小红沟煤矿急倾斜煤层顶煤注水弱化参数研究.pdf

论文题目小红沟煤矿急倾斜煤层顶煤注水弱化参数研究 专 业采矿工程 硕 士 生艾合米地达力汗 签名 指导教师邓广哲 签名 摘 要 本文以小红沟煤矿急倾斜煤层顶煤注水软化工程为背景，针对小红沟煤矿主采煤层 B1、B2 、B3 、B4、B5、B6 条件，研究解决急倾斜特厚煤层水平分段放顶煤开采顶煤 弱化工艺及参数，为科学地解决急倾斜特厚煤层发展综采放顶煤技术面临的顶煤软化问 题提供科学依据。论文采用理论分析、实验研究、数值模拟和现场实践相结合的研究方 法，分析水对煤体的弱化作用以及压力水对煤体的破碎机理。通过水理性实验，给出了 各主采煤层含水率、吸水率、软化系数以及渗透系数；运用模糊聚类分析模型，分析了 煤层注水软化的影响因素，得出 B1、B3 为易注水煤层，B2、B5、B6 为较易注水煤层， B4 为难注水煤层；运用数值模拟，得到各煤层开采水平原始地应力场、煤层注水孔隙 压力的变化规律以及注水压力、 渗透半径与注水时间的关系， 确定了注水孔的布置方式、 注水参数以及合理布置方式。将研究成果应用于小红沟煤矿590B12和568B36煤层综 放工作面，成功地解决了急倾斜特厚煤层水平分段放顶煤开采的顶煤弱化问题。 关 键 词急倾斜特厚煤层；综采放顶煤；顶煤注水；弱化机理 研究类型应用研究 Subject Research on Xiao Honggou Coal Mine Water Weakening Parameters of Top Coal Specialty Mining Engineering Name Da Lihan Signature Instructor Deng Guangzhe Signature ABSTRACT In this paper,taking Xiao Honggou coal mining steeply inclined coal seam top coal softening engineering project as the background and Xiao Honggou coal mine main coal mining B1, B2, B3, B4, B5, B6 as condition, it studies and solves the steep thick seam sublevel caving mining top coal’s softening process and parameters, and provides a scientific basis on the top coal softening problem of fully mechanized top coal caving technology to the steep thick coal seam. This paper uses theoretical analysis, experimental research, numerical simulation and field practice of combining research s, analysising water on coal body weakening and pressure water on coal breaking mechanism. Using the rational water experiment, it obtains the main coal’s moisture content, water absorption, softening coefficient and permeability coefficient; using fuzzy clustering analysis model to analysis of coal seam water infusion softening effect factors, it obtains the B1, B3 for easy water injection coal seam, B2, B5, B6 for easy water injection coal seam, B4 for difficult water injection coal seam; using numerical simulation, it obtains the level of the initial stress field, the variation law of coal seam water injection pressure and injection pressure, permeability the relationship between the radius and the injection time, determines the injection hole arrangement, water injection parameters and reasonable layout. Research results has been applied to Xiao Honggou 590B12 and 568B36 coal seam comprehensive caving working face,and successfully resolved the problem of Xiao Honggou mine inclined special thick seam sublevel caving mining top coal’s weakening. Key wordsSteep inclined seam; Top- coal; Top coal injection; Weakening mechanism Thesis Application Research 目录 I 目录 1 绪论 ................................................................................................................................1 1.1 选题的背景和意义...................................................................................................1 1.2 国内外研究现状......................................................................................................1 1.2.1 国外研究现状 .................................................................................................2 1.2.2 国内研究现状 .................................................................................................3 1.3 本文的主要工作......................................................................................................5 1.3.1 研究目标........................................................................................................5 1.3.2 研究的主要内容.............................................................................................5 1.3.3 技术路线........................................................................................................6 2 煤体弱化机理.................................................................................................................7 2.1 