综采工作面模拟实验台机械结构设计.doc

1、华北科技学院毕业设计（论文） 第1章 绪论41.1 本设计的来源41.1.1 煤与瓦斯的储量和发展趋势41.1.2 我国煤矿瓦斯防治的现状及存在存在问题41.1.3 我国煤炭工业的安全现状61.2 目的和意义71.3 国内外进展71.3.1 国外进展7第2章 综采放顶煤工作面概述92.1 综采放顶煤技术的起源和发展92.1.1 国外发展92.1.2 国内发展92.2 放顶煤采煤技术及主要类型92.2.1 放顶煤采煤法的实质92.2.2 放顶煤技术的主要类型102.3 综采放顶煤矿压显现特点及顶煤破碎放出规律102.3.1 放顶煤开采矿压显现的基本规律102.3.2顶煤的破碎过程及影响因素122

2、.3.3 综采放顶煤长壁采煤法的应用13第3章模型实验的相似原理及相似准则153.1 相似条件153.1.1 几何相似153.1.2 运动相似153.1.3 动力相似163.2 相似三定理163.2.1 相似第一定理（相似正定理）163.2.2 相似第二定理（定理）163.2.3 相似第三定理（相似逆定理）173.3 综采放顶煤三维模型的相似条件173.3.1 “U”型面模拟173.3.2 材料模拟19第4章 实验台机械结构设计204.1 实验台总体结构204.1.1 结构组成204.1.2结构特点204.2 增压油缸的选择214.2.1 油缸的分类214.2.2 型号的选择214.3 主实验

3、箱的设计224.3.1 箱体顶梁的设计224.3.2 底梁的结构设计274.4采煤模拟装置的设计304.4.1 模拟刀具的设计314.4.2 液压马达的选型324.4.3 轴承的选型334.4.4联轴器的选型334.5 采煤动力挂箱和行走辅助挂箱的设计344.5.1 动力挂箱的设计344.5.2 辅助挂箱的设计354.6 行走牵引机构354.6.1 传动方案354.6.2 传动丝杠的设计354.6.3 电动机的选型计算364.6.4 轴承的选择364.6.5 联轴器的选型374.7 主实验箱调斜装置374.7.1 千斤顶的分类384.7.2 方案选择384.8 风机的选型384.8.1 风机的

4、分类384.8.2 离心式风机的选择步骤39第5章 液压系统与电气部分的简单要求415.1 液压系统415.2电气部分简单设计41第6章 实验台数据采集系统解决方案436.1 系统概述及原理436.1.1 系统概述436.1.2 系统原理436.2 系统相关配置446.2.1 系统配置446.2.2 系统框图456.2.3 系统清单456.2.4 系统评价46结论46致谢48第 3 页 共 65 页摘要煤炭长期以来一直是我国的第一大能源，不论是在能源的生产还是消费领域，煤炭始终占据70%以上的比重。根据有关权威部门论证，最近几年煤炭在我国能源构成中的比重为65%左右，即使是到了本世纪中叶，这一

5、比例仍旧会达到50%以上。可见，在相当长的一段时间里，煤炭都是我们经济发展所依靠的基础能源，煤炭工业会越来越显现出无以替代的战略地位。然而，我国煤矿地质构造及煤层赋存条件比较复杂，煤炭安全形势也异常严峻。最近几年，中国矿井安全生产状况已开始有所好转。尤其是2008年，在煤炭产量增加约2亿吨情况下，死亡人数下降1192人，全国煤矿百万吨死亡率由2007年的1485下降到1182，同比下降20.4。 即便如此，与全球煤矿安全生产水平领先的国家如美国比，依然不容乐观。近年来，放顶煤开采技术在我国发展迅速，目前已成为厚煤层开采的主要方法，而厚煤层占我国煤炭开采总量的40%左右，因此研究综采放顶煤工作面

6、开采过程中，上覆岩层裂隙发育及瓦斯在裂隙中运移规律，对于了解和掌握支撑压力形成过程，分布规律和显现特征，科学的控制顶板、维护工作面安全生产有重要的意义。在本文的设计过程中，模拟实验台的机械结构设计是重点。本论文介绍了我国当前煤和瓦斯的储量和发展趋势、主要采煤方法、瓦斯防治的现状和发展趋势以及模拟实验的相似原理。机械结构部分的设计包括以下几个部分：（1）根据模拟矿井压力和要求选择增压油缸，再满足要求的情况下尽可能降低尺寸，满足经济性的要求。（2）主实验箱采用拼装组合式结构，由钢板和工字钢焊接而成。根据材料力学所学知识简化成简支梁模型，计算出抗弯模量，选择工字钢和钢板型号。（3） 比较各种采煤装置

