叙永煤矿极薄煤层滑锯式机械化开采方法研究.pdf

万方数据 万方数据 万方数据 效益会更好。 本文提出的“一种极薄煤层滑锯式机械化开采方法”适用于所有近水平及倾斜极薄 煤层机械化开采或部分薄层金属矿的连续机械化开采， 特别能满足瓦斯与火灾治理对极 薄保护煤层开采技术需求。 关 键 词极薄煤层；滑锯式机械化；开采方法 研究类型应用研究 万方数据 万方数据 2 Design an optimized working face layout with 110 working and roadway , to realize the up-mining wind protection roadway at the working face stage. According to the independent ventilation system of coal and gas outburst ation Y, each mining face s an economic disaster control mode of effective coupling of mining and gas outburst control engineering from the essential safety guarantee of the mine. 3 In the mining direction of extremely thin coal seam ,the plastic zone of overburden strata is deed and represents the shape of an arch.The area with the largest vertical displacement is in the middle of stope. The plastic zone of overlying strata in the inclined direction is relatively higher in the middle of the stope.and the maximum displacement is in the middle the roof. The both ends majorly shows shear bond destruction,and the middle of overlying strata majorly shows tensile destruction.the load of the support body beside the roadway increases as the slant angle of the coal seam decreases and the mining height index increases,it drops rapidly at first but the decrease rate drops as time passes.Roof cutting and flexible work roadway protection can effectively prevent gas from flowing into the roadway,therefore ensure the satisfaction of standard requirements for mine ventilation system and the stability of surrounding rock,and ultimately improve the mining safety and coal recovery rate. 4 A sliding saw mechanized mining of the extremely thin coal seam is implemented in the engineering practice of xuyong coal mine. The application of some schemes on the four coal mining faces in the S12 mining area can achieve an efficiency of 23 million yuan. The economic and social benefits will be better after the implementation of all the schemes. This paper puts forward a kind of extremely thin coal seam sliding saw type mechanized mining applies to all nearly horizontal and inclined thin coal seam mechanized mining or part of a thin layer of metal continuous mechanized mining, special gas, and fire control can satisfy the protection for extremely thin coal bed mining technology needs . Key words Extremely thin coal seam; sliding-saw mechanization; mining . Thesis Application research 万方数据 目录 I 目 录 1 绪论 ......................................................................................................................................... 1 1.1 选题背景及研究意义 .................................................................................................. 1 1.2 国内外研究与应用现状 .............................................................................................. 4 1.2.1 国内外薄煤层开采的研究现状 ....................................................................... 4 1.2.2 国内外薄煤层开采的应用现状 ....................................................................... 