大采高上覆岩层矿压显现及支护阻力研究(张良库).docx

分类号 密级
太原理工大学

硕 士 学 位 论 文

题 目大采高采场覆岩活动规律及支护阻力研究

英文并列题目Large mining height of overlying strata movement regularities and support resistance research

研究生姓名： 张良库
专 业： 采矿工程
研究方向： 矿山压力及其控制
导师姓名： 弓培林
导师职称： 教 授

论文提交日期 2012/5 学位授予单位：太原理工大学
地 址： 山西·太原、
大采高采场覆岩活动规律及支护阻力研究

摘 要

从我国能源状况上看，我国石油和天然气储量不富裕，但拥有丰富的煤炭资源。我国在相当长一段时间内以煤炭为主要能源的能源结构不会发生变化。在我国探明的煤炭储量中厚煤层的储量占有三分之一的比例。在厚煤层的开采中大采高综采技术的优势越来越明显，但同样制约大采高综采技术的发展的因素也很多本文以神东矿区大采高工作面的现场资料为依据，研究大采高综采工作面长度以及采高不断增加的开采条件下，工作面不断推进过程中上覆岩层的变形移动破坏规律及支架工作阻力的变化规律。所做的主要工作如下：
（1）通过对神东矿区大采高现场资料在工作面长度分别为120.1m、281.4m和343.8m及工作面4.8m、5.8m采高情况下的矿压观测，进行分析比较得到大采高综采随着工作面长度的增加及不同采高围岩变形运动的规律，来指导相似采场的生产实践。
（2）利用现场搜集的煤层赋存数据及力学特性，采用计算机数值模拟的手段研究不同工作面长度及采高的大采高综采上覆岩层变形破断等矿压规律，结合现场观测的数据总结发生的变化规律。
（3）通过关键层理论，从理论上判定关键层的空间位置，从而进一步掌握大采高综采煤层顶板岩层的移动、破坏规律，并分析其形成的结构。
（4）通过对同类采场现场矿压资料、计算机数值模拟及理论分析，建立大采高综采采场的力学模型，形成大采高综采支架——围岩作用关系，得到大采高综采技术下不同工作面长度及采高的支架工作阻力的变化及确定。为大采高综采同类采场的工作面回采提供科学依据。

关键词：大采高综采技术，工作阻力，关键层，数值模拟，支架围岩

STUDY ON THE LARGE MINGING HIGHT OF OVERLYING STRATA MOVEMENT REGULARITIES AND SUPPORT RESISTANCE RESEARCH

ABSTRACT

From the situation of our country energy point of view, China's petroleum and natural gas reserves is rich, but rich in coal resources. Our country is in a fairly long period of time using coal as main energy structure will not change. In our proven coal reserves in thick coal reserves occupy 1/3 of the proportion. In the thick coal seam mining in large mining height fully mechanized coal mining technology is becoming more and more obvious, but also restricts the large mining height fully mechanized coal mining technology development by a lot of factors. In this paper, in order to Shendong mining area with large mining height face field data as the basis, study of large mining height fully mechanized coal mining face length and mining height increased under the condition of mining working face, continuously push forward the process of overlying strata movement and deformation failure regularity of the variation of support working resistance. The main works are as follows:
( 1) through to Shendong mining area with large mining height field data in the working face length respectively, 120.1m, 281.4m and 343.8m and 4.8m, 5.8m mining height working face under the condition of the mineral pressure observation, analysis and comparison are large mining height fully mechanized coal mining working face with increased length and different mining height and the deformation of the surrounding rock movement of the law, to guide similar stope production practice.
(2 ) using the collected data and mechanical characteristics of coal seam, using computer numerical simulation study on the means of different length of working face and mining height full-mechanized mining full height of overlying strata deformation break and the law of mine pressure, combined with observation data summary change rule.
( 3) through the key layer theory, from theoretic decision key layer spatial location, so as to further grasp the large mining height fully mechanized coal mining in seam roof movement, failure law, and analyzes its forming structure.
( 4) through to the same stope in-situ data, numerical simulation and the theoretical analysis, establishment of fully-mechanized coal face with large mining height mechanical model, formation of large mining height fully-mechanized support -- rock interaction relationship, get the large mining height fully mechanized coal mining technology under different working face length and mining height support working resistance change and determine. For the large mining height fully mechanized coal mining stope mining face similar to provide a scientific basis.

