龙泉煤矿4号煤综放开采工艺参数研究.pdf

太原理工大学 硕士学位论文 龙泉煤矿4号煤综放开采工艺参数研究 姓名李鹏翔 申请学位级别硕士 专业采矿工程 指导教师田取珍 201205 太原理工大学硕士研究生学位论文 龙泉煤矿4 号煤综放开采工艺参数研究 摘要 煤炭资源是不可再生资源，因此在煤炭开采过程中我们应尽可能的提 高煤炭的采出率。在综放开采过程中合理的工艺参数能大大提高煤炭的采 出率。近年综放工作面机采高度有逐渐增大的趋势，这在一定程度上提高 了顶煤的冒放性、提高了煤炭的回收率，但随之也增加了煤壁片帮几率， 由于机采高度选择过大导致的顶板事故屡见不鲜。因此，这就要求我们必 须选择合理的机采高度，以实现安全高效和高煤炭采出率的统一，同时应 在采放比确定的前提下选取合理的放煤工艺参数，最大限度的提高项煤的 采出率，从而提高综放面煤炭的采出率。 本文针对龙泉煤矿4 号煤层的赋存情况，在详细分析前人已有研究成果 的基础上，首先运用F L A C 3 D 数值模拟软件，模拟并分析了龙泉煤矿4 号煤不 同机采高度下综放面端头、上部及中部顶煤及围岩屈服破坏规律、综放面 7 上部与中部顶煤及机采煤的超前支承压力分布规律，不同支护强度及不同 采高下的煤壁稳定性；其次运用相似模拟方法，模拟并分析了龙泉煤矿综 放面在机采高度3 ．5 m 时不同放煤步距下的煤矸运移规律及顶煤采出率；其 次运用P F C 2 D 数值模拟软件，模拟并分析了龙泉煤矿综放面不同放煤方式下 顶煤的采出率；最后分析了综放工作面顶煤损失的构成并提出了龙泉煤矿 提高顶煤采出率的措施。通过分析得到以下主要结论 1 、适当增加机采高度，工作面超前支承应力峰值点前移且峰值增大， 太原理工大学硕士研究生学位论文 项煤塑性破坏区域也随之扩宽，此时有利于顶煤的超前破坏。 2 、工作面端头与上部由于受到护巷煤柱等边界因素的影响，工作面推 进过程中采动影响比工作面中部较小，虽然煤层强度较低，但在2 ．5 m 机采 高度下，其上顶煤未完全屈服破坏，随着机采高度的增加，其上顶煤完全 屈服破坏。 3 、综合考虑顶煤的冒放性、煤壁的稳定性、提高资源回收率以及工作 面通风安全的需要，确定了龙泉煤矿综放工作面合理的机采高度为3 ．5 m ， 采放比为1 0 ．8 5 。 4 、确定了龙泉煤矿综放工作面合理的放煤工艺为“一采一放、单轮间 隔”，合理的支护强度为O ．8 5 M P a 棚．9 5 M P a 。 5 、提出了龙泉煤矿提高项煤回收率的具体措施。 关键词综放开采，工艺参数，顶煤采出率，工作面端头，数值模拟 、＼ R E S E A R C HO NP A R A M E T E RO P T I M I Z A T I O NI NF U L L Y M E C 丑A N I Z E DT O P ．C O A LC A V I N G F A C EO FL O N G Q U A N N O ．4C O A L ⅣⅡN E A B S T R A C T T h ec o a lr e s o u r c e sa r en o n r e n e w a b l er e s o u r c e s ，i nt h ec o a lm i n i n gp r o c e s s ， w es h o u l db ep o s s i b l et oi m p r o v et h er a t eo fc o a lm i n i n g ．I nt h ep r o c e s so f c a v i n gm i n i n gp r o c e s sr e a s o n a b l ep a r a m e t e r sc a ng r e a t l yi n c r e a s et h ec o a l r e c o v e r yr a t e ．I nr e c e n ty e a r s ，t h ec u t t i n gh i g h to ff u l l ym e c h a n i z e dc a v i n gf a c e ai n c r e a s eg r a d u a l l y , i tC a l le n h a n c et o pc o a lc a v i n ga n di m p r o v et h er e c o v e r y r a t eo fc o a lt oac e r t a i ne x t e n t ，b u ti tc a na l s oi n c r e a s et h ep r o b a b i l i t yo fc o a lw a l l s p a l l i n g ，t o o m u c h h i g hc u t t i n gh i g h t l e a dr o o fa c c i d e n to c c u r f r e q u e n t l y ．