羊场湾煤矿大采高综采工艺设备确定与应用.pdf

西安科技大学 硕士学位论文 羊场湾煤矿大采高综采工艺设备确定与应用 姓名刘小明 申请学位级别硕士 专业矿业工程 指导教师来兴平；肖蕾 2011 论文题目羊场湾煤矿大采高综采工艺设备确定与应用 专 业矿业工程 硕 士 生刘小明 签名 指导老师来兴平 签名 肖 蕾 签名 摘 要 大采高一次采全高开采工艺已成为厚煤层开采发展的重要方向之一。 宁东矿区羊场 湾煤矿大采高开采煤层倾角 815局部达 20，走向起伏角度 812，围岩节理与裂隙 发育，侧压大，片帮与局部化冒顶严重。大采高综采工作面“三机”（采煤机、刮板输送 机与液压支架）优化确定是关键。针对宁东矿区羊场湾煤矿 6.2m 大采高综采工作面关 键设备选型与安全开采问题， 通过大采高工作面资源赋存条件调查、 煤岩力学参数实验、 数值计算、相似模拟实验和监探测等方法及手段，确定了大采高综采工作面合理开采 技术参数，为大采高工作面综采设备性能安全高效发挥奠定了围岩控制基础；基于理论 分析、数值计算与工程类比等综合方法，优化确定了支架、采煤机和刮板输送机等关键 技术与性能参数， 为实现大采高安全高产高效开采提供了装备条件； 提出并实施了支架、 采煤机、刮板输送机和成套机组安全运行技术与监测及管理对策，保障了大采高综采设 备正常、连续运行，提高了开采效率；开采实践表明，大采高设备的整体性能与技术水 平均适应羊场湾煤矿复杂开采技术条件，满足综采工作面的安全推进，实现了高产高效 安全生产，经济与社会效益显著。 本研究成果对宁东矿区类似条件下大采高工作面设备选型和安全高产高效开采具 有借鉴作用。 关 键 词大采高；综采；工艺设备选型；工艺技术；安全开采. 研究类型应用研究 - - II Subject Determination of fully Mechanized Equipments and application to Large Mining Height Face of Yangchangwan Coal Mine Specialty Mining Engineering Name Liu Xiaoming Signature InstructorLai Xingping Signature InstructorXiao Lei Signature ABSTRACT It is one of the important development for large mining height of fully mechanized technology in the thick seam mining. The large height mining seam’s angel is 8 to 15local seam is up to 20 of Yangchangwan coal mine in Ningdong mining area, and the trend undulate angel is 8 to 12,which contains much rock joints and fracture, and the coal seam’s side pressure is big, besides all of these,the slice and localized roof caving are serious.The ascertain and optimization of “Three machines” coal minning machine, scraper conveyor and hydraulic support is key to large mining height of fully mechanized working face. Aiming at key equipments selection and safe-mining of 6.2 m large mining height of fully mechanized working face of Yangchangwan colliery in Ningdong area, large mining height resources occurrence condition