Key words：large mining height fully mechanized coal mining technology, working resistance, key strata, numerical simulation, support and surrounding rocks

目 录
第一章 绪论 1
1.1课题的提出及研究意义 1
1.1.1课题的背景及提出 1
1.1.2课题研究意义 2
1.2课题国内外研究现状及发展状况 2
1.2.1大采高开采技术的研究现状及发展概况 3
1.2.2国内外矿山压力理论研究现状 4
1.2.3综采工作面支架工作阻力的研究 7
1.3研究内容及技术路线 9
1.3.1研究内容 9
1.3.2技术路线 10
第二章大采高综采不同采高工作面矿压规律实测结果对比研究 11
2.1 补连塔煤矿12406工作面4.8m采高矿压规律实测研究 11
2.1.1 12406工作面开采技术条件 11
2.1.2 12406工作面矿压实测方法 12
2.1.3 12406工作面矿压实测结果 12
2.2 上湾煤矿51202工作面5.8m采高矿压规律实测研究 19
2.2.1 51202工作面开采技术条件 19
2.2.2 51202工作面矿压实测方法 20
2.2.3 51202工作面矿压实测结果 20
2.3 不同采高工作面矿压规律的对比分析 31
第三章 大采高综采不同工作面长度矿压规律实测结果对比研究 33
3.1 哈拉沟煤矿22401-1工作面矿压规律实测研究（120m） 33
3.1.1 22401-1工作面开采技术条件 33
3.1.2 22401-1工作面矿压实测方法 34
3.1.3 22401-1工作面矿压实测结果 35
3.2 哈拉沟煤矿22401-2工作面矿压规律实测研究（280.4m） 37
3.2.1 22401-2工作面开采技术条件 38
3.2.2 22401-2工作面矿压实测方法 38
3.2.3 22401-2工作面矿压实测结果 39
3.3 哈拉沟煤矿22404工作面矿压规律实测研究（348.3m） 42
3.3.1 22404工作面开采技术条件 42
3.3.2 22404工作面矿压实测方法 43
3.3.3 22404工作面矿压实测结果 43
3.4 不同工作面长度矿压规律的对比分析 46
第四章 大采高综采面覆岩垮落规律数值模拟研究 48
4.1RFPA模拟软件简介 48
4.1.1模拟软件基本原理 48
4.1.2模拟软件特点 49
4.2数值模拟建立 51
4.2.1几何模型与网格划分 51
4.2.2参数的选择 52
4.2.3模型边界条件 52
4.2.4模拟开挖过程 52

4.3模拟结果及分析 53
4.3.1不同采高数值模拟 53
4.3.2不同工作面长度数值模拟 59
第五章 大采高综采面顶板结构及工作面支护阻力研究 60
5.1顶板结构 60
5.2关键层理论 61
5.3不同采高工作面覆岩关键层结构 63
5.3.1不同采高下覆岩关键层结构形态概述 63
5.3.2大采高工作面覆岩关键层结构及对矿压的影响 64
5.4大采高支架合理工作阻力确定 67
5.4.1实测统计合理支护阻力 67
5.4.2理论计算合理支护阻力 67
第六章 结论与建议 72
6.1 主要结论 72
6.2建议 73
参考文献 74
致 谢 77
攻读硕士期间发表的学术论文 78

