复合顶板不稳定煤层开采技术研究.pdf

辽宁工程技术大学 硕士学位论文 复合顶板不稳定煤层开采技术研究 姓名石永生 申请学位级别硕士 专业采矿工程 指导教师张宏伟 20060101 辽。j 二} ．科技术人学硕士学位论文 摘要 大安I 煤矿随着开采水平的不断延伸，缓倾斜和倾斜煤层所占比重逐渐增加。由丁I 地质条件复杂，构造十分发育，导致煤层赋存的强烈不规则，无煤带、薄煤带、厚煤区 相继出珧，给煤矿生产管理、资源安全生产和有效回收，带来很多待要解决的问题。 本论文根据大安山矿地质构造条件、围岩特征和煤层赋存特点，通过理论分析、数 值模拟、现场矿压观测和开采试验的方法，对缓倾斜复合顶板不稳定煤层开采技术进行 了研究，确定了安全合理采煤方法、巷道支护方案和技术参数、工作面支护方案和技术 参数等；丌发了矿压监测与支护质量分析系统软件；分析了围岩活动规律和矿山压力显 现规律；为大安山矿在类似条件下进行回采提供了重要的依据。 实践证明，巷道和工作面支护设计的参数符合 6 8 0 水平西三石门轴1 4 槽工作面安 全生产的要求，大安山矿应用单体支柱、铰接顶梁、放炮落煤和全部垮落法管理顶板的 回采工艺，丌采复合顶板条件下的缓倾斜不稳定煤层取得较好的经济效益。 关键词_ i 稳定煤层复合顶板单体支柱矿压监测 辽宁} 一烈技术大学颂} ’学位论文 A b s t r a c t T h ep r o p o r t i o no fl o w - a n g l ed i pa n di n c l i n e ds e a mi si n c r e a s i n gg r a d u a l l yw i t ht h e m i n i n gl e v e le x t e n d i n gi nD a ’a n s h a nc o a lm i n e ．T h ec o m p l e xg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s a n ds t r u c t ur e sc a u s et h ec o a ls e a mi r r e g u l a r ．T h et h i nc o a l ，t h i c kc o a l ，a n dn oc o a l d i s t r i c ta p p e a ra l t e r n a t e l y , w h i c hb r i n g st h eq u e s t i o n so ft h ew o r k i n gm a n a g e m e n t ，t h e s a f ep r o d u c t i o n ．a n dt h er e s o u r c e se f f e c t i v er e c y c l e ． A c c o r d i n gt og e o l o g i c a ls t r u c t u r es i t u a t i o n ，s u r r o u n d i n gr o c kc h a r a c t e r i s t i ca n d c o a ls e a mc h a r a c t e r i s t i co fD a 。a n s h a nc o a lm i n e ，t h em e t h o d so ft h e o r ya n a l y s i s ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h e o n t h e - s p o t m i n e p r e s s u r em o n i t o r i n g a n d m i n i n g e x p e r i m e n th a v eb e e nu s e dt or e s e a r c ht h et e c h n o l o g yo fe x p l o i t i n gt h el o w - a n g l ed i p a n du n s t a b l ec o a ls e a mw i t hc o m p o u n dr o o fT h er e a s o n a b l em i n i