7、的优缺点，合理选择采煤模拟装置以及模拟装置驱动方式的选择。（4） 行走辅助装置的设计。包括电机、联轴器和轴承的选择以及传动轴的设计。（5） 主实验箱调斜装置由一组铰链支座和两个螺旋千斤顶组成，螺旋千斤顶的结构设计。关键词：综放工作面；瓦斯运移；相似模拟AbstractCoal has long been Chinas largest energy, whether in production or consumption of energy, coal still account for more than 70% of GDP. According to the authoritative

8、department argues, the recent years of coal in the form of energy, accounted for 65%, even went to the middle of this century, this proportion will remain above 50%. Can be seen for a long period of time, coal is our foundation for economic development depend on energy, the coal industry will be inc

9、reasingly seen as an alternative to a non-strategic position.However, Chinas coal mines and coal seam conditions of geological structure is rather complicated, the coal is also extremely difficult security situation. In recent years, Chinas coal mine safety situation has begun to improve. In particu

10、lar, in 2008, an increase of about 200 million tons of coal production circumstances, the death toll down 1192 million tons in coal mines mortality rate from 1.485 in 2007 fell to 1.182, down 20.4%. Even so, the global leader in mine safety production level than countries like the United States is s

11、till not optimisticIn recent years, top coal caving mining technology has developed rapidly in China, has become the main method of mining thick coal seam, while the thick seam of coal mining in China accounted for 40% of the total, the researchers face caving coal mining process, overlying rock fis

12、sures and cracks in the transport of gas in the law, support for the understanding and knowledge of the pressure forming process, distribution, and show characteristics of a scientific control roof, maintaining face of great importance to production safety.In this paper, the design process, the simu

13、lation test bed of the mechanical structure design is the key. This paper describes our current coal and gas reserves and the development trend, the main mining method, gas control the situation and development trend and similar simulation theory.the design of mechanical structure, including the fol

14、lowing sections: (1) According to the simulation of mine pressure and asked to select the pressurized tank, and then meet the requirements of the situation to minimize size, to meet the economic requirements. (2) The main experimental box by assembling modular structure, the plate and I-beam welded.

15、 According to the knowledge of material mechanics simplified into simple beam model to calculate the bending modulus, select the Ibeam and plate models. (3) to compare the advantages and disadvantages of various coal mining equipment, selecting mining simulator and simulator driving mode choice. (4)

16、 the design of walking aids. Including motor, coupling and drive shaft bearing selection and design. (5) adjust the main experimental box device consists of a set of oblique hinge bearings and the composition of the two screw jack, screw jack structure design. Key Words：Fullymechanized caving mining

17、 faces; gas migration; Analog simulation第1章 绪论 1.1 本设计的来源1.1.1 煤与瓦斯的储量和发展趋势在我国的自然资源中，基本特点是富煤、贫油、少气，这就决定了煤炭在一次能源中的重要地位。与石油和天然气比较而言，我国煤炭的储量相对比较丰富，占世界储量的11.60%。我国煤炭资源总量为5.6万亿吨，其中已探明储量为9000多亿吨，占世界总储量的11%，而厚煤层储量占44.0%左右，其中井工开采煤量占总产量的40%45%，厚煤层开采技术对我国煤炭行业的生产和经济发展有举足轻重的影响。然而，我国煤矿地质构造及煤层赋存条件比较复杂，现开采的矿井，30%以

18、上是高瓦斯或煤与瓦斯突出矿井，80%以上的厚煤层在开采中具有自燃倾向，矿井开采深度平均已达300m以上，冲击矿压和地热灾害也在不断增加，在这样的矿井中如何安全高效地开采煤炭以满足社会发展需求，很值得我们探索。我国煤炭储量丰富，同时也是世界上煤层瓦斯资源最丰富的国家之一，据测算，仅陆上烟煤和无烟煤煤田中埋深不足2000m的煤层中即蕴藏着3035万亿m3的煤层瓦斯资源。1.1.2 我国煤矿瓦斯防治的现状及存在存在问题我国煤层瓦斯资源量虽为美国的3倍，但国内各部门打钻采气效果与美国相比，差距甚大，这主要是由我国煤层瓦斯储存特征所决定的。煤层瓦斯压力低、储层渗透系数低且具有较高的吸附能力等特性在一定程

