大倾角薄煤层群联合开采研究.pdf

万方数据 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 I 大倾角薄煤层群联合开采研究 摘 要 随着易采煤层资源的不断减少，难采煤层逐渐成为煤矿面临 的难题，因此难采煤层的理论研究和技术应用越来越受到重视， 本文以大倾角薄煤层群联合开采布置方式为主要研究内容，旨在 能够解决薄煤层群在大倾角条件下联合开采遇到的一些难题。 本文研究的主要内容有1薄煤层群联合开采在大倾角条件 下工作面的布置方式； 2薄煤层综合机械化开采对工作面 “三机” 的技术要求以及综采设备在大倾角煤层条件下的适应性和稳定性 分析；3薄煤层群联合开采条件下，上煤层工作面与下煤层工作 面的合理错距的确定；4上下煤层工作面回采巷道位置的合理布 置，以及保护煤柱留设宽度的确定。针对以上四个方面的研究内 容，提出工作面不同的布置方案，对其分别在技术、经济等方面 进行比较，同时也建立相应的力学模型进行分析和数值计算，最 后在本文的第六章结合潞安五里堠煤矿的实际案例，进行井下测 站测点的布置，然后实测数据并绘制曲线对研究结论进一步分析 和验证。 通过理论研究和现场实测，本文得出了关于大倾角薄煤层群 联合开采条件下一些可行的结论1在煤层倾角大于 20的条件 下，工作面采用伪俯斜布置、回采巷道端头与工作面垂直、推进 方向与煤层走向保持一定夹角的布置方式是理想的工作面布置方 案之一；2建立力学模型进行分析，并提出大倾角工作面液压支 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 II 架、刮板输送机和采煤机保持稳定而不发生下滑、倾倒的临界条 件；3薄煤层群联合下行开采，层间距在 6m-8m 条件下，上煤层 工作面超前于下煤层工作面推进的合理错距范围为 28m-33m； 4） 在煤层群层间距小于 8m 的条件下， 以上煤层作为参考， 上下煤层 回采巷道采用内错式布置更加合理；以潞安五里堠为例计算，上 煤层相邻回采巷道煤柱留设为 7m，下煤层相邻回采巷道煤柱留设 为 27m。 本文的研究成果不仅丰富了大倾角薄煤层群联合开采领域的 理论知识，而且可以为其他类似条件的煤矿开采提供参考和借鉴。 关键字 大倾角，薄煤层，联合开采，错距 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 III RESEARCH ON COMBINED MINING OF LARGE INCLINED ANGLE AND THIN COAL SEAMS ABSTRACT With the decrease of coal seam resources, the difficult coal seam is becoming a difficult problem in coal mine.Therefore,the theoretical research and technical application of coal seam layers is paid moreand more attention. The research contents of this paper mainly include four aspects First, the layout of working face under the conditions of large dip angle in mining with thin coal seams; Secondly, the technical requirements of“three machines”quipments ,and also analysis of suitability and stability under conditions of large dip angle coal seam; Thirdly, under the condition of joint mining of thin coal seams, the reasonable distance between the upper working face and the lower working face; Fourthly, reasonable arrangement of roadway location, and the determination of reservedpillar width. In view of the above four aspects , putting forward different arrangements for the working face, respectively compared in terms of technology, economy and other aspects, but 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 IV also to establish a corresponding mechanical model for analytical and numerical calculations , Finally ,in the sixth chapter of this article,taking Luan Wulihou coal mine as the actual example,according to the arrangement of under ground measuring station and point,and then measured data to draw the curve to further study and verify the conclusions .Through theoretical research and field measurement, some feasible conclusions are obtained in this paper. First, under the condition that the coal seam inclination is greater than 20 degrees,the layout of the working face is one of ideal choices, for the working face to adopt pseudo inclined arrangement, the end of the mining roadway is perpendicular to the face, the thrust direction and the direction of coal seam to maintain a certain angle. Secondly, the mechanical model is established and analyzed. Putting forward the critical