陈家沟煤矿特厚煤层综放采场矿压特征及顶煤冒放性研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 I 陈家沟煤矿特厚煤层综放采场矿压特征及顶煤冒放性研究 摘 要 我国厚煤层储量及产量在全国煤炭储量及产量中占比 4046， 随着 国民经济发展，煤炭开采技术的成熟，以及装备制造水平的提高，厚煤层 综放开采的理论与技术得到了长足的发展。近年来，随着综放开采技术的 不断进步与提高，综放开采已成为我国煤炭系统实现矿井高产高效的主要 途径之一。 我国山西、陕西、内蒙古、甘肃等普遍存在厚度超过 8m 的特厚煤层， 在特厚煤层开采中，会遇到回采巷道变形大、压架死架等强矿压显现现象， 因此特厚煤层的开采技术及研究显得极其重要。 陈家沟煤矿八采区目前主采层为煤 5，煤层厚度 13.32～54.49m，平均 厚度 26m，煤层倾角 310，平均 6，属中硬煤层，采用近水平分层 走向长壁综采低位放顶煤采煤法，分层厚度 11.92m。同时，煤层结构赋存 表现不同在煤层结构相对简单区域夹矸层一般为 25 层，夹矸总厚 0.23.25m，总平均厚度 0.75m；在煤层结构复杂区域夹矸层数多达 20 层， 平均 10 层，夹矸总厚度 0.24.16m，总平均厚度 1.49m；夹矸层以碳质泥 岩为主，也含有泥岩、砂质泥岩、粉砂岩等。 本文以陈家沟煤矿八采区首采工作面 8512 为背景，采用现场实测、理 论分析、数值模拟等方法对陈家沟煤矿综放工作面覆岩破断垮落特征、 “两 带”高度、支架-围岩关系、含夹矸煤层支承压力分布及顶煤冒放性进行了 研究，主要得到如下结论 太原理工大学硕士研究生学位论文 II （1）分析了覆岩破断特征及“两带”发育高度通过现场数据分析和 3DEC 数值模拟， 计算出工作面覆岩关键层及其破断步距； 通过数值模拟分 析、总结了随着工作面的推进，覆岩的垮落特征及“两带”高度发育演化 特征，得出了陈家沟煤矿 8512 工作面垮落带高度为 42.5m，导水裂隙带高 度为 102.5m，且模拟的“两带”高度与理论计算相吻合。 （2）建立直接顶组合悬臂梁力学模型，并结合基本顶砌体梁结构的受 力分析，确定 8512 工作面合理支架工作阻力为 9528kN，结合矿压实测数 据， 表明选用额定阻力为10000kN的ZF10000/20/32H型液压支架是合理的， 同时也验证了力学模型的合理性。 （3）利用 FLAC2D数值模拟软件分析采场应力场、位移场、破坏场以 及支架的受力状况，得出 8512 工作面矿压显现规律；同时结合现场实测得 到8512 工作面的平均来压步距为 13.3m，平均工作阻力为 4789.5kN，动 载系数平均 1.2。 （4）通过分析 8512 工作面夹矸层的受力，得到其顶煤中夹矸层在均 布载荷及线性载荷作用下的极限厚度公式、极限悬臂长度公式，进而得到 顶煤中碳质泥岩夹矸层破断及顶煤冒放性特征；利用 3DEC 数值模拟软件 得到夹矸层层位对顶煤冒放性影响特征，主要表现为下位夹矸对顶煤冒放 性影响较小，而中位夹矸易形成类拱结构，对顶煤冒放性影响最大。 （5）针对含夹矸特厚煤层冒放性差的问题，提出了爆破法弱化顶煤的 措施，沿工作面倾斜方向布置炮孔，爆破参数为①封孔泥长度不小 1.0m； ②炮眼深度 6m；③每孔装药量 3.7kg。 关键词特厚煤层，综放开采，覆岩垮落，夹矸，冒放性 太原理工大学硕士研究生学位论文 III STUDY ON THE FEATURE OF PRESSURE BEHAVIORAND TOPCOALCAVIBILITY ON FULLYMECHANIZED CAVING OF EXTREMELYTHICK COALIN CHENJIAGOU COALMINE ABSTRACT Thick coal seam reserves and production accounted for 40 to 46 of the countrys coal reserves and production in China． Economic development and the miningtechnologyisbecomingmature,andthelevelofequipment manufacturing developed, thick seam mining theory and technology has made considerable development. In recent years, with the continuous progress and improvement of fully mechanized caving mining technology improving, mechanized caving mining has become one of the high productivity and efficienc main ways in Chinas coal mine system. Shanxi, Shaanxi, Inner Mongolia, Gansu and others commonly exist special thick seam which thickness exceeds 8m, Large Deation of extraction opening ， support crushing and others often occur. Therefore, special thick seam mining technology and research is extremely important. Chenjiagou Coal mining NO.8 area currently mainly is mining layer 5, in which seam thickness is 13.32 54.49m, the average thickness of 26m, coal 太原理工大学硕士研究生学位论文 IV seam dip angle 3 10 , average of 6 . layer 5 is medium hard coal seam, and it uses the low Caving mining in the nearly horizontal stratification which’s thickness is 11.92m. At the same time, the structure of coal seam occurrence behave differently the area in a relatively simple structure-seam partings, the number of dirt band generally are 2 to 5, total thickness is 0.2 3.25m, average thickness is 0.75m; in complex region, the number of dirt band are beyond 20 , average number is 0.75m, total thickness is 0.2 4.16m, average thickness is 1.49m;The main part ofDirt band is carbonaceous mudstone, and it includes boom clay, sandymustone, siltstone and others. The project background is Chenjiagou eight Mine Mining Area First Coal Face 8512, using field measurement, theoretical analysis and numerical simulation s, it studys fully mechanized coal caving face overlying rock breakage characteristics, the height of two belts, surrounding rock and support’s Force status, pressure distribution of seam with dirt band and top coal caving characteristics , mainly as follows 1 It analysises the overlying rock breakage