n gm e t h o d ，t u n n e l s u p p o r tp a r a m e t e r s ，t h es u p p o r td e s i g na n dt e c h n i c a lp a r a m e t e r so fw o r kf a c eh a v e b e e nd e t e r m i n e dT h em i n ep r e s s u r em o n i t o r i n ga n dt h es u p p o r tq u a n t i t ya n a l y z i n g s y s t e ms o f t w a r eh a sb e e nd e v e l o p e d ，t h e nt h ea c t i v i t y r u l eo fc o u n t r yr o c ka n d e m e r g e n c er u l e o ft h em i n ep r e s s u r eh a sb e e na n a l y z e d ，w h i c hp r o v i d e st h e i m p o r t a n tb a s i sf o rt h ec o a le x p l o i t i n gu n d e rt h es i m i l a rc o n d i t i o n ． T h r o u g ht h ep r a c t i c e ，t h es u p p o r td e s i g np a r a m e t e r so ft h ew o r kf a c ea n dt u n n e l m e e tt h ed e m a n do fs a f ep r o d u c t i o n ．D a ’a n s h a nc o a lm i n eo b t a i n e db e t t e re c o n o m i c b e n e f i ti ne x p l o i t i n gt h el o w - a n g l ed i pu n s t a b l ec o a ls e a mw i t hc o m p o u n dr o o fb yt h e e x c a v a t i o nm e t h o do fs i n g l ep r o p ，j o i n tr o o fb e a m ．b l a s t i n gf a l lc o a l ，a n dr o o fw h o l e c a v i n g K e y w o r d u n s t a b l ec o a ls e a m ；c o m p o u n dr o o f ；s i n g l ep r o p ；m i n ep r e s s u r e m o n i t o r i n g 辽。≯l 一群技术大学硕 学位沦文 1 绪论 1 ．1 问题的提出及研究意义 大安山煤矿随着开采水平的不断延伸，缓倾斜和倾斜煤层所占比重逐渐增加。由于 地质条件复杂，构造卜分发育，导致煤层赋存的强烈不协调，无煤带、薄煤带、厚煤区 相继出现，给煤矿生产管理、资源安全生产和有效回收，带来很多待要解决的问题。可 采煤层1 4 槽煤，顶板条件复杂，煤层厚度变化较大，属缓倾斜复合顶板不稳定煤层。 煤层厚度不稳定、顶底板起伏变化大，条件复杂又无明显规律性，对工作面的采掘布置、 安全生广”等影响极大。大安山矿对急倾斜煤层和倾斜煤层开采技术、顶板活动和矿压显 现规律已积累大量的经验，但对于在复合顶板条件开采缓倾斜不稳定煤层的开采技术、 顶板活动及矿压显现规律还处于探索和积累经验阶段。 因此，大安山煤矿对开采缓倾斜复合顶板不稳定煤层开采技术进行试验研究。为今 后在类似条件下的开采制定安全合理的开采方案和技术参数、顶板管理和安全技术措施 等提供重要的依据和指导作用。同时为大安山煤矿实现规模安全生产，提高工作面产量 和煤炭资源回收率，提高综合经济效益，提供重要的保证。 1 ．2 研究现状 1 ．2 ．1 开采技术研究现状 矿井的开采技术既是当前一些矿井面临的问题，也是煤炭工业长远发展需要十分鼋 视和研究解决的问题。