第一章 绪论
1.1课题的提出及研究意义
1.1.1课题的背景及提出
从我国能源状况上看，我国石油和天然气储量不富裕，但拥有丰富的煤炭资源。中国是世界上少数几个以煤炭为主要能源的国家，在相当长一段时间内以煤为主要能源的能源结构不会发生变化。数据显示，目前我国煤炭消费量占能源总消费量70%以上[1]，我国煤炭已探明储量占世界煤炭总储量的33.8%，居世界第二。厚煤层的储量在我国探明的煤炭储量当中就占44%，这是我国资源的优势[2]。因此在整个煤炭行业的技术面貌及经济效益中，厚煤层的开采占有相当重要的地位。厚煤层的开采方法主要有：分层开采、放顶煤开采和一次采全高的大采高综采。分层开采是相对比较传统的采煤方法，技术虽然成熟，但是随着综放开采技术的发展，不足之处有工序多、单产低、生产系统复杂、成本高。近几十年，综放开采技术取得了快速发展，为我国实现高产高效矿井的建设起到了重要的作用。但同时也出现了很多问题如回收率低、自燃发火危险大、煤尘大等，因此需要进一步深入研究。我国有很多煤田赋存6.0m以下的厚煤层，在这种煤层条件下采用的采煤方法一致困扰着人们。近几年大采高技术的成功范例使我们坚信，大采高开采开始成为我国厚煤层开采的采煤方法之一。一般情况下认为大采高综采为采煤高度应大于3.5 m(即厚煤层定义的下限）的综合机械化开采。首先是以神府东胜矿区和晋城寺河矿为代表的现代化建设矿井，依靠厚煤层赋存条件的优势及引进国外先进的综采设备和管理模式，实现了高产高效。近年来、霍州、新集、铁法、龙口、阜新、潞安等矿区相继引进了大采高技术【3】。大采高技术的优势在国内得到了充分的验证和发展。大采高开采技术提高了我国煤炭行业在国际上的竞争力，保障安全生产。
厚煤层赋存条件在适宜的情况下，大采高综采能够实现高产高效，但近年生产实践表明，很多因素限制了大采高的发展。国内的许多学者，提出了许多关于大采高围岩控制的有益的观点，基本上都是零散的。我国大采高技术的发展在现有的研究成果的指导下得到了进一步的发展，逐渐认识到大采高开采不同于普通采高的特点，形成了一套围岩控制理论。但随着采高和工作面长度的增加，大采高采场覆岩活动规律有什么区别以及在此情况下，支护阻力的情况发生什么变化。在近几年的生产实践中发现：现有的工作阻力计算存在两种情况。
（1） 工作阻力偏低导致支架压死甚至损坏[4]
大柳塔煤矿1203工作面煤层埋藏深度为60-70m，煤层平均厚度为6.0m，使用ZY3500-23/45掩护式液压支架，初撑力2750kN/架，工作阻力3500 kN/架，工作面初次来压（自开切眼推进25m），工作面在中部90m范围顶板自然垮落，整体形成台阶下沉，其中24支架30m范围最大台阶下沉量为1m，来压比较剧烈，出现部分支架被压死的现象。
（2） 工作阻力富裕系数比较大
目前神东7.0m大采高工作面支架工作阻力达到16800 kN，有大柳塔煤矿1203工作面所选3500 kN液压支架到现在，综采工作面的支架支护阻力逐渐增大，先后使用过的额定工作阻力有3500kN，6000kN，6700kN，7590kN，10800kN，1,2000kN ，16800kN等支架。根据张家峁15201试采工作面矿压观测，ZY12000/28/63D型掩护式液压支架额定工作阻力12000kN能够满足工作面顶板压力需要。初次来压时，工作面中部10％的支架安全阀开启，表明所选液压支架额定工作阻力有较大的富裕系数。将会造成一定资源的浪费。
因此，在相同地质条件下，大采高在采高和工作面长度不同的上覆岩层的垮落规律是不一样的。例如哈拉沟煤矿22401-1工作面长度为120.1m，22401-2工作面长度为281.4m，22404工作面长度为343.8m。神东补连塔煤矿开采过程中由于采高的变化，矿压规律呈现的变化等。关于大采高开采中支架工作阻力大小的确定需要进一步的深入研究，为生产实践具有一定指导意义。因此，本论文的研究，为大采高在采高和工作面长度发生变化时顶板控制提供理论指导。
1.1.2课题研究意义
大采高开采技术在我国已经经过了近几十年的发展，在理论和工程应用方面已经取得显著的成就。本文以神东补连塔和哈拉沟矿为研究对象针对大采高开采在采高和工作面长度发生变化时，大采高矿压显现规律及在顶板控制中支护阻力大小的确定等内容深入研究，建立大采高的围岩及顶板控制理论、指导大采高开采生产实践。
1.2课题国内外研究现状及发展状况
1.2.1大采高开采技术的研究现状及发展概况
1）国外现状[5] [6] [7]
