20m特厚煤层综放开采基础研究.pdf

太原理工大学 硕士学位论文 20m特厚煤层综放开采基础研究 姓名柴肇云 申请学位级别硕士 专业采矿工程 指导教师康天合 20050501 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 0 m 特厚煤层综放开采基础研究 摘要 定量和定性研究了煤层的赋存深度、煤体强度、裂隙 发育程度、夹矸层位置和厚度、煤层厚度以及顶板条件对 其顶煤冒放性的影响及其相关规律；并针对酸刺沟矿6 “煤 层的实际赋存情况对其可放性进行综合评价，在此基础上 运用模糊数学理论对其顶煤冒放性进行预测；根据相似理 论，借助于实验室现有的3 0 0 0 m m 3 0 0 0 m m 2 0 0 m m 大型平 面应变柔性加载试验装置进行相似材料模拟试验，对比研 究了综放全厚 2 0 m 开采和综放分层 2 0 m 开采的项煤 及上覆岩层变形、移动以及破坏规律，得出了不同开采方 法的基本顶来压步距、项煤顶板垮落角、支承压力分布规 律、煤炭采出率及随工作面推进距离的变化规律、割放煤 循环末支架工作阻力的变化规律；结合相似材料模拟试验 结果，应用数值模拟的方法，研究了不同工作面长度，前 方支承压力以及顶煤单元破坏随工作面推进距离的变化规 律，工作面长度方向上距工作面中心不同距离的支承压力 分布及变化规律，得出了不同开采方法的合理工作而长度； 利用数值模拟正交试验法，研究了采高、采放比、支架阻 力、放煤步距等工艺参数对顶煤压裂效果的影响规律，从 而对工作面工艺参数进行优化，得出了酸刺沟矿综放全厚 2 0 m 开采和综放分层 2 0 m 开采的合理的工作面工艺 参数。 关键词综放开采，顶煤冒放性，相似模拟，数值模拟， 正交试验 1 奎匾垄三盔兰亟盟窒皇兰焦鲨塞 F o U N D A T I o NR E S E A R C Ho NT O PC o A LC A V l N G F o R2 0 MS P E C I A LT H I C KC O A LS E A M A B S T R A C T T h i st h e s i sq u a n t i t a t i v e l ya n dq u a l i t a t i v e l ys t u d i e st h e i n f l u e n c eo nt h et o pc o a lc a v i n gc h a r a c t e r i s t i c sf r o mt h ed e p t h o fs e a m se m b e d d i n g ，t h es t r e n g t ho fc o a l r o c km a s s ，c r a c k s c a l ed i s t r i b u t i o ni nc o a lm a s s ，t h el o c a l i t ya n dt h i c k n e s so f d i r tb a n d ，t h et h i c k n e s so fc o a ls e a m sa n dt h ec o n d i t i o n so f r o o fa n dt h e i rr e l a t i v i t i e s ．B a s e do nt h ee m b e d d i n go f6 4s e a m o f S u a n c i g o um i n e ，t o p c o a l c a v i n g c h a r a c t e r i s t i c sa r e e v a l u a t e ds y n t h e t i c a l l y ．T h ef u z z ym a t h e m a t i c a lm e t h o di S e m p l o y e dt o f o r e c a s tt o pc o a lc a v i n gc h a r a c t e r i s t i c s ．