榆神矿区坚硬特厚煤层大采高综放开采关键技术研究.pdf

煤炭科学研究总院 博士学位论文 榆神矿区坚硬特厚煤层榆神矿区坚硬特厚煤层 大采高综放开采关键技术研究大采高综放开采关键技术研究 作者姓名 李明忠李明忠 学科专业 采矿工程采矿工程 导师姓名 王国法王国法 院院 士士 完成时间 二○一二○一八八年五月十年五月十四四日日 密密级级 万方数据 万方数据 China Coal Research Institute A dissertation for doctors degree Research on Key Technology of Fully Mechanized Top Coal Caving with Great Mining Height in Hard and Extra Thick Coal Seam in Yushen mining area Author’s Name Mingzhong Li speciality Mining Engineering Supervisor Academician Guofa Wang Finished time May 14th, 2018 万方数据 万方数据 煤炭科学研究总院学位论文原创声明煤炭科学研究总院学位论文原创声明 本人郑重声明此处所提交的学位论文 榆神矿区坚硬特厚煤层大采高综放 开采关键技术研究，是本人在导师指导下，在煤炭科学研究总院攻读博士学 位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外 不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个 人和集体， 均已在文中以明确方式注明。 本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名 日期 2018 年 5 月 15 日 煤炭科学研究总院学位论文使用授权书煤炭科学研究总院学位论文使用授权书 榆神矿区坚硬特厚煤层大采高综放开采关键技术研究系本人在煤炭科 学研究总院攻读学位期间在导师指导下完成的学位论文。本论文的研究成果归 煤炭科学研究总院所有，本论文的研究内容不得以其他单位的名义发表。本人 完全了解煤炭科学研究总院关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅，同意学校 将论文加入中国优秀博硕士学位论文全文数据库和编入中国知识资源总 库。本人授权煤炭科学研究总院，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存 论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于（请在以下相应方框内打“√”）； 保密□，在 年解密后适用本授权书 不保密□ 作者签名 日期 年 月 日 导师签名 日期 年 月 日 万方数据 万方数据 摘 要 I 摘摘 要要 榆神矿区是我国重要的能源基地，矿区内煤层赋存结构简单，厚度较厚，适 宜采用放顶煤开采，但因煤质较硬，存在顶煤不易冒放、周期来压动载系数大以 及支架经常被压死等问题，严重影响了工作面的安全高效生产。为此，本文结合 榆神矿区煤层赋存条件和安全高效开采要求，综合运用理论模型计算、数值仿真 分析及现场实验等研究方法，对大采高综放开采支架-顶煤的耦合关系、大采高 放顶煤液压支架动载响应特性及结构优化设计等科学问题进行研究， 提出了坚硬、 特厚煤层大采高综放开采的技术方案及实现途径。论文的主要研究工作如下 （1）针对坚硬特厚煤层综放开采特点，建立了顶煤松散体流动性模型，揭 示了煤矸流动过程中的成拱机理，研究了顶煤的块度、放煤口尺寸、掩护梁倾角 及尾梁支撑力对煤矸流动过程中成拱的影响，设计了新型三级放煤机构，有效改 善了顶煤的冒放性。 （2）基于支架-围岩耦合理论，建立了坚硬特厚煤层条件下支架-顶煤的耦 合关系，研究了液压支架合力作用点、机采高度、支护强度、顶梁长度以及不同 放煤步距对顶煤冒放性的影响，根据研究成果，通过改变放顶煤液压支架的结构 形态，可以改变顶煤的破碎及冒放状态，从而提高工作面的回采率。 （3）建立了液压支架的刚体动力学方程和动态载荷模型，对液压支架进行 了刚度及动载测试，分析了液压支架动态承载特性，发现了液压支架承受动载时 的响应特性约为静态载荷的1.5倍， 为液压支架设计时的强度校核提供了的参考。 （4）提出了基于遗传算法的液压支架四连杆优化设计和精度控制方法，研 究了影响液压支架稳定性的关键因素， 建立了两柱放顶煤液压支架的平面和空间 力学模型，得到了支架合力在顶梁作用位置的空间解析结果，对比分析了两柱放 顶煤液压支架和四柱放顶煤液压支架两种架型的承载性能， 发现了在坚硬顶煤条 件下，两柱放顶煤液压支架性能更优。 （5）研制了 ZFY18000/27/50D 型两柱掩护式大采高放顶煤液压支架，并在 神树畔煤矿进行了工程实践，提出了工作面配套交叉侧卸、大梯度过渡技术，进 行了超大采高工作面矿山压力现场监测， 验证了上述理论成果的可行性与可靠性。 关键词关键词坚硬厚煤层；支架-顶煤耦合关系；大采高放顶煤；支架 万方数据 万方数据 Abstract I ABSTRACT Yushen mining area is an important energy base in our country. The coal seam in the mining area is simple in structure, hard in coal quality, and the top coal is not easy to run, the periodic pressure load coefficient is large and the support often is crushed to death, which seriously affects the safe and efficient production of the working face.Therefor, combined with the existing conditions of coal seam in Yushen mining area, mining practice and requirements of safe and efficient mining, this paper had researched the science problems that the coupling relationship between support and top coal in fully mechanized top coal caving with large mining height, the dynamic load response and structural