公乌素矿综放工作面顶煤破碎机理及回收率研究.pdf

硕士学位论文硕士学位论文 论文题目论文题目 公乌素矿综放工作面顶煤破碎机理及回收率研究公乌素矿综放工作面顶煤破碎机理及回收率研究 英文题目英文题目Research on top-coal breaking mechanism and recovery ratio in fully mechanized top-coal caving face of GongWuSu Mine 学位类学位类别别 工学硕士 研 究 生 姓研 究 生 姓 名名 李晨 学号学号201002093 学科学科领域领域名称名称 采矿工程 指导教指导教师师 张金山 职称职称 教 授 协助指导协助指导教师教师 吴国良 职称职称 副教授 2013 年 6 月 8 日 分类号分类号 TD823 TD823 密密 级级 公开公开 U D C 学校代码学校代码 1012710127 内蒙古科技大学硕士学位论文 I 摘摘 要要 综合机械化放顶煤开采技术已经成为我国开采厚及特厚煤层的主要采煤方法之 一，而顶煤回收率偏低是困扰综放开采的一个核心问题，努力提高综放工作面顶煤 回收率对我国放顶煤开采实现高产高效有着重大的意义。本文结合乌海公乌素煤矿 1604 综放工作面的实际情况，对顶煤破碎机理和冒放性进行了研究。在分析前人研 究成果的基础上，运用岩石力学实验、理论分析、数值模拟以及现场应用等多种研 究方法，提出了提高顶煤回收率的技术措施。 首先，通过对 1604 综放工作面地质资料的收集以及煤岩取样进行实验室实验， 得出了煤岩力学参数。其次，理论分析了顶煤破碎机理、顶煤冒放性、影响顶煤回 收率的因素。在分析了影响顶煤破碎效果的因素有开采深度、煤层强度、支架阻 力、煤层厚度、结构面的基础上，提出了顶煤破碎机理；结合力学实验结果，在考 虑了煤层强度、开采深度、煤层厚度、裂隙影响、夹矸影响和顶板岩性等 6 个因素 对顶煤冒放性的影响上，采用模糊数学方法对各因素的隶属度进行计算，得到了 16 煤层顶煤冒放性综合隶属度值为 0.36，顶煤冒放性好，适宜采用放顶煤开采技术的 结果；在分析了影响顶煤回收率的因素有工作面初末采及端头不放煤、工作面设计 尺寸不当及设备配套不合理、生产管理松懈、工艺参数不当的基础上，有针对性的 提出具体措施。再次，根据放顶煤基础理论对工艺参数（采高、放煤高度、采放 比、放煤步距、放煤方式）进行研究，结合数值模拟实验，得出了顶煤回收率最好 的工艺参数是采放比为 12.54，放煤步距为 0.6m，放煤方式为多轮顺序放煤的结 论。 最后，针对公乌素煤矿 1604 综放工作面，提出了提高顶煤回收率的具体技术措 施。将这些技术措施应用现场生产实践之后，对连续 5 个月的产量及顶煤回收率进 行统计分析，结果显示月产原煤量最高达 136283t，日产原煤量最高达 5678.5t，工 作面顶煤回收率最高达 86.7。顶煤回收率的提高使得企业生产成本大大降低，提 高了员工待遇及生活水平，对当地经济的高速发展起到了促进作用。在开采过程中 所积累的宝贵经验也进一步促进了我国综放技术的发展。 关键词综放工作面；顶煤；破碎机理；回收率；数值模拟 内蒙古科技大学硕士学位论文 II AbstractAbstract The fully mechanized top-coal mining is one of the main s of our country exploiting the thick and favoring a coal seam specially. The top-coal recovery ratio is low of the main problem in full mechanized top-coal caving face, and improving the fully mechanized top-coal recovery is of great significance to the high output and high efficiency of the coal mine in china. This paper is based on actual situation of No.1604 coal face in gongwusu coal mine of Wuhai, researching the top-coal breaking mechanism and caving and drawing characteristics. This paper is based on predecessor’s research data and proposes the technical measure to increase the top-coal recovery ratio by using coal and rock sample mechanics experiment, theories analysis, numerical simulation and pressure observation. First, through the geological data collection from the 1604 working face and coal sample mechanics experiment, obtain coal and rock mechanical parameters. Second, analyze the breaking mechanism of top-coal, caving and drawing characteristics and the influence factors of top-coal recovery ratio. Based on the analysis of main factors influencing the top-coal breaking, such as mining depth, coal intensity, support resistance, coal seam thickness, structural surface, the paper indicate the top-coal failure mechanism. Combined on the result of mechanical experiment, considered on the six factors influencing on top coal caving and drawing characteristics, such as coal intensity, mining depth, coal seam thickness, roof fissuring and cracks, coal bed dirt layers, roof rock characters and so on, the paper obtained the 16 coal caving and drawing characteristics value of 0.36, it is good at top-coal mining by using fuzzy mathematical uation data of each factors. Based on the analysis of main factors influencing the top-coal recovery, such as do not mining at the begin of the working face and at the end of the working face, working face design and equipment complete is wrong, production management, technological parameter mismatching, put forward targeted measures. Third, 内蒙古科技大学硕士学位论文 III the top-coal recovery ratio is well when ratio between mining and dropt is 12.54, coal caving step distance is 0.6 meter, coal saving mode is several rounds of the order by according to the basic theory of top coal caving, studying caving process parameters