U n d e r t h e s i m i l i a r i t yt h e o r y ，b y v i r t u eo ft h e e x i s t i n gt e s t i n g e q u i p m e n t o fl a r g e s c a l e3 0 0 0 m m x 30 0 0 m m x 2 0 0 m mp l a n e s t r a i nf l e x i b l e l o a d i n g i nt h e l a b o r a t o r y ，e x p e r i m e n t s a r e c a r r i e do u t c o m p a r a t i v e l y o nt h el a w s o ft o pc o a la n d o v e r l y i n gs t r a t ad i s t o r t i o n ，m o v e m e n ta n df a i l u r ef o re n t i r e l y c a v i n ga n dl a y e r d i v i d e dc a v i n g ．T h e l a w sa r ed i s c o v e r e d c o n c e r n i n gm a i nr o o fs p a n ，t h ec a v i n ga n g l eo ft o pc o a la n d r o o f , t h e l a w s o fa b u t m e n tp r e s s u r ed i s t r i b u t i o n ，r e c o v e r y r a t i oo fc o a la n di t sv a r i a t i o nw i t ht h ed i s t a n c eo fc o a l f a c e a d v a n c ea n dt h ev a r i a t i o n so fs u p p o r tr e s i s t a n c ei nt h ee n do f c u t t i n ga n dc a v i n gp e r i o d i c 。C o m b i n e dw i t ht h et h ee f f e c to f s i m i l a rm a t e r i a lt e s t i n g ．t h en u m e r i a ls i m u l a t i o nm e t h o di s e m p l o y e dt os t u d yt h ev a r i a t i o n so f a b u t m e n tp r e s s u r ea n dt o p c o a lf a i l u r eu n i t sw i t ht h ed i s t a n c eo fc o a l f a c ea d v a n c ef o r TT 太原理工大学硕士研究生学位论文 d i f f e r e n tw i d t ho fc o a l f a c e ．a n dd i s t r i b u t i o n so fa b u t m e n t p r e s s u r ea n di t sv a r i a t i o na l o n gw i d t ho fc o a l f a c ed i f f e r e n c e d i s t a n c et oi tc e n t e rf o rd i f f e r e n tw i d t ho fc o a l f a c e ．T w o n a t u r a lc o n c l u s i o n sa r er e a c h e da tt h ee n do ft h et h e s i S o n ei S a b o u tt h er a t i o n a lw i d t ho fc o a l f a c ef o rd i f f e r e n tm i n i n g ；t h e o t h e ri st h er a t i o n a lm i n i n gt e c h n o l o g yp a r a m e t e r sf o re n t i r e l y a n d l a y e r d i v i d e dc a v i n g a b o u t S u a n c h i g o um i D et h r o u g h o r t h o g o n a le x p e r i m e n to r n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h