八宝煤矿大倾角煤层综合机械化开采技术研究.pdf

致 谢 致 谢 论文是在张宏伟教授悉心的指导下完成的，没有张宏伟老师的指导、鼓励和帮助，论 文是不可能文顺利完成的。在读研的日子里，导师在生活上给予了细心的照顾，在学习上 给予了谆谆教诲和耐心指导，使得本人在思维方式、科研水平、为人处世等方面都得到了 很大的收获。在此，谨向我的导师致以最真挚的敬意。 在辽宁工程技术大学地质动力区划研究所的学习生活中，我感受到了这个集体的团结 合作、顽强拼搏的精神，对我的影响将收益终生。在论文收集资料和撰写过程中，辽宁工 程技术大学沈玉志教授和张文军教授给予大力支持；在论文撰写过程中，矿业学院题正义 教授、孔祥义教授等对论文中存在的问题提出了诸多的的意见和建议。同时，还得到了兰 天伟博士、陈蓥博士，连现忠等同学的帮助和支持，在此一一向他们表示感谢。 除此之外，在论文初期的资料收集和现场测试过程中，得到了八宝煤矿孙羽总工程师 等各位领导的鼎力支持，一并表示感谢。 感谢养育我的父母。 感谢所有关心和帮助我的人 感谢各位评委专家在百忙之中评审我的论文，敬请各位评委专家批评指正 - I - 摘 要 摘 要 煤炭是我国的主要能源， 未来相当长的时间内， 虽然煤炭生产和消费可能会有所下降， 但主导地位不会改变。随着经济发展，煤炭开采强度不断增加，许多矿井不得不由条件相 对好的煤层开采转向复杂难采煤层。复杂难采煤层的开采技术是制约我国煤矿高产高效的 主要问题之一。论文以八宝煤矿 1101 采区为工程背景，综合采用理论分析、实验室测试、 现场试验和数值模拟等方法和手段，根据 1101 采区的地质条件，对 1101 采区工作面应用 综合机械化采煤技术进行了可行性分析。详细地分析了工作面破碎煤壁和顶板稳定性影响 因素，提出了破碎顶板和煤壁化防治措施，并设计了化学注浆加固方案。在测定工作面围 岩物理力学参数的基础上，利用 RFPA 模拟了工作面顶板围岩活动规律和矿压显现规律， 为指导现场实际施工，提供了依据。采用 FLAC 软件分析了注浆锚杆的支护效果，并在井 下进行煤壁及顶板化学注浆加固试验，优化加固方案，为八宝煤矿的安全、高效开采提供 保障。 关键词大倾角煤层；综合机械化采煤；化学注浆；数值模拟 Abstract Abstract Coal is the main energy in China. The future for quite a long time, although the coal production and consumption may be decreased, but the dominant position will not change. With the development of economy, the coal mining intensity increases ceaselessly, many mines had to be in relatively good condition of coal seam mining to coal seam under complicated.The coal mining technology of Complicated difficult mining coal seamis one of the main problems which restrict the high yield and high efficiency of coal mines in our country. The 1101 mining area is taken as the engineering background. The theoretical analysis, laboratory test, field test, numerical simulation and other s and means are adopted. According to the geological conditions of 1101 mining area, using, “the complexity analysis and application of coal seam mining selection software system“, the suiTab. mining of 1101 mining area are analyzed, the analysis result is in accordance with the selected mining . A detailed analysis of the working surface of broken coal wall and the roof stability influencing factors, puts forward the broken roof and coal wall of prevention measures, and design of chemical grouting reinforcement scheme. Determination of working face in physics and mechanics parameters of surrounding rock based on RFPA simulation, using the working face roof rock activity law and the law of mine pressure behavior, for guiding the actual construction, provide the basis for. Using FLAC software to analyze the grouting rock bolt supporting effect, and in the underground coal wall and roof of chemical grouting reinforcement test, optimization and programme, as Babao mine safety, high-efficiency mining to provide protection. Key Words steeply dipping thick seam; fully mechanized mining; mining technology; numerical simulation 目 录 目 录 摘 要 ...........................................................................................................I Abstract............................................................................................................ II 1 绪论 ............................................................................................................ 