厚煤层采空区复采技术研究与应用.pdf

万方数据 论文题目论文题目 厚煤层厚煤层采空区复采技术研究与应用采空区复采技术研究与应用 作者姓名作者姓名王王 凯凯入学时间入学时间 2015 年年 9 月月 专业名称专业名称 采矿工程采矿工程研究方向研究方向 采矿方法与工艺采矿方法与工艺 指导教师指导教师郭忠平郭忠平职职称称 教教授授 论文提交日期论文提交日期2018 年年 4 月月 论文答辩日期论文答辩日期2018 年年 5 月月 授予学位日期授予学位日期2018 年年 6 月月 万方数据 TECHNOLOGY RESEARCH AND APPLICATION OF REPEATED MINING IN GOAF OF THICK COAL SEAM ADissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTEROFPHILOSOPHY from Shandong University of Science and Technology by Wang Kai Supervisor ProfessorGuo Zhongping College of Mining and Safety Engineering May2018 万方数据 万方数据 万方数据 万方数据 山东科技大学硕士学位论文摘要 I 摘摘要要 本文以太平煤矿六采区复采为背景，运用理论分析、数值模拟、现场应用等 方法，对复采区覆岩结构特征及其运动规律、巷道掘进与支护等进行研究。根据 首采工作面的实际开采条件，研究了巷道掘进施工方法、工作面降尘技术以及防 灭火安全措施，并对复采工作面进行了矿压观测，得到以下成果。 根据复采工作面布置的位置，分别研究了原生覆岩结构和再生覆岩结构，并 建立力学模型，得出开采过程中中部煤柱支撑的顶板所受应力最大，且出现应力 集中。工作面中部压力主要来自煤柱上方顶板的沉降。工作面两侧的压力主要来 自两方面，一是煤柱上方顶板岩体向两侧的移动；另一方面是工作面两侧的顶板 受采动再次下沉。 通过数值模拟的方法对巷道支护方式进行了研究，确定的支护方案为在巷 道围岩较完整的地方选取钢架棚支护；在巷道围岩破碎的地方选取喷浆钢架棚支 护。 复采巷道掘进过程中，发明了一种采空区内煤层巷道掘进施工方法，加强了 爆破时对顶板的超前支护，很好地保护了顶板完整性。 复采工作面降尘方面，设计了一种水幕降尘装置，吸附进入回风巷道内污风 中的粉尘，极大地提高了矿井内的空气质量。 关键词关键词复采；覆岩结构；巷道支护；掘进方法；降尘 万方数据 山东科技大学硕士学位论文Abstract II Abstract In this paper, with the background of six mining areas in Tai Ping coal mine, by means of theoretical derivation, numerical simulation and field application.Study on the overburden structure characteristics and its movement rules, roadway tunneling and support, etc. According to the actual initial mining working face mining conditions, studied the drivage construction , face dust technology and fire prevention safety measures, and probes into the compound mining face underground pressure observation, get the following results. According to the location of the compound mining face layout, respectively, to study the overlying protogenesis and regeneration strata structure, and establish the mechanical model. It is concluded that the roof supported in the middle of coal pillar suffers the maximum stress and the stress concentration. The pressure at the coal pillar is mainly from the downward movement of the roof above the coal pillar.The pressure on both sides of the working face mainly comes from two aspects.On the other hand, the roof on both sides of the working face sinks again under mining. The of numerical simulation is used to simulate the selection of roadway support mode. The support scheme confirmed issteel scaffoldingwasselectedtosupportthesurroundingrockof roadway.grouting steel scaffolding is selected to support the broken surrounding rock in the roadway. In the course of roadway tunneling, a of roadway tunneling construction in coal seam in goaf is invented to strengthen the leading support of roof during blasting, and to protect the integrity of roof well. Repeated mining work face dust removal, designed a kind of water 万方数据 山东科技大学硕士学位论文Abstract III curtain dust removal device, adsorption into the return air roadway dirty dust in the wind, and greatly improve the air quality of mine. Keywordsrepeated mining;overburden structure;roadway support; roadway driving; dust removal 万方数据 山东科技大学硕士学位论文目录 IV 目目录录 摘摘要要.............................................................................................................I Abstract.........................................................................................................II 目目录录..........................................................................................................IV 1 绪论绪论.............................................................................................................1 1.1 课题的提出及研究意义.....................................................................................1 1.2 国内外研究现状................................................................................................2 