大采高工作面采动围岩支护协同运动规律_邓广哲.pdf

：收稿日期：基金项目：兵团区域科技创新支持计划项目（）；陕西省自然科学基金重点项目（）作者简介：邓广哲（），男，陕西宝鸡人，博士，教授，主要从事岩石力学与岩层控制工作，：。引用格式：邓广哲，王康强 大采高工作面采动围岩支护协同运动规律 煤炭工程，（）：大采高工作面采动围岩支护协同运动规律邓广哲，王康强（西安科技大学 能源学院，陕西 西安；教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室，陕西 西安）摘 要：针对大采高工作面存在的端面冒顶问题，采用数值模拟对俯采、仰采及水平开采三种不同状态下的顶板稳定程度和变化规律进行研究。通过理论研究，分析支架在三种不同开采方式下的阻力分布情况，提出了通过前移液压支架合力作用点的方法，可以提高支架的支护效果，间接增强顶部岩体连续性，控制顶板的拉应力，从而控制顶板冒落。以 型支架为例，分析结果表明：通过调节液压支架的阻力分布，水平开采时，使千斤顶垂直分力处于 之间；仰采时，使垂直分力处于 之间；俯采时，使垂直分力处于 之间运行，可以有效的提高大采高工作面顶板稳定性，保证大采高工作面的安全生产。关键词：大采高工作面；冒顶控制；支架调整；支护阻力；支护系统 中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，；，）：，：，：；近年来随着我国煤炭开采强度的不断增加及开采技术的不断发展，很多煤矿设计时会优先考虑大采高工作面，由于割煤高度过大，片帮和冒顶事故时有发生。关于采煤工作面顶板稳定性的问题，学者们从围岩支护角度出发，开展了大量的实验研究。其中王国法等从支架围岩力学关系入手，分析了支架的合力支护阻力的确定方法，并总结出不同煤层赋存条件下，开采高度一定时，大采高工作面比普通工作面更容易发生片帮、冒顶等事故。康红普等从智能化角度入手，总结出智能化开采即指“四个自主”，最终达到自主开采的目的。钱鸣高分析了仰采与俯采时，基本顶断裂的特征。龚红鹏通过对东曲煤矿 工作面顶板特性和冒落形式进行分类研究，针对不同的冒顶类型提出不同的顶板控制方法和工序的优化措施。刘长友等对端面顶板冒落的原因进行研究，得出开采第卷第期 煤 炭 工 程 ，高度过大是导致顶板冒落的主因。樊伟通过对比两柱式和四柱式支架的结构特点，结合支架的适应性，为磁窑沟煤矿选出合适的液压支架。于此同时，王国法、刘长友等，分析研究论述了液压支架对顶板稳定性的影响规律，并总结出不同水平的液压支架的工作支护阻力对顶板的控制效果是与液压支架前倾角有关的。邓广哲，通过分析支架围岩关系，并采用水力卸压方式解决矿压显现问题。因此，相较于控制顶板的物理力学特性、割煤高度及顶板的运移规律，而通过控制支护系统达到控制端面冒顶活动的目的更为容易一些，同时对大采高工作面的安全高效开采具有重要意义。顶板冒落特征分析针对大采高综采工作面存在的冒落问题，通过现场调研，了解到冒顶区域涉及前探梁和顶梁，在前探梁及顶梁的上方都出现冒落块体，致使支架与顶板接触不充分或通过冒落块体接顶，出现抬头、重心偏移，甚至倒架事故。但型号相近的支架在开采角度不同的煤矿或同一煤矿煤层赋存角度变化时（即支架倾角发生变化时），出现的顶板漏冒情况却不相同。以此为对象展开研究，发现除顶板情况不同外，支架倾角发生变化也是一个重要因素。倾角的变化间接导致支架与支撑顶板之间接触情况发生变化，出现漏冒情况也不同。同时，工作面的冒顶是由基本顶的破断运动导致的直接顶破坏。这种破断运动容易呈现出周期性，一般出现在断裂线和工作面端面附近。同时随着工作面不断的向前回采推进，也会造成断裂块体的回转角不断增大，。同时 伴 随 压 缩 变 形 而 造 成 工 作 面 漏 冒 的 情 况 的出现，。支架与顶板协同运动关系支架支护能力不足以及与顶板岩层的接触不充分，这些都与工作面的支护条件和支架参数的选取有关，比如受到支护空间等条件制约等。若想冒落情况得到有效治理，在特定煤矿的围岩条件下，合理的支架参数是关键。