东峡煤矿大倾角特厚煤层走向长壁分层综放技术研究.pdf

论文题目东峡煤矿大倾角特厚煤层走向长壁分层综放技术研究 工程领域矿业工程 硕 士 生孟晓军 签名 指导教师贠东风 （校内） 签名 王东方 （校外） 签名 摘 要 甘肃华能华亭煤业集团有限责任公司东峡煤矿 37220 工作面煤层厚、倾角大、易 燃、煤层结构复杂，若采用水平分段放顶煤法工作面有效长度短，生产能力小，单产 低，万吨掘进率高，煤炭回收率低，经济效益差。为使矿井达到高产高效，对工作面 综放技术进行了研究。 经过理论分析，结合物理相似模拟实验、矿压与顶煤运移观测及现场试验对东峡 煤矿 37220 大倾角特厚煤层工作面走向长壁分层综放技术进行研究。研究结果表明 上分层工作面平均周期来压步距大于下分层工作面，上分层来压的时序性为先下部、 次中部、后上部，下分层来压时序为先中部、次上部、后下部，且下分层支架工作阻 力普遍大于上分层。随着工作面的推进，上下分层工作面煤层在法线和倾斜方向上， 上部顶煤移动速率和移动量一般大于下部顶煤。自上而下放煤时，会出现双漏斗和放 煤量的波浪性变化，对倾斜下方煤岩层影响很小；自下而上放煤不会出现双漏斗，对 倾斜上方煤岩层影响范围很大。椭球体、放煤漏斗与岩层运移轨迹长轴线始终是一条 铅垂线。大倾角煤层放顶煤开采过程中移架、放煤、支架间顶煤漏冒等造成支架顶梁 不能接顶、甚至空顶，造成支架倾倒、下滑、尾部偏斜下摆。 通过研究，最终确定东峡煤矿 37220 大倾角特厚煤层上下分层工作面采用两采一 放（放煤步距 1.2m） 、自上而下多轮放煤的工艺。现场试验表明，下分层工作面顶煤回 采率高于上分层工作面，并取得了良好的经济效益。同时，为防止该工作面出现飞矸 伤人事故，根据工作面实际情况提出了相应防护措施，安全效果显著。 关 键 词大倾角；特厚煤层；走向长壁；分层 研究类型应用研究 万方数据 Subject The Research on Longwall Inclined Slicing of Top Coal Caving in Steeply Dipping and Extra－－thick Coal Seam of Dongxia Colliery Specialty Mining Engineering Name Meng Xiaojun Signature Instructor Yun Dongfeng Signature ABSTRACT The coal seam in the No.37220 fully mechanized coal caving face of Dongxia Colliery Huneng Huating Coal Group Co.,Ltd has the characteristics of large inclination, big thickness, inflammable and complex structure.It has been result in short effective length, low capacity, low yield, higher drivage ratio per 10,000 ton ,low stoping rate, serious resource waste and few profit by the horizontal section of the top coal caving.In order to achieve high yield and efficient,it has decided to adopt Longwall Inclined Slicing of Top Coal Caving in steeply dipping and extra－thick coal seam. This paper which has determined the reasonable sub-level caving mining scheme study longwall inclined slicing of top coal caving in the No.37220 fully mechanized coal caving face in steeply dipping extra-thick seam by theoretical analysis, similar simulation experiment, top-coal movement theory, strata control observation and field test.theresult shows that the average periodic weighting length of lower sliced face is longer than upper face,t downside is the first sequence,then midside,finally upside in time of periodic weighting in upper sliced face,the time sequence is midside,then upside,finally downside in lower sliced face and the working resistance of supports in lower sliced face is greater than that in upper face.The moving rate and motion quantity of upper top coal are more than lower top coal in normal and tilt direction with the advancing of upper and lower face.It will appear double funnel and wave fluctuation of coal caving quantity during caving from top to bottom,with little influence on top coal and overlying strata.No appearance of double funnel and greatinfluence on top coal and overlying strata during caving from bottom to top. Axis of ellipsoid,the funnel of coal caving and migration path of overlying strata is a plumb line. The reason of support instability such as tipping, sliding and tail twisting is empty roof over the support or suspending roof during advancing support, coal caving and gangue leakage during mining. Finally, two mining and one cavingdrawing interval is 1.2m,from top to bottom and 万方数据 several times coal caving is adopt in the No.37220 fully mechanized face in steeply dipping extra-thick seam. Mining rate of lower inclined sliced face is higher than upper face. Field test has achieved good economic benefits.And,We put forward safety precautions on the basis of the rolling and flying gangue accident. Key words steeply dipping seam; extra－thick seam; longwall; slicing Thesis Application Research 万方数据 目录 I 目 录 1 绪论 ......................................................................................................................................... 