大倾角长壁综放工作面圆弧段割煤工艺与支架稳定性研究.pdf

论文题目大倾角长壁综放工作面圆弧段割煤工艺与支架稳定性研究 工程领域矿业工程 硕 士 生张袁浩 （签名） 指导教师贠东风 （签名） 摘 要 大倾角特厚煤层走向长壁综放工作面支护系统的稳定性控制难度更大。 一些赋存有 大倾角厚煤层的矿井采用走向长壁综放开采技术， 为改善大倾角工作面斜面上支架的稳 定性控制，将运输巷沿顶板水平布置，通过圆弧段过渡至斜面，即圆弧段布置方式。尽 管圆弧段布置将下端头简化为水平工作面下端头， 但同时又带来了圆弧段割煤工艺的复 杂性和支架顶梁的线接触。采煤机在圆弧段割煤造成自行留顶切底现象，导致圆弧段曲 率增大，使得支架顶梁挤紧，刮板输送机悬空。特别是随着循环割煤圆弧段上端点沿更 大倾角斜面上移，斜面支架的稳定性控制恶化，严重时发生支架下滑倾倒。因此，只有 保持圆弧段正常曲率才能使圆弧段布置达到控制支架稳定性的作用。 针对采煤机在圆弧段割煤自行切底留顶致使圆弧段应用效果不佳的问题， 现场采用 滚筒提底挑顶处理，其关键在于滚筒提底与挑顶量值的确定。由于问题本身的复杂性， 难以构建出相应准确的数学模型。 目前现场仅仅是基于粗略的提底挑顶量解析式计算结 果，主要还是通过熟练采煤机司机的经验把握提底挑顶量。 本文基于东峡煤矿 37220 大倾角工作面煤层赋存特征和生产技术条件， 通过理论分 析、科学计算对圆弧段切眼布置方式在大倾角煤层的特点、适应性、布置参数进行分析 和确定；为研究圆弧段布置对大倾角工作面支架稳定性的影响特征，对工作面倾斜段和 圆弧段支架进行受力分析，通过建立力学平衡关系式阐述圆弧段对支架状态的控制作 用； 利用计算机 CAD 绘图软件结合 FLASH 动画软件， 动态模拟采煤机在圆弧段割煤 “切 底留顶”动画效果图，阐述圆弧段割煤工艺复杂性，从而揭示其对圆弧段布置效果的影 响作用；同时，对割煤优化中采煤机滚筒“提底挑顶”操作进行科学计算，定量分析其 量值与位置的关系，论述割煤优化的重要性和必要性。主要研究结果如下 （1） 推导得出圆弧段与倾斜段支架保持自稳临界支撑力和工作面支架侧向力公式， 表明圆弧段布置能够减小支架临界失稳支撑力和工作面支架侧向力， 对大倾角工作面支 架具有控制作用。 （2）计算机动态模拟形象放映了采煤机自行切底留顶所导致工作面顶底板位置发 生演化现象，反映了其对圆弧段布置效果的影响。 万方数据 （3）较精确地推导出滚筒提底挑顶解析公式，得出的提底挑顶值与动态模拟测得 滚筒提底挑顶真实值相比误差较小，能够反映现场真实情况，指导现场割煤操作。 （4）东峡煤矿 37220 大倾角特厚煤层圆弧段工作面结合计算得出的提底挑顶量和 计算机动态模拟结果指导采煤机司机割煤操作，支护系统稳定性得以保障，工作面取得 了较好的技术、经济效益。 本研究结果对于同类型大倾角煤层走向长壁综放工作面是否能够采用圆弧段布置 提高整个支护系统稳定性以及提升圆弧段布置应用效果具有借鉴意义， 论文中计算机动 态模拟采煤机割煤效果动画不仅能够对现场采煤机割煤操作进行直观演示， 对工作面作 业规程的编制和采煤机司机操作培训具有指导作用， 且该动态模拟的方法还可应用于研 究煤矿其他问题。 关 键 词大倾角；综放面；圆弧段切眼；割煤工艺优化；动态模拟；支架稳定性 研究类型应用研究 万方数据 Subject Problems and Control Technology to Maintain Support Stability in the Arc Segment in Mining Steeply Inclined Thick Coal Seam Specialty Mining Engineering Name Zhang Yuanhao Signature Instructor Yun Dongfeng Signature ABSTRACT The support system stability control of the steeply dipping and extra thick coal seam in longwall top-coal caving fully mechanized face is more difficult. In order to control the inclined supports in the steeply dipping coal face, some made transportation roadway along the roof horizontally, and through arc segment connected to inclined section. This is arc segment cutting layout. Although the arc segment simplified lower end support to a horizontal state, the complexity of cutting coal technology and line contact state with canopy of supports appeared. The phenomena of the shearer’s “cutting floor and remaining roof ” made the curvature of arc segment increase, aggravated support normal state and suspended the conveyer. Particularly, with the advance of mining, the up end of arc segment moved up along the inclined section, and support in slope had worse stability. More on that, the support could tilting and gliding. As a result, only keep a normal arc curvature the arc segment layout could control support stability. According to the less effective of arc segment application caused by “cutting floor and remaining roof ” from shearer’s own in arc segment cutting, the drums need to “lifting the cutting unit out of floor and into the roof ”. More important is that, the key is how to determine the value of it. Because of its complexity, an accurate mathematical model is hard to be established. The current scene base on the result by rough calculation and mainly through the shearer operators’ working experience. Basing on coal seam existing characteristics, production conditions and technical level in the No.37220 steeply dipping face of Dongxia coal mine, it has analyzed and determined that the trait of arc segment cutting layout, adaptability and parameters. Then, Using force analysis on inclined section and arc segment supports to explore the influence of arc segment on support system. Explain how the arc segment has a controlling to the support state through 万方数据 mechanical equilibrium equations. Furthermore, it use a