1 1.1 提出问题............................................................................................1 1.2 国内外研究现状 ................................................................................1 1.2.1 大倾角煤层开采技术研究现状..................................................... 1 1.2.2 复杂煤层开采围岩控制研究现状................................................. 2 1.3 主要研究内容和技术路线 .................................................................5 1.3.1 主要研究内容............................................................................... 5 1.3.2 技术路线 ...................................................................................... 5 2 八宝矿复杂煤层综采技术应用分析............................................................ 6 2.1 综合机械化采煤技术在地质条件复杂矿区的应用 ............................6 2.1.1 北京昊华公司木城涧矿综合机械化开采...................................... 6 2.1.2 淮北矿业集团桃园煤矿大倾角综合机械化开采 .......................... 7 2.1.3 新疆焦煤集团大倾角综合机械化开采 ......................................... 7 2.2 矿井地质条件 ....................................................................................8 2.2.1 矿井地层特征............................................................................... 8 2.2.2 矿井地质构造............................................................................. 10 2.2.3 采区地质条件............................................................................. 10 2.3 八宝矿应用综采可行性分析............................................................11 2.3.1 综合机械化采煤优点.................................................................. 11 2.3.2 八宝煤矿 1101 采区综采技术可行性分析.................................. 13 2.4 回采巷道布置方案设计 ...................................................................14 2.4.1 1101 采区巷道布置方案设计 ..................................................... 14 2.4.2 工作面回采顺槽断面及支护设计............................................... 15 2.4.3 开切眼断面及支护设计.............................................................. 16 2.5 综采工艺参数设计...........................................................................17 2.5.1 工艺流程 .................................................................................... 17 2.5.2 工作面正规循环生产能力 .......................................................... 17 2.6 大倾角综采设备配置.......................................................................17 2.7 本章小结..........................................................................................18 3 八宝矿综采工作面破碎顶板与煤壁治理技术........................................... 19 3.1 工作面煤壁及顶板破坏机理............................................................19 3.2 工作面煤壁稳定性影响因素分析 ....................................................19 3.2.1 采高对煤壁片帮的影响.............................................................. 19 3.2.2 支架工作阻力对煤壁片帮的影响............................................... 20 3.2.3 煤岩结构对煤壁片帮的影响 ...................................................... 