桃山煤矿急倾斜煤层采煤方法研究.pdf

在职工程硕士学位论文 桃山煤矿急倾斜煤层采煤方法研究 STUDY OF MINING OF STEEPLY INCLINED COAL SEAM IN TAOSHAN COAL MINE 作 者张 翀 校内导师郝传波 教授 校外导师陈立军 高级工程师 黑龙江科技大学 二○一四年六月 万方数据 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 本人完全了解黑龙江科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所 撰写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者须授权所在学校拥有学位 论文的部分使用权，即①学校档案室和图书馆有权保留学位论文的纸质版和电 子版，可以使用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文；②为教学和 科研目的，学校档案室和图书馆可以将公开的学位论文作为资料在档案室、图书 馆等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。另外，根据有关法规，同意中国 国家图书馆保存研究生学位论文。 本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致， 论文的公布（包括刊登）授权黑龙江科技大学研究生学院办理。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书） 。 作者签名 校内导师签名 校外导师签名 年 月 日 年 月 日 年 月 日 万方数据 中图分类号 TB21 学校代码 10219 UDC 62-93 密 级 公开 黑龙江科技大学 在职工程硕士学位论文 桃山煤矿急倾斜煤层采煤方法研究 STUDY OF MINING OF STEEPLY INCLINED COAL SEAM IN TAOSHAN COAL MINE 作 者 张 翀 导 师 郝传波 陈立军 申请学位 工程硕士 培养单位 矿业工程学院 工程领域 矿业工程 领域范围 采矿工程 答辩委员会主席 邢殿生 评 阅 人 路占元 二○一四年六月 万方数据 论文审阅认定书论文审阅认定书 研究生 张 翀 在规定的修业年限内，按照研究生培养方案的 要求，完成了研究生课程和其他培养环节的学习，成绩合格；在我的 指导下独立完成本学位论文,经审阅，论文中的观点、数据、表述和结 构为我所认同，论文撰写格式符合学校的相关规定，同意将本论文作 为学位申请论文送专家评审。 校内导师签名 校外导师签名 年 月 日 年 月 日 万方数据 致谢致谢 本论文是在郝传波教授和陈立军高级工程师的悉心指导下完成的，从论文选 题、研究方法的选择、实践研究的分析到论文的撰写，无不倾注了郝教授和陈立 军高级工程师的心血和智慧。实践研究分析期间，二位导师对我的学业和成长给 予了极大的关怀和指导，时时激励着我奋发向上，严格要求自己。论文撰写时， 郝教授和陈立军高级工程师从各个方面给予了我莫大的关心和指导，使论文得以 顺利完成。郝教授渊博的学识、严谨的治学态度、勤奋的工作作风和敬业精神和 陈立军高级工程师丰富的实践经验、严谨的工作态度对我影响至深，并将终生受 益。希望在今后的工作和学习中继续得到二位导师的指导和帮助，在此表示最衷 心的感谢和最诚挚的敬意。感谢矿业工程学院的代少军老师，正是有了他的帮助， 才使论文进展顺利。论文撰写过程中引用了非常好的参考文献，对于参考文献作 者，在此一并致谢。 实践研究过程中，得到了龙煤集团七台河分公司桃山煤矿采区工程技术人员 的大力支持和密切配合，在数据和相关资料的提供上给予了便利，在现场调查和 现场应用方面给予了有益的指导，在此表示深深的谢意。 万方数据 I 摘摘 要要 2012 年，国家发改委发布了生产煤矿回采率管理暂行规定 ，对各种条件下 的煤炭资源回采率进行了规定，其目的是为了合理开发和保护煤炭资源，提高煤 炭资源回采率。目前，急倾斜煤层开采一直是采矿技术中的难题，已经引起国家 有关部门的重视。国内学者及煤炭企业对该问题进行了大量研究，并取得了一定 的成果。然而，由于急倾斜煤层开采条件的复杂性和特殊性，采煤方法仍然是此 类矿井提高煤层回采率、提高机械化水平和安全生产水平所面临的主要障碍。 急倾斜煤层的矿山压力的分布规律复杂，顶板管理困难，事故多发。因此， 急倾斜煤层开采的关键不仅仅是解决回采过程中液压支架防倒、防滑及顶板管理 问题，急倾斜煤层开采方法的研究对开采急倾斜煤层及提高资源采出率具有重要 的理论和实践意义。 本文以龙煤集团七台河分公司桃山煤矿 85煤层为研究案例，对采煤方法选 择、回采巷道布置、采煤工作面设备选型、防倒防滑措施、工作顶板管理及现场 观测等进行了研究。首先分析了急倾斜煤层矿压显现规律，通过对各种急倾斜采 煤方法的对比分析，确定桃山煤矿 85煤层选择伪斜综合机械化走向长壁采煤法， 采煤工艺为综采。其次，分析了采煤工作面液压支架选型的制约因素，利用数值 模拟的方法对急倾斜薄煤层开采时的矿压显现规律进行了预测，通过支护强度的 计算、数值模拟分析，选择使用 ZQY4000/14/32 型掩护式液压支架；结合急倾斜 煤层开采的特点，提出了工作面液压支架、排头支架、排尾支架、刮板输送机的 防滑和防倒等“三防”措施。再次，对采煤工作面顶板控制、端头管理、以及工 作面现场观测均提出了相应的措施。对采煤工作面煤壁片帮和巷道变形量进行了 观测和分析，对比分析了采煤工作面的回采效果，实践证明该方法效果显著，工 作面回采率提高了 56.7。