官板乌素煤矿609工作面开采工艺研究.pdf

分类号分类号 TD824 密密 级级___ _公开公开___ ＵＤＣＵＤＣ______ ___ 单位代单位代码码_____________ 硕士学位论文硕士学位论文 论文题目论文题目官板乌素煤矿 609 工作面开采工艺研究 英文题目英文题目Study on Mining Technology of 609 Face in Guanbanwusu Coal Mine 学位类学位类别别 工程硕士 研 究 生 姓研 究 生 姓 名名 乌力吉门都 学号学号201303227 学科学科领域领域名称名称 矿业工程 指导教指导教师师 宋宇辰 职称职称 教授 协助指导教协助指导教师师 职称职称 二〇一七年六月三日 1 0 1 2 7 万方数据 2 独独 创创 性性 说说 明明 本人郑重声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为 获得内蒙古科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确 的说明并表示了谢意。 签名 日期 关于学位论文使用授权的说明关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解内蒙古科技大学有关保留、使用学位论文（纸质版 和电子版）的规定，即本人唯一指定研究生院有权保留送交学位论 文在学校相关部门存档，允许论文在校内被查阅和借阅，可以采用影 印、缩印或其他复制手段保存论文。在论文作者同意的情况下，研究 生院可以转授权第三方使用查阅该论文。 （保密的论文在解密后应遵循此规定）（保密的论文在解密后应遵循此规定） 签名 导师签名 日期 万方数据 内蒙古科技大学硕士（博士）学位论文 I 摘摘 要要 选用最佳采煤方式，煤矿在注重生产经营效益和生产水平方面具有重要意义。 目前国内对厚煤层的采煤方式主要包含放顶煤、分层开采、大采高采煤等方法。 放顶煤已有近 20 年的使用历史，不管是工艺还是理论都非常成熟，而大采高是近 12 年才涌现起来的。官板乌素煤矿主要可采煤层为的 6 号煤，构造情况及水文地 质情况相对简单。矿井内部瓦斯含量较高，煤的自燃倾向性为易燃 II 类。我国对 超过 6m 的煤层开采，年产可实现 1000 万吨，也有实现产能 600 万吨的放顶煤实 例。从厚煤层开采的技术角度思量，各阶段划分为分层开采、放顶煤、大采高 3 个部分。根据煤矿开采业发展方向来分析，官板乌素煤矿 6 号煤可采用大采高或 放顶煤的采煤方法，但是最终选择哪中方法，还要考虑并分析矿体工程地质条件 和开采技术能力等因素，根据官板乌素煤矿 6 号煤及其围岩的工程力学情况，本 文依据理论研究、工作面勘察、软件模拟及技术类比等方式，综合的分析研究了 该矿 609 工作面放顶煤法优点、不足的和大采高优势及可行性。具体研究结论如 下 （1）6 号煤层顶板岩性为砂纸泥岩、煤层、泥岩互层结构，采用大采高综采， 顶板易发生碎裂，难以形成铰接结构，加上煤壁片帮所带来的端面漏冒顶，而形 成重大安全隐患。因此，6 号煤顶板存在稳定性差，不符合大采高综采要求。 （2）采用 RFPA2D 模拟软件对煤壁片帮进行模拟，结果表明，在采高为 6.0m 的条件下，煤壁稳定性差，片帮深度受支架承受的工作阻力影响小，极易发生冒 顶及片帮，不适宜大采高综采的使用。因此，6 号煤的不稳定煤壁不符合大采高综 采要求。 （3）6 号煤层顶板冒落性属中等冒落至易冒落，经过计算，得出 6 号煤冒放 性的评价系数为 0.95，冒放性较好，宜于采用放顶煤综采法。因此，6 号煤层符合 放顶煤综采法的使用要求。 （4）研究表明官乌素矿 6 号煤层最佳采煤法为放顶煤采煤法，该方法下能有 效保证资源回收率，实现高产高效。 关键词关键词大采高；放顶煤；顶煤冒放性；煤壁片帮 万方数据 内蒙古科技大学硕士（博士）学位论文 II Abstract Selection of suitable mining s to improve the level of mine production and econ-omic benefits of decisive significance. Our thick seam mining s are layered mining, coal caving mining and large mining height. Caving Coal has been developed over 20 years, the theory of a more mature technology and high cutting more rapid development in the last 10 years. Mu official board main mining coal mine No. 6 coal seam, geological st-ructure is simple, simple hydrogeological conditions. It is a high-gas coal mine, Coal Com-bustion Tendency grade II class. For 6m above the coal seam, the country that is the use of large mining height million tons of annual output of instances, there are using coal caving a-nnual output of 500 tons or more instances. From the thick seam mining technology perspe-ctive, its development experienced by the slice mining, coal caving and high cutting three st-ages. Mu official board of the 6th coal mine coal is proposed using top coal caving mining or large mining height legitimate issues. According to the coal mining industry development trend analysis, in Guanwusu coal mine No. 6 coal mining mining or caving ,But the choice of the specific mining s for the relative, which restricted coal seam conditions and technical conditions, the need for