柳塔煤矿东部盘区Ⅱ-3特厚煤层综放开采技术研究.pdf

万方数据 万方数据 西安建筑科技大学硕士学位论文 柳塔煤矿东部盘区 II-3 特厚煤层综放开采技术研究 专专 业业矿业工程 硕硕 士士 生生高士岗 指导老师指导老师黄光球教授 摘 要 综放开采是特厚煤层的主要开采方法之一，但随着割煤和放煤高度的增加， 将带来矿压显现剧烈、工作面煤壁片帮严重、顶煤采出率低、瓦斯涌出量大等突 出问题。在柳塔煤矿东部盘区实施综放开采实验，对今后神东矿区特厚煤层（大 于 6m）的合理开采、最大的提高煤炭回收率具有现实指导意义。本文通过对柳塔 煤矿东部盘区 II-3 煤层综放开采技术、经济、安全等方面的分析论证取得如下成 果 1通过理论分析、数值计算和冒放行分析，II-3 煤层可以在矿压作用下垮塌， 但落煤块度较大，尤其在初次开采时需要强行放顶，以便降低顶煤突然大面积垮 塌对工作面形成的冲击。 2通过工程类比和开采安全性分析，认为在柳塔煤矿东部 II-3 煤层实施综放 开采，完全可以达到安全、高产、高效、高回收率生产目的。 3综放工作面设计长度 260m，采煤机割煤高度 3.5m，平均放煤高度 2.08m， 采放比 10.59，不仅满足国家煤矿安全规程68 条要求，同时还可以整体工作 面回收率。 4工作面日进 9 刀，一刀一放，采煤机截深与放煤步距均为 0.8m；工作面年 生产能力可达 300 万 t，工作面资源回收率为 86.4。 5支架选择 ZF8600/19/38 低位正四连杆放顶煤支架技术可靠、经济合理，既 可以提供高强度支护、满足浅埋深矿压要求，又具有较强的顶煤放出能力和破大 块煤功能。同时可实现集团内综放支架结构的标准化。 6工作面前后部输送机采用垂直布置方式，工作面不采用端头过渡支架，实 现全长工作面放煤，不仅可以提高顶煤回收率，同时也有利于工作面设备管理。 7在柳塔东部相同开采条件下，大采高比综放开采每产 100 万 t 煤，多丢失 18 万 t 煤量。若每吨煤按 50 元纯利润计算，实施综放开采每年比采用大采高开 万方数据 西安建筑科技大学硕士学位论文 采多赢利 2700 万元， 经济效益十分可观。 初步估算综放工作面设备需投资约 7982 万元。而采用大采高则需 1.26 亿元。 在 II-3 煤层实施综放开采，既技术可行，又经济合理。综放开采技术可应用 大功率大采高电牵引采煤机、大工作阻力高可靠性强力高效放顶煤液压支架、大 槽宽大运量高强度前后部刮板输送机等成套装备，具有很好的技术经济效果。 关键词关键词煤矿；综放开采技术；煤层；工作面 万方数据 西安建筑科技大学硕士学位论文 Study on Fully Mechanized Top Coal Caving Mining Technology for II-3 Extra Thick Coal Seam in Eastern Plate of Liuta Coal Mine Specialty Mining Engineering Name Gao Shigang Instructor Professor Huang guangqiu ABSTRACT Fully mechanized caving mining is one of the main mining s for thick coal seam. However, with the increase of coal cutting and coal discharge height, it will bring serious problems such as severe mine pressure, serious coal wall section, low production rate of top coal and large gas emission. The implementation of fully mechanized caving experiment in the eastern region of the Liuta coal mine is of practical significance to the rational exploitation of the extra thick coal seam greater than 6m in the Shendong mining area and the maximum coal recovery. Based on the analysis and demonstration of fully mechanized top coal caving mining technology, economy and safety of II-3 coal seam in the eastern plate of the RTA mine, the following results are obtained. 1 through theoretical analysis, numerical calculation and riser analysis, II-3 coal seam belongs to medium hard and caving, which can collapse under the action of mine pressure, but the collapse block is relatively large. Especially in the initial mining, measures should be taken to force the roof to eliminate the impact of the top coal collapse to the working face, and the top can be greatly reduced. Coal initial production loss. 2 through the analysis of engineering analogy and mining safety, it is believed that fully mechanized coal caving mining in II-3 coal seam in the east of Liuta coal mine can achieve the purpose of safety, high yield, high efficiency and high recovery. 3 the design length of the fully mechanized coal caving face is 260m, the height of the coal cutting machine is 3.5m, the average height of coal caving is 2.08m, and the 万方数据 西安建筑科技大学硕士学位论文 production and discharge ratio is 10.59, which not only meets the requirements of the national coal mine safety regulations, but also the overall recovery rate of the working face. 4 the working face is 9 knife, one knife and one knife, the cutting depth of the coal mining machine and the step distance of the coal discharge are 0.8m, the annual production capacity of the working face can reach 3 million T, and the recovery rate of the working face resources is 86.4. 5 the support selection of ZF8600/19/38 low position four connecting rod caving support is reliable and economical, which can provide high strength support, meet the requirement of shallow buried deep mine pressure, and have strong capacity of top coal release and large block coal. At the same time, we can realize the unification of the fully mechanized caving support in the group. 