小红沟矿急倾斜特厚煤层综放开采技术研究.pdf

论文题目小红沟矿急倾斜特厚煤层综放开采技术研究 专 业矿业工程 硕 士 生祃连兴 （签名） 指导老师柴 敬 （签名） 摘 要 针对乌鲁木齐矿区急倾斜特厚煤层厚度大、强度高、冒放性差，综采放顶煤开采工 艺难以推广的技术难题，首先通过对煤层开采技术条件和物理特性指标进行分析研究， 确定了乌鲁木齐矿区煤层为典型的坚硬厚煤层。继而研究了乌鲁木齐矿区急倾斜煤层在 采用综采放顶煤开采工艺时，对顶煤冒放性主要影响的六个因素煤层强度系数、煤层 结构、煤体的完整性、采放高度比、坚硬顶板、赋存深度的排列顺序，利用模糊聚类 数学方法对 B12和 B36煤层冒放性指标进行了分析，预测评价给出顶煤冒放性差，确定 了影响煤层冒放性的主要影响因素为煤层硬度、顶煤中坚硬夹矸和节理裂隙不发育。通 过相似模拟试验和现场矿压观测，得出乌鲁木齐矿区急倾斜煤层水平分段开采矿压显现 规律和顶煤的破碎运移规律。在此基础上，结合实际分析急倾斜煤层综合机械化放顶煤 开采三机配套条件，比较分析顶煤性质和弱化技术途径，确定了顶煤冒放性控制为顶煤 超前水压致裂爆破松动综合弱化技术方法，提出了开采工作面采用注水工艺巷高压弱化 顶煤的技术方案。在乌鲁木齐矿区小红沟矿进行工业性试验，工作面回采率达到了 87 ％，取得了预期的效果。研究表明，乌鲁木齐矿区急倾斜坚硬厚煤层综放开采，顶煤冒 放性评价方法得当，冒放性主要控制因素确定合理，在坚硬难冒厚煤层条件下水平分段 开采采用注水工艺巷顶煤高压综合弱化技术方案达到预期效果。 关 键 词急倾斜硬厚煤层；综放开采；顶煤弱化；模糊聚类；顶煤运移规律 研究类型应用研究 Subject Study on Technology of Fully Mechanized Top- coal Caving High Safety of Coal Seam in Xiao Hong- gou Coal Mine Specialty Mining Engineering Name Ma lian- xing Signature Instructor Chai jing Signature ABSTRACT In this paper, it studies the technical problem of Urumqi mining in steeply inclined and extremely thick coal seam with large thickness, high strength, caving and the promotion of fully mechanized top coal caving mining technology . Firstly, through analysis to the coal seam mining technology condition and physical characteristic indicators, the coal seam in Urumqi mining area is identified to be a typical hard thick coal seam. Then the paper studies the main effects of the six factors the coal strength coefficient, coal bed structure, coal body integrity, mining and caving height ratio, hard roof, the order of occurrence depth on the top coal caving in the Urumqi mining steeply inclined coal seam in fully mechanized top coal caving mining technology. The paper further using fuzzy clustering to mathematical to B12 and B36 seam caving index undertooks an analysis, prediction and assessment to the top coal caving, and determines that the impact of coal caving of the main factors affecting coal seam is top coal rock hardness, Hard clip bottles and joint development. Though the simulation test and field observation of mineral pressure, it obtains behavior law of mine pressure of the Urumqi mining steeply inclined coal seam sublevel mining and the migration rule top coal fragmentation. On the basis of this, combined with practical analysis in steeply inclined coal seam comprehensive mechanization caving coal mining machine three- matching conditions and a comparative analysis of top coal properties and weakening technology approach, it determines the reasonable of top coal caving top coal in advance control for hydraulic fracturing blasting loosening comprehensive weakening technology, and proposes technology program of the mining of working face by using water injection process lane high weakening top coal. Through industrial test of fully mechanized top coal caving face of Xiao- honggou coal mine in the Urumqi mining area, workingsectionrecovery reached 87, and achieved the desired results. Research shows that, for Urumqi mining steeply inclined thick coal seam in fully- mechanized top- coal caving mining, top coal cavability uation is proper, caving characteristics main controlling factors in determining is reasonable, hard and difficult to run under the condition of thick seam mining with water injection process in horizontal section top coal weakening lane high voltage integrated technical scheme is to achieve the desired effect. Key words Hard- thick Coal Seam Top Coal Mining Top Coal cavibility Fuzzy Clustering The Regulation of Top- coal Movement Thesis Application Research 目 录 I 目 录 1 绪论...................................................................................................................................1 