concrete analysis. Geomechanical conditions for official board Mu Mine No. 6 coal, the paper theoretical analysis, field observations, numerical simulation, experimental research and engineering analogy and other means, systems analysis and com-parison of the 6 609 Coal Face with Caving and use large advantages and disadvantages and feasibility of mining height 1 No. 6 coal seam roof rock is mudstone, coal seam, sand mudstone structure, the roof of fully mechanized mining, prone to fragmentation, it is difficult to a hinge structure, and the coal wall surface caused by the leakage of roof, and the ation of significant security risks. Therefore, the roof stability of No. 6 coal seam is poor and does not meet the requirements of fully mechanized mining with large mining height. 万方数据 内蒙古科技大学硕士（博士）学位论文 III 2 The RFPA2D of coal wall was simulated, the simulation software. The results show that the mining height is 6.0m, the stability of the coal wall spalling depth difference, affected by the working resistance of support under the small, prone to spalling and roof fall, the inappropriate use of fully mechanized mining. Therefore, the unstable coal wall of No. 6 coal does not meet the requirements of fully mechanized mining with large mining height. 3 The caving characteristics of No. 6 coal seam are medium and fall to easy to fall. After calculation, it can be concluded that the uation coefficient of No. 6 coal caving and caving is 0.95, and caving and caving well, so it is suitable to use top coal caving mining . Therefore, No. 6 coal seam meets the application requirements of top coal caving mining . 4 The research shows that the best coal mining of No. 6 coal seam in the official coal mine is the top coal mining , which can effectively ensure the recovery rate of resources and achieve high yield and high efficiency. Key Wordsgreat mining height； caving coal； top coal caving； coal wall 万方数据 内蒙古科技大学硕士（博士）学位论文 1 目目 录录 摘 要.....................................................................................................................................I ABSTRACT...............................................................................................................................II 1 绪论...................................................................................................................................... 1 1.1 国内外厚煤层开采现状............................................................................................ 1 1.2 厚煤层开采方法选择的国内实例............................................................................ 2 1.2.1 采煤方法选择的原则........................................................................................ 2 1.2.2 放顶煤综采 在 6.0m 以上煤层应用的实例分析............................................ 3 1.2.3 大采高综采在 6.0m 以上煤层应用的实例分析.............................................. 4 1.2.4 厚煤层开采方法的应用条件分析.................................................................... 