conditions of the hydraulic support, scraper conveyer and Shearer keep stable without sliding and dumping . Thirdly, the reasonable range of the upper working face ahead of the lower working face is 28m-33m under the interlayer space in 6m-8m. Fourth, under the condition that the interlayer space of coal seam group is greater than 8m, it is more reasonable for the lower coal seam to adopt the internal malposition for the upper and lower coal seam recovery roadway. Taking Luan Wulihou as an example, the upper working face of adjacent mining roadway is set to 7 m,the lower is set to 27m. 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 V The research results of this paper not only enrich the the oretical knowledge in the field of joint mining of large dip and thin coal seam, but also provide reference for other similar conditions of coal mining. KEY WORDSlarge dip angle,thin coal seam, joint mining, malposition 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 VI 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 VII 目录 摘 要..................................................Ⅰ 目 录..................................................Ⅶ 第一章 绪论 ........................................... 1 1.1 概述 .................................................................................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状 ........................................................................................................................ 1 1.2.1 相关基本概念................................................................................................................. 1 1.2.2 大倾角薄煤层群联合开采工作的研究成果 ............................................. 2 1.3 大倾角薄煤层群联合开采实践存在的问题 ............................................................ 7 1.3.1 联合开采工作面布置存在的难题.................................................................... 7 1.3.2 大倾角工作面布置存在的难题 ......................................................................... 8 1.4 本文的主要研究方法与内容 .............................................................................................. 9 第二章 大倾角薄煤层群工作面合理布置方式的研究 ......... 11 2.1 概述 .................................................................................................................................................11 2.2 采煤工作面常见的布置方式 .........................................................................................12 2.3 走向长壁工作面的布置方案比较 ..............................................................................13 2.4 倾斜长壁工作面的布置方案比较 ..............................................................................15 2.5 伪俯斜开采和仰伪斜开采的理论分析及计算....................................................17 2.5.1 伪俯斜工作面伪斜角度和超前距离的分析确定..............................17 2.5.2 仰伪斜工作面伪斜角度和超前距离的分析确定..............................21 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 VIII 2.5.3 工作面布置方案的最终确定 ............................................................................23 2.6 本章小结 .........................................................................................................................................24 第三章 大倾角薄煤层群工作面综采设备稳定性分析 ......... 