麻黄梁煤矿综放面矿压规律及支架工作阻力研究.pdf

论文题目麻黄梁煤矿综放面矿压规律及支架工作阻力研究 专 业采矿工程 硕 士 生胡 沛 签名 指导教师李龙清 签名 摘 要 麻黄梁煤矿位于陕北侏罗纪煤田榆神矿区的东南部，为在建矿井。井田地质构造简 单，主采煤层为 3 ﹟煤层，煤层厚度 8.969.16m，平均厚度 9.06m，埋深 180210m，平 均倾角 0.364.6。目前，随着液压支架等矿山机械设备的迅速发展，在榆神府矿区浅 埋厚煤层条件下大多采用一次采全高的大采高开采方法， 其最大采高已经达到 7m左右， 然而，当煤层厚度大于 7m时，大采高开采便呈现出支架稳定性差、煤壁片帮严重、采 出率低等问题。 因此， 通过综放可行性分析， 在麻黄梁煤矿 3 ﹟煤层中采用综放开采技术， 设计生产能力 120 万 t/a。 本文以麻黄梁煤矿地质条件为背景， 运用实验室物理相似材料模拟研究， 分析浅埋、 薄基岩、厚松散层条件下综放面顶板来压特征、上覆岩层运动规律等，得出麻黄梁矿综 放面基本顶来压步距为 1620m，平均为 19.5m，工作面上覆岩层起初存在明显的 “三 带”分布规律，当工作面推进至 170m左右时，弯曲下沉带消失，工作面呈现“两带” 分布特征；运用 FLAC3D数值模拟对综放面合理割煤高度、支承压力分布规律进行分析 研究，得出麻黄梁煤矿合理的割煤高度为 4.0m，最大集中应力距煤壁 512m，应力影 响范围约为工作面前方 90m；采用岩层结构法、工程类比法结合相似模拟及数值模拟结 果，得出麻黄梁煤矿综放工作面合理的支架支护强度为 1.41.5MPa。 麻黄梁煤矿在榆神矿区属于在浅埋、薄基岩、厚松散层条件下采用综放技术开采的 矿井，因此，对该矿 3煤层综放工作面矿压显现规律进行系统的研究，认识综放采场上 覆岩层的运动规律、工作面支承压力分布规律以及确定综放工作面支架工作阻力，为支 架选型设计提供科学、合理的依据，使工作面支护投资更加经济合理。 关关 键键 词词综放工作面；支承压力；矿压规律；支架工作阻力 研究类型研究类型应用研究 Subject Study on the mine Pressure Law and Support working resistance in Fully Mechanized Caving face in Ma Huang Liang coal mine Specialty Mining engineering Name Hupei （（Signature）） Instructor Li longqing （（Signature）） ABSTRACT Ma Huang Liang coal mine which is under construction, is located in the southeast of Jurassic Coalfield Yushen mining area that is in Northern Shanxi. The geological structure of the mining area is simple, the average thickness of the 3coal seam is 9.90m,the depth is 180210m, the average angle is 0.364.6 . In recent years, the hydraulic support and other mining machinery equipment is developmenting at a rapid speed, so in Yushenfu mining area, in the condition of shallow thick coal seam, the coal mines mostly uses a mining with large mining height, its maximum mining height is about 7m. However, when the thickness of coal seam is greater than 7m, this presents much questions such as poor support stability, the coal wall partial help seriously and low recovery rate. Therefore, through the comprehensive analysis of feasibility, Ma Huang Liang coal mine adopts fully mechanized top coal caving mining technology in 3 coal seam, its production capacity will be 1200000 t/a. The paper uses the Ma Huang Liang mines geological conditions as the background, applies the laboratory physical simulation of similar materials, analysis the roof pressure characteristics, the movement rule of the overlying strata, gains the Ma Huang Liang coal mine’s basic roof weighting step distance is 1620m, the average date is 19.5m,the working face’s overburdent obvious “three zones“ distribution at firs, when the working face advances to 170m, bending zone disappeared, working surface presents “two belts“ distribution; using the numerical simulation FLAC3D analysis reasonable coal cutting height in fully mechanized caving face, the bearing pressure distribution, get the Ma Huang Liang coal mine’s reasonable mining height is 