我国煤层赋存条件多种多样，目前国有重点煤矿缓斜、倾斜和急 斜煤层可采储量分别占8 6 ．3 ％、10 ．1 ％和3 ．6 ％。因此，我国的大多数采煤方法、顶板管 理方法研究大多是围绕着缓倾斜煤层进行的。美国、俄罗斯、澳大利亚等国外采煤幽家 开采近水平和缓倾斜煤层，多以综合机械化开采为主，采用强力支护。 我国白2 0 世纪5 0 年代以来，缓倾斜煤层的开采多采用长壁工作面采煤法。各矿区 根据不同的煤层条件，推行了单一长壁工作面采煤法、倾斜分层下行垮落采煤法、} 行 水砂充填采煤法等。 在煤矿事故中，顶板事故占有很大的比例，其中复合顶板事故最为严重。复合顶板 也称离层性顶板，具有“软、弱、薄”三大特点，即岩性组合为上软下硬，兴有煤线或 薄层软弱岩层，差异很大；在结构上软硬层间存在弱面，构成复合关系；且下位软岩较 薄，冒落后不能充满采空区。 复合顼板推垮型冒顶有以下特点 1 垮前工作面没有明显的压力显现和预兆 2 辽≯J ’群技术大学硕士学位沧文2 垮落时间短，速度快，面积大，米势猛{ 3 垮落时支架无折损，并都沿倾斜方向倾倒； 4 冒顶后上位硬岩层大而积悬空，工作面仍无明显压力； 5 诱发推垮性冒顶事故的 工序是顶板支护的工序，如工作面改柱、回柱等； 6 有时推垮前有征兆，能发现靠采 空区支柱向F 倾斜，沿煤帮及采空区边顶板掉渣，凶而来得及撤人。 煤层具有复合顶板，同时还必须具备下列四个条件，才会发生推垮型冒顶。 1 由于支柱的初撑力小，软硬岩层下沉不同步，软快而硬慢，而导致软岩层与其 上部硬岩层离层； 2 由于各种原因，在顶板下位软岩层中断裂出一个六面体，此六面体卜面己与硬 岩离层，四周或是已与原岩层断丌或是以采空区为邻，下面由单体支架支撑，如果周围 没有约束，此六面体连同支撑它的单体支架将是一个不稳定结构； 3 当六面体周围出现一个自由空间，使六面体有了去路，面且六而体向去路方向 又有一定的倾角时，在自重作用下，六面体就具有向去路方向的推力； 4 当六面体有向下推的趋势时，岩层断裂面将产生阻止六面体下推的摩擦阻力； 采空区碎矸 如果其高度超过煤层采高 将产生阻止下推的摩擦阻力； 此外，支柱与戗柱的迎山角也会对六面体的下推有个阻力。只有当总阻力小于六面 体沿倾斜向下的推力时，才会发生推垮型冒顶。 为了防I t 推垮型冒顶事故的发生，进行矿压观测，保证工作面的支护质量是十分重 要的。皖北矿务局任楼矿多次发生了推垮型冒顶事故，严重威胁矿井的安全生产。实行 矿压观测后，经反复研究与实践，提出了较系统的复合顶板推垮型冒顶机理与防治理论， 有效地控制了顶板事故的发生。 根据我国复合顶板事故防治工作经验，控制复合顶板事故应该做到以下几条原则 1 提高单体支柱的初撑力； 2 选用稳定性较好的支架或加强支架的稳定性； 3 消 除形成复合顶板推垮的条件。 在采区或盘区范围内，煤层倾角或厚度较大，称为不稳定煤层。我国不稳定煤层分 布较广，许多矿区都有不稳定煤层。例如，原通化矿务局砟子煤矿、沟湾煤矿原辽源 矿务局梅河矿、西安矿、太信矿；原平顶山矿务局十一矿等等。 多年来，我国在开采不稳定煤层实践中，总结出许多采煤方法，并积累了丰富经验。 由于不稳定煤层赋存条件复杂，开采不稳定煤层的采煤方法应有较强的适应地质条件变 化的能力，在无需改变采煤设备的条件下，能够适应的煤层厚度变化范围应较大，开采 缓倾斜不稳定煤层主要有普采和高档普采、悬移支架采煤法、单体支柱兀型钢梁炮采、 辽。≯T 穰技术大学硕 。学传论文3 单体支柱炮采、单体支柱金属铰接顶梁炮采等；开采倾斜不稳定煤层主要有水力采煤法 等；开采急倾斜不稳定煤层有水平分层采煤法、斜坡采煤法、巷道长壁采煤法、水平巷 柱采煤法、深孔爆破采煤法、水力采煤法等。 由于复合顶板的特殊性和煤层赋存的不稳定，对复合顶板下开采不稳定煤层的矿压 显现规律和围岩活动规律分析还处于试验和探索阶段。 1 ．2 ．2 回采巷道支护技术研究现状 不同围岩的巷道支护选择与设计一直是煤炭工业生产与建设中的重大问题。巷道支 护方式的选择与设计基础和关键之一是巷道围岩变形规律和巷道支护理论研究，其正确 以否和完善以否直接关系到井巷工程的经济性、可靠性和安全性。因此必须根据不同巷 道围岩变形规律，选择合适的巷道支护理论，确定影响因素的主要矛盾和次要矛盾，进 行重点的综合的分析，选择合适的巷道支护和合理参数，保证煤矿工业的安全生产。 