5 1.3 研究的目的和意义.................................................................................................... 6 1.4 论文研究内容与创新点............................................................................................ 8 1.5 论文研究方法与技术路线........................................................................................ 9 1.6 本章小结.................................................................................................................. 10 2 官板乌素煤矿煤层地质条件及岩石力学实验................................................................ 11 2.1 煤层赋存条件.......................................................................................................... 11 2.1.1 井田概括.......................................................................................................... 11 2.1.2 地质特征.......................................................................................................... 12 2.1.3 其它开采技术条件.......................................................................................... 14 2.2 岩石力学实验.......................................................................................................... 15 2.2.1 6 号煤层围岩性质............................................................................................ 15 2.2.2 岩石力学参数测定.......................................................................................... 16 2.3 煤及围岩类型评价.................................................................................................. 17 2.3.1 煤层类型.......................................................................................................... 17 2.3.2 围岩类型.......................................................................................................... 18 2.4 本章小结.................................................................................................................. 21 3 官板乌素煤矿 609 工作面采煤方法选择的影响因素分析............................................ 22 3.1 技术政策法规规程.................................................................................................. 22 3.2 地质因素.................................................................................................................. 22 万方数据 内蒙古科技大学硕士（博士）学位论文 2 3.2.1 煤层倾角.......................................................................................................... 23 3.2.2 煤层厚度及回采率分析.................................................................................. 23 3.2.3 煤层及围岩岩性.............................................................................................. 25 3.2.4 煤层含水性、瓦斯涌出量及煤的自然倾向性.............................................. 26 3.3 技术因素.................................................................................................................. 28 3.4 经济因素.................................................................................................................. 29 3.5 本章小结.................................................................................................................. 31 4 大采高下围岩破坏过程模拟............................................................................................ 