4.0m, the maximum stress concentration from coal wall is 512m, stress influence range is about 90m in front of coal wall; adopting stratum structure , engineering analogy combined with the similar simulation and simulation numerical results, makes sure the reasonable support strength in Ma Huang Liang coal mine fully mechanized caving face is 1.41.5MPa. The Ma Huang Liang coal mine is the first mine which uses the fully mechanized top coal caving mining technology under the conditions of shallow depth, thin bedrock thick, loose overburden rock , so this paper studies on the mine pressure appearance, a comprehensive, understands the fully mechanized top coal caving face stope on the movement law of overburden on the specific conditions, knows the working surface of the bearing pressure distribution and working resistance of support, in Fully-mechanized Working Face in 3 Coal Seam of Ma Huang Liang coal mine, so that make the selection of the face support investment scientific and reasonable, economical and reasonable. Key wordsFully mechanized top-coal caving face; Bearing pressure; Mine pressure law; Support working resistance Thesis Applied basic research 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 ................................................................................ 3 1.2.1 国内外综放开采技术现状 ............................................................................ 3 1.2.2 综放面矿压显现规律研究现状 .................................................................... 4 1.2.3 研究现状综述 ................................................................................................ 6 1.3 本课题研究内容 .................................................................................................... 7 1.4 本课题研究方案及技术路线 ................................................................................ 7 1.4.1 本课题研究方案 ............................................................................................ 7 1.4.2 本课题研究的技术路线 ................................................................................ 7 2 麻黄梁煤矿综放面围岩特性分析 ................................................................................ 9 2.1 顶煤冒放性分类 .................................................................................................... 9 2.1.1 顶煤冒放性的影响因素 ................................................................................ 9 2.1.2 顶煤冒放性分类方法 .................................................................................. 11 2.1.3 麻黄梁煤矿综放面顶煤冒放性预测评价................................................... 15 2.2 直接顶特性分析 .................................................................................................. 19 2.3 基本顶特性分析 .................................................................................................. 20 2.3.1 关键层判别 .................................................................................................. 