1.3 课题主要研究内容及技术路线........................................................................4 2 采空区复采概况采空区复采概况........................................................................................6 2.1 太平煤矿六采区复采条件概况........................................................................6 2.2 复采区开采分析................................................................................................7 2.3 本章小结..........................................................................................................10 3 采采空区复采覆岩结构与运动规律研究空区复采覆岩结构与运动规律研究...................................................11 3.1 初次开采覆岩“三带”破坏.......................................................................... 11 3.2 复采覆岩空间结构力学分析..........................................................................14 3.3复采工作面支承压力分析............................................................................19 3.4 本章小结..........................................................................................................22 4 复采巷道支护参数研究复采巷道支护参数研究..........................................................................24 4.1 数值模型建立..................................................................................................24 4.2 巷道未支护数值模拟研究..............................................................................26 4.3 巷道钢架棚支护数值模拟研究......................................................................32 4.4 巷道喷浆钢架棚支护数值模拟研究............................................................36 4.5 巷道支护对比分析..........................................................................................40 4.6 本章小结..........................................................................................................44 5 采空区复采工程应用采空区复采工程应用..............................................................................45 5.1 采空区复采首采工作面概况..........................................................................45 5.2 采空区复采巷道掘进施工方法......................................................................49 万方数据 山东科技大学硕士学位论文目录 V 5.3 采空区复采安全技术措施..............................................................................52 5.4 效益分析..........................................................................................................60 5.5 本章小结..........................................................................................................61 6 结论与展望结论与展望..............................................................................................63 6.1 主要结论..........................................................................................................63 6.2 主要创新点......................................................................................................63 6.3 展望..................................................................................................................64 参考文献参考文献.........................................................................................................................65 致致谢谢.............................................................................................................................68 攻读硕士期间主要成果攻读硕士期间主要成果.................................................................................................69 万方数据 山东科技大学硕士学位论文Content VI Contents Abstract..........................................................................................................................