（矿业工程专业论文）东欢坨矿特殊地质条件下薄煤层综采技术研究.pdf

摘要 倾斜薄煤层的开采工艺具有其独特的特点。综合机械化开采技术 已经成为我国倾斜薄煤层开采的主要发展方向，在开滦矿区东欢坨矿倾 斜煤层较多，地质条件复杂，特别是涌水量大。本论文是在现场实践的 基础上，以现场实测、观测等手段，通过运用岩石力学、弹塑性力学等 理论基础进行运算和推导，对倾斜大涌水薄煤层综合机械化采煤进行分 析和研究，研究的重点是：薄煤层工作面的矿压显现规律，复杂水文地 质条件工作面的疏、排水，轻窄支架的适用性，倾斜工作面防倒、防 滑，锚网支护对我矿l l 煤层的适用性等。该研究对于我矿乃至全国类似 条件矿区应用推广，使薄煤层达到高产高效，具有重要意义。 关键词：薄煤层倾斜开采复杂水文地质矿山压力显现规律 轻窄型支架 a b s t r a c t t h ea r t i c l ed i s c u s s e st h ep a r t i c u l a rc h a r a c t e r i s t i co f e x p l o i t a t i o n t e c h n i c si nq u i t et h i n n e rs e a ma n d ，b i go b l i q u i t ys e a m t h em a i np r o b l e m i i ld o i 培h u a nm i n eo f k a il u a ng r o u pi sc o m p l e x g e o l o g i cc o n d i t i o na n d l o t so f b i g o b l i q u i t yc o a ls e a m ，e s p e c i a l l yt h e v a s ts p o u t c o n s i d e r i n g a b o v e ，o nt h eb a s i so fl o c a l eo b s e r v a t i o n ，c o m b i n el o c a l ep r a c t i c et ot h e o b s e r v a t i o n ，v i ao p e r a t i o na n di l l a t i o no f r o c k & e l a s t i c i t ym e c h a n i c s ， e d u c et h ec o n c l u s i o n t h em a i np o i n t ：t h em i n i n gp r e s ss h o wr u l eo f q u i t et h i n n e rs e a m ，t h ea p p l i c a t i o no f l i g h t & n a r r o ws u p p o r ta n ds oo n t h er e s e a r c hh a ss i g n i f i c a n tm e a n i n gi na n a l o g o u sm i n e ，r e a l i z et h em i n e h i g hy i e l d & h i g he f f i c i e n c y k e yw o r d s ：q u i t et h i n n e rs e a m ； i n c l i n a t i o nm i n i n g ； c o m p l e xg e o l o g i cc o n d i t i o n ； m i n i n gp r e s ss h o wr u l e ：l i g h t & n a r r o ws u p p o r t 辽宁工程技术大学工程硕士专业论文 l绪论 1 1 引言 当今世界能源竞争日趋激烈，对能源的争夺已趋白热化，谁掌 握了能源谁就在新世纪的竞争中掌握了主动权。随着石油资源的逐 步枯竭，煤炭作为另一种化石能源在世界上必将占有越来越重要的 地位。煤炭工业作为我国的基础产业，长期以来，煤炭在我国一次 性能源生产和消费构成中均占2 3 以上，由于我国现有的能源资源 结构，决定了在未来一段时间以煤为主的能源供应格局难以改变， 煤炭在我国能源利用中仍将占有举足轻重的地位，2 0 0 4 年全国煤炭 产量创纪录的完成了1 9 亿t ，但仍然供不应求，可以说，在今后一 个相当长的时期内我国能源供应还是要以煤炭为主。 虽然我国的煤炭资源比较丰富，但是煤层赋存多样，依据我国 煤层厚度划分标准，1 3 m 以下为薄煤层，1 3 3 5 m 为中厚煤层， 3 5 m 以上为厚煤层，勘探及开采资料表明，我国薄煤层的可采储量 约为6 0 亿t ，约占全国总储量的1 8 ，且分布广泛，这类煤层的共 同特点是煤层薄，开采空间小，工作条件恶劣，掘进率高，受地质 构造影响大，回采率低，经济效益差。且薄煤层开采受政策、技术、 装备等诸多因素影响，多年来在各煤矿未得到应有的重视，除特殊 短缺煤种外，大部分薄煤层被暂时放弃，丢薄保厚的情况时有发生， 因而造成采储比例失调，缩短了矿井服务年限，给煤炭工业的可持 续发展带来了很大隐患，- 特别是进入市场经济后，煤炭企业为了追 求好的经济效益，使得很多矿区薄煤层开采处于停滞甚至倒退状态。 