6 the vertical arrangement of the rear conveyer in front of the work is adopted, and the working face does not adopt the end transition bracket to realize the full length working face, which can not only improve the recovery rate of the top coal, but also benefit the management of the working face equipment. 7 under the same mining conditions in the eastern part of Liuta, the large mining height ratio is 1 million T coal produced by fully mechanized top coal caving, and it loses more than 180 thousand T of coal. If every ton of coal is calculated by 50 yuan net profit, the implementation of fully mechanized top coal caving is 27 million yuan more profitable than the large mining height every year, and the economic benefit is considerable. It is estimated that the investment of equipment in fully mechanized top coal caving face is about 79 million 820 thousand yuan. The use of large mining height requires 126 million yuan. Fully mechanized caving mining in the II-3 coal seam is technically safe and feasible and economically reasonable. The fully mechanized caving mining technology can be used in large power and high mining high traction shearer, high reliability and high reliability and high efficiency top coal caving hydraulic support, large slots and large capacity and high strength and high strength scraper conveyor. It has good technical and economic effect. Key Words coal mine; fully mechanized caving technology; coal seam; working face 万方数据 西安建筑科技大学硕士学位论文 I 目 录 摘 要 .............................................................................................................................. 3 ABSTRACT ...................................................................................................................... 1 目 录 ............................................................................................................................... I 1 绪论 ............................................................................................................................ 1 1.1 研究背景与意义 ............................................................................................. 1 1.2 国内外研究现状 ............................................................................................. 2 1.2.1 国内相关研究 ...................................................................................... 2 1.2.2 国外相关研究 ...................................................................................... 5 1.3 研究方法与目的 ............................................................................................. 6 1.4 研究思路与内容 ............................................................................................. 6 2 东部盘区 II-3 煤层特征分析 .................................................................................... 8 2.1 井田位置及交通 ............................................................................................. 8 2.2 井田构造 ......................................................................................................... 9 2.3 可采煤层 ......................................................................................................... 9 2.4 煤质与用途 ................................................................................................... 11 2.6 煤层顶底板工程地质特征 ........................................................................... 13 2.7 瓦斯、煤尘、煤的自燃及地温特征 ........................................................... 13 2.7.1 瓦斯特征 ............................................................................................ 13 2.7.2 煤尘特征 ............................................................................................ 