中国矿业大学采矿专业4岩层控制优质PPT.pptx
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“砌体梁基本结构的变形与失稳”直接顶传递“支架”煤柱“支承压力”3)采场“支架-围岩”关系P工作面中部力学模型老顶“断裂-回转”影响直接顶完整性由此影响支架受力点位置受拉区受拉区受拉区受拉区压缩区压缩区压缩区压缩区支架工作阻力:
砌体梁基本结构失稳由煤壁和支架共同承担;
支架受力状态与直接顶完整和支架刚度有关。
确定原则采场工作空间的稳定采场支架分类单体支护木支柱摩擦金属支柱单体液压支柱组合支架滑移支架(节式支架)悬移支架液压支架支撑式(又称垛式,基本淘汰)掩护式支撑掩护式液压支架架型的进一步划分液压支架架型的进一步划分普通普通普通普通支架支架支架支架高位放顶煤支架(已淘汰)中位放顶煤支架(很少用)低位放顶煤支架(主要架型)放顶煤支架放顶煤支架放顶煤支架放顶煤支架大采高支架大采高支架大采高支架大采高支架两柱两柱两柱两柱掩护式定型掩护式定型掩护式定型掩护式定型两柱掩护式放顶煤支架两柱掩护式放顶煤支架两柱掩护式放顶煤支架两柱掩护式放顶煤支架四柱支撑掩护式(较少用)四柱支撑掩护式(较少用)四柱支撑掩护式(较少用)四柱支撑掩护式(较少用)两柱掩护式支架两柱掩护式支架两柱掩护式支架两柱掩护式支架大采高低位放顶煤支架(主要架型)四四四四柱柱柱柱支撑支撑支撑支撑掩护掩护掩护掩护式放顶煤支架式放顶煤支架式放顶煤支架式放顶煤支架4)工作面“支护质量”监测:
支架具备的支护能力与支设质量存在差别采场矿山压力与支护质量监测5)关键层理论及其应用主宰岩体运动的岩层是上覆岩层中所有的“硬而厚的岩层”。
其中“主关键层”是主体。
主关键层的破断及而后的稳定,直接影响岩层控制。
它的变形是岩体内部“岩层移动”(如离层区和0形圈流场)的基础,它的力学行为影响“矿山压力”。
关键层理论使“矿山压力”与“岩层移动”得到统一。
4.1.2构建科学开采技术体系在可持续资源量条件下,保证安全和保护环境以及高效高回收的采出科学与技术。
煤炭开采的负外部性科学采矿理念绿色开采技术安全开采岩层控制与科学采矿完全成本是科学采矿的经济基础
(1)“科学采矿技术”高效开采-机械化开采以减少井下人员;
安全开采-保护人身作业安全;
绿色开采-保护环境和形成低碳运行矿山;
高回收开采-提高资源采出率(不茫目追求高产);
经济开采-采用先进科学技术以降低成本。
科学产能:
应该是指“在持续开发的储量条件下,具有与环境容量相匹配和保证安全,并将资源最大限度采出的综合能力”。
(2)绿色开采技术提出了“采动岩体力学”的概念和以控制“关键层”为基础的煤矿的“绿色开采技术”。
其中包括充填、煤与瓦斯共采、保护水资源、控制地表沉陷、不出或者少出矸石和矸石替换煤拄和地热利用等技术。
显然,由(主)关键层引起的岩层内部变形和地表移动以及对应力场(甚至动力现象)和裂隙场的影响,研究仅仅是开始。
远远没有成为一门完整学问。
如:
关键层变形以及对岩体裂隙场描述;
关键层破断对应力场、能量场的影响;
裂隙场的水与瓦斯渗流特征等。
(3)煤炭安全生产-在负外部影响中是第一位的2002年以来煤矿百万吨死亡率年以来煤矿百万吨死亡率08091037661.48532151.1426310.89224330.749科技在解决以下难点上做到什么程度?
可靠性如何?