ⅡⅡ Content........................................................................................................................... ⅥⅥ 1Introduction................................................................................................................1 1.1Raising of project and meanings of study..................................................................................1 1.2Overseas and domestic research status......................................................................................2 1.3The main research content and technical route...............................................................4 2Goaf repeated mining situation................................................................................6 2.1Conditions of repeated mining in six mining areas of Taiping Coal Mine...............................6 2.2Repeated mining area mining analysis......................................................................................9 2.3Summary.................................................................................................................................14 3Study on the structure and motion of overlying strata repeated mining in goaf .11 3.1The first mining overlying strata “three belts“ damage..........................................................11 3.2Structural mechanics analysis of overburden rock in repeated mining..................................14 3.3Support pressure analysis of the repeated mining working face.............................................19 3.4Summary..................................................................................................................................22 4Study on supporting parameters of repeated mining roadway .........................24 4.1Model Foundation of Numerical Simulation...........................................................................24 4.2Numerical simulation of roadway unsupported.......................................................................26 4.3Support by steel erecting shed support numerical simulation research..................................30 4.4Support by roadway spray and steel erecting shed supportnumerical simulation research....36 4.5Comparative analysis of roadway support...............................................................................40 4.6Summary..................................................................................................................................44 5Application of repeated mining engineering in goaf.............................................45 5.1Situation of repeated mining work face in goaf...................................................................... 45 万方数据 山东科技大学硕士学位论文Content VII 5.2Construction of mining roadway excavation in goaf................................................. 49 5.3Safety technical measures for repeated mining in goaf..........................................................52 5.4Benefit analysis........................................................................................................................60 5.5Summary..................................................................................................................................61 6Conclusion and expectation....................................................................................63 6.1Main Conclusion......................................................................................................................63 6.2Main innovation.......................................................................................................................63 6.3Expectation...............................................................................................................................64 References.......................................................................................................................65 Acknowledgements........................................................................................................68 Major achievements in the study of masters degree..................................................69 万方数据 山东科技大学硕士学位论文绪论 1 1 绪论绪论 1.1 课题的提出及研究意义课题的提出及研究意义 1.1.1 课题的提出课题的提出 我国能源资源最显著的特点就是“富煤、贫油、少气”，探明的煤炭储量 5.9 万亿 t，占一次能源消费总量的 94.2，而石油、天然气却不到 6。