龙王沟矿特厚煤层综放面矿压规律研究.pdf

论文题目龙王沟矿特厚煤层综放面矿压规律研究 工程领域矿业工程 硕 士 生巨江鹏 签名 指导教师李龙清 签名 贾齐林 签名 摘 要 龙王沟煤矿位于内蒙古自治区准格尔煤田中北部，地处鄂尔多斯市准格尔旗薛家湾 镇境内，为在建矿井。主采煤层为 6 号煤层，倾角为 05，平均埋藏深度 354m，可采 厚度 4.00m30.10m，平均 20m，煤类单一，矸石夹层为 032，岩性以泥岩为主。顶板 主要含砂质泥岩及粉砂岩，底板以砂质泥岩与泥岩为主。 本文以龙王沟煤矿地质条件为背景，首先根据煤层埋深、煤体强度及厚度、节理裂 隙、顶板条件、采放比和放煤口尺寸位置，分析得出 6 号煤层顶煤冒放性一般；其次运 用物理相似材料模拟实验手段研究得出初采期直接顶随采随落，老顶周期来压步距 14m37m（平均 23m），随着推进，工作面上位岩层出现“悬臂梁”产生、折断和“砌 体梁”形成、失稳，及两种结构交替的现象，这是造成综放面周期来压的原因，同时工 作面超前支承压力增大，峰值在 9.2MPa11.7MPa 之间。又通过数值模拟及理论计算认 为，工作面煤壁上方顶板为剪切与拉伸的复合型破坏，采空区上方顶板则是拉伸为主的 破坏形式，支架工作阻力不应低于 14633kN；结果表明龙王沟矿 6 号煤层综放面支架 选用 5.0m2.05m 型，额定工作阻力为 15000kN（两柱掩护式），支护强度为 1.46MPa， 额定初撑力为 12000kN，平均增载系数为 1.23，可以保证工作面安全推进。同时也为煤 层地质条件类似的矿井生产实践提供了科学的参考依据。 关 键 词综放工作面；支承压力；矿压规律；支架工作阻力 研究类型应用研究 万方数据 Subject Research on Strata Behavior Regularity of Fully Mechanized Face with Extra-thick Coal Seam of Long Wang Gou Coal Mine Specialty Mining Engineering Name Ju Jiangpeng Signature Instructor Li Longqing Signature Jia Qilin Signature ABSTRACT Long Wang Gou coal mine is under construction, which is located at the Xuejiawan town,Jungar Qi,Ordos,belongs to north-central of Inner Mongolia Autonomous Region.The main minable coal is the No.6 coal seam and the inclination angle ranged from 0 to 5.Average buried depth of the coal seam is 354 m, recoverable thickness between 4m to 30.1m, an average of 22m.The single class coal,mainly long flame coal, contains 032 layers of dirt band whose lithology is the same as floor with sandy mudstone and mudstone.The lithology of roof is sandy mudstone and siltstone. At first,this paper based on the background of Long Wang Gou geological conditions has the conclusion that the caving property of the top-coal in No.6 coal seam in the analysis of burial depth, coal mass strength, joint fissure, caving ratios and size and position of drawing opening. Then,we take the similar simulation experiment to draw a conclusion that mining along with caving of immediate roof during and the periodic weighting length of main roof between 14m to 37m.With the face advancing, The ation and break of cantilever beam,the ation and instability of voussoir beam and structure alternating which result in the periodic weighting have occurred at overlying strata.At the same time, lead abutment pressure has increased and the peak reaches 9.2Mpa11.7Mpa. Numerical simulation and theoretical calculation show that shearing and tensioning are the main failure modes of roof in the face and working resistance of support should not be less than 14633kN.The roof above coal wall has the perance of composite failure,but the roof above goaf is mainly with tensioning.The result shows that it will be safe to select 5.0m2.05m of the support that has the characteristics 15000kN of rated working 万方数据 resistancetwo-leg shield, 1.46MPa of support strength, 12000kN of rated setting load, 1.23 of average increasing load modulus in the No.6 coal seam of Long Wang Gou coal mine. Key words fully