国内外煤矿巷道支护技术总的来讲经历了从木支架向钢性金属支架、可缩性金属支 架，到锚杆支护的发展过程，今天已经形成了包括各种料石碹、混凝土碹、喷射混梁网、 桁架锚杆、锚索、锚注、高强度混凝土弧板支架等众多支护形式。不过，最主要的支护 技术还是U 型钢可缩性支架与锚杆支护 包括与塑料网、金属网、喷射混凝土、w 钏带、 钢筋梯子梁或桁架的联合形式 。 国外锚杆支护应用十分广泛，但仍然局限于围岩较稳定的巷道，并且比较重视围岩 分类的研究，以此作为巷道支护选择的依据。国外锚杆支护的发展方向为提高锚杆的 锚固力，并使其得到充分发挥，扩大锚杆支护应用范围，提高锚杆支护效果。 近年国内锚杆支护在采准巷道中的应用正以比较快的速度不断发展。为了更有效地 发挥支护的效果，在选择井巷各项参数时就应科学地分析和预测各种因素，这些凼素的 选择应服从于井巷围岩稳定和功能的原则。 l - 2 ．3 回采工作面支护质量监测研究现状 我国煤矿中，每年因顶板事故而死亡的人数约占全部事故死亡人数的4 5 ％。顶板事 故死亡人数中，回采工作面顶板事故约占7 0 ～8 0 ％，而回采工作面顶板事故中支柱工作 面则占9 5 S ，搞好支柱工作面的顶板管理，对于我国煤矿大幅度降低百万吨死亡率具有 普遍意义。 据统计，目前我国生产矿井单体液压支柱回采工作面约2 5 0 0 个以上，随着我国矿 压研究成果在现场广泛的应用，有关科研单位和生产部门针对单体支柱工作面的特点联 合钻研，率先提出具体的单体支柱工作面支护质量及顶板动态监测监控技术，研究出具 辽宁1一程技术大学硕}j学位论文4 体的支护质量及顶板雌测指标和方法，这对加强单体支柱工作面顶板管理，保证单体支 柱工作面顶板安全发挥了积极的作用，其中应用较为广泛的大致有两类一类是采用工 作而顶底板相对移近量与支柱活柱缩量的“比值”为主要指标的“比值法”；另一类是 针对单体液压支柱工作面以支柱初撑力为主要监测指标的“初撑力法”。 为了搞好采煤工作面的顶板管理，必须进行支护质量和顶板动态监测，监测主要是 通过现场跟踪、动态分析、及时评价，把工作面冒顶事故由被动处理变为主动预防，对 支拶t 质量起到监督和定量控制的作用。 无数事实证明，忽视工作面支护质量往往是造成顶板事故的主要原因。从保证安全 生产的要求出发，很多情况下，支护质量监测比矿压显现预报更重要。利用计算机对矿 压监测和支护质量监测数据进行分析处理，有效的将支护质量监测和矿压显现预报结合 起来，突出了支护功能实质，实现了项板管理的f 7 常化、制度化和科学化。 1 ．3 论文研究的主要内容 通过理论分析、实验研究、计算机模拟和现场监测相结合等研究方法，根据大安山 矿地质构造条件和煤层赋存特点，研究缓倾斜复合顶板不稳定煤层的开采方案、巷道支 护方案和工作面支护方案、矿压显现规律、安全合理开采技术参数等。论文丰要结合复 合项板不稳定煤层开采技术的研究项目，重点开展如下几方面的研究工作 1 缓倾斜复合顶板不稳定煤层开采技术方法研究； 2 确定问采巷道和工作而支护的方式及技术参数； 3 实验室试验、开采计算机模拟 4 分析围岩活动规律和矿压显现规律； 5 矿压监测及开发监测数据处理系统； 辽宁r 程技术大学硕 学位论文 2 不稳定煤层开采方法研究 2 ．1 矿井交通位置和自然地理 2 ．1 ．1 井田地理位置 大安山煤矿是吴华能源公司下属企业。是一家集原煤生产、筛选加工、销售为一体 的综合性煤炭企业。井丌1 位于北京西部山区，矿区内地势陡峻，沟谷纵横。矿区内方便， 公路可达工业广场，铁路通到陈家坟煤仓。京广铁路良乡站距陈家坟煤仓4 1 公晕，矿 井工、I k 广场经京源公路到北京市中心9 5 公里 图21 。矿区地貌为构造侵蚀中高I j I 区， 基岩多裸露，I h 上多为坡积、残积物，沟谷两侧及山地缓坡有冲积、洪积物，为砂砾石 及土层。 图21 交通位置图 井罔范围东起茶棚岭断层，西到大网山断层，南自玄武岩项界，北到4 8 “钻孔与9 6 4 钻孔连接线，深部至l J 4 5 0 m 水平。走向长约9 公里，倾向宽2 ～4 公旱，面积2 5 ．5 平方 公罩。井田东部与木城涧矿千军台井田相邻。地理坐标北纬3 9 。5 4 ’3 0 ”，东经1 1 5 。 4 5 7 0 3 ”。矿井开拓方式是平硐，底板集中运输巷，采区石门开拓煤层群。 2 ．1 ．2 井田构造特征及对煤层、煤质的影响 2 ．