1 1.1 问题的提出 ....................................................................................................................... 1 1.2 研究目的及意义 ............................................................................................................... 1 1.3 国内外研究动态 ............................................................................................................... 2 1.3.1 大倾角煤层工作面开采国内外研究动态 ................................................................ 2 1.3.2 大倾角煤层长壁综放开采国内外研究动态 ............................................................ 3 1.4 论文研究内容 ................................................................................................................... 5 1.5 研究技术路线 ................................................................................................................... 5 2 东峡煤矿 37220大倾角综放工作面概况 ............................................................................. 7 2.1 工作面地质条件 ............................................................................................................... 7 2.2 工作面生产技术条件 ...................................................................................................... 8 2.2.1 工作面巷道布置 ........................................................................................................ 8 2.2.2 工作面回采工艺 ........................................................................................................ 9 2.3 本章小结 ......................................................................................................................... 10 3 物理相似模拟实验 ............................................................................................................... 12 3.1 走向实验 ......................................................................................................................... 13 3.1.1 实验模型铺装 .......................................................................................................... 13 3.1.2 沿走向覆岩垮落特征 .............................................................................................. 13 3.1.3 沿走向支承压力演化特征 ...................................................................................... 18 3.1.4 支架工作阻力 .......................................................................................................... 21 3.1.5 实验结论 .................................................................................................................. 21 3.2 倾向实验 ......................................................................................................................... 22 3.2.1 实验装置 .................................................................................................................. 22 3.2.2 实验模型铺装 .......................................................................................................... 23 3.2.3 沿倾向覆岩垮落特征 .............................................................................................. 23 3.2.4 沿倾向支架工作阻力 .............................................................................................. 27 3.2.5 沿倾向覆岩位移 ...................................................................................................... 29 3.2.6 实验结论 .................................................................................................................. 30 3.3 本章小结 ......................................................................................................................... 30 万方数据 目录 II 4 顶煤运移规律研究 ............................................................................................................... 31 4.1 顶煤放出实验 ................................................................................................................. 