水对煤体物理力学损伤机理...................................................................................7 2.1.1 水对煤体强度的影响机理..............................................................................7 2.1.2 水对煤微观强度弱化的机理 ..........................................................................8 2.2 水对煤体化学损伤的机理.......................................................................................9 2.2.1 煤水化学损伤分析........................................................................................10 2.2.2 考虑水化学损伤的煤体破坏力学分析.........................................................11 2.3 压力水对煤体破碎机理研究.................................................................................13 2.3.1 煤体裂隙中的水作用力................................................................................13 2.3.2 水压力作用下裂隙强度的变化.....................................................................14 2.4 小结 ........................................................................................................................17 3. 小红沟煤矿煤体水理性实验.......................................................................................18 3.1 实验准备................................................................................................................18 3.2 煤样结构及其亲水性实验......................................................................................19 3.2.1 实验煤样的孔隙率和含水率.......................................................................19 3.2.2 吸水率测定..................................................................................................21 3.2.3 水煤接触角与表面张力................................................................................22 3.3 不同煤层注水软化难易性判据实验 .....................................................................23 3.4 大煤样裂隙的测定................................................................................................25 3.5 煤样软化性质的改性试验测定.............................................................................25 3.6 煤体含水率对软化性作用的实验..........................................................................26 3.7 煤体渗透性实验研究.............................................................................................29 西安科技大学工程硕士学位论文 II 3.7.1 煤样渗透实验 ..............................................................................................29 3.7.2 低压注水煤样渗透性实验...........................................................................29 3.7.3 高压注水煤样渗透性实验研究....................................................................32 3.8 小结 .......................................................................................................................34 4 煤层注水软化性的影响因素及难易评价.....................................................................36 4.1 煤层软化性的影响因素.........................................................................................36 4.1.1 煤层孔隙的发育程度...................................................................................36 4.1.2 煤层的物理力学性质....................................................................................36 4.1.3 煤层内的瓦斯压力.......................................................................................37 4.1.4 煤的化学成分 ..............................................................................................37 4.1.5 水煤接触角..................................................................................................37 4.1.6 饱和水分增值 ..............................................................................................37 4.2 煤层软化性模糊聚类分析模型.............................................................................38 4.2.1 煤体弱化性模糊聚类分析方法数学模型....................................................38 4.2.2 煤体致裂软化性评价指标的选择................................................................39 4.2.3 