21 3.2.4 停采时间对煤壁片帮的影响 ...................................................... 21 3.2.5 采煤工艺对煤壁片帮的影响 ...................................................... 21 3.3 复杂条件下松软、破碎顶板及煤帮治理技术..................................22 3.3.1 松软、破碎顶板治理.................................................................. 22 3.3.2 煤壁片帮预防措施 ..................................................................... 22 3.4 综采工作面破碎顶板与煤壁化学注浆加固方案设计 ......................23 3.4.1 化学注浆加固机理 ..................................................................... 23 3.4.2 注浆锚杆结构............................................................................. 23 3.4.3 注浆工艺及参数 ......................................................................... 27 3.5 本章小结..........................................................................................27 4 回采工作面围岩运动规律研究及加固效果分析 ....................................... 29 4.1 围岩参数测定 ..................................................................................29 4.1.1 概述............................................................................................ 29 4.1.2 煤岩体力学参数测试.................................................................. 29 4.2 回采工作面围岩活动规律数值分析 ................................................30 4.2.1 岩石破断过程分析系统 RFPA 简介 ........................................... 30 4.2.2 模型建立 .................................................................................... 31 4.2.3 计算方案 .................................................................................... 32 4.2.4 数值计算过程............................................................................. 32 4.2.5 工作面顶板矿压显现规律 .......................................................... 33 4.3 工作面煤壁破坏模拟分析 ...............................................................34 4.3.1 工作面煤壁塑性区宽度理论计算............................................... 34 4.3.2 工作面煤壁塑性区宽度数值模拟计算 ....................................... 35 4.3.3 计算结果分析............................................................................. 35 4.4 注浆锚杆支护效果模拟研究............................................................37 4.4.1 FLAC 软件简介 .......................................................................... 37 4.4.2 模型建立及计算方案.................................................................. 37 4.4.3 边界条件和加载条件.................................................................. 38 4.4.4 模拟计算结果分析 ..................................................................... 38 4.5 本章小结..........................................................................................40 5 井下试验与观测化学注浆加固顶板及煤壁............................................... 41 5.1 化学锚注加固顶板与煤壁井下试验 ................................................41 5.1.1 试验目的 .................................................................................... 41 5.1.2 煤壁用锚注加固注浆管锚杆注浆试验..................................... 41 5.1.3 顶板锚注两用注浆锚杆井下锚注试验 ....................................... 42 5.1.4 塑料胀壳锚固头与杆体紧固摩擦力试验 ................................. 