32 4.1 大采高煤壁片帮冒顶机理分析.............................................................................. 32 4.2 煤壁片帮深度的数值模拟分析.............................................................................. 33 4.3 本章小结.................................................................................................................. 38 5 609 工作面顶煤冒放性研究及工作面可靠性分析.......................................................... 40 5.1 顶煤冒放性的影响因子.......................................................................................... 40 5.1.1 开采深度.......................................................................................................... 40 5.1.2 煤层强度.......................................................................................................... 41 5.1.3 煤层厚度.......................................................................................................... 42 5.1.4 夹矸.................................................................................................................. 44 5.1.5 煤层节理裂隙.................................................................................................. 44 5.1.6 顶板岩层.......................................................................................................... 46 5.2 顶煤冒放性的判定.................................................................................................. 46 5.3 609 工作面放顶煤人、机、环安全可靠性分析.................................................... 47 5.3.1 放顶煤综采工作面人机环境系统可靠性分析...................................... 47 5.3.2 放顶煤综采工作面系统可靠性分析评述...................................................... 49 5.4 609 工作面放顶煤工艺实施效果分析.................................................................... 50 5.5 本章小结.................................................................................................................. 50 6 结论.................................................................................................................................... 52 参考文献................................................................................................................................ 54 在学研究成果........................................................................................................................ 59 致 谢.................................................................................................................................... 60 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 1 - 1 绪论绪论 1.1 国内外厚煤层开采现状国内外厚煤层开采现状 安全高效采煤作业面按照煤厚进行划分，可分为和单一煤两类工作面，其中单一 煤层的作业面通常采用长运距、大功率的刮板输送机，大功率电牵引采煤机，配备具 液压支架，该液压支架具有强力电液压控制系统，设备产能大，可靠性好，该系统要 扩大工作面单产，需通过提高工作面采掘速度[1,2]。在国外[3]，德国[4,5]、美国[6,7]、澳 本利亚[8,9]等具有先进设备技术装备水平的国家均有采用这类工作面的矿井；而就特 厚煤层通过放顶煤进行开采的采煤工作面而言， 在像我国产煤大省的大型煤企均有采 用，并且按照设备国产化的要求，采用国产的综采设备，以支架后部放煤及采煤机前 部割煤同时配合的方式提高工作面采掘效率。法国于 1963 年就开始对综合机械化放 顶煤采煤进行试验，并最终获得成功[10,11]。后来得益于这次的成功经验，在其他国家 也陆续的到应用和推广，并大大提高了当时煤炭开采技术水平，获得较好的经济效益 [12,13]。