注水软化性的模糊聚类分析运算方法........................................................40 4.3 煤层软化性评价....................................................................................................43 4.3.1 分类与聚类中心...........................................................................................43 4.3.2 煤体软化性评价及结论...............................................................................45 4.4 小结 ........................................................................................................................46 5 煤层注水数值模拟研究.................................................................................................47 5.1 数值模拟内容........................................................................................................47 5.2 计算条件................................................................................................................47 5.3 原始地应力分析....................................................................................................47 5.4 煤层注水孔隙压力的变化规律.............................................................................49 5.5 注水压力、渗透半径与时间注水的关系..............................................................49 5.6 布孔方式分析.........................................................................................................52 5.7 注水压力分析........................................................................................................53 5.8 注水孔超前工作面合理布置位置的确定..............................................................55 5.9 小结 ........................................................................................................................57 6 工程应用.......................................................................................................................59 6.1 小红沟煤矿基本条件.............................................................................................59 6.2 实验工作面基本情况 .............................................................................................59 6.2.1 590B12煤层工作面....................................................................................59 目录 III 6.2.2 568 B36煤层工作面...................................................................................60 6.3 590B12煤层注水弱化实施方案 ..........................................................................60 6.3.1 注水软化各项参数的确定............................................................................60 6.3.2 现场实施情况 ...............................................................................................61 6.3.3 工作面放煤效果分析....................................................................................61 6.4 568B36煤层注水弱化实施方案 ..........................................................................62 6.4.1 煤层注水软化各项参数的确定.....................................................................62 6.4.2 现场实施情况 ...............................................................................................63 6.4.3 工作面放煤效果分析....................................................................................63 6.5 小结 .......................................................................................................................64 7 结论 ..............................................................................................................................66 致 谢 ..............................................................................................................................68 参考文献...........................................................................................................................69 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题的背景和意义 急倾斜煤层是指赋存角度 45～90的煤层。我国急倾斜煤层的储量丰富，分布范 围广。开采急倾斜煤层的矿井产量占到全国原煤产量的 5左右，但是生产矿井数量众 多，占到全国的 20左右。 