康家滩煤矿8#煤层综放开采技术研究.pdf

分类号分类号 TD324 密密 级级 公公 开开 U D C 单位代码单位代码 10424 工工 程程 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 康家滩煤矿康家滩煤矿8煤层综放煤层综放开采技术开采技术研究研究 王王 刚刚 伟伟 申请学位级别申请学位级别 工程硕士工程硕士 专业专业名名称称 矿业矿业工程工程 指导教师姓名指导教师姓名 尹尹 立立 明明 职职 称称 副副 教教 授授 副指导教师姓名副指导教师姓名 杨杨 智智 职职 称称 高级工程师高级工程师 万方数据 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二零一二零一八八年年五五月月 万方数据 论文题目论文题目 康家滩煤矿康家滩煤矿 8煤层综放开采煤层综放开采技术技术研究研究 作者姓名作者姓名 王王 刚刚 伟伟 入学时间入学时间 2015年年04月月 专业名称专业名称 矿矿业业工程工程 研究方向研究方向矿山压力与岩层控制矿山压力与岩层控制 指导教师指导教师 尹尹 立立 明明 职职 称称 副副 教教 授授 副副指导教师指导教师杨杨 智智 职职 称称 高高 级级 工工 程程 师师 论论文提交日期文提交日期 2018 年年 04 月月 论文答辩日期论文答辩日期 2018 年年 05 月月 授予学位日期授予学位日期 2018 年年 月月 万方数据 Research on fully mechanized caving technology of 8 coal seam in Kang Jia Tan coal mine A Dissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF PHILOSOPHY from Shandong University of Science and Technology by Wang GangWei Supervisor Professor Yin LiMing Vice-supervisor Professor Yang Zhi College of Mining and Safety Engineering May 2018 万方数据 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除所列参考文献和世所公本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除所列参考文献和世所公 认的文认的文献外，全部是本人攻读学位期间在导师指导下的研究成果。除文中已经献外，全部是本人攻读学位期间在导师指导下的研究成果。除文中已经 标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研 究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 硕士生签名硕士生签名 日日 期期 万方数据 学位论学位论文使用授权声明文使用授权声明 本人完全了解山东科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所本人完全了解山东科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所 撰写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理。撰写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理。 作为申请学位的条件之一，作为申请学位的条件之一，学校有权保留学位论文并向国家有关部门或其学校有权保留学位论文并向国家有关部门或其 指定机构送交论文的电子版和纸质版；有权将学位论文的全部或部分内容编入指定机构送交论文的电子版和纸质版；有权将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库发表，并可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版；允许学有关数据库发表，并可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版；允许学 校档案馆和图书馆保留学位论文的纸质版和电子版，可以使用影印、缩印或扫校档案馆和图书馆保留学位论文的纸质版和电子版，可以使用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文；为教学和科研目的，学校档案馆和图书馆描等复制手段保存和汇编学位论文；为教学和科研目的，学校档案馆和图书馆 可以将公开的学位论文作为资料在档案馆、图书馆可以将公开的学位论文作为资料在档案馆、图书馆等场所或在校园网上供校内等场所或在校园网上供校内 师生阅读、浏览。师生阅读、浏览。 （保密的学位论文在解密后适用本授权）（保密的学位论文在解密后适用本授权） 硕士生签名硕士生签名 导师签名导师签名 日日 期期 日日 期期 万方数据 学位论文审查认定书学位论文审查认定书 研究生研究生 在规定的学习年限内， 按照培养方案及个人培养计划，在规定的学习年限内， 按照培养方案及个人培养计划， 完成了课程学习，成绩合格，修满规定学分；在我的指导下完成本学位论文，完成了课程学习，成绩合格，修满规定学分；在我的指导下完成本学位论文， 论文中的观点、数据、表述和结构为我所认同，论文撰论文中的观点、数据、表述和结构为我所认同，论文撰写格式符合学校的相关写格式符合学校的相关 规定，同意将本论文作为申请学位论文。规定，同意将本论文作为申请学位论文。 导师签名导师签名 日日 期期 万方数据 山东科技大学工程硕士学位论文 摘要 I 摘摘 要要 康家滩煤矿由于采空区垮落浮煤的大量存在，工作面开采过程中的瓦斯灾 害治理出现相当被动的局面。为解决厚及特厚煤层的资源回收率问题，本文对 8煤层综放开采可行性进行了研究。 本文通过资料调研、岩石力学实验、工程对比和理论分析的方法分析 8特 厚煤层综放开采可行性，对煤层强度、开采深度、顶板岩性、煤层厚度、顶煤 中节理、裂隙的发育程度以及煤层的夹矸情况等 7 个主要影响 8煤层顶煤冒放 性的指标进行理论分析与计算，获得顶煤综合隶属度为 0.757，顶煤冒放性中等 偏好。 通过综合分析 88300-1 工作面的综放工艺的优选方案。88300-1 工作面总体 呈缓状单斜构造，地质构造较为简单，属于特厚煤层。对比分析了一采一放单 轮顺序放煤、二采一放单轮顺序放煤、二采一放双轮顺序放煤三种采放工艺。 