1 ．2 ．1 井田构造特征 大安【【l 井田位于祁吕贺山字型东翼反射弧之庙安岭一召吉山向斜南翼，东有九龙山 j _ [ 1 } r 狴技术夫学硕十宁 恃论文 2 不稳定煤层开采方法研究 2 ．1 矿井交通位置和自然地理 2 ．1 ．1 井田地理位置 大安山煤矿是吴华能源公司下属食业。是一家集原煤生产、筛选加工、销售为一体 的综台性煤炭企业。升丌1 位于北京西部山区，矿区内地势陡峻，沟谷纵横。矿区内方便， 公路可达工业1 『场，铁路通到陈寐坟煤仓。京广铁路良乡站距陈家坟煤仓4 1 公晕，矿 井工、I k 广场经京源公路到北京市r 凸9 5 公里 图21 。矿区地貌为构造侵蚀中高l I I 区， 基岩多裸露，1 1 1 上多为坡积、残积物，沟谷两侧及山地缓坡有冲积、洪积物，为砂砾石 及土层。 图21 交通位置图 井开] 范围东起荼棚岭断层，西到大恻山断层，南自玄武岩项界，北到4 8 ‘钻孔与9 6 4 钻孔连接线，深部l J 4 5 0 m 水平。走向长约9 公里，倾向宽2 ～4 公寻，面积2 5 ．5 平方 公里。升田东部与木城涧矿千军台井阳相邻。地理坐标北纬3 9 。5 4 ’3 0 ”，东经1 1 5 。 4 5 ’0 3 ”。矿井开拓方式是平硐，底板集中运输巷，采区石门开拓煤层群。 2 ．1 ．2 井田构造特征及对煤层、煤质的影响 2 ．1 ．2 ．1 井田构造特征 人安【l J 井罔位于祁吕贺山宁型东翼反射弧之庙安岭一千；f 青山向斜南翼，东有九龙山 大安t h 井口位于祁吕贺山字型东翼反射弧之庙安岭召吉山向斜南翼，东有九龙山 辽宁] ‘程技术人学硕I 。学位论文6 向斜，南有阜平背斜，两经马栏一洪水峪断褶带与百花山向斜为邻。 井罔内构造以S w N E 向褶皱为主 大部倒转紧闭 ，伴有大量走向及倾向断裂，次 级构造十分发育，西北部大寒岭背斜两翼局部受到岩浆岩侵入体的破坏。本井田属区域 一级构造庙安岭一召吉山向斜的南翼。井m 内一级构造有褶曲3 组，即大寒岭倒转向 背斜，燕窝向斜，张峪背斜。断裂5 条，即人网山逆断层、四眼台逆断层、马蹄沟逆 断层、后槽沟逆断层、茶棚岭平推正断层。 2 ．1 ．2 ．2 构造对煤层、煤质的影响 经过几十年的生产实践，井田内的褶曲构造是影响大安山矿采区划分和采煤方法的 最主要构造因素。由于井田内褶曲密度大，褶曲紧密且多为倒转或禁闭倒转褶曲，造成 煤层以倾斜和急倾斜为主另外，大寒岭倒转向背斜、百草台倒转向背斜及西方寺倒转 向背斜的强烈不协调性，导致煤层赋存的强烈不协调。同时，也造成煤层在转折端及两 翼突变厚、变薄现象。井田内大型断裂或作为井田边界，或作为采区边界，影响矿井总 体设计及规划，井H 1 内断裂构造亦对煤层赋存有一定影响，给矿井开t 拓带来困难，同时 也是大安山矿充水、导水途径之一。 2 ．1 ．3 采区地质概况 本区位丁百草台箱形倒转向斜轴底， 6 8 0 水平西三轴石门岩石斜坡见煤点，下以 轴1 4 槽东一平巷为界，上至 8 0 0 m 水平采空区及算量边界线，西到百草台箱形倒转向斜 北轴向东5 0 米，东到百草台箱形倒转向斜南轴。煤层总体走向2 5 0 。～2 8 0 。，倾向 3 4 0 。～1 0 。，平均倾角1 6 。。据现有资料分析，区内没有大的断层，但煤层项底板发 育有小断层及波状起伏，断层以高角度正断层为主。在两轴附近断裂密度加大，给采掘 布置带来一定影响。本区不受火成岩的影响。地层综合柱状见图2 2 。 2 ．1 ．4 煤层赋存情况 、 本煤层为半亮～半暗型，条带状结构，阶梯状断口，局部为粒状结构。煤质较好， 硬度中等。煤层厚度变化大，预计近轴部煤层受构造影响，采掘较困难。采区走向长2 5 0 m ， 倾斜长3 8 0 m ，圈定面积7 5 6 0 0 平方米，储量4 0 ．1 万吨。第一个回采工作面走向长2 5 0 m ， 倾斜长7 0 m ，圈定面积1 9 3 0 0 平方米，储量1 0 ．7 万吨。 2 ．1 ．5 水文地质情况 本区水文地质条件简单，局部顶板有滴、淋水现象，对于上部透口有无积水，对生 产不会带来影响。 辽宁J 程技术大学硕士学位论文7 飘序 巴{ 引真厚 09 0 ～3 ．D l 名称 岩性及说明 F 皓型一太部为粒状结构，煤质中等，古有2 、3 轴1 5 『k 粉砂岩央石，局部柏炭质粉砂岩情顶。 粉砂岩黑灰也，中导联状．