19、度上给煤层瓦斯的勘探开采带来困难。我国多年的科研和生产实践，尤其是煤矿抽放瓦斯的经验表明，瓦斯和煤岩体除有“共生”、“共储”的特点(即煤岩体既是瓦斯的生气源岩，又是储气岩）外，我们还发现，瓦斯只有在煤层直接扩散、升浮、向回采空间自然涌出或人工抽排等五常运移和超限聚集、突出、喷出及倾出等异常运移，我们不能完全象美国、俄罗斯等国那样，大规模直接地进行地面钻井(孔)抽放瓦斯，而应读着力于采动过程中，层状岩体应力分布状态和裂隙分布与煤岩层瓦斯运移形态的研究与实践，从而有效控制瓦斯运移。于是，高瓦斯乃至煤岩与瓦斯(CH4和CO2)突出矿井如何成功应用综放技术以期安全高效开采所蕴含的若干关键技术难题摆在我

20、们面前。阳泉矿区是我国有名的高突瓦斯矿区，全局矿井绝对瓦斯涌出量687.6m3/min，高瓦斯矿井相对瓦斯涌出量平均为42.23m3/t。近十几年来他们以“安全第一，瓦斯为天”、“宁停三天，不抢一秒”为防治瓦斯的指导思想，建立完善通风、抽放和监测三大系统，严格管理，已连续11年未发生瓦斯死亡事故，18年来未发生特大瓦斯爆炸事故。1988年12月16日阳泉一矿开始在15#煤层进行以防治瓦斯为主要技术关键的综放工艺试验，成功之后，其它各矿相继引用，在防治瓦斯技术上形成了“密钻孔、高抽巷、大管径”的抽放格局。靖远局魏家地矿所采煤层为具有煤与瓦斯突出危险易燃缓倾斜特厚软煤层，1995年11月20日在X

21、1一110工作面进行了一次采全厚走向长璧低位放煤的综放开采工业试验，通过巷道排放、综合抽放、煤体注水、邻近面解放区域开采、突出危险性测定及其效果检验、严密监测等有效措施，基本上控制了综放面瓦斯的大量涌出和瓦斯事故。但我们应当看到，阳泉局和魏家地矿均有其特殊性，我国综放技术的发展水平很不平衡，还有大量开采特厚煤层的矿井没有应用这一技术，是因各局矿开采条件差异较大。概括起来讲，在放顶煤支架的适应性，顶煤回收率的提高，瓦斯、火灾及煤尘的防治，综放面的矿压研究，地表塌陷治理等方面，仍有许多工作要做。而有关瓦斯运移与开采时的矿山压力状态密切相关，就采场矿压及岩层控控制、瓦斯防治而言，需要解决的问题集中体

22、现在以下几个方面: 目前在我国有关煤矿安全开采理论与技术的研究中，将瓦斯事故的研究(事故发生机理、灾变条件；预测方法和防治技术)与矿山压力及岩层控制的研究截然分割成较为独立的部分分别予以探讨。其分类亦是将有关瓦斯问题的研究归于“通风安全”:或“矿山安全与劳动保护”，而将矿压及其控制研究划为“矿山压力与支护”茫畴；不论是教学单位的编组还是科研机构的设置，甚至在生产现场的管理部门都很清楚的分界着，但在煤矿安全开采的实践中所出现的事故，并不因人为的分类而分别或依次发生以供我们分头去研究。事实上，煤矿开采是一个整体系统，所有系列的安全隐患都是随着矿体的采出、采场围岩整体结构的变形、破坏与运动引起的。我

23、们应该且必须深入研究煤矿动压现象间的内在联系。 采动引起采场围岩体矿山压力重新分布并使煤岩体结构发生变化，随之引起煤岩体中瓦斯赋存状态聚集方式和运移形态的变化，采场围岩体活动是影响采面和巷道瓦斯涌出量大小的重要因素，况且，采动后上覆岩层的移动与破断引起的采动裂隙场分布，与承压水体下采煤、卸压瓦斯抽放、地面注浆阻止沉陷、煤岩分离控制及放顶煤回收率的提高等工程问题密切相关。但目前研究较少。综放开采后，工作面一次采出厚度成倍增加，采场及采准巷道围岩运动(包括顶煤活动)、支架一围岩关系、矿山压力显现等都有了很大变化，用传统的矿山压力理论，难以作出满意的解释，它使放顶煤液压支架的设计和采场及巷道围岩控制