1.1 选题的背景和意义.......................................................................................................1 1.2 国内外研究现状...........................................................................................................2 1.2.1 综采放顶煤技术的发展现状................................................................................2 1.2.2 顶煤运移规律与难冒煤层综放开采矿压显现规律的研究...................................4 1.2.3 综放开采难冒煤层开采技术发展现状.................................................................5 1.3 研究目标......................................................................................................................6 1.4 研究内容......................................................................................................................6 2 坚硬顶煤的力学试验和分类.............................................................................................8 2.1 坚硬顶煤的开采技术条件...........................................................................................8 2.2 坚硬顶煤的物理力学参数...........................................................................................9 2.3 坚硬顶煤的分类.........................................................................................................10 2.3.1 坚硬顶煤的定义.................................................................................................10 2.3.2 坚硬顶煤的识别与判定.......................................................................................11 2.5 小结............................................................................................................................12 3 坚硬顶煤冒放性影响因素分析........................................................................................13 3.1 顶煤冒放性影响因素.................................................................................................13 3.1.1 煤层强度对顶煤冒放性的影响...........................................................................13 3.1.2 煤层顶煤夹矸对冒放性的影响.........................................................................14 3.1.3 节理裂隙对顶煤冒放性的影响..........................................................................15 3.1.4 采放高度比对顶煤冒放性的影响.......................................................................16 3.1.5 岩板条件对顶煤冒放性影响...............................................................................16 3.1.6 煤层赋存深度对顶煤冒放性的影响....................................................................17 3.2 模糊聚类分析方法的数学模型 .................................................................................19 3.2.1 顶煤冒放性分类方法确定...................................................................................19 3.2.2 模糊聚类分析方法的数学模型...........................................................................19 3.3 顶煤冒放性分类评价指标体系的建立.....................................................................21 3.4 顶煤冒放性的模糊聚类分析运算方法......................................................................23 3.5 顶煤冒放性因素评价................................................................................................26 3.5.1 顶煤冒放性分类原则...........................................................................................26 3.5.2 顶煤冒放性预测..................................................................................................28 目 录 II 3.5.3 590B12和 568B36煤层顶煤冒放性评价结论....................................................28 3.6 小结............................................................................................................................29 4 综放工作面坚硬顶煤运移规律.......................................................................................30 4.1 相似模拟实验设计....................................................................................................30 4.1.1 实验模型的设计和制作.......................................................................................30 