罐子沟煤矿综放工作面顶煤弱化技术及应用.pdf

论文题目罐子沟煤矿综放工作面顶煤弱化技术及应用 工程领域安全技术及工程 硕 士 生李雷东 签名 指导教师李树刚 签名 摘 要 本文根据矿井初步设计及国家有关放顶煤开采的相关法律法规， 结合矿区围岩结构 及物理力学特性，应用理论及数值模拟分析手段，研究综放工作面坚硬顶煤解决技术对 策、具体方案、工艺，并结合罐子沟煤矿 6102 综放工作面煤层底板等高线预测平、剖 面图、矿井水文地质图等相关资料，设计了 6102 综放工作面坚硬难放顶煤的弱化预裂 方案。形成既能快速推进回采面，又能使坚硬难放顶煤及时垮落的高效、安全的采煤系 统，创建协调、高效、安全的生产作业环境。 主要研究内容及成果如下 （1）针对罐子沟煤矿坚硬厚煤层物理力学特性及放顶煤存在的问题，提出了顶煤 弱化措施与工艺参数研究的主要内容、技术路线等。 （2）对静态破碎、爆破预裂及高压注水预裂三种不同的方法分别进行详细的论述 与分析，各种预裂方法都有其一定的局限性，结合煤矿实际，认为预裂爆破技术是解决 罐子沟煤矿坚硬顶煤预裂比较满意的方式。 （3）针对在实际生产中可能产生的不利影响，提出了顶煤弱化对策，进行了顶煤 弱化工艺设计。完成了 6102 工作面爆破巷布置、顶煤弱化方案。选择了相应的施工机 具， 钻孔施工工艺流程、 弱化孔装药爆破工艺、 封孔及雷管连接工艺等进行了详细说明。 （4）在现场进行了工业性试验，试验期间，工作面回采率提高 9.1 个百分点，工 作面平均月产达到 77493.7t，最高日产 4298t，直接工效 39.6t/工，试验取得了良好的 安全、技术和经济效益。 关 键 词综放工作面，坚硬煤层，顶煤弱化，预裂爆破 研究类型应用研究 Subject Research on Top Coal Weaking Technology of Full Mechanised Working Face of GUANZIGOU mine Specialty Safety Technology and Engineering Name Li Leidong （（Signature）） InstructorLi Shugang （（Signature）） ABSTRACT In this paper, the technical countermeasure, specific scheme and process of dealing with hard coal roof were studied by the s of theory and numerical analysis based on the mine’s initial design, correlating rule of state’s top coal emitting, combining coal field’s surrounding rock structure and physical-mechanical properties. The weakening and pre-fractured scheme have been made in according to the coal floor contour line, water and geology data of Guan Zigou mine’s 6102 working face. The high productivity and safety coal mining working face that not only advanced quickly but also the top coal emitted in time were realized, and the harmony, effective and safe operation environment were build up. After the application of pre-fractured and weakening, the anticipating effects of high extraction ratio, controlling of gob air leakage and spontaneous combustion have obtained. The main contents and result are following （1）The main content and technical route of top coal weakening countermeasure and arts are provided according to the physical and mechanical properties of hard thick coal seam and the being problems in the course of caving coal. （2） The three ways differences of static breaking, blasting pre-splitting and high pressure water injection have been particularly discussed and analysed, the result of analysis was that every way has limitation. By combining the pre-splitting technologies to the mine’s actual geological conditions can draw the conclusion that the static pressure softening and blasting pre-splitting mutual promotion would gain the more satisfactory effect. （3）Based on the disadvantage in the real production, hard top coal weakening countermeasures were put forward, the weakening arts designing, 6102 working face’s blasting roadway layout, the weakening scheme of hard top have been finished. The relevant construction machines were selected. And drilling hole technological process, charging and blasting arts of weakening hole, hole