investigation, coal and rock mechanics parameters experiment, numerical simulation experiment and in-site determines are used to ascertain reasonable mining technical parameters, which is provide surrounding control baseis to per safe and effective play of the large mining height mining face’s equipments. Based on theoretical analysis, numerical calculation and engineering analogy , the key technology and property parameter of supports, coal minning machine, and scraper conveyor are assured, which procides equipmen basis. Proposed and implied coal minning machine, scraper conveyor, and the integral system’s safe running, monitoring and manage countermeasures, all os these safeguarde the large mining height mining equipment’s normal and continuous operation, improve the mining efficiency. Mining practices show that the integral perance and technical level of compongd equipments in large mining height face are adapt to the complex mining technological conditions of Yangchangwan Colliery, and it can also satisfy safety advancing requirement, based on all of these, the colliery realized high yield and high efficiency safe-mining, economic and social benefit is remarkable either. III This research can provide reference for equipments’ selection and high yield and high efficiency safe-mining of large height mining face under similar conditions in Ninddong area. Key words large height mining full-mechanize mining technological equipment selection technology safe mining Thesis Application research 1 绪论 - 1 - 1 绪论 1.1 选题背景 大采高一次采全高开采工艺已成为厚煤层开采发展的重要方向之一[1-2]。宁夏回族 自治区煤炭储量丰富，已探明储量 316 亿 t，仅宁东煤炭储量就达 270 亿 t，占全区总储 量的 88。近年来该区煤炭工业的迅速发展，为我国西部建设作出巨大贡献。羊场湾煤 矿Y110206工作面煤层平均厚度6.3m， 设计采高6.2m， 平均埋深330m， 煤层倾角1520， 平均 18，走向起伏 812，且节理裂隙发育，侧压大，片帮冒顶严重，开采条件复杂。 工作面煤岩体受强烈构造构造运动影响，构造发育，内部结构复杂，围岩破碎。