急倾斜中厚煤层软底综采采场矿压规律及其控制研究
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摘要
急倾斜煤层形成时,由于受地质构造运动的强烈挤压,煤层倾角变陡,断层及褶曲增多,节理及裂隙一般较发育,煤层赋存条件变化较大,因此在回采过程中经常发生顶板冒顶事故。如果底板为软岩,若支架支护阻力不到位,底板极易产生滑移破坏。加之,由于煤层倾角过大,支架的支撑能力较小,开采过程中必然导致支柱或液压支架的下滑和倾倒。
本文以攀枝花煤业集团花山煤矿4155走向长壁急倾斜综采工作面为工程背景,通过理论分析、计算机数值模拟和现场实测等研究方法,研究了急倾斜软底采场矿压显现规律及控制技术。运用相关理论知识,研究了急倾斜煤层开采顶板岩层的运动规律和运动参数,运动参数包括：直接顶初次垮落步距,基本顶初次垮落步距和周期来压步距；建立急倾斜采场软岩底板模型,利用文克勒弹性地基模型对其进行力学分析,最终得出底板滑移临界力公式,并提出支架组最佳控架数为4-6架。
通过数值模拟,研究比较了不同倾角煤层在不同时刻的三维综采采场的宏观力学行为,得出急倾斜综采面整体推进过程中,采场的走向应力分布特征、倾向应力分布特征、采场围岩的破坏形态分布和岩块移动特征。分析认为,随着煤层倾角的增加,煤壁前方应力集中系数和塑性区范围不断减小；倾向煤柱内应力集中区的范围亦越来越小；围岩破坏范围形状逐渐由类“马鞍”形向倾斜抛物线移动拱形态转变。
通过现场实测,获得了急倾斜采场矿压显现规律；在获得急倾斜煤层开采矿压特征基础上,针对急倾斜采场易出现的灾害事故,提出了工作面顶板管理、巷道冒顶、液压支架防滑防倒及工作面安全防护控制技术。
Because of strong compression with tectonic movements, the angle of coal seam becomes steepened, fault and fold increases, joints and cracks are generally more developed, and occurrence conditions of coal seams change greatly during the formation of steep seam. And then in mining process usually occurred roof fall. If the floor is soft rock, it is easily to slip to destroyed floor when the support resistance is not in place. What's more, as the angle of coal seam is too large, and the support bracket with less capacity, it will inevitably lead pillar or hydraulic support to decline and dumping during the mining process.
This paper takes the 4155 of the longwall for large inclined angle Fully-Mechanized face of the HuaShan Coal Mine of PanZhiHua mining industry group as the project background. Through theoretical analysis, computer simulation and the scene actual research technique and so on, studied on ground pressure feature and surrounding rock control technology in the steep seam mining with soft floor. Using relevant theoretical knowledge, study laws and parameters of roof strata movement in steep seam, such as the first roof caving span of the immediate roof, first roof caving span of main roof, and periodic weighting span of main roof; Building model of soft floor in steep seam mining, and using Winkler elastic foundation model to do mechanical analysis on it, eventually receive the critical force formula of floor slipping, and the optimal number of brackets in bracket sets is 4-6.
Through numerical simulation, study on macro-mechanical behavior comparatively of different inclined coal seam at different times in the three-dimensional fully mechanized mining, receiving inclined fully mechanized face during the whole advance, the wended stress distribution in mining, inclined stress distribution, fracture morphology of surrounding strata and move feature of rock. Through analysis, we think that stress concentration factor and the plastic area becomes ever-reduced in front of rib following increment of coal dip angle; Area of stress concentration in inclined pillars also become smaller and smaller; Shapes of damaged area of surrounding rock gradually change from "saddle" shape to the parabolic arch.
Through field measured, we receive laws of ground pressure behavior in steep seam mining; Based on the features of ground pressure behavior in mining, aiming at the disasters that turn up easily, it suggests measure of strata control, controlling technique of roof falling anti-down and anti-skid measure of hydraulic support and the controlling technique safety protection in working face.