4.1.2 数值建模.............................................................................................................31 4.2 综放工作面矿压特征及显现.....................................................................................32 4.2.1 现场矿压观测.....................................................................................................32 4.2.2 初次垮落过程矿压特征.......................................................................................34 4.2.3 周期性拱结构垮落矿压特征...............................................................................35 4.2.4 支承压力的分布特征...........................................................................................37 4.3 顶煤运动特征分析....................................................................................................37 4.3.1 矿山压力的破煤作用..........................................................................................38 4.3.2 顶煤的破坏和放出规律.......................................................................................40 4.4 小 结..........................................................................................................................42 5 急倾斜煤层安全高效开采技术及实践...........................................................................44 5.1 开采条件分析............................................................................................................44 5.2 综放开采工艺优化与设计.........................................................................................44 5.3 放顶煤支架主要参数选择.........................................................................................45 5.4 三机配套设备选型....................................................................................................47 5.4.1 三机选型原则......................................................................................................47 5.4.2 三机参数及性能确定...........................................................................................47 5.5 顶煤弱化方法的选择.................................................................................................50 5.5.1 顶煤弱化条件及方案选择...................................................................................50 5.5.2 注水弱化方案设计 ..............................................................................................50 5.5.3 工艺参数设计.....................................................................................................50 5.5.4 软化药剂设计.....................................................................................................55 5.5.5 煤层注水设备的选择..........................................................................................56 5.6 辅助弱化方案设计.....................................................................................................56 5.6.1 设计原则.............................................................................................................57 5.6.2 超前预裂方案[4345].............................................................................................57 5.6.3 预爆破参数验算..................................................................................................60 5.7 现场工业化实施过程................................................................................................61 5.7.1 工业试验位置和试点..........................................................................................61 目 录 III 5.7.2 注水孔超前位置.................................................................................................62 5.7.3 注水压力.............................................................................................................62 5.7.4 煤层含水率..........................................................................................................63 5.8 