T h e r e f o r e ，i tr e q u i r e st h a tw em u s tc h o o s ear e a s o n a b l ec u t t i n gh i g h t t oa c h i e v et h es a f ea n de f f i c i e n th i g h d e g r e eo fu n i f o r m i t yt ot h eh i g h r e c o v e r y ．A t t h es a m et i m e ，C h o o s et h em o s tr e a s o n a b l ec a v i n g p r o c e s s p a r a m e t e r si n t h ec a s eo fc o a lc u t t i n gh e i g h th a v eb e e nd e t e r m i n e d ．I tC a l l i m p r o v e t h et o pc o a lr e c o v e r yr a t e ，t h e r e b yt h er e c o v e r yr a t eo ff u l l ym e c h a n i z e d c a v i n gf a c ec o a lh a v eb e e ni m p r o v e d ． o nt h eb a s i so ft h eL o n g q u a nc o a ls e a mo c c u r r e n c ea n dr e s u l t so fd e t a i l e d a n a l y s i so fp r e v i o u ss t u d i e s ．F i r s t , w es i m u l a t ea n da n a l y z et h ed e s t m c t i o ny i e l d I I I 太原理[ 大学硕士研究生学位论文 二二_ _ 二』 二二二二一 l a wo f f u l l ym e c h a n i z e dt o p c o a lc a v i n gf a c ee n da n dc e n t r a ls u r r o u n d i n gr o c k a n dt h el a wo f p r e c e d i n ga b u t m e n tp r e s s u r e sd i s t r i b u t i o no nw o r k i n gf a c ea n d t h el a wo fc o a lw a l lm o v e m e n tw i t hd i f f e r e n t s u p p o r t i n gs t r e n g t h ，d i f f e r e n t m i n i n gh i g h tb yu s i n gt h eF L A C 3 Dn u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o R w a r ei n4 t ho f L o n g q u a nc o a ls e a m ．S e c o n d ，u s i n gs i m i l a rs i m u l a t i o n ，s i m u l a t ea n da n a l y z et h e m o v e m e n tl a wo f t o p c o a la n dg a n g u ea n dt h et o pc o a lr e c o v e r yr a t ea td i f f e r e n t C o a ld r a w i n go nC u t t i n gH e i g h to f3 ．