sealing and detonator connection process have been definitely explained. （4） The industrial test have been carried out between May twenty 2009 to August twenty 2009, in the course of trial, the recovery ratio improved 9.1 , average monthly output achieved 77493.7 tons, maximum daily yield 4298 tons and direct work efficiency 39.6 tons per man-day. The trial gained well safety, technical and economic benefits. Key wordsfull mechanized working face, hard seam, intenerating technique of top coal , presplitting blasting Thesis Application Study 目录 I 目 录 1 绪论绪论........................................................................................................................................1 1.1 研究背景 ..........................................................................................................................1 1.2 国内外研究与应用现状 ..................................................................................................2 1.2.1 国内外综采放顶煤技术研究现状............................................................................2 1.2.2 坚硬煤层顶煤弱化技术应用及研究现状................................................................3 1.3 研究内容 ..........................................................................................................................5 1.4 研究方案及技术路线 ......................................................................................................5 1.4.1 研究方案....................................................................................................................5 1.4.2 技术路线....................................................................................................................5 2 罐子沟煤矿罐子沟煤矿 6102 工作面概况工作面概况..............................................................................................7 2.1 工作面概况 ......................................................................................................................7 2.2 煤层及其顶底板 ..............................................................................................................7 2.2.1 煤层情况....................................................................................................................7 2.2.2 煤层顶、底板情况....................................................................................................7 2.3 水文、地质 ......................................................................................................................8 2.3.1 地质构造情况............................................................................................................8 2.3.2 水文地质情况............................................................................................................8 2.4 瓦斯、煤尘 ....................................................................................................................10 2.5 采煤方法及回采工艺 ....................................................................................................10 2.5.1 