25 3.1 大倾角薄煤层工作面综采设备的特点 ...................................................................25 3.2 大倾角薄煤层工作面液压支架的稳定性分析 ..................................................28 3.2.1 液压支架的力学模型.............................................................................................28 3.2.2 液压支架的受力分析.............................................................................................30 3.2.3 液压支架的控制措施.............................................................................................32 3.3 大倾角薄煤层工作面采煤机的稳定性分析........................................................33 3.3.1 大倾角薄煤层工作面采煤机的力学模型及受力分析 ....................33 3.3.2 大倾角薄煤层工作面采煤机的控制措施 ................................................36 3.4 大倾角薄煤层工作面输送机的稳定性分析...47 3.4.1 大倾角薄煤层工作面输送机的力学模型和受力分析 ..................38 3.4.2 大倾角薄煤层工作面输送机的控制措施 ..............................................39 3.5 本章小结 ......................................................................................................................................40 第四章 大倾角薄煤层群联合开采工作面合理错距研究 ....... 43 4.1 概述 .................................................................................................................................................43 4.2 工作面概况和生产条件 ......................................................................................................43 4.3 上煤层工作面开采对底板岩层应力传递影响范围.........................................45 4.4 联合开采方案的分析论证.................................................................................................47 4.4.1 同一区段上下工作面错距的两种理论分析 ..........................................47 4.4.2 同一区段上下工作面错距的两种方案及计算 ...................................47 4.5 联合开采方案的可行性论证 ...........................................................................................51 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 IX 4.5.1 减压区布置工作面的论证..................................................................................51 4.5.2 稳压区布置工作面的论证..................................................................................52 4.5.3 分析论证结论..............................................................................................................52 4.6 本章小结........................................................................................................................................52 第五章 大倾角薄煤层群联合开采巷道合理布局研究 ......... 55 5.1 工作面概况 ..................................................................................................................................55 5.2 大倾角薄煤层群联合开采巷道布置形式 .............................................................55 5.2.1 采动引起的底板岩层应力分布规律..........................................................55 5.2.2 下煤层工作面回采巷道的位置及布置类型.........................................57 5.2.3 上下煤层工作面区段煤柱留设宽度的计算.........................................58 5.2.4 上下煤层回采巷道合理错距的确定..........................................................59 5.3 上下煤层回采巷道布置方案的最终确定 .............................................................60 5.4 本章小结 ......................................................................................................................................61 第六章 五里堠煤矿大倾角薄煤层群联合开采研究 ........... 