24、设计缺少依据，使进一步提高煤体注水效果，提高瓦斯抽排效果等缺少理论支持。目前对综放工作面瓦斯释放及运移规律的认识还是初步的，处理采场瓦斯、特别是高瓦斯煤层采场瓦斯措施在理论上和实践中还不成熟，而对于富含瓦斯特厚煤层综放面而言，瓦斯的威胁往往是严重的。国内不少学者多把研究的焦点集中在采场瓦斯涌出规律、分布特点、瓦斯爆炸层的形成和影响及相应防治措施上，并未从深层次探讨动态的综放开采过程中矿压显现规律、顶板结构形式及其变形和失稳对煤岩体申的瓦斯运移的影响范围及程度。煤岩体中瓦斯的涌出、突出等是一种包括吸附瓦斯解析与瓦斯分子扩散等的复杂渗流过程，它与煤岩体的孔隙结构破坏特性、矿山压力、煤层瓦斯压力、瓦

25、斯含量、瓦斯的吸附解析特性、煤岩层温度、煤岩体水分含量、地电场等均有密切关系，因而其在理论与实践上所取得的成果是阶段性的。综放开采过程中，矿山压力通过一定的形式作用在采场周围煤岩体上，使煤岩体的孔隙裂隙分布、渗透系数等力学特性发生很大变化。同时，由于综放面不断向前推进，煤岩体的渗流场结构也要产生相应的变化，此即煤岩体与瓦斯共同作用系统的变形与运动规律，具体地说，综放采场围岩体矿山压力和瓦斯运移并不是独立的，而是相互制约、相互影响的，是一个较为复杂的变化过程，是一个有待攻克的科学难题。由于综放开采的特殊性，在矿山压力及其控制方法上有其自身的特点，同时采场瓦斯运移形态与普通综采、高档普采相比有新的

26、表现特征，这就要求我们在新的开采条件下，将矿压理论与瓦斯运移特性有机结合起来，深入探讨围岩活动规律及其影响下瓦斯运移特性，从而提出富含瓦斯厚煤层综放开采的安全控制理论和实践，以期有效地指导21世纪我国煤炭工业的高产高效发展。1.1.3 我国煤炭工业的安全现状中国矿井安全形势是非常严峻的。据报载，2005年，就有大约6000名矿工丧命，这一数字是同年美国煤矿矿工死亡人数的150倍。由此向前追溯，2004年中国共有5286名煤矿工人死于事故。从2001到2004年，中国共发生死亡10人以上的特大煤矿事故188起，平均每4到7天一起。2001到2006年中，最突出的纪录是2003年。这一年全世界煤矿

27、事故死亡总人数是8000人，中国内地就占将近80，死亡6434人。最近几年，中国矿井安全生产状况已开始有所好转。尤其是2008年，在煤炭产量增加约2亿吨情况下，死亡人数下降1192人，全国煤矿百万吨死亡率由2007年的1485下降到1182，同比下降204。 即便如此，与全球煤矿安全生产水平领先的国家如美国比，依然不容乐观。1.2 目的和意义在地下矿井开采过程中，由于条件的限制，井下还不能观测到由于开挖造成的采掘工作面周围岩层的破坏和移动过程。工作面矿山压力观测，实质上只是观测了岩层的破坏和移动过程在工作面形成的矿山压力显现。通过模拟实验再现和认识这一力学过程，进一步认识矿山压力形成的机理，对

28、于寻求有效的岩层控制途径是有益的。该实验台能够实现三维模拟放顶煤工作面开采过程中的煤层、岩层、瓦斯的运移规律，能够采集瓦斯、矿压等变化信息。把采集的信息输入到微机进行分析处理，利用分析的结果应用于生产，能够科学的控制顶板，防止冒顶、片帮的发生，及时的组织力量进行瓦斯的抽排，降低自然灾害的发生。1.3 国内外进展近年来国内外用物理模型进行矿压模拟的研究较多，大多是做数值模拟。数值模拟也叫计算机模拟。它以电子计算机为手段，通过数值计算和图像显示的方法，达到对工程问题和物理问题乃至自然界各类问题研究的目的。1.3.1 国外进展国外对矿压模拟实验台的起源较早，早在1983年，当时的西德就建立了大型的特