煤岩 体内部由于节理、裂隙等弱结构的存在，使其易形成特殊的碎裂结构，加之开采扰动影 响，煤岩体极易松弛、垮落，导致工作面及巷道发生滑落失稳或冒顶，该区采场矿山 压力和巷道矿压显现规律已引起专家学者的重视[3-6]。 一般来说，采高越大，上覆岩层运动范围也越大，岩梁的折断步距、折断岩梁运动 的自由空间均较大[7]。此时，工作面支架将承受岩梁大规模运动引起的动载荷和较大的 偏心载荷，从而影响到支架的稳定性，使支架-围岩关系恶化。同时，由于采高加大， 设备趋于大型化、 复杂化， 致使设备的维护量和管理难度进一步增加； 设备机动性变差， 对变化的工作面地质条件适应性差，顶板控制更加困难，工作面推进能力降低。煤壁片 帮加剧，工作面冒顶的机会增加，特别是当采高不断提升，需要垮落更多的岩层来充填 采空区，当直接顶不能充填满采空区时，在普通采高工作面被看做老顶的上位岩层则要 与直接顶一起垮落到采空区，成为垮落带的一部分，在坚硬顶板和坚硬煤层条件下，极 易产生采空区动力灾害。随着工作面长度进一步加大，以及机械设备日趋重型化的一系 列问题的出现，已日益成为制约特厚煤层安全高产高效开采难题[8-9]。 羊场湾煤矿大采高工作面煤层倾角大，走向起伏大，节理发育，侧压大，片帮冒顶 严重。开采中支架倒滑、采煤机失稳、片帮漏顶等问题极为突出，是实现 6.2m 大采高 安全高效开采的关键难题。 1.2 研究意义 厚煤层开采与中厚煤层和薄煤层开采相比， 具有产量高、 矿井生产工作面少的特点， 是我国综采生产发展的主要方向， 也是实现矿井高产、 高效、 安全开采的重要技术途径。 近年来已建成高产高效的矿井的生产实践证明，高产高效矿井建设，提高了工作面的生 产能力，大大减少了井下人员的数量，安全状况都有很大地改观，百万吨死亡率远远低 于全国平均水平。大采高工作面的发展是实现高产高效矿井建设的有效途径。 西安科技大学硕士学位论文 - - 2 目前，大采高综采成套装备尚被美、德等国外厂商所垄断，国产装备只有 6.0 米以 上支架刚刚出现。国内大采高回采工作面的关键回采装备完全依靠进口 DBT、JOY 和 EICKHOFF 等国外公司的产品， 制约着大采高开采工艺和国产煤机行业制造水平的提高 和发展。国外进口装备价格昂贵，一个工作面的成套装备价格是国产同类设备的 3 倍， 供货周期有的长达一年以上， 售后服务滞后， 配件不仅价格更为昂贵， 且难以及时供货， 严重影响生产。近年来，国内煤机制造业的研发和制造水平突飞猛进，在高端煤机装备 研发方面，具备了配套设计与协同制造大采高成套回采装备的技术条件。总之，继续跟 在别人后面走老路，既不符合现阶段矿井生产的要求，也不符合时代发展的需要。因此 必须打破传统的进口成套装备和进口关键装备的观念，积极应对经济与技术风险，以大 采高装备为突破口，开展复杂特厚煤层 6.2m 大采高成套装备与应用技术研究。 本研究针对宁东矿区羊场湾煤矿 6.2m 大采高综采工作面关键设备选型与安全开采 问题，通过大采高工作面资源赋存条件调查、煤岩力学参数实验、数值计算、相似模拟 实验和监探测等方法及手段，确定了大采高综采工作面合理开采技术参数，为大采高 工作面综采设备性能安全高效发挥奠定了围岩控制基础；基于理论分析、数值计算与工 程类比等综合方法、优化确定了支架、采煤机和刮板输送机等关键技术与性能参数，为 实现大采高安全高产高效开采提供了装备条件；提出并实施了支架、采煤机、刮板输送 机和成套机组安全运行技术与监测及管理对策， 保障了大采高综采设备正常、 连续运行， 提高了开采效率；本研究对宁东矿区矿井大采高工作面建设具有一定的借鉴意义。 1.3 国内外研究现状 1.3.1 国内外大采高工作面装备发展状况 俄罗斯、德国、波兰、捷克、英国、日本等国从上世纪 60 年代开始就发展采用大 采高综采。60 年代，日本曾设计了一种 5m 采高并带中间平台的液压支架，获得了日本 国家设计奖。德国早在 1970 年使用贝考瑞特垛式支架成功地开采了热罗林矿 4m 厚的 7煤层。70 年代末，波兰利用了三年的时间在 7 个采煤工作面装备了 DOMA-25/45 型 两柱掩护式支架， 另外还设计开发了 PLOMA 系列两柱掩护式大采高支架。 1980 年前西 德郝母夏特公司开发出 G550-22/60 掩护式支架，最大采高 6.0m，在威斯特伐伦矿使用 并取得了成功。