最后结合桃山煤矿实际生产情况对伪斜综合机械化走 向长壁采煤法进行了总结，并对存在部分问题提出了展望。 关键词关键词急倾斜煤层；回采率；采煤方法； “三防”措施；顶板控制； 万方数据 II Abstract In 2012,the National Development and Re Commission issued the The recovery rate of coal mine production management regulations‖, the recovery rate of coal resources under various conditions were prescribed, its purpose is to rational exploitation and protect the of coal resources, to improve the recovery rate of coal resources. Currently, steep seam has been the problem of mining technology, has attracted the attention of relevant state departments. Domestic scholars and coal enterprises had undertaken extensive research on the issue, and have achieved certain achievements. However, because of the complexity and particularity of steep coal seam mining conditions, mining s is still such a mine to improve coal recovery rate and improve the level of mechanization level and the safety in production of the main obstacles. Distribution of steep seam mining pressure is complex, difficulties roof management, accident-prone. Therefore, the key of steep seam is not just solve the problems of the hydraulic support anti-down, non-slip and roof management in the mining process, the research steep seam mining of steep seam mining and improve resource recovery rate has important theoretical and practical significance in the mining of deeply inclined coal seam mining steep coal seam and improve resource recovery rate has important theoretical and practical significance. Based on the Dragon coal group Qitaihe branch Taoshan coal mine 85 coal seam as the research case, on mining selection, roadway layout, equipment selection in coal mining face, anti-slip steps down, face roof management and field observations were studied. Firstly, analyzes the pressure behavior law of steep coal seam mining, through the comparison of various kinds of steeply inclined coal mining ofanalysis, to determine the Taoshan mine 85 coal seam selection oblique comprehensive mechanized long wall coal mining , coal mining technology is fully-mechanized coal winning technology. Secondly, it analyzes the restrictive factors about selection of the hydraulic support in coal mining face, using numerical simulation for mine pressure appearing rule of steep inclined thin seam were predicted, by calculating the intensity of support, numerical analysis, choose to use the shield type the hydraulic support ZQY4000/14/32,combined with the