后安煤矿顶煤弱化技术及放顶煤参数优化研究.pdf

硕士学位论文 论文题目论文题目后安煤矿顶煤弱化技术及放顶煤参数优化研究 英文题目英文题目Study on Weakening Technology of Top-coal and Parameter Optimization of Caving in HouAn Mine 学位类学位类别别 工程硕士 研 究 生 姓研 究 生 姓 名名 贺龙 学号学号__201202459 学科学科领域领域名称名称 矿业工程 指导教指导教师师 王文才 职称职称 教授 协助指导教协助指导教师师 职称职称 2013 年 6 月 10 日 分类号 TD822 密 级 公开 UDC 学校代码 10127 内蒙古科技大学硕士学位论文 I 摘 要 我国的厚煤层储量丰富，约占各类煤层总储量的 44，厚煤层的产煤量也占煤 炭总产量的 45左右，但顶煤采出率普遍偏低，导致厚煤层开采无法摆脱粗放型生 产方式。因此降低厚煤层开采生产成本，实现安全高效生产，意义重大。 本论文采用现场调研、理论分析、FLAC3D和 PFC2D数值模拟、现场试验与测试 等研究手段，对后安煤矿综采放顶煤工作面顶煤的采出率进行调查分析；分析和研 究了制约顶煤放出的各种影响因素，并使用 FLAC3D仿真模拟了回采过程中顶煤的 冒放性；根据经验公式及生产经验设计了提高顶煤采出率的松动爆破技术措施，并 用 FLAC3D仿真模拟爆破效果；运用 PFC2D仿真模拟放煤过程，提出了新的放煤参 数；最后在现场进行工业试验。研究认为（1）煤层赋存深度、煤体强度、顶煤层 厚度、顶煤节理裂隙分布、煤层夹矸、放煤步距、放煤方式是制约顶煤顺利、高效 放出的主要因素；（2）回采过程中，支承压力相对较小，其峰值出现在回采工作面 前方 57m 处，取值 1216MPa，相对煤体强度等赋存条件，支承压力作用无法破碎 顶煤到可以冒放的程度；FLAC3D模型中采用顶煤破坏系数来表征顶煤破碎效果，模 拟得到工作面顶煤破坏系数为 0.260.51，说明破碎效果差即冒放性差。（3）顶煤 冒放性差，冒落块度大，现场宜采用深孔松动爆破技术。炮孔沿工作面走向布置前 后两排，分别 80 、75 仰角偏向采空区，直径 42mm；后排炮孔距采空区 1965mm，间排距 3100mm3100mm；炮孔长 89m；正向集中轴向不耦合装药，每 孔装药 1.82.55kg，药卷直径 32mm，填塞长度 1002mm。（4）后安煤矿在现行生 产条件下，应增加爆破弱化顶煤技术，放煤工艺应采用机采高度 4m，放煤步距 0.6m（一采一放），分段两轮间隔放煤。 现场采用以上研究结果后，深孔松动爆破后的预裂顶煤呈相对均匀，粒度相对 未爆破较小的块状结构，顶煤冒放性得到改善。采用优化后的放顶煤工艺参数，顶 煤能够顺利放落，顶煤采出率提高到了 90.8。 关键词关键词综采放顶煤；顶煤弱化；冒放性；松动爆破；放煤步距；放煤方式 内蒙古科技大学硕士学位论文 II AbstractAbstract Thick seam reserves are abundant in our country, accounts for about 44 of total reserves of coal seam, and it’s Production also accounts for some 45 of the total coal production, but the top-coal recovery rate is generally low, result in thick coal seam mining cant get rid of the extensive mode of production. So thick seam bed mining to reduce the cost of production, to achieve safe and efficient production, is of great significance. This paper use the study of field investigation, theoretical analyses, FLAC3D and PFC2D numerical simulation, and field test to analysis the mining ratio of top-coal in the fully mechanized top coal caving face of Hou An mine; analysis and study of the restricting factors of top-coal caving, and caving property in exploitation is analogue simulated with FLAC3D; loose blasting technology to improving the mining ratio of top- coal is designed, and blasting effect is analogue simulated with FLAC3D; caving process is analogue simulated with PFC2D, and new caving parameter is put forward; field tests is carried out at last. Research suggests that 1 Depth of coal seam hosting top Seam, coal strength, top-coal thickness, top-coal jointed fissure distribution, coal seam parting, coal caving step distance, caving mode are the main factor of coal caving; 2 In the mining process, supports pressure is relatively small, its peak appear ahead of mining face 57m, take value 1216MPa, compared with the strength of coal, supports pressure cannot broken top coal to the caving degree; in FLAC3D model use top coal damage coefficient to characterization top coal broken effect, top coal damage coefficient of 0.260.51 is get through simulation, which state that poor crushing represent the poor caving. 3 Poor roof coal caving, and big caving block means deep hole loose blasting technology should be used. two rows of blast hole should be layout along with working face, each in 80 , 75 elevation bias the goaf and the diameter is 42mm; rear blast hole far from goaf 1965mm, inter-row spacion is 3100mm 3100mm; the length of blast hole is 89m; no charging in Positive focus axial, each blast hole charge 1.82.55kg, cartridge diameter 32mm and packing length 1002mm. 4 Under the current production conditions, the blasting of 内蒙古科技大学硕士学位论文 III weakening top-coal technique should be increased, and caving technology should be adopted apheresis is 4m, caving step is 0.6m Two Wining and