急斜煤层水平分段放顶煤开采技术与顶煤弱化是相伴而生共同发展的，早在上世纪 八十年代中期就在窑街二矿、乌鲁木齐六道湾煤矿和辽源梅河三井开始了急倾斜特厚煤 层放顶煤采煤方法的研究， 后获得了现场工业性试验成功。 该采煤方法具有安全、 高效、 环保等特点，同时对于煤层厚度变化及地质构造的适应性较强的特点，已经成为我国开 采急斜特厚煤层首选的现代采煤方法。 乌鲁木齐矿区从 20 世纪 80 年代引进急倾斜特厚煤层放顶煤开采技术，这是我国较 早应用和发展急倾斜煤层水平分段综合机械化放顶煤的矿区，解决了乌鲁木齐矿区急倾 斜煤层的开采难题。经过 20 多年的发展，神华新疆公司依靠科学技术的推动作用，完 善和发展急倾斜煤层水平分段综采放顶煤技术，进一步在乌鲁木齐矿区推广应用，显示 出显著的安全绩效。但是，由于放顶煤工作面采用短壁布置，顶煤硬度较大，冒放性问 题一直没有得到有效地解决。生产中延用工作面架间钻孔爆破方式解决支架后方顶煤悬 露跨落问题，不仅架间爆破工艺占用大量生产时间，更重要的是安全生产存在很大隐患 不能解决。顶煤弱化问题已经制约了神华新疆公司急斜煤层综采放顶煤开采技术水平的 持续发展。 乌鲁木齐矿区急倾斜煤层综放开采的实践表明，基于超前顶煤注水爆破弱化技术， 是全面解决矿区急倾斜煤层放顶煤开采顶煤软化问题的可行关键技术。 本文针对小红沟矿急倾斜特厚煤层开采顶煤注水弱化情况，深入研究，解决小红沟 煤矿综采放顶煤工作面顶煤注水的工艺参数问题，提出顶煤弱化的关键技术参数，通过 工业化试验，科学地解决急倾斜特厚煤层综采放顶煤技术面临的问题。 1.2 国内外研究现状 目前特厚煤层的开采方法多因地质条件和煤层赋存情况的不同，导致使用不同的开 采方法。寻求、探索一种高产、高效、安全的采矿方法，提高煤炭采出率是当务之急。 八十年代我国在学习国外放顶煤技术的基础上，发展了放顶煤开采技术，主要以长壁高 产高效工作面为主。综采放顶煤技术对于急倾斜煤层开采，带来了根本性变化。至九十 年代中期，我国放顶煤技术已居国际先进水平，在我国复杂煤层开采中得到深化研究和 西安科技大学工程硕士学位论文 2 推广[1- 6]。放顶煤开采能够实现高产高效，这一优势一开始就吸引了国际上大多数产煤 国家的关注，但是要推广这一优势，还存在着一些问题。如急倾斜厚煤层顶煤采出率、 三角煤损失问题等长期困扰煤炭生产。可以说，我国放顶煤技术发展和成熟的过程就是 解决各种困难的过程。虽然在 90 年代中期我国放顶煤技术已居国际先进水平，但放顶 煤技术的实际应用中仍存在许多急待解决的问题，尤其对急倾斜特厚煤层的安全开采、 以及提高资源采出率等方面问题依然十分突出。 1991 年晋城矿务局和大同矿务都开始在坚硬煤层中试验放顶煤开采， 但由于煤质坚 硬难冒、块大，顶煤放出率达不到 40％左右。1989- 1990 年西安科技学院[7- 9]在新疆乌鲁 木齐矿务局六道湾煤矿东二采区 B46煤层第一个水平分层 30m 短壁工作面，煤层硬度 2.8 等条件下，选用高爆巷爆破松动工艺取得了放顶煤工作面产量增加 74，工效翻一 番的成果。1990- 1991 年西安科技学院又与乌鲁木齐矿务局苇湖梁煤矿合作，在 B12煤 层采用爆破松动工艺在松散层覆盖下进行 10m 分段厚煤层短壁工作面试验，煤层硬度 2.0～2.5 条件下，取得了成功。在经过几年探索研究的基础上，1996 年，晋城矿务局古 书院矿根据煤体裂隙方位和工作面方向匹配的破煤原理，通过对工作面方向合理的调 整，取得了成效。大同矿务局在运用顶煤预爆破技术的基础上，也将坚硬煤层坚硬顶板 条件下的综放开采顶煤放出率提高到 65％左右。 西安科技学院[10- 15]在总结放顶煤经验基础上， 1996 年西安科技学院与窑街矿务局三 矿合作，在 4020- 8 急倾斜煤层放顶煤综采工作面，采用不同爆破方案形式，对分段煤 层厚度 10m，工作面长度 30m～42.5m，煤层硬度 2.5～3 的煤层条件下，取得工作面回 收率 83，月产 3.21 万 t 的记录。 为了降低综放工作面粉尘体积分数，采用煤层注水的方法对梅河一井综采放顶工作 面煤层进行降尘，孙玉峰[16]研究了通过合理的选择煤层注水钻孔施工工艺，优化煤层注 水参数，减少影响煤层注水效果的因素，加强煤层注水的日常管理，使水从煤体的裂隙 和孔隙中挤走大量的游离沼气，延迟了瓦斯解吸释放的时间，降低了煤层开采时的瓦斯 涌出量及上隅角瓦斯体积分数，杜绝了瓦斯超限现象。另外，在高瓦斯矿井煤层注水能 使煤质变软，增加塑性，从而减少冲击，降低煤与沼气突出次数。 煤矿防尘是保证生产安全和职工健康必不可少的措施，而煤层注水则是从源头上控 制煤尘产生的有效方法。赵从国运用 3 种方式对徐矿集团回采工作面煤层注水，采用的 打钻机具和注水器具，钻孔布置及注水压力等相关参数的选择，取样化验的方法，以及 实施煤层注水后的效果。 1.2.1 国外研究现状 放顶煤开采很久以前就应用于特厚煤层开采。法国在 1980 年 6 月，布郎齐矿区罗 泽莱矿 65 号南翼工作面进行了长壁工作面的放顶煤开采高产试验，在能正常生产情况 1 绪论 3 下又在工作面注水软化煤体。在 21 天的试验期间，平均日产 2660t，月产 58790t 商品 煤，煤炭回收率达到 90％以上。早在 1965 年前苏联还使用一种设在巷道内的 KCB 型 拱形放顶煤掩护支架，开采 2m～6m 厚的急倾斜煤层，在分段巷道内向上钻孔爆破放顶 煤。此后，波兰、南斯拉夫、印度等国都使用过综放技术，但效果不够理想，加上国际 能源结构变化等原因，80 年代后国外综放技术开始萎缩，90 年代只有极少数矿井使用。 1.2.2 国内研究现状 综合机械化放顶煤技术是厚煤层采煤方法的发展方向。坚硬顶煤，也就是那些在正 常条件下不能够实现架后自然冒落或者冒落程度达不到放顶煤要求的煤体。对于坚硬煤 体开采大致经历了两个方向的研究。其一，也就是围绕关于放顶煤技术本身使用条件或 者适应范围划分的研究；另一个，通过借助人工干预，降低硬煤强度，增强顶煤冒放途 径的研究，即爆破弱化和煤体水力致裂弱化技术研究阶段。国内外学者针对煤矿开采中 坚硬顶煤（板）冒落性差的问题，较系统地分析了煤矿生产中由此产生的顶煤采出率、 冲击矿压、自燃发火和瓦斯积聚等技术难题。 研究表明[17,18]放顶煤开采时应力状态（支承压力） 、煤层强度和裂隙程度对顶煤 破碎有着决定性影响。在相同的支承压力条件下，煤体强度越大，破碎程度越差，反之 亦然。 1997 年， 西安科技大学邓广哲教授等人在分析特厚煤层赋存条件和煤层应力状态、 裂隙分布和渗透性规律基础上，提出坚硬煤层注水水力致裂软化技术，并结合煤矿现场 进行了长期的系统试验研究。 康天合，张建平，白世伟[19]，从理论上研究了超前开采工作面注入煤体的水在裂隙 和孔隙中的渗透运动和水对煤体的弱化机理； 从试验上得出了注水压力对煤体变形模量 的弱化规律和注水含水率对煤的抗压强度的弱化规律；提出了预注水超前工作面的位 置、时间、注水含水率、注水量、注水润湿半径、注水孔间距、注水持续时间、注水压 力和注水孔布置等工程参数的确定方法。将理论研究结果应用于潞安王庄矿 4309 综放 开采工作面，取得了显著的技术经济效益和社会效益。 李建胜[20]根据综放开采工作面前方支承压力对顶煤的作用原理， 以及顶煤冒放与强 度的相关规律和煤层注水渗透与软化理论，提出了预注水处理顶煤超前工作面的合理位 置、注水含水率、单孔注水量、注水湿润半径、注水孔间距、注水时间、注水压力和注 水孔布置等工程参数的确定方法，并将其成功应用于综放开采实践，研究结果为综放开 采预注水处理顶煤技术的推广应用提供了依据。 李宗翔，潘一山，张智慧[21]针对以预防冲击地压为目的的煤巷掘进预先注水问题， 结合木城涧矿的实例，通过现场单孔等压注水试验，用可变容差最优化搜索方法对模型 参数进行反演， 得到煤体的导水和贮水特征参数， 得出该煤层所属湿润饱和度， 导水性， 用数值模拟方法详细描述了在各压力下的注水动态过程，给出了注水的压力、时间、湿 西安科技大学工程硕士学位论文 4 润范围三者的动态变化关系。分析了单、双孔布置与注水参数的变化关系，提出双孔同 时注水方法、设双掘进面、掘进和注水工作交叉作业的注水设计方案，既提高了注水湿 润范围，又使注水不影响掘进工作，给出了合理注水参数的确定方法。 闫少宏等[22]提出用人工切槽注入高压水，人为定向将顶板分层，从而降低顶板来压 强度，并且运用塑性软化模型推导了裂隙扩展的基本条件。这种理论考虑了裂隙的塑性 软化，较符合实际情况。 对于生产中较多采用的架间爆破法弱化煤层， 已从国家煤矿安全生产规范中予以明 令禁止不许使用。近年来，煤层水力致裂软化技术由于其安全高效环保的特点，得到生 产实际的不断应用。虽然水力致裂技术在岩土工程、石油开采中，国内外