳遞和轉(zhuǎn)嫁到工作面前方的煤體及后方采空區(qū)中的研石上，正因為如此，不可控巖層是不能夠被支架工作阻力控制的巖層，而且也是不需要用支架工作阻力來控制的巖層。從運動的角度看，由于在同一法線上不可控巖層各點的下沉量基本相同，再則各巖層之間粘接力及它們早已不存在自由運動的空間(它是通過壓縮下面己充滿采空區(qū)的巖
圖4.1 支架支護阻力與頂板下沉兩關(guān)系圖
石而彎沉，所以該層巖層是一種受阻的運動)，所以可以推定不可控巖層基本上采取整體運動的方式。因此，把不可控巖層所對應(yīng)的“帶”稱為整體彎沉帶。當(dāng)采場上方某一巖層斷塊之間能夠相互咬合并具有傳遞和轉(zhuǎn)嫁礦山壓力的功能時，就說該巖層在采場上方形成了第一條力學(xué)平衡結(jié)構(gòu)—砌體絞接巖梁結(jié)構(gòu)。由于該砌體絞接巖梁具有傳遞、轉(zhuǎn)嫁和平衡礦山壓力的功能，所以該巖梁以下采場上方垮落帶巖層的重量必須由支架來支撐，因此把必須由支架支撐的采場上方垮落帶巖層定義為必控巖層(對應(yīng)的帶為垮落帶)。采場上方第一條砌體絞接巖梁的下層面即成了支架受載下限的分界層面，把它定義為下臨界層面。把下臨界層面與上臨界層面間能夠形成砌體絞接巖梁而起到傳遞、轉(zhuǎn)嫁和平衡礦山壓力功能的巖層定義為可控可讓巖層(對應(yīng)的帶為裂隙帶)。對應(yīng)的“三帶”分布如圖4.2所示基本頂平衡結(jié)構(gòu)的形成:隨著開采活動的進行，采空區(qū)內(nèi)直接頂板不規(guī)則垮落，體積膨脹，充填采空區(qū)，上部較穩(wěn)定的基本頂板將隨著直接頂?shù)目迓涠鴱澢?、旋轉(zhuǎn)，有規(guī)則地(巖塊之間互相咬合)下沉，直至接觸、壓實不規(guī)則垮落的巖石，形成一個處于暫時平衡的巖梁(板)，并阻止以上巖層自由垮落，有條件地承擔(dān)上覆巖層的重量，保護工作空間，使其處于減壓帶(區(qū))內(nèi)，從而形成基本頂?shù)钠胶饨Y(jié)構(gòu)。
圖4.2 采場上覆巖層“三帶”與與控制巖層的對應(yīng)關(guān)系
與一般綜采工作面相比的不同之處:大采高綜采一次采出的煤層厚度成倍地增加，煤層上覆的某些較穩(wěn)定的巖層，由于需要充填空間范圍的增大，巖梁不易觸研，因而失去形成平衡的條件而只能作為直接頂板不規(guī)則垮落。雖然大采高綜采的上位巖層將會在一定的層位形成平衡結(jié)構(gòu)，但這種結(jié)構(gòu)將出現(xiàn)在更高的層位，作為采動后重新平衡地壓一并形成支承壓力所需要的平衡巖梁必然向上位發(fā)展，煤層以上的直接頂厚度將隨之增加。
4.1.2模型建立的依據(jù)
根據(jù)大采高綜采工作面礦壓顯現(xiàn)特征分析可知：
1.大采高綜采工作面采場支架載荷大，與普通綜采工作面相比，高10~ 30%；
2.大采高綜采工作面采場支架初撐力與工作阻力為線性關(guān)系，故采場支架以靜載為主；
3.大采高綜采工作面頂板變形位移大，部分原來的基本頂可能變?yōu)橹苯禹?，隨支架及時垮落，垮落頂板的墊層加厚，使采場基本頂無沖擊來壓；
4.大采高條件下，回采后頂板的變形位移大，原來認為是基本頂?shù)膸r層，部分因變形增大而變成可隨支架及時垮落的直接頂，而且基本頂也會隨著上移，由此造成需控制的巖層層位升高；
5.大采高條件下，對支架有影響的巖層移動的層位高，雖然采場內(nèi)無沖擊載荷，但根據(jù)大采高綜采工作面實測支架工作阻力可知其靜載大，實測支護阻力相當(dāng)于約9倍采高的巖重。
4.1.3大采高綜采工作面煤巖組合力學(xué)模型
1.大采高工作面的支架阻力與普通綜采面的支架阻力對比
根據(jù)我國現(xiàn)行《緩傾斜煤層頂板分類方案》中的頂板分類，各類頂板條件下的液壓支架所需支護強度參見表4.1，分析大采高工作面的支護強度適應(yīng)狀況。
沙曲礦24101工作面來壓時的最大平均載荷為5649kN/架，其支護強度為kN/m2，相當(dāng)于III- IV級來壓強烈頂板所需支護強度，但實際上由直方圖及實際觀測可知，動載系數(shù)均小于1.4，而且工作面礦壓顯現(xiàn)不明顯，來壓無沖擊載荷，說明該類頂板來壓并不強烈，但如果按照II、III級頂板估算其支護強度，僅650kN/m2，或800kN/m2，顯然E實際所需最大平均支護強度890kN/m2低27%和10%，即按照表中II,III級頂板設(shè)計，其支護安全可靠性大大降低，說明24101大采高綜采面的支架承受的載荷比普通綜采高。
表4.1 各級基本頂所需的支護強度
基本頂分類
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
支護強度（kN/m2）
采高（m）
1
300
390
480
>600
2
350
455
560
>700
3
450
585
720
>900
4
500
650
800
>1000