薄煤层开采的产量比重在7 0 年代以前，保持在1 6 1 7 之间，与薄 煤层储量相近，8 0 年代以来，中厚煤层和厚煤层机械化装备不断发 展，厚煤层采煤工艺也不断进步( 如放顶煤开采方法及大采高一次 采全高) ，但薄煤层产量比重逐步下降，1 9 8 8 年降至1 0 9 3 ，1 9 9 6 年为7 3 2 ，到1 9 9 7 年薄煤层产量仅占6 7 3 。随着我国倡导建设 节约型社会，走可持续发展道路的目标，以及我国煤机行业技术水 平、采矿技术水平及采矿人员素质的不断提高，薄及较薄煤层的开 辽宁工程技术大学工程硕士专业论文 2 采装备、技术研究己逐渐引起人们关注。 1 2 大涌水倾斜薄煤层开采特点 ( 1 ) 回采高度小，涌水大，倾角大，工作条件差，人员在工作面 中行走困难，设备移动困难，特别是采高在1 5 m 以下时，人员出入、 作业以及设备移动都非常困难。 ( 2 ) 掘进率高，采掘比小，工作面接替困难。在长壁机械化采煤 技术发展条件下，工作面推进速度大大加快，而大涌水倾斜薄煤层 工作面的回采巷道多为半煤岩巷，掘进速度慢，造成工作面接替紧 张。 ( 3 ) 倾斜薄煤层的采煤机械和液压支架受空间尺寸限制，设计难 度大。同时大涌水倾斜薄煤层长壁机械化采煤工作面的投入产出比 高，经济效益远不如开采厚及中厚煤层。 ( 4 ) 由于薄煤层采高小，项板压力显现一般较小，围岩变形破坏 程度也小，因此工作面支护强度一般小于中厚煤层工作面，其日常 项板管理相对中厚煤层工作面要简单些。但是由于倾角大，设备的 防倒防滑是一个难题。 ( 5 ) 大涌水倾斜薄煤层开采受水文地质条件、煤层厚度、地质构 造影响比中厚及厚煤层工作面要大，因此大涌水倾斜薄煤层机采工 作面设备配置和工艺设计比较困难。 1 3 大涌水倾斜薄煤层开采工艺 由于大涌水倾斜薄煤层开采困难，目前仍以机采和炮采为主。 无论是综采工艺，还是机采工艺，其工序与中厚煤层的采煤工艺大 同小异，所不同的是，薄煤层开采机械除了滚筒式采煤机外，有刨 煤机、螺旋钻机等，顶板管理可采用冒落法、缓慢下沉法和局部充 填法等，对于煤层赋存稳定，地质构造简单的薄煤层，可采用走向 长壁机械化开采。 刨煤机与滚筒采煤机相比，有如下优点：1 ) 结构简单、操作和 维护方便；2 ) 刨煤机组可随时刨煤随时推进，实现连续采煤，为工 辽宁工程技术大学工程硕士专业论文 3 作面提高产量创造条件；3 ) 刨煤机的切削速度低，因而产出的粉尘 浓度小，同时，由于是切削落煤，煤的块度大，对增加矿井块煤的 产量和提高效益有好处；4 ) 人员不必跟机移动作业，改善了工人的 劳动条件及劳动强度，更适应薄煤层工作面；5 ) 刨煤机由于截深浅， 静力落煤，对顶板的震动小，且一次暴露的顶板面积也小，有利于 顶板管理，另外，浅截深开采，煤层中的瓦斯释出均匀，尤其适用 于有瓦斯突出可能煤层的开采；6 ) 易于实现工作面自动化管理。主 要缺点是：对地质条件变化的适应性不如滚筒采煤机，另外，刨头 的高度不能随时调整，遇顶板变化就要留顶煤；遇煤粘顶，支架推 进就困难；刨头在运行中有导轨，不能随时大量的抬高或卧低，遇 底板起伏不平，会造成飘刀、啃底，影响产量；同时，刨煤机是静 力落煤，遇煤层有坚硬夹层物或煤质太硬，生产率就要下降。因此， 刨煤机只适用于煤质较软、顶底板较好的薄及较薄煤层。 1 4 国内外大涌水倾斜薄煤层开采技术的发展和现状 1 4 1 国内大涌水倾斜薄煤层开采技术的发展和现状 我国薄和极薄煤层的开采经历了几个发展阶段，5 0 年代我国在 薄和较薄煤层中主要使用炮采工艺；6 0 年代开始使用深截深截煤机 掏槽爆破落煤，平面环行式薄煤层输送机运煤，人工装煤，木对柱 或丛柱支护顶板，回柱绞车放顶的采煤工艺。在鸡西、淄博等矿区 出现了m l q - 6 4 型爬底板薄煤层采煤机。工作面月产达6 0 8 0 k t ， 回采工效达2 4 t 工，比炮采工艺而提高了0 5 1 倍。这些都属于 第一代薄煤层机械化设备。7 0 年代以来，薄煤层机组得到了较大的 发展。1 9 7 4 年开始研制新型薄煤层采煤机。8 0 年代以来单体液压支 柱的成功应用，促进了薄煤层机组的发展。b m - 1 0 0 、m l t i5 0 、y r g 型等第二代薄煤层采煤机出现，并在鸡西、双鸭山、七台河、开滦 等局使用，取得了较好的技术经济效果，使产量和效率都有了很大 提高。 目前我国已研制出适应倾斜的大功率电牵引薄煤层采煤机，如 西安煤机厂生产的m g 一2 0 0 5 0 0 a w d ，使用条件可达3 5 度的倾角，为 辽宁工程技术大学工程硕士专业论文4 在倾斜较薄煤层中实现机械化开采创造了条件。 各种工艺产量情况：薄煤层炮采机装方面，兖州北宿矿在薄煤 层l m 条件下，因含有硫化铁结核，采用炮采机装工艺，年产量达到 5 1 万t ；大同矿务局晋华宫矿1 9 9 7 年底使用由天地科技股份有限公 司上海分公司设计制造的m g 2 0 0 4 5 0 一b w d 型薄煤层电牵引采煤机， 1 9 9 8 年在采高1 3 1 4 m 的情况下创造了月产9 8 万t 的全国最好 成绩；2 0 0 0 年，铁法煤业( 集团) 采取“买核”引进、国内配套的 方式引进德国d b t 公司全自动刨煤机系统，在小青矿试生产，平均 日产3 9 1 1 t ，最高日产6 4 8 0 t ，达到年产1 2 0 1 5 0 万t 水平。