1、大采高整层综采面开采技术研究摘要：大采高的片帮问题是大采高综采所面临的主要问题之一，也是困扰矿井工作面生产的难题。分析大采高片帮的问题是通过研究工作面采场顶板的岩层的运动规律和采场矿压显现规律来完成的。分析大采高片帮的原因，分析原因找到解决片帮的办法是文章的主要目的。关键词：采高；矿山压力；片帮；控顶距；冒顶引言大采高综采主要是开采5-7m的煤层，对于厚煤层及特厚煤层大采高综采一次采全高比其他开采方式的采出率高，夹矸率低，开采效率高。我国拥有非常丰富的煤炭储量，其中有很多煤层的厚度超过了3.5m，其中主采煤层占有很大比例。大采高综采技术于1978年引进我国以来，技术不断提高，大采高综采设备不断
2、成熟，具有了不错的经济效益，大采高综采成为了我国厚煤层开采的主要发展趋势。但是大采高综采技术依然具有很多缺点，面临很多问题，比如采出率低，留设区段煤柱，煤层容易片帮等缺点。现针对大采高综采的核心问题片帮控制进行深入的探讨及研究。第一章：绪论1国内外研究现状1.1大采高技术的国内外研究现状： 液压支架于上世纪八十年代实现了微机自动化控制技术，并且研制出了采高可以达到6m的综采液压支架，大采高开始渐渐的崭露头角。德国运用当时的工艺技术对热罗林煤矿4m厚的煤层进行了开采。 目前国外已研发出了6-7m的大采高液压支架，可以对6-7m的煤层进行一次采全厚的综采，日产已超过了6000t。各国大采高技术的使
3、用证明了大采高是开采厚煤层的高产高效的开采方式。我国从上世纪70年代使用大采高综采采煤工艺。1978 年, 德国开始想我国出口大采高的综采采煤设备，包括了G320- 20/37 型和G320- 23/ 45 型大采高综采工作面所使用的综采液压支架,。在仔细对比分析了国外大采高综采设备之后，我国自己也开始了相关设备（包括采煤机和液压支架的研究）。在1984 年，西山矿务局下属的18202 工作面进行了一些新兴大采高液压支架设备的尝试，这些设备就是我国科研人员经过不断地努力研发出的大采高综采设备BC520- 52/ 47 型支撑掩护式支架和MXA- 300/ 415 无链牵引采煤机。 这次的实验性
4、质的尝试通过了相关的科学鉴定。表1-1-1我国部分矿井大采高工作面生表1-1-2我国部分矿井大采高工作面生1.2大采高工作面煤壁稳定及片帮控制研究现状国内外主要研究方向及结果如下：对放顶煤片帮机理研究有以下假设及结论（1）片帮发生是由于压剪式煤壁的破坏，综采工作面工作时处于二向应力状态，当工作面煤壁比较破碎时，压剪式破坏会由于采煤机和支撑压力共同作用而发生。如图所示。煤壁剪切滑移面与煤壁的夹角为破坏深度为 其中c、M分别为煤的内摩擦角、采高图1-2-1煤壁压剪破坏图（2）片帮发生是由于重力滑落式煤壁破坏，综采工作面工作时处于二向应力状态下，当煤壁完全破坏时，一定失去支撑能力，重力滑落式破坏会由
5、于采煤机和煤体自重共同作用而发生。破坏深度为 （3）片帮发生是由于劈裂式煤壁破坏，当工作面煤体强度较高时，煤壁塑性区发育垂直裂隙，工作面煤壁横向作用力丧失，劈裂式破坏会由于支撑压力和采煤机回采共同作用而发生。图1-2-2劈裂式煤壁破坏示意图（4）片帮发生是由于横拱式煤壁破坏，工作面回采时释放应力，煤壁垂直裂隙发育，在煤壁向采场释放，横拱式破坏会由于支撑压力的作用而发生。破坏深度为其中f为普氏系数。图1-2-3横拱式煤壁破坏示意图第二章，大采高工作面片帮原因分析在煤矿开采过程中，由于矿山压力对煤体的作用，煤体会发生片帮和大范围煤体破坏，尤其是在大采高工作面时，煤壁压力尤其巨大，会发生大面积片帮，
