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大采高综采工作面矿压显现规律研究摘要：针对大采高综采工作面采场顶板岩层的运动规律和采场矿山压力显现规律有其特殊性的特点，着重研究大采高综采工作面的矿压显现特征及其规律、工作面采场围岩应力场、位移场及围岩塑性破坏场的分布规律以及大采高综采工作面煤岩组合力学模型及其控制。关键词：大采高综采，矿压显现规律，岩层移动规律，支承压力分布 0 引言目前，在我国一次能量消费结构中，煤炭占75%以上。煤炭不仅是我国的基本燃料，又是重要的工业原料，电力、钢铁、石油加工、水泥、化学原料五大行业都离不开煤炭，因此，煤炭工业的发展直接关系到国计民生。为使我国能源战略持续稳定的发展，必须稳步高效地发展煤炭工业。我国是世界上煤炭资源最丰富的国家之一。据不完全统计，己知含煤面积约55000k了，探明总储量在9000亿t以上，居世界前列。自1989年，我国一直是世界第一大煤炭生产国和消费国，煤炭产量占世界煤炭产量的1/4以上，而缓倾斜厚煤层煤炭产量又占我国总产量的40%以上，我国很多矿区赋存有3.56.0m厚的煤层，这类煤层在邢台、开滦、徐州、充州、淮北、阜新、双鸭山、义马、西山、铜川、阳泉等矿区均为主采煤层。随着市场经济的发展，煤炭工业日趋向大型化、集中化、高产高效方向发展，建设高产高效矿井，提高企业经济效益己成为煤矿企业的基本经营理念，尤其是市场经济的激励机制极大地促进了采煤技术与装备水平的快速发展。我国在引进国外大采高装备技术后，综采工作面日产量可达万t，取得了举世瞩目的成绩。据目前国内外开采技术的发展，大采高综采是指采高在3.56.0m，工作面使用大功率双滚筒采煤机和重型刮板运输机割、运煤，用大吨位液压支架(支架工作阻力、单架支护面积和支架支撑高度大)控制顶板，一次采全高的综采技术。其设备趋于大型化、重型化和自动化，其特点是技术先进、性能可靠、装机功率大、生产效率高。对于煤层倾角小于30的厚煤层(3.56.0m)开采，大采高综采与综采采煤法相比，具有下列优点:煤炭资源回采率高;煤炭含研率低;回采工作面煤尘、煤的自然发火和瓦斯涌出安全性好;对于34m不适宜综采开采的厚煤层，大采高具有工效高、成本低等优点。大采高综采与分层开采相比，具有下列优点:工作面生产能力大，有利于合理集中生产;回采工效和煤炭资源回收率高、巷道掘进率和维护量低；回采工艺和巷道布置简化，综采设备搬家次数少，搬家费用省，增加生产时间；节省材料(人工假顶材料等)和回采成本低等。高产高效大采高综采生产能力大、回采率高、安全条件和经济效益好，是目前国内外厚煤层(3.56.0m)开采技术的主要发展方向之一，其优势使得在国内外被广泛采用。但是，经过矿山实践和许多专家、学者多年的现场观测及理论研究发现，大采高综采与一般综采(采高6002350455560700345058572090045006508001000康家滩矿88101工作面来压时的最大平均载荷为7591kN/架，其支护强度为1012 kN/m2，相当于W级来压极强烈顶板所需支护强度，但实际上由直方图可知，该工作面并无冲击载荷，而且动载系数均小于1.4，说明该类顶板来压并不强烈，但如果按照II级或III级顶板估算其支护强度，仅650 kN/m2或800 kN/m2，显然比实际所需最大平均支护强度1012 kN/m2低36%和21%，即按照表中II , III级顶板设计，其支护安全可靠性大大降低，说明88101大采高综采面的支架承受的载荷比普通综采高。寺河矿23101工作面来压时的最大平均载荷为8228 kN/架，其支护强度为930 kN/m2，相当于III ,W级来压强烈顶板所需支护强度，但实际上由直方图可知，如果除去初撑力过低和过高的因素外，其顶板真是的直方图应为正态分布，动载系数为1. 52，该工作面为II-m级来压明显的顶板。