mechanized caving face; abutment pressure; strata behavior regular ity; working resistance Thesis Application Research 万方数据 目录 目 录 1 绪 论 ................................................................................................................................1 1.1 选题背景及研究意义 .............................................................................................1 1.1.1 选题背景 ......................................................................................................1 1.1.2 选题意义 ......................................................................................................2 1.2 国内外研究动态及发展趋势 .................................................................................2 1.2.1 综放开采技术发展与应用现状 ...................................................................2 1.2.2 特厚煤层综放面开采技术研究与应用现状 ................................................3 1.2.3 综放面矿压显现规律研究现状 ...................................................................3 1.2.4 综放面支架工作阻力确定研究现状 ...........................................................4 1.2.5 研究现状综述 ..............................................................................................5 1.3 课题的研究内容 ...................................................................................................6 1.4 本课题研究方案及技术路线 ...............................................................................6 1.4.1 本课题研究方案 ..........................................................................................6 1.4.2 本课题研究的技术路线 ..............................................................................7 2 龙王沟煤矿综放面地质条件及围岩特性分析 .................................................................8 2.1 6 上、6 号煤层概况 ..................................................................................................8 2.2 岩性概述 ................................................................................................................9 2.3 顶煤冒放性规律分析 ........................................................................................... 10 2.3.1 顶煤冒放性研究现状 ................................................................................ 10 2.3.2 顶煤冒放性影响因素 ................................................................................ 11 2.3.3 龙王沟煤矿顶煤冒放性分析 ..................................................................... 14 2.4 本章小结 .............................................................................................................. 16 3 龙王沟煤矿综放面矿压规律相似模拟实验研究 ........................................................... 17 3.1 物理相似材料模拟实验研究 ............................................................................... 17 3.1.1 实验架介绍 ................................................................................................ 17 3.1.2 相似材料模型 ............................................................................................ 17 3.1.3 测试系统 .................................................................................................... 