optimization design of hydraulic support for large mining height caving by using a variety of research s such as theoretical model calculation, numerical simulation analysis and field experiment synthetically. Base on the study the technical scheme and the way to realize the fully mechanized caving mining of high mining height in the working face of extra thick coal seam was put forward. The main research work of this thesis is as follows 1 According to the characteristics of fully mechanized caving mining in hard and thick coal seam, the fluidity model of loose body of top coal was established, the mechanism of arch ation in the flow of coal and gangue was revealed, and the block degree of top coal and the size of caving mouth were studied. The influence of inclined angle of shield beam and supporting force of tail beam on the arch ation in the coal gangue flow process, a new three-stage caving mechanism was designed, which effectively improves the caving property of top coal. 2 Based on the theory of the coupling between support and surrounding rock, the coupling relationship between support and top coal under the condition of hard and thick coal seam was established, and the working point of combined force of hydraulic support, mining height and supporting strength were studied. According to the research results, the breakage and caving state of top coal can be changed by changing the structure of hydraulic support for top coal caving, so as to improve the recovery rate of working face. 3 The dynamic equation of rigid body and dynamic load model of hydraulic support were established, the stiffness and dynamic load of hydraulic support were tested, and the dynamic bearing characteristics of hydraulic support were analyzed. It 万方数据 Abstract II is found that the response characteristic of the hydraulic support under dynamic load is about 1.5 times of that of the static load, which provides a reference for the strength check of the hydraulic support design. 4 The optimization design and precision control of four-bar connecting rod of hydraulic support based on genetic algorithm are put forward. The key factors affecting the stability of hydraulic support are studied, and the plane and spatial mechanics models of two-pillar caving hydraulic support are established. The spatial analytical results of support force in the position of roof beam are obtained. The load-bearing perance of two pillar caving hydraulic support and four pillar top-coal caving hydraulic support is compared and analyzed, and it is found that under the condition of hard top coal, the perance of two-pillar top coal caving hydraulic support is better. 