英国、德国、波兰、日本等国从20 世纪60年代就开始了采用大采高综采技术。60年代中，日本设计了5m采高的液压支架且获得了日本国家设计奖。70年代，波兰在7个采煤工作面使用了DOMA-25/45型两柱掩护式大采高支架，还开发出了PLOMA型两柱掩护式大采高支架。1980年前西德郝母夏特公司设计开发出G550-22/60掩护式大采高支架，采高达到6.0m，在威斯特伐伦矿成功使用[5]。1987年，前苏联煤矿在43个采煤工作面开始装备KM130-4大型掩护式大采高支架，同时还研制了KM142型、YKM-4型、YKM-5型支架；在澳大利亚已探明的煤炭储量中煤层位于4.5m以上的高达60亿t，其中在昆士兰就占有至少1/3的储量，主要采用长壁工作面一次采全高采煤法。Dartbrook煤矿、Moranbah North煤矿、West Wallsend煤矿和Goonyella Riverside煤矿为澳大利亚长壁大采高综采开采厚煤层的煤矿。80年代，多元化产业的融合发展，许多高新技术不断被引进传统采矿领域，许多国家都逐渐采用了大功率可控传动、机电一体化设计、微机工况监测监控等先进技术适应各种煤层地质条件下的综采设备。世界主要产煤国家一直在努力研发大采高综采设备，尽量使大采高开采技术的应用范围更加广泛[5] [6] [7]。
2）国内现状[8]
70年代末我国开始试验大采高（一次采全厚）的采煤方法，至今已经取得了非常显著的成就。1978年我国在开滦范各庄矿引进6320-23/45型（德国赫姆夏特公司）掩护式大采高支架以及相对应的采煤运输设备，取得了很好的效果。1985年西山矿务局官地矿首次使用我国自行研制的BC520-25/47支掩掩护式综采支架，在3个月综采工作面采煤高达11.2万t。 1986年邢台矿务局东庞煤矿在倾角高达38°的条件下使用BY3200-23/45国产掩护式液压支架及配套设备进行试验，并取得了成功。1988年邢台矿务局东庞矿和义马矿务局耿村矿采用4.4m大采高综采技术水平，在当时处于综采技术的前沿。
近三十年，我国在神东、宁东、开滦、阳泉、西山、兖州、邢台、铁法、枣庄等矿区先后使用了大采高采煤方法，采高均在5m以下。90年代，年产逾百万吨的大采高综采队有8个，平均效率高达218t/工。例如2000年神东矿区的大柳塔矿月产量最高达到90万t，全年产量为860万t。活鸡兔矿在引进全套设备的情况下日产量达到57万t。
随着大采高综采技术的发展，其优势渐渐得到普遍认可。大采高开采技术的发展进入到了一个新的阶段，其中一部分工作面的年产量及平均效率达到甚至超过国际先进水平。2003年神东公司补连塔矿综采工作面采高4.5m～4.8m。2004年神东公司上湾煤矿综采工作面采高达到了5.4m。在高瓦斯矿井中，晋城煤业集团寺河矿采高达到了5.5m。2006年在近水平煤层中晋煤集团寺河矿使用国际先进的ZY9400-28/62支架的条件下采高达到6.0m，最大高度可达6.2m。2007年中国在神东煤炭分公司上湾煤矿首个6.3m大采高重型综采工作面出现了，大幅度提高了回采率及工效。这些都标志着我国大采高开采技术部分指标已经进入国际先进行列。
1.2.2国内外矿山压力理论研究现状
自从矿井开始采用长壁工作面开采技术至今，回采工作面覆岩结构及活动规律是采矿学科研究的主要问题之一。许多学者通过理论分析、相似模拟和数值分析结合现场实测等方法研究工作面覆岩结构及活动规律，提出了许多关于矿山压力的理论及其控制技术。由于煤层赋存条件的差异、研究人员从不同的角度，形成了许多假说及其相应的理论体系。这些假说和理论都以不同角度说明了上覆岩层结构的形成过程。这些假说和理论体系在一定程度上对现场岩层围岩控制具有相应的指导意义。
1、 压力拱假说[9] [10] [11]
德国人哈克(W.Hack)和吉利策尔 (G.Gillitzer)于1928年提出。借用巷道顶板岩石的成拱作用，认为长壁采煤工作面自开切眼起也形成压力拱,随工作面不断推进而扩大,直至拱顶达到地表为止。此后,压力拱继续扩伸，在工作面前方煤体内形成前拱脚；后方垮落岩石上形成后拱脚。支架承受的压力仅为上覆岩层重量的百分之几。底板和顶板一样，也存在相似的压力拱。
压力拱假说能正确解释围岩卸载原因，但没有分析压力拱的特性和岩层变形的发展过程以及支架与围岩关系。
2、 悬臂梁假说[12] 13]