6、导致煤体大面积垮落，导致回采工作面受到巨大的破坏，而且会造成大规模人员损伤，造成严重的人员财产损失。要从根本上解决大采综采工作面失稳而导致片帮,找到有用的解决办法,解决大采高综采工作面片帮的问题,首先要大采高工作面片帮的成因及破坏形式。2.1大采高综采工作面的破坏形式大采高综采工作面的煤壁在煤壁自重和顶板压力作用下，会发生两种破坏形式，分别为:拉裂破坏和剪切破坏：(a)、(b)煤壁拉裂破坏,(c)煤壁剪切破坏图2.1煤壁片帮破坏形式(l)大采高工作面煤壁拉裂破坏当工作面煤壁硬度较大时,由于煤体自生硬度很大而且煤体自生脆性较大,煤壁弹性变形容许量很小,煤壁拉裂破坏发生于顶板压力和煤壁自身重力的共
7、同作用,如图2.1(a)、(b)所示。壁受压后其内产生了横向拉应力，而其又不能通过可以容许弹性变形量较小的煤体释放和缓解，所以当其达到煤体的自生抗拉强度时煤壁会发生拉裂破坏，造成片帮。此时，满足: ，式中，为煤体抗拉强度，；为煤体横向拉应力，。(2)大采高工作面煤壁剪切破坏如图2.1(c)所示, 当工作面煤壁硬度较小，媒体较软时,由于煤体自重和顶板压力的共同作用下,横向的拉应力会产生于煤壁内,但是由于煤体的硬度较软的原因,横向拉应力最终能够通过煤体的变形最终得到释放和缓解。在煤体自重和顶板压力的作用下,由于煤壁内的剪应力大于抗剪强度而发生剪切破坏。工作面煤壁在采空区方向的受理情况比较特殊，最主
8、要的特点就是无水平方向的约束。而且没有任何因素能够限制其某些方向的形变。在工作面向前推进的过程中会承受超前支撑。在这种情况下，煤壁受到的压力增大，无法支撑从而导致顶板下沉剪切面上形成 ，当时，将发生剪切破坏2.2大采高综采工作面的失稳破坏当采高增大时工作面煤壁承受的压力也会随之变大，导致片帮会越来越严重。这很大一部分是由于煤体自身内部内力的缘故。在实验室中进行一些相关的实验，首先取几组面积相同并且形状相同同时高度不能相同同的岩块，把这些岩块编好组，然后让这些岩块分别进行单轴抗压试验，试验结果见表 2-2表2-2试验中岩块强度受高度的影响高宽比为0.8和2.0时，试块破坏形式由图（a）表示出，。
9、仔细研究光弹模拟结构，经过分析可得，当被压材料的弹模施压材料的弹模的状态下，压应力区很明显的出现在了受压材料的两端; 当高宽比逐渐变大时，两端部压应力区会逐渐变得越来越远; 在此时拉应力区也会变得越来越大，材料的抗剪能力会不断的降低。图 2反应了不同高宽比状态下的岩块的应力状态。当高度逐渐变大，拉应力也随之变大，且在上也会有有拉应力存在，材料的抗剪能力大大降低，最终失稳滑移而发生破坏。 图2-1 不同高度试件破坏形状图 图2-2 不同高度岩块应力分布状态根据实验表明，采高变大的同时，煤壁内压应力区会逐渐的变小，与此同时拉应力区会逐渐变大，从而使煤壁抗压能力会逐渐降低，易在剪切面滑落从而形成煤壁
10、的大范围片帮。2.3影响煤壁片帮的最主要因素（1）采高，影响煤体片帮的最为主要的因素就是采高，图 2-3-1反映了煤壁片帮深度与采高的基本关系 。 图2-3-1煤壁片帮深度与采高的关系表2-3大釆高工作面采高与煤壁片帮深度对照关系大采高工作面在工作中向前推进,这导致共组面周围的应力重新分布,由于在煤壁前方的垂直压应力也就是支承压力的不断作用下,一定会使煤壁前方在某个局部区域内一定深度内的煤体呈现出破坏的状态，与此同时，裂隙就自然而然的出现在了煤体之中，格里菲斯强度破坏相比较其他破坏方式而言具有相对来说比较明显的特征，在大采高综采采煤开采条件下每当在采高增加,控顶距离必然也会增加,从而用表示直接
