综采放顶煤技术在峪沟煤矿的应用研究.pdf

内蒙古科技大学硕士学位论文 I 硕士学位论文硕士学位论文 论文题目论文题目 综采放顶煤技术在峪沟煤矿的应用研究 英文题目英文题目 The Research of the Application of Fully- Mechanized Mining Caving Technique in Yugou Mine 学位类学位类别别 硕士学位 研 究 生 姓研 究 生 姓 名名 冯纬 学号学号 201102385 学科学科领域领域名称名称 矿业工程 指导教指导教师师 王文才 职称职称 教授 协助指导教协助指导教师师 职称职称 2013 年 6 月 7 日 分类号分类号 TD7 TD7 密密 级级 公开公开 U D C 学校代码学校代码 1012710127 内蒙古科技大学硕士学位论文 II 内蒙古科技大学硕士学位论文 III 摘摘 要要 综采放顶煤技术以其显著的技术和经济优势已经成为厚煤层开采的主要方法 之一。本文针对综采放顶煤技术的特点，分别从顶煤的冒放性、工作面设备的选 型配套、综采放顶煤采煤法关键参数的确定以及顶煤损失等方面，运用理论分 析、工程类比和借用数值模拟相关研究成果相结合的研究方法，对综采放顶煤技 术的应用进行了研究，对本矿井综放技术的高效开采和类似矿区综放的应用具有 重要意义。 首先研究和分析了影响顶煤冒放性的因素，包括开采深度、煤层强度和节 理、煤层厚度、煤层结构和顶板条件等方面。其次分析和研究了综放技术主要设 备的选型和“三机”配套。研究结果表明，“三机”选型不仅在生产能力上要配 套，而且要在空间尺寸和空间结构上配套，同时确定了工作面的主要参数，包括 工作面长度、工作面走向长度和采煤机割煤高度和采放比。其次在理论上对单轮 顺序放煤、单轮间隔放煤和双轮顺序放煤等放煤方式进行了分析，并分析和总结 相关模拟成果，得出了三种放煤方式的优劣。最后分析了综放开采顶煤的煤炭损 失构成以及提高顶煤回采率的途径和方法。另外对峪沟煤矿的井田划分及采区布 置也进行了相关论述，通过研究分析得出以下结论 （1）顶煤的冒放性是否良好直接影响着综放开采技术的应用，通过从开采 深度、煤层厚度、煤层强度和节理，煤层结构和顶板条件等方面确定了峪沟煤矿 4煤层具有良好的冒放性。 （2）采煤机的割煤高度和合理的采放比是顶煤有效放出的重要参数，综合 考虑峪沟煤矿的煤层的特点和技术条件，确定机采高度为 2.5m，采放比为 12.02，实行“一采一放，单轮顺序”的放煤工艺比较合理。 （3）综放面的“三机”选型配套技术是综放开采的重要方面，不仅要求各 设备间的生产能力相匹配，而且设备之间的性能，空间位置和尺寸关系等也要相 互配套。由此确定了采煤机、刮板输送机、液压支架等设备的选型。 （4）通过理论分析、经验计算和借用相关数值模拟的成果，确定了峪沟煤 矿的放煤步距为 0.8 m，放煤间距为 3m，实行单轮顺序多口放煤的方式。 内蒙古科技大学硕士学位论文 IV （5） 为了提高综放工作面的回采率，分析了工作面各回采阶段煤炭损失的 构成原因，得出了煤炭损失的表达式。并针对峪沟煤矿的具体条件，相应地提出 了提高工作面回采率的技术途径。 关键词综采放顶煤开采；工艺参数；煤层冒放性；回采率 内蒙古科技大学硕士学位论文 V AbstractAbstract Fully-mechanized mining caving technique because of technical and economic advantages have proved to be one of major High-seam Mining s. According to the characters of fully-mechanized mining caving technique,this paper reserches on the application of fully-mechanized mining caving technique from the falling perance of the top coal,the selection and match of the equipments of the working face,the fix of the key parameters of the fully-mechanized mining caving ,and the loss of the top coal by using academic analysis,engineering analogy and quoting relevant results of numerical simulation. It would make sense to the efficient mining in Yugou mine and the application of the fully-mechanized mining caving technique in homologous mining area. Firstly,the paper studies and analyzes the influencing factors of the falling perance of the top coal,including mining depth,thickness of coal seam,strength of coal seam and joint,structure of coal seam and roof condition and so on. Secondly ,the selection and matching of the major equipments are researched and analyzed,specially three machines necessary. The results show that the matching of three machines are not only the matching of the productivity,but also space dimension and space structure.Simultaneously,the major parameters of the working face are confirmed,including the length of the working face,the run length of the working face,cutting height and mining ratio.Thirdly, three kinds of different s of caving s,namely single-order caving,single-interval caving and double-order caving,are analyzed from theory. Three kinds of different s of caving s are simulated,which makes full use of the related reserach fruits,and the simulation results are analyzed from advantages and disadvantages. At last, the paper analyze the composition of the loss of the top coal of fully mechanized top-coal caving face and proposed measures to improve the top coal recovery rate about Yugou mine. Meanwhile the division of coal field and the arrangement of working area are relatively discussed. We can obtain the main conclusion in the following 内蒙古科技大学硕士学位论文 VI 1 The quality of roof caving in top coal directly affects the application of fully mechanized caving mining technology. Through the mining depth, seam thickness, coal seam strength and joint, coal seam structure and roof condition, the quality of roof caving in Yugou coal mine is determined to be good. 2 The cut height of coal cutter and reasonable caving ratio are important parameter that affect the quality of roof caving in top coal. Consider the characteristics and technical conditons of Yugou coal mine, it is determined that the machine mining height is 2.5m, the caving ratio is 12.02. The coal mining craft that mining once and caving once, single wheel order is reasonable. 