本文以攀枝花煤业集团花山煤矿4155走向长壁急倾斜综采工作面为工程背景,通过理论分析、计算机数值模拟和现场实测等研究方法,研究了急倾斜软底采场矿压显现规律及控制技术。运用相关理论知识,研究了急倾斜煤层开采顶板岩层的运动规律和运动参数,运动参数包括：直接顶初次垮落步距,基本顶初次垮落步距和周期来压步距；建立急倾斜采场软岩底板模型,利用文克勒弹性地基模型对其进行力学分析,最终得出底板滑移临界力公式,并提出支架组最佳控架数为4-6架。
通过数值模拟,研究比较了不同倾角煤层在不同时刻的三维综采采场的宏观力学行为,得出急倾斜综采面整体推进过程中,采场的走向应力分布特征、倾向应力分布特征、采场围岩的破坏形态分布和岩块移动特征。分析认为,随着煤层倾角的增加,煤壁前方应力集中系数和塑性区范围不断减小；倾向煤柱内应力集中区的范围亦越来越小；围岩破坏范围形状逐渐由类“马鞍”形向倾斜抛物线移动拱形态转变。
通过现场实测,获得了急倾斜采场矿压显现规律；在获得急倾斜煤层开采矿压特征基础上,针对急倾斜采场易出现的灾害事故,提出了工作面顶板管理、巷道冒顶、液压支架防滑防倒及工作面安全防护控制技术。
Because of strong compression with tectonic movements, the angle of coal seam becomes steepened, fault and fold increases, joints and cracks are generally more developed, and occurrence conditions of coal seams change greatly during the formation of steep seam. And then in mining process usually occurred roof fall. If the floor is soft rock, it is easily to slip to destroyed floor when the support resistance is not in place. What's more, as the angle of coal seam is too large, and the support bracket with less capacity, it will inevitably lead pillar or hydraulic support to decline and dumping during the mining process.
This paper takes the 4155 of the longwall for large inclined angle Fully-Mechanized face of the HuaShan Coal Mine of PanZhiHua mining industry group as the project background. Through theoretical analysis, computer simulation and the scene actual research technique and so on, studied on ground pressure feature and surrounding rock control technology in the steep seam mining with soft floor. Using relevant theoretical knowledge, study laws and parameters of roof strata movement in steep seam, such as the first roof caving span of the immediate roof, first roof caving span of main roof, and periodic weighting span of main roof; Building model of soft floor in steep seam mining, and using Winkler elastic foundation model to do mechanical analysis on it, eventually receive the critical force formula of floor slipping, and the optimal number of brackets in bracket sets is 4-6.
Through numerical simulation, study on macro-mechanical behavior comparatively of different inclined coal seam at different times in the three-dimensional fully mechanized mining, receiving inclined fully mechanized face during the whole advance, the wended stress distribution in mining, inclined stress distribution, fracture morphology of surrounding strata and move feature of rock. Through analysis, we think that stress concentration factor and the plastic area becomes ever-reduced in front of rib following increment of coal dip angle; Area of stress concentration in inclined pillars also become smaller and smaller; Shapes of damaged area of surrounding rock gradually change from "saddle" shape to the parabolic arch.
Through field measured, we receive laws of ground pressure behavior in steep seam mining; Based on the features of ground pressure behavior in mining, aiming at the disasters that turn up easily, it suggests measure of strata control, controlling technique of roof falling anti-down and anti-skid measure of hydraulic support and the controlling technique safety protection in working face.
引文
1.宋振骐主编.实用矿山压力控制[M].徐州：中国矿业大学出版社,1988
2.钱鸣高,刘听成.矿山压力及其控制[M].北京：煤炭工业出版社,1996,57-308
3.黄庆享.浅埋煤层长壁开采顶板控制研究[J].岩石力学与工程学报,1999,18(03)：290
4.黄建功,平寿康.大倾角采面顶板分类研究[J].矿山压力与顶板管理,1999,29(Z1)：86-90
5.华道友,平寿康.大倾角煤层矿压显现立体相似模拟[J].矿山压力与顶板管理,1999,5(3)：97-99
6.张义顺,勾攀峰,李德海.大倾角煤层顶板活动规律[J].矿山压力与顶板管理,1995,5(Z1)：31-34
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8.吴绍倩,石平五.急斜煤层矿压显现规律的研究[J].西安矿业学院学报,1990,10(02)
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