characteristics of steep seam mining, put forward face powered support, end support the line bracket, the slip and anti-down of scraper conveyor, such as “three“ anti-measures measures.Once again, 万方数据 III the roof control of coal mining face, end management as well as situ observations of working face were put forward the corresponding measures. observed and analyzed mining workface coal wall rib fall and roadway deation，comparative analyzed mining effect of coal face, practice proved that the effect of the mining is significant, and the mining rate of coal face increase by 56.7. Finally, Combined with the actual production condition of Taoshan coal mine ,oblique comprehensive mechanized long wall coal mining s are summarized, and the existing problem is presented. Keywords Steep Seam; Recovery Rate; Coal Mining ; Three Anti-measures; Roof Control; 万方数据 IV 目目 录录 摘摘 要要 ............................................................................................................................ I I 目目 录录 .......................................................................................................................... IVIV 1 1 绪论绪论 ............................................................................................................................ 1 1 1.1 研究意义 ......................................................... 1 1.2 国内外研究现状 ................................................... 2 1.2.1 国外研究现状 ............................................................. 2 1.2.2 国内研究现状 ............................................................. 2 1.3 研究内容 ......................................................... 4 1.4 研究思路和技术路线 ............................................... 5 2 2 急倾斜煤层采煤方法选择急倾斜煤层采煤方法选择 ........................................................................................ 6 6 2.1 桃山煤矿概况 ..................................................... 6 2.1.1 矿井位置 ................................................................. 6 2.1.2 矿区自然地理 ............................................................. 6 2.1.3 井田地质及构造 ........................................................... 7 2.1.4 煤层情况 ................................................................. 9 2.2 急倾斜煤层矿压显现规律 .......................................... 10 2.2.1 急倾斜煤层开采顶板活动特点 .............................................. 10 2.2.2 工作面矿压显现规律 ...................................................... 