18 3.2 实验过程及结果分析 ........................................................................................... 19 3.2.1 实验过程 .................................................................................................... 20 3.2.2 实验数据分析 ............................................................................................ 27 3.2.3 支承压力分布特征 .................................................................................... 29 I 万方数据 目录 3.3 本章小结 .............................................................................................................. 34 4 龙王沟煤矿综放面矿压规律数值模拟研究 ................................................................... 36 4.1 力学参数的选取 ................................................................................................... 36 4.2 数值模型的建立 ................................................................................................... 37 4.3 工作面走向岩层变形、破坏与运移特征 ............................................................ 38 4.3.1 位移演化特征 ............................................................................................ 38 4.3.2 应力演化特征 ............................................................................................ 41 4.3.3 塑性区演化特征 ........................................................................................ 43 4.4 采场覆岩空间变形、运移特征 ........................................................................... 45 4.4.1 位移演化特征 ............................................................................................ 45 4.4.2 应力演变特征 ............................................................................................ 47 4.4.3 塑性区演变特征 ........................................................................................ 49 4.5 工作面支架阻力分布特征 ................................................................................... 51 4.6 本章小结 .............................................................................................................. 52 5 大采高综放面支架工作阻力确定 .................................................................................. 53 5.1 经验估计法 .......................................................................................................... 53 5.2 顶板分类法 .......................................................................................................... 53 5.3 “砌体梁”理论法 ............................................................................................... 54 5.4 动载荷计算法 ...................................................................................................... 55 5.5 本章小结 .............................................................................................................. 56 6 结论 ................................................................................................................................ 57 致 谢 ................................................................................................................................ 