5 M e t e r s ．T h i r d ，u s i n gP F C 2 Dn u m e r i c a l s i m u l a t i o ns o f t w a r e ，s i m u l a t ea n da n a l y z et h et o pc o a lr e c o v e r yr a t ea td i f f e r e n t C a v i n gw a y ．o fL o n g q u a nc o a lm i n ef u l l ym e c h a n i z e dc a v i n gf a c e ．F i n a l l y , w e a n a l y z et h ec o m p o s i t i o nt h el o s so ft o pc o a lo f f u l l ym e c h a n i z e dt o p ．c o a lc a v i n g f a c ea n dP r o p o s e dm e a s u r e st o i m p r o v et h et o pc o a lr e c o v e r yr a t ea b o u t L o n g q u a nc o a l ．B ya n a l y z i n gt h ef o l l o w i n gm a i nc o n c l u s i o n sa r eg i v e n 1 、A p p r o p r i a t ei n c r e a s et h em i n i n gh e i g h t ，t h ep e a kp o i n to fp r e c e d i n g a b u t m e n tp r e s s u r e sw i l lf o r w a r da n di n c r e a s ea n dt o pc o a lp l a s t i cf a i l u r er e g i o n a l s ow i l lb ew i d e n e d ． 2 、A tt h em i n i n gh i g h t2 ．5 m ，a l t h o u g ht h es e a ms t r e n g t hi sl o w , w o r k i n g f a c ee n d sd u et of a c t o r so fP i l l a r , t h ew o r k i n gf a c ea d v a n c i n gm i n i n g e f f e c t s m a l l e rt h a nt h ef a c ei nt h em i d d l e ，t o pc o a la b o v et h eb r a c k e tn o tf u l l yp l a s t i c f a i l u r e W i t ht h ei n c r e a s i n go ft h e m i n i n gh i g h t ，t o p - c o a lo fw o r k i n gf a c eu p p e r a r ec o m p l e t e l yf a i l u r e ，a tt h es a m et i m e ，t h ee n d so ft h ew o r k i n gf a c eo b e s e r v e t h el a y , F r o mt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nt od e t e r m i n et h ef e a s i b i l i t yo f L o n g q u a n m i n ee n d sc a v i n g ． I V 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 、C o m p r e h e n s i v ec o n s i d e r a t i o no ft h et o pc o a lc a v i n g ，t h es t a b i l i t yo ft h e c o a lw a l l ，i m p r o v i n gr e s o u r c er e c o v e r yr a t e sa n dt h ev e n t i l a t i o na n ds a f e t yo f t h ew o r k i n gf a c e ，t h eL o n g q u a nc o a ls e a mr e a s o n a b l ea p h e r e s i sh e i g h ti s3 ．