根据三种采放工艺参数和工艺实验效果的对比分析，三种采放工艺割煤时间、 移架时间、放煤时间的统计分析，三种采放工艺回采率的对比分析。通过对二 采一放双轮顺序放煤工艺放煤口数目与割煤速度的优选设计和工作面生产能力 验算。得到了最优的采放工艺，有利于减少混矸率，对改善煤质有利，基本实 现采放平行作业，能够满足采放平行，生产组织方便，高产高效的目的，经济 效益较好。 关键词关键词厚煤层开采；综采放顶煤；顶煤可放性；采放工艺优选； 万方数据 山东科技大学工程硕士学位论文 Abstract II ABSTRACT The Kang Jia Tan coal mine is located in Baode, Shanxi province. Among them, the 88300-1 working face is generally monoclinic structure, and the geological structure is relatively simple. It belongs to the extra thick coal seam. The main top is fine sandstone and medium sandstone, which is mainly composed of mudstone and sandy mudstone, with obvious lithology difference, poor stability, roof bedding and joint development, poor cohesiveness among interbeds, easy to soften the separation layer when encountering water, and expose the false roof of coal seam easily. Because of the large number of caving coal in the goaf, it has become the root of the serious gas emission after mining, so that the gas disaster in the working face mining process has a rather passive situation. Therefore, to ensure the sustainable development and safety production of Shenhua and to solve the problem of the recovery rate of the source of the thick and thick coal seam, the 8 coal seam fully mechanized coal caving is urgently needed. Research on the feasibility of mining. In this paper, the feasibility of 8 thick coal seam is analyzed by means of data investigation, rock mechanics experiment, engineering contrast and theoretical analysis. The index of 7 main factors affecting caving of 8 coal seam, such as coal seam strength, mining depth, roof lithology, thickness of coal seam, joint in top coal, development degree of crack in top coal and coal seam gangue, etc. Theoretical analysis and calculation show that the comprehensive membership degree of top coal is 0.757 and the top coal caving property is moderate. Through comprehensive analysis of 88300-1 working face fully mechanized top coal caving process optimization plan. A comparative analysis is made of three kinds of mining and discharging technologies, namely, single row, single row, sequential coal drawing, two coal mining, two single mining, two rounds of sequential coal drawing. According to the comparison and analysis of the three kinds of mining process parameters and experimental results, the statistical analysis of the coal cutting time, the time of moving the frame and the time of the coal caving and the comparison analysis of the recovery rate of the three kinds of production process are made. It is found that the effect of the two production of a two wheel sequential coal caving is the best, which is beneficial to reduce the mixing rate and improve the coal quality. Through the optimum design of the number of coal caving ports and the coal cutting speed and the calculation of the production capacity of the working face, the 万方数据 山东科技大学工程硕士学位论文 Abstract III number of