31 4.1.1 实验模型铺装 .......................................................................................................... 31 4.1.2 散体顶煤放出特征 .................................................................................................. 32 4.1.3 实验结论 .................................................................................................................. 38 4.2 顶煤运移观测研究 ......................................................................................................... 38 4.2.1 上、下分层观测站及测点布置 .............................................................................. 38 4.2.2 深基点布置参数 ...................................................................................................... 40 4.2.3 深基点移动过程及运动规律 .................................................................................. 42 4.2.4 顶煤运移观测结果 .................................................................................................. 45 4.3 本章小结 ......................................................................................................................... 45 5 放顶煤开采对支护系统稳定性影响 ................................................................................... 46 5.1 支架稳定性分析 ............................................................................................................. 46 5.1.1 支架倾倒分析 .......................................................................................................... 46 5.1.2 支架下滑分析 .......................................................................................................... 48 5.1.3 支架尾部偏斜分析 .................................................................................................. 48 5.2 圆弧段对放顶煤影响 ..................................................................................................... 50 5.3 支架稳定性控制措施 ..................................................................................................... 50 5.4 本章小结 ......................................................................................................................... 51 6 工程实例 ............................................................................................................................... 52 6.1 工作面矿压观测 ............................................................................................................. 52 6.1.1 上、下分层测区布置 .............................................................................................. 52 6.1.2 矿压观测主要结果 .................................................................................................. 52 6.2 工作面安全防护 ............................................................................................................. 56 6.3 综放试验 ......................................................................................................................... 58 6.4 技术经济效益 ................................................................................................................. 59 6.5 本章小结 ......................................................................................................................... 61 7 结论 ....................................................................................................................................... 62 致 谢 ...................................................................................................................................... 63 参考文献 .................................................................................................................................. 64 附 录 ...................................................................................................................................... 