公乌素煤矿1604放顶煤工作面采煤关键参数研究.pdf

内蒙古科技大学硕士学位论文 硕士学位论文硕士学位论文 论文题目论文题目公乌素煤矿公乌素煤矿 1604 放顶煤工作面采煤关键参数放顶煤工作面采煤关键参数研究研究 英文题目英文题目Gongwusu Mine 1604 caving coal face mining key parametric studies 学位类学位类别别硕士___ 研 究 生 姓研 究 生 姓 名名阴磊学号学号_ _201102409___ 学科学科领域领域名称名称矿业工程 指导教指导教师师张金山职称职称教授 协助指导教协助指导教师师吴国良职称职称副教授 2013 年 6 月 7 日 分类号分类号TD8TD8密密级级公开公开 U D C 学校代码学校代码1012710127 内蒙古科技大学硕士学位论文 内蒙古科技大学硕士学位论文 1 摘摘要要 以神华乌海能源集团公乌素煤矿 1604 综放工作面为背景，根据该工作面的煤矿地 质报告、煤层赋存条件、补充的钻孔柱状图等地质资料，在收集了煤矿基本的资料和煤 岩样后，在实验室中进行了岩石力学实验，并运用理论分析、FLAC3D数值模拟等方法， 建立该工作面的数值模型，研究了具体的采煤关键参数对煤矿安全生产的影响。 具体研究了以下内容 ①通过有关理论及经验公式计算出了该工作面合理的放煤高 度、顶煤岩破碎高度等有关参数；②通过在煤矿的煤岩样取样及实验室岩石力学实验， 得到了 1604 放顶煤工作面煤岩样试件的视密度、抗拉强度、单轴抗压强度、抗剪强度、 弹性模量、内聚力、泊松比和内摩擦角等岩石力学参数；③通过改变工作面的采高和放 煤步距来分析研究了采高和放煤步距的改变对工作面顶煤冒放性和煤壁稳定性的影响 规律，④通过数值模型的开挖运行以及模拟分析，得到了工作面在倾向长度不同的情况 下，工作面多个测点的前方支承压力的变化规律；⑤现场在采用了具体的参数后，进行 了效果分析，生产高效、经济效益较好，工作面条件安全。 利用 FLAC3D软件模拟参数变化的情况，总结综放工作面顶煤、煤壁的矿山压力和矿 压显现的数值显现规律，从而对采放比、放煤步距、倾向长度等放顶煤工艺关键参数进 行优化以获得合理的参数范围研究结果表明采高控制在 2.5m3.5m 之间时，顶煤破碎 性较好，煤壁稳定性也较稳定；放煤步距选择 0.6m 时，已经基本满足了工作面放顶煤 和维护煤壁稳定的需求；工作面倾向长度定义到 300m 以上时，工作面前方支承压力的 变化趋势已变缓；现场的工作面生产条件既达到了安全生产的要求，又实现了较好的经 济效益。 由实验及模拟的结论可以看出，公乌素煤矿 1604 放顶煤工作面在应用了具体的采 煤关键参数后，并在采取了相应的措施下，可以保证 1604 放顶煤工作面的高产高效的 安全生产工作。 关键词关键词数值模拟；关键参数；前方支承压力；顶煤冒放性；煤壁稳定性 内蒙古科技大学硕士学位论文 2 AbstractAbstract In Shenhua Wuhai energy group Gongwusu coal mine 1604,it is fully mechanized caving face acting as the background, according to the working face of coal mine geological report, occurrence condition, coal seam complementary drill histogram and other geological ination. In the collection of the basic data of coal and coal rock, rock mechanics experiments were carried out in the laboratory, and the use of the face value model was established with FLAC3Dsoftware. It studies the influence of mining parameters specific to coal mine safety production. The concrete research contents are as follows firstly, according to the related theory and empirical ula, we can calculate the right surface caving height, relevant parameters of top coal fragmentation height; secondly, the coal rock is as a sample and laboratory experiment of rock mechanics is in coal mine, the 1604 top coal is caving mining face in apparent density, tensile strength, uniaxial compressive strength, shear strength, elastic modulus, Poissons ratio, cohesion and internal friction angle of rock mechanical parameters; thirdly, by changing the working face mining and caving step to analysis of the mining and caving step change on the working face of top coal caving regularity and influence on the stability of coal wall, through the excavation operation numerical models and simulation analysis, the work face is in inclined length under different circumstances, changing laws of abutment pressure in front of a plurality of measuring points for working face; at last, parameters should be concrete. The scene makes an analysis on a result of the production efficiency, good economic benefits and good conditions of working face safety. Simulation parameters by using FLAC3Dsoftware, the numerical pressure summary of roof coal mines, coal wall pressure and the regularity of ore; we can draw ratio, coal caving step distance, measure the length of the key parameters of tendency in top coal caving. It is optimized to obtain the reasonable parameters for Mining the results show that high control in between 2.5m3.5m, the broken well top coal, coal wall stability is more stable; 内蒙古科技大学硕士学位论文 3 coal caving step is 0.6m, has satisfied the working face coal wall caving and maintain stable demand; the working surface inclination defined a length of more than 300m,it changes the trend of working face in the front of abutment pressure .It became slow; the site of the working face production conditions can reach the aim of safety, and achieve a better