5 m ， c a v i n gt h a n i s1 O ．8 5 ． 4 、d e t e r m i n et h eL o n g q u a nC o a lM i n ec a v i n gW o r k i n gF a c eo fC u t t i n g H e i g h ti s3 ．5 m ．“m i n i n go n c ea n dc a v i n go n c e ’’a n d “s i n g l er o u n do fi n t e r v a l ” c a v i n gp a r a m e t e r s ，t h er e a s o n a b l es u p p o r ts 仃e n g t ho f t h eL o n g q u a nc o a ls e a mo f f u l l ym e c h a n i z e dc a v i n gf a c eO ．8 5 M P a q ．9 5 M P a ． 5 、d e t e r m i n eL o n g q u a nc o a ls p e c i f i cm e a s u r e st Oi m p r o v et h er e c o v e r yr a t e o f t o pc o a l ． K E YW O R D S F u l l ym e c h a n i z e d t o p c o a lc a v i n g ，P r o c e s sp a r a m e t e r s ， T o p c o a lr e c o v e r yr a t i o ，W o r k i n gf a c ee n dN u m e r i c a ls i m u l a t i o n V 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 ．1 选题背景及研究意义 第一章绪论 在我国，煤炭资源仍是近期的主导能源，它在我国一次性能源消费结构中占7 0 ％左 右【l 】。在我国已探明的1 1 4 5 亿t 煤炭储量中，煤层厚度大于5 ．O m 以上的煤层占煤炭总储量 的4 5 ％，硬度f 1 2 的中硬煤层占7 4 ．5 ％，近水平及缓倾斜煤层占5 0 ％左右【2 1 。目前开 采厚及特厚煤层的矿井主要应用了综采放项煤开采技术。 目前我国综放工作面平均回采率只有7 9 ％【3 】，综放面回采率维持在较低的水平，远 低于煤矿安全规定规定的厚煤层采出率不低于9 3 ％的标准，综放开采的煤炭采出率 有待进一步提高，研究表明选择合理的工艺参数能大大提高煤炭的采出率【4 】。一般来说 综放工艺参数主要包括工作面推进长度、工作面长度、采放比、放煤方式及放煤步距等， 但由于工作面推进长度和工作面长度大多已由井田边界、井田地质构造、采区边界及产 量限制等因素确定。因此，本文研究的工艺参数主要为采放比、放煤步距及放煤方式。 近年来随着机械装备水平的提高和放项煤技术的发展，机采高度有逐渐增加的趋 势，机采高度的增大有利于提高顶煤的冒放性、提高工作面的采出率和煤质，这在一定 程度上增加了煤炭的回收率，但是随着机采高度的增大，工作面煤壁越来越不稳定，甚 至出现煤壁偏帮，片帮程度严重时会诱发端面冒顶，严重时将导致顶板事故，给工作面 的安全造成很大威胁。因此如何正确的选择工作面合理的机采高度以实现安全高效和高 回收率的统一是摆在我们面前急需解决的问题。同时随着综放面采放比确定即机采高度 的确定，工作面煤炭的损失主要为放煤工艺参数选取不当造成的顶煤损失，因此研究合 理放煤工艺参数对提高顶煤采出率具有重大意义。 龙泉煤矿隶属于太原煤气化龙泉能源发展有限公司，根据煤炭工业太原设计研究院 编制的太原煤气化龙泉能源发展有限公司龙泉矿井初步设计及其批复，矿井设计生 产能力5 0 0 万t ，设计首采区为4 煤2 采区，设计首采面为4 2 0 1T 作面，工作面长2 5 0 m ，工 作面推进长度为2 3 1 8 m 。