characteristics and the height of two belts using field measurement, theoretical analysis,it get the failure span of the Overlying key stratum; using theoretical analysis,it sum up to the feature of Overlying failure-stone and the evolution of the height of two belts.The height of caving zone is 42.5m, The height of water flowing fractured zone is 102.5m. 2 The mechanical model of immediate roof combination of cantilever 太原理工大学硕士研究生学位论文 V beam is established.The reasonable support working resistance is 9528kN.The data of mining pressure indicates that the model ZF10000/20/32H of support is reasonable,and that the mechanical model also is correct. 3 Analysising stress field, displacement field , faliure stone field and Force status of support with FLAC2D,the strata behavior of 8512 Face;The average cycle weighting interval of 8512 Face is 13.3m,the average working resistance is 4789.5kN, the average dynamic load coefficient is 1.2. 4 Gives the ultimate in top coal thickness ula partings at uni load and linear loads, boom length limit ula, and then get the top Chenjiagou Mine Coal carbonaceous shale partings and broken top coal caving characteristics; the use of numerical simulation software 3DEC get partings layer position to influence top coal caving characteristics, mainly in lower position partings less impact on the top coal caving of risk, while the median partings easy to class arch structure of top coal caving greatest impact. 5 Giving the problem of poor coal cavibility, The of blasting top coal is taken in ChenJiagou mining coal. Blasthole is arranged along the Face direction, The main blasting parameters includes the following ① Sealing length exceeds 1.0m; ② borehole depth is 6m; ③ weight of each hole is 3.7Kg. KEYWORDSextremelythickcoal,full-mechanizedcavingmining, overburdenmovement and failure, dirt band ,coal cavibility 太原理工大学硕士研究生学位论文 VI 太原理工大学硕士研究生学位论文 VII 目录 第一章 绪 论...................................................................................................................................1 1.1 论文研究的背景和意义....................................................................................................1 1.2 国内外研究现状................................................................................................................2 1.2.1 放顶煤采场覆岩运移规律研究现状...................................................................3 1.2.2 放顶煤采场顶板结构及支架-围岩关系研究现状............................................4 1.2.3 放顶煤工作面顶煤变形运移及含夹矸顶煤冒放性研究现状.........................7 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.................................................................................................................9 第二章 矿井概况...........................................................................................................................11 2.1 井田概况...........................................................................................................................11 2.2 八采区概况...................................................................................................................... 11 2.3 八采区首采工作面概况................................................................................................. 13 2.3.1 工作面布置及位置..............................................................................................13 2.3.2 煤层及顶底板特征..............................................................................................15 2.3.3 地质及水文情况.................................................................................................. 