44 5.2 试验结果及存在问题.......................................................................45 5.3 化学加固顶板与煤帮方案调整与优化.............................................46 5.3.1 煤壁用柔性注浆管的制作 .......................................................... 46 5.3.2 煤壁用柔性注浆管安装.............................................................. 46 5.3.3 注浆参数与工艺 ......................................................................... 47 5.4 松软破碎顶板加固治理方案............................................................48 5.4.1 注浆锚杆杆体结构 ..................................................................... 48 5.4.2 注浆锚杆安装方法 ..................................................................... 49 5.4.3 钻孔布置与注浆参数.................................................................. 49 5.5 本章小结..........................................................................................50 6 大倾角综采工作面主要设备安装技术实践............................................... 51 6.1 开切眼支护设计与施工 ...................................................................51 6.1.1 运输设备回撤............................................................................. 51 6.1.2 开切眼开帮扩面 ......................................................................... 51 6.1.3 绞车安装 .................................................................................... 52 6.2 安装工艺..........................................................................................53 6.2.1 工作面安装设备 ......................................................................... 53 6.2.2 设备运输路线............................................................................. 53 6.2.3 安装顺序 .................................................................................... 54 6.2.4 液压支架安装过程 ..................................................................... 54 6.3 本章小结..........................................................................................57 7 结论与展望 ............................................................................................... 58 7.1 结论 .................................................................................................58 7.2 展望 .................................................................................................58 参 考 文 献................................................................................................... 59 作 者 简 历................................................................................................... 61 学位论文原创性声明 ...................................................................................... 62 学位论文数据集.............................................................................................. 63 - - 1 1 绪论 1 绪论 1.1 提出问题 1.1 提出问题 煤炭是我国的主要能源，生产和消费的比重一直维持在 70左右，预计在今后相当长 的时间内虽然会有所下降，但主导地位不会改变。我国一直以来长期坚持以煤炭为基础， 多种能源共同发展的能源发展的战略。建设高产高效、可持续发展现代化矿井是我国实现 四个现代化的要求，也是市场经济条件下，企业追求以效益为中心的必然选择。从煤炭资 源的布局来看，我国大倾角煤层大约只占全国煤炭总量的 15～20﹪，但是西部矿区却占了 却占全国煤炭资源将近 85﹪的比例[1]。我国大倾角煤层主要分布在新疆、甘肃、宁夏的川 渝等地的矿区，其次是东北的辽源矿区，辽宁的沈阳矿区，河北的开滦矿区，河南鹤壁矿 区、平顶山矿区，以及北京市等省也有一定量的分布。