5 The hydraulic support of ZFY18000 / 27 / 50D two-column shield caving top coal caving is developed, and the engineering practice is carried out in Shenshupan Coal Mine. The matching cross side unloading and large gradient transition technology are put forward. Through monitoring the mine pressure in the super-high mining face, The feasibility and reliability of the above theoretical results are verified. Key WordsHard thick coal seam；Support- top coal coupling relationship； Great Mining Height Top-coal Caving Mining；Hydraulic Support 万方数据 目 录 I 目目 录录 第 1 章 绪论 ................................................................................................................ 1 1.1 选题的背景、目的及意义 ........................................................................... 1 1.1.1 选题的背景 ........................................................................................ 1 1.1.2 选题的目的、意义 ............................................................................ 3 1.2 国内外研究现状及文献综述 ....................................................................... 3 1.2.1 国内外综放开采技术发展现状 ........................................................ 4 1.2.2 国内、外放顶煤液压支架发展现状 ................................................ 7 1.2.3 放顶煤液压支架-围岩耦合关系研究现状 .................................... 10 1.2.4 顶煤变形破坏及放出规律发展现状 .............................................. 11 1.3 坚硬特厚煤层开采中需要进一步研究的科学问题 ................................. 12 1.4 主要研究内容 ............................................................................................... 12 1.5 主要技术路线 ............................................................................................... 13 第 2 章 榆神矿区坚硬特厚煤层围岩控制实测分析 .............................................. 15 2.1 榆神矿区煤层赋存特征及力学性能测试 ................................................. 15 2.2 榆神矿区典型矿井综放工作面矿压显现实测分析 ................................. 19 2.3 榆神矿区综采、综放工作面顶煤垮落及煤壁现场观测 ......................... 24 2.4 榆神矿区顶煤冒放过程对支架的影响 ..................................................... 27 2.5 本章小结 ..................................................................................................... 28 第 3 章 坚硬特厚煤层液压支架-顶煤耦合关系研究 ............................................ 29 3.1 坚硬特厚煤层顶煤冒放性评价 ................................................................. 29 3.2 坚硬特厚煤层顶煤成拱机理分析 ............................................................. 30 3.2.1 顶煤松散体流动模型 ...................................................................... 31 3.2.2 顶煤松散体的流动性分析 .............................................................. 32 3.2.3 煤矸流动过程中成拱的影响分析 .................................................. 34 3.2.4 强扰动三级放煤机构的优化设计 .................................................. 40 3.3 坚硬特厚煤层液压支架-顶煤耦合作用关系 ........................................... 41 3.3.1 坚硬特厚煤层液压支架-顶煤耦合力学模型 ................................ 41 3.3.2 支架合力作用点及大小对顶煤的影响 .......................................... 43 3.3.3 机采高度对坚硬特厚煤层煤壁、顶煤及回收率的影响 .............. 47 3.3.4 支护强度对煤壁及坚硬特厚煤层顶煤的影响 .............................. 51 3.3.5 顶梁长度对坚硬特厚顶煤的影响 .................................................. 51 万方数据 目 录 II 3.3.6 不同放煤步距对坚硬特厚顶煤的影响 .......................................... 55 3.4 本章小结 ..................................................................................................... 