combination of AutoCAD and Flash to dynamically simulate a running effect figure of “cutting floor and remaining roof ” while shearer is cutting coal. Besides, the value of drum’s “lifting the cutting unit out of floor and into the roof ” and the positional relation of shearer with it had been determined by scientific calculation and computer dynamic simulation. The significance and necessities of cutting optimization is exposited too. The main research results are as follows 1The inclined section supports and arc segment supports critical support pressure to keep self-stable and lateral force ula indicate the above pressure and force will both decrease because of arc segment layout and the arc segment has a controlling to the support. 2Computer dynamic simulation discover that the shearer’s “cutting floor and remaining roof ” by itself make the position of floor and roof change to influence the effect of arc segment layout. 3The value of “lifting the cutting unit out of floor and into the roof ” result from the approximation ulas by more accurate combined with the result gotten from computer dynamic simulation could reflect practical situation to guide cutting operation. 4 Combining the value from computer dynamic simulation and calculation ula, the shearer operators worked under the guidance of cutting operation in No. 37220 steeply dipping face of Dongxia coal mine. It got an economic benefit, technical and social benefit. Also, support system stability had been guaranteed. The results of this research have reference significance for fully-mechanized top coal caving face in steeply dipping coal face whether a steeply dipping face should use the arc segment cutting layout to improve the stability of total supporting system and application effect. Also, shear cutting animation in computer dynamic simulation not only a direct demonstration of practical situation but also have a directive significance for establishment of working face regulation and workers training. Moreover, the of dynamic simulation can also use to explore other problems. Key words steeply dipping; fully-mechanized top coal caving face; arc segment cutting layout; cutting technology optimization; dynamic simulation; support stability Thesis Application Research 万方数据 目 录 I 目 录 1 绪论 ..........................................................................................................................................1 1.1 选题背景及研究意义 ....................................................................................................1 1.1.1 本课题研究背景 ..................................................................................................1 1.1.2 课题研究目的和意义 ..........................................................................................1 1.2 大倾角综放开采国内外研究动态 ................................................................................2 1.2.1 国外大倾角工作面开采的研究动态 ..................................................................2 1.2.2 国内大倾角煤层综放开采研究动态 ..................................................................4 1.3 论文研究内容 ................................................................................................................7 1.4 论文研究技术路线 ........................................................................................................8 2 工作面条件 ..............................................................................................................................9 2.1 矿井概况 ........................................................................................................................9 2.2 井田煤层赋存情况 ........................................................................................................9 2.2.1 含煤性 ..................................................................................................................9 2.2.2 可采煤层 ..............................................................................................................9 2.3 37220 工作面概况及地质条件 ...................................................................................10 2.3.1 工作面概况 ........................................................................................................10 2.3.2 工作面煤层及顶底板概况 ................................................................................ 