大倾角特厚煤层倾斜分段综放面矿压显现规律研究.pdf

论文题目大倾角特厚煤层倾斜分段综放面矿压显现规律研究 专 业采矿工程 硕 士 生刘柱 签名 指导教师贠东风 签名 摘 要 大倾角煤层采用走向长壁开采时，顶板冒落矸石沿工作面倾斜方向的不均匀充填 和约束作用使得围岩变形、垮落具有明显的不对称性和时序性，矿压显现规律有其特 殊性和复杂性。华能华亭煤业集团东峡煤矿 37220 区段具有倾角大（5574） 、厚 度大（19.6m）及煤层结构复杂等特点，采用倾斜分段走向长壁综采放顶煤采煤法。因 此，掌握大倾角特厚煤层倾斜分段走向长壁综放面的矿压显现规律，对提高资源回收 率，增加矿井经济效益，实现矿井安全生产，具有较大的实际意义。 本文综合运用理论分析、相似模拟实验、数值模拟和现场观测等研究手段，对大 倾角特厚煤层倾斜分段走向长壁综放面的矿压显现规律进行了研究。研究表明 （1） 倾斜上分段 37220-1 工作面平均周期来压步距大于倾斜下分段 37220-2 工作面；37220- 2 工作面平均支架载荷大于 37220-1 工作面，37220-2 工作面矿压显现较为强烈。 （2） 37220-1 工作面支架载荷呈现出下部最大，中部次之，上部最小的分区特征，而 37220- 2 工作面支架载荷呈现出中部最大、上部次之、下部最小的分区特征。支架前立柱载荷 高于后立柱载荷，两柱掩护式架型优于四柱支撑掩护式架型。 （3）37220-1 工作面支承 压力上部最小，中部较大，下部最大；而 37220-2 工作面支承压力下部最小，上部较 大，中部最大。37220-1 工作面超前支承压力峰值、影响范围及平均应力集中系数均大 于 37220-2 工作面。 （4）工作面采用“水平圆弧倾斜”布置时，圆弧段和倾斜直线 段两侧的煤岩体应力分布和塑性区分布具有非对称性。 （5）大倾角特厚煤层采用倾斜 分段开采时，回采倾斜下分段时，倾斜上分段采空区的冒落煤矸可及时充填至倾斜下 分段采空区，有利于倾斜下分段工作面顶板管理。 现场实践表明，理论分析和实验研究符合现场实际，取得了良好技术经济效益。 对类似条件下大倾角特厚煤层的安全高效开采具有一定的借鉴意义。 关 键 词大倾角煤层；倾斜分段；走向长壁；综放工作面；矿压显现规律 研究类型应用研究 万方数据 Subject Studies on Strata Behavior Arround Fully Mechanized Multi-Slicing Top-Caving Faces Mining Steeply Dipping Thick Coal Seam Specialty Mining Engineering Name Liu Zhu Signature Instructor Yun Dongfeng Signature ABSTRACT When the steeply dipping seam employs longwall mining along the strike direction is employed, the waste rocks fill the gob non-homogeneously along the dip direction, the deation and caving of surrounding rocks exhibit obvious asymmetry and spatio-temporal characteristics with particular and complex strata behavior. The coal seam of No.37220 section in Dongxia coal mine is steep 5574, extra thick 19.6m and complicated in structure, we have finally decided to adopt the sub-inclination longwall-along-the-strike fully mechanized top-caving mining . Thus, it is of great practical significance to get hold of the law of overburden movement and strata behavior, improving resource recovery, increasing the economic benefit and realizing safety production operation. This paper by means of theoretical analysis, physics simulation, numerical simulation and field observation, the characteristics of strata behavior are studied in the No.37220 section. The result shows that 1 The weighting interval of Sub-inclination 37220-1 is larger than Sub-inclination 37220-2’s, while the support pressure and strata behavior Sub-inclination 37220-2’s are larger than Sub-inclination 37220-1’s. 2 The pressure of powered supports is of subarea characteristic, the Sub-inclination 37220-1 support pressure present the lower part is the maximum, the middle part is the second, and the upper part is the minimum. However, the Sub-inclination 37220-2 present the middle part is the maximum, the upper part is the second, and the lower part is the minimum. In steeply dipping fully mechanized top-caving face, the front legs pressure is higher than that of the rear legs’ and the two-leg shied is superior to four-leg choke-shield. 3 The abutment pressure of Sub-inclination 37220-1 present the lower part is the maximum, the middle part is the second, and the upper part is the minimum. However, the Sub-inclination 37220-2’s abutment pressure present the middle part is the maximum, the upper part is the second, and the lower part is the minimum. The abutment pressure, influence area and average stress concentration coefficient of Sub- 万方数据 inclination 37220-1 are all larger than Sub-inclination 37220-2’s. 4 As the layout of working face adopts “horizontal line–arc segment–inclined line”, the stress distribution and plastic zone distribution of coal and rock is asymmetry in arc segment and inclined line. 5 The steeply dipping extra thick coal seam employs sub-inclination