ei n f l u e n c e o nt h ee f f e c to f f o p c o a tf a i l u r ef r o m m i n i n gh e i g h t ， c u t t i n g c a v i n gr a t i o ，s u p p o r t r e s i s t a n c ea n dr e c o v e r yr a t i o e t C K E Y W O R D S t o p c o a l c a v i n g ，t o p c o a l c a v i n g c h a r a c t e r i s t i c s ，s i m i l a rs i m u l a t i o n ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ， o r t h o g o n a le x p e r i m e n t I I I 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 ．1 前言 第一章绪论 我国厚煤层资源十分丰富，其储量占总储量的4 5 ％，厚煤层矿 井的产量一般为总产量的4 0 ～5 0 ％，大部分国有大中型煤矿开采厚 及特厚煤层。过去我国厚及特厚煤层普遍推行分层开采，取得了较 好的效果。但与单一长壁相比，分层开采效率低，成本高，厚煤层 的资源优势未能充分发挥。 放顶煤开采是针对厚及特厚煤层开采发展起来的一种采煤工 艺。它是在厚煤层的下部布置一个采高 2 ～3 m 的工作面，随着工 作面的推进，在前方支承压力的作用下，使工作面上部的煤体压裂 破碎，并在支架尾部切顶线附近冒落放出的一种采煤方法。它与其 他采煤方法的不同在于，除有一个包括破、装、运、支、控全部工 序的普通长壁采煤工作面外，同时在支架的后部还有一套破、放、 运等的顶煤回收系统，即前后两个采出煤炭的工作场所组成了一个 完整的放顶煤工作面⋯。它与传统的分层开采相比具有显著的优越 性‘2 。 ①不受煤层厚度变化的限制，可实现一次采全厚，大大提高了 煤层开采强度。 ⑦可以充分利用中厚煤层长壁开采高效采煤机和刮板输送机， 在不增加支架高度的条件下一次采出4 ．5 m 以上煤层，不仅设备初次 投资少，而且省下大批假项材料费和人工费。 ③利用矿压落煤，是一种低能耗的采煤方法，与分层开采相比， 可以节省电力和增加煤炭块率。 ④巷道布置简单，掘进工程量与维护工程量小，可以节省大量 掘进和运输工作，缓解采掘接替紧张的矛盾，减少工作面的搬家次 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 数，为提高矿井全员效率创造了条件。 ④工作面有两个出煤点同时出煤，可提高单产和工效。 因此，在我国发展与推广放顶煤开采技术，不但具有较好的煤 层赋存条件，而且有降低成本，减轻工人劳动强度，提高劳动生产 率等显著的技术与经济优势。 1 ．2 放顶煤开采技术的发展与现状 早在2 0 世纪初，欧洲就使用了房式和仓房式放顶煤开采法，并 作为在复杂地质条件下的一种特殊采煤方法。此后，在4 0 年代末， 法国、前南斯拉夫等国正式开始应用长壁和短壁放顶煤丌采法。我 们在5 0 年代也试验过开采上下分层回收中层的长壁放项煤采煤法。 1 9 5 7 年，前苏联研制出了K T y 型掩护式放顶煤液压支架，并 在库兹巴斯煤田的托姆乌辛斯克使用，在9 ～1 2 m 特厚煤层铺底网预 采顶分层，然后沿煤层底板放顶煤开采，并在工作面中间向煤体打 眼放炮，崩酥顶煤，从支架顶梁天窗放煤；虽然前苏联是最早进行 综放开采试验的国家，但开始由于液压支架技术不过关以及不能控 制软项煤严重局部冒落的问题而未取得成功，而后又因未能解决回 采率低的部题而受到指责，2 0 世纪8 0 年代以后，逐渐停l 七采用综 放开采。 1 9 6 2 年前南斯拉夫开始引进综放设备，并逐渐实现放顶煤机械 化丌采，先后在施塔拉矿、玛雅矿、韦莱涅市的R L V 矿、特尔博夫 莱矿、蒂乌尔戴维克矿、维雷耶矿、博戈维纳等矿运用，其主要架 型为维斯特伐利亚、道梯、玛雷、赫姆夏特、贝考里特及K T Y 液 压支架。 