首采区内4 号煤平均煤厚6 ．4 7 m ，平均埋深4 0 0 m ，煤层倾角0 8 0 ， 普氏系数f l ～2 。煤层的项板为砂质泥岩、粉砂岩，局部为中细粒砂岩，岩性较硬，属 中难冒落；底板为砂质泥岩及中细粒砂岩，稳定程度属稳定。2 0 1 1 年6 月太原理工大 学编制了太原煤气化龙泉能源发展有限公司4 号煤层合理采煤方法的研究报告，确定 太原理工大学硕士研究生学位论文 了龙泉煤矿4 号煤层采用走向长壁综采放顶煤采煤法。为确定综放工作面合理的工艺参 数以实现龙泉矿井的安全高效与高煤炭采出率，太原煤气化龙泉能源发展有限公司特委 托太原理工大学对综放工艺参数进行专相研究。 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1 综放开采技术的研究现状与发展 l 、国外综放开采技术的发展与现状 2 0 世纪初，欧洲一些国家就已经开始使用放顶煤开采技术。在当时开采厚煤层时 由于受到技术条件的限制，回采时要预留一部分顶煤，这部分煤炭随着工作面的推进遗 留在采空区内，为了提高煤炭回收率，从采空区内“捡回”一部分煤炭，此种方式慢慢逐 渐发展成有意留顶煤采煤方法即放顶煤开采方法【5 】。2 0 世纪4 0 年代末，前南斯拉夫、法 国等国家正式开始应用放顶煤开采技术。前苏联于1 9 5 7 年研制成功了K 1 [ Y 型掩护式放顶 煤液压支架，该支架在库兹巴斯煤田的托姆乌辛斯克煤矿进行了工业实验，取得的良好 的效果。法国于1 9 6 3 年成功研制了“香蕉”形支撑掩护式放顶煤液压支架，该支架于1 9 6 4 年在布朗齐矿区进行了工业实验并获得成功，在此基础上法国又进一步研制成功了四柱 式支撑掩护式放项煤液压支架，2 0 世纪7 0 年代，法国的玛雷机械设备公司成功研制出了 F B 2 1 ．3 0 S 型掩护式放顶煤液压支架，英国道梯设备公司成功研制出了四柱掩护梁开天窗 式双输送机放项煤液压支架，前联邦德国赫姆夏特煤矿设备公司成功研制出了B S 2 ．2 型 多种放煤支架，匈牙利研成功制出了单输送机开天窗式V H P 型放顶煤液压支架。这些放 项煤液压支架的研制成功和发展，很大程度上推动了放顶煤开采技术和设备的发展和完 善【6 】o 此后，印度、波兰等国也使用过综放技术，但效果不够理想，从2 0 世纪8 0 年代中期 开始，放顶煤的工作面由于受到多方面的影响变得越来越少，综放开采开始萎缩，综放 开采技术在国外应用和发展停滞不前，综放工作面的产量与工效等主要经济技术指标均 未得到很好的改善，国外应用放顶煤技术的矿井越来越少，这就是人们常说的欧洲综放 开采技术发展‘‘由热到冷’’的现象【7 】，到上世纪9 0 年代初国外只有法国、前南斯拉夫、俄 罗斯、匈牙利等国的少数矿井应用综放开采技术[ 8 1 ，至U 1 9 9 2 年随着俄罗斯最后一个综放 面的停采，至此，我国成为了世界上唯一使用长壁放顶煤开采技术的国家【9 1 。 2 、国内综放开采技术的发展与现状 我国1 9 8 2 年从前苏联开始引进综采放顶煤采煤技术，在辽宁沈阳矿务局蒲河矿试验 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 成功。1 9 8 2 年9 月，北京开采研究所和沈阳煤研所开始自主设计我国第一套放顶煤液压 支架，1 9 8 4 年4 月，全国首个综放工作面下井进行工业性实验，由于支架设计缺陷、生 产管理经验不足、自燃发火等原因导致实验效果不理想。1 9 8 6 年3 月又在窑街矿务局二 矿的急倾斜煤层进行了水平分段综放开采的工业性，取得了成功，为急倾斜厚煤层的开 采开辟了一条新途径。综放开采技术先后在乌鲁木齐、阳泉、平顶山、铜川、鹤岗、辽 源等国有重点煤矿，取得了较好的经济技术效果。1 9 9 1 年阳泉一矿综放工作面得了月产 1 4 万t 的创记录的成绩，使国人看到综放开采高产高效的前景。进入2 0 世纪9 0 年代以来， 我国综放开采技术得到了快速发展，综放开采逐步开始应用于开采复杂地质条件下的特 厚煤层。如综放开采技术在大同矿区“两硬”煤层的应用、郑州矿区的“三软”煤层应用等， 都取得了较好的经济效益和社会效益。1 9 9 4 年我国制定了综合机械化放顶煤开采技术 暂行规定标志着我国综放开采技术走向了正轨化。自1 9 9 4 年以后，综放工作面个数逐 渐增加，至U19 9 7 年全国有9 2 个综放工作面，占总采煤面的4 ．