康家灘礦88101工作面來壓時的最大平均載荷為7591kN/架，其支護強度為1012 kN/m2，相當(dāng)于W級來壓極強烈頂板所需支護強度，但實際上由直方圖可知，該工作面并無沖擊載荷，而且動載系數(shù)均小于1.4，說明該類頂板來壓并不強烈，但如果按照II級或III級頂板估算其支護強度，僅650 kN/m2或800 kN/m2，顯然比實際所需最大平均支護強度1012 kN/m2低36%和21%，即按照表中II , III級頂板設(shè)計，其支護安全可靠性大大降低，說明88101大采高綜采面的支架承受的載荷比普通綜采高。
寺河礦23101工作面來壓時的最大平均載荷為8228 kN/架，其支護強度為930 kN/m2，相當(dāng)于III ,W級來壓強烈頂板所需支護強度，但實際上由直方圖可知，如果除去初撐力過低和過高的因素外，其頂板真是的直方圖應(yīng)為正態(tài)分布，動載系數(shù)為1. 52，該工作面為II-m級來壓明顯的頂板。但如果按照II級或III級頂板估算其支護強度，僅650 kN/mz或800 kN/m2，顯然比實際所需最大平均支護強度930 kN/mz低30%和14%，即按照表中II , III級頂板設(shè)計，其支護安全可靠性大大降低，說明23101大采高綜采面的支架承受的載荷比普通綜采高。
造成上述情形的原因是隨著采高的增加，直接頂垮落的巖石不能充滿采空區(qū)，基本頂巖層層位必然上升，即對支架有影響的巖層移動的層位增高，雖然采場內(nèi)無沖擊載荷，但其靜載較大，890kN/m2, 1012 kN/m2, 930kN/m2，分別相當(dāng)于各大采高綜采工作面約8倍采高的巖重。其次，由于采高的增加，回采后頂板的變形位移也要增大，原來認為是基本頂?shù)膸r層，部分因變形增大而變成可隨支架及時垮落的直接頂，而且基本頂也會隨著上移，由此也造成需控制的巖層層位升高。
2.大采高綜采工作面頂板控制的力學(xué)模型
根據(jù)上述礦壓顯現(xiàn)規(guī)律分析，對于大采高綜采工作面我們建立一個以靜載計算為主的力學(xué)模型，參見圖4.3。
圖4.3 大采高綜采面煤巖組合力學(xué)模型
圖中L為控頂距， 為需控制巖層總厚度，為所控制巖層平均破斷角。故支架載荷P為需控制巖層的重力Q1與控制巖層的懸頂重力Q2之和，即: 式中B為支架支護寬度。
4.2大采高綜采工作面煤巖組合力學(xué)模型計算實例
1.沙曲礦24101工作面支架工作阻力的確定
沙曲礦24101工作面頂板為砂巖，砂巖基本頂巖層的破斷角一般取600，因基本頂上位巖層及直接頂也均為一砂巖，為計算方便，取整個要垮落的巖層破斷角為60°，依據(jù)工作面綜合柱狀圖可知，需控制的巖層為3.7m厚的中砂巖、3.8m厚的粗砂巖及其上部5.65m的中砂巖，總計要控制的巖層厚度為14m，約3.5倍采高。
將 代入得：
即支架所需支護強度為930kN/mz。顯然可以滿足實際工作面頂板所需的支護強度890kN/mz，由此可知沙曲礦24101工作面實際所選支架額定工作阻力偏低，這與現(xiàn)場觀測的工作面支架阻力偏低相對應(yīng)。
2.康家灘礦88101工作面支架工作阻力的確定
將 代入得：
砂巖基本頂巖層的破斷角一般取600，康家灘礦88010工作面因有部分基本頂巖層可視為直接頂，為計算方便，取整個要垮落的巖層破斷角為600，依據(jù)工作面綜合柱狀圖可知，需控制的巖層為14.88m厚的粗砂巖及其上部3.17m的泥巖，總計要控制的巖層厚度約為19m，約4倍采高。
即P=1845kN/m2。顯然滿足實際工作面所需的支架支護強度1012kN/m'。所選支架工作阻力8638kN/架是可靠的。
3.寺河礦23101工作面支架工作阻力的確定
23101工作面直接頂為砂質(zhì)泥巖，厚達8.33m(包括偽頂和煤頂在內(nèi))，基本頂為細砂巖，根據(jù)相似模擬試驗，其頂板破斷角為700，依據(jù)工作面綜合柱狀圖可知;需控制的巖層為2m厚的偽頂、6.33m厚砂質(zhì)泥巖巖、4.26m厚的細砂巖及其上部6.42m厚的泥巖，總計要控制的巖層厚度為19m，約4倍采高。
即P=841kN/m2。若考慮I、II級頂板的富余系數(shù)1.1~1.2，則P=92~1009kN/m2，顯然滿足實際工作面所需的支架支護強度930kN/m2。所選支架工作阻力8638kN/架是可靠的。
將 代入得：
由上計算可知:對于緩傾斜厚煤層，采用大采高綜采回采工藝，采場支架受力以靜載為主，對于現(xiàn)行基本頂板分類條件來說，按約4倍采高控制巖層，加上采空區(qū)的懸頂重力，以靜載計算支架所需的工作阻力是可以滿足大采高工作面頂板控制要求的，這與現(xiàn)場觀測與數(shù)值模擬計算的結(jié)果是相吻合的。
結(jié)論
利用現(xiàn)場觀測、理論分析及數(shù)值模擬等研究手段，針對大采高綜采工作面采場頂板巖層的運動規(guī)律和采場壓力顯現(xiàn)規(guī)律有其特殊性的特點，著重研究了大采高綜采工作面的礦壓顯現(xiàn)特征及其規(guī)律、和大采高綜采工作面煤巖組合
收藏