1 9 6 3 年法国研制成功了“香蕉”型支撑掩护式放顶煤液压支架， 1 9 6 4 年在布朗齐矿区使用并获得成功；随后又研制出四柱支撑掩护 式支架，2 0 世纪7 0 年代末，法国玛雷公司又研制出F B 2 1 3 0 S 型掩 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 护式放顶煤支架，取得了较好的经济效益，工作面采出率达到了9 0 ％ 以上。 2 0 世纪7 0 年代，捷克和斯洛伐克在诺瓦基、齐盖尔、汉德洛 瓦等煤矿运用放顶煤开采厚煤层，其架型有D V P 一5 A 型、1 K 7 0 ／9 0 0 H D 型、M H W 4 5 0 0 2 0 ／3 0 型、2 M K E 型、B M E 一2 ．0 ／3 ．0 型放顶煤液压支架。 2 0 世纪8 0 年代初，匈牙利研制成功单输送机前开天窗式放顶 煤液压支架，先后在多罗戈、梅茨赛克、塔塔巴尼、为什普雷姆、 博尔索德、阿尔米姆、尤卡伊、达克西等矿采用放顶煤，使用的架 型有V H P 一4 2 1 型、Y H P 一7 2 0 型、M V D D 1 2 0 型、M V D D 一1 2 0 ／2 型，其 中前两种为高位放煤，后两种为中位放煤。 从2 0 世纪7 0 年代开始，综放开采支架沿两个方面发展，一条 是前苏联、前南斯拉夫、波兰、匈牙利等东欧国家在K T Y 支架基础 上逐渐改进，把放煤口位置由顶梁前部改在顶梁后部，使用液压支 柱控制放煤口开关，工作面采煤机采煤和放煤共用一部输送机，支 架尾梁封闭，属支撑掩护式支架，如匈牙利的V H P 系列支架；另一 条思路是法国、原西德、英国、等原西欧国家，在法国香蕉型支架 基础上不断发展，工作面布置前、后两部输送机，放煤口用千斤顶 带动开闭，如英国道梯公司的4 0 0 t 掩护式综放支架等。 此后，波兰、印度等国都使用过综放技术，但效果不够理想， 加上国际能源结构变化等原因，8 0 年代后国外综放技术开始萎缩， 受到多种因素影响，此项技术当时在国外没有得到进一步的发展， 单产水平和效率等主要技术经济指标都没有明显提高，使用“综放” 技术开采的工作面也越来越少，到9 0 年代初在国外只有法国和前南 斯拉夫等极少数矿井使用3 ，而且从此以后难以见到国外有关放顶 煤开采方面的文献报道。 我国综放的发展始于8 0 年代，1 9 8 2 年开始研究引进综采放顶 煤开采技术，1 9 8 4 年6 月，在沈阳矿务局蒲河矿用我国自行研制的 F Y 4 0 0 ／1 4 ／2 8 综放支架开始试验，后因支架稳定性差，四连杆强度 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 不足损坏严重，加之设备的配套性不好，支架不能前移，中止试验； 1 9 8 7 年，平顶山矿务局一矿引进了匈牙利V H P 一7 3 2 型高位插底式放 顶煤液压支架，取缛了平均月产4 4 2 0 6 t ，最高月产5 5 0 0 0 t ，回采率 7 9 ．6 ％，平均工效2 5 ．5 t 的初步成绩1 9 8 8 年阳泉矿务局、1 9 8 9 年 潞安矿务局开始试验，试验取得良好的效果，显示了明显的优越性。 与此同时，在窑街、靖远、晋城、郑州、充州、辽源、乌鲁木齐、 平庄等矿务局推广使用。从1 9 8 4 年第一个试验工作面开始，到1 9 9 4 年的1 0 年间，我国综采放顶煤技术的试验获得成功，综放技术迅速 发展。1 9 9 4 年，全国综放开采的总产量达到3 6 8 0 Xt 0 4 t ，有2 8 个 矿务局，6 2 个综放面在生产。其中，年产量超过百万吨的2 1 个，6 个综放队单产超过2 1 0 万吨，综放技术日趋成熟。在设备、工艺、 安全保障等方面做了大量的理论研究和现场试验，为以后的发展打 下了坚实的基础。1 9 9 5 年兖州矿务局兴隆庄矿综放单产水平达到 3 15 ．6 7 万吨，1 9 9 7 年兖州矿务局东滩矿的综放创单产4 1 0 ．1 8 万吨、 工效2 0 3 ．9 t ／工的世界水平，1 9 9 8 年该矿综放队再创年产5 0 1 ，6 万 吨、工效2 3 5 ．4 t ／工的纪录到19 9 8 年，全国综放总产量达到7 0 0 0 1 0 4 t ，综放工作面总数达到8 2 个，全国6 4 个百万吨综采队中， 有2 2 个是综放队，其中9 个队的年产达到2 0 0 1 04 t 以上，占当年 2 0 0 1 04 t 队的8 1 ．8 ％；1 9 9 8 年，通过煤炭工业“九五”科技攻关， 取得了“两硬”条件下综放开采的工业试验成功，彻底冲破了硬煤 综放开采的“禁区”，在硬煤中实施预注水、预爆破弱化技术取得了 明显的效果。