economic benefit. The experimental and simulation results can be seen obviously, Gongwusu coal mine 1604 coal caving face is in mining key parameters of application specific, and it takes the corresponding measures to ensure the production safety working in high yield of 1604 top coal caving working face. Key Words Numericalsimulation; The key parameters; Abutment pressure; The caving of top coal; The stability of coal wall 内蒙古科技大学硕士学位论文 4 目目录录 摘要....................................................................................................................................II Abstract.....................................................................................................................................III 1 绪论.........................................................................................................................................1 1.1 研究背景及目的...........................................................................................................1 1.1.1 研究背景...........................................................................................................1 1.1.2 研究目的及意义...............................................................................................2 1.2 国内外研究现状...........................................................................................................3 1.2.1 大倾角厚煤层综放放顶煤采煤法的国内外研究现状...................................4 1.2.2 覆岩运动规律的国内外研究现状...................................................................7 1.2.3 煤壁稳定性理论的国内外研究现状...............................................................9 1.3 研究内容和方法.........................................................................................................11 1.3.1 研究内容.........................................................................................................12 1.3.2 研究方法.........................................................................................................12 1.3.3 技术路线.........................................................................................................14 2 煤矿简介及理论分析...........................................................................................................15 2.1 煤矿概况.....................................................................................................................15 2.1.1 煤层概况.........................................................................................................15 2.1.2 工作面概况.....................................................................................................18 2.1.3 影响工作面主要参数选取的地质因素.........................................................19 2.1.4 中间基本支架主要参数.................................................................................20 2.2 理论分析.....................................................................................................................21 2.2.1 开采引起的岩层移动变形理论.....................................................................21 2.2.2 放煤椭球体理论的提出.................................................................................22 3 建模分析及岩石力学实验....................................................................................................25 3.1FLAC3D数值模拟方法简介.........................................................................................25 3.2 建模分析.....................................................................................................................26 3.2.1 采放比与放煤步距的建模分析.....................................................................27 3.2.2 工作面长度优化的建模分析.........................................................................28 内蒙古科技大学硕士学位论文 5 3.3 岩石力学实验.............................................................................................................30 3.3.1 试验内容.........................................................................................................30 