紧接着，我国于 1983 年 5 月在蒲河煤矿（归属沈阳矿务局）也开展了采用综 合机械化实施放顶煤采煤工作面的实验[14,15]。 但在生产管理和技术水平的限制下宣告 失败。后来经过几年的研究探索，再次引进、消化、吸收，逐渐获得了非常可靠的实 验数据和丰富的生产管理经验，并一直热衷于该技术的研发试验和应用。最终在窖街 矿务局二矿于 1987 年对急倾斜的特厚煤层进行探索有效开采工艺时，对水平分段综 合机械化放顶煤开采进行了工业性试验，并取的成功。从此，该技术在我国各大煤矿 都陆续开展有效研究和探索实验，并取的空前发展和广泛应用。越来越多的煤矿看好 这一高产高效的采煤工艺前景，并陆续上马。此后，各大矿区都在依据自身开采技术 条件和工程地质条件对合理有效采煤工艺，对综采设备，对煤炭及粉尘自燃、瓦斯、 顶板冒放性等多方面的条件进行研究和探索试验， 使这一生产工艺技术在我国不断成 熟，依据各大矿区的特点分析该技术适用性的逐步透彻，逐步掌握并提高其生产管理 水平，使这一技术的应用能力不断提高，产能不断上升[16,17]。据有关资料分析，自 1991 年起，综采放顶煤工作面产能记录就一直不断被刷新，其中就包括 1993 年潞安 漳村矿突破 15 万 t，晋城凤凰山矿突破 19 万 t，五阳矿突破 20 万 t。1995 年满安王 庄矿突破 32 万 t，年产突破 252 万 t。兴隆庄矿年 1995 年实现年产 271 万 t，1997 年 突破 316 万 t 大关。 1998 年东滩矿实现年产 351 万 t，1999 年再创新高达 410 万 t 的新纪录。总之，综采放顶煤采煤法逐步成为了我国实现采煤高产高效的重要手段。 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 2 - 根据综采放顶煤的开采技术要求，一般煤层应为厚度达 6m 以上，尤其适用于煤层厚 度变化大，顶板及底板高度变化大厚煤层[18,19]。同时还需要考虑诸如煤炭、粉尘自 燃、顶板冒落性、瓦斯等因素，除此之外，在一系列开采条件适宜的情况下，也要考 虑一次开采厚度对顶煤回收率的影响， 及由顶板冒落不到位所带来的瓦斯积聚引起的 安全风险。一次采厚最宜为多少，还需要看顶板的垮落难度和顶煤冒放性，依据国家 规定可知，采煤高度不能低于防霉高度的 1/3。我国针对厚度为 6 m 左右的煤层，通 常使用一次采全高综采工艺方法，可实现开采效率高，回采率高等优点，获得较好的 经济效益[20,21]。随着综采水平的持续提高，我国从上世纪 90 年代前期就开始对厚度 为 4m 以上煤层实施机械化开采次采全高的综合技术试验研究，取得了丰富的成果 [22,23]。1989 年，那分矿务局开采的 4.5m 煤层，月产达到了 14200t，折合日产近 3334 t，最高日产达 3500t。2006 年，张集矿（归属淮南矿物集团）综采二队开采的厚度为 4.2m。取的了月产最高纪录 37 万 t，年产最高纪录 364 万 t 的可喜成绩；该工艺技术 在寺河矿厚度为 6.1m 煤层应用中取的最高日产 3.1 万 t 的好成绩， 这足以说明一次采 全高无论是的装备能力还是生产技术水平都在我国取的了空前的发展。 但是相比国际 水平还有较大差距。 在我国， 神华神东煤炭公司开采的 4.6 m 煤层， 采用能力达 3000t/h 的国外先进设备获得了年产煤更高的新纪录[24,25]。 1.2 厚煤层开采方法选择的国内实例厚煤层开采方法选择的国内实例 1.2.1 采煤方法选择的原则采煤方法选择的原则 采煤方法的选择合适与否，直接影响着煤矿安全[26]，煤炭生产的高产高效[,27]， 煤矿客观的经济效益[28]。 严格遵照国家行业技术标准及相关法律法规的基础上， 所优 选的采煤方法应具备如下原则 （1）技术先进 引进现代化技术装备，最大限度提高工作面机械化程度，采用先进的生产管理模 式和采煤技术理论，完成生产智能化、自动化，做到高产高效[29,30]。 （2）采出率高 由于煤炭资源有限，国家对煤炭的节约集约综合利用有着严格的要求，因此在矿 井建设和矿井生产中必须严格执行国家对回采率的规定和要求。从安全生产角度考 虑，最大可能提高煤炭回采率，对减少煤及粉尘自燃引发的地下火灾具有重大意义。 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 3 - 同时回采率的提高能够有效延长矿井服务寿命， 为企业更好的承担社会责任提供支撑 [31,32]。 （3）因地制宜 随着煤炭开采事业不断发展，采煤方式具备技术多样性和设备先进性。而各类煤 炭开采方法又有其特定的适用条件，依据煤层的特定赋存条件，选择特定的采煤方法 和采煤技术装备。选择合理采煤方法应该根据煤层矿体的赋存条件、煤层及围岩的工 程地质、水文地质条件等系列情况进行分析并综合研究，最终才能确定最合理的开采 技术方案和相应的采煤方法，实现特定矿井的高产高效，安全可靠[33,34]。 （4）生产安全 煤炭开采行业历年来被定义为高危行业，这其中不仅仅因其职业病发病广泛，更 多的是因为地下开采的煤矿存在较大的安全风险， 且一旦发生事故都是特大型安全责 任事故，因此国家对煤矿安全生产极为重视，煤矿安全常常被放到相对其他行业更突 出的位置。 而采煤方法选择的合理与否， 直接关系着未来采煤工作面的安全系数高低， 因此在选择采煤方法的同时，还应保证采煤工艺的每个环节和工序符合煤矿安全规 程的要求。同时还需应编制完善的安全措施及技术防治措施，采用各种可行的现代 高科技术手段和方法全面强化煤矿安全生产的监控[35,36]。 （5）经济上合理 选择合理采煤方法的最终目的就是要实现煤矿的高产高效， 这就需要通过提高自 动化和机械化程度，不断提升劳动效率和工作面的单产；并在生产过程中注重材料回 收重复利用，实施降本增效[37,38]。 1.2.2 放顶煤综采放顶煤综采 在在 6.0m 以上煤层应用的实例分析以上煤层应用的实例分析 在上世纪末，采用放顶煤方法的煤炭开采工艺已较为普遍，技术应用成熟，由于 其较高的科技水平和良好的经济效益优势，逐步替代厚煤层开采的其他方法，成为厚 煤层开采的主要方法。 地处山西朔州南部的麻家梁矿由同煤集团开发，矿井产能达千万吨，初期的主采 煤层是 5 号煤层，其平均厚度达 6.4m，硬度为 2～2.5；煤层剖面可看到较明显的裂 隙发育，煤层结构单一，夹矸层数通常在 2～3 层，顶板岩性以砂质泥岩和泥岩为主， 底板岩性以高岭质泥岩和泥岩为主。该矿井瓦斯含量较低为低瓦斯矿，煤层自燃倾向 性明显存在爆炸等危险发生的可能，该矿水文地质条件和工程地质条件属于简单类。 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 4 - 为了保证年产能达到 1200 万吨，该矿井采用两套综采放顶煤系统布置工作面。5 号 煤的顶煤具有较好的冒放性，且相邻的类似矿井放顶煤效果较好。因此认为综采放顶 煤的采煤方法用于 5