4 ％，放顶煤产量达至U 6 6 0 9 ．4 万t ，占全国煤炭总产量的1 3 ．5 4 ％。2 0 0 0 年在7 8 个创产量综采队中，综放开采占3 2 个， 其中产量超过2 0 0 万t 的有1 2 个，2 0 0 4 年兖州东滩矿综放面选用Z F S 7 2 0 0 型液压支架、 M G T Y 4 0 0 ／9 3 0 ．3 ．3 D 型采煤机、S G Z 一1 0 0 0 ／1 0 5 0 型刮板输送机，创造了年产6 5 8 ．1 5 万t 的世 界记录【l0 1 。近年来，随着机械装备水平的提高和放顶煤技术的发展，综放逐步向大采高 综放迈进，逐渐涌现出一大批千万吨级矿井如大同塔山煤矿、神东保德煤矿、平朔安家 岭煤矿等，大采高综放加大了机采高度有利于工作面煤炭回收率的提高和工作面通风安 全，大采高综放是综放开采发展的趋势。综放技术通过在我国近3 0 年的试验、发展与推 广提高，逐渐形成了自己独特的综放开采技术，目前中国综放工作面的单产与效率已达 到国外高产高效单一长壁工作面的世界水平，2 0 0 5 年兖矿集团的向世界著名综采设备制 造厂商德国D B T 公司成功转让‘‘两柱式综采放顶煤液压支架”技术，这是我国煤炭行业首 次向国外输出采煤技术，为中国煤炭工业向海外输出技术、走出国门开辟了先河。 1 ．2 ．2 综放开采工艺参数及顶煤采出率技术的研究现状与发展 1 国外研究现状与发展 综放开采技术由于在国外没有大量使用，国外对理论研究主要集中在几个综放面的 实测的项煤运移规律上，具体针对工作面工艺参数及采出率的研究比较少。前苏联的马 拉霍夫通过实验，研究并提出金属矿放出规律的相关理论，以此寻求减少放矿损失和贫 化的途径【1 1 1 ，他的研究成果为放顶煤开采工作面的参数确定及提高顶煤采出率提供了许 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 多参考。国外对放顶开采技术的研究，最具有代表性的是法国的J ．P ．皮凯针对布朗基煤 田达尔西矿综放面所做的相关研究。他主要观测和研究了达尔西矿综放面顶底板移近 量、顶煤运移规律等。研究认为，达尔西矿综放面顶底板移近量较大，在采空区内顶煤 的垂直位移达到了1 m ，水平位移量达N T o ．5 m ，顶煤始动点位置距离煤壁约为6 m 。同 时顶煤的运移使工作面周边的煤体变得更加松动，影响煤壁的稳定【1 2 】。研究还表明【1 2 】， 机采高度是控制放顶煤破碎机理的重要参数，在达尔西矿合理的机采高度为2 S 4 m ，放 煤高度％l O r e ，而在利卡尔矿综放工作面机采高度2 ．5 m ，放煤高度为2 ．5 m 。 2 国内研究现状与发展 2 0 世纪8 0 年代后，世界综放开采的技术与理论发展主要集中在我国，我国的综放丌 采技术研究和相关理论目前均位居世界领先水砰。综放开采在我国已经有了近3 0 年的发 展历程，我国对综放开采工艺、顶煤运现规律、矿山压力测试、综放工作面防火和防尘 及防治瓦斯的安全技术等方面进行了大量的试验研究和科技攻关工作，取得了一大批科 研成果。就优化综放工作面工艺参数及提高顶煤采出率课题，科研工作者也进行了很多 相关研究，主要相关研究进展情况如下 国内学者把金属矿山开采应用的放矿椭球体理论引用到了煤矿综放工作面顶煤放 出规律的研究中，把顶煤抽象成松散的理想介质，初步形成了放煤椭球体理论，对放煤 方式、放煤步距等进行了研究，并得到了一些有益的结论。 山东科技大学的樊可恭教授应用巴厘石作为矸石和顼煤破碎后的相似模拟材料，针 对顶煤冒放规律进行了的相似模拟实验。主要得出了，若顶煤破断角t r _ 9 0 0 ，则放煤椭 球体较为完整；若口 9 0 。，则受顶煤破断角、顶煤高度以及支架放出口位置等因素的 影响，放煤椭球体为偏向采空区侧的不完整椭球【1 3 】。 太原理工大学的宋选民教授针对项煤破碎块度与支承压力、裂隙发育程度、煤体强 度的相互关系做了相似模拟实验研究。研究结果表明，支承压力分布规律、煤层强度以 及裂隙发育程度对顶煤破碎程度有着决定性的影响，得出了煤体破碎加权平均块度预测 的公式【1 4 1 。 