1916年，德国施撬克于提出悬臂梁假说，后得到前苏联的格尔曼，英国的费里德等的支持。该假说把工作面与采空区上方的顶板整体看做悬臂梁，其中一端靠岩体固定，另一端直接处于悬伸状态。当悬臂梁弯曲下沉后，由于受到已垮落岩石的支撑并未发生破断。在工作面的推进中，悬伸长度很达到一定程度就会发生发生周期性折断 ，引起周期来压的发生。悬臂梁假说可以解释工作面近煤壁处较远处的顶板下沉量小，支架载荷也小、工作面煤壁前方出现的支承压力和工作面周期来压现象。虽然提出了许多计算方法，与实际所测和数据相差甚远。因此，开采后上覆岩层活动规律还是没有查明。
3、铰接岩块假说[14]
1950～1954年，原苏联的r．H．库兹涅佐夫提出了铰接岩块假说[10]。他认为：工作面上覆岩层的破坏自上而下为规则移动带和垮落带。垮落带又可分为两部分：上部分规则排列，下部分杂乱无章。规则移动带有水平方向有规律的挤压力，但是垮落带没有。岩块之间能够互相铰合，形成一个许多环节的铰链并且在采空区上方逐渐下沉的过程中具有规则性。他认为：工作面支架存在两种工作状态分别为“给定载荷状态” 和“给定变形状态”。 “给定载荷状态”就是当老顶下部岩层变形较小和未发生折断时，直接顶和老顶就可能发生离层，支架所承受的载荷仅仅是折断的直接顶岩层的全部重量下的状态； “给定变形状态” 就是当在老顶的影响下直接顶发生折断时，岩块的下沉将会使支架所受的载荷及变形逐渐增大，直至达到新的平衡为止，支架在这种情况下所处的状态。此假说阐明了工作面上覆岩层的分带情况并开始涉及到岩层内部的力学关系。但此假说对铰接岩块间的平衡条件没有做进一步研究。
4、预成裂隙假说[14]
在20世纪50年代几乎与铰接岩块假说在同一时期，比利时学者A．拉巴斯提出预成裂隙假说。此假说的重要组成部分就是假塑性梁。假说认为：在采动的影响下，工作面上覆岩层结构的连续性由于遭到破坏而成为非连续体，在工作面周围出现了三个区域：应力降低区、应力增高区和采动影响区。三个区域同时随着工作面推进相应的向前推移。由于支承压力作用形成的各种裂隙使岩体发生类似塑性体的很大的变形，即所谓的 “假塑性体”。在自重及其上覆岩层作用下假塑性体发生假塑性弯曲；在岩层下沉的过程中，下部下沉量大于上部岩层下沉量时就出现了离层。
5、七十年代以后采场上覆岩层结构理论的成熟阶段
60～80年代，我国钱鸣高院士和宋振骐院士相应提出岩体结构的“砌体梁” 和“传递岩梁”理论[13] [ 15] [ 16] [ 17]。1994年，钱鸣高院士此基础上又建立了 “s—R”稳定理论[19]。1994年针对大同坚硬顶板，靳钟铭教授提出了“悬梁结构”。1997年，贾喜荣[18]教授提出“薄板矿压理论”。石平五教授在分析矿山压力相关问题运用了能量原理。这些理论和观点对进一步研究工作面上覆岩层结构及运动规律起到了相当重要的作用。
6、大采高采场上覆岩层结构理论及运动规律
全苏矿山测量研究院通过相似模拟实验对大采高采场的围岩运动规律及控制原理进了初步研究。在实验室分别对不同开采厚度的煤层进对比，实验与现场实测研究得出以下结论：来压步距决定于岩层的特性及其结构，并不决定于开采煤层厚度；由于煤层厚度增加，顶板下沉量增大，必须先规定支架的可缩量；随煤层厚度增加，由于岩层断裂而引起的来压强度都将增大。
中国矿业大学郝海金博士[20]等进一步对大采高综采工作面上覆岩体破断位置及其平衡结构进行了研究。主要通过工作面上位岩层移动实测、模拟实验及工作面矿压观测。结果表明：大采高综采工作面基本顶断裂的位置通常是超前工作面，上覆岩层存在着和放顶煤开采相似但比分层开采层位更高的平衡结构。该结构是一个相对变化的过程，在这一过程中，直接顶有多次破裂；平衡岩梁的变形主要与直接顶的岩性和其损伤后的残余强度有关。
侯忠杰、黄庆享[21] [22]等人通过对神府矿区浅埋煤层大采高综采面矿压显现规律的现场实测研究，揭示了浅埋煤层大采高综采工作面来压期间有明显的顶板台阶下沉和动载现象，工作面覆岩并不是 “三带”，只有“两带”，冒落带与裂隙带。
太原理工大学弓培林[4]教授通过关键层理论研究了3.5m~6.0m采高采场上覆岩层结构特征及运动规律，得出结论：关键层的特征、层位及分布是影响采场上覆岩层垮落与断裂的主要因素。当采高发生变化时“三带”范围的确定受关键层的层位影响。一般开采高度3m以上时，关键层的特征控制垮落带高度。随着采高增加，直接顶厚度与采高比值越大。大采高综采一次性开采高度在大于3.5m时，垮落带、断裂带的范围要比同厚度煤层分层开采相应的范围大的多。大采高综采的采场顶板岩层的运动规律及矿山压力较普通采高有其特殊性。
总之，上述国内外对大采高综采采场矿山压力规律及其控制进行了深入的研究。但是诸多研究主要是针对工作面采高在6m以下的，随着高产高效矿井的建设，工作面采高和长度在不断地增加，这种情况下大采高综采工作面覆岩结构及活动规律发生的变化和支护阻力大小的确定研究较少。