63 6.1 矿井概况 ......................................................................................................................................63 6.1.1 井田位置 .......................................................................................................................63 6.1.2 煤层分组、分层关系和开采顺序 ............................................................63 6.2 采煤方法 ......................................................................................................................................65 6.2.1 工作面概况..................................................................................................................65 6.2.2 工作面设备选型 ......................................................................................................65 6.2.3 回采工艺 .......................................................................................................................67 6.3 大倾角薄煤层群联合开采矿压显现规律 .............................................................68 6.3.1 测点布置与仪器安装 ...........................................................................................68 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 X 6.3.2 上煤层工作面矿压显现规律分析 ...............................................................69 6.3.3 下煤层工作面矿压显现规律分析 ...............................................................70 6.4 本章小结 ......................................................................................................................................72 第七章 研究结论和展望 ................................ 75 7.1 主要的研究结论 .....................................................................................................................75 7.2 不足与展望.................................................................................................................................76 参考文献...............................................79 致谢...................................................85 攻读学位期间发表的学位论文.............................87 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 第一章 绪论 1.1 概述 我国煤炭资源丰富，储量大、品种多，其中薄煤层的储量接近 20，并且 分布广泛，在我国各大主产煤区都有薄煤层的分布，但是随着近十来年煤炭行业 的快速发展，产能急剧扩张，条件较好的易采中厚及厚煤层被大肆开采，而薄煤 层的开采却与之不相适应，回采的产量占总产量的比重越来越低，同时由于薄煤 层受采掘空间的限制，一直是煤矿开采的薄弱环节，经济效益差，特别是针对大 倾角薄煤层的开采更是难上加难，好多矿井弃之不采，造成了煤炭资源的浪费， 因此在当今资源越来越稀缺的时代，我们应该加大对薄煤层的技术研究。 多年来，薄煤层以及大倾角煤层的关键理论和重要技术研究程度不足，研究 进展缓慢，但是大倾角薄煤层由于储量可观，分布广泛，逐渐受到了煤矿开采行 业的重视，若是能结合薄煤层群和大倾角工作面遇到的各种难题，对我国煤炭工 业的发展具有关键的意义。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 相关基本概念 在我国，通常认为把厚度小于 1.3m 的煤层划归为薄煤层，一般认为，厚度 小于 0.8m 的煤层属于极薄煤层。薄煤层在我国的总储量中占 20左右，与其在 总产量的比重相比比例太小[1-2]。 对于煤层群的定义， 煤矿技术人员和煤矿技术专家目前还没有形成统一的定 义，大多是根据实际经验，对其作一个笼统的解释。我国煤矿安全规程中关于对 煤层群的定义为煤层间距较小，在开采过程中相互影响较大的煤层。而关于影 响程度的判别条件，一直没有形成标准的依据。前苏联学者葛尔巴节夫在上世纪 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 五十年代在研究总结煤矿开采经验的基础之上， 以下层煤开采对上层煤产生的影 响程度来确定上行开采煤层群应满足的基本条件。 大倾角煤层是指埋藏倾角为 20 55 的煤层，是采矿界公认的难采煤层，而 且煤层的赋存条件复杂，开采难度大，必须形成大倾角煤层综采的核心技术，对 保证矿井的安全生产具有重要的意义[3-4]。 