29、大模拟实验台，专门针对1600m深矿井三维矿压问题进行模拟研究。1.3.2 国内进展我国对矿压的三维物理模拟实验起步较晚，研究的也较少。最近几年，仅有一些高校在做三维物理模拟实验台的研究。08年，中国矿压大学设计了一种煤与瓦斯共采的三维模拟实验台，包括箱体，箱体上设有加压装置，用于对箱体内的岩石均匀加栽，实现矿压模拟；还设有采煤装置，采煤装置可在箱体底部移动，模拟采煤机割煤过程，箱体上还设有进气装置和多个气体检测传感器，用来模拟煤层开采过程中，瓦斯气体在采场多孔介质内运移的模拟试验，综合研究煤层开采过程中，瓦斯在卸压、变形和破碎煤岩体中的解吸和运移规律，得出瓦斯运移与煤岩体裂隙耦合的时空演化及

30、分布规律。然后可以根据研究的结果，进行煤与瓦斯共同开采的模拟研究和开采方案设计。山东科技大学设计了一种相似模拟和物理模拟相结合的采场矿压机械模拟试验台，它是在长方体试验框架下向上依次布置有模拟采高升降装置、模拟煤层底板橡胶板、模拟煤层气囊、层状结构的模拟老顶模型块和加载气囊。试验台的目的是用于研究采场推进过程中上覆岩层运动状态与煤层支承压力变化关系、采场来压时支架阻力与上覆岩层运动状态关系、采场推进过程中上覆岩层的运动状态、煤层支承压力以及底板应力分布关系等问题。山东科技大学还设计了一种采场矿压三维物理模拟试验台，特征包括：用于承载模型的框架式模型台，框架式模型台包括上开放口，位于前、后、左与

31、右方的侧墙板，及底座板；至少在底座板上设置开采口，开采口处设有可拆卸的封堵板条；用于使框架式模型台在设定最大倾斜角度范围内整体倾斜的摆动结构；用于在框架式模型台的开放口方向上对模型施压的加载装置。本发明能模拟大倾角煤层开采实验及模拟煤层深部开采试验，同时还可以模拟底板采煤试验及模拟中部采煤试验等等。第 62页 共 65 页第2章 综采放顶煤工作面概述2.1 综采放顶煤技术的起源和发展2.1.1 国外发展综合机械化放顶煤开采技术最早出现在国外。1957，前苏联研制出了KTY型掩护式放顶煤液压支架，并在库兹巴斯煤田的托姆乌辛斯克使用;1963年法国研制成功了“香蕉”型支撑掩护式液压支架，并于196

32、4年在法国布朗齐矿区达尔西矿，工业实验取得成功；80年代初，匈亚利研制成功单输送机前开天窗式放顶煤液压支架。此后，波兰、南斯拉夫、印度等国都使用过综放技术，但效果不够理想，加上国际能源结构变化等原因，80年代后国外综放技术开始萎缩，90年代只有极少数矿井使用。2.1.2 国内发展我国综放的发展始于80年代。1984年6月，由原煤炭部立项，在沈阳矿务局蒲河矿用我国自行研制的FY400/14/28综放支架开始试验，后因支架稳定性差，四连杆强度不足损坏严重，加之设备的配套性不好，支架不能前移，造成工作面发火中止试验；1987年，平顶山矿务局一矿引进了匈牙利VHP732型高位插底式放顶煤液压支架，取得

33、了平均月产44206t，最高月产55000t，回采率79.6%，平均工效25.5t的初步成绩；1988年阳泉矿务局、1989年潞安矿务局开始试验，超过了以前各局所取得的效果。与此同时，在窑街、靖远、晋城、郑州、兖州、辽源、乌鲁木齐、平庄等矿务局推广使用。从1984年第一个试验工作面算起，到1994年的10年间，我国综放技术迅速发展，1994年，全国综放开采的总产量达到3688104t，有28个矿务局，60个综放面在生产。其中，年产量超过百万吨的2个，综放技术日趋成熟。在设备、工艺、安全保障等方面做了大量的理论研究和现场试验，为近几年的发展打下了坚实的基础。到1998年，全国综放总产量达到700