One Caving, two-times interval caving. After the scene using the above research results, r blasting the coal is relatively uni, granularity is smaller blocky structure compared with not blasting. long hole loosen blasting technology of presplitting top-coal is good. Top-coal can be successfully put down and cavibility been greatly improved, and it’s caving extraction rate increased to 90.8. Key WordsKey WordsFully mechanized top coal caving; Top-coal weakening; Cavability; Loose blasting;drawing interval; Caving way 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 1 - 目目 录录 摘 要 ........................................................................................................................ I Abstract ..........................................................................................................................II 1 绪论 ............................................................................................................................ 1 1.1 课题的提出及研究意义 .................................................................................. 1 1.2 国内外相关研究现状综述 .............................................................................. 2 1.2.1 综采放顶煤技术研究现状 .................................................................... 2 1.2.2 综放开采放顶煤工艺参数研究现状 .................................................... 3 1.2.3 松动爆破预裂顶煤技术研究现状 ........................................................ 5 1.3 研究目标、内容及方案 .................................................................................. 8 1.3.1 研究目标 ................................................................................................ 8 1.3.2 研究内容及方案 .................................................................................... 8 1.4 研究技术路线 .................................................................................................. 9 2 后安煤矿矿井及采煤工艺概况 .............................................................................. 10 2.1 矿井概况 ........................................................................................................ 10 2.1.1 矿井简介及其井田位置 ...................................................................... 10 2.1.2 矿井地质条件 ...................................................................................... 10 2.1.3 煤层特征 .............................................................................................. 11 2.2 工作面采煤工艺 ............................................................................................ 12 2.2.1 采煤方法 .............................................................................................. 12 2.2.2 回采工艺 .............................................................................................. 12 2.2.3 工作面主要生产设备 .......................................................................... 13 2.3 工作面顶煤采出率现场观测 ........................................................................ 14 2.4 本章小结 ........................................................................................................ 16 3 综放工作面顶煤采出率低的原因分析 .................................................................. 17 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 2 - 3.1 煤层赋存条件对采出率的影响 .................................................................... 17 3.1.1 煤层赋存深度的影响 .......................................................................... 17 3.1.2 煤体强度的影响 .................................................................................. 19 3.1.3 顶煤裂隙分布的影响 .......................................................................... 21 3.1.4 顶煤厚度的影响 .................................................................................. 22 3.1.5 煤层夹矸层的影响 .............................................................................. 