1.2.2 大倾角薄煤层群联合开采工作的研究成果 李加林、李强等[5]研究了薄煤层大倾角综采工作面采煤机的关键技术，对采 煤机适应薄煤层开采条件的结构进行了分析， 对采煤机在工作面俯斜开采和上行 割煤进行了受力分析，研究了采煤机的防滑装置和遥控器技术，通过 MG/495-QWD 型采煤机的关键技术在雷公山煤矿薄煤层大倾角工作面的应用研 究，为薄煤层大倾角采煤机的研究和设计提供了参考和借鉴。 邵洪杰、 马从明[6]根据大倾角薄煤层的特点,对淮南矿业集团谢家集第一煤矿 进行了回采工艺方案的安全经济技术比较 ,选择了综采工艺开采大倾角薄煤层 保护层 ,通过对综采三机配套的合理选型及在回采过程中的有效管理 ,使综采工 艺开采大倾角薄煤层保护层在 5111C15 工作面获得了成功 ,并为今后采用综采 工艺开采薄煤层及瓦斯治理技术方面积累了一些经验。 卓军、王灿华[7]针对大倾角薄煤层工作面复杂的地质特点，采用四川华蓥山 广能公司自主研制的 MG200/495-QWD 内牵引双滚筒采煤机、ZY3500/07/15Q 型防倒防滑式顶梁掩护式液压支架、 SGZ730/2x200 型中双链刮板输送机综采配 套设备，在雷公山煤矿进行了现场试验，结果表明工作面开采自动化程度大幅提 高，“三机”设备配套合理，成功实现了厚度小于 1 m、倾角小于 45 的大倾角薄 煤层综合机械化开采;试验期间工作面安全推进 580m， 工作面最大月产量3万t。 王金城[8]针对开滦东欢坨矿大倾角薄煤层综合机械化开采工作面，选用 ZY 2800 - 10 /23 轻窄型掩护式液压支架, 并在此基础上的综采“三机”配套是合理的, 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 支架具有易拆装、 重量轻以及抗倒防滑性能, 能有效控制顶板, 矿井工作面取得 了明显的经济效益, 采取的技术措施确保了安全快速开采, 为该矿进一步加快薄 煤层开采, 解决资源回收及解放下位煤层 , 创建“高产高效”矿井提供了保障， 为该矿 11 S 、12 S- 1 薄煤层机械化开采积累了经验, 为薄煤层尤其是大倾角较 薄煤层综采开辟了一条高效的技术途径。 王红伟、 伍永平等[9]对大倾角变角度综放工作面顶板运移与支架稳定性进行 了分析，覆岩空间垮落呈现非对称拱壳形态，倾向不同区域覆岩运动分区特征明 显，易形成由悬臂梁和倾斜砌体组成的弯梁结构。工作面的支架受力沿倾斜方向 具有分区特征和不均衡特征，工作面下部区域的支架工作状态较好，上部区域的 支架状态较差，在角度变化的过渡区域支架因为空载容易发生下滑、咬架和倒架 的现象。 张百胜， 杨双锁， 康立勋等[10]针对极近距离煤层回采巷道位置的进行探讨， 研究分析了煤柱支承压力在底板的规律， 表明煤柱底板的应力分布具有明显的非 均匀特性，同时分析了巷道在非均匀应力状态下变形和破坏的原因，得出在非均 匀荷载作用下，巷道支护结构更容易出现局部过载，产生局部破坏，导致支护结 构失稳。提出在布置下部煤层回采巷道中，除避开底板应力增高区外，还应当考 虑应力状态非均匀性的影响。 提出采用应力改变率确定极近距离下部煤层回采巷 道的合理位置方法，并通过现场实践证明该方法有效。 黄万朋、邢文彬、郑永胜等[11]针对近距离煤层上行开采巷道合理布局进行 了研究，分析得出近距离煤层上行开采时候，下层煤采动形成的裂隙带综合特征 和集中应力分布是影响上层煤合理布局的重要因素。 采用井下仰斜钻孔注水漏失 量观测法探测裂隙带， 采用数值仿真模拟可以得到上层煤体内外应力场分布范围， 可以为巷道的合理布局提供依据。考虑裂隙带的影响特征，上层煤巷道布置在内 应力场的应力降低区是比较合适的。 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 潘国平，贾帅[12]研究了杜儿坪矿近距离煤层联合开采下层煤回采巷道的合 理布置，文章通过对上层煤柱的稳定性分析，以及不同布置方案的比较指出上层 煤采空区中煤柱保持稳定的最小宽度为 17.5m，南九 2 号煤工作面留 30m 煤柱 的情况下 2 号煤层中煤柱处于稳定状态， 最终确定重叠式布置比以往内错式布置 煤柱尺寸减少 10m，单工作面多煤炭约 8 万吨，创造经济效益约为 4000 万元。 罗代洪[13]通过对赵家坝急倾斜近距离煤层群巷道合理布置的研究指出根 据开采围岩的应力重新分布特征及工作面合理尺寸的计算公式得出采用上下煤 层水平布置的方式，支撑压力的峰值距离工作面上端头为 8.51m，距离工作面下 端头为 8.52m，最终确定了煤柱尺寸为 10m，现场实测最大支撑压力范围和煤 柱尺寸吻合，能够满足实际的生产要求，使经济效益达到最佳。 林忠明、陈忠辉、谢俊文等[14]提出了针对大倾角综放开采液压支架的稳定 性分析和控制的措施，大倾角综放工作面由于沿倾向顶板拱的形成，承受更多的 上部压力，矿压显现不明显，但是由于各种因素都可能影响支架的稳定和开采进 度，要求对顶板的管理严格，控制支架的工作状态和支架的工作状态，出现不正 常情况及时纠正，优化开采工艺，严格作业规程，实现大倾角综放的安全高效开 采。 吴锋锋，刘长友，李建伟[15]针对刘东煤矿 72 煤层典型“三软”大倾角厚煤 层的开采条件， 采用理论与现场实测结合的方法研究了工作面组合液压支架的稳 定性和适应性。结果表明，组合液压支架的稳定性与初撑力、不均衡系数、支柱 迎山角和煤层倾角有关；稳定性随着增大而增强，随煤层倾角变大而降低，适当 增大下侧支柱的初撑力有助于提高支架稳定性， 控制支柱迎山角时大倾角煤层条 件下提高支架稳定性的重要保证之一。在刘东煤矿的条件下，支柱迎山角宜 6 左右，适应的最大煤层倾角为 36.48。 彭明启，薛道寒[16]针对大倾角松软煤层综放支架的倾倒影响因素进行了分 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 5 析，指出控制支架稳定性的关键在于保证支架与顶板的良性接触关系。支架的初 撑力和工作阻力如果达不到要求，顶板对支架的约束效应弱化，支架和围岩的关 系破坏，在移架过程中容易发生倒架。 自下而上的放煤顺序会为上方支架的破碎顶煤的向下滚动提供“运动空间” 对支架产生侧向冲击，加剧支架倾倒。支架的支撑高度是影响支架稳定性的重要 因素，在松软煤层条件下通过增大支架支撑高度会导致支架的稳定性降低。大倾 角松软煤层条件下，不能一味通过提高初撑力保证支架的稳定性，要同时兼顾支 撑高度的控制。 石建军、师浩宇等[17]对大倾角综采工作面的液压支架的选型参数进行了设 计，通过分析整理观音山煤矿的实际煤层资料，采用理论计算确定了支架的高度 为 1.73.6m，支架的支护强度为 0.593MPa，进而按高产高效的原则确定综采支 架的工作阻力为 4400KN,通过数值模拟结果得出，支架变形主要以前梁为主，支 架的底板比压满足支护要求。 贠东风，谷斌等[18]针对大倾角工作面的采煤机和刮板输送机进行了论证和 技术改进， 指出大倾角采煤机的持续改进主要集中在保证其制动可靠， 牵引力足、 装煤率高以及操控安全， 大倾角刮板输送机的持续改进主要集中包括其结构强度 高、防滑可靠和安全防护优良三