2 0 0 2 年1 1 月，充矿集团兴隆庄煤矿综放工作面创出 了日产2 ．2 4 万吨的历史最好水平，进一步提升了我国综放技术在国 际上的领先地位。 目前，我国综放技术使用的数量、范围、技术的先进性和取得 的效果，均居世界领先地位。近年来，我国正在努力拓展外部市场， 向国外输出综放技术及成套装备，将对该技术的发展和提高产生积 极的推动作用“1 。 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 ．3 放顶煤开采理论的研究与现状 国外对放顶煤开采技术的理论研究主要集中在对放顶煤工作面 矿压的研究f 4 ；具有代表性的是法国J ．P ．皮凯对布朗齐煤田达尔西 煤矿D 放顶煤工作面矿压的研究⋯。通过观测，认为顶底板移近量 很大，在采空区内垂直位移达l m ，水平位移为垂直位移的l ／2 ，在 煤壁后方顶煤的水平位移量是垂直位移的2 3 ％，以垂直位移为主。 顶煤的水平移动实际上是整个煤层向采空区滑动倾倒，在这种倾倒 位移的影响下，顶煤松动，并与顶板脱离，它的松动范围在煤壁前 方几米远。 国内对放顶煤开采技术的理论研究主要集中在放煤理论、顶 煤变形移动规律、顶煤破碎机理和顶板活动与矿压显现特征等方面。 放煤理论研究中国矿业大学吴健教授在金属矿椭球体放矿理 论的基础上提出了放煤椭球体理论”1 ，认为顶煤放落前已经历过一 次松散，可以把破断垮落下来的煤体作为一种松散介质来处理。放 出体可近似为旋转椭球体，放煤椭球体周边颗粒同时到达放煤口。 根据放煤椭球体理论，可以初步确定放煤步距，使回收率和含矸率 有一个合理值。 项煤变形移动规律研究在顶煤变形移动方面，中国矿业大学 吴健教授认为，顶煤位移全过程可分为两个阶段，即冒落前和冒落 后，顶煤移动开始点在煤壁前方3 ～1 0 m ，平均为6 m ；工作面前方顶 煤以水平位移为主，工作面后方顶煤以垂直位移为主1 。太原理工 大学靳钟铭教授及其课题组在现场实测的基础上，将顶煤的变形、 移动与垮落过程分为四个区o 一”，即明显变形区、顶煤压裂区、 顶煤松动区和顶煤放落区。河北煤炭建筑工程学院王庆康教授和张 顶立博士，通过相似材料模型模拟、有限元数值模拟和现场观测研 究，认为顶煤破碎是支承压力和支架共同作用的结果。依据顶煤裂 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 隙发育程度及变形规律，沿工作面推进方向将顶煤分为四个区，分 别为完整区、破坏区、裂隙发育区和破碎垮落区Ⅲ“”。 顶煤破碎机理研究中国矿业大学阎少宏等人通过分析放顶煤 工作面顶煤运移的实测结果，并结合顶煤破坏与非破坏的概念，认 为顶煤运移特点和过程符合损伤力学基础，顶煤的压裂破碎是损伤 积累的过程4 1 ㈨。西安科技大学石平五教授等认为们，煤体微元 强度服从W e i b u l l 分布，顶煤以压剪形式破坏，其随机分布变量满足 库仑准则，并在此基础上分析了支承压力、煤层倾角、煤体力学性 质等对急倾斜放顶煤开采水平分段高度的影响，提出顶煤变形破坏 是一个复杂的过程，它与煤层的赋存条件、力学性质等因素有关， 而且在更大程度上依赖于矿山压力作用。在支承压力作用下，顶煤 原损伤场区域内微裂隙产生发展，损伤逐步积累，最终导致破坏。 顶板活动与矿压显现特征研究文献[ 1 7 ] 认为，放顶煤采场 上覆岩层存在着梁式自稳结构，这种结构的特点是岩层由众多断裂 岩块组成，断裂岩块长度一般远小于周期来压步距，岩梁自身无抗 拉能力，但在轴向挤压作用下不仅能表现出承受载荷能力，而且具 有比一般塑性大的变形能力。文献[ 18 ，1 9 ，2 0 ] 提出了放顶煤开 采的上覆岩层结构模型，认为①砌体梁结构普遍存在，直接顶下 位岩层存在随机平衡结构； 直接顶板在l ～1 ．2 倍的采高范围以下 垮落后形成不稳定的临时随机结构，其失稳具有随机性，而在此范 围以上的直接顶垮落后回转空间小，可形成较稳定的临时结构，这 种结构随采场推进将不断交替形成和失稳，从而形成工作面不明显 周期性变化的压力显现； 当采场上方存在较坚硬直接顶时，其周 期性折断并伴随临时结构的失稳可导致综放采场的周期来压临时 结构垮落步距相对较小，直接顶周期来压步距一般不大；④在综放 采场上方仍存在稳定的砌体梁结构，其形成位置远离煤层，基本顶 断裂和失稳位置远离采场。在距煤层1 ．