5 1.2.3 国内外覆岩运移规律的研究现状 ................................................................... 6 1.3 研究内容及技术路线 .................................................................................................. 8 1.3.1 研究内容 ........................................................................................................... 8 1.3.2 技术路线 ........................................................................................................... 8 2 极薄煤层滑锯式机械化开采方法 ....................................................................................... 10 2.1 工程概况 .................................................................................................................... 10 2.1.1 地层及地质构造 ............................................................................................. 10 2.1.2 煤层和煤质 ..................................................................................................... 11 2.1.3 各煤层瓦斯含量 ............................................................................................. 13 2.1.4 主要开采技术条件 ......................................................................................... 14 2.2 薄煤层滑锯式机械化开采方法 ................................................................................ 15 2.2.1 工作面与巷道布置 ......................................................................................... 16 2.2.2 回采工艺 ......................................................................................................... 17 2.2.3 主要技术指标 ................................................................................................. 17 2.3 工作面“三机”研制与配套 ........................................................................................ 19 2.3.1 移推液压支座 ................................................................................................. 19 2.3.2 滑锯采煤机 ..................................................................................................... 22 2.3.3 刮板输送机 ..................................................................................................... 24 2.3.4“三机”配套与主要参数 .................................................................................. 28 2.4 本章小结 .................................................................................................................... 30 3 极薄煤层开采覆岩运移规律数值模拟研究 ....................................................................... 31 3.1 数值模拟软件及方案 ............................................................................................... 31 3.1.1 数值模拟软件 ................................................................................................. 31 3.1.2 数值模拟方案 ................................................................................................. 31 3.2 工作面上覆岩层运移规律 ........................................................................................ 32 3.2.1 采场覆岩塑性区分布特征 ............................................................................. 33 3.2.2 采场覆岩应力分布特征 ................................................................................. 