coal caving ports at the same time is 2, which can meet the parallel mining and production, and the production organization is convenient. At present, the coal cutting cycle reaches 12.5, reaching more than 800 thousand T per month. The annual output of 10 million T is high yield and high efficiency, and the economic benefit is good. Keywords Thick coal seam mining，Fully mechanized caving coal，Top coal discharge，Optimization of mining process 万方数据 山东科技大学工程硕士学位论文 目录 IV 目目 录录 1 绪论绪论 ..................................................................................................... 1 1.1 课题的提出及研究意义 .............................................................................. 1 1.2 国内外研究现状 .......................................................................................... 2 1.3 主要研究内容及目标 ................................................................................. 4 1.4 技术路线 ...................................................................................................... 5 2 8煤层综放开采可行性研究煤层综放开采可行性研究 ............................................................ 6 2.1 8煤层综采工作面概况 .............................................................................. 6 2.2 88203 综采工作面顶煤顶板岩石力学性能测试 ...................................... 8 2.3 88203 综采工作面顶煤冒放性研究 ........................................................ 15 2.4 综放支架支护强度和采高的确定 ........................................................... 39 2.5 综放工作面三机配套方案 ....................................................................... 41 2.6 本章小结 .................................................................................................... 42 3 综放回采工艺参数实测与采放工艺优选综放回采工艺参数实测与采放工艺优选 ................................. 44 3.1 采放工艺试验与实测研究 ....................................................................... 44 3.2 综放采放工艺优选方案 ........................................................................... 50 3.3 放煤口数目与割煤速度的优选 ............................................................... 51 3.4 综放工作面生产能力验算 ....................................................................... 56 3.5 本章小结 ................................................................................................... 57 4 综放开采经济效果综放开采经济效果 ........................................................................ 58 4.1 经济效果 ................................................................................................... 58 4.2 本章小结 ................................................................................................... 61 5 主要结论主要结论 ........................................................................................... 62 参考文献参考文献 ................................................................................................................... 64 致谢致谢 ........................................................................................................................... 