高应力难以消除;
深部巷道难以维护;
低透气性煤层瓦斯抽采难以全面实现;
突水通道难以预测和控制;
冲击地压难以避免;
深部高温难以消除;
复杂条件难以机械化;
劳动环境难以理想化。
因而需要回答在各种“地质构造”条件下上述情况保证安全的可控的程度,以及如何变“难控为易控”。
(4)科学采矿与岩层控制瓦斯向离层区、采空区涌出改变和破坏地下水系统冲击地压和动力现象影响安全生产形成环境影响科学采矿科学采矿结合煤矿开采技术中的上覆岩层动态变化特点及规律,运用新兴的边缘学科的新理论、新方法,研究顶板冒落、瓦斯突出、冲击地压等煤矿灾害现象的发生机理。
找出可定量化探测、预报这些现象的新方法,如声、光、电、超声波、化学元素等方法与这些现象的相关关系,从而使矿方能有效地采取相应措施。
4.2大采高工作面矿压显现规律研究的分析4.2.1问题提出随着采高加大,覆岩中能形成平衡的结构岩层上移,中厚煤层工作面中能形成铰接平衡结构的岩层,在大采高情况下折断、垮落进入采空区,即“垮落带”范围。
若将不能形成平衡结构岩层均称为“直接顶”,大采高直接顶厚度一般为采高的2.04.0倍。
因此,大采高工作面直接顶不仅仅为随采随冒的易垮落岩层也包括中厚煤层采高下视为基本顶的岩层。
在很多大采高开采的工程实践中依然采用传统的矿山压力与岩层控制理论指导生产,忽视了大采高综采条件下围岩破坏规律的特殊性,因而在大采高开采中产生强矿压显现、煤壁片帮机理等还缺乏有效的理论解释,在大采高综采工作面支架与围岩关系的研究方面还不够深入。
大采高综采工艺随着工作面煤壁和液压支架高度的加大,支架围岩系统的稳定性差、事故率高达19%以上,远高于一般采高的综采工作面。
工作面煤壁片帮端面冒顶现象严重,支架工作阻力不足导致的支架压死及破坏。
垮落带:
(包括直接顶和基本顶)是指不支撑会垮落的部分岩层;
裂隙带:
(主要是基本顶,直接顶很厚时也包括直接顶)在其断裂、旋转、下沉及触矸过程中,岩块间能够互相挤紧,从而形成能够承受载荷的平衡结构,并把自身及附加岩层的重量施加到采空空间周围的岩体及冒矸之上。
直接顶和基本顶概念包括两层含义岩石性质直接顶:
直接位于煤层上方的一层或几层性质相近的岩层,具有一定稳定性的页岩、砂页岩或粉砂岩等。
基本顶:
厚而坚硬的砂岩、石灰岩及砂砾岩层。
矿山压力直接顶:
易于随工作面回柱放顶而垮落(直接作用在支架上的静载荷)。
对采场矿山压力直接造成影响(形成稳定结构,动载)。
4.2.2工作面支架工作阻力计算依据修正的大采高开采条件下直接顶及基本顶概念,确定支架载荷的计算方法。
由于大采高工作面直接顶中可能包括较厚而坚硬的砂岩、石灰岩及砂砾岩层,与中厚煤层工作面比较,矿压显现发生一些变化,工作面支架工作阻力计算也更为复杂。
采高增大,直接顶厚度可能大幅度增加,直接顶中出现大跨度悬顶坚硬岩层的几率增大。
影响采场矿压显现的传递岩梁(基本顶)范围相对减少,对采场矿压有明显影响的岩梁距采场的高度增大。
准确地确定悬顶位置、厚度及可能的最大悬跨度是大采高采场顶板控制设计及支架选型计算的关键。
1)大采高直接顶分类根据岩层组合结构,将大采高直接顶分为3类。
(1)型直接顶(图1(a),煤层上方直接顶由同一岩性或不同岩性但力学差异较小的岩层组成。
(2)型直接顶(图1(b),煤层上方有一层较厚的、裂隙发育的软岩,与上覆较硬岩层共同组成直接顶。
(3)型直接顶(图1(c),直接顶中赋存有一层或两层强度高、裂隙不发育的厚层岩层,在普通采高时,此岩层相当于“基本顶”,大采高时则作为直接顶。
2)支架工作阻力计算型直接顶顶板压力可按照给定载荷法及采高倍数法计算;
型直接顶由于大采高支架高度大,处理端面漏冒极为困难,因此该类条件目前暂不宜采用大采高工艺;