但如果按照II级或III级顶板估算其支护强度，仅650 kN/mz或800 kN/m2，显然比实际所需最大平均支护强度930 kN/mz低30%和14%，即按照表中II , III级顶板设计，其支护安全可靠性大大降低，说明23101大采高综采面的支架承受的载荷比普通综采高。造成上述情形的原因是随着采高的增加，直接顶垮落的岩石不能充满采空区，基本顶岩层层位必然上升，即对支架有影响的岩层移动的层位增高，虽然采场内无冲击载荷，但其静载较大，890kN/m2, 1012 kN/m2, 930kN/m2，分别相当于各大采高综采工作面约8倍采高的岩重。其次，由于采高的增加，回采后顶板的变形位移也要增大，原来认为是基本顶的岩层，部分因变形增大而变成可随支架及时垮落的直接顶，而且基本顶也会随着上移，由此也造成需控制的岩层层位升高。2.大采高综采工作面顶板控制的力学模型根据上述矿压显现规律分析，对于大采高综采工作面我们建立一个以静载计算为主的力学模型，参见图4.3。图4.3 大采高综采面煤岩组合力学模型 图中L为控顶距， 为需控制岩层总厚度，为所控制岩层平均破断角。故支架载荷P为需控制岩层的重力Q1与控制岩层的悬顶重力Q2之和，即: 式中B为支架支护宽度。4.2大采高综采工作面煤岩组合力学模型计算实例1.沙曲矿24101工作面支架工作阻力的确定沙曲矿24101工作面顶板为砂岩，砂岩基本顶岩层的破断角一般取600，因基本顶上位岩层及直接顶也均为一砂岩，为计算方便，取整个要垮落的岩层破断角为60，依据工作面综合柱状图可知，需控制的岩层为3.7m厚的中砂岩、3.8m厚的粗砂岩及其上部5.65m的中砂岩，总计要控制的岩层厚度为14m，约3.5倍采高。将 代入得：即支架所需支护强度为930kN/mz。显然可以满足实际工作面顶板所需的支护强度890kN/mz，由此可知沙曲矿24101工作面实际所选支架额定工作阻力偏低，这与现场观测的工作面支架阻力偏低相对应。2.康家滩矿88101工作面支架工作阻力的确定将 代入得：砂岩基本顶岩层的破断角一般取600，康家滩矿88010工作面因有部分基本顶岩层可视为直接顶，为计算方便，取整个要垮落的岩层破断角为600，依据工作面综合柱状图可知，需控制的岩层为14.88m厚的粗砂岩及其上部3.17m的泥岩，总计要控制的岩层厚度约为19m，约4倍采高。即P=1845kN/m2。显然满足实际工作面所需的支架支护强度1012kN/m。所选支架工作阻力8638kN/架是可靠的。3.寺河矿23101工作面支架工作阻力的确定23101工作面直接顶为砂质泥岩，厚达8.33m(包括伪顶和煤顶在内)，基本顶为细砂岩，根据相似模拟试验，其顶板破断角为700，依据工作面综合柱状图可知;需控制的岩层为2m厚的伪顶、6.33m厚砂质泥岩岩、4.26m厚的细砂岩及其上部6.42m厚的泥岩，总计要控制的岩层厚度为19m，约4倍采高。即P=841kN/m2。若考虑I、II级顶板的富余系数1.11.2，则P=921009kN/m2，显然满足实际工作面所需的支架支护强度930kN/m2。所选支架工作阻力8638kN/架是可靠的。将 代入得：由上计算可知:对于缓倾斜厚煤层，采用大采高综采回采工艺，采场支架受力以静载为主，对于现行基本顶板分类条件来说，按约4倍采高控制岩层，加上采空区的悬顶重力，以静载计算支架所需的工作阻力是可以满足大采高工作面顶板控制要求的，这与现场观测与数值模拟计算的结果是相吻合的。结论利用现场观测、理论分析及数值模拟等研究手段，针对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的特点，着重研究了大采高综采工作面的矿压显现特征及其规律、和大采高综采工作面煤岩组合
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