11、顶的厚度。式中： ：采高，m ：已垮落岩层的碎胀系数 ：岩梁实际沉降值,m在采高不大于 4 H 时，采高的逐渐增大时，煤壁片帮深度随着也逐渐增大; 当采高大于 4 H时，煤壁片帮深度将会出现完全不一样的状况，具体呈现为深度剧烈增加。(2)工作面推进速度 煤壁蠕变变形的大小直接由推进速度的快慢决定。由于处于峰后压缩状态的煤壁还有一定的残余应力的存在，在该力不断持续的作用下煤壁还将继续发生塑性变形，形变量会随着时间的推移持续不断增大，板下逐渐下沉,出现在煤壁前方的区域是塑性破坏区域，此区域会一直不断地向前延展, 这一定导致煤壁的裂隙大范围的出现，煤体的自身的强度必然会出现局部的实效，当这种情况发展
12、下去，煤壁就会发生片帮甚至可能会发生机道冒顶。（3）工作面推进方向1）仰斜工作面平衡结构不易在仰斜开采基本顶岩梁中形成, 使工作面受载同时加大, 同时工作面前方的具体煤岩体重力具有明显的分布特征，其分力主要集中于采空区方向, 对于煤壁及易片帮的问题，应该针对这次的问题，形成独特的解决办法, 就是不要让顶板的维护变得困难，想办法维护顶板。仰斜工作面煤壁片帮深度是可以由具体的数值来体现的，其有具体的计算方法，仰斜工作面的剪切式的片帮深度的计算公式中 ： 煤层厚度。 ： 煤层倾角： 煤层内摩擦角图2-3-3仰斜、俯斜工作面片帮深度仰斜工作面的滑落式的片帮也可以有具体的公式计算。其片帮深度计算公式为从
13、上面两式可以看出，随着采高和俯斜角度变得越来越越大,片帮的深度逐渐增大。俯斜工作面煤壁的片帮深度：由图 2-3-3表示，,俯斜工作面的压剪式破坏的最大片帮深度约为俯斜工作面滑落式破坏的最大片帮深度表示公式为俯斜工作面滑落式破坏的最大片帮深度的表示公式为走向长壁工作面的煤壁片帮深度。走向长壁工作面的压剪式破坏最大片帮深度表示公式为为走向长壁工作面滑落式最大片帮深度约为由以上公式可以得出结论,对于俯斜、仰斜、走向长壁工作面 3 种不同的开采推进方向,在同样的条件下,仰斜开采的片帮深度最大,走 向其次,俯斜开采最小。（4）地质构造地质因素。对于情况不同的煤层, 其内部在裂隙的分布和发育有很明显的差异
14、。软煤的没有内部来说相对比较致密的结构，大反而有许多微裂隙的存在, 所以可能存在支撑压力不足的现象, 可认为软煤层的变形、破碎是由众多微裂隙和不致密的煤块的共同作用的结果。而硬煤的内部不存在太多的致密结构, 微裂隙, 但裂隙的延展性较好, 在硬煤拥有较为致密的结构，也拥有较大的刚度, 当工作面推进时，顶板的压力作用在煤壁上，顶煤可以不破坏，并且提供足够的支撑力, 所以可以的出一个结论：相比较于强度较大的硬煤，软煤更有可能应为承受不住顶板的压力而破坏（5）煤层强度由于工作面推进时，控顶面积加大，工作面旁空间的支撑力都是由煤体提供的，煤壁是顶板压力的主要承载体。所以在某些条件下，煤体会因为自身强度
15、不够而发生破坏，所以煤体的强度，刚度对于承载顶板给予的压力是取决定性作用的，有时煤体中会存在微裂隙和弱结构面，所以在煤体承受顶板给予的较大的支撑压力的时候，煤体的微裂隙和弱结构面很可能会发生剪切破坏，导致煤体发生片帮。（6）老顶回转角对煤壁片帮的影响老顶周期性运动在工作面推进的过程中会得到非常集中的体现，这会导致很多已破断岩块收到作用力从而要产生回转变形，当情况严重时会发生煤体失稳现象，从而影响工作面的顶板使其下沉。这种运动将会极大影响工作面煤壁及顶板的稳定首先表现为直接顶发生变形及破断，导致工作煤壁承受超过其支撑能力的作用力，会有很多微裂隙存在于煤体中，煤体的抗剪能力得到巨大的削弱，对于节理面倾角较大的煤体，其影响尤为巨大应为它会使两面之间的摩擦力变小，这样煤壁会更加难以支撑，因此老顶来压期间是大采高工作面尤其需要注意的时段，此时煤壁及端面最难控制。（7）超前支撑压力超前支撑压力和其分布特征需要煤矿的工程人员特别注意，因为它能够直接影响煤壁片帮。在工作面持续向前推进的过程中，极大的超前支撑压力会作用于工作面前方的煤体上，通过巨大的应力持续的倾入煤体，很