12 2.3 采煤方法的选择 .................................................. 13 2.3.1 倒台阶采煤法 ............................................................ 13 2.3.2 俯伪斜走向长壁采煤法 .................................................... 15 2.3.3 钢丝绳锯采煤法 .......................................................... 17 2.3.4 伪倾斜柔性掩护支架采煤法 ................................................ 17 2.3.5 伪斜综合机械化走向长壁采煤法 ............................................ 19 2.3.6 采煤方法确定 ............................................................ 20 2.4 回采巷道布置方案 ................................................ 20 2.5 本章小结 ........................................................ 22 3 3 工作面设备选型及其防倒防滑措施工作面设备选型及其防倒防滑措施 ...................................................................... 2323 3.1 采煤机及刮板输送机选型 .......................................... 23 3.1.1 采煤机选型 .............................................................. 23 3.1.2 刮板输送机选型 .......................................................... 24 万方数据 V 3.2 急倾斜走向长壁工作面对液压支架的要求 ............................ 26 3.3 急倾斜煤层矿压显现数值模拟 ...................................... 27 3.3.1 数值模型建立 ............................................................ 27 3.3.2 急倾斜煤层矿压显现趋势预测 .............................................. 27 3.4 大倾角综采液压支架选型 .......................................... 39 3.4.1 液压支架选型要求 ........................................................ 39 3.4.2 工作面液压支架选型计算 .................................................. 40 3.4.3 工作面液压支架选型校核 .................................................. 44 3.4.4 工作面设备配备 .......................................................... 45 3.5 工作面设备防倒防滑措施 .......................................... 45 3.5.1 工作面支架的防倒防滑 .................................................... 46 3.5.2 排头支架防倒防滑 ........................................................ 47 3.5.3 排尾支架防倒防滑 ........................................................ 47 3.5.4 刮板输送机防滑 .......................................................... 49 3.6 本章小结 ........................................................ 50 4 4 顶板管理与现场观测顶板管理与现场观测 .............................................................................................. 5151 4.1 工作面顶板控制 .................................................. 51 4.2 采煤工作面端头安全管理 .......................................... 52 4.3 急倾斜综采工作面矿压观测 ........................................ 54 4.3.1 矿压观测研究的目的 ...................................................... 