34 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 II 3.2.3 采场覆岩垂直位移云图 ................................................................................. 35 3.3 本章小结 .................................................................................................................... 37 4 极薄煤层开采巷旁充填体稳定性分析 .............................................................................. 38 4.1 护巷与顶板管理 ........................................................................................................ 38 4.1.1 采用切顶成巷方式 ......................................................................................... 38 4.1.2 柔模护巷方式 ................................................................................................. 39 4.2 巷道支护形式 ........................................................................................................... 39 4.2.1 工作面切眼断面与支护 ................................................................................. 39 4.2.2 巷道断面与支护 ............................................................................................. 40 4.3 巷旁充填体力学性能及稳定性控制 ........................................................................ 40 4.3.1 巷旁充填体料浆配比 ..................................................................................... 40 4.3.2 巷旁充填体稳定性分析 ................................................................................. 42 4.4 本章小结 .................................................................................................................... 46 5 叙永煤矿极薄煤层滑锯式机械化开采工程实践 .............................................................. 47 5.1 工程实施方案 ............................................................................................................ 47 5.2 工作面安全保障技术 ................................................................................................ 47 5.2.1 通风与瓦斯治理技术 ..................................................................................... 47 5.2.2 火灾与水害防治技术 ..................................................................................... 53 5.2.3 其他 ................................................................................................................. 56 5.3 技术经济效益分析 .................................................................................................... 58 5.3.1 经济效益预测 ................................................................................................. 58 5.3.2 社会效益分析 ................................................................................................. 59 5.4 本章小结 .................................................................................................................... 60 6 结论与展望 .......................................................................................................................... 61 6.1 主要结论 .................................................................................................................... 61 6.2 展望 ............................................................................................................................ 