13 2.7.3 煤层自燃特征 .................................................................................... 13 2.7.4 地温特征 ............................................................................................ 13 2.7.5 矿井涌水量 ........................................................................................ 14 2.8 井田东部盘区概况 ....................................................................................... 14 3 东部盘区 II-3 煤层合理采煤方法选择 .................................................................. 17 3.1 分层综放开采法 ........................................................................................... 17 3.2 综放开采法 ................................................................................................... 17 3.3 大采高综放开采法 ....................................................................................... 18 3.4 II-3 煤层合理采煤方法选择 ........................................................................ 18 万方数据 西安建筑科技大学硕士学位论文 II 3.4.1 分层综放开采可行性分析 ................................................................. 18 3.4.2 大采高综放开采可行性分析 ............................................................. 19 3.4.3 综放开采可行性分析 ......................................................................... 19 4 东部盘区 II-3 煤层综放开采适应性分析 ............................................................... 20 4.1 II-3 煤层顶煤冒放性分析 ............................................................................. 20 4.2 东部盘区 II-3 煤层综放开采数值模拟分析 ................................................ 26 4.3 与类似条件矿井的类比分析 ........................................................................ 36 4.4 柳塔煤矿东部 II-3 煤层综放开采分析结论 ................................................ 39 5 首采 2307 综放工作面参数确定 ........................................................................... 40 5.1 2307 工作面基本参数确定 ........................................................................... 40 5.1.1 2307 综采工作面推进长度 ................................................................ 40 5.1.2 2307 综采工作面割煤与放煤高度 .................................................... 40 5.1.3 滚筒采煤机截深与放煤步距 ............................................................. 40 5.1.4 2307 工作面日循环数 ........................................................................ 40 5.2 2307 工作面生产能力计算 ........................................................................... 41 5.3 综放工作面回采率分析 ................................................................................ 42 5.3.1 初采损失计算方法 ............................................................................. 42 5.3.2 末采损失计算方法 ............................................................................. 43 5.4.3 端头损失计算方法 ............................................................................. 43 5.3.4 工艺损失计算方法 ............................................................................. 43 5.4 综放与大采高工作面回收率分析 ................................................................ 45 6 工作面设备选型 ....................................................................................................... 46 6.1 输送机机头布置方式 .................................................................................... 46 6.2 放顶煤液压支架选型 .................................................................................... 47 6.2.1 两柱与四柱式综放支架对比 ............................................................. 47 6.2.2 工作阻力计算 ..................................................................................... 48 6.2.3 支架的主要技术参数确定 ................................................................. 50 6.3 采煤机选型 .................................................................................................... 52 6.4 前部输送机和后部输送机选型 .................................................................... 