54 4.3.2 巷道变形量观测 .......................................................... 54 4.3.3 工作面煤壁片帮观测 ...................................................... 55 4.4 急倾斜综采工作面矿压观测结果 .................................... 56 4.4.1 巷道变形量观测结果及分析 ................................................ 56 4.4.2 工作面煤壁片帮观测结果及分析 ............................................ 56 4.5 工作面回采效果分析 .............................................. 56 4.6 本章小结 ........................................................ 57 5 5 结论与展望结论与展望 .............................................................................................................. 5858 参考文献参考文献 ...................................................................................................................... 5959 作者简历作者简历 ...................................................................................................................... 6161 学位论文数据集学位论文数据集 .......................................................................................................... 6363 万方数据 1 绪论 1 1 1 绪论绪论 1.11.1 研究意义研究意义 煤炭是我国的主体能源，在一次能源结构中占 70左右。在未来相当长时期 内，煤炭作为主体能源的地位不会改变。煤炭工业是关系国家经济命脉和能源安 全的重要基础产业[1,2]。中国“富煤、贫油、少气”的能源储备特征和进入重化工 业主导型经济发展阶段特点，决定了煤炭将在中国一次能源消费结构中占主导地 位的格局将长期保持不变[3,4]。 急倾斜煤层在我国分布较广，赋存条件复杂，开采矿井数量多，开采难度大， 近年来发生了多起重特大事故[5]。在黑龙江矿区的复杂煤层中，急倾斜薄煤层赋 存比例较大，且 80为薄煤层，现有已探明资源储量 4.3 亿 t，占全省煤炭资源总 储量的 4.6[6]。 现有开采急倾斜煤层的生产矿井 169 处， 占全省生产矿井的 15， 其中，七台河矿区和密山矿区开采急倾斜薄煤层矿井较多。开采煤层多表现为 一是开采煤层倾角变化较大，煤层厚度不均；二是煤层顶、底板不完整，且受地 质构造影响较大，如局部破碎、鸡窝顶等；三是煤层发育不稳定，如大面积夹矸， 岩层侵入较多等。该类型矿井开采存在的突出问题一是设备的防滑与防倒；二 是工作面顶、底板的管理；三是运输及行人安全；四是工人作业环境差，劳动强 度较大；五是开采效率低，煤炭回收率低，经济效益差。 2007 年 3 月 2 日，国家煤矿安全生产监察局发布了国家煤矿安全监察局关 于急倾斜煤层安全开采的指导意见 （煤安监技装〔2007〕5 号） ，文件规定自 2008 年 1 月 1 日起，严禁煤矿企业在急倾斜煤层中使用仓储式采煤法，要积极采用长 壁采煤法、柔性掩护支架采煤法、水平分层（段）采煤法等采煤方法。这就使得 黑龙江省七台河、鸡西等一百多个急倾斜薄煤层开采的地方煤矿必须采用新的适 应复杂条件的新的开采技术。2012 年，国家发改委[7]发布了生产煤矿回采率管 理暂行规定 ，对各种条件下的煤炭资源回采率进行了规定，其目的是为了合理开 发和保护煤炭资源，提高煤炭资源回采率。对此，本课题选择龙煤集团七台河分 公司桃山煤矿的 85急倾斜煤层作为研究案例， 探讨使用伪斜综合机械化走向长壁 采煤法开采该煤层。课题的研究，对解决桃山煤矿急倾斜煤层的开采问题、提高 急倾斜煤层的回采率具有积极意义，同时研究成果可以为全国同类条件下的急倾 斜煤层开采提供技术借鉴。 万方数据 硕士学位论文 2 1.21.2 国内外研究现状国内外研究现状 1.2.1 国外研究现状 国外一些煤炭生产国家（例如俄罗斯、英国、法国、德国和波兰等）曾经对 急倾斜煤层的采煤方法进行过研究，并提出了一些可用的采煤方法，以机械化开 采为主[8-12]。 德国发明了 EW-300-L 型单滚筒采煤机[13]，通过采用齿轮-销轨式无链牵引， 将牵引力提高了 1 倍，满足了大倾角煤层开采的要求。该设备可以满足煤层倾角 在 54 的煤层。 英国的 AM500 型采煤机曾被考虑用于 50 大倾斜的工作面。支架适用于大倾 角的有 3 架一组的急倾斜煤层支架，支架为 4 柱支撑掩护式液压支架，并与刮板 机直接联接。 但是，国外产煤国家对急倾斜煤层的综采研究和试验，主要研究对象为中厚 煤层。尽管国外主要产煤国家对急倾斜煤层综采设备的研制有了突破，但因煤层 倾角大，回采工作面设备故障多发，液压支架选型困难[14]，工艺复杂，产量和效 率过低，最近几年的研究进展缓慢或基本停止[15]。 