16 2.3.4 采煤方法及顶板管理..........................................................................................16 2.4 小结...................................................................................................................................17 第三章 特厚煤层综放面覆岩破坏特征.....................................................................................19 3.1 覆岩移动规律及其影响因素.........................................................................................19 3.2 特厚煤层综放面覆岩移动特征.....................................................................................20 3.2.1 覆岩载荷分析.......................................................................................................20 3.2.2 覆岩岩层破断距分析..........................................................................................25 3.3 特厚煤层综放面覆岩垮落特征.....................................................................................28 3.3.1 数值模拟模型建立.............................................................................................28 3.3.2 覆岩垮落特征及下沉量分析.............................................................................30 3.3.3 覆岩“两带”高度发育分析.............................................................................34 太原理工大学硕士研究生学位论文 VIII 3.4 特厚煤层综放面覆岩“两带”高度............................................................................38 3.4.1 基于基本顶结构的垮落带高度计算................................................................38 3.4.2 基于工程类比法的导水裂隙带高度计算.......................................................39 3.4.3 基于经验公式法的“两带”高度计算............................................................39 3.5 小结...................................................................................................................................40 第四章 特厚煤层综放面顶板结构及矿压显现特征................................................................41 4.1 工作面直接顶及基本顶力学结构分析.......................................................................41 4.1.1 工作面顶板结构特征.........................................................................................41 4.1.2 顶板结构与支架受力分析..................................................................................43 4.2 工作面围岩及支架受力状态.........................................................................................44 4.2.1 模型建立..............................................................................................................44 4.2.2 沿工作面走向围岩应力场分析........................................................................45 4.2.3 沿工作面走向围岩破坏场分析........................................................................47 4.2.4 沿工作面走向围岩位移场分析........................................................................47 4.2.5 支架力学状态分析.............................................................................................48 4.3 首采工作面矿压显现规律实测.....................................................................................50 4.3.1 矿压观测方案.......................................................................................................50 4.3.2 矿压观测结果.......................................................................................................51 4.3.3 合理支架阻力确定..............................................................................................53 4.4 小结..................................................................................................................................54 第五章 含夹矸特厚煤层顶煤冒放性.........................................................................................55 5.1 顶煤破碎机理分析.........................................................................................................55 5.2 工作面超前支承压力分析............................................................................................57 5.2.1 工作面超前支承压力理论分析........................................................................58 5.2.2 夹矸层对超前支承压力影响分析....................................................................58 5.3 