20 2.3.2 基本顶周期来压步距确定 .......................................................................... 24 2.4 本章结论 .............................................................................................................. 25 3 麻黄梁煤矿综放面矿压规律相似模拟实验研究....................................................... 26 3.1 相似模拟实验的基本原理 .................................................................................. 26 3.2 相似材料模拟试验的模型设计 .......................................................................... 28 3.2.1 原型地质条件 .............................................................................................. 28 3.2.2 模型设计 ...................................................................................................... 28 3.3 物理相似模拟实验过程 ...................................................................................... 30 3.4 物理相似模拟实验结果分析 .............................................................................. 34 3.4.1 覆岩垮落规律分析 ...................................................................................... 34 3.4.2 来压特征分析 .............................................................................................. 38 3.4.3 支架受力特性分析 ...................................................................................... 39 西安科技大学硕士学位论文 II 3.4.4 支架阻力的合理性分析 .............................................................................. 39 3.5 本章结论 .............................................................................................................. 41 4 麻黄梁煤矿综放面矿压显现数值模拟研究 .............................................................. 42 4.1 FLAC3D计算程序简介 ........................................................................................ 42 4.2 计算准则及参数选取 .......................................................................................... 43 4.2.1 计算准则 ...................................................................................................... 43 4.2.2 参数选取 ...................................................................................................... 43 4.3 模型建立 .............................................................................................................. 44 4.4 计算结果分析 ...................................................................................................... 45 4.4.1 支架前方空顶区顶板位移分析 .................................................................. 46 4.4.2 超前支承压力分析 ...................................................................................... 51 4.4.3 综放开采合理割煤高度确定 ...................................................................... 54 4.5 本章结论 .............................................................................................................. 56 5 麻黄梁煤矿综放面支架工作阻力合理性分析 .......................................................... 