1.2.2 国内研究现状 国内对急倾斜煤层开采方法的研究和技术改革，从50年代到80年代，大致经 历了以下几个阶段[16-23]。 （1）建国初期（20世纪50年代） 。在这一阶段主要对急倾斜煤层进行了采煤 方法的改革。针对各个地区的不同煤层条件，先后采用了倒台阶法、沿俯伪斜方 向推进的掩护支架、巷道长壁、水平分层法等各式各样的采煤方法。此外，还有 一部分地区使用风镐落煤,运煤机械采用刮板运输机，机械方式回柱放顶，采煤工 作面的回采能力得到了提高，工人的劳动强度减轻了，采煤工作面的安全生产状 况也得到了改善，试验取得了较好的效果。 （2）1960年至1975年之间。在这段时间国内部分矿区对急倾斜煤层采煤技术 进行了改进，主要是将原有的风镐落煤技术进行改进，发展为使用煤电钻进行打 眼、回采工艺采用炮采工艺的采煤方法。该方法为了满足掩护支架的使用范围,部 分矿区开始使用掩护支架采煤法，即在采煤工作面中使用“八”字型等掩护支架， 这种方法在我国的江苏的徐州矿区、河北唐山的开滦矿区、安徽的淮南矿区等得 到了使用。主要原因是原有的平板支架容易造成采煤工作通风困难，风量小，操 作不方便，因此“八”字型等掩护支架改善了回采工作面的支护效果，解决了普 通支护形式中的平板型支架的缺陷，在各矿区使用效果明显，经济效益显著。除 了进行落煤技术改革以外，部分煤矿在开采急倾斜煤层时分别对煤矿开拓巷道布 万方数据 1 绪论 3 置、 回采巷道布置方式进行了改革, 使原来的巷道掘进率大大降低， 同时由于巷道 布置方式的改变，巷道的围岩压力状态发生了变化，使巷道的维护难度降低，节 约了巷道维护成本。此外，这些煤矿也对采煤工作面的支护方式进行了优化，引 进了金属支柱、金属铰接顶梁。在部分煤矿开始在水平分层采煤工作面中使用金 属网来实现人工假顶，有的则为了节约成本和取材方便，使用竹笆、荆笆等简易 材料作为人工假顶。人工假定的使用，在一定程度上提高了采煤工作面的安全性， 均取得了较好的技术经济效果。 （3）1975年左右。在这一阶段时间，伪斜柔性掩护支架采煤法问世。该方法 进行了较大程度的改善，具备了走向长壁采煤法的部分特征，回采工作面采用直 线布置，回采时将工作面调整为俯伪斜方向，工作面回采时沿着煤层走向推进； 支护方式采用柔性掩护支架，采煤工人在支架的掩护下进行作业。 该采煤方法是由安徽淮南矿区发明的。这种采煤方法将采煤工作面的倾角变 小、工作面的长度变大，具有巷道布置简单、生产系统简单巷道掘进率低等优点。 该方法利用掩护支架 掩护支架将采空区和采煤工作面隔开， 简化了工作面顶板管 理，工作面实现负压通风，解决了急倾斜煤层回采工作面通风和工作面顶板管理 的问题；采煤工作面搬迁次数减少，掩护支架的安装、拆除、采煤工作三者可以 分开，实现了平行作业。工作面回采的煤炭能够实现自溜，减轻了煤矿工人的劳 动强度，同时也降低了工作面支护材料的消耗。这种采煤方法实现了急倾斜煤层 开采的突破，国内多个煤矿仍采用这种方法开采急倾斜煤层。这种采煤方法的缺 陷是机械化程度较低，为此，在北京部分煤矿和黑龙江的鸡西矿区等尝试使用滚 筒采煤机进行采煤, 四川的攀枝花矿区进行了冲击式刨煤机开采试验。 部门煤矿也 曾经尝试使用综采工艺开采，进行了一系列试验。 （4） 1990年左右。 在这段时间部分煤矿将急倾斜煤层采煤工作面的长度加长， 采煤工作面的产量有了明显提升，安全生产水平也有了一定的提高。例如四川省 的巡场煤矿曾经尝试采用俯伪斜走向长壁分段密集采煤法，该回采方法具有产量 大、通风条件好、便于顶板管理等优点。 （5）2000年以后。近年来，部分煤矿在以前的急倾斜采煤法基础上，不断进 行改进，机械化程度逐步提高，以综采工艺为代表的采煤方法实现了技术上的突 破。 2007年，川煤集团绿水洞煤业公司发明了急倾斜煤层综采成套技术，并发明 了新型支架[24]。2007年初，该公司5654回采工作面煤层最大倾角在55至58之 间，平均倾角在55左右，煤层厚度为2.5m至3.5m之间，走向长1400多m，工作 面斜长130m，煤炭储量月70余万t。2007年5月，急倾斜项目研究组自主研制的 ZJ3600-15/36型急倾斜四立柱支撑掩护式液压支架和ZTHJ11400/15/23型急倾斜端 万方数据 硕士学位论文 4 头支架，优化了“三机”配套方案，在5654采煤工作面进行现场实验，并成功解 决了急倾斜煤层综采输送机和液压支架防滑；架前挡矸门自动升降液压系统有效 保障工作面防飞矸伤人；下部端头支护和人员安全等技术难题，实现了急倾斜煤 层综合机械化开采综合工艺。 2012年，靖远煤业集团公司与新疆生产建设兵团农四师71团双新煤业合作的 大倾角综采放顶煤首采工作面成功试采[25]。该矿煤层倾角为40至55，实现综 放面单班最高生产原煤2456t，平均每天生产原煤1828t。 宁桂峰，杜忠孝[26]针对大倾角极薄煤层的复杂地质条件，对回采工作面的配 套设备进行了适应性研究，并提出了改进意见。 蒋新军[27]以苇湖梁煤矿为研究案例， 对急倾斜综采放煤工艺进行了详细研究。 作者采用模拟试验研究了顶煤放出过程， 提出了确定合理的顶煤分段高度的方法。 对顶煤放出的影响因素进行了分析，运用椭球体放煤理论对放煤参数的合理取值 进行了研究，给出了具体计算公式。 路占元、王常鹏、陈刚等介绍了无人作业工作面长孔爆破落煤回采工艺[28,29]， 针对现有急倾斜煤层开采方法，提出了一种工作面无人作业、回采工作面不支护、 采用长孔爆破落煤工艺的新方法。回采工作面上巷回风，下巷入风运煤；在上巷 与下巷之间布置打眼道，在打眼道与下巷之间留设区段保护煤柱，沿走向每间隔 一定距离布置一个放煤口；上巷与打眼道之间形成正倾斜工作面，沿煤层走向方 向向前推进；它的巷