美国 1983 年开始在怀俄明州卡帮县 1矿采用长壁大采高综采技术开采 厚煤层，工作面采高达 4.5-4.7m，日产达到 6200t，实现了高产高效。1987 年底，前苏 联煤矿有 43 个采煤工作面装备 KM130-4 大型大采高支架，另外还研制了 KM142 型、 YKM-4 型、YKM-5 型大采高支架；澳大利亚在已经探明的煤矿储量中有 60 亿 t 以上储 量的煤层位于 4.5m 以上，其中至少 1/3 的储量在昆士兰，主要采用长壁一次采全高采 煤法。Goonyella Riverside 煤矿、Moranbah North 煤矿、West Wallsend 煤矿和 Dartbrook 1 绪论 - 3 - 煤矿为澳大利亚典型的利用长壁大采高综采工艺开采厚煤层的煤矿。其中 Moranbah North 煤矿是澳大利亚最先进的厚煤层开采煤矿[10-17]。 20 世纪 80 年代以来，随着多元化产业的融合发展，更多的高新技术不断向传统采 矿领域渗透， 国外许多国家都采用了大功率可控传动、 微机工况监测监控、 自动化控制、 机电一体化设计等先进技术适应不同煤层条件的高效综采大型设备[18-19]。 新型综采设备 在传动功率、设计生产能力大幅度增加的同时，设备功能内涵也发生重大突破，并实现 了综采生产过程的自动化控制。综采成套设备的设计生产能力已经达到 3000t/h 以上， 在适宜的煤层条件下， 采煤工作面可实现年产 800-1000 万吨， 矿井的年产量可突破 1000 万吨，出现了“一矿一面、一个采区、一条生产线”的高效集约化生产模式[13]。 目前国外综采成套设备的生产能力已经达到 3000t/h 以上，在适宜的煤层及地质保 障前提条件下，采煤工作面可实现年产 800 万1000 万 t，出现“一矿一面，一个采区， 一条生产线”的高效集约化生产模式， 并且形成了以美国JOY公司， 德国的DBT、 Eickhoff 和波兰扎布执公司为代表的国际采矿设备供应商。例如大采高设备有 JOY 公司生产的 ZY1120-2.95/6.22 型支架，配套 SL500 采煤机采高可达 6m。波兰扎布执公司生产的 ZY1200-2.8/6.0型支架配套及其生产的1250kW采煤机。 ZY8640-2.55/5.5型支架配套JOY 公司或 Eickhoff 公司生产的 1815kW 采煤机等大采高综采高端产品。这些设备使用效果 非常显著，基本垄断了国际大采高综采高端产品市场。 1.3.2 国内大采高综采设备的研究现状及发展趋势 我国在 1978 年，引进德国赫姆夏特公司 G320-23/45 型掩护式液压支架及相应的采 煤运输设备，在开滦范各庄矿 1477 综采工作面开采 7 号煤层，开始试验厚煤层大采高 一次采全厚开采方法，取得了良好的效果。在 1985 年，首次使用国产 BC520-25/47 型 支撑掩护式 4.5m 采高液压支架在西山矿务局官地矿进行试验开采的 8 号煤层，煤层平 均厚度 4.5m，倾角小于 5，综采工作面 3 个月产煤 11.2 万 t。在 1986 年，我国在邢台 东庞矿使用 BY320-23/45 型掩护式支架， 在倾角高达 38的条件下试验成功。 在 1988 年， 首次突破煤炭年产量百万吨的邢台矿务局东庞矿和义马矿务局耿村矿采用 4.4m 采高综 采技术，处于当时综采技术的较高水平。80 年代到 90 年代中期，全国累计有 359 个年 产超百万吨的综采队，其中 3.5m4.5m 采高综采队有 19 个，占 5.3。上个世纪末，年 产逾百万吨的大采高综采队已达 8 个，其中最高平均单产己达 309 万 t，平均效率最高 达 218t/工。例如神东矿区的大柳塔全套引进设备，于 2000 年 7 月份产量达到 90 万 t， 全年产量为 860 万 t。活鸡兔矿井也采用全套引进设备，于 2000 年 8 月 525 日产量达 到 57 万 t 的好成绩。 随着大采高工作面的发展，其优势越来越得到普遍认可。在新世纪之初，大采高开 采技术发展到一个新的阶段，个别工作面的产量及效率达到并超过国际水平。例如在 西安科技大学硕士学位论文 - - 4 2003 年， 神华神东公司补连塔煤矿大采高综采工作面年产原煤 924 万 t， 采高达到 4.8m。 