mining , the waste of upper sub-inclination’s gof could fill the lower sub-inclination void, which benefit to roof control of lower sub-inclination. Field practice shows that theoretical and experimental analys are according with field practical, and achieved better technical and economic benefits. Our study provides a reference for safety and efficient mining for steeply dipping fully mechanized top-caving face under the similar conditions. Key words steeply dipping coal seam; sub-inclination; longwall along the strike; fully mech- anized top-caving face; strata behavior Thesis Application Research 万方数据 目录 I 目 录 1 绪论 ....................................................................................................................................1 1.1 问题的提出 ...................................................................................................................1 1.2 研究目的及意义 ...........................................................................................................2 1.3 国内外研究现状 ...........................................................................................................2 1.3.1 大倾角煤层开采国内外研究现状 ..........................................................................2 1.3.2 大倾角煤层矿压显现规律国内外研究动态 ..........................................................4 1.4 论文研究的内容及技术路线 ........................................................................................6 1.4.1 论文研究内容 ........................................................................................................6 1.4.2 研究技术路线.........................................................................................................6 2 大倾角特厚煤层倾斜分段综放开采损伤力学分析 ...........................................................8 2.1 工作面地质条件和回采工艺 ........................................................................................8 2.1.1 工作面地质条件 .....................................................................................................8 2.1.2 回采工艺 .............................................................................................................. 10 2.2 大倾角特厚煤层顶煤损伤力学分析 ......................................................................... 11 2.2.1 顶煤损伤破坏分析 ............................................................................................... 11 2.2.2 顶煤损伤主轴确定 ............................................................................................... 11 2.2.3 工作面支架载荷分析 ........................................................................................... 12 2.2.4 主要结果 .............................................................................................................. 13 2.3 本章小结 .................................................................................................................... 13 3 大倾角特厚煤层倾斜分段综放开采相似模拟实验研究.................................................. 14 3.1 相似模拟实验设计 ..................................................................................................... 14 3.1.1 实验目的 .............................................................................................................. 14 3.1.2 实验模型设计 ...................................................................................................... 14 3.1.3 实验方法设计....................................................................................................... 16 3.2 走向模拟实验 ............................................................................................................. 19 3.2.1 沿走向上覆岩层垮落特征 ................................................................................... 19 3.2.2 沿走向支架载荷特征 ........................................................................................... 