mining height, dropt of coal caving height, ratio between mining and dropt, coal caving step distance, coal saving mode, combined on numerical simulation. Finally, put forward specific technical measures according to No.1604 fully mechanized top-coal caving face in gongwusu coal mine. When put it into field application, analyzed production and top-coal recovery for five consecutive months. The results showed that coal output every month up to the 136283t and coal output every day up to the 5678.5t and the best top-coal recovery ratio is 86.7. Not only reduced enterprise production cost greatly, improved the treatment of employees and living standards, meanwhile, played an mplary role to the rapid development of local economy. In the process of mining promote the development of the caving mining technology in China because of accumulated valuable experience. Key wordsKey words Fully mechanized caving face; Top-coal; Breaking mechanism; Recovery ratio; Numerical simulation 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 1 - 目目 录录 摘 要 ....................................................................................................................................... I Abstract ....................................................................................................................................... II 1 绪论 .......................................................................................................................................... 1 1.1 研究背景及意义 ............................................................................................................ 1 1.2 研究相关动态 ................................................................................................................ 2 1.2.1 综放开采技术研究的发展与现状 ...................................................................... 2 1.2.2 顶煤破碎机理与回收率研究的发展与现状 ...................................................... 4 1.3 研究的内容与技术路线 ................................................................................................ 7 2 公乌素煤矿 16煤层概况及力学参数测定 ............................................................................ 9 2.1 16煤层概况 .................................................................................................................... 9 2.1.1 井田概况 .............................................................................................................. 9 2.1.2 水文地质特征 ...................................................................................................... 9 2.1.3 煤层特征 ............................................................................................................ 10 2.1.4 其他开采技术条件 ............................................................................................ 10 2.2 力学参数测定 .............................................................................................................. 11 2.2.1 密度实验 ............................................................................................................ 11 2.2.2 抗压强度实验 .................................................................................................... 13 2.2.3 抗拉强度实验 .................................................................................................... 14 2.2.4 抗剪强度实验 .................................................................................................... 16 2.3 本章小结 ...................................................................................................................... 18 3 顶煤破碎机理研究 ................................................................................................................ 19 3.1 影响顶煤破碎效果的因素 .......................................................................................... 