经分析，由于采煤机前方工作面煤壁和后方垮落体承担了顶板的一部分压力，因此要减小覆岩的压应力或增强顶板的稳定性，可以通过将支护阻力作用点向前移或者单纯提高支护阻力来加强顶板处的支护，而将合力作用点前移的方法，不仅增强了顶板的稳定性，同时也减小了支护顶板所需要的支护阻力。因此研究支护围岩的合力作用位置和合理的支护参数时非常必要的。支架与顶板合力作用位置结合支架支护特征及力学分析，控顶区直接顶及直接顶沿煤壁线断裂时为最难控状态，此时摩擦力 为；当直接顶与直接顶未发生离层且回转角较小，采空区冒落矸石未对直接顶有支撑力时，支架所承受压力最大，此时当支架支护平衡时，则式（）成立。；（）并根据典型大采高支架的支护特征，通过分析，建立其力学模型如图 所示。图 力学模型根据支架工作原理和力学特征，其计算原理见式（）式（）。（）（）（）（）（）（）（）（）（）其中，（）（）；（）（）（）（）（）（）（）其中，（）（）最终确定支架合力作用点坐标 见式（）：（）（）（）（）（）（）（）式中，为支架工作总阻力，；为直接顶提供的压力，；为基本顶厚度，；为直接顶厚度，；为控顶距，；为裂隙倾角，（）；为岩层仰（俯）角（仰斜时为正，俯斜时为负，水平开采时为），（）；为支架合力作用点的坐标位 年第 期 煤 炭 工 程 研究探讨 置；为直接顶的附加荷载，；为顶板与支架的摩擦系数。结合（）式的 值确定方法，当支架处于仰采状态时，；当支架处于俯采状态时，；当支架处于水平开采状态时，。且当支架处于俯采和仰采状态时，其摩擦力 方向相反；水平开采状态时，摩擦力 忽略不计。根据大采高工作面顶板特征和支架的支护参数，在其他参数不变情况下，只改变 的大小，参考合力作用点的计算方法，结合现场实际情况，取的值分别为、和得出支架总阻力变化量和阻力作用点移进量之间的关系如图 所示。计算时各参数取值见表。图 支架总阻力变化量和阻力作用点移进量关系表 计算参数表参数 煤（）（）取值 注：为采高；为安全系数；煤为煤的容重；为支架宽度；为裂隙倾角。分析图 可知，三种开采方式中，俯采时，随着阻力作用点的变化，支架总阻力的变化最稳定，变化量最小。仰采时，随着阻力作用点的变化，支架总阻力变化量较大。同时根据阻力作用点移近量推断，随着支架的合力作用点的前移，支架的支护阻力变化也有所降低，并且支架阻力的降低量与倾角 呈负相关。同时，支架的合力作用点前移会带来以下优势：将顶板的挠曲形状从下弯变成水平或者上弯；减少不必要的支架工作阻力值；减小顶板在垂直方向的拉应变。这几种状态都是通过完善无立柱空间上方顶板的连续性、削弱了裂隙的扩展程度和保持岩石的完整性，来达到控制端面冒落的目的。再结合陕北侏罗纪煤田内典型大采高综采工作面支护围岩关系，运用数值模拟软件对顶板的位移和应力的变化情况进行模拟。该过程主要通过 软件来完成。其本构模型采用摩尔库仑塑性模型。结合现场实际情况，为了方便对比，在其他参数不变情况下，只改变 的大小，令 为仰采角度，取；令 为水平开采角度，取；令 为俯采角度，取。开挖高度同样设定为 。其余数值计算参数见表。对水平、仰斜、俯斜三种开采情况进行模拟看出在工作面端面附近有一个明显的压应力区。并且随着角度变大（向仰采变化），压应力区和拉应力区范围逐渐变大，煤壁前方的压应力在煤壁与直接顶的交线处集中压应力区不断向上发展，与上部的拉应力区不断靠近。三种开采情况下垂直应力分布如图 图 所示。表 数值模拟计算参数岩性体积模量 剪切模量 抗拉强度 高度 内摩擦角（）黏聚力细粒砂岩 粉砂岩 煤层 砂质泥岩 粉砂岩 图 仰斜应力分布（）图 水平应力分布（）研究探讨 煤 炭 工 程 年第 期图 俯斜应力分布（）三种开采情况垂直位移分布如图 图 所示。可以看出，仰斜开采时的位移矢量偏向角度（向未开采区域偏向）要小于俯斜开采，且靠近煤壁处的支撑力最大，以此推断出现支承压力的峰值。而仰斜开采时，直接顶被挤压开裂，最大支撑力出现在距煤壁较远的位置，以此推断此时出现支承压力的峰值。