61 参考文献 .................................................................................................................................. 63 致谢 .......................................................................................................................................... 63 附录 .......................................................................................................................................... 66 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题背景及研究意义 煤炭是我国的主要能源，是国民经济和社会发展不可缺少的物质基础。我国煤炭储 量丰富，在己探明的化石能源中煤炭占 94％。2017、2018、2019 年，我国完成原煤产 量分别是 35.24、36.8 和 38.6 亿吨，初步核算，2019 年能源消费总量 47.3 亿吨标准煤， 比 2018 年增长 4.7。煤炭消费量增长 1.05，煤炭消费量占能源消费总量的 60.0左 右，全国近十年的煤炭产量情况见图 1.1，但煤炭供应仍出现了紧张的局面。随着人民 生活水平的提高和消费结构的升级，能源的需求结构虽然将发生重要变化，但我国以煤 为主的能源结构在相当长时间内不会改变很大[1]。 图 1.1 近十年全国煤炭产量（单位亿吨） 我国煤炭赋存呈多样化，其中薄与极薄煤层资源也较丰富，并且分布广泛。在已探 明矿区中，84.2的矿区均有薄煤层分布，其中有的矿区薄煤层的储量占有相当大的比 重， 如安徽占 72、 四川占 51.8、 贵州占 37.2。 全国薄煤层可采储量达到 9104 亿吨， 约占总可采储量的 19[2]。 我国的煤炭资源根据煤层的厚度，将其划分为三类小于 1.3 米为薄煤层，1.33.5 米为中厚煤层，3.58.0 米为厚煤层，大于 8.0 米为特厚煤层。 薄煤层通常以 1.3m 和 0.8m 为界限，厚度在 1.3m 以下的统称为薄煤层，更为具体 的说，不大于 0.8m 的属于极薄煤层。初步调查在全国近 80 个矿区的 400 多个生产矿井 中，大多都有薄煤层或极薄煤层的存在。 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 2 与厚和中厚煤层相比，目前极薄和薄煤层开采存在以下技术难点，具体表现在如下 几个方面 ①工作面采高低。相较于中厚煤层和厚煤层而言，开采高度偏低，开采空间较为狭 窄，人员流动与作业环境性较差，开采期间无法直立行走，甚至一些区域只能躺着或是 倾斜着作业， 这样不仅加重了作业人员的劳动负担， 还会增加开采难度， 降低开采效率。 ②极薄煤层和薄煤层符合机械化开采条件较差，由于煤层结构较为复杂，很多大型 机械设备无法正常移动，一旦设备出现故障，由于周围条件限制无法及时快速维修，拖 延进度，影响极薄煤层和薄煤层开采效率。 ③极薄煤层和薄煤层万吨掘进效率较高，相较于中厚煤层和厚煤层而言劣势突出， 工作衔接方面存在很多不足、破矸开采难度较大，同面积的极薄煤层和薄煤层可开采煤 量较少，增加施工成本多，减少开采效益多。 ④从极薄煤层和薄煤层现有开采技术来看，需要投入较多的人力、物力和财力，但 是单产煤量却低于中厚煤层或厚煤层很多，存在高投入、低产出特点，致使很多煤矿单 位不愿意增加投入力度去开采极薄煤层[3]。 由于以上原因造成极薄煤层机械化开采技术发展速度比较缓慢， 有些煤矿就只能被 迫丢失一些极薄煤层资源和不能进行较多的保护层开采， 致使有些煤矿的主采中厚煤层 长期得不到安全高效开采，严重影响后续工作面的正常生产 。 实现极薄煤层安全高效的综合机械化开采是当今煤炭生产中的世界性难题， 主要体 现是机械化开采技术未取得重大突破和开采机械未实现较大生产规模，其影响因素有 工作面需用设备受开采高度限制，赋存条件不稳定或极不稳定所至的煤岩同开等，初步 分析现阶段极薄煤层只在以下条件下煤矿才进行了开采 ①属特殊需要的优质煤; ②相邻的主采煤层有冲击地压危险或有煤与瓦斯突出危险， 极薄煤层可作为解放层; ③矿井或采区尚未报废，剩余的储量为极薄煤层[4]。 随着国家及煤炭企业瓦斯治理保护层开采的需求，目前基本解决了近水平及倾斜 0.8m 厚度以上薄煤层机械化开采问题[5]。但针对极薄煤层开采均存在的采高低采矸多、 生产原煤质量差、经济效益差等问题还未得到解决，其主因是极薄煤层厚度小于 0.8m 的开采中，进入工作面作业时，无论是人员还是开采设备均移动不便，采煤机通过通常 需要挑顶或割底才能作业，恶劣的工作条件不仅导致开采劳动强度大，而且机电事故发 生率也相对较高，并且极薄煤层煤质相对较硬，炸药、截齿、刨刀等吨煤消耗量过大， 增加了回采成本，降低了开采的经济效益[6]，造成全国煤炭产量中仅有大约 10.5的薄 煤层开采量，其中的极薄煤层产量很少。所以，大力推进极薄煤层开采技术与相关设备 研究，是提高极薄煤层安全高效开采的根本途径。 万方数据 1 绪论 3 依据初步调研究发现极薄煤层在全国内范围的各矿区均有分布， 但绝大部分煤矿丢 弃开采，只有南方部分煤矿因安全需要而进行亏损开采，极薄煤层的大范围丢弃已造成 了我国煤炭资源的极大浪费，究其原因总结为极薄煤层现有开采技术不适应和无成熟 配套设备，采面的作业人员只能躺在工作面，贴地爬行操作作业，加之需在采面进行破 矸选煤充填支护等工艺产效很低等，使极薄煤层开采难度很大、安全威胁大。极薄煤层 不开采也是形成矿井重大安全隐患之一，也影响了煤矿的绿色环保开采，部分矿井因未 开采极薄煤层而自然发火[7]。 因此，随着开采条件较好煤炭资源日益紧缺，研究极薄煤层开采的高产高效技术， 将采矿成本日益增高和煤炭资源得到保护性开采与煤质的好差搭配利用、 延长矿井开采 寿命、安全治灾等有效结合起来，对实现我国能源工业的可持续发展具有很重要意义。 目前，虽然部分矿区加大了对极薄煤层的开采力度，但是极薄煤层开采效益较差已经严 重制约这些矿区的发展。由于极薄煤层的工作面空间狭小，设备的能力、安装和检修等 均受到很大的限制，极薄煤层的安全高效开采技术一直是各矿区未取得突破的薄弱环 节，并且现有的极薄煤层开采技术条件均存在规模产量小、劳动强度大、生产能力低等 问题[8]。从某种意义上讲，极薄煤层开采已经严重影响到整个煤炭工业安全治灾的协调 发展，地球上的的化石能源之一煤炭资源是有限的，如何实现极薄煤层高产高效开采， 合理搭配，科学开采利用好地下将要枯竭的化石资源，实现我国极薄煤层高效开采与经 济治灾需求的结合。