53 6.4.1 前部刮板输送机选型 ......................................................................... 53 6.4.2 后部刮板输送机选型 ......................................................................... 53 万方数据 西安建筑科技大学硕士学位论文 III 6.4.3 顺槽转载机选型 ................................................................................ 54 6.4.4 破碎机 ................................................................................................ 55 6.5 顺槽胶带输送机选型 ................................................................................... 55 6.6 乳化液泵及喷雾泵站 ................................................................................... 55 6.7 首采综放工作面设备初步选型 ................................................................... 55 6.8 大采高综采设备初步配套 ........................................................................... 56 6.9 工作面劳动组织方案 ................................................................................... 57 6.10 工作面经济技术指标 ................................................................................. 58 7 主要结论与建议 ...................................................................................................... 59 7.1 结论 ................................................................................................................. 59 7.2 建议 ................................................................................................................. 59 参考文献 ........................................................................................................................ 61 致 谢 ........................................................................................................................ 66 万方数据 万方数据 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 1 绪论 1.1 研究背景与意义 柳塔煤矿 1988 年设计生产能力为 0.30Mt/a，采用斜井开拓。矿井生产期间， 经过多次技术改造，2004 年核定生产能力 1.13Mt/a，2005 年又重新设计生产能力 为 3.0Mt/a。矿井保有地质储量为 212.88Mt，可采储量 132.47Mt，储量备用系数采 用 1.35，全矿井服务年限 32.7a。 矿井采用混合方式开拓，现两个工业场地上形成有四条井筒，主斜井工业场 地（主斜井）、辅运平硐工业场地（辅运平硐、回风井、进风井）。工作面布置 采用大巷盘区式，综放开采技术采用长壁后退式，放顶方法采用全自行垮落法。 综采工作面采用双向割煤，采煤机自开缺口，截煤装煤，刮板输送机运煤。 矿井通风系统为中央并列式，即利用工业广场回风井回风，工业广场辅运平 硐及原轨道斜井进风。 现矿井主采层为Ⅱ-3 煤层，一综三掘，生产能力为 300 万吨/年。综采 2302 工作面长 250 米，采高 4.2 米，年推进长度在 2800 米，三套综掘机年进尺约 15000 米。 矿井今后三年的生产接续安排为先在西部Ⅱ-3 煤层中回采六个工作面，而后 转入东部回采，其工作面接续计划为西部 2302、2303、2304，西部 23101、23102、 东部 2307、2308、2309、2310，西部 2305、2306 工作面。然而，东部 4 个工作面 2307、2308、2309、2310 煤层极不稳定，最薄为 0.9m，最厚达到 7.62m，为了最 大的回收煤炭资源，充分利用现代开采技术，集团公司和万利公司多次探讨东部 4 个工作面的采煤方法问题， 并于 2007 年 4 月组织了有关专家对其进行了初步论证， 专家建议在东部 4 个工作面试用综采放顶煤进行开采，并邀请煤炭科学研究总院 开采所对此进行系统论证。 在柳塔煤矿东部盘区 II-3 煤层试验综放开采对今后东胜煤田特厚煤层（大于 6m）的合理开采、最大的提高煤炭回收率具有现实指导意义，也是神华集团在该 区域内煤炭开采的发展方向和技术战略储备。 万方数据 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 1.2 国内外研究现状 1.2.1 国内相关研究国内相关研究 1.2.1.1 厚煤层开采方法研究厚煤层开采方法研究 我国新疆、宁东、黄陇、陕北及神东等煤矿赋存有大量特厚煤层，此类煤层 具有硬度大、 自然发火期短等特点。 厚煤层开采方法研究一直是业界关注的重点。 李建强[1]研究了大倾角厚煤层的综放开采的综合技术，其中包括通风和瓦斯 防治问题。林士德[2]、赵志鹏[3]、韦山[4]、卢红岩[5]、毋新明[8]和韩国斌[9]等人认 为，混合式综放综采是一种很有效的开采方法。徐广安[6]发明了工作面“非线性 异面空间”布置策略，从而确保了工作面支护体系的稳定性。王超等人[7]对某矿 5煤大倾角厚煤层进行了研究，得到了该煤矿综放工作面的放煤的形式、放煤的 步距和采放比。 综放开采技术是煤矿实现高效高产的重要途径。付廷喜[10]认为唯有把综放开 采中遇到的关键技术问题解决好， 才能保证煤矿提升回采率， 实现安全高效生产。 潘卫东等[11]对复杂综放工作面开采技术进行了研究，确定了液压支架的重要作 用。马亚东[12]对复合煤层中的分层综放开采进行了研究，通过使用数值模拟与类 比法分析冒放性的主要影响因素，得到分层顶煤的冒放性为Ⅱ-Ⅲ类，可以使用综 放开采工艺[13]。吕广罗等人[14]探查了特厚煤层综采的顶板导水裂隙带的发育高 度，通过多元回归分析，得出了导水裂隙带的高度与工作面的宽度、采深、采厚 之间的密切关系。卢红岩[15]认为综放技术并不是太成熟，若大量使用分层开采技 术来开采厚煤层，会引起煤矿资源的浪费。马沛林[16]对大采高综放开采工艺的关 键技术进行了探讨，王宏博等人[17]进一步分析得出此项技术的应用前景较好。 结合实际，纪润清[18]对同忻煤矿综放工作面煤矿损失进行了分析，发现煤矿 损失主要在端头的损失、初采的损失、末采的损失、顶煤的破碎度差和丢煤的损 失这几个方面，认为从放煤工艺参数、工作面参数、计量管理、顶煤破碎度等方 面下手，可以减小开采损失量，提升回采率。韩军等人[19]等分析了分层综采历程 中覆岩的破坏高度，得到采出厚度和覆岩的破坏高度间是正相关的关系。张玉军 等人[20]得出分层数的变多会使其最大高度受到抑制，累计采厚比和裂高会显著减 小。王家臣等人[21]发现急倾厚煤层的综采顶煤的采出率沿着煤层倾向呈现“几” 字形的分布。高超等人[22]研究得出中厚基岩、浅埋特厚煤层综采时地表的沉陷规 律，得出地表位移初期较短，活跃期下沉速度较快。邵力等人[23]通过观测发现 万方数据 西安建筑科技大学硕士学位论文 3 采挖同一盘区下的厚煤层，在经济效益和顶板维护效果方面，综采要优于大采高 综采。 1.2.