联理较发育，局 粉竿} 部破碎。细砂岩深血色．厚层状，成份以石英为 璺翌} ， 选自目度较好，硅质胶结．埂度较大。} 层 矽由 『大部分区域台2 ～3 层o 】o ～o5 0 m 睁煤线。 轴1 4 ； 半亮～半暗型一大部为条带状结构阶梯状断口 ，煤质较好，硬度中等。局部有炭质粉砂岩伪顶。 靳砂岩黑灰色，中厚层欹，层理较发育，局 粉砂 岩及 细砂 山 轴1 3 粉砂 岩及 中量} 1 1 砂岩 部古有石英脉， 细砂岩渫荻乜，厚层状，成份以石英为主， 分选磨圆度较好，硅质胶结，硬度较大。 本层大部分区域含曲层0i O 一0 ．3 0 m 厚煤线。 其煤岩类型为平咭型，粒状结构，煤质中等或较劣 大部为条带状结构，阶梯状断口 较人。煤层厚度变化太。 粉砂岩黑灰色，中厚层状．层理较发育。 细砂岩深Z 吨，厚屡状．成份以石英为主 分选磨国度中等，硅质胶结．含有石英脉。 十砂岩深荻乜，厚层状，成份以石英为主 分造型度中等，硅质胶结，含有f 【英脉。 图2 - 2 轴1 4 槽地层综合柱状图 2 ．2 缓倾斜不稳定煤层开采概述 2 ．2 。l 不稳定煤层 煤层厚度变化较大，无明显规律，且煤层结构复杂或极复杂的煤层称为不稳定煤层； 生产中是把厚度、倾角、央矸厚度和层数变化大，断层、褶曲、陷落柱发育，火成岩侵 入严重，可采性时断时续的煤层统称为不稳定煤层。 2 ．2 ．2 不稳定开采的主要技术问题 使用常规采煤方法开采不稳定煤层时，由于煤层厚度变化大，工作面煤层局部变厚 时，若变厚区范围不大，不值得布置分层工作面，则只能采出破煤设备和支架允许工作 基俐r⋯叫川L叫√川一～]l川卜，1．1l川u 辽。卜I ．科技术人学硕士学位论文 8 高度范围内的煤体，而将变厚的部分作为厚度损失丢弃不采；若变厚区的范围较大，则 需改用分层开采，并需改变原有的采区或带区巷道准备方式。 若煤层局部变薄，且变薄区的厚度小于破煤设备和支架的最小工作高度，为保证工 作面连续推进，则需采山部分顶底板矸石或将该变薄区丢弃不采。山于煤层厚度变化， 煤层的局部1 i 可采造成的面积损失和煤层的局部变厚造成丢顶煤或底煤的厚度损失，使 煤炭损失大大增加。不稳定煤层和极不稳定煤层的赋存条件复杂多变，勘探工作量大， 勘探成果又受勘探手段、勘探工程量和认识水平的限制，与实际情况往往存在一定差距， 在采区设计和生产中应留有足够的余地。由于储量的可靠性较差，采区或带区的储量变 化大，开采不稳定煤层的工作面产量不能太大。既要有分析地利用已有的经验和成果指 导生产，又要充分考虑到由于资料不确切或不全面可能造成的后果。 2 ．2 ．3 不稳定煤层开采的主要方法 由于不稳定煤层赋存条件复杂，开采不稳定煤层的采煤方法应有较强的适应地质条 件变化的能力，在无需改变采煤设备的条件下，能够适应的煤层厚度变化范围应较大， 其开采方法主要有普采和高档普采、悬移支架采煤法、单体支柱兀型钢梁炮采、单体支 柱炮采、单体支柱金属铰接顶梁炮采等。 2 ．3 缓倾斜不稳定煤层主要采煤方法 2 ．3 ．1 普采与高档普采 2 ．3 ．1 ．1 回采工艺 缓倾斜煤层长壁回采工作面，采用浅截式滚筒采煤机组采煤，可弯曲刮板输送机运 煤，木支柱或金属支架和铰接顶梁支护顶板进行采煤作业，为普通机械化采煤 简称普 采 ，普采工作面布置采煤工艺示意图如图2 3 所示。 高档普通机械化采煤 简称高档普采 ，即工作面配有单体液压支柱或滑移顶梁液 压支架，一般用于缓倾斜煤层走向长壁工作面，回果中厚煤层，一次采全高，高档普采 工作面布置采煤工艺示意图如图2 4 所示。 2 ．3 ．1 ．2 普采工艺的适用条件 普采设备价格便宜，一套普采设备的投资只相当一套综采设备的四分之一；而产量 可达到综采产量的三分之’至二分之一。普采对地质变化的适应性强，工作面搬迁容易。 对推进距离短、形状不规则、小断层和褶曲较发育的工作面，采用普采较综采可取得较 好的效果，而且普采操作技术较易掌握，组织生产比较容易。因此，普采是我国中小型 矿井发展采煤机械化的重点。 辽宁r 群技术大学硕十学位论文 9 图23普采工作面布置采煤工艺示意图 1 一采煤机；2 一戴帽梓；3 一运输机；4 一同柱铰车；5 一铰午 6 一顺槽运输机7 一密集支柱；8 一采空区 2 ．3 ．2 悬移支架 2 ．3 ．2 ．1 回采工艺 悬移支架即悬移顶梁液压支架，是介于单体液压支柱和自移式液压支架之间的一种 过渡支架。