58 参考文献 ............................................................................................................................ 59 附 录 ................................................................................................................................ 63 II 万方数据 1 绪论 1 绪 论 1.1 选题背景及研究意义 1.1.1 选题背景 我国内蒙古煤炭资源异常充足，至今探明其煤炭资源面积达数万平方千米，据不完 全统计有 2400 亿吨，处于全国前列。在这个区域，亿吨以上的煤田有多处，其中大多 数为地层形成较为简单，埋深较浅，煤层结构稳定，而且煤炭的种类应有尽有，大都属 于优质。 我国厚煤层的储量与产量约为 45。厚煤层分布的范围比较广，大部分矿区的主采 煤层大多属于厚煤层，在煤炭含量方面存在一定的竞争力 [1]。 早于 1970 年，我国将分层方式作为厚煤层传统的开采方法，而将大采高手段运用 于一些不大于 5m 的煤层开采中 [2]。1980 年，矿井开采技术进入了新的阶段，尤其是在 煤层地质条件复杂的矿井中，综放技术得到普遍的推广，获得了良好的效果 [3]。同时， 就煤层厚度7m 的矿井来讲，综放手段是一种可以取得较高产值和效益的方法。其优点 主要体现在以下几点 [47] （1）高产高效。综放开采使一面多点同时出煤成为现实。 （2）矿井产量呈上升趋势。从最初的 253 万 t/a 至去年的 1121 万 t/a，有了量的变 化和质的飞越。20 世纪 30 年代山东薛村煤矿采用综放技术，长 300m，走向长 2200m 的工作面，试生产期间日产量峰值达 3.0 万 t，月产峰值至 63 万 t，年生产能力为 600 万 t/a。 （3）掘进巷道所需费用与搬家频率降低。为生产集中化创造了条件，有助于改善 采掘接替计划的制定，还可以在一定程度上节省费用，减少了材料消耗。同时相对于分 层开采而言减少了 50的倒面次数。 （4）适用于情况各异的煤层地质条件。综放开采技术在不易于开采的煤层上取得 较显著的进步，并总结出了各种情况下的开采工艺方式。此外，在煤质与顶板偏硬、埋 藏深度不大情形下也普遍适用。 事实表明，综放技术不仅适用于厚煤层的开采，而且也可以成为保证矿井煤炭高产 出值的一种合理手段。在综放过程中，工作面来压特征显然与一次采全高和分层开采方 式不同。但是至今，国内外学者关于特厚煤层条件下综放工作面顶板来压的观测和分析 甚少。 龙王沟井田位于内蒙古自治区准格尔煤田中北部，地处鄂尔多斯市准格尔旗薛家湾 1 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 镇境内， 为在建矿井。 本井田共赋存 5 层可采或局部可采煤层， 本文主要研究 6 号煤层。 该煤层近于水平，倾角一般在 5左右，煤类以长焰煤为主。煤层平均埋深 354m，可采 厚度 4.00m30.10m，平均 20m，厚度变化大，煤类单一，矸石夹层为 032，岩性以泥 岩为主。顶板主要含砂质泥岩及粉砂岩，底板以砂质泥岩与泥岩为主。煤层在大部分区 域厚且稳定，全区可采，为一稳定煤层，具备大采高综合机械化开采的条件，布置单面， 生产能力可达 8.0 Mt/a 12.0Mt/a。中煤西安设计工程有限责任公司通过勘察，设计矿井 生产能力为 10.0Mt/a，总服务年限不小于 90a，采用斜井开拓方式，目前井筒已掘至 2/3 处。经过综合考虑及分析，6 号煤层适宜运用综采放顶煤手段。 1.1.2 选题意义 本文基于龙王沟煤矿 6 号煤综放面赋存条件，研究开采过程中矿压规律、大小以及 对支架工作阻力的影响，并且根据综放工艺参数提出安全开采的方案和技术措施，保证 工作面能够正常推进和稳定生产，使龙王沟煤矿综放工作面能够安全、高效的生产。同 时，为周边相似矿井的生产实践提供参考依据。 1.2 国内外研究动态及发展趋势 1.2.1 综放开采技术发展与应用现状 放顶煤开采技术源于欧洲， 至今已有百余年历史。 彼时， 仅被视作特殊的采煤方法。 随着矿井生产机械化程度的不断提高，放顶煤开采技术的发展已进入全新的时期。 前苏联于上世纪 50 年代开始对掩护式放顶煤液压支架进行研究，并得到了较为成 功的应用，随后法国、匈牙利等国也陆续开始了对放顶煤液压支架的研究设计，衍生出 了多种型号，并在不同赋存条件煤矿取得了良好的技术经济效益 [9]；针对浅埋硬顶放顶 煤工作面，印度发展出了恒底综采与二次综放开采相结合的开采方式，即先对上分层进 行综采再对下分层进行综放开采，这一方法效果良好。 我国于上世纪 80 年代引入综放技术，是世界上最早采用长壁综放开采技术的国家， 经过 30 余年的艰辛探索，我国的综合机械化放顶煤开采技术在工艺设计、装备设计制 造、岩层控制理论方面的研究已处于世界先进水平，彻底摆脱了从国外模仿引进技术的 命运，转而走向了独立自主，不断创新的新的发展道路，为我国煤炭开采技术写下了浓 墨重彩的一笔 [1113]。 在我国，综放开采技术大致应用于以下两种地质情况，一种是地质条件简单、煤层 稳定、厚度大、瓦斯含量低等大中型矿井，另一种是地质条件复杂，瓦斯含量高、煤层 不稳定、厚度小、煤层松软、煤层倾角较大等小型矿井。近年来，无论是在条件相对优 越的大中型矿井还是在条件相对复杂的小型矿井，综放开采技术都已因地制宜的得到了 2 万方数据 1 绪论 长足发展，极大丰富了综放开采技术的理论体系 [14]。 1.2.2 特厚煤层综放面开采技术研究与应用现状 在国外，针对特厚煤层综放开采的矿压显现规律研究具有一定的水平，前苏联学者 指出工作面的剧烈来压现象是由顶板的突然破断及冒漏引起的；澳大利亚学者 Holla L 和 Buizen MHolla L和Buizen M通过现场观测的方法对特厚煤层长壁综放工作面的顶板 垮落高度进行了研究，指出该类工作面顶板垮落剧烈，具有瞬时性，垮落高度约为采高 的 9 倍；英、美等产煤国家受煤炭开采技术体系制约，多采用房柱式开采，长壁开采较 为鲜见，尚未查阅到与本研究相关的文献资料 [1519]。 “十一五”以来，煤炭工业科技的发展以在国家层面被视为支撑我国整体经济高速 发展的重要战略棋子，针对特厚煤层的大采高综放开采技术的研究也成为了题中的应有 之意。近年来，相关的高等院校、科研机构、生产企业均致力于特厚煤层大采高综放开 采关键技术及重大装备的研究与开发，形成了产、学、研互为支撑、多位一体的发展格 局，转化形成了可观的技术经济效益，有力推动了我国特厚煤层大采高综放工作面向新 的水平阔步迈进 [20]。 1.2.3 综放面矿压显现规律研究现状 1. 顶板来压特征研究现状 开采高度的增大将在客观上影响直接顶与老顶的控制范围，直接顶的破断形式也会 发生相应的改变，这些改变将引发工作面的矿压显现特征较一般工作面出现新的规律与 特点。