11 2.3.3 开采煤层及顶底板力学性质 ............................................................................12 2.3.4 工作面其他开采技术条件 ................................................................................13 2.4 采煤方法 ......................................................................................................................13 2.5 本章小结 ......................................................................................................................13 3 大倾角特厚煤层工作面圆弧段参数设计 ............................................................................14 3.1 圆弧段布置方式 ..........................................................................................................14 3.2 圆弧段布置参数研究 ..................................................................................................16 3.2.1 布置参数原则 ....................................................................................................16 3.2.2 布置参数及设备适应性分析 ............................................................................16 3.2.3 布置参数确定 ....................................................................................................20 3.3 本章小结 ......................................................................................................................21 4 圆弧段支架稳定性及割煤优化研究 ....................................................................................22 4.1 圆弧段支架稳定性 ......................................................................................................22 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 II 4.2 圆弧段割煤优化计算机动态模拟 ..............................................................................29 4.2.1 采煤机切底留顶轨迹模拟 ................................................................................30 4.2.2 采煤机提底挑顶量及位置关系 ........................................................................35 4.3 割煤优化计算解析式 ..................................................................................................39 4.3.1 后滚筒提底量解析式 ........................................................................................39 4.3.2 前滚筒挑顶量解析式 ........................................................................................46 4.3.3 提底量解析值与动态模拟真实值比较 ............................................................51 4.4 割煤工艺复杂性对支架稳定性的影响 ......................................................................53 4.5 割煤优化对现场工作的指导意义 ..............................................................................55 4.6 本章小结 ......................................................................................................................56 5 工程实例 ................................................................................................................................57 5.1 圆弧段布置实例 ..........................................................................................................57 5.1.1 大倾角工作面圆弧段布置 ................................................................................57 5.1.2 圆弧段割煤工艺复杂性 ....................................................................................57 5.2 工业性试验效果 ..........................................................................................................58 