与单体液压支柱相比，悬移支架实现了移架的机械化，减少了支护工作量和 减轻了支护工人的体力劳动强度，与自移液压支架相比，其价格低廉。悬移支架经过多 年来的不断实践和研究，不仅解决了不稳定厚煤层分层开采时，合理分层困难、煤炭回 收率低的问题，而且提高工作面单产，降低巷道掘进率、降低吨煤成本、提高回采工效 等方面取得了可喜的成绩。悬移支架工作面布置见图2 5 。 2 ．3 ．2 ．2 适用条件 悬移支架采煤法扣 破了传统的走向长壁丌采巷道布置方式，采用倾向长壁丌采的巷 道布置方式，沿底板布置准备巷道，工作面沿底板推进，铺顶网放项煤，与沿顶推进的 走向长壁采煤法相比，实现了一次采全高，提高煤炭资源回收率，具有单产高、工效高、 回采率商，事故率低、劳动强度低的“三高两低”优点。悬移支架采煤法尤其是适用于 煤厚变化大，地质条件复杂的缓倾斜厚煤层的开采。 辽’rJ I 氍技术人学硕 ’≯位沧丈 图2 - 4 高档普采工作面布置图 2 ．3 ．3 单体液压支柱n 型钢粱 2 ．3 ．3 ．1 回采工艺 单体液压支柱兀型钢梁支护是一一项适合厚煤回采工作面开采的先进方法，具有操作 简单、管理方便、安全可靠、经济效益显著，是解决难采厚煤层的一种实用技术，是一 种技术上町行，经济上合理的新支护方法，是高档普采和炮采设备的新发展，值得推』1 。 使用，尤其适合地质构造复杂的工作面。单体液压支柱兀型钢梁支护工作面如图2 - 6 所 不6 辽’卜【．拌技术人学硕士学位论文 ，M 。 1 『 蘑． ●_ P ， 2 l 十 _ 』 云酬 、I 上醴 ’、■’ ． 毫；梦 ＼ ▲，一 图2 5 悬移支架l 一作面采煤■艺示意图 i 一同风顺槽；2 一上缺口；3 一采煤机；4 一Y F D 型切顶支柱；5 一千斤顶； 6 工作面刮扳输送机；7 一I i D Y 型悬移顶梁液压支架；8 - - F 缺口；9 一顺槽刮板输送机 ， 辑雨 8 一B 辑丽 图2 - 6 兀型钢梁工作面示意图 2 ．3 ．3 ．2 单体液压支柱n 型钢梁特点 单体液压支柱n 型钢梁支护在地质多变的情况下有更大的适应性。兀型梁属刚性支 护，放炮后及时移主梁，能及时有效地支护项板，阻止顶板离层。过破碎带时，炮后即 便炮道上方出现漏顶，只要n 型梁插入煤壁，用网和背板封顶，支架仍有一定的稳定性。 总的来说n 型梁放顶煤工艺简单，操作简便，循环进度大，产量高、效益好、安全、掘 辽宁】科技术大学硕士学何论文1 2 进率低，具有技术先进，经济合理，安全可靠的优点。 单体液压支柱兀型钏梁支护的劳动强度虽比机采小，但在很大程度上超过铰接粱炮 采的劳动强度；不利于多循环作业。 2 ．3 ．4 单体液压支柱铰接顶梁 2 ．3 ．4 ．1 回采工艺 在回采过程中，工作面一般采用“单体液压支 柱 金属铰接顶梁的支护方式。在顶板特别破碎的 条件下，工作面支护一般采用“单体液压支柱 金 属1 - 字铰接顶梁”的支护方式 图2 7 。它是由接 头、梁体、耳予、销子以及凋角楔组成。梁体断面 形状为箱形结构，它足由4 块轧制的扁钢组焊而成。 梁体的一端焊有左右两块耳子，耳子上面有锥形销 孔和突出体。突出体上的豁口用于顶梁悬臂支护时 插人调角楔。梁体的另一 端焊有接头，接头上也有． 1 锥形孔和突出体。单体液压支柱金属铰接顶梁支护 工作面如图2 ～8 所示。 2 ．4 采煤方法选择 2 ．4 ．1 采煤方法选择 图2 7 金属十字铰接顶梁 接头；2 梁体；3 一耳子；4 销子 5 一调角楔 根据上面介绍的在国内外几种适合不稳定煤层开采的采煤方法，结合大安山井阳地 质条件，认为“单体支柱 铰接顶梁采煤法”具有较好的安全性和较好的技术经济效益， 是解决大安山煤矿缓倾斜不稳定煤层安全高效开采合适的方法。因此，确定 6 8 0 m 水平 轴1 4 槽采用“单体支柱 铰接顶梁采煤法”开采。 2 ．4 ．2 单体液压支柱特点 单体液压支柱的优点 1 足够的刚度和强度，能承受直接顶岩石的重量，有效地控制工作面直接顶岩石 的变形和移动，防止控顶区顶板冒落，保证安全生产； 2 足够的可缩性即让压性，以适应老项下沉和变形的需要，防止支柱过载而损坏； 3 较大的初撑力，减少直接顶暴露初期离层和变形性；在炮采工作面放炮时支柱 不被崩倒； 4 能多次回收复用，使用寿命长； 辽。