山东 新汶矿业集团公司从国外引进螺旋钻机采煤新工艺，开辟了一条国 内薄煤层和极薄煤层开采的新路，该采煤工艺实现了无人工作面开 采，南冶矿在使用8 2 5 m m 钻头情况下月产煤5 8 5 0 t 。但是，以上这些 记录均在涌水量小倾角不大的条件下创造出来的。 、 1 4 2 国外薄煤层开采发展及现状 在前苏联，薄煤层主要是走向长壁后退式或前进式综采及普采， 薄煤层机械化程度已超过8 5 ，落煤主要是浅截式采煤机，部分用刨 煤机，其螺旋钻采煤机已成功用于前进式开采，液压支架已成系列， 广泛用于缓慢下沉、全部垮落、局部或全部充填的薄煤层工件面顶 板管理。 在英国，大于0 5 6 m 的煤层均用机械化开采，大于0 7 m 绝大 多用综合机械化开采。薄煤层工作面主要用滚筒式采煤机及刨煤机， 钻削式采煤机和带螺旋钻机构的采煤机也有使用。采煤方法由单一 前进式长壁逐步过渡到前进、后退两种方式的结合。 美国虽然正在广泛推广长壁工作面，但以房柱式为主的短壁采 煤法仍占很大比重。用房柱式开采薄煤层的机械化程度很高，主要 用连续采煤机及自行矿车，并研制了专用的宽幅式连续采煤机和胶 带输送机，也试验了螺旋钻综合机械化开采方法。美国的薄煤层刨 煤机工作效率最高，达到了3 0 0 万t 年。 德国是研制和使用刨煤机最早、产量最大、水平最高的国家。 辽宁工程技术大学工程硕士专业论文 5 刨煤机自4 0 年代问世以来，很快得到推广和发展，而成为薄煤层采 煤机械化的强大支柱，根据大多数煤质松软、节理发育、不粘顶的 特点，在1 6 m 以下的薄煤层中几乎都用刨煤机，并与液压支架配套， 在i 6 2 2 m 的中厚煤层中也大部分采用刨煤机，刨煤机日产量可 达5 0 0 0 t 以上，年产量达2 0 0 万t 。德国d b t 公司刨煤机的技术水平 已发展到了采高0 6 3 m ，截深最大可达3 0 0 m m ，可刨煤硬度f = 4 ， 刨速最高可达3 m s 。装机功率最大可达2 x 8 0 0 k w 。随着计算机技术的 不断发展，工作面也向自动化和无人化方向发展。 i 5 论文研究的意义、内容及研究方法 i 5 1 闯题的提出 从以上我国薄煤层开采的特点及发展历程看，薄煤层综合机械 开采技术，在我国煤炭行业还很不成熟，正处于探索阶段。特别是 倾斜、水文、地质条件复杂薄煤层综采方面的现场实践还比较少， 理论研究工作十分缺乏。就开滦集团东欢坨矿业分公司来讲，井田 内赋存有四个稳定经济可采煤层：8 s 、9 s 、1 1 s 、1 2 s i ，四层煤属 近距离煤层群，其中1 i s 、1 2 s - i 煤层厚度较薄，变化较大，平均煤 厚均为1 6 0 m 左右，煤层倾角为1 6 。2 9 。，平均2 5 5 。，两煤层 的可采储量约占全矿井可采储量的4 3 ，且此两层煤的开采受上部老 塘水威胁，因此在此条件下的薄煤层轻窄液压支架机械化开采对矿 井的战略发展起着至关重要的作用，在现场实践开采过程中需要为 以后的开采积累经验，实现高产高效安全生产，同时为全国的i 5 m 左右大涌水倾斜薄煤层开采提供指导意义，扩大综合机械开采的应 用范围。 1 5 2 研究方法及内容 本论文属于应用型课题，主要以现场实测、观测以及理论分析 等手段，通过运用岩石力学、弹塑性力学、水文地质等理论基础进 行运算和推导，对大涌水倾斜难采薄煤层综合机械化开采进行分析 和研究，重点研究开采工艺的优化、受老塘水威胁的的较薄煤层开 辽宁工程技术大学工程硕士专业论文6 采疏、排水、矿压显现规律、巷道支护、轻窄支架适用条件，通过 分析研究，提出具体的解决方法，解决实际问题。 本论文研究的主要内容如下； 1 ) 研究大涌水倾斜薄煤层开采工艺参数的优化 2 ) 研究近距离煤层群受水患威胁的下部薄煤层开采的防治水措 施。 3 ) 研究大涌水倾斜薄煤层综采工作面矿压显现规律以及轻窄支 架的受力状况及适应性，为今后类似工作面的支护设计、支架改进 设计及选型提供可靠依据。 4 ) 研究大涌水倾斜薄煤层巷道支护，对支护方式进行验证。 5 ) 倾斜大涌水薄煤层综采支架的防倒、防滑技术研究。 本论文研究的目标是通过工作面的矿压观测，确定合理的工艺 参数，消除顶板老塘水对下层煤的威胁，实现综合机械化高产高效 安全生产，同时对轻窄型综采支架的各项性能做出综合评价。 辽宁工程技术大学工程硕士专业论文 7 22 i1 8 工作面综采工艺参数优化研究 2 i 东欢坨矿井概况 东欢坨矿业公司隶属开滦( 集团) 有限责任公司，是车轴山开 发建设的第一对矿井，位于开平煤田车轴山向斜两翼，倾斜走向长 1 3 5 k i n ，倾斜宽3 o k m ，急倾斜翼走向长3 5 k m ，倾斜宽0 4 k m ，井田面 积约为4 2 k m 2 。 