3.3.2 取样及设备.....................................................................................................30 3.3.3 试验测试.........................................................................................................31 3.3.4 剪切模量 G 与体积模量 K............................................................................36 3.3.5 岩石与岩体的关系.........................................................................................36 3.3.6 试验结果.........................................................................................................36 3.3.7 参数研究及赋值.............................................................................................37 4 采放比、放煤步距的优化分析...........................................................................................39 4.1 研究内容及方案.........................................................................................................39 4.1.1 正交分组简介.................................................................................................39 4.1.2 分组方案.........................................................................................................40 4.1.3 研究内容方案.................................................................................................40 4.2 开挖模拟过程.............................................................................................................41 4.3 试验结果分析.............................................................................................................41 4.3.1 顶煤及煤壁塑性区的模拟分析.....................................................................41 4.3.2 工作面煤体 Z 向水平应力模拟分析............................................................46 4.4 小结............................................................................................................................ 50 5 工作面长度的优化分析.......................................................................................................52 5.1 研究方案.....................................................................................................................52 5.1.1 研究内容方案.................................................................................................52 5.1.2 分组方案及测点布置.....................................................................................53 5.2 开挖模拟过程.............................................................................................................54 5.3 试验结果分析.............................................................................................................55 5.3.1 工作面超前支撑压力的模拟分析.................................................................55 5.3.2 工作面中部中心线附近超前支撑压力的分析.............................................57 5.3.3 工作面端头附近超前压力的分析.................................................................58 5.4 措施和建议.................................................................................................................58 5.5 小结............................................................................................................................ 59 6 现场效果分析.......................................................................................................................60 内蒙古科技大学硕士学位论文 6 6.1 主要技术经济指标...................................................................................................... 60 6.2 经济效益分析.............................................................................................................61 结论...................................................................................................................................63 参 考 文 献.............................................................................................................................64 在校研究成果...........................................................................................................................68 致谢...................................................................................................................................69 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 1 - 1 绪论绪论 1.1 研究背景及目的研究背景及目的 根据我国目前的能源的产业结构以及未来的发展趋势，煤炭行业的比重还会很大， 煤炭行业的技术发展是一项长期的工程。 