22 3.2 放顶煤开采工艺对采出率的影响 ................................................................ 24 3.2.1 机采高度的影响 .................................................................................. 24 3.2.2 放煤步距的影响 .................................................................................. 25 3.2.3 放煤方式的影响 .................................................................................. 26 3.3 综放开采顶煤冒放性 FLAC3D数值分析 ..................................................... 27 3.3.1 FLAC3D简介 ........................................................................................ 27 3.3.2 数值模型构建 ...................................................................................... 28 3.3.3 数值模拟结果分析 .............................................................................. 29 3.4 本章小结 ........................................................................................................ 37 4 提高综放工作面顶煤冒放性的深孔松动爆破技术 .............................................. 39 4.1 深孔松动爆破机理 ........................................................................................ 39 4.2 深孔松动爆破试验参数设计 ........................................................................ 40 4.2.1 炮孔间距 .............................................................................................. 40 4.2.2 炮孔排距 .............................................................................................. 41 4.2.3 炮眼填塞长度 ...................................................................................... 42 4.2.4 炮孔的布置 .......................................................................................... 42 4.2.5 炮孔直径、倾角及长度 ...................................................................... 43 4.2.6 炮孔装药量及装药结构 ...................................................................... 44 4.2.7 起爆方式 .............................................................................................. 44 4.3 深孔松动爆破工艺流程 ................................................................................ 44 4.4 数值模拟分析顶煤破碎效果 ........................................................................ 45 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 3 - 4.5 本章小结 ........................................................................................................ 47 5 基于 PFC2D的综采放顶煤工艺参数研究及优化 .................................................. 48 5.1PFC2D软件简介 .............................................................................................. 48 5.1.1PFC2D工作原理 .................................................................................... 49 5.1.2PFC2D应用领域 .................................................................................... 49 5.2 综采放顶煤步距 PFC2D仿真模拟研究 ........................................................ 50 5.2.1 建立模拟放煤步距的仿真模型 .......................................................... 50 5.2.2 放煤步距仿真实验方案 ...................................................................... 52 5.2.3 模拟结果分析 ...................................................................................... 52 5.3 综采放顶煤方式 PFC2D仿真模拟研究 ........................................................ 56 5.3.1 放煤方式仿真实验方案 ...................................................................... 56 5.3.2 模拟结果分析 ...................................................................................... 56 5.4 放顶煤工艺参数优化 .................................................................................... 59 5.5 本章小结 ........................................................................................................ 59 6 工业试验 .................................................................................................................. 