采矿技术毕业论文.doc

分类号 密级学校代码 10704 学号 0808060123西安科技大学学 士 学 位 论 文 题目：张家峁煤矿综采工作面矿压规律研究作者：王小辉指导教师：来兴平 专业技术职称：教授学科专业：采矿工程 申请学位日期：2012年6月论文题目：张家峁煤矿综采工作面矿压规律研究专 业：采矿工程学 生：王小辉 （签名） 指导教师：来兴平 （签名） 摘 要张家峁煤矿地处神府侏罗纪煤田地方开采区的边界地带，属于浅埋厚煤层。浅埋厚煤层矿井综采面矿压显现在矿井开采初期尤其突出，严重影响工作面的安全生产，因此有必要对张家峁矿15203综采面矿压规律进行研究。本文以神木张家峁煤矿综采工作面矿压显现为背景，采用工程调查、现场监测数据采集和理论分析等方法。对张家峁矿15203综采面矿压规律进行了研究。15203综采面现场观测、工程调查和理论分析得出老顶初次来压步距为54m。周期来压步距为15.6m左右；周期来压期间支架平均工作阻力达44.48mpa，非周期来压期间之际平均工作阻力约30.65mpa，来压强烈，持续时间短，工作面中部测区有65%支架安全阀开启，说明支架额定工作阻力富裕系数并不大。顺槽超前支护20m能够满足护巷要求，工作面之间20m护巷煤柱可以满足要求。关 键 词：浅埋煤层；综采面矿压规律； subject:analyses of the mine pressure law of the face with fully mechanized coal mining in zhangjiamao coal mine specialty : mining engineeringname : wangxiaohui (signature) supervisor : laixingping (signature) abstractzhangjiamao coal mine is placed in the boader of shenfu jurassic coal field in which thick-shallow coal seam is beared. mine pressure behavior occours frequently in the initial mining stage which seriously influences the safty in the coal face, thus, it is of great necessity to enforce a research of the mine pressure law of the 15203 fully mechanized coal mining face. the paper took the mine pressure behavior in the fully mechanized coal mining face of zhangjiamao mine in shenmu as the background and adopted engineering investigating、field supervision data collecting、theory analyzing and other method to proceed a research of the mine pressure behavior in the face of zhangjiamao mine.according to the field observation、engineering investigation and theory anlysis, the length of the frist weighting interval is 54m. the length of periodical weighting interval is about 15.6m. the average working pressure of the support during the periodical weighting period is 44.48mpa and it is about 33.6 mpa ot during periodical weighting period.the pressure, whcih severely occurs, lasts for a short time. and 65% of the safety valves of the supports become open which suggests that the extra coefficients of rated working pressure of the supports are not very high. the requirement can be met with 20m advancing support