因此，研究“一种极薄煤层滑锯式机械化开采方法”意义重大。 四川省大部分煤矿急需突破极薄煤层开采技术，如重庆天府矿区、南桐矿区的保 护层开采、永川矿区的极薄煤层开采，四川省的川南和古叙矿区保护层开采、乐山雅安 矿区等三叠系地层的极薄煤层开采等， 特别是芙蓉公司必须进行保护层开采的矿井采用 现有技术每开采 1 吨保护层煤就得亏损 200 多元，也是云、贵、川大多数矿井安全生产 迫切必需解决的主要问题[8]。 伴随着国家及煤炭企业对极薄煤层治灾开采的需求加大， 从而引起了对极薄煤层开 采的高度重视。由于极薄煤层的煤层赋存条件一般较差，开采技术条件复杂，实现机械 化开采难度大，特别是当煤层埋藏比较深，地质条件比较复杂时，开采极薄煤层的经济 效益更低，严重制约着我国极薄煤层的开采技术发展[9]。因此，研究一种极薄煤层滑锯 式机械化开采方法不仅可以提高煤炭资源的采出率，而且可以实现高瓦斯、高地应力条 件下充当保护层开采，可成为极薄煤层和极薄非煤矿层开采技术重要研究方向这一，也 是实现煤矿多回收现有资源可持续性发展的有效技术途径之一， 对提高极薄煤层开采效 益，以及老矿区的稳定发展将起到至关重要的作用[10]。所以研究极薄煤层开采技术，实 现薄煤层高效生产的机械化，对提高煤炭资源回收率，提高薄煤层的生产技术水平和经 济效益，改善煤矿保护层的安全生产条件，改变煤矿面貌等均具有有重要意义[11-13]。 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 4 1.2 国内外研究与应用现状 1.2.1 国内外薄煤层开采的研究现状 国内的科研院所对极薄煤层机械化开采技术研究基本上是 2000 年后，在南方部分 煤矿应用中， 由于极薄煤层的采煤机械化程度低、 综合机械化程度更低、 万吨掘进率高、 劳动条件差、工作面单产低、成本高、经济效益差等，大多数矿井是尽量减少或直接丢 弃极薄煤层开采的产量，从而造成资源丢失的严重问题。其部分研究内容如下 余伟健，吴根水，刘海等对围岩地质构造复杂，岩体完整性差的薄煤层回采巷道研 究，通过监测了回采巷道，工作面上覆围岩的运动过程，分析二次扰动对围岩工程行为 及变形特征，推倒出半煤岩巷道的滑移机制，实验结果表明“锚、网、索、梁”支护方案 能够满足半煤岩巷道的控制围岩变形[14]。 余伟健,冯涛针对复杂地质条件下南方薄煤层开采巷道出现的大变形与控制等问题， 研究了薄煤层巷道膨胀与裂隙扩容、半煤岩巷道接触面滑移、水平构造应力挤压、工程 扰动偏应力影响机理。提出“长、短“密集锚索支护”系统支护技术能够满足控制巷道围 岩变形量要求，满足矿井安全高效生产[15]。 章立强为解决较薄煤层采煤机大功率化带来的开采装载问题， 通过对较薄煤层采煤 机现有挡煤机构与装煤特点的分析，提出了较薄煤层采煤机装载问题的另一种解决思 路，解决了较薄煤层采煤机滑槽式挡料机构的具体结构、关键技术[16]。 赵永明针对壁式采煤法进行总结和分析， 讨论了壁式采煤法应用于薄煤层开采中的 注意事项和提高煤矿开采日产量的有效方法， 对壁式采煤法在薄煤层开采中的应用具有 重要的参考价值[17]。 孙晓明，刘鑫通过数值模拟对薄煤层工作面回采过程中顶板受力状态分析，结果表 明，当直接顶厚度大于采高高度时，预裂顶板沉弯产生的拉应力使直接顶整体拉断的， 同时预裂切顶面会向空区偏转一定角度，从而达到切断采空区顶板与支护体的应力传 递，实现切顶成巷[18]。 赵洪宝，潘卫东以利用 Fluent6.23 数值软件为研究手段，对薄煤层开采后采空区内 瓦斯运移与分布规律进行研究， 总结出采空区内瓦斯运移与分布特性受工作面通风系统 影响，重新压区域几乎不受其影响；瓦斯运移速度随着孔隙率的增大呈增大趋势；采空 区内瓦斯浓度随分区孔隙率增加而减小； 采空区内高瓦斯浓度区位于回风巷侧的采动影 响区后部[19]。 严国超提出极近距离薄煤层群联合开采常规错距开采模型， 并进行理论和物理模拟 试验研究，物理模拟试验结果表明，常规错距下联合开采技术上是可行的。另外分析了 工作面上方附近几个测点总是被抬高的原因，并总结了在工作面推进过程中，顶板下沉 万方数据 1 绪论 5 主要经过两次大的变化，即上、下两煤层工作面回采过程中发生垮落时，尤其是下层煤 顶板垮落造成影响较大[20]。 王宏伟针对薄煤层较低的开采效率，结合开采条件对开采主要设备进行选型，以保 证安全、稳定、高效的生产效率结合某矿将要开采的薄煤层生产条件，对主要生产设备 进行了选型并进行了现场应用，为薄煤层设备的选型提供依据[21]。 付宝杰，方恩才利用力学测试、XRD 衍射试验及电镜扫描等研究方法分析了西部 煤矿薄煤层的矿压显现特征及覆岩载荷传递机理 工作面开采后顶板覆岩破坏充分并及 时充填采空区，致使初次来压和周期来压呈现出静压大，动压小、动载系数小等显现特 征。据此，建立了力拱跨度和拱高之间的力学模型，该公式能够计算出该拱高条件下支 架的支护阻力[22]。 李建平介绍了我国薄与极薄煤层开采设备的现状，分别对薄煤层采煤机、刨煤机、 螺旋钻采煤机的采煤工艺特点、主要设备的技术参数作了说明，并提出其存在的主要问 题和发展趋势[23]。 高魁东，徐温博针对中国薄煤层开采中滚筒采煤机装煤率低这一问题，利用模化试 验的方法对影响滚筒装煤率的几个关键因素展开了系统的试验研究。 研究结论能够为指 导薄煤层采煤机滚筒的结构设计和运行参数选择提供帮助[24]。 从目前的文献资料显示，国外关于薄煤层特别是极薄煤层理论方面进展缓慢。 1.2.2 国内外薄煤层开采的应用现状 我国薄煤层开采主要采用的方法同中厚及厚煤层相同，也是长壁采煤法，但是其煤 层厚度小， 所以存在以下缺点一是断层等地质构造和煤层厚度变化对薄煤层长壁工作面 生产有较大影响，对机采工作面的布置造成困难。二是低采高、工作面环境差造成支架 移动困难。三是采掘比大，造成采煤工作面交替的困难。四是薄煤层长壁机械化采煤工 作面的投入较大，与厚及中厚煤层工作面开采相比经济效益较低。我国薄煤层的开采技 术的发展经历了几个阶段，20 世纪 50 年代，当时采煤技术和设备都相对落后，所以炮 采是进行薄煤层开采的首要工艺， 60 年代深截煤机掏槽应用到了薄煤层开采中， 落煤方 式也开始采用爆破落煤； 70 年代适用于薄煤层的设备有了长足的进步， 研制出了几种类 型不同的的刨煤机，包括全液压驱动刨煤机、刮斗刨煤机和钢丝绳牵引刨煤机等。 薄煤层开采一直是困扰我国煤炭行业的技术难题，特别是极薄煤层综采更加困难。 我国 1.4m 以下极薄煤层占储量的 17.5，国内多数矿井采用普采或高档普采生产工艺， 存有生产效率低、经济效益差等问题。但目前国内许多局、矿己实现了薄煤综合机械化 的开采，如邢台显德旺矿、开滦东欢沱矿、山东淄博矿务局、铁法煤业集团公司均实现 了薄煤综采高产高效[25]。 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 6 从国外来看