19 3.1.1 开采深度 ............................................................................................................ 19 3.1.2 煤层强度 ............................................................................................................ 19 3.1.3 支架阻力 ............................................................................................................ 19 3.1.4 煤层厚度 ............................................................................................................ 20 3.1.5 结构面 ................................................................................................................ 20 3.2 顶煤破碎过程分析 ...................................................................................................... 21 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 2 - 3.2.1 顶煤破碎分区描述 ............................................................................................ 21 3.2.2 顶煤破碎机理分析 ............................................................................................ 23 3.3 顶煤的冒放性研究 ...................................................................................................... 23 3.3.1 顶煤冒落的常用模型 ........................................................................................ 23 3.3.2 影响顶煤冒放性的因素 .................................................................................... 24 3.3.3 顶煤冒放性综合评价 ........................................................................................ 26 3.4 本章小结 ...................................................................................................................... 30 4 综放工作面顶煤回收率研究 ................................................................................................ 31 4.1 影响顶煤回收率的因素 .............................................................................................. 31 4.1.1 工作面初、末采及端头的影响 ........................................................................ 31 4.1.2 工作面设计尺寸及设备选型的影响 ................................................................ 32 4.1.3 生产管理的影响 ................................................................................................ 33 4.1.4 工艺参数的影响 ................................................................................................ 33 4.2 提高顶煤回收率的技术措施 ...................................................................................... 35 4.2.1 加强工作面初、末采及端头顶煤回收 ............................................................ 35 4.2.2 选择合理的工作面尺寸及设备配套 ................................................................ 35 4.2.3 加强生产管理 .................................................................................................... 36 4.2.4 改善工艺参数 .................................................................................................... 36 4.3 本章小结 ...................................................................................................................... 37 5 1604 综放工作面工艺参数优化研究 .................................................................................... 38 5.1 工艺参数的确定 .......................................................................................................... 38 5.1.1 采放比的确定 .................................................................................................... 38 5.1.2 放煤步距的确定 ................................................................................................ 39 5.1.3 放煤方式的确定 ................................................................................................ 43 5.2 工艺参数的数值模拟优化 .......................................................................................... 44 5.2.1 FLAC3D 简介 ..................................................................................................... 44 5.2.2 FLAC3D 模拟模型的建立 ................................................................................. 