5 ～2 倍的采高范围以上存在 较坚硬顶板岩层时，则可形成稳定的砌体梁结构，该结构形成和失 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 稳对采场无直接影响，其影响实质是砌体梁失稳回转过程中促使其 下部结构的失稳高度增加，支架载荷增大，从面造成工作面来压。 1 ．4 放顶煤开采存在的问题及发展趋势 放顶煤开采技术已经在我国取得了很大的成功，但在其发展过 程中还存在着人们普遍关注的一些问题，这些问题需要经过长期的 努力，使其逐步得以解决，突出的有以下几个 1 煤层厚度过大 5 0 年代国家大力推广放顶煤开采后，放顶煤开采技术取得了长 中的发展，但是就煤层厚度而言，一般认为’2 综采放顶煤技术适 用于厚度小于1 5 m 。对厚度大于1 5 m 的煤层，由于其矿压显现规律、 顶煤冒放性等与一般的综放开采有很大差别，～般的规律在此不完 全适应。 2 不断提高工作面煤炭采出率 综放工作面的煤炭损失大体可分成三部分属于顶煤冒放性造 成的损失约占一半；设备条件限制 端头不放煤 和工艺参数不合 理引起的损失约占一半。提高工作面采出率应同时从解决这三个方 向的问题着手，即加强项煤冒放性理论研究，提高项煤的冒放性以 降低放煤损失；改善工作面设备及配套方案，减少工作面端头损失； 优化工作面工艺参数设计。 3 防灭火 我国大部分煤层在开采时都具有自燃发火倾向，据统计，在已 经采过的2 2 0 个综放工作面中发生了1 8 2 次自燃火灾事故，除了煤 层易自燃的原因外，还有综放工作推进速度慢、巷道高冒区和周围 裂隙带的漏风、综放工作面两端过渡区及巷道顶部不放煤遗留的松 散浮煤等都是引发综放工作面自燃的原因。 4 瓦斯治理与煤尘控制 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 放顶煤开采实现了煤层全厚同时出煤，产量集中，瓦斯涌出量 增大。在采空区上方高浓度瓦斯大量聚集威胁工作面安全生产。与 一般综采工作面相比，综放工作面的顶煤冒落和放煤口放出是一个 主要尘源，放项煤工作面必须采取有效的措施，使煤尘浓度控制在 最低限度。 1 ．5 本文的研究内容与方法 本文以内蒙古伊泰公司酸刺沟矿6 煤层 2 0 m 为对象，定量与 定性研究煤层的赋存深度、煤体强度、裂隙发育程度、夹矸层位置 和夹矸厚度、煤层厚度以及顶板条件对顶煤冒放性的影响；运用模 糊数学理论对不同赋存条件下的冒放性进行分类，给出6 4 煤层的冒 放类别；研究综放分层和全厚开采下，工作面前方以及工作面长度 方向上支承压力分布与变化规律，顶煤及上覆岩层变形、移动以及 破坏舰律，煤炭采出率以及支架阻力随工作面推进距离的变化规律； 工作面各工艺参数对顶煤破碎状况的影响程度等。 研究方法有运用模糊数学理论对64 煤层的冒放性及其采出率 进行预测；借助实验室现有的3 0 0 0 m m 3 0 0 0 m m 2 0 0 m m 大型平面应 变柔性加载试验装置进行相似材料模拟试验，对比研究综放分层和 全厚开采的矿压显现规律，煤炭采出率以及支架阻力随工作面推进 距离的变化规律采用正交试验法设计不同计算方案，应用基于拉 格朗日算法的有限元数值计算软件F L A C ”进行数值模拟，确定6 。煤 层综放分层和全厚开采的合理工作面长度，对工作面开采工艺参数 进行优化。 1 ．6 本文研究的意义 综放开采技术在我国已经过了数十年的发展，在理论研究与工 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 程应用方面已取得了巨大的成就，但是就煤层厚度而言，一般认为’ 2 13 综采放顶煤技术适用于厚度小于1 5 m ，而我国有相当大一部分煤 田的煤层厚度大于1 5 m ，本文的研究成果对指导1 5 m 以上特厚煤层 综放开采，提高采出率，降低资源浪费，发展和振兴大型煤炭企业 经济有着重要的参考价值。 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章煤层条件及其冒放性预测 顶煤冒放性是指煤层顶部的煤体在开采引起的支承压力作用下 冒落和放出的难易程度，亦即顶煤冒落和放出特性的总称。影响顶 煤冒放性的因素很多，从总体上可分为地质因素和技术因素两大类。 地质因素主要有煤层的赋存深度、煤体强度、煤体裂隙发育程度、 夹矸层位置和厚度、煤层厚度以及顶板条件等””技术因素主要有 支架的架型和工作阻力、放煤口尺寸和位置、采放比和放煤步距等。 本章详细分析酸刺沟矿6 ”煤层的赋存条件，通过理论分析，初步探 讨酸刺沟矿6 4 煤层的顶煤冒放性，并对顶煤的放出率进行预测。 2 ．