58 5.1 岩层结构法 .......................................................................................................... 58 5.2 数值模拟法 .......................................................................................................... 59 5.3 工程类比法 .......................................................................................................... 60 5.4 本章结论 .............................................................................................................. 63 6 结论与展望 .................................................................................................................. 64 6.1 主要结论 .............................................................................................................. 64 6.2 展望 ...................................................................................................................... 64 致 谢 .............................................................................................................................. 66 参考文献 .......................................................................................................................... 67 附 录 .............................................................................................................................. 71 1 绪论 1 1 绪 论 1.1 选题背景及研究意义 1.1.1 选题背景 我国的厚煤层（厚度≥3.5m）储量丰富，约占全部煤层储量的 44，厚煤层的产量 也占总产量的 40以上。厚煤层资源在我国广泛分布，而且厚煤层是我国实现高产高效 的主要煤层，具有资源储量优势[1]。 我国陕北地区煤炭资源丰富，仅榆林地区的煤炭预测储量为 2800亿 t，其中榆神府 煤田是世界七大煤田之一；延安组为该区含煤地层，共含煤 20多层，其中主要可采煤层 有 5 层，即 2-2、3-1、4-3、5-3上及 5-3煤层，各可采煤层多属中厚～厚煤层，并有特厚煤 层富集。榆神矿区 2-2煤层最厚达 12.16m，可采煤层总厚度为 10.18m～25.35m，平均为 18 m左右。榆神矿区上部煤层埋深大多在 270 m以内，属于浅埋煤层[2 ～3]。 我国厚煤层开采主要采用三种技术方式，即分层开采、一次采全高和综放开采。 随着支架、采煤机以及相关制造业技术的发展，大采高技术在开采 3.5m～7m 的厚煤层 时，体现出下列优点巷道布置系统简单，采掘接替容易协调；工作面生产集中，易于 进行管理，有利提高推进速度，可实现高产高效；大采高综采支架以及采煤机、刮板运 输机等设备已经基本成熟。 内蒙古科技大学李国雄等通过对大柳塔矿特厚煤层开采方法的选择研究认为由于 大柳塔矿煤层采深小，支承压力低，不利于工作面前方顶煤的充分破碎，加之煤质的韧 性较高，冒落的顶煤不易充分破碎，顶煤块度偏大，冒放性较差，不适合采用综放开采 技术[4]。太原理工大学李志军、宋选民等认为神东矿区煤层顶板岩层结构组成将形成 不易控制的岩层移动与顶煤冒放环境，故综放开采技术不适应于神东矿区厚煤层的开采 [5]。所以，现阶段在榆神、神东矿区中厚及特厚煤层主要采用大采高开采技术。 然而，当煤层厚度＞7m 时，大采高技术便面临丢煤严重，煤炭采出率低，支架的 重量、支护阻力急剧增加（如我国榆神矿区最大支护高度已达到 7m 左右，支护阻力已 达到 18000KN 左右），矿井建设一次性投资较大，对井型及井下巷道、硐室的尺寸要求 较大，煤壁片帮严重，工作面支架稳定性差等诸多技术难题。 所以，对于井田煤层厚度＞7m 的矿井，综放开采和分层开采成为特厚煤层开采的 两种主要技术。相对于分层开采而言，综放开采是一种能够实现高产高效的开采技术。 其优势具体表现在以下 6 个方面[6 ～9] （1） 高产高效。 由于综放技术实现了采放平行作业， 使一面多点同时出煤成为现实， 西安科技大学硕士学位论文 2 一个工作面可相当多个工作面同时生产，较分层开采单产和功效均可提高 80～100 以上。 （2）巷道掘进率低。一般要比分层开采低 100～200，大幅度减少了巷道掘进费 用和维护费用，改善采掘的接续情况，为生产集中化创造了条件。 （3）工作面搬家次数减少，一般同等条件下搬家次数较分层开采减少一半以上。 （4）减少材料消耗和吨煤工资支出。与分层开采相比，可大幅减少坑木、金属网、 截齿、 电能、 工资等的消耗， 可使工作面吨煤成本直接下降 5～10 元以上 （2009 年数据） 。 （5）对地质条件，煤层赋存条件有很大的适应性。实践证明，综采放顶煤可在缓倾 斜煤层中适应煤层厚度变化（4～20m）。对落差不超过割煤高度的断层、破碎顶板以及 “三软”等复杂条件下的煤层，综采放顶煤与分层开采相比有更好的适应性。 （6） 可使急倾斜特厚煤层实现机械化开采。 在急倾斜厚煤层中使用水平分段综采放 顶煤使得急倾斜特厚煤层的开采实现了机械化和安全、高产、高效生产。 基于以上优势，随着综采放顶煤技术的推广，放顶煤开采在更加广阔的范围得到了 成功应用，出现了与各矿具体条件相适应的放顶煤高产高效技术方式，如郑州米村矿 “三软”方式；开滦赵各庄矿的大倾角方式；徐州矿区“较薄厚煤层”方式；大同忻州 窑矿“两硬”方式等。 