34、0万t，综放工作面总数达到82个，全国64个百万吨综采队中，有22个是综放，其中9个队的年产达到200万t以上，占当年200万t队的81.8%。使用条件由初期的缓倾斜煤层发展到倾斜、急倾斜煤层；由开采条件较好工作面发展到条件较差的“三软”、“两硬”、“不稳定”煤层。其中以缓倾斜厚煤层工作面的效果最明显，工作面最高年产量达到500万t以上。2.2 放顶煤采煤技术及主要类型2.2.1 放顶煤采煤法的实质放顶煤采煤法的实质就是在厚煤层沿底部布置一个采高23m的长壁工作面，用常规方法进行回采，并利用矿山压力的作用或辅以松动爆破等方法，使支架上方的顶煤破碎成散体后，由支架后方或上方的“放煤窗口”放出，经

35、由刮板输送机运出工作面。2.2.2 放顶煤技术的主要类型目前，我国应用和发展的放顶煤开采技术，按机械化程度和使用的支护设备可分为综采放顶煤和简易放顶煤两大类。简易放顶煤指用滑移顶梁液压支架铺顶网放顶煤、单体液压支柱配型顶梁铺顶网放顶煤等实用技术。 按照煤层赋存条件及相应的采煤工艺，放顶煤采煤法又可分为如下三类： 一次采全厚放顶煤沿煤层底板布置综采（或机采）放顶煤工作面，一次采放出煤层全部厚度。一次才全厚综采放顶煤，一般适用于厚度在1214m以下的缓斜厚煤层：简易型放顶煤一次采全厚，煤层厚度一般应在68m以下。预采顶分层顶网下放顶煤将煤层划分为两个分层，沿煤层顶板下先采出一个23m的顶分层长壁工

36、作面。铺网后，再沿煤层底板布置放顶煤工作面，将两个工作面之间的顶煤放出。一般适用于厚度大于1214m，直接顶坚硬或煤层瓦斯含量高需预先抽放的缓斜煤层。有的矿井已采过顶分层而发展放顶煤，也属这类方法。倾斜分层放顶煤开采煤层厚度在1214m以上，将煤层沿倾斜分为两个以上厚度在68m以上的倾斜分层，依次进行放顶煤开采。2.3 综采放顶煤矿压显现特点及顶煤破碎放出规律2.3.1 放顶煤开采矿压显现的基本规律放顶煤工作面也具有单一煤层采面的一般矿压显现规律，如初次来压、周期来压等。但由于一次采高增大，煤层开采对直接顶岩层和老顶的扰动范围增大，加之直接顶力学特性的变化，势必引起采场矿压显现的新特点。为此，

37、我国进行了大量的现场观测和理论研究，基本结论如下：支撑压力分布。我国关于综放面的支撑压力分布规律进行了许多观测和研究。所得到的基本结论是与单一煤层开采相比，在顶板以及煤层条件、力学性质相同条件下，综放开采的支撑压力分布范围大，峰值点前移。支撑压力集中系数没有显著变化。综放面支撑压力的分布同时受到煤层强度、煤层厚度等影响。a 煤层愈软，支撑压力分布范围愈大，峰值点距煤壁愈远。一般来说，对于软煤层，峰值点为1525m，分布范围4050m；对于硬煤层，峰值点58m，分布范围2030m。b 煤层愈厚，支撑压力分布范围愈大，峰值点距煤壁愈远。放顶煤工作面支撑压力峰值点前移的原因是由于顶煤强度较低引起的。

38、c 如果顶煤中存在一层较厚的强度较大的夹矸层，夹矸层除了影响到顶煤冒落形态外，还会影响到支撑压力分布，使其显现出较硬煤层的支撑压力分布特征。由于顶煤强度低，因此在直接顶和老顶载荷作用下，靠近工作面的顶煤首先发生破坏，进入塑形区，破坏的顶煤刚度迅速降低，顶煤变成弹塑形介质，当载荷继续增加，大于顶煤残余强度时，顶煤不再具有抗载能力，致使顶板载荷向远处逐渐转移，煤体内形成塑形区的范围大，载荷向前方转移的距离就远。煤层强度越低，转移的距离越大，所以支撑压力峰值处越远离工作面。实测资料表明，工作面支架载荷不大，说明离工作面不远的高处就形成平衡结构。支架受载并不因采高加大而增加，仅和煤的强度有关，煤的强度