在 2004 年，神华神东公司上湾煤矿大采高工作面年产原煤 1075 万 t，实际采高 5.4m。 晋城煤业集团寺河矿在高瓦斯矿井条件下， 采高达到了 5.5m。 大同煤矿集团公司四老沟 矿使用国产 Z9900-29-5/50 液压支架在“两硬”条件下，实际采高已达到 4.5m。在 2006 年，晋城煤业集团寺河矿在近水平煤层中，使用国际先进的 ZY9400-28/62 支架，采高 达到 6.0m，极限高度可达 6.2m。2007 年，中国首个 6.3m 大采高重型综采工作面在神 东煤炭分公司上湾煤矿“诞生”，2009 年，世界首个 7.0m 大采高重型综采工作面在神东 煤炭公司补连塔煤矿投入应用，充分发挥了 6.0m 以上大采高液压支架的优势，大幅度 提高回采率及工效。 近 30 年来，我国在神东、徐州、开滦、阳泉、西山、兖州、邢台、双鸭山、铁法、 枣庄等矿区，推广使用大采高综采，已取得了长足进步。为适应我国煤矿综采机械化的 发展，国内综采设备科研设计和制造企业已研制开发出具有独立知识产权、较先进技术 水平的大功率电牵引采煤机、重型刮板输送机、电液控制强力液压支架和多点驱动大运 力带式输送机，配套设备的生产能力达到 15002500t/h，在适宜的煤层和矿井条件下， 综采工作面可实现年产 300 万 t 以上。例如天地科技股份有限公司研制成功的 MG750/1815-GWD 型交流电牵引采煤机，总装机功率达到 1815kW，西安煤矿机械厂的 MG750/1910-WD 型和 MG900/2210-WD 型交流电牵引采煤机，总装机功率分别达到 1910kW 和 2210kW。西北奔牛集团公司研制成功的 SGZ1200/1575 型刮板输送机，输送 能力最大达到 2500t/h，总装机功率达到 1575kW。我国近期研制成功了 ZY9900/20/45 两柱支撑掩护式支架、ZZ9900/20/45 四柱支撑掩护式支架。郑州煤机厂为晋城研制成功 ZY9400/28/62 两柱支撑掩护式支架，整体结构强度高，调高范围 3m6m，支护高度最 大可达到 6.2m，采用电液控制技术，寿命实验达 5 万次以上。我国新研制开发的新型大 采高综采装备技术参数已接近国外先进水平，年产能力达到 300 万吨以上。 2004 年以来，神华集团研制了世界首套 6.3m 大采高液压支架，在神东公司大采高 开采过程中获得了成功。由国家科技部、国家发改委组织进行的“厚煤层高效综采关键 技术与成套装备”和“年产 600 万吨综采成套装备研制”项目攻关研究，攻克了厚煤层综 采关键技术，开发了高可靠性大采高综采成套设备；国家“十一五 ”科技支撑计划项目 “年产千万吨级矿井大采高综采成套设备及关键技术的研究”，填补了年产千万吨级矿井 国产大采高综采成套设备的空白。在装备方面，重点研制适合大采高综采工作面的高可 靠性成套液压支架，该套支架由大采高液压支架、过渡液压支架、端头液压支架以及大 断面巷道超前液压支架组成，实现大采高工作面全液压支架支护，满足大采高综采年产 1000 万吨工作面快速推进和安全高效生产要求，旨在提高我国特厚煤层条件下的高效、 安全、高回收率开采技术与装备水平，推动煤炭工业的健康和可持续发展。 近两年来，北京煤炭科学研究总院正积极研制 7.3m 采高支架，为我国特厚煤层一 1 绪论 - 5 - 次采全国开采提供了设备保障。例如神东公司的上湾煤矿和补连塔煤矿已经出现 6.3m 以上重型成套设备，所选采煤机为美国 JOY 公司生产的 6LS 采煤机，装机功率达到 2390kW，转载机、刮板机和破碎机为 JOY 与 DBT 公司联合生产的进口装备，支架的最 大支护高度达到 6.3m，工作阻力 10800kN，初撑力 7912kN[20-28]。 我国虽然在这方面起步比较晚，但是通过这三十年的努力，取得了较好的技术经济 效果。但是我国大采高综采设备受设计制造水平、优质材料等条件限制，在技术性能和 工作可靠性方面，与国际先进水平有明显差距。煤矿使用的高端煤炭生产装备几乎被国 外厂商所占领，重点矿区 46m 厚煤层一次采全高综采装备主要依靠进口。我国在综机 制造业上和国际水平的差距，正是今后我国大采高综采设备发展所需要弥补的。 厚煤层一次采全高综采技术是世界煤炭井工生产技术主要竞争领域。 