1.2.3综采工作面支架工作阻力的研究
目前，我国诸多学者从不同角度对工作面采场条件及对顶板控制进行了研究，提出了很多综采工作面工作阻力的确定方法。其中主要分为经验估算法、现场实测统计法与砌体梁结构分析法。
1、经验估算法
目前应用最广泛的方法就是经验估算法。由于矿山开采过程中存在诸多因素，在科学技术方面不能全面的做出结论，根据现场生产经验初步得出了计算支架工作阻力的方法。我国提出了适合自己的经验公式[ 23]，支架合理的工作阻力P为：
（1-1）
式中 ——支架承受的荷载，kN；
——采高，m；
——岩块体积力，kN/m3；
此种估算方法常用的是4~8倍采高，此方法大部分适合于普通采高，不适合于大采高。
2、 现场实测法
许多学者随着对矿压控制理论深入认识， 初步开始采用现场观测结合数学分析的技术手段对工作阻力确定方法进行了研究。 其中主要有顶底板移近量法、临界阻力法、老顶来压步距法和实测数理统计法等。 这些方法都是以实测的数据为理论基础的。
（1）学者乔福祥通过现场观测，利用有限元数值分析得到了中等稳定顶板下沉量与支架阻力之间的关系如下所示[ 24]：
（1-2）
式中：—支架工作阻力，kN；
—顶底板移近量，mm。
（2）北京煤科总院提出的临界阻力法，经过回归分析，大多数工作面，平均阻力Pt及末阻力Pm起初随着初撑力P0迅速增长，然后增速逐渐缓慢。得出临界时间加权支护强度和循环末支护强度。所得公式[ 25]
（1-3）
式中： —支架支护强度，kPa；
—支架临界时间加权支护强度，m；
—支撑效率，%；
—控顶距，m；
—支架中心距，m；
—临界初撑力，kN；
—安全阀影响系数。
（3）太原理工大学靳钟铭教授认为影响支架工作阻力的主要因素是老顶来压步距，然后回归分析得[ 26]：
（1-4）
式中： —支架工作阻力，kN ；
—老顶周期来压步距，m ；
—富余系数。
（4）经过大量的统计表明，支架在每一循环的时间加权平均工作阻力是不同的。一般情况下，它服从正态分布，因此支架工作阻力可表示为[ 27]：
（1-5）
式中，—标准均方差；
—置信度系数。
3、 砌体梁结构分析法
砌体梁结构分析法主要是以砌体梁学说为基础的，认为工作面支架主要载荷有控顶区内直接顶岩及对形成砌体梁结构的老顶岩层的作用力。其公式如下[ 27]
（1-6）
式中:—直接顶厚度，m；
—岩层厚度，m；
—岩块间的内摩擦角，（°）；
—岩块回转下沉量，m ；
— 岩块破断角，（°）；
—裂隙带下位岩层中暴露岩块的全部自重，KN/m。
综上所述，对于地质和生产条件一般情况下，支架工作阻力的确定已经相当成熟，但是随着大采高综采技术的发展，工作面长度以及采高不断地增加。例如神东矿区，采高甚至达到7.0m，在这样的工作条件下支架工作阻力的确定需要进一步的研究。
1.3研究内容及技术路线
1.3.1研究内容
大采高回采工作面由于工作空间加大，上覆岩层的变形移动及破坏规律等一系列矿压显现较普通采高剧烈，因此其主要受坚硬岩层中的关键层决定的。研究内容：本文以神东哈拉沟煤矿和补连塔矿为研究对象，研究大采高综采工作面长度以及采高不断增加的开采条件下，工作面不断推进过程中上覆岩层的变形移动破坏规律及支架工作阻力的变化规律；只有掌握了这些规律，大采高综采工作面顶板得到控制，才能实现安全、高产及高效生产。因此，论文具体做了以下研究工作：
（1）哈拉沟煤矿22401-1工作面长度为120.1m，22401-2工作面长度为281.4m，22404工作面长度为343.8m，对工作面长度变化前后进行大量的矿压观测，通过进行分析比较基本可以得到大采高综采随着工作面长度的增加围岩变形运动的规律，来指导相似采场的生产实践；
（2）结合神东矿区补连塔煤矿的矿压观测资料，分析得出随着工作面采高的不断增加，两工作面来压规律，支护阻力及支架运转特性等发生的变化规律；
（3）利用现场搜集的煤层赋存数据及力学特性，采用计算机数值模拟的手段研究不同工作面长度及采高的大采高综采上覆岩层变形破断等矿压规律，结合现场观测的数据总结发生的变化规律；
（4）通过关键层理论，从理论上判定关键层的空间位置，从而进一步掌握大采高综采煤层顶板岩层的移动、破坏规律，并分析其形成的结构。
（5）通过对同类采场现场矿压资料、计算机数值模拟及理论分析，建立大采高综采采场的力学模型，形成大采高综采支架——围岩作用关系，得到大采高综采技术下不同工作面长度及采高的支架工作阻力的变化及确定。为大采高综采同类采场的工作面回采提供科学依据。
1.3.2技术路线
技术路线如图1.3。