同时煤炭也 是最经济的能源，同等热值的煤炭价格不到天然气价格的 1/3 ，不足汽、柴油价 格的 1/9，大概是核能的 1/3[1]。在当前煤炭行业经过“十年黄金发展期”后，也进 入产能过剩、市场疲软时期。对此，煤矿更应该提高煤炭采出率，实现绿色开采， 保护环境，继续推动我国经济可持续发展。 受到采煤方法及设备的影响，矿井在长期的开采过程中形成了很多形式的残 煤，如丢弃在采空区内的顶、底煤，以及区段煤柱等。这些遗煤资源开采技术难 度大， 安全性差， 不能形成正规工作面开采， 所以与正常开采相比有很大的差异[2-3]。 厚煤层放顶煤是在煤层底部布置综采工作面，放置放顶煤液压支架，采底煤 同时利用矿压及辅助措施破煤，将支架上方的顶煤放出，具有系统简单、生产集 中、节省大量设备和人力、掘进率低、对煤层地质变化适应性强等特点，主要适 用于 5m 以上的厚煤层开采。但是，放顶煤开采工艺存在回采率低、含矸率高的问 题，丢弃在采空区内大量的煤炭资源。综放工作面在采空区遗留的大量煤炭资源， 相当一部分资源具备开采条件，应该研究复采回收。 1.1.2 课题研究的意义课题研究的意义 （1）提高煤炭资源回采率 煤层开采后围岩受到破坏，采空区被垮落的岩石、遗留的残煤充满，对采空 区内的残煤进行复采，可以充分提高煤炭资源回收率。 （2）延长矿井服务年限 煤矿建井初期，为了快速取得盈利，在开采时先开采赋存条件好的煤层，尤 其是厚煤层放顶煤开采，大量顶煤遗留在采空区内。随着开采的进行，条件好的 煤层趋于枯竭，矿井进入衰老期，影响到煤矿的长久持续发展。因此，煤层复采 势在必行，在煤炭开采长期积累的技术经验下，可以有效地实现煤层复采。 （3）为煤矿企业转型赢得宝贵时间 万方数据 山东科技大学硕士学位论文绪论 2 目前，我国煤炭行业产能过剩、市场疲软，环保力度逐渐加大，对于衰老矿 井更是雪上加霜。在能源结构调整的现在，煤矿企业不是无路可走，建立“绿色 开采，清洁消费”的机制，实现煤炭资源的清洁利用。 （4）对其它矿井复采起到示范作用 煤层复采在开采技术上并不成熟，而在完全采空区下复采目前研究并不多， 完全采空区复采在开采难度上都要大于其他类型的复采，而厚煤层开采后遗留在 采空区内的煤碳又占到复采煤量的 4050，因此进行采空区复采方面的研究， 对于其它相似矿井实现安全、高效复采也起到示范作用。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 矿井开采后期，煤炭资源逐渐枯竭，复采是延续矿井生产的必由之路。目前， 矿井遗煤主要有采空区顶底煤、边角煤、阶段煤柱、孤岛煤等，根据文献查阅， 煤层复采研究的课题并不多。 1.2.1 国外煤层复采研究国外煤层复采研究 波兰在井筒保护煤柱中的煤层开采方法叙述了由开采引起的岩层变形现象的 动力过程特征。在井筒保护煤柱中采用冒落法开采，并对保护井壁方法可行性作 出评价[4]。 鲁尔和西里西亚煤田有很多开采井筒煤柱的经验。如西德格里别勒格矿 3、4 号井筒，井筒煤柱采用全部充填和木垛支护进行回采，煤柱周围是采用冒落法开 采后的已采区。西德马里亚矿井煤柱有 7 层煤，总厚 8.5m，共采煤 46.0 万 t，回 采工作是背向开采，以风力充填和部分冒落法管理顶板。捷克斯洛伐克在深度为 40m 左右的缓倾斜薄煤层中，采用部分充填法成功地开采了两个井筒煤柱[5]。 美国宾夕法尼亚废煤矿重新开采，Hawkins J.W 设计了重新开采方案，对水文 地质、减少排水量等问题进行了分析，并对相似矿井的重新开采提出了展望[6]。 在提高遗留煤炭回收率，以及改善矿井复采后环境问题等方面，Veil，John A 等提出很多策略，并界定了复采的概念问题[7]。 万方数据 山东科技大学硕士学位论文绪论 3 Smith.M.W.在重新设计区域复采方案，减少了矿井酸性水的排出，成功解决 了夕法尼亚州 cliton 县河水水质问题[8]。 1.2.2 国内遗煤复采研究国内遗煤复采研究 振兴煤矿对采空区中残存的顶煤、底煤等工作面损失煤量，断层煤柱、区间 煤柱等采区留有煤量进行复采。通过对 2001 年至 2012 年间旧区复采的统计，累 计旧区复采煤炭120 多万t， 工作面回采率达到85.2， 旧区复采取得了可喜成果[9]。 天河煤矿随着开采时间的增加，矿井资源日益枯竭，对上世纪 80 年代及 90 年代前期采用房柱式开采留下的煤柱进行复采，煤炭资源得到了充分回采，取得 了较好的经济效益[10]。 豫西“三软”3 煤层矿区采空区残留有大量煤炭，采用整体顶梁组合悬移支架 配合采煤机机采放顶煤，局部地段炮采的工艺复采残煤，从技术和管理的角度控 制复采面煤质，保证开采安全[11]。 在煤层复采理论研究方面，对山西阳城西河煤矿旧采残煤区复采研究，对旧 采长壁复采采场的顶板垮落形态、垮落方式、垮落步距，特别是架前垮落概率和 对支架影响的新的特征与规律[12]。 晋煤集团圣华煤业 3101 工作面为残煤复采背景，对顶煤和煤柱应力分布进行 研究，表明应力集中出现在靠近工作面的煤柱边缘，应力集中系数与空巷跨度和 煤柱宽度比值成正比关系[13]。 针对复采工作面过平行空巷支架支护阻力的问题，通过现场调研和理论分析， 建立了过空巷采场基本顶破断的力学模型，提出了影响复采采场基本顶超前断裂 的 3 个因素复采工作面与空巷间煤柱宽度、复采工作面与周期断裂线距离、空 巷宽度[14]。 对层间岩体在采动过程中的受力分析，综合考虑层间岩体的岩体自重、黏聚 力、摩擦阻力、采动压力、刀柱残余承载力等因素的作用，提出了评价层间岩体 稳定性的安全系数法，采用数值模拟方法研究了上行长壁工作面不同开采参数对 层间岩体稳定性的影响[15]。 根据新华区小煤矿生产的特点，总结了复采残煤小煤矿井田开拓、采煤方法， 重点研究了房柱式采煤法采准巷道布置和采煤工艺，同时结合小煤矿生产中存在 万方数据 山东科技大学硕士学位论文绪论 4 的主要问题，依据煤炭行业的法律、法规，提出了小煤矿采煤方法改进的技术措 施[16]。 采用 FLAC3D 模拟了在大变形模式下，留顶厚度对复采工作面顶底板位移、 最大主应力和最小主应力等参数的影响及演化规律[17]。 根据莒山煤矿在刀柱式老采区残留煤层下，采用综采工艺进行回收，掌握矿 压显现规律，合理进行综采工作面布置，采取控制措施预防冲击矿压，安全顺利 实现了长壁综采回收残留煤炭资源[18]。 1.2.3 遗煤复采国内外研究现状分析遗煤复采国内外研究现状分析 通过查阅文献，分析国内外煤层复采的现状，可以归结为如下几点 （1）国内外主要针对矿井边角煤、护巷煤柱、断层保护煤柱等煤炭资源进行 复采，对于采空区内的遗留煤炭资源开采的研究很少。 （2）关于遗煤复采理论方面的研究也较少，如矿山压力特点，资源赋存特点， 开采方法探析，资源量分析，技术经济分析等。 （3）在我国遗留的煤炭资源占可采资源的比重很大，尤其是厚煤层放顶煤开 采，可达到 3040，有的矿井甚至到达 50。针对遗煤复采煤炭资源的基本赋 存特征、顶板垮落、巷道支护、采空区积水、防灭火、积气等研究很少。 （4）采空区顶板完全垮落，有些局部垮落，遗留煤体应力分布极端不均匀， 工作面推进过程时液压支架压力变化情况，工作面端头支护防止煤壁偏帮等问题 需要进一步研究解决。 1.3 课题主要研究内容及技术路线课题主要研究内容及技术路线 1.3.1 课题研究的主要内容课题研究的主要内容 本课题主要研究内容首先分析采空区复采的可行性，再次研究复采覆岩结构 特征，建立采空区复采覆岩结构力学模型，并对复采工艺、巷道掘进与支护的方 法进行研究，并制定采空区复采的安全技术措施。 1.3.2 课题研究的技术路线课题研究的技术路线 技术路线如图 1.1 所示。 万方数据 山东科技大学硕士学位论文绪论 5 厚煤层采空区复采 技术研究与应用 复采区覆岩结构 巷道支护 复采工程应用 原生覆岩结构 再生覆岩结构 数值模拟 采煤方法选择 巷道布置 工作面安全技术措施 工作面矿压观测 工作面降尘除尘 工作面防灭火 力学模型 力学模型 参数设计 采空区复采 研究成果 巷道掘进 图图 1.1 技术路线图技术路线图 Fig. 1.1Technology road map 万方数据 山东科技大学硕士学位论文采空区复采概况 6 2 采空区复采概况采空区复采概况 2.1 太平煤矿六采区复采条件概况太平煤矿六采区复采条件概况 2.1.1 复采区范围复采区范围 复采区位于原六采区的东南部