2 i i 地质构造 车轴山向斜为一狭长不对称向西南方向隐伏的大型含煤向斜， 向斜轴走向约为n 6 0 0 e ，向斜面向鹾北方向倾斜，其东南翼产状较缓， 倾角1 2 2 5 0 ，一般2 0 0 左右，其西北翼产状较陡，倾角6 5 8 0 0 ， 一般为7 0 0 。经过精查地质勘探和三维补充勘探，本井田共有4 l 条 大断层。 2 i 2 煤层及煤质 本煤田煤系地层属石炭二迭系地层，其中上石炭统开平组、赵 各庄组及下二迭统大苗庄组为主要含煤地层，其含煤l7 层，其中可 采及局部可采煤层9 层，即5 s 、7 s 、8 s 、9 s 、i l s 、1 2 s l 、1 2 s 一2 、 1 2 s 一下及1 4 s - i ，可采煤层总厚度1 9 7 m 。8 s 、9 s 、i l s 、1 2 s l 为经 济可采煤层。主要可采煤层均属较高挥发份的气煤，煤种单一。 原煤灰份：8 s 、9 s 、i i s 、1 2 s - i 煤层平均灰份介于1 3 2 0 之 间。 原煤硫份：8 s 、9 s 含量在i 以下，属低硫煤，l i s 、1 2 s l 、 含量在1 2 属中硫煤。 水文地质：井田为独立的水文单元，煤系含水层a 层5 s 强含 水层；5 s 1 2 s i 煤层为弱含水层；1 2 s 一2 底极强含水层。一5 0 0 m 水 平以上最大涌水量为5 5 m3 m i n ，正常涌水量3 7 m3 m i n 。属水文地质 条件复杂的大涌水矿井。 辽宁工程技术大学工程硕士专业论文 2 1 3 采煤方法 矿井1 9 9 7 年建矿简易投产，先期形成了中央采区8 煤层生产系 统，采用打眼放炮落煤，液压单体支柱及金属铰接顶梁支护的传统 采煤方法，9 0 年代中期开滦推广使用轻放工作面，获得了较好成果， 在此情况下，针对煤层赋存条件，于2 0 0 0 年1 月在北一采区2 1 8 8 下工作面使用z f z 2 4 0 0 1 5 2 3 型轻放支架进行了倾斜综放开采工业 性实验，实验取得成功后，在矿井内得到广泛推广，8 煤层进行综放 开采，9 煤层在破碎顶板条件下使用该支架进行一次采全高。到2 0 0 2 年，随着矿井的发展及矿井设计的进一步优化，1 l 槽薄煤层开采被 提到了议事日程，本论文研究的2 1 1 8 工作面就是布置在大涌水倾斜 的1 1 槽薄煤层中。 2 1 4 矿井储量 矿井能利用储量为3 4 4 2 0 9 万吨，其中工业储量3 0 6 1 5 9 万吨， 可采储量1 2 3 4 4 万吨。各煤层储量见表2 1 、表2 2 ： 表2 1 矿井总储量表( 能利用储量) 从分煤层储量看，1 i s 、1 2 s 一1 薄煤层约占全矿可采储量的4 3 ， 薄煤层的高效开采对我矿的发展起着至关重要的作用。 里室三堡垫查奎堂三墨堡主主些堡塞。 1 2 22 1 1 8 工作面综合机械化开采优化研究 本矿现主要在中央采区和北一采区回采，所研究的2 1 1 8 工作面 是北一采区1 1 槽煤首采工作面，也是北一采区一5 0 0 m 水平最下面的 一个工作面。 2 2 i2 1 i 8 试验研究工作面地质情况： i ) 工作面位置及范围： 2 1 1 8 工作面为东欢坨矿北一采区l l 煤层首采工作面，该工作面 位于- 5 0 0 水平北一采区上山北侧，一5 0 0 水平北二大巷东侧，采面北 侧为f 3 断层煤柱，工作面走向长4 2 8 4 3 0 m ，平均4 2 9 m ，倾斜长 6 2 1 1 7 m ，平均8 9 8 m ，面积3 8 5 2 4 2 时。 2 ) 邻近区域采掘情况： 2 1 1 8 采面上方为2 1 8 6 下、2 1 8 8 上、2 1 9 8 采空区及2 1 9 6 运道老 巷。 3 ) 煤层赋存情况： 煤层厚度0 5 2 3 m ，平均i 5 2 m ，煤层倾角2 1 2 8 。，平均2 5 。，煤层结构简单。由于地质构造及沉积环境等多种地质因素的影响， 由风道开口至前8 0 米范围出现薄煤带，厚度在0 5 i o m 之间，此 薄煤带预测由风道向工作面影响范围5 0 m 左右。根据风运道及切眼 实际揭露煤厚数据分析，煤层为较稳定煤层，除风道开口附近所圈 定薄煤区对回采有一定影响外，其工作面煤厚一般在1 5 2 o m 之 间。可采指数1 0 ，变异系数3 1 9 2 。煤的工业牌号为气煤。 4 ) 煤层顶底板情况：见表2 3 、图2 一l 。 1 表2 3 煤层顶底板岩性表 柱状层层厚 岩石名稍 岩性描述 1 ：5 0 0序 最4 、聊i 平均 _ i j l 2 吐出一 2 缡块恍耀 2灰色峭泥威嫩台檀蝴静瓶直立簿黼 3 t 5 探荚圄黼者嵫召舞勃嘴我喇联l 自的弼鳞吐岩 4埔 半亮醴片杭 5& 柚 灰色嬲泥威僦平坦黼下船前曲捞碴骷拮 6 & 即褒邑绷_ 赭泥嫩水嘲台檀撕台黻厦 | 、 2 矿2 6 2 m 衡 耥毛次j b 亮瞎质睡中夹n 耐2 埘物勘啸吐岩 一 8 a 0灰色黼 魏敖均一层嘴平地懒j 舶阻钿炭确喊 9 & 3 灰白色细嘴麓灰僦遇水易朔量软池下音阻叫钠灰刨啸酗量 哄 土垃 j 靠 锚亮畴| 曲主块徒矩翻卜酬# 懒1 钿的蛹 t 咯灰自嬲 勇茧均一层理簦氧下船瑚疑荑葡捷钱易鼢丘凸吼鼹米琦黑色粘盘岩 i l ：椽灰色细眇岩层蝴呈耕妙b 