68 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 问题的提出 目前，我国煤炭产业受到产能过剩、库存高企、市场需求不足、进口煤低价冲击 等影响，导致煤炭市场低迷，但煤炭作为我国经济可持续发展的重要能源，未来很长 一段时间内仍然占主体地位。受煤层埋藏条件的限制，随着条件优越的可采煤炭储量 下降，复杂难采煤层的集约型开采尤为重要。大倾角煤层的储量约占我国煤炭总量接 近 1/5，尤其是西部地区大倾角煤层储量更大[1] ，而大倾角煤层中厚煤层比例较大。乌 鲁木齐矿区、宁夏的石炭井矿区、甘肃的窑街矿区和靖远矿区以及开始开发的淮南硫 磺沟矿区多是 45 以上厚煤层。80 年代开始，厚煤层开采主要以综放开采为主，且大 倾角特厚煤层放顶煤技术常采用水平分段放顶煤与走向长壁综放开采两种采煤技术。 经过二十多年的发展，虽然在采煤工艺、设备以及管理方法上都得到了一定的发展， 但由于大倾角煤层开采难度大、技术不成熟，导致此类资源开采进程缓慢、浪费严 重，因此，如何实现大倾角煤层综放工作面高产、高效、安全生产，是目前亟待攻克 的技术难题，对西部地区乃至全国煤炭工业的发展，特别是对于煤层条件极端复杂的 矿区具有重要意义。 华亭煤业集团东峡煤矿 37220 位于华亭矿区南井田向斜轴的西翼，37220 工作面煤 层倾角大、厚度大、硬度大、易燃、煤层结构复杂，整层开采综放技术顶煤不易冒 落、回收率低，因此采用分层开采方法。但水平分段放顶煤采煤法具有单产低、万吨 掘进率高等缺点，难以实现大倾角厚煤层的高产高效，结合东峡煤矿在大倾角煤层开 采中的经验，为解决东峡煤矿西翼扩大区约 1800 万吨同类型赋存条件煤层的开采问 题，使矿井持续保持高产高效，采用大倾角特厚煤层走向长壁分层综放技术，但在这 样的复杂条件下，确定合理的综放开采方案，保持矿井安全高效生产技术难度大，要 求高。 1.2 研究目的及意义 论文研究的目的是研究东峡煤矿大倾角特厚煤层走向长壁分层综放技术，研究开 采过程中矿压显现规律、顶煤运移特征以及放顶煤对支护系统稳定性影响等问题，从 而确定合理的综放开采方案，保证工作面能够正常推进和稳定生产。 对倾角较大特厚煤层工作面，走向长壁分层综放技术具有以下优势 （1）支架符合东峡煤矿工作面生产需要，工作面下部圆弧段布置方式，降低了支 架倾倒或下滑的程度，消除了坠落物的的威胁； （2）工作面机械化程度更高，在很大程度上改善了工作环境，降低了工作强度； 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 2 （3）和水平分段采煤法相比，长壁综放开采生产集中，产量和工效均得到提高。 近些年国内外推广应用表明，走向长壁综放技术是厚煤层、特厚煤层工作面最有 效的开采方法，加大了工作面机械化程度，大幅度提高了工作面产量，实现了矿井安 全高产高效生产，带来了较大的经济与社会效益。 1.3 国内外研究动态 1.3.1 大倾角煤层工作面开采国内外研究动态 上世纪 80年代开始，平寿康教授[2-4]作为大倾角煤层开采研究的先驱，利用数值模 拟方法与现场实测完成了大量科研项目，比较系统的研究了不同倾角和不同开采方法 条件下矿压显现特征及其力学行为，并提出了相应的围岩灾害防治技术。 吴绍倩、石平五教授经过试验与现场试验对急倾斜矿压规律和机理进行了比较系 统的研究。在对急倾斜煤层矿压理论的探索中提出了倾斜薄板断裂和空间岩块平衡假 说与弹性基础墙假说[5]。石平五教授分析了大倾角煤层在不同采煤方法条件下底板破坏 滑移机理，很大程度上改善了当时大倾角开采安全状况，降低了含矸率[6]，通过大倾角 水平分段放顶煤采煤法在回采过程中围岩运移破坏分析，得出该采煤法对地表破坏轻 微[7]。 中国矿业大学乔福详教授[8] 根据大倾角煤层工作面不同位置支架工作阻力的大 小，提出“马鞍形”支架工作阻力分布特征。由于大倾角的作用，采空区冒落矸石沿 倾斜方向滚落，使得工作面上部采空区悬顶面积大于下部，这样上部马鞍高度大于下 部。 西安科技大学贠东风[9]教授在大倾角煤层工作面条件下，根据现场实际经验提出了 伪仰斜定理，从本质上分析了调伪仰斜使溜子上移的原因，解决了绿水洞煤矿溜子上 移问题，并得到了很好的推广应用。 伍永平教授[1013]根据大倾角煤层地质条件、支护系统受力分析以及围岩运动规 律，在多年的大倾角开采实践基础上，提出了“R-S-F”动力学基础理论，较为系统地 分析了大倾角煤层工作面支架-围岩失稳过程以及覆岩移动规律等，为大倾角煤层工作 面安全高效开采奠定了较为坚实的基础，并且并成功应用于各大矿区。 前苏联在上世纪 30 年代就开始通过相似模拟实验与现场观测研究大倾角煤层工作 面开采技术，撰写了关于大倾角煤层综采装备、开采技术等一些专业书籍 [1417]。80 年 代以后，乌克兰、德国、印度、西班牙、俄罗斯等相继对大倾角或急倾斜煤层工作面 机器设备上进行了大量研究与应用。俄罗斯的库拉科夫对大倾角工作面矿压规律进行 了科学和全面的理论研究[18]。捷克的鲍迪[19]和印度的 Singh[20]对大倾角煤层工作面进 行了围岩应力分析，对大倾角煤层开采技术的安全和可行性进行了研究。 万方数据 1 绪论 3 1.3.2 大倾角煤层长壁综放开采国内外研究动态 我国放顶煤开采技术开始与上世纪五十年代，最初是学习国外技术，在开滦等矿 区应用非机械化放顶煤技术，此时放顶煤采煤法还处于最初探索阶段。直到 80 年代初 期，综合机械化放顶煤采煤法引进我国各大矿区，对近水平、大倾角、急倾斜厚及特 厚煤层工作面进行试验并取得成功，如窑街矿务局[21]、辽源矿务局[22]等，大大提高 了厚煤层工作面年产量与煤炭回采率，很大程度上减少了煤矿工人的劳动强度。 综放开采技术在 90 年代逐步走向成熟，中位及高位开窗放顶煤液压支架在阳泉、 潞安等矿区得到了应用，实现了产量的重大突破。综放开采虽然具有回收率低、遗煤 易自燃等缺陷，但由于其高产、高效、成本低、地质条件适应性强等优势，在我国得 到了快速的推广与应用[2327]。 西安科技大学程文东教授采用数值模拟研究与现场试验相结合对靖远煤业王家山 煤矿大倾角厚煤层进行了综放工艺优化[28]及顶煤破碎与运动特征[29]研究，提高煤炭的 采出率并保持综放工作面倾向支护系统的稳定性， ，得出不同放煤顺序和放煤步距对工 作面支架、顶板稳定性和放煤工效的影响以及顶煤在不同方向上的位移特征。 甘肃华能华亭煤业集团公司东峡煤矿与西安科技大学、煤科总院北京分院合作， 首先对该矿大倾角特厚易燃煤层群成功进行了“小放高”综放开采试验 [30]，在“小放 高”综放开采的基础上，经过实践与探索实现了“大放高”综放开采技术[31]，工人的 劳动强度明显降低，实现了东峡煤矿安全、高产、高效生产，切实提高了矿井的产量 和经济效益。 中国矿业大学（北京）孟宪锐教授[32]通过物理相似模拟实验和采用不同放煤步距 现场试验得出开滦矿区 3237 大倾角煤层综放工作面相对应的含矸率与回采率，得出了 最佳的放煤方式。 煤炭科学研究总院黄志增[33]通过 FLAC 与 PFC 数值模拟方法优化了内蒙古平庄能 源古山三井西-西 065-2 大倾角煤层综放工作面的放煤步距，得出在工作面上端采取自 上而下的放煤顺序，剩下的采用自下而上放煤，大大提高了支架的稳定性和顶煤的放 出率。提出了工作面防倒、防滑与防治片帮冒顶技术，实现了该工作面安全高效开 采。 西安科技大学伍永平教授根据新疆某大倾角煤层工作面顶板坚硬，放顶煤后不易 垮落问题，提出了坚硬顶板超前预爆破顶板弱化技术。分析并总结了综放工作面矿压 显现规律，坚硬顶板造成的冲击矿压得到了有效的解决。通过固体非平衡断裂统计理 论对大倾角煤层工作面综放开采裂隙非稳态演化规律进行了深入分析，对围岩控制与 关键层支护提供了一定的理论基础[34,35]。 中国矿业大学赵洪亮教授[36]对五阳煤矿 5102 工作面数值模拟计算分析，研究了顶 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 4 板和顶煤的运动特征以及底板位移、应力，表明对于煤层倾角较大的松软煤层工作 面，俯斜推进时能够提高支架-围岩系统稳定性，并且采空区需要较长时间才能稳定。 北京科技大学王树仁[37]应用 PFC2D计算方法分析甘肃靖远某矿大倾角综放工作面 散体顶煤和破碎直接顶的放出过程及形态，比较了不同放煤模式顶煤回收率，得出该 矿采用中挡放煤步距的放煤模式，可以减少一移架次数，提高工效和经济效益。 中国矿业大学杨仁树教授[38]、西安科技大学贠东风教授[39]等研究学者对大倾角煤 层综放工作面中支架进行了较为系统的受力分析，并建立相应的力学模型，得出大倾 角煤层综放工作面