这是由于直接顶的分力造成的，并且与自身层向分力有关。同时推测原始顶板的整体性和完整性都随之不断降低，这与液压支架反复的支撑有关，此时易发生工作面冒顶的事故。图 仰斜位移矢量分布（）图 水平位移矢量分布（）图 俯斜位移矢量分布（）通过分析应力云图及位移矢量图可知在仰采过程中顶板变形程度最大，其次为水平开采，最后为俯采。支架合理结构参数合理的支架参数会直接影响支护效果，进而影响到煤矿的安全生产，结合上述三种应力云图及位移云图结果进行分析，拟通过支护阻力作用点位置的变化，使得支护阻力重新分布，进而改变顶板力学状态。以四柱式的支架为例，结构受力如图 所示。结合支架的基本结构为研究对象，通过力学分析，确定支架的合理结构参数。（）式中，为支架合力作用点坐标，；、为前、后柱额定工作阻力，；为两排柱间距，；为前探梁转矩，。图 顶梁受力模型如果取 ，则变为：（）（）且 值的大小，对合力作用点移向前探梁方向具有明显影响。当前后柱 时，则有：（）（）当 时，此时 最大。（）根据式（）作出前梁的转矩与合力作用点前移量的关系，如图 所示。转矩 与合力作用点前移值 成正相关，即 随着前移值 的增大而增大。实例分析以陕北侏罗纪煤田内小保当一号煤矿典型大采高工作面采用的 型支架为例，支架平均荷载为 ，同时分析支架实际结构，其后梁与底座之间通过连杆形式连接，同时用千斤 年第 期 煤 炭 工 程 研究探讨 图 转矩 与合力作用点前移值 关系顶辅助前后梁，支架参数见表，该工作面支架受力分布如图 所示。表 型支架参数支架种类架高 中心距 阻力 掩护式则该架结构参数分析式可写成：（）式中，为 的垂直分力，。图 大采高顶梁支架受力分布前梁转矩、支架立柱及千斤顶法线方向力之比 对作用点会产生一定影响。以水平开采为例，具体影响如图 所示。经分析，水平开采时，当垂直分力 达到 时，合力作用点 的位置正好处于主柱之上；并且水平开采状态下该型支架的最大所需工作阻力为，满足支架提供的平均支护阻力 范围，证明该矿支架选型符合要求。即通过前移合力作用点，使得千斤顶处在图 中的 的范围内运行，可以保证顶板支护安全。仰采和俯采的分析方法与水平开采相同，仰采时，当垂直分力 达到 时，合力作用点 的位置处于主柱之上如图 所示。俯采 和 关系如图 所示，当垂直分力 达到 时，合力作用点 的位置处于主柱之上。俯采和仰采时，规律与水平开采时相同。图 转矩、与 关系图 仰采 和 关系综合以上分析结果，得出三种开采情况下，垂直分力 的作用范围、合力作用点 及支护阻力 等参数的变化情况，汇总结果见表。图 俯采 和 关系结合表 分析，以水平开采为例，在保证支架阻力的前提下，当支架处于水平开采状态时，前移合力作研究探讨 煤 炭 工 程 年第 期用点，使千斤顶处在图 中的 之间运行，即可保证顶板支护安全。并且该方法增强支架的支撑力，同时也可以保证顶板的弯曲程度，控制下沉量；当，且 的取值比较小时，此时 的增速比较快，合力作用点前移的幅度增大。这种情况可以有效的保证支架工作阻力，同时也可以使得顶板能够在支架后方冒落及时，满足工作面安全生产要求。仰采和俯采的分析方法与水平开采相同。表 垂直分力 的作用范围及 的变化汇总支架情况作用范围合力作用点 的变化移动值 变化支护阻力 水平开采 移向前柱 在主柱上 离开前柱移向煤壁定值移向前柱先增加后减小，在 区间增长快 逐渐增大 减小 一定时，区域减小 随 变化 减小，趋于 降低，仰斜开采 移向前柱 在主柱上 离开前柱移向煤壁定值移向前柱先增加后减小，在 区间增长快 逐渐增大 减小 一定时，区域减小 随 变化 减小，趋于 降低，俯斜开采 移向前柱 在主柱上离开前柱移向煤壁定值移向前柱先增加后减小，在 区间增长快 逐渐增大 减小 一定时，区域减小 随 变化 减小，趋于 降低，除此之外，控制端面顶板冒落时，还需要重视：）移架时，要保证支架的压力，确保压力情况下移动支架，避免反复移架时，支架多次支撑顶板导致顶板破坏，同时保证支架平衡千斤顶的工作状态处于合理范围内，移架之后，还需要调整前梁扭矩。）结合顶板的变形特征，及