见 1 1 2 q 话 灰熙自黼 岩性嘲k 性魁 n 3 灰同孙岩岩沉暇僦稚舰 l i _ 0 0 x 8 舶嘣抛醇和氏迥水癌瞅 赢玩 z 蕊 n 打 深知野黼细鲥慌夹镜黼 & 略 灰色细醪岩泥僦栅屠嗡常懈 1 9 2 & 灰色糊砂岩泥燃浅赋魄瞒台棒隗酗辑靴石，有明尉胡哺煳 1 s l 鼬 深麴强8 砂岩泥燃灰色趣瞒台麴瓤联核裥虢研骶晶 一 ：2 c 1 屹腐泥劂蝴 平吲煳- 旧，性晦油n 珧灞赶f 旃勰色 2 】 n 5 1 6 镅n 1亮糍块忧台黄踟黼 l 花 盟 s 瓤 灰自细腊船燃平引艚向，分选陆坪，与黑创舾蚝瀚成条静静l 观 2 3 t 霜 灰芭耢砂岩 挹舸隆宣水平馏嗽茜匣静口 外观台菱陵目r 站陵台檀* 僻片让五 期 l 跳3 1 煤哪碎奥长以半j 警翳主台黄嘲抟寺院 资p 来源：1 、豇1 厚度以弱页i i 秘瑾艚特征f 豫1 1 嗣磕砜道、运道、切i 髓到匕- 稍中等实见 雠k 2 、献舾、埔m 臃习页嘞谐性、尉醒鞘勰2 l 鹄、2 l 蟛酬匕_ 采园纠 j 斡年b k 二中车翳窨鲻i l 辚耳 图2 12 i 1 8 采面综合柱状图 5 ) 地质构造概述： 地测提供资料：2 1 1 8 掘进巷道及切眼共揭露1 0 条正断层，其中 风道5 条，运道3 条，切眼2 条，在1 0 条断层中，风道所见f 8 8 及 运道f 3 9 两条断层对回采影响较大，其中f 8 8 断层预测由风道开口 向采空区方向延展l o o m 左右，向下对工作面影响范围在5 0 m 左右； f 3 9 断层由运道向上将影响采面4 0 m 左右。详情见表2 4 。 表2 4 断层情况表 6 ) 水文地质情况： 1 l 槽煤顶、底板为弱含水层，出水形式以滴水、淋水及小的出 水点为主。2 1 1 8 在掘进上风道、下运道及切眼过程中总的涌水量为 0 8 5m 3 m i n 。2 1 1 8 采面上方为2 1 9 8 、2 1 9 6 采空区，2 1 9 6 采面老塘 存有积水，且有动水q = o 4 0 5m 3 m i n ，在2 1 1 8 回采前必需对2 1 9 6 积水进行疏放。2 1 9 8 目前也有动水q = o 6 m 3 m i n 。2 1 1 8 回采后裂隙 将导通上部老塘，2 1 9 6 、2 1 9 8 动水将有可能会进入采面。回采前必 须疏放2 1 9 6 老塘水，建立完善排水系统，清理好泄水巷排水通道， 保证排水畅通；须经地测水文部门的验收，分析认为无水害后方可 辽宁工程技术大学工程硕士专业论文 1 2 推采。推采时加强顶板管理。 工作面涌水量：最大涌水量2 0 5 m 3 m i n ，正常涌水量1 4 m 3 m i n 。 7 ) 储量：工业储量8 9 4 5 3 t ，可采储量8 4 9 8 1 t 。 8 ) 影响回采的其他情况： 瓦斯：绝对涌出量0 0 4 3 m 3 m i n 。 煤尘：爆炸指数4 6 9 6 。 煤层自燃：i 级白燃。 2 2 2 工作面设备选型优化设计 2 2 2 1 支架选择 。 地质报告提供此工作面煤层厚度1 0 5 2 3 m ，平均1 5 2 m ，液 压支架应具备的适应范围按煤层赋存条件及矿山压力显现之间的关 系计算 h m a x = m m a x s 1 = 2 3 0 - - 2 3 m h m i n = m m i n s 2 一a = 1 0 5 0 0 0 5 = 1 0 m h m a x 与h m i n 一支架的最大及最小支撑高度 s 卜支架在最大采高时，前柱处顶板的下沉量( 忽略) s 2 一支架在最小采高时，后柱处顶板的下沉量( 忽略) a 一支柱必须的卸载高度，取5 0 m m 根据我局现有设备及工作面煤层实际情况、2 0 1 8 薄煤层开采经 验，工作面选用z y 2 8 0 0 1 0 2 3 窄轻型掩护式薄煤层支架改造型，即 在z y 2 8 0 0 1 0 2 3 型支架的基础上在前梁前增加了行程4 4 0 m m 的伸缩 梁，伸缩梁缩回后，比原架型长出1 2 0 m m 。 支护强度：0 5 4 0 6 2 m p a 对底板比压：1 0 5 1 2 m p a 支架重量：8 0 0 0 k g 支架操作方式：邻架操作 所选支架的几何尺寸符合煤层平均厚度要求。 支护强度验算：按最大采高验算，顶板压力估算 p = ( 6 - - 9 ) m r 9 8 1 0 “ 辽宁工程技术大学工程硕士专业论文 1 3 = ( 6 9 ) 2 3 2 5 1 03 9 8 1 0 。5 = 0 3 4 0 5 i m p a 所选支架的支护强度满足支护要求。 支架技术参数： 支架中心距：1 2 5 0 m m 支架高度：1 0 0 0 2 3 0 0 m m 支架宽度：1 1 9 0 1 3 3 0 m m 回采高度：1 3 0 0 2 0 0 0 m m 初撑力：1 7 8 4 2 1 8 0 k n 工作阻力：2 8 0 0 2 2 8 8 k n 2 2 2 2 三机配套优化研究 1 ) 采煤机选择： 针对东欢坨矿地质条件比较复杂，综合考虑刨煤机与采煤机的 优缺点，决定选用采煤机。 