of the gate way and 20m thick coal pillar between working faces.key words: shallow coal seam law of the face with fully mechanized coal mining 目 录1 绪论11.1 问题的提出11.2 研究目的及意义11.3 浅埋煤层矿压研究现状11.4 研究内容和技术路线31.4.1 研究内容31.4.2 研究技术路线32 张家峁15203综采工作面开采条件分析42.1 张家峁煤矿15203综采面概况42.2 15203综采面矿压观测53 20115综采工作面矿压规律分析63.1 初次来压63.2 周期来压74 结论11致 谢12参考文献131 绪论1 绪 论1.1问题的提出陕北诸多浅埋煤层矿井矿压显现剧烈在矿井开采初期尤其突出，长壁工作面普遍有顶板覆岩出现全厚切落，呈现台阶下沉现象，造成剧烈的矿压显现，支架被压死，且存在涌水溃沙的隐患，严重影响开采的安全性、产量和效益1。张家峁煤矿是否也会像浅埋煤层一样出现剧烈矿压显现，就是本文研究的主要内容。1.2研究目的及意义通过张家峁煤矿15203综采面矿压显现规律研究，搞清楚覆岩结构及矿压规律，保证了采煤工作面的安全生产。1.3浅埋煤层矿压研究现状浅埋煤层由于其特殊的赋存条件，它的矿压规律与普通长壁采煤方法相比有很大的区别。90年代初，我国开始了浅埋煤层矿压显现及岩层控制方面的研究，我校开展了较为突出的研究工作，初步观测了长壁工作面矿压显现规律与顶板破断的基本特征。早在1990年，西安矿业学院矿压研究所的侯忠杰教授对大柳塔煤矿c202试采工作面进行了实测2。实测表明，工作面周期来压明显，活动剧烈，支柱动载系数2.34.3，有明显的台阶下沉现象，台阶下沉量达350600mm。通过观测表明，浅埋煤层开采矿压显现并不缓和，需要更深入地研究。1991年，我校侯忠杰教授和黄庆享教授受委托对大柳塔煤矿第一个综采工作面开采前进行了采前模拟，认为采高3m和4m试验煤壁的贯通断裂隙在基岩下部闭合，工作面被溃沙埋没的可能性较小，从而将开采高度有原来的2.8m提高到4.0m，为现场带来了数千万元的经济效益。通过对1203工作面矿压观测发现，工作面初次来压顶板出现自工作面到地表沿煤壁的全厚切落，周期来压顶板同样全厚切落，但顶板破断线在支架后方，煤壁处未有明显切落3-4。该矿于1993年根据模拟结果进行了开采，我校矿压研究所跟踪观测了矿压，结果表明矿压主要特征于模拟结果基本吻合。1993年底，侯忠杰教授及黄庆享教授结合模拟及观测资料，采用有限元数值计算对厚松散层浅埋煤层进行了分析：认为基岩破断及沿全厚切落是由剪切力造成的；整体台阶下沉造成冒落带高度增加，使覆岩三带发生了变化；浅埋薄基岩松散层顶不能形成稳定的砌体梁结构；由于整体台阶下沉，常规的防沙岩柱经验公式已经在这种情况下不适用；工作面支护强度对基岩破环及台阶下沉有明显影响。 1995年后，侯忠杰教授等又对第一、二个高产高效长壁工作面进行了采前大型立体相似模拟和矿压观测，形成了浅埋煤层矿压显现的基本观点5-7。认为防止工作面出现架前切落应具备两个条件，其一是顶板基岩厚度足以大到工作面上方形成某种结构，并且能够承担松散层自重载荷，使工作面处于大结构的“保护”之下；其二是工作面支架有足够大的支护阻力（包括初撑力），从而与顶板覆岩压力相平衡，防止顶板在架前出现台阶下沉。在采高一定的条件下，工作面基岩厚度、松散层厚度以及工作面支架额定工作阻力是决定浅埋深、厚松散层下开采覆岩运动破坏特点及矿压显现特点最主要的三个因素。当基岩厚度与采高之比h/m=5时，覆岩仅有冒落带，如大柳塔煤矿1203工作面；当h/m=10时，覆岩分为冒落带和岩柱错动带，如大柳塔煤矿20601工作面；当h/m15时，顶板覆岩出现冒落带、裂隙带。此时工作面前方基岩不再出现拉伸裂隙，厚松散层也不再成为影响工作面矿压显现的重要层，如补连塔煤矿2211工作面8-9。1996年6月，我校石平五教授等对我校的浅埋煤层矿压研究进行了全面提高和总结10-11。研究认为，基岩上覆盖层下部的基岩风化层及其上部的粘土层、沙砾层在一定的采高范围内可能形成上部大结构，对基岩小结构的载荷形成有影响。在浅埋煤层条件下，上部临时性大结构于下部基岩的不同周期性，可能会引起工作面周期来压的不等距和来压强度的不等性，也可能出现周期来压大于初次来压的现象。研究总结了基岩全切落的特点并通过实验进行验证。还提出了基岩切落以后运动的概念，认为当液压支架有足够初撑力时，基岩首先在开切侧发生剪切破断，然后由于回转运动在支护侧上方产生拉裂缝组，在上覆盖层的作用下沿支架尾端切落。基岩切落后各岩层的沉陷运动有阻滞过程，破断基岩的回转对溃沙有影响。1998年，我院黄庆享老师完成了他的博士论文浅埋煤层长壁开采围岩控制，在此研究基础上，进一步研究和撰写了专著浅埋煤层长壁工作面开采顶板结构及岩层控制研究12，该书系统应用顶板结构理论对浅埋煤层进行了顶板控制的定量化研究。