j ’T 群技术人学顾十学位论文 5 性能可靠、维修量少； 6 质量轻，支设、同收方便，能保证回柱安全； 7 结构简单；价格便宜； 8 工作阻力恒定，各支柱承受载荷均匀； 9 支、回柱效率高，操作简便，] 人劳动强度低 1 0 可实现远距离卸载，吲柱安全； 1 1 工作面顶板下沉量小，冒顶事故少。 I L n L I J Ⅱ J 一 最小控疆踅制砑硝 T 图2 8 单体液压支柱金属铰接顶梁支护工作面图 l 一1 1 号工字钢棚梁；2 - - D Z 一2 5 型单体液压柱；3 - - H D J A - - 1 0 0 0 顶粱 4 、5 一牵j } 钢丝绳巾5 m m ；6 一倾斜架棚；7 1 1 号工字钢梁；8 - - S G W 一4 4 输送机； 9 - - 顶网达头 1 0 m ；1 0 一顶网；1 1 一圆木架棚梁1 2 一倾斜架棚梁；1 3 一档板 辽。rl 秽披术大学硕十学位论文 1 4 单体液压支柱的缺点 单体支十t 易钻底，初撑力难保证，且通风管理困难，煤尘较大，易发z 卜着火。工人 体力劳动量大，容易倒架，窜矸，尤其放炮州容易冲倒支柱。 2 ．4 ．3 铰接顶梁的特点 铰接项梁的优点 1 采用铰接顶梁支护，可以缓解了运输压力，减少了运输事故； 2 铰接梁前后铰接在一起，形成一个稳定的整体承受顶板压力，增加了支护强度， 减少了顶板隐患，有利于安全生产； 3 铰接梁具有悬壁支护顶板的特点，单体柱打在梁体上，距巷道两帮较远，避免 了巷帮受压f 『1 1 出时对单体柱的挤压而造成单体柱倾倒甚至变形损坏，保证了作业安全； 4 铰接梁支护可根据顶板压力大小增减单体柱数量，适应性强，回撤梁柱时，支 撑体系不是大面积卸载，有利于端尾及三角区顶板管理。 铰接顶梁的缺点 在项板破碎不平整处、铰接梁无法相互铰接，降低了支护强度；由于铰接梁重量大， 搬运不便，增加了r 人的劳动强度。 2 ．5 采区巷道布置和生产系统 2 ．5 ．1 采区巷道布置 根据煤层的地质条件，为简化生产系统，提高煤炭回采率，增加工作面推进长度， 减少搬家次数，保证安全，工作面采用走向长壁工作面。工作面走向长2 5 0 m ，倾斜长 7 0 m 。由于煤层赋存和地质条件的变化，当工作面推进至5 5 m 时，向回风平巷方向延伸 5 Ⅲ。推进至1l O m 时，向运输平巷方向延伸l O m 。工作面长度为8 5 m ，巷道布置和剖商图 如图2 - 9 、图2 一l O 。工作面布置见图21 1 。 2 ．5 ．2 生产系统 1 运输系统 工作面采用刮板运输机运输、平巷采用刮板运输机拉煤装车外运，材料采用人力运 料。运煤系统工作面一煤巷斜坡一运输机平巷一岩石斜坡一车台装车外运；运料系统 大巷料场一煤巷主上山一工作面上、下平巷一工作面。 2 通风系统 采用全负压通风，回风巷与馒头山风井连接，在 8 0 0 m 水平西二石门轴十四槽见煤 点处设置风门，在采区上山M 哽槽巷口下5 m 设置一道风门，在 6 8 0 m 水平两三轴石门斜 辽。pr 摧技术人学硕一l 学位论文 坡见煤点东平巷，下顺槽口向东j m 设置一道风门，保证采区工作面所需风量。 ；量i j ．霉。≥黪一4 8 0 0 水r 西一石门 图2 - 9 6 8 0 水平轴1 4 巷道布置图 堕堕三塑趸盟～一一⋯ A A 图2 1 0 巷道布置剖面图 辽’} l 程技术大学硕士学位论文 1 6 回风平巷一一变四垩巷 一一] 两三平巷 上作面 巷平 二 两 图 置 一 布 j | 面作 工l12 巷图 平 二 _ I 东 巷 一 、一 输运 辽宁I ．程技术大。≯硕士学位论文 3 回采巷道支护设计 3 ．1 巷道锚杆支护设计理论 巷道锚卡] 支护设计理论目前主要有悬吊理论、组合梁理论、组合拱 压缩拱 理论、 最大水平应力理论、围岩强度强化理论等。根据大安山轴1 4 槽煤层地质条件和支护设 计理论的综合研究，锚杆支护设计以悬吊理论作为依掘。 悬吊理论认为锚杆支护的作用就是将巷道顶板较软弱岩层悬吊在上部稳定岩层 上，以增强较软弱岩层的稳定性。对于回采巷道经常遇到的层状岩体，当巷道开挖后， 直接顶因弯曲、变形与老项分离，如果锚杆及时将直接顶挤压并悬吊在老顶上，就能减 小和限制直接顶的下沉和离层，以达到支护的目的 图3 - t 。 坚篌糟屠 黼 、 自然平奢擞 ‰} 一 熏攀i o 辽0 。1 ．科技术大学硕士学位论文1 8 对于一些地质