1 开采深度 2 ．1 ．1 开采深度对顶煤冒放性影响的一般规律 顶煤变形和破坏经历四个阶段阻“ ，即弹性变形阶段、压裂阶段、 松动阶段和放落阶段。其中决定顶煤冒放性的关键是顶煤在压裂区 的压裂程度。在变形区和压裂区的顶煤处于三向应力状态，以脆性 拉伸破坏为主的多裂隙煤体遵循修正的格里菲斯强度理论，即 盯， 盯。 [ 专} ；凳] 盯， 2 1 式中，盯。为煤的单轴抗压强度，M P a ；伊为煤的内摩擦角，。；q 和 ％分别为第一和第三主应力。在不考虑残余构造应力场的情况下， 盯l K r H ，q ∥，则由式 2 - 1 ，得 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 肚曛o - c 2 - 2 用式 2 - 2 可以预测不同强度煤层在顶板压力作用下放顶煤开 采的临界深度。 2 ．1 ．2 酸刺沟矿6 ”煤层的赋存深度及临界开采深度 酸刺沟矿1 4 个钻孔6 4 煤层赋存深度的统计结果见表2 - 1 。其中 最小深度1 4 5 ．3 m ，最大深度3 6 3 ．4 6 m ，平均深度2 4 5 ．O m 。 表2 - 16 “煤层赋存深度统计结果 钻孔编号 N 7 N 8 N 1 1N 12 N 13 ● 深度／m2 3 79 4 2 5 47 2 1 9 50 2 2 3 3 ．8 72 5 50 6 2 8 33 3 2 3 28 2 2 6 68 3 钻孔编号 N 1 4N l5N 1 6N 3 0 H 3 8 深度／m 1 4 532 5 2 ．0 63 6 3 ．4 6 2 3 3 ．8 7 2 6 5 ．6 8 2 3 6 ．5 5 钻孔编号 N 6 1N 6 5 N 7 0 N 7 4 平均 深度／m 2 1 8 j 82 3 46 3 1 8 8 ．5 8 3 0 6 ．9 62 4 5 ．0 64 煤层的单轴抗压强度为““煤层上部1 7 ．3 6 M P a ，中部 2 0 ．4 9 M P a ，下部8 ．5 6 M P a ，平均15 ．4 7 M P a 。考虑煤体中发育的层节 理与裂隙对煤体的弱化作用，实际煤体的强度要低于实验室对小尺 寸试件测定的强度，一般考虑0 ．7 的龟裂系数，则6 。煤层的实际强 度为煤层上部1 2 ．1 5 M P a ，中部1 4 ．3 M P a ，下部6 ．O M P a ，平均1 0 ．8 M P a 。 另外，煤层注水是降低放顶煤工作面粉尘浓度和软化煤体的一个有 效工业措施，也是放顶煤工作面必须进行的一项工作。6 。煤层浸泡 后的单轴抗压强度为煤层上部1 4 ．8 9 M P a ，中部1 6 ．3 5 M P a ，下部 6 ．0 4 M P a ，平均1 2 ．4 3 M P a ，软化系数为0 ，7 9 ，再考虑O ．7 的煤体龟 太原理工大学硕士研究生学位论文 裂系数，则注水后64 煤层的强度将降为上部煤层1 0 ．4 2 M P a ，中部 煤层1 1 ．4 5 M P a ，下部煤层4 ．2 3 M P a ，平均8 ．7 M P a 。 表2 2 所示为根据式2 2 计算的6 。煤层的I 晦界开采深度。在计 算中，煤层上覆岩层的容重取y 2 5 k N ／m 3 ，工作面前方与支架上顶 煤压裂区的侧压系数取丑 0 ．2 ，顶煤压裂区的应力集中系数取 K 2 ．5 。 表2 - 2 不同情况下6 4 煤层的临界开采深度 据式2 - 2 预测 煤层条件煤体强度／M P a煤的内摩擦角莎／。临界开采深度／m备注 试 上部煤173 63 99 14 3 8 ．3 9 取实验室测 件中部煤 2 0 ．4 94 30 65 6 9 ．5 2 取的煤样试 强 下部煤 85 62 8 ．0 617 6 ．0 7 件强度 度 平均 15 ．4 7 3 7 ．0 l3 6 50 5 裂 上部煤 1215 2 7 ．9 42 4 95 7 考虑裂隙龟 隙 中部煤 1 43 03 01 4 3 0 1 ．5 9 裂系数为 影 下部煤5 ．9 9 196 4 1 1 4 ．2 3 07 响 平均 1 24 32 5 ．9 12 4 9 ．9 0 试 上部煤 l0 ．4 22 20 72 0 2 ．4 0 取煤体注水 软化系数 件中部煤 1 14 5 2 3 8 12 2 5 ．7 1 0 ．7 9 ，取煤 注下部煤 42 3155 27 8 ．5 6 体龟裂系数 水 平均 87 02 0 ，4 71 6 6 ．