57 第 4 章 基于刚-液耦合的放顶煤液压支架动载响应研究 .................................... 59 4.1 坚硬特厚煤层条件下放顶煤液压支架动力学分析 ................................. 59 4.2 放顶煤液压支架刚度参数确定方法及测试 ............................................. 64 4.2.1 放顶煤液压支架刚度参数确定方法 .............................................. 64 4.2.2 放顶煤液压支架动力学刚度测试 .................................................. 66 4.3 基于 AMESim 的刚-液耦合的放顶煤液压支架动态载荷响应 .............. 67 4.3.1 软件平台及结构模拟系统分析 ...................................................... 67 4.3.2 两柱放顶煤液压支架动态仿真模型 .............................................. 68 4.3.3 两柱放顶煤液压支架动态响应特性 .............................................. 69 4.4 液压支架动载响应试验 ............................................................................. 71 4.5 本章小结 ..................................................................................................... 74 第 5 章 坚硬特厚煤层放顶煤液压支架结构优化及可靠性研究 .......................... 75 5.1 基于遗传算法的大采高放顶煤液压支架四连杆机构优化 ..................... 75 5.1.1 多目标遗传优化算法 ...................................................................... 75 5.1.2 大采高放顶煤液压支架稳定机构运动分析 .................................. 76 5.1.3 大采高放顶煤液压支架稳定机构可控参数优化 .......................... 78 5.2 大采高放顶煤液压支架稳定性研究 ......................................................... 82 5.2.1 四连杆运动精度分析基本原理 ...................................................... 82 5.2.2 四连杆运动精度对液压支架稳定性的影响 .................................. 83 5.3 大采高放顶煤液压支架不同架型的承载特性对比 ................................. 88 5.3.1 两柱掩护式放顶煤液压支架承载能力分析 .................................. 88 5.3.2 四柱支撑掩护式放顶煤液压支架承载能力分析 .......................... 94 5.3.3 液压支架不同架型承载能力对顶煤的影响 .................................. 95 5.4 大采高放顶煤液压支架结构优化及强度性能测试 ................................. 97 5.4.1 大采高放顶煤液压支架关键结构优化 .......................................... 98 5.4.2 大采高放顶煤液压支架整体结构强度数值模拟分析 ................ 106 5.4.3 大采高放顶煤液压支架强度测试 ................................................ 112 5.4.4 大采高放顶煤液压支架测试验结果分析 .................................... 114 5.5 本章小结 ................................................................................................... 116 第 6 章 榆神矿区大采高综放开采适应性分析 .................................................... 117 6.1 神树畔煤矿 305 超大采高综放工作面工程实践 ................................... 117 6.2 榆神矿区大采高放顶煤工作面总体配套技术 ....................................... 120 万方数据 目 录 III 6.2.1 大采高综放工作面交叉侧卸配套技术 ........................................ 120 6.2.2 大采高综放工作面综放工作面大梯度配套技术 ........................ 123 6.3 两柱掩护式大采高放顶煤工作面生产实践 ........................................... 124 6.4 本章小结 ................................................................................................... 126 第 7 章 结论、创新点及展望 ................................................................................ 127 7.1 结论 ........................................................................................................... 127 7.2 创新点 ....................................................................................................... 