图1.3研究技术路线图
Figure 1.3 research technical route chart
第二章大采高综采不同采高工作面矿压规律实测结果对比研究
由于大采高综采工作面采高不断加大，开采过程中煤层顶板结构及运动特征也将发生变化。大采高综采工作面的矿山压力及其控制自然不同于普通采高综采工作面。做好大采高综采工作面在推进过程中矿压现场实测对研究上覆岩层结构及运动规律，初步掌握工作面的矿压规律，合理确定支架工作阻力和优化支架选型具有重要的指导意义。本章主要研究了2个不同采高的大采高综采工作面的矿压现场实测（补连塔矿12406工作面、上湾煤矿51202工作面），总结大采高综采工作面不同采高矿压显现规律的共同特点。这两个大采高综采工作面均实现了高产高效。
2.1 补连塔煤矿12406工作面4.8m采高矿压规律实测研究
2.1.1 12406工作面开采技术条件
补连塔煤矿12406综采工作面所在煤层为12煤，位于补连塔井田四盘区西部。地表标高为+1237.8 ～+1307.2mm，煤层底板标高为+1074.53m ～+1094.2m。12406综采工作面北东侧为12407工作面，南西侧为12405综采工作面采空区，南东侧为煤液化污水池保安煤柱和12煤三条大巷。
12406综采工作面走向长度2763m，倾斜长度3 00.5m，煤层倾角为1～3°，回采面积为1079396m2，煤层平均厚度为4.88m，容重1.29×103Kg/m3，地质储量703.07万t。最大控顶距为5843mm，最小控顶距为4978mm，端面距≤550mm。工作面顶底板特征如表2-1。
表2-1 煤层顶底板特征表
Table 2-1 coal seam roof and floor characteristics table
顶、底板
岩石名称
厚 度
岩性特征
老 顶
粉砂岩、
中粒砂岩
90～236.66m
主要成分为石英和长石，含少量云母片，泥质胶结；发育缓波状及小型斜层理，致密结构。
直接顶
中粒砂岩
5.38～16.03m
灰白色，泥质胶结，可见斜层理发育，含泥质包裹体，与下伏煤层呈冲刷接触。
伪 顶
——
——

