大采高综采工作面矿压显现规律数值模拟研究

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　　摘要：科技的进步，促进人们对能源需求的增多。随着机械化水平的不断提高，煤层开采的厚度也不断增加。越来越多的大采高工作面出现，而且人们对大采高工作面矿压规律的研究逐步深入。大采高综采是相应条件下厚煤层综采的主要发展方向之一。本文就大采高综采工作面矿压显现规律数值模拟展开探讨。
　　关键词：大采高综采;工作面;矿压;岩层运动
　　引言
　　大采高综采是指对3.5m～5.0m厚的煤层一次采全高的综采技术，我国从1978年起，开始试验厚煤层大采高一次采全厚开采方法，至今已得到了长足进步。目前，在内蒙、山西等矿井的厚煤层一次开采得以实现。大采高综采具有开采工艺简单、安全水平高、高产高效等多重优点，但其采高和顶煤厚度较大，更容易出现煤壁片帮和端头顶煤冒漏等现象。掌握綜放工作面矿压显现规律，可以合理设计采场初撑力并解决煤壁片帮的问题，最终实现矿井的安全高效生产。
　　1综采工作面系统的组成
　　综合机械化采煤工作面完整的成套设备由以下几个系统组成：（1）工作面内的采、支、运系统——有采煤机械、液压支架、刮板输送机和端头支护设备（简称“三机”）;（2）运输平巷内的运煤系统——有转载机、破碎机、可伸缩胶带输送机;（3）液压系统——有乳化液泵、乳化液溶箱及其进、回液主管路;（4）控制指挥系统——有控制台、声光信号、扩音电话及其线路;（5）供水系统——有冷却水、喷雾泵、水箱及其进出、水管路;（6）供电系统——有高压供电线路及其连接器和开关、移动变电站、低（中）压配电开关群及其分支供电线路。这六个系统的设备是搞好综合机械化采煤必不可少的装备，必要时还应配设;（7）照明系统——有工作面及平巷的照明灯具及其线路;（8）辅助设备——有液压安全绞车、调度绞车、电钻、排（污）水泵等;（9）辅助运输设备——有卡轨车或单轨吊及其附属设备。
　　2液压支架工作阻力计算
　　（1）经验估算法。在目前的工作面液压支架选型的工程实际当中，煤炭工作者仍然广泛使用经验估算法，由于煤炭赋存情况多变、覆岩分层多样以及各种地质情况的出现，通常不能被设计人员提前获知，因此也很难顾全所有方面。为有效指导现场工作人员以及煤炭开采设计人员提出了以现场经验为主的液压支架工作阻力计算公式。由于该公式需要为数众多的现场实践，所以各国的经验公式也不尽相同，以我国煤炭生产实践为指导的经验公式也就应运而生。通常，我国煤炭工作者认为工作面采高应当是液压支架工作阻力的主要影响因素，即：
　　由于该公式提出时间较早，虽然在普通采高工作面得到了广泛应用，并体现出了优良的效果。但当工作面采高增大以后，其上覆岩层结构和运移与普通采高相差甚远。如果继续采用此方法计算大采高工作面液压支架选型，显然是不合理、不科学的。（2）顶板分类计算法。由于工作面顶板对液压支架有着直接的影响，故煤科院专家认为应当根据顶板来压强度级别来对液压支架工作阻力进行计算。工作面液压支架支护强度与工作阻力计算如下：
　　综合国内外学者就大采高矿压显现与工作面液压支架工作阻力的确定，根据不同地质条件以及开采参数，构建了形式多样的计算方法，提出了多种矿压显现理论，总结了繁多的支架工作阻力经验公式。为我国大采高开采技术提供了宝贵经验与研究基础。但由于具体煤层赋存千变万化，这就使得在计算某个具体矿井或某类具体地质条件下的工作矿压显现与工作阻力计算变的困难。所以在具体地质条件确定以后，必须利用数值模拟的方法，改变工作面具体开采参数例如：工作面长度、埋深、采高、仰采角度等因素，为具体矿井量身确定符合自身特点的液压支架类型、采区布置参数以及工艺参数，并为相邻矿井提供可靠参考。
　　3大采高综采工作面矿压显现规律研究现状
　　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。工作面采高大，不仅使工作面顶板活动空间与老顶悬臂梁结构的弯距加大，使工作面压力加大，而且因工作面上覆岩层冒落高度及裂隙带高度的加大，使采场采动影响波及的范围增大，易发生“煤壁片帮———顶板冒落———煤壁片帮”的恶性循环。顶板冒落使支架失去上部约束而产生倾倒，支架倾倒后受力状态恶化和承载能力下降又使工作面顶板出现进一步冒漏。国内外采矿工作者十分重视大采高带来的顶板岩层运动规律和采场压力显现规律的研究，由于煤矿地质条件的多样性和复杂性，我国大采高综采面液压支架稳定性等类的事故率平均高达6%～20%以上，远比采高小于3.5m的综采面严重。大采高综采面矿压规律特殊性问题己成为生产实践中迫切需要研究解决的采矿问题。国外由于受客观条件的限制，适合大采高综采的厚煤层不多，而厚煤层赋存较多的美国、澳大利亚等大多采用房柱式采煤法。就目前而言，我国在大采高综采工作面与巷道围岩控制技术方面进行了一定的探索，但由于大采高综采实践时间短，各研究单位所观测到的矿压数据和研究结果，大多只适用于局部相似条件的范围，而对其它类似条的地区仅有一定的参考价值。因此，进行大采高综采工作面矿压显现特征及控制研究，掌握顶板活动规律及压力显现规律具有现实指导意义。
　　4综采面液压支架合理工作阻力确定
　　综采支架合理工作阻力确定有许多方法，目前国外确定支架合理工作阻力的方法可归结为三种：岩石自重法、顶底板移近量法、统计法。岩石自重法以采高为自变量，支架工作阻力与采高呈直线关系，所以一般说来，采高越大，计算的支架工作阻力越偏大。顶底板移近量法以顶底板移近量和支架支护强度支架的双曲线关系为依据，但计算的许多系数需要实验获得，一般易与实际情况产生误差。统计法以液压支架端面顶板冒落高度和台阶下沉作为衡量支护强度是否足够的指标，以获得合理支架支护强度的经验数据。我国液压支架合理工作阻力的确定方法因不同采场条件及对顶板控制的不同认识，存在多种方法。主要有载荷估算法、理论分析法和实测统计法。载荷估算法认为支架合理工作阻力应能承受控顶区以内及悬顶部分的直接顶载荷和老顶来压时的形成的附加载荷。理论分析法按照砌体梁学说，工作面支架的作用应及时支撑控顶区内直接顶岩层，同时要对上覆可能形成的砌体梁结构的老顶岩层形成支撑，用以平衡其部分载荷，避免老顶沿工作面形成切顶和大量台阶下沉。实测统计法主要有三种，即太原理工大学靳钟铭教授提出的数理统计的回归公式估算、矿压实测数据确定和按照顶板分类中支架的支护强度确定。
　　结语
　　研究结果表明大采高综采老顶来压较普通综采更为剧烈，局部冒顶和煤壁片帮现象更为严重，支架冲击载荷更为突出，支承压力影响范围更为广，工作面周期来压明显，来压强度增加。
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