1999年以来，我院侯忠杰教授在钱鸣高院士提出“关键层理论”13基础上，用“组合关键层”判据深入、系统研究了浅埋煤层顶板控制理论14-16。研究认为，对于一般浅埋煤层，煤层顶板某一岩层成为组合关键层，不仅应满足刚度条件，还要满足来压强度条件；地表厚松散层浅埋煤层的两层关键层必然发生组合效应，形成组合关键层；地表厚松散层浅埋煤层组合关键层既不能形成三铰拱式平衡，也不能形成“砌体梁”平衡。2002年黄庆享教授在国家自然科学基金项目（no.50104009）和陕西省教育厅自然科学基金项目（no.98d02）的资助下开展这一领域研究。他与其研究生刘文岗、张沛，通过大量物理相似模拟研究，得出了浅埋煤层厚砂土层的破坏规律，并通过对动态载荷智能采集系统的开发，获得了厚砂土层动态载荷的一些特征和数据17。对浅埋煤层厚砂土层破坏机理、动态载荷传递机理以及载荷传递因子的确定，展开了进一步的工作。1.4研究内容和技术路线1.4.1研究内容进行现场观测研究，揭示张家峁15203综采面矿压显现规律；1.4.2研究技术路线调研，查阅、搜集资料矿压规律现场检测采集数据理论分析工程调查如图1.1所示。图1.1 技术路线图142 张家峁15203综采工作面开采条件分析2 张家峁15203综采工作面开采条件分析2.1 张家峁煤矿15203综采面概况15203综采面位于5-2煤一盘区东部，北为5-2运输大巷，紧邻回采完毕的15202综采面及待回采的15204综采面。地理坐标：回风顺槽开口点x=37455674.651，y=4320002.417，胶运顺槽x=37444396.484，y=4320005.000，切眼与回顺、运顺贯通点分别为x=37453094.137，y=4320002.355，x=37453094.160，y=4320303.405。工作面沿煤层走向布置，垂直大巷方向推进，其中辅运巷长度2626.788m，胶运巷长度2602.949m、回顺长度2635.561m，切眼长度295m，可回采面积2504295=738680，煤层倾角12,煤层厚度6.06.25m，平均厚6.12m，煤层视密度1.32t/m3，满足设计采高6.0m要求。井下位置及四邻采掘情况：15203工作面北为5-2煤辅运大巷，东南侧为已回采完毕的15202综采工作面，西边紧临待回采的15204综采工作面。回采对地面设施的影响：该工作面地表为典型的陕北黄土高原地貌，沟、壑、塬、峁发育。沟谷多呈v字型，比降较大，有季节性流水。地表植被稀疏，农民种植的农作物，部分区域栽植有人工林，地面有2户农民住户和一座关老庙（已搬迁），再无其它建筑物。井下位于一盘区东部，工作面北部是5-2号煤运输大巷，东部是已回采结束的15202综采工作面（隔25m煤柱），切眼南部284m处是5-2煤火烧边界，西部尚未开采。本工作面煤层赋存稳定，煤层倾角12，煤层平均厚度6.12m，煤层结构较简单，仅局部煤层底部含一层夹矸，夹矸厚度为0.10.2m，岩性为炭质泥岩。煤层底板高程1070.299（胶运顺槽1#联巷处）1080.842m（回风顺槽靠近切眼处），地面标高为1148.71257.3m，盖山厚度为70.7179.3m，大体来说盖山厚度为南薄北厚。该工作面煤层为特低灰低灰，特低硫、特低低磷，特高热值的长焰煤，是优质的动力和化工用煤。据8-4、9-5、zh33钻孔资料证实，本工作面直接顶板为浅灰色，块状粉砂岩，厚1.6m，水平层理发育，底部夹深灰色泥岩，含大量植物化石。老顶为浅灰色、中厚层状的细粒砂岩，厚6.24m。顶板岩石抗压强度平均为23.1mpa，属不稳定型较稳定型（iii）。本工作面直接底板为灰色、块状的粉砂岩，夹黑色泥岩薄层，含植物化石碎片，厚1.2m。底板岩石抗压强度平均为26.37mpa，属不稳定型较稳定型（iii）。总的来说，工作面顶、底板岩石中粘土矿物含量较高，发育较多的水平层理、小型交错层理，以具有节理、裂隙和滑面等结构面为特点。本工作面的总的构造类型为一走向nw、倾向w的单斜构造，从本工作面的切眼掘进及邻近工作面顺槽掘进中均没有发现断裂、挠曲构造及火成岩侵入等，仅在本面两顺掘进时揭露火烧岩，同时本面煤层仅发现小型起伏，因此总体来说本工作面地质条件属于单一类区。张家峁煤矿15203综采面采用综采长壁采煤法，全部冒落法管理项板。工作面采煤设备采用joy7ls型采煤机、zy12000/28/63d液压支架。2.2 15203综采面矿压观测根据根据张家峁矿15201、15202综采面矿压观测及15203综采面顶底板情况，设计3个测区，每个测区设置6条观测线。工作面观测设备采用kj216煤矿顶板压力监测系统和支架eep对支架工作阻力进行监测，根据15203综采面顶底板及采高情况，测区1（10#、15#、20#、25#、30#、35#支架），测区2（67#、72#、77#、82#、87#、92#支架），测区3（123#、128#、133#、138#、143#、147#支架），工作面共布置173台支架。