麻黄梁煤矿位于陕北侏罗纪煤田榆神矿区的东南部，为在建矿井。井田地质构造简 单，主采煤层为 3 ﹟煤层，煤层厚度 8.969.16m，平均厚度 9.06m，埋深 180210m，平 均倾角 0.364.6。煤层干燥抗压强度 13.631.0MPa，平均 22.3MPa；饱水抗压强度 10.412.4MPa，平均 14.4MPa。软化系数 0.340.91，平均0.63。3 ﹟煤层整体上属劣质的 软弱岩石，强度相对较小，稳定性较差，具脆性而又具韧性，易冲击破碎。煤层直接顶 板以泥岩为主，次为炭质泥岩、粉砂岩、中粒长石砂岩，少量泥质粉砂岩、细粒长石砂 岩、粗粒长石砂岩；底板以泥岩为主，粉砂质泥岩、粉砂岩、细粒长石砂岩次之。煤层 与其顶底板均为明显接触。该煤层层位稳定，厚度大，变化规律明显，煤类单一，以长 焰煤为主，不粘煤次之，煤质变化小，煤层结构简单，属全区可采的稳定型厚煤层。拟 建生产能力 120 万 t/a，通过综放可行性分析，矿井在 3 ﹟煤层采用综放开采技术。 本文以麻黄梁煤矿综放面为研究对象，对浅埋、薄基岩、松散厚覆岩条件下的综放 面矿压显现规律及支架工作阻力进行深入研究，对该矿井综放面安全、高效生产具有理 论和应用指导意义。 1.1.2 选题意义 在浅埋厚煤层中，神府矿区的神树畔煤矿、柳塔煤矿均采用了综放开采技术，但在 榆神矿区，麻黄梁煤矿首次采用综放开采技术，因此，该研究不仅对麻黄梁煤矿具有重 要的理论和实践意义，而且对研究相似地质条件下综放开采都有十分重要的指导和借鉴 1 绪论 3 意义。 1.2 国内外研究动态及发展趋势 1.2.1 国内外综放开采技术现状 放顶煤开采已有 100 多年的历史，最早应用于法国、西班牙和南斯拉夫等国。在当 时，只是作为复杂地质条件下的一种特殊的采煤方法。随着采煤机械化程度的提高，放 顶煤开采工作面的机械化也不断取得进步。将综合机械化开采运用到放顶煤开采工作面 后，放顶煤开采技术进入了新的发展阶段。 前苏联 1957 年研制出 KTY 型掩护式放顶煤液压支架，并在库兹巴斯煤田的托姆乌 辛斯克矿使用；法国 1963 年研制用于放顶煤综采的支撑掩护式放顶煤液压支架，并于 1964 年在布朗齐矿区试验成功； 南斯拉夫的放顶煤机械化开采分为三个阶段 1963 年～ 1972 年为试验阶段，1972 年～1975 年为推广阶段，1975 年以后技术趋于成熟并取得明 显的技术经济效益；匈牙利放顶煤综采使用最成功的为 VHP730 型系列支架装备的放顶 煤综采工作面，这种支架在匈牙利已得到普遍推广[10]；印度近年来在开采浅埋坚硬顶板 厚煤层方面成功运用了恒底综采和二次综放开采设计，即第一阶段恒底综采，采高 3.0m左右，待第一阶段采完且顶板运动稳定（一般采后 8～10 个月）以后，再进行第二 阶段综放开采，将剩余的厚 6m左右的煤层一次采出[11]。1992 年，国外最后一个综 放工作面在俄罗斯停采。 我国于 1982 年引入综放开采技术，到 1992年除中国外世界上最后一个综放面在俄 罗斯停采，至此，我国成为世界上唯一应用长壁放顶煤开采技术的国家。1984 年第一套 国产综采放顶煤支架 FY400-14/28 在沈阳蒲河矿下井试验。经过几年的时间，我国放顶 煤综采从无到有，从试采到开始推广使用，无论从开采工艺的研究和装备设计制造方面 都积累了十分宝贵的经验，并成为世界上放顶煤技术最先进的国家[12 ～14]。综采放顶煤开 采技术在我国的发展进程大致可分以下几个阶段 第一阶段是探索试验阶段， 从 20 世纪 50 年代至 1990 年底。 这个阶段我国放顶煤技 术主要处于学习、引进、借鉴的阶段。 第二阶段，即成熟阶段，从 1992 年至上世纪末，成熟的标志是我国综放开采技术走 上了独立发展的道路，不仅创造了超出分层综采的技术经济指标，并且在装备上，特别 在放顶煤液压支架的研制上摆脱了仅靠引进国外技术发展的模式，在创新上取得了突破 性的进展。 近十几年，综放开采技术在两种不同类型的情况下都得到了发展。一种类型是大型 和特大型矿井，煤层厚度大，储量大，地质构造简单，瓦斯含量低，煤质中硬。如兖州 东滩矿综放面年产 600 万 t 以上，工作面效益达 300t/工；平朔安家岭二号井放顶煤工作 西安科技大学硕士学位论文 4 面年产量达到 800 万 t，大同塔山矿放顶煤工作面最高日产达 5 万 t。另一种类型则是大 量的，即矿井井型较小（年产量小于 150 万 t/a），矿井各环节设备能力较小，地质条件 相对复杂，特别是一些难采煤层，如“三软”、“两硬”、“大倾角”、“高瓦斯”、 “易燃”、“边角煤”、“小块段”、“较薄厚煤层”等条件的综放开采技术有了较大 的发展，并在技术上形成了各自的典型模式，可以说，我国放顶煤综采技术已处于世界 领先水平[15]。 1.2.2 综放面矿压显现规律研究现状 1. 顶板来压特征方面研究现状 综放工作面也具有单一煤层工作面的一般矿压显现规律， 如初次来压， 周期来压等， 但由于综放开采一次采高增大，煤炭开采对直接顶岩层和老顶的扰动范围增大，加之直 接顶力学特性的变化，必然引起矿压显现的新特点综放面来压强度缓和、周期来压不 明显、来压步距减小、动载系数不大；综放面支架载荷不大，支架受载并不因开采厚度 增加而加大，反而减小；支架前柱工作阻力普遍大于后柱工作阻力，一般高 10～15， 支架后柱在放煤后有相当比例呈阻力下降，甚至降为零[16]。对此，我国的学者进行了大 量的现场观测和相似模拟等研究。 煤炭科学研究总院北京开采研究所学者康立军认为[17]，导致放顶煤工作面顶板来压 强度不高于同类顶板条件下分层开采的原因是，顶煤“塑性垫层”吸收了顶板来压时的 部分动载和静载。与分层开采相比，二者的初次来压机制相同，都是由“同一层”老顶 初次断裂、回转造成的。但是由于放顶煤开采时顶煤的存在，使“直接顶”厚度加大， 直接顶的初次垮落步距增加，直接顶对老顶的支托作用加强，在初采阶段，垮落的顶煤 几乎全部丢在采空区，垮落的顶煤及直接顶基本充满采空区，老顶两端固支梁的等效跨 度缩短等原因，使得放顶煤开采的初次来压步距大于分层开采。 煤炭科学研究总院北京开采研究所古全忠、史元伟、齐庆新等学者利用离散元和有 限元数值模拟及力学解析的方法，分析了放顶煤采场中上覆岩层运动规律，认为在放顶 煤采场中，随工作面的推进，上覆岩层具有明显的依次向上发展的分层运动特征[18 ～22]。 综放采场上覆岩层运动结构是“拱梁”结构，拱结构是一动态非对称压力拱，上覆岩 层运动的实质是拱向梁的转换运动过程； “拱梁”转换的实质是以拱顶的升高为条件， 初采时形成压力拱。一般是在老顶初次来压后才转化为临界“拱梁” ；老顶同直接顶 块体一样，经历“变形离层失稳”的过程，只不过老顶在各阶段持续