67 万方数据 山东科技大学工程硕士学位论文 Contents V Contents 1 Introuction ............................................................................................................ 1 1.1 The proposal and research significance of the subject ................................ 1 1.2 Research status of fully mechanized caving mining at home and abroad ... 2 1.3 Main research contents and s ........................................................... 4 1.4 technology roadmap ..................................................................................... 5 2 Feasibility study on fully mechanized caving mining in 8 coal seam ............ 6 2.1 General situation of fully mechanized coal mining face in 8 coal seam ... 6 2.2 Study on caving property of top coal in 88203 fully mechanized coal mining face ........................................................................................................... 8 2.3 Study on caving property of top coal in 88203 fully mechanized coal mining face ......................................................................................................... 15 2.4 Determination of support strength and height of fully mechanized caving support ................................................................................................................ 39 2.5 Three machines in fully mechanized caving face ...................................... 41 2.6 Brief summary of this chapter ................................................................... 42 3 Study on the technological parameters of fully mechanized top coal caving mining and optimization of mining technology ..................................................... 44 3.1 Test and test purpose of mining process ........................................... 44 3.2 Optimization scheme of mechanized caving and production process ....... 50 3.3 Optimal design of gob number and coal cutting speed .............................. 51 3.4 The production capacity of fully mechanized caving face ........................... 56 3.5 Brief summary of this chapter ................................................................... 57 4 Economic effect of fully mechanized caving mining ....................................... 58 4.1 economic effects. ....................................................................................... 58 4.2 Brief summary of this chapter ................................................................... 61 5 Main conclusions ................................................................................................ 62 References ................................................................................................................. 64 Thanks ....................................................................................................................... 67 万方数据 山东科技大学工程硕士学位论文 绪论 1 1 绪论绪论 1.1 课题的提出及研究意义课题的提出及研究意义 我国厚煤层开采主要有 3 种综合机械化采煤方法，即综采放顶煤开采（下 称综放开采） 、分层综采和大采高综采。