采煤机装机功率的选择，由于目前尚无一种精确计算采煤机功 率的方法，实际选型采用模拟法，根据煤质、采高、滚筒个数、煤 层倾角以及生产能力的要求，与使用条件大致相同的采煤机进行比 较，我矿在2 0 1 8 薄煤层工作面使用m g l 5 0 3 5 5 - b w d 采煤机，通过开 采，由于i l 煤层断层较多，需要功率较大的采煤机以适应生产，经 多次考察，决定选用西安煤机厂的m g 一2 0 0 5 0 0 a w d 型采煤机。采煤 机主要参数如下： 机面高度：1 0 6 i m m 最大开采高度：2 7 8 0 m m 滚筒直径：1 4 0 0m m 电机功率：2 0 0 2 + 3 5 2 + 7 5 k w 截深：6 3 0 m m 卧底量：1 8 0 m m 滚筒转速：3 5 r m i n 摇臂长：1 9 5 0m m 摇臂转动中心距：6 2 0 0 m m 牵引速度：0 7 7 1 2 8 m m i n 辽宁工程技术大学工程硕士专业论文 1 4 牵引力：4 8 0 2 8 5 k n 电压：截割电机a c l l 4 0 v 牵引电机a c 3 8 0 v 过煤高度：3 7 0m m 重量：3 5 吨 电牵引方式：交流变频调速齿轮销排式无链牵引 2 ) 输送机选择： 根据开滦局设备及东欢坨矿配套使用情况，工作面输送机选用 $ 6 2 7 3 0 2 6 4 型铸造刮板输送机，主要技术特征如下： 输送量：6 0 0 t h 刮板链速度：1 1 m s 电动机功率：2 1 3 2 k w 牵引方式：齿轮一销轨式 刮板链：2 6 * 9 2 一c 圆环链，中双链，链条中心距1 2 0 m m 卸载方式：端卸式 中部槽：1 2 5 0 m m 6 9 0 m m 2 6 3 m m 3 ) 转载机： ； 根据巷道条件及我矿开采的工作面使用情况，选用s g w - 7 3 0 5 5 t 型刮板输送机，输送机主要技术特征： 输送量：1 8 0 t h 链速：0 8 5 m s 电机功率：5 5 k w ，为保证生产能力，采用双电机。 4 ) 胶带输送机； 选用s s j l 0 0 0 2 7 5 型胶带输送机，输送机技术特征： 输送量：4 0 0 t h 带速：1 9 m s 带宽：1 0 0 0 m m 传动滚筒直径：5 0 0 m m 5 ) 乳化液泵： 根据我矿设备情况，使用x r b 一2 0 0 3 1 5 型乳化液泵，两泵一箱。 6 ) 三机配套图：见图2 2 。 辽宁工程技术大学工程硕士专业论文 图2 2 三机配套图 2 2 3 运输与安装的优化设计 运输线路：风并一- 2 3 0 回风巷一6 1 2 1 一北一采区一中石门一 2 1 1 8 上风道一2 1 1 8 新风道一切眼 运输前准备：2 1 1 8 风道、新风道、切眼清卧修道，完善运输系 统。 运送支架巷道空间要求：轨道面外展3 0 0 m m 高度不小于1 8 m 。 支架运输方式：由于支架较长，受风井罐笼长度及提升能力所 限，采用分体运输，下支架时，将前梁( 附伸缩梁) 摘下，支架主 体与前梁( 附伸缩梁) 分别运输。 支架组装；在风道与新风道交口外风道顶板条件较好位置将支 架前梁组装好。 安装顺序：切眼内支架安装一面溜安装一采煤机安装，然后橹 新风道所用支架在巷道内摆放好。 安装定位：第一组支架以前梁端头距离巷中线1 。7 m ，尾粱距巷 中线1 4 m 为基准线安装，其余支架顺序向上安装 支架安装数量：实测锚网切眼长度6 2 m ，切眼上口煤壁距新风道 开口位置上帮3 。3 m ，工作面出切眼后面长逐渐增长，到新风道与风 道贯通位置面长为1 1 3 6 米( 9 1 组支护范围为1 1 3 7 5 m ) ，随推采面 长往外还逐渐增长，工作面沿风道推进约1 5 0 m 时面长增至1 1 5 m ，最 大面长达到1 1 7 4 m ，( 面长1 7 0 m 左右沿走向仅为3 0 m ) ，见图2 - 3 。 由于2 1 1 8 工作面初期的不规则布置，工作面安装数量先以切服实际 辽宁工程技术大学工程硕士专业论文 1 6 长度安装：6 2 1 2 5 = 4 9 6 组，考虑减少上出口项板支护困难及下一 步方便加架，先期切眼安装5 1 组支架( 支护范围6 3 7 5 m ) ，5 1 组支 架安装完成后，开始安装面溜。为方便第5 0 、5 1 组安装，此两组支 架运输时前梁向后向下运输。 图2 3 工作面巷道布置图 机组安装：机组在新风道下口以下煤壁侧安装，机组最大长度 1 1 5 2 0 m m ，要求机组窝规格不小于1 2 x 1 x2 o m 。 待切眼溜子、机组安装完后，开始在新风道内摆放支架，为方 便加架，松支架时，尾梁朝前，要求支架顺新风道巷道方向摆放， 留出不小于7 0 0 m m 的行人道。由于新风道找正后面长为1 13 6 m ，需 支架9 1 组，因此，在新老风道交口外侧还需准备6 组支架，待新风 道内支架全部加好后，再拉下来继续增加，见图2 4 。 