23 3.2.3 沿走向支承压力分布特征 ................................................................................... 24 3.3 倾向模拟实验 ............................................................................................................. 25 万方数据 目录 II 3.3.1 沿倾向上覆岩层垮落特征 ................................................................................... 25 3.3.2 沿倾向支架载荷特征 ........................................................................................... 28 3.3.3 沿倾向覆岩位移特征 ........................................................................................... 30 3.4 本章小结..................................................................................................................... 31 4 大倾角特厚煤层倾斜分段综放开采数值模拟研究 ......................................................... 32 4.1 数值计算方法介绍 ..................................................................................................... 32 4.2 数值计算模型建立 ..................................................................................................... 32 4.2.1 几何模型确定....................................................................................................... 32 4.2.2 计算参数 .............................................................................................................. 33 4.3 煤层应力场和破坏区分布特征 .................................................................................. 34 4.3.1 煤层应力场分布特征 ........................................................................................... 34 4.3.2 煤层破坏区分布特征 ........................................................................................... 35 4.4 围岩应力场和破坏区分布特征 .................................................................................. 36 4.4.1 沿走向围岩应力场分布特征 ............................................................................... 36 4.4.2 沿走向围岩破坏区分布特征 ............................................................................... 37 4.4.3 沿倾向围岩应力场分布特征 ............................................................................... 38 4.4.4 沿倾向围岩破坏区分布特征 ............................................................................... 39 4.4.5 支承压力分布特征 ............................................................................................... 41 4.5 本章小结..................................................................................................................... 42 5 大倾角特厚煤层倾斜分段综放开采矿压观测与分析 ..................................................... 43 5.1 工作面矿压观测方案 ................................................................................................. 43 5.1.1 观测目的 .............................................................................................................. 43 5.1.2 观测内容 .............................................................................................................. 43 5.1.3 测站布置 .............................................................................................................. 43 5.1.4 矿压监测系统 ...................................................................................................... 44 5.2 工作面矿压显现特征................................................................................................. 44 5.2.1 支架载荷特征 ...................................................................................................... 45 5.2.2 侧护板载荷特征 ................................................................................................... 46 5.2.3 底调机构载荷特征 ............................................................................................... 48 5.2.4 前后立柱载荷特征 ............................................................................................... 