5.2.1 工作面设备配置及回采工艺 ............................................................................58 5.2.2 试验开采技术经济指标 ....................................................................................59 5.2.3 圆弧段支架工作阻力及侧向力监测 ................................................................60 5.2.4 保持圆弧段正常曲率的重要性 ........................................................................62 5.3 本章小结 ......................................................................................................................63 6 结论与展望 ............................................................................................................................64 6.1 结论 ..............................................................................................................................64 6.2 不足与展望 ..................................................................................................................65 参考文献 ...................................................................................................................................66 致 谢 .........................................................................................................................................70 附 录 .........................................................................................................................................71 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题背景及研究意义 1.1.1 本课题研究背景 近年来，全球能源需求量增长速度仍处于持续减缓状态。2014 年，全球煤炭生产总 量降低 0.7，其中中国下降 2.6为全球最大跌幅[1]。已持续三年的国内煤炭市场疲软 现象，对煤炭产业造成了不小冲击[2]。由于煤炭需求总量减缓，投资增速减缓，产能过 剩、市场需求不足以及新能源冲击等影响，煤炭产业遭遇了寒冬。但从储产比来看，目 前煤炭仍然是储量最丰富的化石能源， 2014 年我国煤炭产量与消费量分别占世界总量的 46.9和 50.6 [1]，而煤炭作为我国经济可持续发展的重要能源，在未来仍会有很长一 段时间占主体地位。 当下，建设高效矿井是现阶段煤矿走出困境的必要途径。由于多年来对浅埋、近水 平以及缓斜等开采难度较低的煤层资源的开采，赋存特征简单的煤炭储量随之减少，不 得不转向开采煤层赋存特征较为复杂的大倾角、深部煤层。 “大倾角煤层”在煤炭开 采工程与学术界尚无统一定义，大多数学者与工程技术人员倾向于将 3555煤层称 为大倾角煤层。这类煤层约占我国现存煤炭探明储量的 20和产量的 10，大多分布在 宁夏、重庆、甘肃、新疆、贵州、四川、云南等省，如何在保证安全的前提下，尽可能 高效的开采这类储量多、赋存特征较复杂的大倾角煤层，是近年来大倾角煤层开采亟需 解决的问题。 甘肃华亭煤电股份有限集团东峡煤矿 37220 区段位于矿区南井田向斜轴的西翼。 由 于 37220 工作面煤层结构复杂，煤层倾角大、厚度大、硬度大、易燃，整层开采综放技 术顶煤不易冒落、回收率低，因此需采用分层开采方法，但水平分段放顶煤采煤法具有 生产能力低、单产低、万吨掘进率高、回采率低等缺点，难以实现大倾角特厚煤层的高 产高效开采。结合东峡煤矿过去几年开采大倾角煤层取得的实际经验，为解决该矿约 1800 万吨赋存条件较为复杂的煤层开采问题， 采用大倾角特厚煤层走向长壁倾斜分层综 采放顶煤技术，但由于开采这类煤层存在的大量技术难题和煤层赋存的客观条件，要做 到安全高效开采，必须要从采煤工艺上保证大倾角特厚煤层工作面顺利推进，实现最大 的采出率。 1.1.2 课题研究目的和意义 论文研究的目的是从理论和实践上分析圆弧段工作面的布置是否能够在大倾角特 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 2 厚煤层走向长壁综放工作面条件下发挥其对以支架为主的工作面设备的稳定作用， 特别 是探究采用圆弧段切眼布置时的效果如何，以及这种布置方式对割煤工艺的特殊要求。 其中包括圆弧段切眼布置方式在大倾角煤层工作面的适应性、参数设计、回采工艺以及 支架稳定性研究，从而解决东峡煤矿大倾角工作面开采设备的下滑、倾倒问题，保证工 作面的稳定和正常推进，使大倾角特厚煤层走向长壁综放工作面开采达到安全生产、高 产高效、高回收率、低含矸率的目的和效果。归纳总结出一套完整的适合大倾角特厚煤 层条件圆弧段布置工作面的稳定、安全、高效的割煤优化工艺，为东峡煤矿大倾角长壁 综放工作面高产高效安全开采提供科学依据。此外，能够为同类课题的研究提供一定的 参考依据。 1.2 大倾角综放开采国内外研究动态 1.2.1 国外大倾角工作面开采的研究动态 上世纪 30 年代，前苏联已经对大倾角矿压显现特征及规律进行了一定研究，将相 似模拟实验结果与矿压观测数据结合，总结出了顶板位移量、支架阻力等参数的计算准 则。欧洲的一些国家在 19401950 年期间便开始在煤层工作面采用放顶煤法。随后，前 苏联于1970年开始研制适用于倾角较大煤层工作面的支架与采煤设备并获得初步成功， 并着力于对这类复杂煤层的回采工艺做更进一步探索， 之后又对大倾角煤层工作面机械 设备、采煤方法进行了系统陈述，所获取的成就与成果也成为了今后矿业领域对大倾角 煤层研究的基础 [36]。加拿大米歇尔矿区巴尔梅尔矿采用水力采煤法试验开采了 25 55的厚煤层，并通过伪倾斜布置等措施增大了产量，减小了煤尘和事故，获得了较 好的效果。 80 年代初期， 英国学者威尔逊为得出阻止煤层顶板不沿岩层面失稳下滑所需 支架工作阻力解析式，从而探究不同倾角对顶岩稳定性特征的影响 [7] 。 上世纪 80 年代，龙恩-亚卡和叶娜基耶夫卡娅矿区采用乌克兰顿涅茨煤矿机械设计 院为其设计并改进的大倾角采煤机及支护设备。设计将采煤机连接到绞车系统上，并在 工作面回风巷中设置了防滑绞车，支架设备安装输送机、防滑千斤顶和降尘系统，其在 多个工作面使用效果也证实这项设计能够较高的提升工作面开采产量。其中，龙恩-亚 卡矿区在试验生产期， 平均月产可达为 1.3 万 t， 大倾角综合机械化开采技术得到了发展 [8]。除此之外，美国的大陆输送机和设备公司也对煤矿设备进行了设计优化，其研造成 功适用于大倾角煤层的胶带输送机，与传统的卡车运输方式相比，提高了能量利用率， 减少了土方挖掘工程量，也为今后大倾角输送机的发展奠定了基础[9]。德国资助本国艾 什维尔矿业联合公司设计和试验煤层倾角为 31.549和 4563的工作面设备， 提出对倾角为 31.549的煤层使用了掩护支架、截割式采煤设备和链板运输机的工 作面设备， 使用这些设备工作面推进可通过地质断层； 对 45以上的煤层最初使用冲锤 万方数据 1 绪论 3 式采煤机与掩护支架配套未能达到预期的效果， 由于这一倾角范围的煤层使用冲锤式采 煤机受到限制，改用截割式采煤机。试验工作面所取得的结果