其中分层开采则受煤层厚度变化、自然 发火、吨煤成本、工效等诸多因素的制约，开采效率较低[1-5]，目前已基本被综 放开采或大采高综采所代替。与分层开采相比，大采高综采可降低巷道掘进率， 缓和采掘关系，简化开采过程，随着我国煤机装备与开采工艺水平的发展，这 种采煤方法得到了大面积推广和应用[6-8]，取得了巨大的开采效益并提高了煤炭 采出率。大采高综采适应于煤层倾角小、煤层相对稳定、顶板条件好的煤层， 但是受采煤机采高、煤壁片帮等因素制约，综采一次采全高开采目前最大采高 为 8m， 无法满足 8m 以上特厚煤层的安全高效开采[9-15]。 对于 8m 以上厚及特厚 煤层，放顶煤开采是首选的采煤方法，7～14m 厚的煤层可采用一般综放开采方 法，目前该方法及配套技术与装备已经较为成熟[16-20]。 综放开采高产高效的优势，主要表现在以下几点[21-25] 1）综放开采较分层开采提高了煤炭产量，单产水平提高一倍以上，回采率 达到 80以上。 2）综放开采有利于合理集中生产，单产高，效率高,系统简单，对煤层厚度 变化适应性强。 3）工效得到提高，工作面搬家次数减少，吨煤成本大幅下降，工作面成本 可降到 60。 4）巷道掘进率低，巷道掘进费用和维护费用也相应减少，实现了生产集中 化，工作面生产创造了高的经济效益。 综放开采顶煤损失比较高的原因是因为它的特点以及煤层的复杂性和赋存 条件的多样性，提高顶煤回收率是实现综放高产高效开采的一种合理有效的方 式[26-30]。综放工作面所使用的放煤工艺及其所使用的放顶煤液压支架之间的差 异会引起顶煤损失，其主要包括了初采损失、末采损失、端头损失、工艺损失， 顶煤损失中的主要损失是工艺损失，是综放工作面煤炭损失的主要组成部分 [31-36]。合理放煤工艺参数的选取对减少煤炭工艺损失，提高放顶煤工作面的顶 煤回收率及提高顶煤的冒放性都起到了很大的作用[37]。 万方数据 山东科技大学工程硕士学位论文 绪论 2 康家滩煤矿坐落于产煤大省山西省保德境内，煤层条件比较好，地质储量 大约为 9.57 亿 t，可利用的储量大致是 8.51 亿 t，其中 8＃煤和 13＃煤层为井田 主要可采煤层[38]。 之前 8 ＃煤层主要采用的长壁综采开采工艺采高仅是 3.5m～4m， 上部 3m 及 其以上的煤层由于构造复杂和存在安全隐患等问题,一直不能够充分的有效地开 采利用[39]。固然，尽管依靠现有支架高度限制因素的影响，尽可能的保证了康 矿石炭煤的商品煤煤的质量， 可是大量存在的采空区垮落浮煤会造成不少麻烦， 很大程度上会引起在开采后的瓦斯涌出，使工作面在开采地过程中的瓦斯灾害 的治理出现相当被动的情况和局面[40-45]。针对神东煤炭分公司康家滩矿 8厚煤 层的赋存条件，结合目前已有的高产高效主要配套设备，研究确定放顶煤开采 的可行性，在此基础上研究适合神东矿区条件的配套综放支架，以及研究确定 高产高效综放工艺，走出一条符合中国特色、具有神东效率的高产高效综放新 路子。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 1.2.1 厚煤层开采国内外研究现状厚煤层开采国内外研究现状 20 世纪 80 年代中期以后,我国开始在厚煤层采中进行放顶煤开采方法的研 究和应用[46]。 近年来，西方工业化国家对煤炭能源的高需求促进了厚煤层开采技术的发 展和进步，是我国厚煤层开采需要面临的关键问题[47]。 随着相关技术的解决方案和相关设备在中国加速发展和煤矿企业经济效益 的提高，大采高综采工作面已成为实现安全高效开采的主要方式 3.58m。目 前,我国厚煤层开采已形成分层、放顶煤、大采高三种开采方法共同发展的局面 [48]。 随着相关技术的解决和相关设备国产化的加速, 煤矿企业的经济效益得到 了提高, 大规模开采的大型开采方法得到了广泛的应用。目前,在我国厚煤层开 采形成了分层、放顶煤、大采高 3 种开采方法的各具特色的局面[49]。 1.2.2 综放开采综放开采技术技术国内外研究现状国内外研究现状 我国综放开采技术的发展过程，大体可分为以下 4 个阶段 第 1 阶段为探索阶段[50-52]（19821990） 万方数据 山东科技大学工程硕士学位论文 绪论 3 自 1982 以来，中国开始研究综采放顶煤开采技术，介绍 1984、沈阳矿务局 蒲河煤矿北三采区进行缓慢倾斜长壁采煤法工业试验的第一次，因为支架设计 和配套不合理。1990 年下半年，阳泉一矿 8603 长壁工作面首次实现了 37 综放工作面每月 14 万 T 以上，煤厚约 120 米，工作面长度约为该矿综采工作面 长度的 1 倍以上。工作面回采率在 80 以上，已找到一套长壁综采工作面。这 一阶段基本验证了放顶煤开采实现高产高效的可行性。 第 2 阶段为逐渐成熟阶段[53-55]（19901995） 该阶段的标志性成果是兖州市新龙庄矿生产面突破 300 万 t / a， 达到高产高 效的目标。综放技术发展迅速，许多矿务局认识到并开始把顶煤技术提上技术 进步的议事日程。另一方面，岩层控制理论、支护围岩关系、放顶煤和放顶煤 技术的研究也十分活跃。 第 3 阶段为技术成熟和推广阶段[56-58]（19952005） 由于综放开采技术优势巨大, 引起了大型煤矿生产企业的关注。 同时, 由于 综放开采技术上的困难逐渐被征服, 综放开采在整个煤炭工业中得到了迅速的 推广和发展。 1997兖州矿业局东滩矿山二队年产410万吨, 工作效率208吨/1998, 团队还设置了工作面年产量 540 万吨以上,达到国际先进的长壁开采产量水平。 同时对于一些难度较大的煤层，如三软、二硬、大倾角、高瓦斯、易燃、厚煤 层等，放顶煤开采技术取得了长足的进步，并形成了自己的开采特点，兖州矿 区 15 个 6 万 t 综放工作面设备及技术研究项目的实施和完成，使综放开采技术 迈上了一个新的台阶，连续 6 年综放工作面的最大产量已超过 6 万 t。 第 4 阶段为革新阶段（2005 至今） 在分析 2005 年高瓦斯厚煤层安全高效开采技术的过程中, 对高瓦斯放顶煤 工作面单级生产水平不能进一步提高的原因进行了研究, 应用高分的可行性对 高瓦斯厚煤层综放开采进行了论证。2006 年提出了大采高放顶煤液压支架设计 中的一些特点及发展前景[59-62]； 从设备能力配套的角度对 3.5m 割煤高度的大采 高综放设备配套技术进行了研究[55-59]。 在过去的 8 年中, 国家科学技术部批准了 国家科技支持项目综放开采成套技术和设备的研究开发。该项目开发了 14 至 20m 厚煤层大采高、成套设备、巷道掘进、支护技术和设备的大型煤层、安全 保障技术等成套技术与装备[63-66]，建立了具有高开采高度的综放开采技术标准 体系。已应用于大唐塔山煤矿、同煤煤矿 810