很多矿区为了保证矿井的高产高效 和企业为了投资短见效快等原因，煤矿开采强度的不断增大，导致很多矿区从赋存条件好 的煤层转向复杂难采煤层。目前，许多矿区或矿井的主采煤层已经是复杂难采煤层。所以， 大倾角复杂煤层的开采问题越来越受到受了重视。显然，要保持这些矿区高产高效和可持 续发展就必须解决大倾角复杂煤层的开采技术问题[2]。因此，复杂煤层开采技术研究就成 为非常必要又十分迫切的重大课题。 1.2 国内外研究现状 1.2 国内外研究现状 1.2.1 大倾角煤层开采技术研究现状 1.2.1 大倾角煤层开采技术研究现状 我国将煤层按倾角分为缓倾斜（0～25）、倾斜（25～45）和急倾斜（45～90） 三类，但对大倾角煤层迄今为止还没有明确的定义。近年来，随着采煤技术的不断发展， 尤其是综采技术的突飞猛进，促进了大倾角煤层的机械化开采水平，使得以“大倾角”名 义发表的研究成果也越来越多。对“大倾角”的界定，有些专家认为大倾角煤层主要是指 倾角大于 35或 35～55的煤层；有些学者从金属对顶板或底板的摩擦系数出发，认为在 潮湿条件下，当煤层倾角大于 8时，采煤机要有防滑装置，煤层倾角大于 12时，输送机 也要有防滑装置，煤层倾角大于 16时，支架或支柱应有防倒和防防滑装置，并以此界定 大倾角煤层主要指倾角为 20～35的煤层。 可见，“大倾角”煤层是一个模糊概念，其主要针对的是倾斜煤层，在急倾斜煤层中 讨论大倾角的意义不大，应结合具体工艺来说明。对于综采工艺而言，鉴于目前我国倾角 大于 35的煤层使用综采的困难性，大倾角煤层是指倾角为 18～32的煤层。 国外大倾角煤层综采技术研究主要集中在法国、德国、波兰、俄罗斯等国家。俄罗斯、 - - 2 乌克兰在顿巴斯、卡拉岗达等矿区大倾角煤层综采技术应用不仅安全系数大幅提升，并且 取的了较好的经济效益；研究和使用大倾角煤层综采技术在法国在洛林矿区获得成功，使 得其东部矿区的煤炭企业提高了生产效率和利润；大倾角煤层矿井中试验和应用综采技术 后德国在鲁尔矿区的，矿井的产量有了明显提高。美国也在倾斜30左右煤层综采方面 作了一些研究，取得了一定的成果。 法国的格林矿区研究实验了使用伪倾布置工作面伪斜角度为 20的方法，利用 TSA 型迈步支架配合工作面防倒防滑装置及措施开采了倾角 30～60的煤层。 德国将赫姆夏特设计用于缓倾斜煤层液压支架进行改装并与曼斯菲尔德支架可用 于倾角 70以上的煤层或威斯特伐里亚支架结合辅助防倒、防滑技术用来开采大倾角煤 层。1992 年在德国鲁尔矿区的威斯特豪尔特Westerholt矿，采用 G9-38V 高型滑行式刨煤 机配合 WS1.7 型宽体双伸缩二柱掩护液压支架开采了鲁 18～38煤层倾角变化极大， 局部倾角可达 45的大倾角煤层。 英国使用多布逊支架适应煤层倾角 25～45和伽里克支撑式支架适倾角小于 40 对 35～43的大倾角煤层进行了开采，取得了一定的技术与成果。 另外，印度以其东北部煤田为基地，研究了应用于急倾斜和大倾角煤性支架采煤法、 巷柱充填采煤法、掩护支架采煤法、综合机械化及其配套西班牙在帕里奥和圣安托尼奥煤 田的 HUNOSA 矿井使用机械化装备开采大于 40的煤层。 1.2.2 复杂煤层开采围岩控制研究现状 1.2.2 复杂煤层开采围岩控制研究现状 “砌体梁”理论是关于破裂后基本顶的岩层组成“砌体梁”的力学模型，它是由中国 矿业大学钱鸣高院士通过实测研究提出了。“砌体梁”理论集中研究了裂隙带岩层结构平 衡条件和可能形成结构[3]。 随着钱鸣高院士对采场上覆岩层运动和破坏的认识进一步研究， 又提出岩层关键层理论。在工作面上覆岩层中多数存在着层坚硬岩层时，对岩体活动起全 部或局部决定作用的岩层被称之为关键层。在煤系地层中，其中一些较为坚硬的覆岩层在 采场上覆岩体的变形和破坏中起着主导控制作用，它们以某种力学结构板或筒化为梁等 形式支承上部岩体的压力，而它们破断后形成的结构形式如砌体梁又直接影响着采场矿 压显现和岩层移动[4]。 太原理工大学的贾喜荣教授针对采煤工作面不同边界条件建立了相应的力学模型，分 析了应力分布规律、顶板下沉规律及断裂过程。之后，贾喜荣教授对断裂后的顶板岩层结 构进行了深入研究，根据顶板岩层在不同时期特征，建立了“弹性板与铰接板结构”力学 模型，即顶板岩层在断裂前被视为多种支承条件下的“弹性薄板结构”和断裂后的“铰接 板结构”。并得出了适用于采煤工作面稳定岩层顶板的来压步距和来压强度计算的解析表 达式[5]。钱鸣高院士等提出了岩层断裂前后的弹性基础梁模型，从理论上证明了“反弹” - - 3 机理并给出了算例[6]，并提出了各种不同支承条件下的 Winkler 弹性基础上的 Kichhoff 板 力学模型[7]，利用基本顶岩层形成砌体梁结构前的连续介质力学模型分析了顶板断裂的机 理和模式。姜福兴教授利用厚板力学的方法，研究了坚硬顶板采场薄板力学解的可行区域 作出了实用的工程判断图， 并导出了四种边界条件板的厚化系数表达式， 对长厚比小于 5～ 8 倍的中厚板进行了解算[8]。 近些年，学科采矿技术的不断发展，探索途径和分析方法也层出不穷。比如，将上覆 岩层视为不连续体的散体，研究极限平衡状态，以有限元、离散元、边界元为工具的应力 应变分析，以大量开采实践为基础的工程类比分析，还有些学者将混沌学、模糊数学、 灰色系统、分形几何学等现代数学思想引入采矿工程，形成了百花齐放、百家争鸣的格局， 大大地促进了缓倾斜煤层开采的围岩活动研究[9][10]。 四川师范大学平寿康教授是我国研究大倾角煤层开采围岩活动灾害工作面顶板事故 的奠基者，从上世纪八十年代起平教授就带领课题组对大倾角煤层开采工作面矿山压力现 场进行观测，四川芙蓉矿业集团巡场煤矿、广旺矿业集团旺苍煤矿完成了以“大倾角大采 高俯伪斜采面矿压显现实测研究”和“大倾角煤层矿压显现立体相似模拟”[11]、“大倾角 薄及中厚煤层俯伪斜走向长壁采煤法矿压显现” [12]、 “大倾角煤层采面顶板岩层运动研究” [13]为代表的一批重要的科研课题，利用三维有限元数值模拟及理论分析和现场实测的方法 研究大倾角薄及中厚煤层俯伪斜走向长壁采煤法顶底板运移规律、采面应力分布特征；通 过实验室模拟不同倾角0～75和不同开采方法真、仰、俯伪斜条件下顶板破断规律 及其力学性质，提出了相应的顶板控制方法。 西安科技大学的石平五教授系统地研究了大倾角煤层底板滑移破坏的力学过程和围 岩活动灾变机理，并给出了相应的评价指标与体系[14]，提出了大倾角煤层走向长壁开采 “R-S-F” 系统运动学的一般模型； 根据急斜煤层顶板具有狭长板的特点运用弹性薄板理论 对基本顶岩层进行了拉应力分析得出了顶板破断的判别准则建立了基本顶初次破断后形 成的铰接结构的力学模型通过分析结构滑落失稳和回转失稳的力学条件指出危险点是上 铰接点，研究表明急倾斜放顶煤开采围岩结构虽然与缓倾斜煤层长壁放顶煤不同，基本顶 和直接顶只是在工作面的一侧但仍然不