采煤方法..................................................................................................................10 2.5.2 工作面布置及参数..................................................................................................10 2.5.3 巷道断面及支护形式设计......................................................................................10 2.5.4 回采工作面顶板管理..............................................................................................11 2.5.5 回采工艺..................................................................................................................11 2.6 本章小结 ........................................................................................................................12 3 各种破碎技术的破岩机理..................................................................................................14 目录 II 3.1 静态破碎剂破岩力学研究静态破碎剂破岩力学研究............................................................................................14 3.1.1 有界单孔破碎研究..................................................................................................14 3.1.2 多孔破碎研究..........................................................................................................16 3.1.3 单孔多自由面破碎研究..........................................................................................18 3.1.4 裂缝孔破坏力学分析..............................................................................................19 3.1.5 静态破碎剂破岩机理..............................................................................................23 3.2 炸药爆破破岩机理 ........................................................................................................24 3.2.1 岩石爆破机理的几种假说.....................................................................................24 3.2.2 单个药包的爆破作用.............................................................................................25 3.3 高压注水破岩机理 ........................................................................................................29 3.3.1 破岩机理..................................................................................................................29 3.3.2 高压注水破岩方案设计..........................................................................................30 3.4 本章小结 ........................................................................................................................31 4 数值分析研究数值分析研究......................................................................................................................32 4.1 模型建立 ........................................................................................................................32 4.2 不同爆破参数时围岩破坏情况 ....................................................................................32 5 工作面顶煤预先弱化方案设计及效果分析工作面顶煤预先弱化方案设计及效果分析......................................................................38 5.1 方案设计 ........................................................................................................................38 5.1.1 