目前各产煤大 国， 正在积极地探索大采高采煤工作面围岩运动规律， 分析采煤工作面围岩内应力分布， 为更合理的确定大采高支架工作阻力和结构高度等主要参数提供依据。 并对大采高支架 设计提出更高要求，保证支架及输送机设备整体的稳定性，加强防倒防滑锚固调架及防 片帮冒顶控制，优化采煤系统，有效地利用大采高综采管理顶板和煤壁，探索实践中所 遇到问题采取的相应措施，不断地完善管理，不断地总结、提炼。随着矿井大规模集中 化生产的发展，大功率、高性能的设备是必不可少的。大采高综采设备的研制要坚持三 个方面的发展方向装备大型化、配套化、机械化程度高；装备无轨化、液压化、自动 化程度高；装备技术性能成熟，可靠性高。各行业高新技术也在迅猛的发展，并不断地 向采矿学科渗透，使得大采高综采技术更加细化、精化，并正日趋成熟和完善。 1.3.3 国内外矿山压力理论研究现状 1916 年，德国人 K.Stock 提出悬臂梁假说，得到了英国的 I.Friend、前苏联的格尔 曼的支持。1928 年德国人 W．Hack 和 G．Gilicer 提出了压力拱假说。50 年代初，前苏 联人库兹涅佐夫提出了铰接岩块假说。比利时学者 A.拉巴斯提出了预成裂隙假说[29-35]。 我国钱鸣高院士在 6080 年代初，提出了“砌体梁”力学模型[36-40]。随后在 1994 年， 钱鸣高院士又在“砌体梁”基础上建立了“S-R”稳定理论[41-42]。 与“砌体梁”力学模型提出的 同时，宋振骐院士提出了“传递岩梁”理论[43-44]。 随后国内众多学者根据不同煤层条件及开采实践， 提出了一些丰富采动引起采场上 覆岩层运动规律的理论。石平五[45]教授针对一些矿山压力问题1984 年提出能量原理， 靳钟铭[46]教授1994 年提出了坚硬顶板的采场“悬梁结构”，贾喜荣[47]教授1997 年提了 采场“薄板矿压理论”。 这些基础理论是研究大采高综采工作面采场顶板岩层的运动规律和采场压力显现 规律的基石，但是大采高采场覆岩结构及运动规律是有其特殊性的。 前苏联曾对 28m 采高围岩运动规律及控制原理进行初步研究[48]，全苏矿山测量研 西安科技大学硕士学位论文 - - 6 究院在实验室对开采厚度为 2、 4、 6、 8m 煤层进行相似模拟实验， 实验与现场研究表明 来压步距不决定于开采煤层厚度，而决定于岩层的特性及其结构；煤层厚度增加，顶板 下沉量增大，必须先规定支架的可缩量；随煤层厚度增加，工作面内顶板下沉量，由于 岩层断裂而引起的来压强度都将增大，实质上是一些大采高岩层运动规律。 赵宏珠[49-50]教授通过对我国 3.55m 采高综采设备初期使用情况进行研究，初步阐 述了大采高支架与围岩相互作用关系，初步给出了大采高支架设计和支架选型主要参 数。主要结论是①采高加大对上覆岩层断裂、垮落后产生的自由空间影响最大，采空 区内自由空间高度随采高增大而增大，采高为 3.5、4.5、5.5、6.5m 时，自由空间高度分 别为 2、3、4、5m。工作面上覆岩层断裂垮落后自由空间高度随采高加大而增高，采高 达 6.5m 时，整个回采过程中自由空间始终存在，且大于 3m；②决定大采高支架阻力的 主要因素是由于采高加大而导致的老顶来压加剧，工作面上覆岩层断裂范围加大，而靠 加大支架工作阻力改变围岩应力分布，从而阻止上覆岩层断裂的作用不大。因此大采高 支架合理工作阻力应首先按岩层自重法确定，并定量的指出采高和支护强度的关系；③ 大采高支架工作面煤壁片帮是有规律的， 其片帮程度与采高、 支架工作阻力、 老顶来压、 工作面推进方向、顶梁接顶程度、梁端距、煤质硬度及煤壁暴露时间有关。 中国矿业大学郝海金[51-52]等通过工作面上位岩层移动实测、 模拟实验及工作面矿压 观测，对 3.55.2m 采高综采工作面上覆岩体破断位置及其平衡结构进行了研究。结果 表明大采高综采工作面基本顶断裂的位置在工作面前方、上覆岩层存在着比分层开采 层位更高但和放顶煤开采相似的平衡结构，结构的活动是一个逐渐变化的过程，在这一 过程中，平衡结构与其下的直接顶相互作用，这种作用方式与直接顶的多次破裂有关； 传递到支架的载荷主要取决于支架上方直接顶的岩性和破碎的程度。 平衡岩梁的变形对 支架产生的影响受直接顶的岩性和其损伤后的强度影响。 