中国矿业大学的王家臣教授在大量的实验基础上提出了顶煤放出的散体介质流理 论，该理论认为顶煤放出实质分为两个阶段，即初始放煤阶段、正常放煤阶段，项煤放 出过程从直观上看顶煤分为初始放煤阶段和正常放煤阶段，初始放煤时，散体顶煤自然 流动放出，放煤停止时，形成的放煤漏斗，放出过程类似于单口放煤的规律，如图1 - 2 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 所示，顶煤放出量为【1 5 l H s g 詈田 1 - e 2 y H l 2 3 7 △坦 图卜1 单口放煤时的煤岩移动规律 1 一移动漏斗；2 一降落漏斗；3 一破裂漏斗 Q f 一放出椭球体；Q s 一松动椭球体；Q 一放出量 F i g ．1 一lac o a lo f c o a la n dr o c km o v e m e n tr e g u l a r i t y 随着工作面的推进，放煤过程逐渐进入正常阶段，在放煤工艺过程中，当前一个放 煤循环放煤结束后支架前移形成了下次放煤的起始边界线，当后一个放煤过程结束后 不移架 ，形成了放煤终止边界线，如图1 - 2 所示。单位长度放出量可由分块积分确定， 放出煤量Q 为[ 1 6 】【1 7 1 Q 【e 正 y 咖一鬈互 y 咖一 譬鼻 y 咖一f f f F 3 y d ] Y 1 2 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 残留煤量 图卜2 放出量的理论计算 s 一放煤口水平投影长度；L 一放煤步距；F 1 一放煤起始边界 线函数；F 2 一放煤终止边界线函数F 3 一煤岩分界线线函数 F i g ．1 - 2r e l e a s et h ea m o u n to ft h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n s 煤科总院的史元伟教授，通过现场实测项煤的运移规律及分析前人的研究成果，主 要得出在顶煤厚度小于3 m 时，采用间隔放煤方式回收的顶煤量大于顺序放煤方式回收的 顶煤量，当顶煤厚度大于3 , - 4 m 时，一次性将顶煤放出会增大项煤的混矸率，应当采用 多轮方煤方式[ 1 8 1 【1 9 】。 1 9 9 8 年，山东宁阳保安煤矿的程洪良针对复杂地质构造条件下放顶煤丌采的工艺参 数进行了研究，提出了减小区段煤柱尺寸，两刀一放单轮间隔的放煤方式，仰斜开采等 措施，提高了该矿3 号煤层顶煤的采出率【2 0 】。 2 0 0 0 年，兖矿集团兴隆庄煤矿王永信结合兴隆庄煤矿5 3 0 6 - 1 - 作面的具体情况，对影 响综采放顶煤回收率的主要因素进行了分析，总结出提高回采率必须根据具体的煤层 地质条件，认真研究项煤活动规律的基础上，确定合理的采高、放煤步距、放煤方式， 降低工作面初末回采损失；降低工作面上部不放煤损失和护巷煤柱的相对损失率，尽量 采用留窄煤柱的沿空掘巷，减少煤柱损失的绝对量；对于生产中的采区，应强化职工的 培训，加强综放面技术管理，提高生产工艺各环节的质量【2 1 1 。 2 0 0 1 年，晋煤集团的李书平等人，针对集团公司凤凰山矿和古书院矿综放工作面顶 煤采出率较低的状况，分析了放煤方式、采放比、煤体裂隙发育分布规律对顶煤采出率 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 的影响并提出了提高顶煤采出率的措施【2 2 1 。 2 0 0 4 年兖州煤业公司东滩矿的李伟清等，为了实现东滩矿综放工作面推出切眼锚网 区后即能开始放煤，对开切眼顶板进行了爆破处理，减少了直接顶的初次垮落步距，减少 初采顶煤损失，多采顶煤近1 万t ，取得了较好的经济效益【2 3 1 。 2 0 0 4 年兖州煤业公司鲍店矿的李剑峰，针对当时放煤上部支架技术尚不成熟的情况 下，改造了不具放煤功能但结构合理、整体稳定的Z F G 5 4 0 0 型过渡支架，使其改造程成 可放煤的上部支架，实现了该矿上部顶煤采出率零的突破，上部顶煤采出率由0 提高至 7 0 ％左右，整个综放面煤炭回收率提高了2 0 ％左右【2 4 J 。 2 0 0 7 年，鹤岗矿业集团公司益新煤矿的王继仁研究了放顶煤开采块度对顶煤放出率 的影响，从上覆岩层运动的角度出发，阐述了顶煤的变形规律，进而运用散体相似模拟 试验研究了不同项煤和直接项块度对顶煤放出率的影响。经过分析得知，顶煤放出率的 高低和顶煤、直接顶的块度密切相关，而它们的块度大小又受到上覆岩层运动的影响， 通过分析实验结果，王继仁提出许多针对益新煤矿提高顶煤采出率的具体措施【2 5 1 。 2 0 1 0 年毛增雪等人针对陕西彬县煤炭有限责任公司下沟煤矿1 6 ．