型直接顶顶板控制应主要考虑直接顶关键层厚度、层位及力学特征。
当直接顶关键层距离支架较近时,必须考虑冲击载荷影响。
3)大采高工作面冲击载荷大采高综采长壁工作面垮落带高度随采高增大而增加。
如果垮落的直接顶岩层不能填满采空区,折断后的基本顶岩层难以形成“砌体梁”式的平衡,在其回转运动过程中往往对下位岩层和工作面支架形成冲击载荷及在工作面前方的煤体中形成较高的支承压力,并在工作面引起强烈的周期来压。
4)实例
(1)直接顶结构中能煤业3#煤层7201大采高工作面型直接顶中包含一层或几层厚硬岩层,中厚煤层回采时为基本顶,能形成铰接平衡结构,大采高时无法形成平衡结构而垮落于采空区中,将直接顶中的厚硬岩层称为“直接顶关键层”,根据其层位分为下位、中位及上位直接顶关键层。
由于直接顶关键层的控制作用,可能出现图所示的悬顶情况,悬顶长度为L2。
(2)直接顶顶板压力及载荷估算如图4.3所示,直接顶关键层以断裂线为支点。
直接顶关键层产生旋转运动的外力是直接顶关键层的自重Q0;
悬顶部分承担的上位直接顶载荷Q1基本顶的附加力P;
阻止其发生旋转运动的是下位直接顶给予直接顶关键层的阻力P0。
直接顶关键层旋转时,其上层面在点A处向煤壁方向产生离层,同时在断裂线附近受到上位直接顶及前方未断裂直接顶关键层的附加力Q2。
支架阻力应在断裂线刚进入煤壁上方时阻止其大幅度旋转造成的破坏,同时耍防止直接顶关键层在断裂线处的滑落而造成工作面的台阶下沉,不考虑P时P0=Q0+Q1+Q2(4-1)将P简化为集中力,对点O取力矩有式中:
h基本顶及上覆承载层厚度,m;
B为支架宽度,m;
L为基本顶断裂长度,m;
LK为控顶距,m;
为直接顶岩石容重,h为直接顶厚度,m;
为断裂角,L=12m,B=1.75m,h=4.8m,h=12.3m,LK=5.145m,=600。
化简得:
式中:
l为周期来压步距。
P0由支架及下位直接顶共同提供,当下位直顶有自承能力时,P=P0-P1,P1为直接顶的自承能力,若直接顶无自承能力,P0要由支架全部承担,同时需要承担下位直接顶的重力q3。
h2=(1.02.3)h时有支架的最大载荷由两部分组成:
一部分下位直接顶的自重Q3、直接顶关键层重力Q0以及直接顶关键层悬顶部分承担的上位直接顶重力Q1组成;
另一部由直接顶关键层旋转形成的附加力Q2组成。
最后可以得到液压支架的支护阻力p。
型直接顶支架载荷可按不包括悬顶在内的直接顶重力、部分直接顶关键层重力以及悬顶部分承担的上位直接顶重力之和估算,液压支架的支护阻力P=3900+(00.5)x2720+(0.91.8)x1070=4863kNP7186kN支架工作阻力确定关键-悬臂梁长度控顶距长度,威尔逊估算法。
5)研究现状评述
(1)现有的大采高采场覆岩结构模型,大多是建立在顶板为中硬强度条件下的。
需要研究坚硬顶板条件下,覆岩破断失稳规律及结构形态特征。
(2)现有研究成果中,均是将稳定结构岩层以下直至支架顶梁处的岩层,认定为直接顶,按静载荷作用在支架上。
这种认定在中厚或薄煤层当中,误差较小,在厚煤层坚硬顶板条件下,易出现悬顶情况计算将产生较大误差。
(3)大采高综采工作面采空区空间大,直接顶垮落难以及时充满采空区,覆岩直接顶以组合悬梁的结构形式存在。
4.3放顶煤工作面顶煤放出规律研究放顶煤开采与其他采煤方法的不同:
除有一个包括“破、装、运、“支”、“控”全部工序的普通长壁采煤工作面外,同时在支架的后部还有一套破、“放”
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- 中国 矿业大学 采矿 专业 岩层 控制