圈2 42 1 1 8 新风巷支架摆放示意图 2 2 4 工作面通风系统优化确定 主、副井一一5 0 0 主石门一6 1 2 2 一北一采区付一中石门一2 1 1 8 下 运道一2 1 1 8 切眼一2 1 1 8 新风道一2 1 1 8 风道一北一一中石门一6 1 2 1 一- 2 3 0 回风大巷一风井 2 2 5 回采工艺优化确定 工艺流程：正常情况下：割煤一伸前探梁一移架一推溜 顶板破碎时：割煤一伸前探梁一推溜一移架 割煤：采用m g 一2 0 0 5 0 0 a w d 型双滚筒采煤机割煤，前滚筒割顶 煤，后滚筒割底煤，通过滚筒的螺旋叶片配合铲煤板装煤，每刀进 尺5 0 0 m m ，进刀方式为端部斜切进刀，不留三角煤，往返一次割两刀。 伸前探梁：机组割煤过后，机组司机及时伸出前探梁。 移架：支架为邻架操作，由上组支架控制下组支架，割煤后， 沿割煤方向及时移架，支架移到位，升至额定初撑力后，手把复位。 如顶板破碎时，超前移架。 推溜：溜子弯曲长度不得小于l o m 。操作时，支架工要相互配合， 将溜子顶向煤壁，移溜步距不得小于5 0 0 m m ，保证把溜子顶直。 采高确定：根据z y 2 8 0 0 - - 一1 0 2 3 型掩护式液压支架高度，确定 机采高度1 8 m ，煤层变薄时适当降低采高。 2 2 6 生产实验过程中的管理优化 2 2 6 1 顶板控制优化 为保证顶板有效控制，采取了以下措施：、追机移架：机组 前滚筒割煤后，及时伸出伸缩粮或移架，保证顶板支护的及时性。 、若端面距超过2 0 0 m m 时及时窝板控顶，能移架时二次移架。、 带压擦顶移架。、随时调整支架架向，保证支架与顶板平面接触 、加强支架检修工作，保证初撑力达到额定要求。、加强端头 作业管理。为充分发挥综采效能，工作面输送机机头、机尾尽量延 辽宁工程技术大学工程硕士专业论文 伸到两巷内，以保证采煤机滚筒能割透煤壁。根据现场生产经验， 使机头、机尾各伸出采面两端1 o m 左右。 2 2 6 2 防止支架、溜子下滑优化 具体方式见第五章 2 2 6 3 端头支护及超前支护优化 端头支护：上、下端头采用液压支架支护，下端头机头处采用 3 7 m n 型钢梁和3 o m 松木方子( 规格3 0 x 0 1 5 x0 1 5 m ) 配合同型 d z 系列单体柱支护顶板，钢梁机头布置两块，与大板配合向前交错 倒着走，并紧靠机头第一组支架加打一块3 0 米方子木逼住支架， 当腮角顶板不稳定时提前在第一组支架顶梁上沿倾向窝好大板。 超前支护：工作面上下出口架棚处支护段，采用十字梁及1 2 m 铰接梁配合3 0 m 松木半圆( 规格不小于o1 6 c a ) 支护顶板，按“十字 梁”、“一字梁”、“十字梁”方式布置，十字梁中间，半圆两端 和一字梁偏中位置要打好单体柱，替板两端宽度超过6 0 0 a m 时，另加 补十字梁或加补走向3 o a 松木方子托梁，巷帮分别加补一棵逼帮柱， 将出口改为铰接支护，回替拱型棚子不小于3 0 m 距离，中间打好2 0 m 超前点柱，靠老塘侧为l o a 双排，双排以外为1 0 a 单排。 2 3 本章小结 i 、根据薄煤层开采的工艺特点和1 1 槽煤层地质条件，确定合 理的工艺方式，技术措施和三机配套关系。 2 、合理确定了工作面设备的运输与安装路线，为该工作面的高 产高效打下有利基础。 3 、该工作面通过滚筒采煤机综合机械化开采，提高了机械化程 度，工作面顶板控制得到加强，该支架选型合理，初撑力大、移设 速度快，有利于控制顶板，职工劳动强度大大降低。 4 、根据现场实际生产情况，进行了合理的设备选型配套，通过 应用窄轻型液压支架，很好的解决了倾斜煤层工作面的防倒、防滑 问题及项板控制问题。 2 1 1 8 工作面正常回采期间工作面产量达到了月产5 万吨以上的 里主三堡垫查盔兰三墨堡主妻些笙苎! ! 水平，实现了1 1 槽难采煤层的高产高效生产。 辽宁工程技术大学工程硕士专业论文2 0 3 2 i 1 8 工作面掘、采过程中的疏、排水技术研究 东欢坨矿是水文地质条件极为复杂的大涌水矿井，建井和开采 过程中曾发生多次突水，其中大于1 0 m3 , i n 的突水点有3 2 个，大 于1 0 0 m 3 m i n 的突水点有3 个，建井期间最大涌水量曾达到 6 2 8 4 m 3 m i n ，第四系底部卵砾石层孔隙水、石炭二迭系砂岩裂隙水 和奥灰熔岩水组成了东欢坨井田承压水力系统。第四系松散冲击层 由北至南逐渐增厚，井田北部一般厚度为1 5 0 m ，井田南部最厚达 6 5 0 m ，其中最底部为卵砾石含水层，厚度大于2 0 m ，赋水性较强，与 基岩中的砂岩含水层、奥灰含水层有有力联系。首层8 2 的开采受基 岩5 5 顶板强含水层影响，而8 5 、9 5 、i i5 、1 2 s _ i 、属近距离煤层群， 上层煤开采的老塘水直接对下层煤的开采构成威胁。 3 i 矿井对防治水采取措施的概述 矿井防治水，其基本内容可概括为防水和治水两大方厩。就我 国煤矿实际情况而言，防水主要指主动提前建立井底中心区或生产 水平中心区的主排水系统( 含泵房、水仓、水泵、水管及配电设备 等) 和根据需要设置各部位的防水闸门、闸墙及采取防水隔离工程 或措施，依此作后盾保证正常生产及矿井安全，所以从宏观上、总 体上看，无论水大、水小煤矿，都应以“防为本”。治水主要指疏水 降压、注浆堵水和地表水( 含大气降水) 防治。