工作面爆破巷布置..................................................................................................38 5.1.2 顶煤弱化方案..........................................................................................................38 5.2 施工工艺及设备配备 ....................................................................................................39 5.2.1 施工机具的选择......................................................................................................39 5.2.2 施工工艺流程及工艺流程说明..............................................................................39 5.2.3 劳动组织及主要经济技术指标..............................................................................41 5.2.4 安全生产系统..........................................................................................................43 5.3 现场实施效果分析 ........................................................................................................50 5.4 本章小结 ........................................................................................................................50 6 研究结论及展望研究结论及展望..................................................................................................................51 6.1 主要结论及成果 ............................................................................................................51 目录 III 6.2 存在的问题及展望 ........................................................................................................51 致 谢........................................................................................................................................52 参考文献..................................................................................................................................53 附录..........................................................................................................................................60 1 绪论 1 1 绪论 1.1 研究背景 煤炭是我国的主要能源和化工原料，作为不可再生能源，目前及今后相当长时间内 在能源结构中居于重要地位。2009 年我国煤炭产量突破 30 亿吨，其中厚煤层开采产量 约占 50。随着国民经济发展和经济结构的逐步调整，我国华东、华南地区的煤炭资源 储量逐年减少，煤层覆存条件逐步恶化，在行业中的竞争力逐渐减弱，总体处于保产和 自用状态。而随着西部大开发战略的继续深入，我国的新疆、内蒙古、陕西、宁夏、山 西等西部主要产煤地区将是今后几十年煤炭生产和消费的主要增长区。 这些地区的煤层 60以上属于厚煤层，大采高一次采全高和综采放顶煤开采技术将是本区域的主要开采 手段。综采放顶煤开采是一种机械开采和顶煤自由冒落相结合的开采方法，特别适用于 厚及特厚煤层开采，与以往分层等其他方法相比，具有系统简单、生产规模大、工作面 效率高等技术优势 [1-2]。 因此自 1988 年沈阳蒲河矿首次进行综放开采的工业性实验以来， 迅速在东北、华北以及西北等厚煤层矿区的适宜件下得到大面积的推广 [3-6]。 目前，厚煤层的综放开采，不仅在缓倾斜和急倾斜厚煤层得应用，而且已经由原来 的软煤层和中硬煤层推广应用到硬煤层 [7-8]。 但对于坚硬厚煤层的综放开采， 往往由于其 冒放性差导致采出率低、顶板难以管理、自燃发火等问题，严重影响矿井的安全高效开 采 [9-11]。因此，对于坚硬厚煤层开采工作面顶煤破碎及弱化工艺的研究，不仅对特厚一 厚煤层安全高效开采有直接意义， 而且对完善特厚一厚坚硬煤层综放开采技术具有重要 的理论意义。 罐子沟煤矿 6煤层位于太原组上部，是矿井主要可采煤层，埋深 100～190m 之间， 煤层直接顶为碳质泥岩，厚度 2～3m，隔水性较强，直接顶以上为中、粗、含砾砂岩， 平均厚度 61m。 工作面范围内煤层开采厚度 11.5m,夹矸 1～11 层， 平均 8 层， 结构复杂， 夹矸岩性大多为粘土岩、泥岩、炭质泥岩。由于煤的硬度系数大,不利于顶煤的预破坏， 在生产实践过程中，时常出现顶煤放出率不高或不易放出现象，工作面回采率达不到开 采设计规范的有关规定，造成采空区滞后丢煤严重，顶煤不能及时垮落冒实，采空区漏 风增加，极易引发采空区残留煤炭的自燃和发火的危险，直接威胁煤矿的安全开采。 因此， 需要有针对性地对罐子沟煤矿进行长壁坚硬厚煤层顶煤弱化措施与工艺参数 的研究，来提高顶煤回收率，同时，降低煤炭自燃、采空区顶煤大面积垮落为安全生带 来产的威胁。