9 2 O7 从表2 2 可以看出，若不考虑煤体的裂隙系数，即煤体裂隙不 发育时，仅从矿山压力的压裂作用考虑，6 4 煤层适于放顶煤开采的 深度应大于3 6 5 m 。若考虑煤体的裂隙系数为0 ．7 时，6 4 煤层适于放 顶煤开采的深度应大于2 5 0 m ，这与6 4 煤层的平均开采深度2 4 5 m 基 本匹配。若采取煤层注水措施后，再考虑煤体的裂隙系数0 ．7 ，则6 煤层适于放顶煤开采的l 临界深度仅为1 6 7 m ，这与6 4 煤层赋存的最 小深度1 4 5 m 基本匹配。因此，从酸刺沟煤矿6 8 煤层的赋存深度和 64 煤层的单轴抗压强度来讲，是适于选用放顶煤开采的。 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 ．2 煤层厚度 2 ．2 ．1 煤层厚度对顶煤冒放性影响的一般规律1 2 5 I 煤层厚度对顶煤冒放性的影响实质上是顶煤厚度m d 的影响。过 薄的顶煤是一种伪顶很难控制它在支架尾部冒落，此将导致直接项 超前破碎，到放煤口时与顶煤混在一起放出，不仅煤质受影响，还 将大量顶煤丢失在采空区；过厚的顶煤，有两方面困难一方面顶 煤很难在控顶区内得到充分松动和放出，另一方面由于顶煤垮落角 的影响，顶煤在放煤区内很难垮落。因此放顶煤开采应有一个合理 的煤层厚度范围，这个范围值的大小在一定程度上受顶煤垮落角、 顶煤冒落结构和顶煤放出形态等的控制。 1 顶煤垮落角对放顶煤开采煤层厚度的影响 主要是防止中硬及中硬以上煤层的顶煤在放出区以外垮落，导 致顶煤丢失在采空区内。一般来说，如果顶煤硬度较大，将形成倒 台阶垮落，如图2 1 所示，垮落角口一般在6 0 。以下。 根据图2 - l 所示的倒台阶 式悬臂垮落结构，确定放顶煤 开采的最大煤层厚度为 M 大 M l B y ％ t g a 2 - 3 式中，B 。为支架尾梁的水平投 影长度，m B a 为采空区矸石 堆积坡度的水平投影长度，当 I ．旦．1 ．墨一 图2 1 顶煤台阶式垮落 F i g ．2 - 1S t e pc o l l a p s eo ft o pc o a 直接顶较厚，且顶板垮落充分时，％ M 大，∥ 6 0 6 ，则B G * O ．5 肘大 当直接项较薄或坚硬时，按‰ M l ，卢 4 5 。，则％ M l 。由此得 到当支架后方顶板垮落充填充分时， 1 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 ‰ 等等 当支架后方顶板垮落充填不充分时 M 大2 M l I t g a B r f g 口 2 4 2 5 由式 2 4 和式 2 - 5 可见，在特厚硬煤条件下，放顶煤的最 大煤层厚度取决于顶煤的垮落角a 、支架尾梁的水平长度B v 和底层 割煤高度M t 。 2 顶煤冒落结构对放顶煤开采煤层厚度的影响 中硬及其以上煤层垮 落后，可以按半拱式冒落、 滑移体放出的结构来考虑 放顶煤开采的煤层厚度，见 图2 2 所示。在这种条件 下，最大煤层厚度为 M 大 M l 万B 2 6 } ．生一 图2 - 2 丁贞煤半拱式垮落 F i g ．2 - 2S e m i a r c hc o l l a p s eo ft o pc o a B L c o s y M I c t g p b j M 大一M 1 t 9 0 2 - 7 式中，M l 为底层采高，m ；B 为冒落半拱的宽度，m ；三为尾梁长 度，m y 为尾梁最小倾角，。；p 为顶煤最小滑移安息角，。b 为后部输送机宽度，m 0 为中硬煤条件下大于9 0 。的冒落锐角， 。；f 为煤块的摩擦系数。则 M 士2 f M 1 L c o s y i _ M 1 c t g F f l b - 一M l t g O 2 ．8 “ 2 ，一培p 。’ 1 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 由式 2 - 8 可知，中硬煤层条件下，煤层最大厚度与支架放煤部分的 结构有关，与顶煤冒落角有关，与冒落块度有关，冒落块度愈小，口 角愈大，卢角愈小，则M 士愈大。 2 ．2 ．2 酸剌沟矿6 煤层的厚度变化及其对放顶煤开采的适应性 酸刺沟矿1 4 个钻孔6 “煤层可采厚度的统计结果见表2 ．3 。在酸 刺沟井田范围内，6 4 煤层分为6 上煤层和6 煤层。6 上煤层的大部分 厚度小于4 ．5 m ，可以采用普通综采开采。在井田的南翼，即N 3 0 号 和N 1 2 号钻孔