顶煤中夹矸层的破断特征.............................................................................................61 5.3.1 夹矸层的分类......................................................................................................61 5.3.2 夹矸层悬臂梁结构受力分析............................................................................61 5.3.3 夹矸层对顶煤冒放性理论分析........................................................................66 5.4 夹矸对顶煤冒放性影响的数值模拟分析...................................................................68 太原理工大学硕士研究生学位论文 IX 5.4.1 模型建立..............................................................................................................68 5.4.2 夹矸层位置对顶煤冒放性影响特征................................................................70 5.5 提高顶煤冒放性措施.....................................................................................................74 5.6 小结..................................................................................................................................75 第六章 结论与展望...................................................................................................................... 79 6.1 主要结论..........................................................................................................................79 6.2 不足与展望.....................................................................................................................80 参 考 文 献...................................................................................................................................81 致谢......................................................................................................................................... 85 攻读硕士期间发表的学术论文....................................................................................................87 太原理工大学硕士研究生学位论文 X 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 第一章 绪 论 1.1 论文研究的背景和意义 我国厚煤层储量及产量在全国煤炭储量及产量中的占比为 4046[1]，一般把单 层厚度超过 3.5m 的称为厚煤层，8m 以上的称为特厚煤层，我国山西、陕西等地普遍存 在厚度超过 8m 的特厚煤层，在特厚煤层开采中，会遇到回采巷道变形大、压架死架等 强矿压显现现象，因此特厚煤层的开采技术及研究显得极其重要。 陈家沟煤矿八采区位于矿井南部及北部的结合地段， 所开采层为煤 5， 平均倾角 6， 煤层厚度 13.32～54.49m，平均厚度 26m，采用近水平分层走向长壁综采低位放顶煤采 煤法，分层厚度 11.92m。 同时，八采区煤层结构赋存表现不同煤层结构相对简单区域夹矸层一般为 25 层，夹矸总厚 03.25m，总平均厚度 0.75m；煤层结构复杂区域夹矸层数多达 20 层，平 均 10 层，夹矸总厚度 04.16m，总平均厚度 1.49m；夹矸层以碳质泥岩为主，也含有泥 岩、粗砂岩等。 对综放采场的研究主要包括如下内容工作面上覆岩层结构以及运移规律、采场顶 板结构形式及其平衡条件、支护系统的载荷以及支架-围岩关系、顶煤的冒放性[23]等。 在现有理论研究中，采场矿压理论大部分是建立在特厚煤层以下的条件下进行的，对于 特厚煤层综放开采条件下的采场矿压规律的全面深入研究并不多。 采场覆岩移动规律是工作面矿压显现的根源， 因此有必要研究掌握陈家沟煤矿特厚 煤层综放开采工作面覆岩破断及垮落特征，进而研究覆岩移动特征及其破坏高度，从本 质上认识到陈家沟煤矿特厚煤层综放开采矿压显现的压力源特性， 对于掌握该矿矿压显 现规律、顶板垮落特性具有重要意义，同时为工作面覆岩裂隙分布及瓦斯抽采提供了一 定的理论依据。 回采工作面围岩包括煤层顶底板、煤壁以及采空区的垮落矸石，因此，在工作面矿 压理论研究中，主要有覆岩层的物理力学性质、赋存特征以及支护系统载荷[4]。工作 面是在上覆岩层形成的保护结构下进行推进，因此，研究陈家沟煤矿特厚煤层综放开采 覆岩基本顶的结构形式及其稳定性显得十分重要。 工作面支架的受力状况及其对工作面 围岩的支护效果，主要由直接顶的厚度、力学性质及上覆顶板结构决定。因此，在研究 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 陈家沟煤矿特厚煤层综放开采覆岩基本顶的结构形式及其稳定性的同时， 有必要研究直 接顶的力学特性，进而分析支架的承载特性。 综放开采的主要问题在于顶煤是否能有效破碎和及时顺利放出， 而影响顶煤的冒放 性的重要原因之一就是顶煤中夹矸层的存在[5]，陈家沟煤矿八采区内煤层结构赋存总体 复杂，夹矸层以碳质泥岩为主，也含有泥岩、粗砂岩等，夹矸总厚度在 04.16m 之间。 因此，顶煤中夹矸层的存在，必然会导致工作面冒放部分的煤层冒放性变差，工作面在 回采过程中，必将受到顶煤夹矸层的影响，同时，随着八采区向北部方向开采，煤层的 复杂性将变大，夹矸层的存在对顶煤破碎、冒落影响将随之更大，因此，有必要研究分 析陈家沟煤矿含夹矸复杂煤层综放开采顶煤的冒放性， 为该矿煤炭资源的有效回收提供 有益的理论指导。 因此本文以陈家沟煤矿八采区第一个开采工作面 8512 为工程背景，通过现场调研 与实测、理论分析、数值模拟等方法研究覆岩破断特征及“两带”发育高度；直接顶以 及基本顶的力学结构及其受力状况；分析采场应力场、位移场、破坏场以及支架的受力 状况； 夹矸层对煤体超前支承压力的影响以及顶煤中夹矸层的破断特征及对顶煤冒放性 的影响。研究成果对于陈家沟煤矿工作面矿压管理，提高工作面顶煤高效回收以及矿井 的安全高效生产具有实际意义， 同时也为类似背景下的综放开采提供了理论依据与技术 经验。 1.2 国内外研究现状 1957 年前苏联开始试验放顶煤法， 随着KTY型掩护式放顶煤液压支架的成功研发， 放顶煤开采技术在前苏联取得了一定的应用；1963 年法国所研发的支撑掩护式支架， 并将其推广应用于布朗齐矿区；上世纪七十年代末，随着掩护式放顶煤支架 FB21-30S 的成功研制，以及波兰、印度等国的推广，综采放顶煤开采有了一定的发展[6-7]，但由 于并没有取得预期的效果，80 年代末期综采放顶煤技术逐渐衰落。 放顶煤开采技术直到 1982 年才开始引入我国[8-9]， 1984 年我国首个产化设备综放面 于沈阳矿务局投产，到了上世纪九十年代初潞安矿务局的王庄煤矿实现了 31 万吨月