60 6.1 试验工作面概况 ............................................................................................ 60 6.2 试验方案 ........................................................................................................ 60 6.3 试验结果 ........................................................................................................ 60 6.4 本章小结 ........................................................................................................ 61 参考文献 ..................................................................................................................... 63 在学研究成果 ............................................................................................................. 67 致 谢 ..................................................................................................................... 68 内蒙古科技大学硕士学位论文 1 1 绪论绪论 1.1 课题的提出及研究意义课题的提出及研究意义 现阶段我国国民生产的基础是能源，而能源消费的主体则是煤炭，这一能源消 费结构特点将在未来 50 年内不发生改变。煤在一次能源的开采与消费结构中，其比 例一直维持在 70左右[1]。中国的 GDP 每增长 1，煤炭消费量上涨 0.503[2]。煤 矿开采为我国 900 万人提供了就业岗位。我国原煤产量逐年上升，2011 年达 35 亿 t 以上，2012 年达 36.5 亿 t 左右，2013 年或达到 37 亿吨左右，预计 2014 年增幅达 3以上。 但与此同时，据BP 世界能源统计 2011显示2011 年内中国成为世界最大 的煤炭进口国，进口煤 1.823 亿吨，出口煤 1466 万吨，净进口煤 1.68 亿吨。2012、 2013 年煤炭进口量涨势更大，2013 年净进口煤量高达 3.1 亿吨左右。世界各国煤炭 产量崛起，致使煤价大幅度下跌，这给中国煤炭企业带来了不小的冲击。 据中国煤炭资讯网报道，过去我国一直采用粗放型生产方式开采煤炭资源，但 随着国家对煤矿产量、环保、安全等方面要求的提高，加之开征资源税，国内煤炭 价格普遍比国外高。因此，通过改进产煤效率来降低我国吨煤成本已经刻不容缓。 我国的厚煤层储量丰富，约占各类煤层总储量的 44，厚煤层的产煤量也占煤 炭总产量的 45左右。因此，综采放顶煤技术在我国得到了广泛的应用和较大的发 展，但目前顶煤采出率偏低制约综放开采煤炭的产量，进而增加了产煤成本[3]。综 放工作面的煤炭损失大体可分成三部分初末采不放煤损失、端头不放煤损失、综 放工艺损失，其中综放工艺损失约占总损失煤量的 67，初末和端头开采不放顶煤 造成的损失各占 1018[4]，工艺损失成为综放工作面顶煤损失的主要来源。因 此，提高工作面顶煤采出率应从综采放顶煤工艺入手解决，深入研究放顶煤理论与 实践，对不同放煤参数进行试验，改善放煤工艺，以降低放煤工艺损失[5]。 后安煤矿煤层赋存条件非常好，4 号、9 号、11 号煤层厚度均在 5m 以上，尤其 是 9 号煤层，厚度达 16m 左右，平均厚度 13.8m，属于典型的特厚煤层。但是长期 以来受综采放顶煤开采回收率低的困扰，致使吨煤成本高从而得不到长足的发展。 因此，在现行生产装备条件下，为了降低吨煤成本，提高综放过程中顶煤的采出 量，从而提高综放工作面煤炭的采出率，优化综采放顶煤工艺参数，改进现场生产 管理，就成为当前亟待解决的重要课题。 内蒙古科技大学硕士学位论文 2 1.2 国内外相关研究现状综述国内外相关研究现状综述 1.2.1 综采综采放顶煤技术放顶煤技术研究研究现状现状 综采放顶煤开采技术就是将厚煤层分两层开采，沿厚煤层底板布置一个机采高度 23m 或者 3.54.5m 的长壁工作面，机采层煤由采煤机割落，并由工作面前刮板输送机 运出工作面，机采层以外的顶煤放入后刮板输送机内运出工作面，这样实现煤炭生产的 高产高效。与常规的综采方法相比，综放开采底煤的采出沿用常规的综采方法，主要区 别在于支架上方的顶煤的采出，顶煤的采出主要依靠支承压力作用、弱化技术等方法破 碎成散体后，借助液压支架尾部的放煤口从支架顶部放出，并借助后刮板输送机运出工 作面。 图1.1 放顶煤开采示意图 综放开采最早起源于上世纪 60 年代的法国、东欧等国，最初主要用于开采边角煤 与煤柱，法国的布朗齐矿产量最高，其月产量只有 4.96 万吨。1984 年我国开始研究放 顶煤开采工艺及技术，到上世纪 90 年代中期，开始迅速发展，成为开采厚度在 5m 以 上煤层的主要方法，并创下了单工作面年产量高达 600 万吨的记录。综放技术在我国的 研究发展总体分为以下四个阶段[610]探索试验阶段、改进创新阶段、发展提高阶段、 成熟阶段。 目前，我国是世界上唯一使用长壁放顶煤开采技术的国家[11]，综放开采技术已经在 全国各大煤炭集团公司的软煤层、中硬煤层、硬煤煤层，不同程度倾斜的厚煤层开采中 得到了广泛应用，并取得了一些成果，我国综采放顶煤技术已运用成熟，属世界领先水 平。但是目前放顶煤开采在放顶煤工艺方面仍存在着一些需要认真研究解决的问题，放 顶煤工艺的缺陷造成了顶煤回收率低。放顶煤工艺损失是放顶煤开采中煤炭损失的主要 来源，主要表现在初、末采不放煤，工作面的两端不放煤以及正常开采时放煤损失[12]。 内蒙古科技大学硕士学位论文 3 1.2.2 综放开采综放开采放顶煤放顶煤工艺参数工艺参数研究现状研究现状 综采放顶煤工艺参数是否合理将直接影响顶煤的垮落形态，影响顶煤的冒放 性，进而影响顶煤的放出率。放煤步距、采放比、放煤方式三个要素构成了综采放 顶煤工艺参数，为提高顶煤采出率，专家、学者、现场工作者对三个要素的合理组 合做了大量研究[1318]。 1.放煤方式 放煤方式是综采工作面放顶煤打开放煤口顺序、次数、以及不同数量支架的组 合与放煤量的整体在时间和空间上的配合形式。依据放煤椭球体理论，综放工作面 放煤时两临近放煤口上方的放煤椭球体、放出过程中漏斗移动曲线将互相影响，导 致了选用放煤方式不同，影响程度也不同，顶煤放出率和含矸率也有所区别。放煤 方式从放煤次数上可分为单轮放煤和多轮放煤，在一个采放循环中依一定规律（顺 序或者间隔）打开支架放煤口，一次性放完顶煤的方式称单轮放煤；每架支架的放 煤口打开多次才能将顶煤放完的方式称为多轮放煤。 靳钟铭将放煤方式归纳为五种，即单轮顺序放煤、多轮顺序放煤、单轮间隔放 煤、多轮间隔放煤和移架放煤，并逐个进行分析[19]。 王家臣教授在大量实验研究的基础上，确定顶煤放出过程可以散体介质流的流 动状态，来研究顶煤的放出规律。因此，他建立了相似模拟试验模型和 PFC 离散元 数值模型，模拟综放开采顶煤放出过程，对不同的采放比和放煤方式进行仿真模拟 研究。研究发现顶煤放出体切割煤矸分界面所形成的漏斗面是一个中心轴向采空区 偏移的漏斗面，每次关闭放煤口所形成的漏斗面大小不同，所以要在放煤前来模拟 放煤过程，以此为基础来优化放煤方式，从而促进顶煤的放出。同时为研究放煤方 式提供了新方法[20]。 吴健教授借鉴金属矿的放矿理论通过现场实地统计、数值模拟和相似材料模拟 探索放煤过程的散体运动规律，初步解释了放煤过程中破碎煤体、岩石及其分界面 运动规律与放煤方式、放煤参数的关系，提出了多轮顺序间隔放煤、多点多轮间隔 顺序放煤等合理的放煤工艺，为提高顶煤的回收率、降低含矸率提供初步的理论依 据，同时对煤体运动过程中对支架的作用也进行了有益探讨[21]。 现场大量实验表明一般选用单轮间隔放煤方式放煤较单轮顺序放煤方式放煤 工作面顶煤的采出率平均高 46，单轮顺序多口放煤的方式比单轮顺序单口放煤 顶煤放出率多一倍且含矸率也可能有所降低。 内蒙古科技大学硕士学位论文 4 2.采放比 采放比是采煤工作面的采煤厚度同放煤厚度的比值。综放开采采煤厚度就是煤 层最底层