44 5.2.3 模拟结果分析 .................................................................................................... 51 5.3 本章小结 ...................................................................................................................... 52 6 现场应用效果分析 ................................................................................................................ 53 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 3 - 6.1 提高 1604 综放工作面顶煤回收率技术措施 ............................................................ 53 6.1.1 提高初、末采及端头顶煤回收率 .................................................................... 53 6.1.2 设备配套 ............................................................................................................ 56 6.1.3 加强生产管理 .................................................................................................... 56 6.1.4 选择合理的工艺参数 ........................................................................................ 57 6.2 1604 综放工作面顶煤回收率分析 .............................................................................. 58 6.3 综合效益分析 .............................................................................................................. 60 6.4 本章小结 ...................................................................................................................... 61 结 论 .................................................................................................................................... 62 参考文献 .................................................................................................................................... 63 在学研究成果 ............................................................................................................................ 67 致 谢 .................................................................................................................................... 68 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 1 - 1 绪论绪论 1.1 研究背景及意义研究背景及意义 长期以来，煤炭资源在我国占主要能源，在一次性能源消费结构中其比例长期 维持在 70左右，是我国不可缺少的能源，在国民经济和社会生活中起着不可替代 的作用[1]。目前在我国已经探明的 1145 亿 t 煤炭资源储量中，厚煤层（厚度 ≥3.5m）的产量和储量均占现有煤炭产量和储量的 45左右，如此大的资源储量优 势决定了我国实现高产高效开采的主力煤层是厚煤层。目前厚煤层的开采方法主要 有三种第一种是分层开采法；第二种是大采高开采法，其采用大采高液压支架与 采煤机，与长臂式开采基本相同；第三种是放顶煤开采法。与前两种方法相比，放 顶煤开采具有投资少、开采成本低、巷道掘进率低、产量大、效率高等优点。近年 来随着煤炭市场需求量的增加和高产高效开采的迫切需要，综合机械化放顶煤开采 技术取得了举世瞩目的成就[2]。 放顶煤开采自 1982 年引入我国以来，近三十年来以很快的速度扩大其应用领 域，目前是我国厚煤层所采用的主要采煤方法之一。综放开采由于具有投资少、见 效快等特点被广大煤矿企业采用，并且均收获了较高的经济效益[3]。当然综放开采 也有着一些比较复杂的技术，比如顶煤回收率问题，综放开采在我国发展的三十余 年里最高的在 85，平均只有 79，较低的甚至低于 75，在比较复杂的地质赋 存状态下综放开采的顶煤回收率甚至更低[4]。未采出的煤炭资源遗留在综放工作面 采空区可能会造成采空区自燃，这不仅为火灾埋下了导火索，而且造成了资源的严 重浪费，所以怎样最大程度的降低顶煤的损失，始终是困扰放顶煤开采的迫在眉睫 的问题[5]。综放开采对煤层硬度和裂隙发育程度要求较高，既要求顶煤能自行破碎 成适宜放出的块度，又不能在采空区残留过多的浮煤，因此如何使顶煤充分破碎且 有较高的回收率便成为放顶煤开采方法中迫切需要解决的问题。 顶煤破碎机理研究是放顶煤开采特有的，也是放顶煤开采的核心内容之一[6]， 煤炭是不可再生资源，是构成我国经济和社会发展可持续性的基本要素之一，要提 高顶煤的回收率必须深入对综放开采中顶煤的垮落过程、破碎程度、冒放性进行研 究。必须不断完善工作面设计参数，减少初采、末采损失，合理选择工作面设备， 加强配套选型，搞好生产管理，避免不必要的损失。 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 2 - 神华乌海能源有限责任公司公乌素煤矿 16煤层结构复杂，自然分为四层，夹矸 57 层，煤层厚度 8.5 米，是典型的厚煤层。对于如何安全、高效的采出原煤，降低 煤炭损失，一直是煤矿生产过程中极为重视的课题之一。 本课题以公乌素煤矿 1604 综放工作面为研究背景，目的在于对顶煤破碎机理进 行研究，对影响顶煤回收率的因素进行分析，最终得出提高顶煤回收率的技术措 施。研究结果不仅对于提高公乌素煤矿矿井生产能力、技术经济效益和资源回收率 具有指导意义，对于改善和提高综放开采过程中的关键性技术，完善综放开采理论 也具有很重要的意义。 1.2 研究相关动态研究相关动态 1.2.1 综放开采技术综放开采技术研究研究的的发展发展与与现状现状 （1）国外综放开采技术的发展与现状 前苏联、前南斯拉夫、匈牙利和法国自 20 世纪 50 年代开始已采用放顶煤技 术。初期尝试探索了在工作面用木支柱、金属支柱和单体液压支柱支承顶煤，后部 用溜子进行炮采或普采的放顶煤工作面[7]，至此已引起采矿界的重视，但是因为该 方法安全性差，效率低，所以开始研究综放技术。 1957 年， KTY 型放顶煤支架在前苏联成功研制；1963 年，法国研制成“香 蕉”形放顶煤支架，并在布郎茨矿区使用；1973 年，法国玛雷尔公司研制出 FB21- 30S 型支撑掩护式放顶煤支架；匈牙利研制出单输送机顶梁开天窗式 VHP 型放顶煤 支架。正是由于这些放顶煤支架的研制成功，才推动了放顶煤开采设备及技术的发 展和完善。经过数十年的发展放顶煤开采技术已经成为开采 620m 特厚煤层的有效 方法之一[8]。 在国外综放技术有着很多年的应用，尤其是在