8 m 厚煤层综放开采 煤炭采出率低的问题，分析顶煤损失的主要构成及其形成原因，提出了提高项煤回收率 的措施加长工作面推进长度以及工作面长度，综放面上部选用了可放煤的 Z F T Z l 3 0 0 0 ／2 3 ／3 4 型液压支架，使工作面上部实现放煤功能，放煤步距采用“两采一放” 的方式，顶煤回收率从7 5 ％提高到8 9 ％E 2 酬。 2 0 1 1 年山西省煤炭管理干部学院的张世豪讲师通过对阳泉三矿1 5 号煤层放顶煤开 采的相似模拟和现场实验，当煤层厚度在“8 m 范围时，采放比对其顶煤的冒放性影响 较大，当采放接近1 1 ，顶煤的冒放性越好。同时他认为当顶煤冒放性较好时，为了充分 发挥放顶煤的优势，提高块率，降低能耗，采放比可以选择小一些，当顶煤冒放性相当 较差时，为了提高煤炭采出率，采放比应选择较大一型2 7 】。 2 0 1 1 年太原理工大学的代金华等，通过数值模拟研究了斜沟煤矿1 4 ～2 0 m 特厚煤层不 同机采高度下的顶煤屈服破坏规律，得出不同煤层厚度下合理的机采高度，研究表明项 煤的破碎与机采高度只有在一定机采高度范围内呈正比例变化【2 8 1 。 1 ．3 研究的主要内容与方法 根据综放面煤炭采出率较低的实际情况，针对山西太原煤气化龙泉能源发展有限公 司4 号煤层的具体情况，采用现场取样和数据实测、理论分析、数值模拟、相似模拟相 7 太原理[ 大学硕士研究生学位论文 结合的方式，主要研究内容如下 1 、数值模拟研究不同机采高度下工作面上部与中部支架上方项煤的屈服破坏特征． 分析项煤在不同机采高度下的冒放性。 2 、数值模拟研了同机采高度下工作面上部与中部顶煤和机采煤的超前支承压力分 布规律。 3 、数值模拟研究不同支护强度、不同机采高度下煤壁的稳定性。 4 、相似模拟研究龙泉煤矿3 ．5 机采高度下，不同放煤步距下煤矸的运移规律、顶煤 放出量。 5 、数值模拟研究龙泉煤矿综放面合理的放煤方式。 6 、顶煤损失的构成及提高顶煤采出率的措施。 1 ．4 研究的技术路线 深入龙泉煤矿现场进行调研现场钻取4 号煤层顶底板围岩岩芯及4 号煤层煤样 煤岩物理力学性质试验数值模拟相似模拟理论分析得出结论。 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章龙泉煤矿4 号煤层地质条件及岩石力学实验 2 ．1 煤层赋存条件 2 ．1 ．1 井田概况 1 ．交通与位置 龙泉井田 以下简称井田 位于山西省中部的娄烦县境内，新舍科．上龙泉．下静游 村一带，行政区划属娄烦县龙泉乡管辖。地理坐标北纬3 8 。0 8 ’5 0 ”．3 8 。1 1 ’5 3 ”，东经 1 1 1 0 4 5 ’0 4 ”．1 l 1 0 5 0 ’58 f ，。井田位于娄烦县城北l O k m 处，忻州一静乐一娄烦一古交一太原 公路从井田的东边界外经过，在忻州、太原两地分别与同蒲线、石太线铁路相接。全井 田四周均为人为边界，呈不规则的多边形，南北宽约5 k m 、东西长7 k m ，面积3 5 ．2 3 7 9 时。 井田煤炭外运初期以公路为主，后期与太 原 一古 交 岚 县 铁路同步建 设，修建一条与下花园车站接轨的l O k m 长的矿区铁路专用线。井田内各村庄之间有县、 乡级公路相通，交通便利。 2 、地形地貌 本井田位于吕梁山脉的芦芽山南部的丘陵区，属典型黄土梁峁地貌。地势总体为南 高北低，西高东低，最低点位于井田东部边界处，标高11 2 0 m ，最高点位于井田西南部 边界处，标高1 3 6 2 m 。最大相对高差2 4 2 m 。 3 、水系 井田东部的汾河为黄河水系。汾河源于宁武县管涔山，由东寨经静乐向南，在本井 田外东南 2 k m 左右 注入汾河水库。汾河水库历年最高积水线为1 1 3 0 m 。汾河南下至 河津注入黄河，汇水面积2 7 9 9 k m 2 。历年最大流量2 2 3 0 m 3 ／s ，最小流量O ．1 9 m 3 ／s 。 井田内较大的河谷为岚河，在井田东部流过。岚河源于岚县白龙山，经岚城、东村 折而流向东南，在下静游汇入汾河。全长5 6 ．7 k m 。雨季最大流量8 7 4 ．O m 3 ／s ，旱季流量 锐减，甚至干涸。历年平均流量2 ．2 5 m 3 ／s 。 井田内龙泉川为岚河支流，在井田中北部由西边界流入，汇入岚河，该河谷全长 2 8 k m ，流域面积约1 6 7 k m 2 ，其上游可见细小泉水，流经奥陶系地段便渗入地下。井田 内以第三、四系泉水为主，汇成小溪后在井田内汇入岚河。 9