综采放顶煤采场厚层坚硬顶板稳定性分析及应用

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1、综采放顶煤采场厚层坚硬顶板稳定性分析及应用摘要综采放顶煤技术经过近二十多年的迅速发展，无论是在理论研究还是工程技术方面，已经达到了很高的水平，但仍然存在很多问题尚未解决。针对综放采场顶板运动稳定性的特点，论文重点解决初次来压阶段综放采场厚层坚硬顶板的运动规律及其“关键性”问题，以及初次来压阶段和正常推进阶段顶煤放出率的变化对厚层坚硬顶板结构稳定性的影响。结合工程实际，应用论文研究成果，对河南义马常村矿巨厚砾岩孤岛综放面顶板结构的稳定性、综放工作面“异常压力”的产生机理进行研究。在初次来压阶段，采用两端嵌固梁考虑体积力的力学模型，利用弹性理论分析了厚层

2、坚硬岩层的应力分布。厚层坚硬岩层的运动方式分别为：沿中间弱面被剪开的分层运动；全厚度压剪破坏；弯拉破坏。通过力学分析，得到了上述三种运动方式的力学判据和判断曲线。得出了厚层坚硬岩层分层运动后，对其他岩层的控制作用减弱，其“关键性”下降的结论。现场实例检验表明，此方法用于老顶初次断裂方式和步距的预测，比传统的简单加线载荷、用材料力学进行分析的方法更符合厚层坚硬顶板的实际情况，能对“关键层”在运动过程中的破断方式做出准确的判断。针对综放采场顶板结构的运动特点，提出了老顶运动失稳的两种形式，分别为:由于顶煤放出率增加，顶板结构下沉量过大而造成的在运动过程中

3、整体变形失稳;由于工作面推进跨度增大或上覆岩层存在断层等构造，而造成的局部铰接失稳。建立了初次来压和周期来压阶段顶板稳定性分析的结构力学模型，利用最小势能原理分析了老顶结构在初次来压和周期来压阶段保持整体变形稳定的条件;利用强度理论分析了老顶结构在初次来压和周期来压阶段保持局部铰接稳定的条件。得到了顶板结构保持整体变形稳定和局部铰接稳定相统一的、与顶煤放出率相关的力学判断准则。根据综放采场顶板结构运动特点，详细描述了综放采场上覆岩层中需控岩层的范围。分析了组成老顶结构的可能岩块数。得到了初次来压和周期来压阶段不同岩性的顶板由岩层厚度表示的稳定性判断曲

4、线，给出了基于顶煤放出率和关键岩层厚度的岩层运动稳定性判断方法。结合具体采场实例，验证了通过调整顶煤的放出率、利用力学原理预测运动岩层范围和稳定性，从而实现厚层坚硬顶板工作面的安全开采的可行性。综采放顶煤在世界范围内作为一种新的采煤工艺，已有30多年的历史。由于这种采煤方法具有掘进率低、效率高、适应性强及易于实现高产等明显的优势，在我国得到了迅速发展，充州矿业集团兴隆庄矿一个工作面的年产己达600万吨以上。液压支架作为综放开采的关键设备，我国自采用综放技术以来，已先后研制出30多种形式的放顶煤支架。其间国内外学者对综采放顶煤的煤岩移动及顶煤破坏规律等

5、问题进行了大量的理论研究和实践[1-4]，对放顶煤开采的顶板运动规律及支架围岩关系的研究取得了大量成果[5-13]。综采放顶煤工艺的显著特点是一次采出煤层厚度成倍增加，由此而引起了上覆岩层运动及结构特点的变化。放顶煤采场的顶板结构由顶煤、直接顶和老顶组成。在放顶煤采场，由于顶煤从垮落到放完是一个动态过程。在此过程中直接顶的厚度是变化的，也既老顶的厚度和位态是变化的，其变化主要由顶煤的放出率控制。在直接顶上方存在一个传递力的结构。放顶煤采场老顶的结构有三种，分别为“煤一煤，，结构、“岩一研“结构、“岩梁”。结构综放开采时，随工作面推进和顶煤的不断放出，

6、上覆岩层自下而上发生变形、断裂和垮落，从而造成工作面周期性变化的矿压显现。尽管老顶在顶板控制中不是主要对象，但厚层坚硬顶板的运动仍可能在支架上产生强烈的来压现象。综放开采技术的发展有待于配套设备的可靠性进一步增强，为进一步提高综放工作面效率，加强综放工作面的顶板管理，一些厂家研制并开发了一系列大吨位液压支架投入到生产中去，液压支架的工作阻力达到了600多吨，缸径也在200mm以上。然而，近年来，国内多家矿井相继出现了立柱压爆、油缸变形等矿压显现异常的情况。例如:1994年兴隆庄煤矿4314综放工作面首次出现四连杆断裂、底座箱开裂等问题;1994-19

7、96年，鲍店矿1308.1306综放工作面、东滩矿14307综放工作面也相继出现类似问题;东滩矿99年7月4308综放工作面因水大压死支架:2000年5-6月份，鲍店矿5308综放工作面突然来压，压死23个支架，压坏16棵立柱，压坏上四连杆23个，并把架间管路切断，给生产带来极大困难。济宁三号井6301工作面2001年12月1日顶板大面积来压，近70架支架被压死，液压支架损坏严重，支架立柱损坏102棵，四连杆机构中的前连杆损坏33件，部分支架立柱柱窝开焊撕裂，个别液压支架立柱底座穿透。徐州矿务局张双楼煤矿7107综采工作面2000年3月28日顶板压力

8、异常增大，安全阀开启率达80%以上，部分立柱安全阀开启速度慢，压力表显示支架最大工作阻力达40-5OMPa，