49 5.3 回采巷道变形特征 .................................................................................................... 50 5.4 本章小结 .................................................................................................................... 52 万方数据 目录 III 6 结论 .................................................................................................................................. 53 致 谢 ................................................................................................................................... 54 参考文献 ............................................................................................................................. 55 附 录 ................................................................................................................................... 59 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 问题的提出 在富煤贫油少气的中国能源结构现状下，煤炭作为我国重要基础能源，虽然现阶 段受到产能过剩、库存高企、下游市场乏力、进口低价煤等不利因素的影响，使其市 场行情低靡。但就国家的长期经济可持续发展形式而言，煤炭作为我国一次能源主体 地位很难改变。由于煤炭资源开采强度增大，在东部矿区中开采条件较好的煤炭资源 接近枯竭，由开采条件相对优越的煤层转向开采大倾角煤层，从而实现矿区的可持续 发展。西部矿区中 50的矿井开采的是大倾角煤层，并且大倾角煤层是许多矿区或矿 井的主采煤层，主要分布在四川、甘肃、重庆等地。我国大倾角煤层的储量约占煤炭 总储量的 14.05，年产量占全国煤炭总产量的比例为 810，而且有增加趋势[12]。 在大倾角煤层中，开采厚煤层的比例较大，如甘肃窑街矿区和靖远矿区、宁夏石炭井 矿区、新疆乌鲁木齐矿区等多是煤层倾角在 45以上的厚煤层。大量研究与实践表明 [34]，对大倾角工作面的上覆岩层移动规律、采场矿压显现规律、支护系统稳定性等进 行研究，掌握大倾角走向长壁工作面在回采过程中矿压显现特征，采取针对性措施从 而实现安全开采，对于提高资源回收率，增加矿井效益，减少事故，具有较大的意 义。 华能华亭煤业集团东峡煤矿西翼 37220 区段具有倾角大（5574） ，厚度大（1 9.6m） 、易燃（最短自燃发火期 37d） 、煤层结构复杂等特点。若采用水平分段综放开采 尽管技术难度小（不存在支架下滑与倾倒问题） ，但存在分段数多、工作面短和掘进率 高等缺点。若采用走向长壁整层（一次采全厚）综放开采虽掘进率最低，但需要采取 防倒防滑措施控制支架的稳定性，而且顶煤回收率较低。而采用倾斜分段走向长壁综 采放顶煤采煤法虽掘进率较走向长壁整层综放开采高一倍，也存在支架倾倒下滑等问 题，但顶煤回收率高；倾斜上分段回采结束后，在回采倾斜下分段时能够大量放出倾 斜上分段堆积在其采空区下部的大量遗煤。故经综合论证后确定采用倾斜分段走向长 壁综采放顶煤采煤法。 倾斜分段与倾斜分层的不同点是倾斜分层的分层厚度较小（2m3m）且不放煤， 而倾斜分段是指煤层厚度超过 15m20m 以上时，自煤层顶板至底板将煤层沿平行煤层 层面的斜面将煤层划分成 8m10m 的分段，依次进行放顶煤开采[5]。南斯拉夫维林基 煤矿曾用此法开采厚度为 80m100m的褐煤层。根据东峡煤矿 37220 区段煤层平均厚 1 9.6m，划分为两个倾斜分段，即倾斜上分段 37220-1 工作面和倾斜下分段 37220-2 工作 面。37220-1 工作面和 37220-2 工作面均采用“水平圆弧倾斜”布置方式，倾斜上 分段 37220-1 工作面回采结束后，回采倾斜下分段 37220-2工作面。 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 2 1.2 研究目的及意义 大倾角煤层由于其煤层和岩层沉积结构的特点，造成了其特殊开采复杂性，且煤 层倾角越大，开采越复杂。大倾角煤层采用走向长壁开采时，顶板冒落矸石沿工作面 倾斜方向的不均匀充填使得顶板变形和垮落具有明显的不对称性和时序性，矿压显现 规律具有特殊性和复杂性。 论文研究的目的是对东峡煤矿大倾角特厚煤层倾斜上分段 37220-1工作面和倾斜下 分段 37220-2 工作面的矿压显现规律进行系统研究，得出大倾角特厚煤层倾斜分段开采 的矿压显现规律，指导工作面生产期间的顶板管理和支架操作，评定工作面“三机” 可靠性和适应性，为评价支架的适应性和改进并完善支架设计提供依据。 因此，有必要对大倾角特厚煤层倾斜分段综放工作面的矿压显现规律等问题进行 深入研究，不仅具有重要的理论价值，而且对我国煤炭行业的可持续发展和大倾角煤 层安全高效开采具有重大的经济效益和社会效益。 1.3 国内外研究现状 1.3.1 大倾角煤层开采国内外研究现状 我国大倾角煤层开采始于新中国成立前，主要采用非机械化开采。在上世纪 50 年 代左右，主要采用倒台阶采煤法开采大倾角煤层，这种采煤方法的特点是采用单体支 柱支护工作面顶板，但是支护系统稳定性差，支护失稳后易引起大面积顶板冒落，从 而形成灾害性事故[6]。60 年代，在安徽的淮南矿区研制了 “八”字形掩护支架并成功 试验了柔性掩护支架采煤法，但是存在对煤层厚度和倾角等变化适应性差、事故频 发、回采效率低等问题[7]。到 80 年代，在四川开展了大倾角俯伪斜采煤法的改革，并 成功应用于广旺、南桐和芙蓉矿务局，回采面按煤层俯伪斜方向布置，用分段水平密 集切顶挡矸隔离回采空间与采空区，虽然提高了工作面的安全状况，但是工人劳动强 度仍然很大，通风条件较差，容易积聚瓦斯[89]。 从 80 年代开始，越来越多的高等院校、科研院所与煤炭企业致力于大倾角煤层综 合机械化开采的技术与设备研究，积极引进西德、乌克兰等国的先进装备技术，在较 多大倾角走向长壁工作面进行了试验与生产。 1996 年，四川华蓥山矿务局、西安科技大学、煤炭科学研究总院北京分院等单位 在绿水洞煤矿 5654 工作面进行了大倾角煤层综合机械化开采试验，成功开采了煤层倾 角为 2541的煤层，产量为 0.5Mt/a 0.6Mt/a，取得了良好的经济效益和社会效 益，技术水平位居国际先进行列[10]。 2003 年，甘肃靖远煤业集团联合西安科技大学、中国矿业大学、郑州煤矿机械集 万方数据 1 绪论 3 团等单位针对王家山煤矿 44407 工作面煤层平均厚度为 15.5m，煤层倾角为 384 9，采用走向长壁综采放顶煤采煤法，进行了实验室研究、理论分析并进行了工业性 试验。工作面创新采用“倾斜圆弧过渡水平”布置，解决了端头区域顶板支护问 题，提高了支护系统的稳定性并提高了资源回收率。工作面单产最高达到 9.71 万 t/ 月，回采率为 82.27，回采工效为 45 t/工日，极大提高了矿井生产效率，取得了良 好的技术和经济效益[11]。 20042005年，甘肃华亭煤业集团与西安科技大学合作对东峡煤矿大倾角（324 7）煤层群进行走向长壁综放开采技术研究，成功试验了“小放高”和“大放高”开 采技术，取得了良好的经济和安全效益[12]。 2010 年，新疆焦煤集团与西安科技大学合作对 2130 煤矿的大倾角 25221 工作面进 行大采高开采技术研究，对“回采工艺、三机设备稳定性、煤壁片帮、顶板弱化、工 作面安全防护”等方面进行了系统研究，产量同比增加 54，回采率达到 90，成功 开采了国内外第一个大倾角大采高（3.5m4.5m）工作面[13]。 2011 年，平顶山天安煤业八矿针对大倾角 14030 工作面布置在近距离煤层采空区 下，在工作面回采过程中出现的顶板冒落、煤壁片帮、