39、大，则煤的完整性愈好，支架载荷稍大。放顶煤工作面仍有周期来压现象，但不明显，初次来压强度也不大。这是由于破断岩板离工作面较高的原因。在正常回采阶段，采空区已由垮落矸石充满。上覆岩层规则垮落带中形成的砌体平衡结构，离采场较远，不规则垮落带悬梁周期性垮落以及采空区内矸石对悬梁侧向挤压形成的拱式平衡，在跨度增加时也要失稳而引起小规模的压力波动。放顶煤工作面的煤壁及端部顶板的维护显得特别重要。因为煤顶容易破碎，尤其当煤壁片帮、煤顶节理和裂隙比较发育、遇有局部断层、褶曲构造，老顶来压时，加上放顶煤工作面推进速度较慢，容易产生端部冒顶。因此改善支架端部结构，加大支架的实际端部初撑支护强度就十分重要。放顶煤

40、工作面，端头压力和工作面两端平巷压力并不大，虽然由于一次采高增加引起支撑压力增加，但由于是一次采全厚，故回采巷道的矿压显现较分层多次开采缓和。支架前柱的工作阻力大于后柱工作阻力。放顶煤工作面综放支架前柱的工作阻力普遍大于后柱，一般为10%15%，最高的可达到37%。受放煤工序的影响，支架后立柱在放煤后有相当比例的呈现阻力下降，甚至将为零，造成支架支护强度下降，稳定性和可靠性降低。具体情况与顶煤的硬度和冒落形态有关。对于软煤而言，顶煤破碎和放出较充分，支架顶梁后部上方的顶煤较少，不利于传递上覆岩层的作用，因此相对硬煤而言，支架前柱工作阻力大于后柱工作阻力这一特点表现的更加明显。同时，支架承受冒落

41、煤矸冲击造成的动载荷影响明显。下分层综放时的矿压显现规律。有些情况为了排放瓦斯的需要，或是由于煤层厚度过大，不利于提高煤炭采出率等，采取了先用综采方法预采顶分层，然后剩余的下部煤层采取综放开采技术。下分层综放开采的矿压显现仍然具有一般开采的矿压规律但矿山压力显现程度有所减弱，见表21。表21 矿山压力对照表初次来压周期来压平均初撑力/kN工作阻力/kN步距/m增载系数步距/m增载系数预采顶分层26281.22781.081.20 13321438采全高26281.378101.111.28111813052.3.2顶煤的破碎过程及影响因素顶煤只有在支架尾部完全变为松散介质，及破碎的煤块，才能从

42、放煤窗口中放出。一般认为顶煤的破坏过程可以分为四个区。初始破坏区。 一般在煤壁前方34m以外，虽然已进入前方支撑压力影响区，在支撑压力作用下原生裂隙发育，顶煤破坏的力学过程属初期阶段。煤体在三向应力状态下尚未发生强度破坏，保持着完整性。破坏发展区。一般由煤壁前方34m，至控顶区1m以内，主要是接近煤壁时，受顶板的回转作用，煤体发生破坏。裂隙扩展、水平位移和垂直位置急剧增大，但煤体破坏是一个过程，这一区域煤体仍有相对的完整性。裂隙发育区。控顶区约2.5m以内，在支架的反复支撑和卸载作用下，顶煤裂隙裂缝进一步发育，表现为裂隙密度的急剧增加和裂缝迅速扩大。垮落破碎区。控顶区距煤壁约2.5m以外，顶煤

43、进入完全破坏，丧失其连续性，成为可放出的破碎煤块。 从顶煤破坏过程的分区可以看出，造成顶煤在煤壁前方初始破坏的主要是支撑压力的作用。接近煤壁时是顶板的回转，这与顶板的结构有关，特别是来压的步距和强度。在控顶区，主要是支架对顶板的反复“加载卸荷”。而顶煤破坏的基础和依据，是它自身的强度特征。因此，从放顶煤的工程实践出发，提出了顶煤冒放性这一概念，是指在一定的地质采矿条件下，放顶煤采场顶煤在前方支撑压力作用下，冒落放出难易程度的特殊度量。影响顶煤冒落性的因素主要有三个：煤层赋存条件、煤层厚度和工作面长度。2.3.3 综采放顶煤长壁采煤法的应用综采放顶煤以其显著的技术和经济优势在我国得到了迅速发展，