直接底
粉砂岩
0.96～13.01m
灰色，波状层理发育，沿层理局可见植物叶化石。
工作面采煤机选用德国EKF公司生产的SL1000型采煤机，工作面设计采高为4.68m，液压支架选用郑州煤矿机械集团有限责任公司生产的ZY12000/25/50型液压支架，共176台。工作面割煤方式为双向，往返一次割两刀。采煤机、液压支架等工作面设备主要技术特征见表2-2。
表2-2 工作面主要设备配备表
Table2-2The main equitment in working face
序号
名称
型号
性能
1
采煤机
SL1000
采高2.7～5.4m m,引速度0～32.2m/min
2
刮板输送机
JOY变频3×1000
设备运输能力3800t/ h , 装机功率2 ×1000kW
3
转载机
JOY500KW
运输能力3500t/ h
4
破碎机
JOY400KW
破碎能力3500 t/ h
5
液压支架
ZY12000/25/50
支护支护高度2500～5000mm，支架工作阻力12000kN ,
基本架>1.2MPa,过渡架>1.1MPa，端头架>1.0MPa
6
乳化液泵站
KAMAT K35055M
流量439l/ min , 输出压力37.5MPa
2.1.2 12406工作面矿压实测方法
12406综采工作面长度300.5 m，共布置