3 The selection and matching techniques of three machines play an important role in the working face of fully-mechanized mining caving, which not only requires the matching of the productivity of equipments,but also the fuction, space location and dimension relation between them. And the coal cutter, scraper conveyer and hydraulic support are determined. 4 This paper ensure drawing pace is 0.8m,drawing interval 3m,and “single round of several sequential caving” is reasonable by theorial analysis, empirical calculation and quoting the relevant simulation results. 5 In order to improve the recovery rate of fully mechanized working face, after analyse the reason for coal loss each caving stage, the expression of coal loss is obtained. And according to the actual condition of Yugou coal mine, the techinal way to increase the caving rate of mining face is raised. KeywordKeyword Fully-Mechanized mining caving technique；The parameter of the technique ；The falling perance of the coal seam；The recovery ratio 内蒙古科技大学硕士学位论文 1 目目 录录 摘 要 .................................................................................................................................... III Abstract ...................................................................................................................................... Ⅲ 1 绪论 ...................................................................................................................................... - 1 - 1.1 课题的提出 ....................................................................................................... - 1 - 1.2 综放技术的展现状 ........................................................................................... - 2 - 1.2.1 国内外综放技术发展现状 ..................................................................... - 2 - 1.2.2 我国在综放技术取得的成果 ................................................................. - 4 - 1.3 本课题的研究目标、内容、方法、技术路线及创新点 ............................... - 6 - 1.3.1 研究目标 ................................................................................................. - 6 - 1.3.2 研究内容 ................................................................................................. - 7 - 1.3.3 研究方法与技术路线 ............................................................................. - 7 - 1.3.4 课题的创新点 ......................................................................................... - 8 - 2 矿井概况及地质特征 .......................................................................................................... - 9 - 2.1 矿井概况 ............................................................................................................ - 9 - 2.2 地质特征 .......................................................................................................... - 11 - 2.2.1 地质构造 ................................................................................................ - 11 - 2.2.2 煤层概况 ................................................................................................ - 13 - 2.3 本章小结 ......................................................................................................... - 14 - 3 采区布置及采煤系统 ......................................................................................................... - 15 - 3.1 采区布置要求及原则 ..................................................................................... - 15 - 3.2 矿井生产能力计算 ......................................................................................... - 15 - 3.3 采区尺寸的确定 ............................................................................................. - 16 - 3.4 煤层分组、分层关系和开采顺序 ................................................................. - 16 - 3.5 首采区煤炭运输、辅助运输和通风排水系统 .............................................. - 17 - 3.6 巷道掘进 ......................................................................................................... - 18 - 3.7 工作面的巷道布置方式 ................................................................................. - 20 - 内蒙古科技大学硕士学位论文 2 3.8 本章小结 ......................................................................................................... - 20 - 4 顶煤冒放性及工作面选型配套研究 ................................................................................ - 21 - 4.1 地质赋存因素对顶煤冒放性的影响 ............................................................. - 21 - 4.1.1 开采深度对顶煤冒放性的影响 ............................................................ - 21 - 4.1.2 煤层强度对顶煤冒放性的影响 ........................................................... - 23 - 4.1.3 顶煤节理裂隙对冒放性的影响 ........................................................... - 24 - 4.1.4 煤层厚度对顶煤冒放性的影响 ........................................................... - 24 - 4.1.5 煤层夹矸对顶煤冒放性的影响 ........................................................... - 26 - 4.1.6 顶板岩层对顶煤冒放性的影响 ........................................................... - 27 - 4.2 开采技术因素对顶煤冒放性的影响 ............................................................. - 27 - 4.2.1 机采高度 ............................................................................................... - 27 - 4.2.2 工作面推进速度 ................................................................................... - 28 - 4.3 综放工作面的选型配套 ................................................................................. - 28 - 4.4 本章小结 ......................................................................................................... - 38 - 5 煤矿综放开采主要技术参数选择 .................................................................................... - 39 - 5.1 工作面走向长度 ............................................................................................. - 39 - 5.2 工作面长度 ..................................................................................................... - 39 - 5.3 采煤机割煤高度与采放比的确定 ............................................................... - 40 - 5.4 放煤步距 ....................................................................................................... - 42 - 5.5 初次放煤距离 ............................................................................................... - 47 - 5.6 放煤间距 ....................................................................................................... - 48 - 5.7 放煤方式 ....................................................................................................... - 49 - 5.7.1 合理放煤方式的理论分析 ................................................................. - 49 - 5.7.2 合理放煤方式的确定 ......................................................................... - 52 - 5.8 本章小结 ....................................................................................................... - 57 - 6 提高煤矿综放工作面回采率的措施 ................................................................................. - 58 - 6.1 顶煤破坏过程分析 ......................................................................................... - 58 - 内蒙古科技大学硕士学位论文 3 6.2 