本文的研究目的是基于公乌素煤矿大倾角超长 工作面的现场条件，对具体的放顶煤工作面关键参数的一项研究，有利于煤矿综放工作 面的安全高效生产，也有利于该地区同等或相似地质条件下的井田布置超长综放工作 面。 公乌素煤矿 1604 工作面为大倾角超长采煤工作面煤层平均厚度 8.5m，平均倾角 18， 最大倾角 35。 采用综采放顶煤方法开采。 研究大倾角地质情况下布置超长工作面， 是为了借助计算机程序模拟超长工作面在大倾角地质情况下的顶煤破碎性、 工作面的煤 壁稳定性和矿压显现规律，并通过一定的实验辅助研究或验证结论，以保证在实际煤矿 生产生活中实现安全高效生产。 1.1.1 研究背景研究背景 煤炭在我国能源消费结构中占有重要的地位，被称为“工业的粮食”[1]。据统计， 煤炭的消费在我国的一次性能源消费结构中占有 76以上，甚至更高，所以，煤炭行业 的产量与发展会直接影响到中国工业产业和国民经济发展的速度。 煤炭不仅能为其他工 业充当燃料，提供能源，煤炭本身又是一种能分解出 200 多种产品的资源，而且这分解 出的 200 多种产品与我们的生活息息相关， 是我国现代化建设和保证人民生活水平所必 须的。为了早日实现我国的“中国梦”的大国梦想，就离不开煤炭行业的快速发展。 根 据国土资源部在 2012 年 11 月在中国国际矿业大会上发布的2012 年中国矿产资源报 告，截止 2001 年底，中国煤炭查明资源储量 1.38 万亿吨，稳居世界煤炭查明储量前 三位，煤种齐全，所以，我国的煤炭行业为煤矿相关的工业提供了充足的能源条件[2]。 长期以来，我国的煤炭工业开采形成了以储量分布为主的内蒙古、山西、新疆三个工业 基地为主的煤炭工业园，但全国整体的煤炭储量分布分散，地质赋存条件多种多样， 开 采难度不同，因此，我国各地各煤炭产区的具体煤矿的开拓方式、井工方式、工作面的 具体开采工艺，以及管理体制都具有多层次、多种类的特点[3]。 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 2 - 在我国，煤炭资源的地质赋存条件多种多样，在我国中西部地区，山西太行山山 脉附近，内蒙乌海、宁夏部分矿区有很多矿井开采都面临较大倾角、大倾角、和急倾斜 的煤层，还有四川、重庆、云南、新疆、甘肃等地区的矿井的主要开采煤层的赋存条件 都是煤层倾角较大的区域，地质条件复杂。造成这种复杂的地质条件主要是因为，在成 煤过程中或者后期的地质运动中，原有的煤层随着地质构造运动而产生变化，形成了向 斜、背斜、断层、急倾斜、大的倾角的单斜等多种构造，有的矿井甚至面临一矿多种构 造的情况[4]。一般在面临这种地质条件下，矿井会选择布置较短的综采综放工作面或者 采用普采甚至炮采的工艺来进行开采，但这种开采方法往往难以形成较大的生产能力， 甚至造成极大的煤炭资源的浪费。 对于赋存有这种地质条件的边疆少数民族省区或自治区，煤炭资源较内蒙、山西等 产煤大省缺乏，因此采用传统的采煤方法就会极大地浪费了当地的能源资源。大倾角和 急倾斜煤层的安全、高产、高效开采一直是采煤行业的一项技术难题，而据有关资料显 示，我国倾角较大的煤层储量占煤炭总储量的 14.03[5]。为了更好的节约资源，快速提 高倾角较大的地质条件下进行高效开采工作，提高当地企业的经济效益，推动自身工业 经济的快速发展， 这就为采煤工艺和具体的机械研发与应用提出了更加科学更加严峻的 要求。本课题就是结合当前的煤矿倾角较大的地质条件下布置超长的综采放顶煤工作 面，在保证安全的前提下，提高煤炭产出效率而提出的。 1.1.2 研究目的及意义研究目的及意义 1 研究目的公乌素煤矿 1604 工作面为大倾角超长采煤工作面的煤层平均厚度 8.5m，平均倾角 18，最大倾角 35。采用综采放顶煤方法开采。研究大倾角地质情况 下布置超长工作面， 是为了借助计算机程序模拟超长工作面在大倾角地质情况下采用不 同的采煤关键参数下的顶煤破碎性、工作面的煤壁稳定性和矿压显现规律，并通过一定 的实验辅助研究或验证，最终根据这些变化规律，得到能保证在实际煤矿生产生活中实 现安全高效生产的最优的采高、放煤步距、工作面倾向长度等采煤关键参数。 2 研究意义该项目研究的意义在于，对于复杂的条件下，加长工作面的倾向长 度，同时确定合理的工作面采高和放煤步距范围，提高工作面的产量，提高煤矿资源的 利用率， 对于地质条件相近的倾角较大的煤层，煤矿布置超长综采综放机械化工作面开 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 3 - 采具有指导意义，并有利于公乌素煤矿节省巷道总掘进投入，并修改优化下一步的开采 接续计划。 神华乌海能源集团公乌素煤业有限责任公司 1604 放顶煤工作面在大倾角厚煤层的 地质条件下布置 300m 超长工作面是在复杂地质条件下的一次技术创新。通过研究，为 国内大倾角厚煤层的煤矿地区布置超长工作面提供了理论参考。 公乌素煤矿在采取相应 措施了，在安全生产的前提下，实现了较好的经济利润，为矿井的集约化生产提供了技 术保障。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 对于顶煤的冒放性和工作面受矿压和煤体抗压强度影响的的稳定性控制问题， 国内 外的专家学者做出了大量的研究。同时，通过实验室试验、相似模拟材料试验、多种数 值模拟软件和综合分析等方法对不同煤矿， 复杂条件下的地质开采工艺和开拓方式进行 过综合评价，得到了一定的结论影响顶煤的可放行的关键因素包括内因和外因两个方 面。 内因即煤矿顶煤及顶底板岩层的物理力学参数及性质，外因就是所在煤矿的作用在 开采煤体和媒体上方的矿山压力。煤块通常较为完整或者有比较小的裂隙，而且煤块本 身内部就各种方向的结构面，因此在做岩石的物理力学实验时，就必须考虑到岩石样品 横向和纵向的不同结构面情况下的综合力学反应情况， 提高顶煤的破碎性主要是指损伤 所化顶煤及其顶板和地板岩层的物理力学性质，降低结构面和煤块的强度，达到能顺利 放出顶煤的效果；外因主要是利用在岩层原岩应力的基础上，研究经过开采活动造成的 原岩应力的二次分布和关键层理论中涉及的基本顶断裂后形成的矿山压力显现， 并科学 地只用矿山压力显现达到提高顶煤破碎性的关键技术之一[6]。 对于倾角较大的布置各种煤层开采工艺的研究， 虽然国内外有关学者和专家已经做 出了较大贡献，并取得了一定的成果，但在倾角较大的煤层条件下布置高效的放顶煤超 长工作面的技术仍不成熟，成功的先例并不是很多，因此需要更多的煤炭行业的学者继 续对这一难题进行研究。 目前， 进行大倾角或急倾斜研究的专家教授有石平五、 黄建功、 伍永平、平寿康、员东风等教授，取得了很大成就，主要包括 ① 煤层在倾角较大的地质条件下的矿压显现规律； ② 工作面在大倾角条件下，前方顶煤、顶板岩层的运动、破坏、上覆岩层运动规 律及所产生的矿压显现； 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 4 - ③ 在大倾角的煤层中顶煤冒放性研究以及研究相关煤矿的支架稳定性； ④ 倾角较大的地质条件下，布置工作面时的支架选型及其适应性； ⑤ 构造倾角较大地质条件下的煤层开采的“支架-围岩”系统的理论及数值模型研 究。 反观世界上关于倾角较大的煤层开采方法，可以总结出我国对于倾角较大的煤层 的开采工艺及理论研究，已经是世界先进水平。 1.2.1 大倾角厚煤层综放放顶煤采煤法的国内外研究现状大倾角厚煤层综放放顶煤采煤法的国内外研究现状 在国外方面，各国起步较早，十八世纪初时，欧洲的法国就已经有了放顶煤开采的 雏形， 但是当时的放顶煤技术还不算是真正的放顶煤技术，有些类似于金属矿山的小阶 段崩落法，并不是一种真正意义上的长壁放顶煤采煤法，因此，煤矿行业研究的专家学 者称这种方法为分段崩落法[7]。进入到二十世纪四五十年代，在前苏联、南斯拉夫、法 国等国就出现了早期的放顶煤理论， 并总结了顶煤运动学中的顶煤水平位移与竖直位移 之间的变化规律等学说[8]。到二十世纪五六十年代，矿山液压支架的出现并将之迅速的 应用到煤矿开采过程中，综合机械