128 7.3 展望 ........................................................................................................... 128 参考文献 .................................................................................................................... 130 致 谢 ........................................................................................................................ 141 在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果 ................................................ 142 万方数据 万方数据 第 1 章 绪论 1 第第 1 1 章章 绪论绪论 1.1 选题的背景、目的及意义选题的背景、目的及意义 1.1.1 选题的背景选题的背景 榆神矿区位于榆林市神木县西部及榆阳区北部，矿区南北宽约 23～60km， 东西长约 45～70km，矿区面积约 2735km2，累计探明煤炭资源量 479.69 亿 t。 井田延安组含有煤 9～23 层，平均 18 层，其中主采煤层 2 层2-2、3。本区可采 煤层总厚为 15.80～23.39m， 一般 18～20m。 据统计， 矿区内典型矿井煤层厚度、 硬度系数及采煤工艺见表 1.1.1 所示，从表中可以看出，矿区内煤层厚度在 4.8512.4m 之间，煤层较厚，煤质硬度系数在 2.24 之间，属于坚硬特厚煤层， 存在分层开采、大采高开采以及放顶煤开采三种回采工艺。 表表 1.1.1 榆神矿区部分矿井煤层赋存情况榆神矿区部分矿井煤层赋存情况 Table 1.1.1 The characteristics of coal seam for some mine in Yushen mining area 矿井 煤层厚度/m 硬度系数 f 采煤工艺 杭来湾 4.85～11.90 2.2 分层开采 榆树湾 10.8～12.4 2.5 分层开采 曹家滩 8.08～12.15 2.8 7m 超大采高或放顶煤开采 金鸡滩 9.25～11.27 3.5 8m 超大采高开采 白鹭 7 4 7m 超大采高开采 麻黄梁 7.55～10.36 3.8 四柱放顶煤开采 千树塔 9.75～12.21 2.7 四柱放顶煤开采 神树畔 9.75～12.21 2.7 两柱放顶煤开采 双 山 8.16～11.38 3.3 两柱放顶煤开采 柳 巷 10.20～11.65 3.8 两柱放顶煤开采 矿区内直接顶岩性以粉砂岩、细砂岩为主要特征，基本顶为巨厚砂岩体，厚 度在 5～25m 之间，属于来压强烈的顶板，矿区内的麻黄梁、神树畔、双山、千 树塔等煤矿在放顶煤回采过程中，存在周期来压步距大、支架被压死、顶煤不易 冒落、冒落块度大、顶煤回收率低以及煤流易在机头堵卡等现象，导致资源浪费 严重，井下顶煤冒落情况如图 1.1.1 所示，从图中可以看到，冒落的顶煤块度较 大，堵塞了放煤口，影响了顶煤的冒落。 万方数据 第 1 章 绪论 2 图图 1.1.1 千树塔综放工作面液压支架后部冒落的大块煤千树塔综放工作面液压支架后部冒落的大块煤 Fig 1.1.1 The large coal of falling behind the hydraulic support in QianShuTa top-coal caving face 自上世纪开始，经过大量的试验研究[1-7]，我国厚煤层开采逐渐形成了三种 主要采煤方法，即分层开采、大采高开采和综采放顶煤开采方法。分层开采是将 厚及特厚煤层通过降低开采高度的方式降低开采难度， 但采用分层开采时存在生 产效率低， 巷道工程量大， 易自燃发火， 下分层开采时顶板维护难度增大等缺点， 目前没有成熟的下分层开采方案，已经很少采用。 我国从 1978 年引进德国 G320-20/37 型大采高支架及相应设备，开始了大采 高开采的探索；1984 年，我国自行研制第一套 4.7m 大采高液压支架；1987 年， 在邢台东庞矿进行了 5.0m 大采高液压支架及配套设备工业性实验；2005 年，在 晋城寺河矿， 实验成功 ZY8640/25.5/55 型第一套国产高端大采高装备； 2009 年， 在西山斜沟煤矿实验6.4m国产千万吨ZY12000/28/64大采高成套装备； 2010年， 在陕煤红柳林煤矿实现最大采高 7.0m 超大采高成套技术与装备；2016 年，一次 开采厚度达到 8m 的超大采高综采成套装备在金鸡滩煤矿井下开采成功，标志着 超大采高综采技术与装备已满足 8m 以下厚煤层开采的需求。 我国放顶煤开采经过三十多年的发展，从高位放顶煤发展到中位放顶煤，再 到如今的低位放顶煤，在对地质条件的适应性、采煤工艺的改进和设备装备配套 等方面都取得了长足的进步；“九五”和“十五”期间，北京开采所与兖矿集团 等单位合作，使综放工作面达到年产 600 万 t 的水平；2005 年，北京开采所首次 提出了大采高放顶煤概念，并研制了首套大采高放顶煤液压支架；2006 年，天 地科技开采设计事业部为兖矿集团兴隆庄煤矿研制 ZF7000/20/40 型大采高放顶 煤液压支架成套技术与装备成功实施；2007 年，天地科技开采设计事业部为枣 矿集团田陈煤矿研发 ZF7000/23/47 型大采高放顶煤液压支架及成套技术装备； 随后在平朔、 鄂尔多斯、 神东、 阳泉、 同煤等矿区陆续成功实施大采高综放开采； 2011 年， 天地科技开采设计事业部为大同塔山煤矿研发 ZF15000/28/52 型大采高 放煤液压支架及成套技术装备，年产达到 1000 万 t/a。 万方数据 第 1 章 绪论 3 1.1.2 选题的目的、意义选题的目的、意义 传统的观点认为综放工作面由于顶煤体‖的存在， 来压强度低， 动载系数小， 在大采高综放条件下，随着煤层采出厚度增大，上覆岩层活动范围增大已被现场 微震监测证实[8-9]，基本顶板断裂来压时极易对工作面液压支架形成动载冲击， 形成强烈的矿压现象，并伴随着支架压死、柱窝损坏等现象出现，影响工作面的 安全生产 [2]。例如塔山矿 8103 综放工作面，煤层埋深 300500m，直接顶为岩 浆岩、炭质泥岩、泥岩、硅化煤交替赋存；基本顶为粉砂岩、细砂岩与含砾粗砂 岩，煤层厚度平均 15.4m，采用工作阻力为 13000kN 的液压支架，支护强度在 1.2MPa 以上，在统