通过支架阻力变化规律来研究支架在开采过程中的支护效果、适应性、运行特点及顶板来压规律。通过支架阻力变化规律来研究支架对类似张家峁矿地质条件的支护效果、适应性以及为开采过程中顶板管理提供科学依据，测区布置如图1所示。图1 15203综采面矿压观测布置图3 15203综采面矿压规律分析3 15203综采面矿压规律分析3.1 初次来压张家峁煤矿15203综采面于2011年7月28日开始试生产，由于开始设备在调式阶段，所以截止2011年8月1日0点班机头机尾推进为8m后，停机进行装药，进行老顶预裂爆破，截止8月1日4点预裂爆破完毕，爆破完毕后工作面采空区沿着工作面架后顶板自然形成一个长301m左右的沟槽，预裂爆破效果良好。截止机头机尾推至距离切眼平均距离约54m时工作面初次来压，从工作面开始回采至初次来压期间工作面采高基本控制在5.2m左右。通过图2可以看出，在初次来压之前，工作面支架工作阻力较小，基本压力在25.230.0mpa。在工作面中部及偏向机尾侧首先来压，来压时此处支架压力明显变大，大部分支架安全阀开启，最大瞬时压力达520bar，随后工作面向前推移约3m左右时，工作面机头、机尾部分出现顶板大面积来压，此时中部及偏向机尾侧首先来压段压力变小，担仍处于来压阶段，如图2所示。15203综采面中部及机尾侧来压时支架瞬时压力曲线如图3所示。图2 15203综采面初次来压前后整体支架载图3 15203综采面初次来压时支架瞬时载荷分布图4 15203综采面初次来压步距及载荷分布图3.2 周期来压张家峁煤矿15203综采面10月份共推进266.5m，所以共经历周期来压约17次，来压期间工作面支架压力普遍增高，煤壁片帮比较明显，特别是对提高块煤率有较高影响，根据统计，在周期来压期间块煤率是正常推进块煤率的106%，提高了块煤率6%。来压期间支架压力一般达44.2mpa左右，3条测线上支架数目较多，为了便于数据分析，所以以每个测区的支架平均阻力值来进行研究。3个测区周期来压期间数据进行分析，周期来压曲线图以第13测区为代表，来压期间阻力曲线如图57图所示。图5 第一测区支架压力变化曲线图图6 第二测区支架压力变化曲线图图7 第三测区支架压力变化曲线图8 沿工作面方向支架阻力变化曲线图图9 沿工作面方向支架阻力变化曲线图1测区周期来压步距最大为24m，最小为17m，平均为18.5m，来压影响范围在1.9m；来压期间支架工作阻力平均10956kn（43.64mpa），是额定工作阻力的91.3%，动载系数1.45，非来压期间支架平均阻力7568kn(30.1mpa)，是额定工作阻力的63.1；2测区周期来压步距最大为16m，最小为7.5m，平均为12m，来压影响范围在2.1m；来压期间支架工作阻力平均11567kn（46mpa），是额定工作阻力的96%，动载系数1.47，非来压期间支架平均阻力7873kn(30.3mpa)，是额定工作阻力的65.6；3测区周期来压步距最大为22m，最小为13m，平均为17m，来压影响范围在1.8m；来压期间支架工作阻力平均10975kn（43.7mpa），是额定工作阻力的91.45%，动载系数1.44，非来压期间支架平均阻力7648kn（30.4mpa），是额定工作阻力的63.7。表1 15203综采面各测区来压情况一览表测区来压持续平均支护阻力(mpa)动载步距/m距离/mpz周期来压pf非周期来压系数k118.51.943.6430.11.452122.14630.31.473171.843.730.41.444 结论4.结 论1、周期来压步距平均15.8m，周期来压期间支架平均工作阻力达44.48mpa，非周期来压期间之际平均工作阻力约30.65mpa，来压强烈，持续时间短，工作面中部测区有65%支架安全阀开启，说明支架额定工作阻力富裕系数并不大。2、根据3个测区分析，支架运行比较稳定，运转特性分析中一次增阻型占整个测区的比例最大，说明15203综采面支架运转特性主要是一次增阻型，表现出顶板为单一关键层结构。3、根据3个测区分析，来压期间第1测区（中部）支架工作阻力和动载系数大于第2、3测区支架工作阻力和动载系数，说明工作面机头部分受煤壁作用来压时面积较大，而中部及机尾受15202综采面采空区的影响，顶板比较破碎，所以来压时动载系数表现相比较要弱一些。4、根据地表岩层破坏程度与工作面推进距离关系，认为工作面来压时直接波及至地表，地表下沉严重，说明工作面上覆岩层不存在 “三带”，为冒落带和裂隙带“两带”。15203综采面自初次来压以后，由于工人操作到位，使得工作面支护质量较好，而且表现出支架工作状态处于良好状态，说明张家峁关于支架额定工作阻力选择较为合理。致谢致 谢本论文是在我的导师西安科技大学来兴平教授潜心指导下完成的。从论文的选题，到现场调研、矿压观测、数据整理、理论分析直到论文写作，都倾注了导师大量的心血。学生深切感受到导师渊博的专业知识、活跃的学术思想、