现场工业化试验效果分析.........................................................................................63 5.8.1 顶板来压特点.....................................................................................................64 5.8.2 顶煤的冒放性.....................................................................................................64 5.8.3 工作面放煤效果分析..........................................................................................65 5.9 小 结..........................................................................................................................69 6 结论.................................................................................................................................71 致 谢.............................................................................................................................73 参考文献.............................................................................................................................74 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题的背景和意义 煤炭是我国的主要能源，目前已探明储量达 9000109 t，在我国能源构成比例中占 70以上，在我国 21 世纪 50 年的能源结构中稳居 50％以上[1]。2004 年我国煤炭产量 19.7 亿 t，其中厚煤层开采产量占 50左右。随着国家经济结构的调整，西部大开发战 略的实施和西电东送工程的启动，西北地区将是今后国内煤炭消费的主要增长地区。依 靠科学技术，实现矿井高产高效，提高煤炭生产能力具有重要的现实意义。 综放开采是一种技术先进、效益显著的厚及特厚煤层优化采煤方法，与以往的采煤 方法相比，有着巷道布置系统简单，生产集中、工作面产量效益高等诸多明显的技术优 势，并且能迅速的将厚煤层的资源优势转化为经济效益优势，因此自 1988 年沈阳蒲河 矿首次进行综放开采的工业性实验以来，迅速在东北、华北以及西北等厚煤层矿区的适 宜条件下得到大面积的推广。目前，厚煤层的综放开采，不仅在缓倾斜和急倾斜厚煤层 得到应用，而且已经由原来的软煤层和中硬煤层推广应用到硬煤层，大同煤业集团忻州 窑矿、晋城煤业集团凤凰山矿和古书院矿，就是坚硬煤层综放开采的典型代表，尤其是 前者坚硬煤层和坚硬顶板的特殊条件下，经过原煤碳工业部的“九五”科技攻关项目研 究，取得了高产高效的成功经验[2,3]。 因此，综合机械化放顶煤开采技术因其生产能力大、效率高、效益好等特点，已成 为中国厚煤层开采的首选采煤方法，遍及中国厚煤层矿区，成为厚煤层矿区实现安全高 效集约化生产的重要途径。但对于特厚-厚坚硬煤层，目前的综放开采技术多因地质条 件和煤层赋存情况的不同，工作面上覆岩层破断规律和顶煤的破碎运移规律没有搞清， 使得综放开采方法在经济和技术上存在着较严重的问题。由于这些原因，在许多生产矿 井，特厚煤层开采仍采用传统的分层开采工艺进行开采。 采用综放开采一向被认为是厚煤层开采的一种有效途径，但对于坚硬厚煤层的矿 区，工作面上覆岩层破断规律、顶煤破碎运移规律和顶煤的冒放性成为综放开采的技术 关键。因此，对于坚硬厚煤层开采工作面上覆岩层的破断和顶煤破碎运移规律，以及弱 化工艺的研究，不仅对特厚-厚煤层高产高效开采有直接意义，而且对完善特厚-厚坚硬 煤层综放开采具有重要的理论意义。 急倾斜特厚煤层发展综采放顶煤开采技术，是实现安全高效开采目标的关键之一， 其核心就是科学合理地提高顶煤的回收率。急倾斜特厚煤层水平分段放顶煤与缓倾斜煤 层长壁开采情况不同。急倾斜煤层采用水平分段布置，工作面采动支承压力缓和，不利 于顶煤有效破碎，也不能通过增加工作面长度，如同近水平煤层长壁布置方式，创造提 西安科技大学工程硕士学位论文 2 高回采率的条件。因此，在急倾斜煤层水平分段综放开采已有条件基础上，研究顶煤可 放性，解决顶煤的合理软化技术问题，大幅度提高顶煤回收率，是科学地发展急倾斜特 厚煤层综采放顶煤技术优势的关键。 分析神华新疆公司乌鲁木齐矿区当前急倾斜特厚煤层发展综采放顶煤技术所面临 的问题，突出表现为一是工作面顶煤预先有效破碎问题，这是实现顶煤从放煤窗口及 时放出的基本条件，即需要研究顶煤的综合弱化技术方法与可行、适用的工艺途径；二 是基于综放工作面“三机配套”优势开发现有工作面潜力，即支架破煤规律和开采工艺 的优势，解决顶煤综合弱化技术及支架破煤的参数问题。研究乌鲁木齐矿区急倾斜特厚 煤层放顶煤技术面临的问题，进行科学设计，对保障急倾斜厚煤层综放开采实现安全、 高效、清洁生产，促进开采技术又好又快发展具有十分重要的理论价值和实际意义。 表表 1.1 矿区部分矿井煤层赋存条件矿区部分矿井煤层赋存条件 矿井名称 煤组编号 煤层编号 可采层数 煤层厚度 煤层倾角 一组煤 B12 2 33.81 二组煤 B36 4 49.27 三组煤 B7～B20 15 52.79 碱沟煤矿 四组煤 B21～B34 10 39.58 80～88 一组煤 B12 2 32.49 二组煤 B36 4 44.99 三组煤 B7～B20 14 49.80 小红沟煤矿 四组煤 B21～B32 10 40.2 86～88 一组煤 B12 2 30.79 二组煤 B36 4 57.5 三组煤 B7～B20 14 48.17 大洪沟煤矿 四组煤 B21～B33 10 51.22 82～88 一组煤 B45 2 28.47 二组煤 B4243 4 36.98 三组煤 B25～B40 14 47.35 乌东煤矿 铁厂沟煤矿 四组煤 B1～B22 10 50.28 39～53 1.2 国内外研究现状 1.2.1 综采放顶煤技术的发展现状 早在 100 多年前，法国、西班牙、南斯拉夫等国就已应用放顶煤开采。在当时，只 是作为复杂地地质条件下的一种特殊采煤方法。目前法国仍然部分采用房柱式和仓储式 1 绪论 3 采煤法。随着采煤机械化程度的提高，放顶煤开采工作面的机械化也不断取得进步，将 综合机械化开采运用到放顶煤工作面后，放顶煤开采技术就进入新的发展阶段。1957 年，前苏联研制出了 KTY 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；1963 年法国研制成功了“香蕉”支撑掩护式放顶煤液压支架，1964 年在布朗齐 矿区使用并获得成功； 80 年代， 使用 VHP730 型系列液压支架装备的放顶煤综采工作面 在匈牙利得到普遍推广[4,5]。 法国在 1977 年放顶煤开采生产的煤炭产量达到 1600 万 t，主要生产矿区为中南部 煤田布郎齐矿区，主要采用长壁工作面放顶煤开采。1980 年 6 月，布郎齐矿区罗泽莱矿 65 号南翼工作面进行了长壁工作面的放顶煤开采高产试验，采用工作面注水软化煤体。 在 21 天的试验期间，平均日产 2660t，月产 558790t 商品煤，煤炭回收率达到 90以上。 前苏联还使用一种设在巷道内的 KCB 型拱形放顶煤掩护支架，开采 26m 厚的急倾斜 煤层， 在分段巷道内向上钻孔爆破放顶煤。 在煤炭行业煤体注水软化技术得到初步应用。 此后，波兰、南斯拉夫、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， 80 年代后国外综放技术开始萎缩， 90 年代只有极少数矿井使用[6]。 我国综放的发展始于 80 年代， 是由急倾斜煤层开始的[7]。 最早进行综采放顶煤试验 的是沈阳矿务