太原理工大学靳钟铭教授、 弓培林博士[53]等通过研究了 3.5m6.0m 采高采场覆岩结 构特征及运动规律、支承压力分布规律、直接顶变形破坏规律及工作面矿压显现特点， 提出了以下结论①覆岩的垮落断裂受关键层的特征、层位及分布控制，在不同采高时 “三带”范围的确定与关键层位置有关。当一次性开采高度大于 3m 时，垮落带高度受关 键层特征控制。采高加大，直接顶厚度与采高比值 N 大于 2.93.2，采高越大，N 值越 大，大采高采场覆岩破坏呈“梯形台体结构”，各个区域变形特征不同程度影响采场围岩 控制。②大采高近煤壁支承压力峰值低，峰值点距煤壁远，远离煤壁的支承压力随采高 增大而增大，影响范围远，支承压力分布及大小与覆岩结构、煤层厚度有关。③大采高 综采一般开采高度在 3.5m 以上，垮落带及断裂带的范围要远大于同厚度煤层分层开采 相应的范围， 因而大采高综采的采场矿压显现及控制、 覆岩运动、 地表沉陷都有其特点， 同时指出了应用关键层理论研究大采高下覆岩运动是解决上述问题的可行途经。 大采高综采的采高加大，造成采空区空间较大幅度的增加，使得只有更高的垮落带 1 绪论 - 7 - 才能维系整个采场岩体的平衡，工作面顶板活动空间与老顶悬臂梁结构的弯矩加大，采 场采动影响具有较大的波及范围， 并且采空区空间加大易造成岩体结构失稳破坏及衍生 灾害，采空区失稳及衍生灾害是复杂地层结构承受复杂环境作用的演化过程，这一过程 是能够通过现场监测进行预警，并可以得到有效的控制。国内一些学者对大采高的围岩 控制提供了一些有益的观点和建议， 这些零散的观点及意见对大采高理论是一个新的丰 富和发展，但是在应用中受到不同工作面具体开采条件的限制。 1.4 羊场湾煤矿综采开采技术沿革 神华宁夏煤业集团的宁东矿区是我国 13 个大型煤炭生产基地之一，羊场湾煤矿又 是宁东矿区首开的现代化特大型矿井。矿井 2003 年 5 月开工建设，2005 年 8 月首采工 作面投入生产。 神华宁夏煤业集团有限责任公司羊场湾煤矿早期已有两套综采装备， 都在 2煤层开 采。国产设备工作面采高 3.84.0m。截止 2006 年 5 月 31 日，累计推进 1703m，完成产 量 225.15 万 t，平均月进度 185m，平均月单产 24.5 万 t，最高月进度 287.8m，最高月 单产 38.64 万 t，最高日进度 14.76m18 刀，最高日产量 1.85 万 t。进口设备工作面，采 高 4.24.3m，截止 2006 年 5 月 31 日，累计推进 380m，完成产量 53.1 万 t，平均月进 度 173.8m，平均月产 24.74 万 t，最高月进度 175m，最高月单产 24.16 万 t，最高日进 度 15.84m18 刀，最高日产量 2.42 万 t。这些相同、相近条件下的开采实践活动已经为 进行更大采高条件下的开采积累了大量技术和操作方面的经验。 需要指出的是， Y110206 工作面羊场湾煤矿首个 6.0m 以上大采高工作面，本工作面设备全部采用国产装备。本 研究以此为工程背景，通过对国产化配套选型设计、装备的可靠性与稳定性控制及防片 帮漏顶技术进行探讨，解决大采高工作面国产装备的适应性、稳定性控制问题，为现场 安全生产提供依据。 1.5 论文研究的基本内容 1通过工作面资源赋存条件调查、煤岩力学参数实验、数值计算、相似模拟实验和 现场监探测等方法及手段，确定了大采高综采工作面合理开采技术参数，为大采高工 作面综采设备性能安全高效发挥奠定了围岩控制基础。 ①调查 Y110206 工作面的地质情况，如埋深、产状、地质构造、岩体强度等；调查 巷道施工相关参数， 如巷道长度、 断面大小和支护方式； 调查收集巷道施工以来的工况， 巷道围岩移动和破坏情况；调查实际巷道的顶板结构参数，如结构面分布、层厚构成； 调查其他工程地质条件，如附近地质构造等。 ②对 Y110206 煤体与顶底板岩石进行单轴力学实验，为大采高工作面装备选型的物 理相似模拟和数值模拟提供基础数据。 西安科技大学硕士学位论文 - - 8 2基于理论分析等综合方法、优化确定了支架、采煤机和刮板输送机等关键设备技 术性能参数，为实现大采高安全高产高效开采提供了装备条件。提出支架、采煤机、刮 板输送机和成套机组联合安全运行技术与监测及管理对策，保障了大采高综采设备正 常、连续运转，提高了开采效率。 ①对 Y110206 工作面大采高成套装备进行选型论证， 进行大采高支架选型的室内模 拟实验和数值模拟，通过开采实践，对支架、采煤机、刮板运输机的稳定性进行验证。 ②研究工作面开采过程中的片帮等控制技术，制定相应的开采技术工艺措施，保证 大采高工作面和巷道的回采安全。 3现场开采过程中装备适应性、稳定性监测研究 采用 YSB钻孔窥视仪对顶板围岩进行可视化综合探测分析，结合监测工作面推进 过程中支架受力监测，对工作面回采过程中装备的适应性、安全性进行验证与评价。 1.6 研究方案及技术路线 1.6.1 研究方案 通过现场工程地质、开采特征分析与工程情况深入调查，利用岩石力学实验、室内 物理相似模拟实验，数值模拟实验手段和方法，进行大采高工艺装备的选型设计，在现 场工业化试验的基础上，制定相应的开采技术措施，保证工作面安全开采。 1.6.2 技术路线 本论文的研究路线如图 1.1 所示。 现场工程地质调查 相关文献收集、整理 岩石力学实验 物理相似模拟实验 和数值模拟实验 大采高成套工艺装备选型设计与确定 现场工业化试验 羊场湾煤矿大采高综采工艺设备选型与应用研究 开采工艺制定 现场多元 手段监测 支架技术 参数确定 其他主要装备 的设计选型 图 1.1 技术路线 2 综采工作面开采条件与煤岩特征 - 9 - 2 综采工作面开采条件与煤岩特征 复杂工程地质条件下，工作面采高加大后更容易孕育顶板事故[54-55]。在现场工程地 质特征综合调查的基础上，通过煤岩物理力学试验，获得煤顶底板力学参数，为大采高 工作面综采设备性能安全高效发挥奠定了围岩控制基础。 2.1 工作面工程地质概况 宁夏回族自治区煤炭资源远景储量 2029 亿 t，已探明储量 313.6 亿 t。其中，宁东矿 区含煤面积约 3500km2，煤炭储量约 300 亿 t，占全区资源储量的 87，其中主采煤层 厚度 6.0m 以上的煤炭储量约占 40。羊场湾煤矿是宁东矿区首个重点建设的特大型矿 井，其 110206 工作面是宁煤集团首个采高 6.2m 大采高工作面，因此研究该矿大采高工 作面巷道的稳定性控制技术，不仅对羊场湾煤矿安全、高效生产具有重要意义，同时也 是探求宁东矿区大采高工作面巷道稳定性技术的基石。 羊场湾井田位于宁夏回族自治区灵武市宁东镇境内，毛乌素沙漠边缘，地处东经 10635′10638′，北纬 759′303′之间，地表总体呈南高北低趋势，起伏不大，沙丘广 布，属低缓剥蚀残丘地貌。井田北以第 12 勘探线为界，与磁窑堡井田相临，东及东南 以 117孔连线为界，西南以赵儿塔井向斜轴与枣泉井田为界，井田南北长 8km，东西宽 5km，面积为 40km2，全井田设计可釆储量 455.38Mt。 2.1.1 区域综合地质特征 本区地处鄂尔多斯台缘褶带东侧中段的马家滩台陷区内。 本台陷区划为石沟驿向斜 及磁萌断褶带两个次级构造单元。碎石井矿区位于磁萌断褶带中段，本井田位于碎石井 矿区中段，即刘家庄碎石井背斜与磁窑堡长梁山向斜东侧 F1 断层之间如图 2.1 所示。 井田浅部羊场湾矿区呈北东南西走向、向南东倾斜的单斜构造形态，井田深部东 庙区呈北西南东走向、两翼对称的简单背斜构造，由于次级褶曲较为发育，井田内地 层产状沿走向和倾向变化较大，地质构造复杂，围岩破碎。井田地形起伏不大，海拔标 高一般在13401400m 之间，最高点为井田最南部黑疙瘩，标高1465.7m，最低点为 井田北部 13 勘探线水石沟，标高1340m。含煤地层侵蚀基准面标高平均为1350.8m。 2.1.2 工作面围岩赋存特征 110206 工作面是羊场湾煤矿 6.2m 大采高试验工作面，工作面沿 2煤层布置，2煤 层为全井田赋存稳定的厚至特厚煤层，浅部呈走向北东向南的倾斜的单斜构造。煤层走 向、倾向均发生较大变化，煤层倾角为 1520，平均倾角 18，走向起伏角度为 812， 西安科技大学硕士学位论文 - - 10 煤岩体内部节理裂隙发育，侧压大，工作面及巷道片帮冒顶严重。煤层平均厚度 6.3m， 硬度系数 f＝23，韧性指标 910。煤层结构较简单，煤层下部一般含 13 层夹矸，最 大厚度达 1.42m。工作面煤层顶板为砂岩，常有薄层状泥岩伪顶，底板为砂岩，岩性以 泥岩为主，粉砂岩次之，f＝46。从临近工作面的开采情况来看，煤层中沿倾向方向的 节理较发育，节理方向北东 4080，与工作面走向方向的夹角在 30左