煤炭损失分析 ................................................................................................. - 59 - 6.2.1 初采损失 ............................................................................................... - 59 - 6.2.2 末采顶煤损失 ....................................................................................... - 61 - 6.2.3 端头损失 ............................................................................................... - 63 - 6.2.4 工作面内部工艺损失 ........................................................................... - 63 - 6.2.5 其他损失 ............................................................................................... - 64 - 6.3 提高综放工作面煤炭回采率的措施 ............................................................. - 64 - 6.3.1 提高初采顶煤回采率的措施 ............................................................... - 64 - 6.3.2 提高末采顶煤回采率的措施 ............................................................... - 65 - 6.3.3 提高端头顶煤回采率的措施 ................................................................ - 66 - 6.3.4 提高工作面内部工艺顶煤回收率的措施 ........................................... - 66 - 6.4 本章小结 ......................................................................................................... - 67 - 结 论 ................................................................................................................................ - 68 - 参考文献 ................................................................................................................................ - 69 - 在学研究成果 ........................................................................................................................ - 74 - 致 谢 ................................................................................................................................ - 75 - 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 1 - 1 绪论绪论 1.1 课题的提出课题的提出 煤炭是我国的主要能源，是进行国家经济建设的重要物质基础，据调查，在一 次能源消费结构中，煤炭的消耗量一直占 65以上。世界上厚煤层的储量约占世界 煤炭储量的 1/3，而在我国厚煤层及特厚煤层储量、产量均占煤炭总储量和总产量的 40以上。近年来，随着煤炭行业的进步，我国煤炭行业面临的突出问题依然是煤 炭开采过程中的安全和高效问题，特别是在厚煤层开采技术方面更是如此。近些年 来发展起来的综放开采技术是我国迅速发展起来一种高效高产的新技术[1]。因为综 采放顶煤技术的工艺具有适应范围比较大、掘进率和材料消耗少、生产能力集中、 生产成本低廉等特点，已经越来越受到煤炭行业的广泛重视[2]。综放开采技术可以 将我国的赋存的煤炭资源优势转变为煤炭行业的生产效益优势，毫无疑问，综采放 顶煤技术已经越来越成为我国开采厚煤层及特厚煤层以实现矿井安全高效的集约化 生产的重要技术发展方向[3]。 综采放顶煤开采技术是针对厚煤层及特厚煤层发展起来一种采煤方法，具有明 显的高产高效技术经济特征。首先巷道的掘进工程量较分层开采少，减少了工作面 的搬家次数，提高了采煤工作面的单产水平和缩短了工效；可以实现一次采全厚， 对煤层厚度变化适应性强，提高了开采强度，增加了回采率；综放技术的五个过 程，破、装、运、支、处可以实现机械化，可以通过确定合理的综放工艺参数来提 高生产率，实现集中化生产。同时，综放工艺的特点及地质情况的复杂性，使得综 放开采也面临着诸多关键技术难题，其中提高顶煤的回采率，降低顶煤损失就是综 放开采高产高效得以实现的关键问题。 本文以山西峪沟煤矿的煤层赋存特征和地质情况为依托，通过分析顶煤的冒放 性及综放开采中关键技术参数的选取，顶煤的损失原因及提出相应的减少顶煤的损 失等方面，实现综采放顶煤技术在本矿的高效生产。 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 2 - 1.2 综放技术的展现状综放技术的展现状 1.2.1 国内外综放技术发展现状国内外综放技术发展现状 综采放顶煤这项技术首先是从国外发展起来的。在 1957 年，KTY 型单输送机 掩护式放顶煤液压支架首先在前苏联研制成功，并投入试验；在 1963 年，支承掩护 式放顶煤液压支架在法国成功研制，该支架为四柱式，尾部梁呈“香蕉型”，次年将 此支架投入使用，并取得了不错的效果；在 80 年代初期，匈牙利成功研制出了单输 送机前开“天窗”式放顶煤液压支架，也取得了良好效果。后来由于国际能源结构 变化等原因，虽然波兰和印度等国都尝试和发展综采放顶煤技术，但使用效果都不 好。我国综采放顶煤技术是在 80 年代出现的。在 1984 年 6 月，由煤炭科学研究总 院北京开采研究所与沈阳煤炭研究所共同设计。 我国自主研制的 FY400/14/28 型放顶煤液压支架在沈阳某矿进行试验研究，后 因支架的稳定性差，四连杆强度不足等原因引发了工作面发火，而被迫停止了试 验；在 1987 年，匈牙利的 VHP-732 型放顶煤液压支架被原平顶山矿务局引进，将 此支架在缓倾斜工作面试验，在生产投入后取得了月产多达 5.5 万 t，回采率为 79.6的初步成绩。在 80 年代末期，山西的几大矿务局，包括潞安、阳泉等矿务局 先后试验和研究综采放顶煤技术都取得了与以往不同的成绩。与此同时，全国其他 地方的矿务局也开始推广试验这项技术。从 80 年代早期到 90 年代初期，短短几年 时间我国的综放技术的发展取得了日新月异的成就。在 1994 年，全国的综放开采总 产量达到了 3750 104t，有 28 个矿务局，60 个综放面在生产；在 1998 年，全国的 综放总产量达到了 7000 104t，综放工作面总数达到了 82 个，全国有 64 个百万吨综 采队中，有 22 个是综放。我国综放技术的使用条件也在不断地提高。由最初的缓倾 斜煤层到后来的倾斜及急倾斜煤层，从开采条件好的到开采条件差的“三软”、 “两硬”、“不稳定”煤层，使用范围和使用条件都有了很大的提高。目前，我国 在综采放顶煤这项技术在使用数量、开采范围、技术的使用等方面都取得了很大成 果，已居世界领先地位。近年来我国正积极开拓国外市场，向海外输出这项先进工 艺以及成套设备[4]。 在国内经过多年来对综放工艺的发展和研究，已经在综放工艺