具体表现为大采高综放工作面矿压显现缓和、来压周期缩短；支架载荷不但不 随着采高的增大而增加，反而与采高呈现出了负相关关系；支架前后柱受力不均匀，后 柱受力普遍小于前柱；顶煤放出后支架易发生空载 [21]。这对这些客观存在现象，我国 学者展开了大量有益探讨。 煤炭科学研究总院康立军通过对分层开采与综放开采两种条件下覆岩运动变形规 律的比对研究得出 [22]，综放开采时顶煤起到的“塑性垫层”作用是造成放顶煤工作面 来压强度相较分层开采较低的主要原因，从老顶的运动破坏演化机制来看，二者的基本 机理相同，而造成差异的主要因素则是顶煤客观上增加了“直接顶”的厚度，对老顶的 支承作用增强，继而导致顶板的初次垮落步距增大。在初采期间，由于垮落煤矸能充分 充填采空区，若将老顶悬露部分视为两端固支的梁，则该梁的等效跨度将由于采空区的 充分充填而缩短。 煤炭科学研究总院古全忠等学者运用数值计算与力学分析相结合的手段对综放工 作面覆岩运移规律展开了研究，研究表明，覆岩的运动是由低位岩层向高位岩层逐步发 展的 [2327]。采场覆岩的运动受“拱梁”结构的形式所影响，其中拱结构是非静态不 3 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 对称压力拱，“拱梁”结构以拱顶的升高为条件，此结构的转换过程实为上覆岩层运 动本质，压力拱在采煤初期形成。临界“拱梁”结构一般在老顶初次来压后形成。直 接顶岩块相同，老顶历经了变形失稳等过程，并在各阶段延续时间较长，同时岩体在断 裂的形态比较整齐。处于老顶的下位岩层的有规律的失稳垮落和老顶上分层的失稳垮落 是其周期来压的独特表征；当工作面上位顶板发生运移的时候，需要考虑到的因素有很 多种，包括岩体硬度、放煤间距、上覆岩层断裂角等；顶煤将要破碎时，因为受在推进 过程中所产生的超前支承压力影响而进一步发展，而此种压力最大值处会伴随有压力拱 的前拱角出现，随着推进，引起拱参数为主变化表现为梁的失稳及平衡梁位置的升高， 说明拱高、宽和梁高、跨距以及支承压力峰值位置是互相影响的，受支承顶板厚度在老 顶来压时大概是放煤厚度的 1.22.1 倍。 王家臣教授认为综放工作面顶板的规则垮落带与不规则垮落带在形式上以“散体 拱”结构为分界线，“拱”的形成位置大致处于冒落的直接顶中 [28]。而这种“拱”结 构的稳定性非常脆弱，需要与老顶结构的运动变形特征相协调才能稳定存在，“拱”的 跨度与推进方向的支承压力降低区域的范围相当，其高度与煤层厚度之和与非规则冒落 带的高度相当，“散体拱”的高度与跨度呈正相关关系，而与直接顶的强度呈负相关关 系，其拱顶位置将直接影响到非规则冒落带的轮廓形态。 2.支承压力分布规律研究现状 靳钟铭教授通过对放顶煤开采与一次采全高开采的矿压显现规律的对比研究得出， 综放开采过程中相较一次采全高，显现出支承压力影响范围大、煤壁前方塑性破坏分布 范围广、支撑压力峰值低的矿压显现特征。分析认为影响综放工作面支承压力分布的主 要因素为煤层厚度、煤体强度以及冒放性，其中支承压力造成的塑性破坏范围随着煤层 厚度的增大而增大，应力集中程度则随着煤层厚度的增大而降低 [29]。 谢和平院士等分析给定变形下综放工作面支承压力的分布规律，研究得出煤岩强 度、原岩变形以及、顶煤和直接顶厚度为影响支承压力的主要因素 [30]。陈忠辉博士等 通过数值模拟和现场实测认为 [3132]支承压力存在显著分区特点，其峰值位置即顶煤初 动点。 吴键教授等运用数值、相似模拟手段，研究认为在工作面方向，因受支承压力影响 的煤层和上覆岩层所产生应力增加的初始位置是相同的，上升的趋势也近似。对于厚度 各异的煤层，在开采时开采厚度与上覆岩层所形成大变形梁的层位为非线性关系，有可 能不会出现大的变化 [3337]。 1.2.4 综放面支架工作阻力确定研究现状 与一般长壁开采工作一样，形成综放工作面“支架围岩”力学模型基本单元包括 支架、直接顶、老顶、底板。 4 万方数据 1 绪论 现今，确定综放工作面支架合理工作阻力方法有估算法、实测统计法两种。 康立军等学者利用物理相似模拟分析放顶煤液压支架的主要有“赋予支承压力”、 “赋予一定形变”和“限制承载重量”三种运作型式 [3840]。采用实际观测手段得出工 作面对采场覆岩运移具有一定影响角 ɑ。 威尔逊在直接顶板形状的情况下，估算了顶板压力。研究得出直接顶破断角 ɑ 板决 定其形状。所以直接顶的破断角 ɑ 是研究支架围岩关系至关重要的影响因子，它对直接 顶形状和边界条件起到制约作用 [41]。 曹胜根教授等采用物理相似模拟实验与现场观测方法得出 [42]，直接顶强度和厚度 与其破断角 ɑ 相关。直接顶强度与破断角成反比，可是对坚硬岩层而言，伴随直接顶厚 度变大，破断角会出现极小值。其厚度对顶板最终下沉量和工作面支架工作阻力 P 之间 关系产生影响，当直接顶为 2、4、6 倍采高时，工作阻力曲线基本为双曲线，说明工作 阻力的变化和顶板下沉量相互关系不大。 一般的分析得出，受采场扰动直接顶岩柱重量与老顶来压时动载作用于工作面支架 之上，载荷和采高成正比。钱鸣高院士等运用理论分析和现场实测的手段 [43]，研究认 为组成支架载荷有两方面其一是直接顶的重量；其二是直接顶在老顶回转时所受压迫 力，即“给定变形压力”。直接顶重量的值是一定的，而“给定变形压力”受直接顶力 学性质和支架让压程度影响。 钱鸣高院士等学者利用 UDEC 软件研究了支架在不同顶煤条件下的工作阻力 [4445]，结果表明支护阻力顶板下沉量、端面顶板下沉量关系曲线在偏软顶煤条件下形 状不同，前者平缓，而后者近于双曲线。当顶煤偏硬时，两曲线趋势没有大的变化，不 会出现双曲线情况，都表现的平滑，只是绝对值大小不一。受顶煤煤质的影响，确定支 架工作阻力方法应区别，煤质偏软时能够利用支护阻力端面顶板下沉量关系曲线来确 定，煤质偏硬时应放弃确定支架工作阻力的传统方法。 1.2.5 研究现状综述 综放开采技术在我国近三十年的沿革发展，在生产技术以及理论研究方面都取得了 骄人的成绩，是我国煤炭工业发展的主要助推力量，伴随着我国煤炭工业走过了底鼓， 牢牢抢抓住了战略机遇，但是我们仍需清醒地认识到，目前综放开采的理论研究水平仍 距离最新的生产实际需求存在一定的距离，综放开采的岩层运动与控制理论亟需一些针 对性更强、更为系统全面的深入研究，目前在该领域研究中存在的问题总结如下 （1）对于不同煤矿的工作面矿压显现规律复杂性、不同采高时支架设计的严密性、 不同围岩情况控制的综合性等技术方案，都需要考虑顶板垮落的高度、规律和范围，从 而研究这些内容具有必要的现实作用。 （2）对综放采场上覆岩层的力学演化机制与控制作用效果缺乏量化的描述与评价 5 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 手段，多以类比法等经验方法对岩层控制的参数依据进行研究，针对性与精确性难以得 到保证