对长壁坚硬特厚煤层放顶煤工作面顶煤弱化技术研究，将为解决整个矿区 的厚煤层开采，以及研究适应较大范围的长壁坚硬特厚煤层开采工艺方面，均具有很大 的理论意义和推广价值。 西安科技大学工程硕士学位论文 2 1.2 国内外研究与应用现状 1.2.1 国内外综采放顶煤技术研究现状 （1）综放技术应用状况 放顶煤开采方法的应用可以追溯到 100 多年前，当时，法国、西班牙、南斯拉夫等 国将放顶煤开采方法应用于复杂地质条件下，而其他开采方法难以取得安全、正常生产 的效果。随着科技进步、生产装备的改进，这种特殊的放顶煤开采法的机械化程度取得 了显著进步，直到将综合机械化开采设备装备到放顶煤工作面后，这种特殊的放顶煤开 采法进入了新的综合放顶煤采煤发阶段。20 世纪 50 年代到 80 年代之间，KTY 型掩护式 放顶煤液压支架、 “香蕉”支撑掩护式放顶煤液压支架、VHP730 型系列液压支架分别在 前苏联、法国、匈牙利研制成功并得到普遍推广，此后，波兰、南斯拉夫、印度等国都 使用过综放技术，但效果不够理想，加上国际能源结构变化等原因，80 年代后国外综放 技术开始萎缩，90 年代只有极少数矿井使用 [12-18]。 我国综采放顶煤开采技术的试验、推广开始于 20 世纪 80 年代，分别在沈阳矿务局 蒲河矿、平顶山矿务局一矿、阳泉矿务局、潞安矿务局进行了设备的研制、引进、试验， 在失败中不断改进、提高，取得了最高月产超过 5 万吨、平均功效超过 2.5 吨、工作面 回采率达到 80的初步成功。综采放顶煤的煤炭产量及工作面回收率得到了明显提高 [19-22]。与此同时，为了实现综放工作面的高产、高效，长壁综放工作面煤体弱化的爆破 技术和注水软化技术开始试验并取得初步成功 [23-25]。此后，与西安科技大学的相关专家 在顶煤活动规律的基础上，对新疆煤田急倾斜厚煤层开展了分段放顶煤试验，取得了前 所未有的成果 [26-29] （2）放顶煤综放开采矿压显现规律研究现状 综采放顶煤开采参数确定计算的主要依据是特定煤层条件下的顶煤破碎及其规律， 只有充分掌握了工作面液压支架上方到煤壁前方一定距离范围内的顶煤变形、破坏规 律，才能合理确定采放比、放煤步距、放煤口位置等参数，才能实现安全、高产、高效。 从工作面前方移动支承压力影响区开始到支架上方，顶煤将经历裂隙逐步发育、扩 展、松动到破碎冒落的过程，张顶立等将其变形破坏分为四个区第一区变形区，位 于峰值点向煤体一侧，呈压缩状态，压缩量较小，无明显裂隙产生，似弹性变形特征； 第二区压裂区，位于峰值点至煤壁处，呈水平张裂状态，水平位移大于垂直位移，由 下而上垂直位移增大；第三区松动区，位于支架控顶区上方，由于支架的反复卸载前 移，顶煤逐渐破碎松动，垂直位移大于水平位移，由下而上垂直位移减小，顶煤中上部 水平位移最大；第四区冒放区，位于支架顶梁尾部和放煤口的上方，顶煤在此冒落， 下位顶煤冒块小，上位顶煤冒块大。 1 绪论 3 近年来，在顶煤的破碎中引入损伤力学理论，对综放开采顶煤的损伤破坏进行了分 析， 认为顶煤的运移过程经历了非破坏和破坏两个过程非破坏过程是顶煤体裂隙扩展、 演化和力学性质逐渐劣化的过程，累计到一定阶段就进入破坏状态，煤体成为松散冒落 体。放顶煤开采顶煤变形运动规律观测证实顶煤体变形破碎发生于工作面前方支承压 力峰值位置。 根据文献等大量研究结果 [30-39]，一般条件下的综放工作面矿压显现具有下述典型特 点 ① 综放工作面支架载荷普遍较小。同一煤层综放开采与分采开采顶分层相比，工 作面的支架载荷减少 5-68，来压强度减少 15-20。 ② 综放工作面支架所受动载荷普遍不强烈，动载系数较顶分层工作面低，周期来 压对支架的影响明显缓和，表明基本顶的活动对支架作用明显减弱。 ③ 四柱式综放支架前柱的平均工作阻力一般大于后柱的平均工作阻力。 ④ 综放开采老顶平衡结构将向高位转移。综放开采由于一次开采厚度大，顶板活 动空间大，上位岩层在工作面前方煤体、支架与采空区碎胀岩石支撑作用下形成平衡结 构。 1.2.2 坚硬煤层顶煤弱化技术应用及研究现状 1990 年乌鲁木齐矿务局六道湾煤矿在 30 米短壁工作面，煤层硬度 2.8 等条件下， 选用高爆巷爆破松动工艺，取得了放顶煤工作面回收率 60。 1991 年苇湖梁煤矿采用爆破松动工艺进行 10 米分段厚煤层短壁30-45 米工作面 试验，煤层硬度 2.5，取得了工作面回收率 63。 1998 窑街矿务局三矿， 采用不同爆破方案， 对分层厚度 10 米， 工作面长度 30-42.5 米，煤层硬度 2.5-3 的条件下，取得工作面回收率 73。而其中爆破投入成本占到原煤 生产成本的 7。 1990 年，晋城矿务局、大同矿务局运用顶煤预爆破技术，将坚硬煤层综放开采顶煤 放出率提高到 65左右。靖远矿务局采用超前深孔爆破软化手段，达到工作面回收率达 到 73。 1997-2002 年铜川矿务局分别在下石节煤矿、陈家山煤矿、玉华煤矿等三套低位支 架放顶煤工作面分别进行了长期的水力致裂软化试验研究， 取得工作面原煤生产能力增 长 20以上的成功记录。 2001 年又对顶煤水力致裂软化条件下放顶煤支架选型设计与矿压作用规律进行了 大范围研究。 2002 年完成了水力致裂原位实验系统的理论与技术体系研究。 经过多年的探索研究及现场试验，我国对坚硬顶煤的放顶煤开采进行了重点研究， 西安科技大学工程硕士学位论文 4 取得了硬煤综放技术的突破，与此同时，在对坚硬顶煤预裂、弱化技术研究的基础上， 提高了坚硬厚煤层条件下的综放开采顶煤放出率。 坚硬顶煤弱化技术的基本原理是以在外力作用下，使煤体产生再生裂隙 、破坏顶 煤的完整性为前提，根据开采工艺、技术特征，结合直接顶、老顶的厚度、物理力学特 性，设计顶煤弱化处理方案。具有代表性的处理技术有 ① 超前预裂爆破。岩石爆破机理认为，造成岩体破坏的原因是冲击波和爆生气体 膨胀压力共同作用的结果 [40-59]。两种作用形式在爆破的不同阶段和针对不同的岩石所引 起的作用不同，爆炸冲击波应力波的作用在于使岩石中产生裂纹，将原始损伤裂纹进 一步扩展，爆生气体的作用是楔入这些裂纹，使其贯通形成块度。当炸药在煤体中爆炸 时，以爆炸点为中心，煤体顺次向外不同程度损坏。超前深孔预爆破处理坚硬顶煤的原 理就是超前工作面一定距离,在工作面上、 下巷道打深孔,采用高威力炸药爆破,预先在 不受采动影响的原岩内；形成人工破碎区和裂隙区,同时削弱煤体内弱面的层间结合强 度。 随着采面的推进,在采面应力场的作用下,深孔爆破产生的人工裂隙和结合力减弱的 原生裂隙在一定区域内相互连通,并向煤体的深处和广处扩展,当人工裂隙及结合力减 弱的原生裂隙在采动影响下扩大及扩展后,大大降低了煤体的强度,使难冒顶煤转化为 可冒顶煤,从而减少丢煤、减弱了顶板的来压、减轻了工作面的支护阻力，提高工作面 煤碳回收率。 ② 超前注水预裂顶板。超前注水预裂顶板的原理是采用水力致裂技术和静动压注 水，煤层注水，主要表现在两个方面 [60-70]，煤层湿润软化和水楔劈裂的作用。超前工作 面一定距离