44、已成为厚煤层开采的主要方法之一，并对我国的高产高效矿井建设起到了重要的作用。与厚煤层倾斜分层开采相比，综放开采的优越性主要表现在以下几个方面。有利于合理集中生产。综放开采的一次采出煤层厚度增加，并且可实行采、放平行作业，增加了煤层的开采强度，简化了生产环节并大幅度降低了巷道掘进及维护工作量，实现了矿井的高度集中化生产。对煤层及地质条件具有较强的适应性。由于综放开采顶煤的放出厚度是可以变化的，因此适应煤层厚度变化较大的煤层条件，从而避免了因煤层厚度变化分层工作面难以布置的困难。此外，综放开采对小的地质构造也具有较好的适应性。具有显著的经济效益。由于降低了巷道掘进及维护费、设备占用费、材料消耗费、

45、安装拆迁费及工资等，可使吨煤成本降低1030元，由此，取得的经济效益是显著的。放顶煤采煤法的主要缺点是采出率较低（比分层开采低10%左右），工作面粉尘大，自然发火、瓦斯积聚隐患较大等，应严格采取措施并在应用中注意适用条件。放顶煤综采工艺技术虽然有明显的经济效益，但由于放顶煤是利用矿山压力破煤，因而对煤层的可放性及其赋存条件具有一定的要求，其条件可概括为几点：煤层厚度。一般认为一次采出的煤层厚度以512m为佳。顶煤厚度过小易发生超前冒顶，增大含矸率煤层太厚破坏不充分，会降低采出率。预采顶分层综放开采时，最小厚度为78m。煤层硬度。顶煤破碎主要依靠顶板岩层的压力，其次是支架的反复支撑作用。因此，放

46、顶煤开采时，煤的硬度系数一般应小于3，否则需采取预破碎措施。煤层倾角。缓斜煤层采用放顶煤开采时，煤层倾角不宜过大，否则支架的倒滑问题会给开采造成困难。.煤层结构。煤层中含有坚硬夹石会影响顶煤的放落；或者因放落大块夹矸堵住放煤口。因此，每一夹石层厚度不宜超过0.5m，其硬度系数也应小于3，否则需采取特殊破碎措施。顶煤中夹石层厚度占煤层厚度的比例也不宜超过10%15%。顶板条件。直接顶应具有随顶煤下落的特性，其冒落高度不宜小于煤层厚度的1.01.2倍，基本顶悬露面积不宜过大，以免受冲击。地质构造。地质破坏较严重、构造复杂、断层较多和使用分层长壁综采较困难的地段、上下山煤柱等，采用放顶煤开采比用其他

47、方法能取得较好的经济效益。自然发火、瓦斯和水文地质条件。 对于自然发火期短、瓦斯量大，以及水文地质条件复杂的煤层，先要调查清楚，并有相应措施后才能采取放顶煤开采。目前放顶煤开采应用比重呈上升趋势，产量约占国有重点煤矿的20%左右。特别在高产高效矿井中已占原煤层开采的主导地位。第3章模型实验的相似原理及相似准则3.1 相似条件在某些条件下，如果相似模型能够全面地再现原形的动态，则这些条件称为相似性条件。在采场瓦斯模型试验中，基本的相似条件包括几何相似，运动相似和动力相似。如果两个系统（模型系统和原型系统）中的流动现象完全相似，则全部相似性条件必须都满足。3.1.1 几何相似几何相似即两个研究系统所有对应长度之间的比值必须是相同的。设，表示原型中的某些长度（用下标p表示），而，是它们在模型中对应的长度（用下标m表示），它们的比值叫做长度比例；式中，下标r表示模型中的数值与原型中对应值的比值。严格的几何相似要求：式中l表示任一长度。显然，两系统中面积（A）和体积（U）之间的关系为：式中是面积比例；是体积比例。3.1.2 运动相似运动相似是指流线和等势线组成的流网相似，即两种流网在几何上相似。显然，由于流动区域的边界会形成某些流线或等势线，因此运动上相似的流动也必定是几何上相似的。如果流动区域保持层流，则几何上相似必定是运动上相似的。为此，运动