下面将疏干降压概 述如下： 3 i i 疏干降压的基本含义和目的任务 受开采破坏或影响，通过各种自然或人为的通道进入井巷和采 掘工作面的水成为矿井水。矿井非正常的突然涌入或溃水，称为矿 井突水。矿井突水往往水量大、来势猛、造成灾害性后果，成为矿 井水害。为保证矿井生产建设的正常进行，减少突水的机率，通过 一定的疏放( 抽、排) 水的井巷( 孔、井) t 程，对受矿井开采直 接破坏或影响的来水充水岩层进行疏放水，使其地下水位降低至生 辽宁工程技术大学工程硕士专业论文 2 1 产区域以下，这种疏放水过程和措施称为疏干。对矿井充水间接来 水的富含水岩层或富水带，通过预先疏放水或抽排水，将其地下水 位超前开采工程降低至某一安全水头值，则称为降压。降压是利用 一定的水位降，降低承压封闭含水系统的“压力放大效应”，抑制突 水，掩护某一生产水平或较大范围的开采，避免淹井事故的发生， 这就是降压的主要目的任务。 疏干降压，是人们在查明矿井水文地质条件的前提下，通过疏 放水或抽排水，主动出击矿井来水的充水岩层或充水富水带，变其 有水为无水，或变其高水压为低水压，从而达到消除、减弱产生重 大水害事故的因素，起到防患于未然的作用。从这种角度上看，疏 干降压是带有治本性质的矿井防治水方法，因而在条件允许时，就 应以“疏降为主”。特别是大水煤矿的开采，关键在于经济合理的疏 干或降压。对非大水矿井而言，疏干或降压无明显界限，仅泛指疏 排水或探放水。 3 1 2 疏干降压方式和工程技术要求 无论国内或国外，都大同小异地将矿井疏干( 或降压) 分为： 地表疏干、井下疏干和联合疏干。 选择合理的疏千方式，是一项重要的防治水工程设计任务。在 确定采用预先疏干或同时疏干，以及具体选择疏干方式和方案时， 必须充分研究整个矿井和各主要运输巷、石门或采区的水文地质及 工程地质特征，并针对不同的充水岩层或富水带，采用不同的疏干 方案。在疏干过程中，为减少充水岩体的补给水源，减少井下不影 响安全生产的部分涌水点，进行截、隔或封堵工作，实现有效地疏 干，增加一些综合性的防治水措施是必要的。 3 1 2 1 地表疏千 地表疏千主要应用于开发大水煤矿床，在井巷工程开拓之前的 预疏干阶段，它既可作为独立的疏千方式，也可作为井上下结合的 联合疏干方式。其实质是在设计疏干地段，从地面施工一系列疏干 孔，钻至需要疏干的含水岩层，从疏于孔中把地下水抽排到地面， 辽宁工程技术大学工程硕士专业论文 2 2 形成一个能满足要求的疏干降落漏斗，为安全开采创造有利条件。 地表疏干常用于煤层埋藏较浅，含水岩体渗透性较强的条件。在含 水层埋深过大或透水性差( 尤其是多层含水层，残余水头显著) 的 地区，地表疏干往往受到限制，不宜采用，东欢坨矿就属于这类矿 井。 3 1 2 2井下疏干 、 采用专门穿层石门或利用开拓井巷以及井下垂向钻孔( 简称垂 孔，含直通式钻孔) 或水平钻孔( 简称平孔，含斜孔) ，揭露充水岩 层或富水带，进行疏排水，成为井下疏干。有时保留或利用井下突 水点长期排水，也可以达到疏干降压的目的。井下疏干使用范围较 广，无论所需疏干的充水岩层赋存于开采煤层的顶板或底板，埋藏 深度的大小，渗透性的好坏，富水性的强弱，均可采用。特别是地 下水位较深的矿井，地表疏干不经济或无条件进行时，更宜采用井 下疏于。井下疏干的优点是疏干较彻底，同地表疏干相比，在疏干 漏斗之内，没有或很少有残留水体。尤其对松散细粒含水层，其疏 干效果较之地表疏于更为突出。又由于井下疏干多用巷道直接疏放 水，对有侵蚀性的地下水，也不存在象地表疏干那样易受化学或生 物化学作用发生堵塞孔眼的问题，同时管理也较为方便。 东欢坨矿的防治水主要采取的就是井下疏干，因此下面主要介 绍国内对此项技术的应用情况。 1 ) 疏干石门 疏干石门通常布置在开采水平的中心区域，穿过所有需要疏干 或开拓需要通过的含水层，实行集中疏干，且可兼作运输石门使用。 如徐州矿区韩桥矿夏桥井一4 5 水平和新河矿一号井一2 6 0 水平的太 原组疏干石门。同时，在石门首端未揭开含水层之前，必须按煤 矿安全规程的要求砌筑水闸门。 2 ) 疏干井巷 疏干井巷是用以直接或间接疏放水的空硐，如起辅助疏干或分 区疏干作用的采区疏干石门、疏千反坡、疏干下山盲硐、疏干小井 以及拦截突水点、喀斯特管道或其他地下水流疏泄巷道等。 3 ) 井下疏干孔 坚主三堡垫查丕堂三堡堡主童些丝壅。 翌 由井下施工钻孔，直接钻入需要疏降的充水岩层，利用承压水 头，将地下水疏放出来，实现并下疏干或降压。井下疏干孔分平孔 和垂孔两种。井下疏干孔多用于分散疏干或局部疏干。井下疏干孔 施工前，须开掘专门的放水硐室，如垂孔开掘钻探小井、钻场和放 水短巷；平孔掘进放水石门或放水巷。当疏干对象为高压富含水层 时，垂孔的钻孔地坪和平孔的钻进工作面迎头，都应按岩层岩性条 件，砌筑好防水抗压地坪和防水挡水墙，借以封好疏干钻孔的孔口 套管，同时安装好空口防水闸阀或防喷、控放装置、并对钻孔附近 的井巷加强支护。放水硐室或疏干石门之间的距离，取决于含水层 的透水性，自数十米至数百米不等。每个放水硐室的孔数和孔深， 都要在钻孔疏干设计中规定。 井下钻孔疏干方法，已广泛应用于在井下打放水孔，分水平或 阶段超前疏干。例如，峰峰矿务局