（矿业工程专业论文）不稳定厚煤层综放开采顶煤冒放性和放煤工艺研究.pdf

东北大学工程硕士论文摘要 摘要 济宁二号煤矿煤层厚度变化大、夹矸多且构造复杂，采用常规的采煤方法开 采困难且煤炭丢失多，经理论研究，决定实施放顶煤开采。 本文在对顶煤冒放性、放顶煤合理开采厚度的研究的基础上得出：影响顶煤 冒放性的因素为开采深度、煤层强度、煤体弱面性质、煤层夹矸、煤层顶板及采 放比；通过模糊聚类分析，得出煤层硬度和弱面性质对顶煤冒放性的影响最大， 而其他几项指标的影响程度相对较弱。在理论研究的基础上，确定了放顶煤开采 的煤层最大临界厚度为1 3 m 左右，最4 , 1 1 缶界厚度为2 8 m 。 根据现场观测，项煤变形特征主要受以下因素影响：( a ) 顶煤所处的工作面 位置( 直接顶的冒落特征) ；( b ) 液压支架的支撑刚度：( c ) 采空区侧煤、矸对顶 煤的约束条件。顶煤放出的特点为( a ) 顶煤冒落后先堆积于支架掩护梁、尾梁及 后方己垮落的矸石上；( b ) 放煤时顶煤随支架尾梁向放煤口移动，随着顶煤的放 出，其上的矸石紧随顶煤堆积于支架尾梁上，而将原来堆积于掩护梁上的顶煤阻 隔于矸石上方。 根据对不同放煤工艺的研究，综合考虑煤炭资源的回收率及不同工艺循环放 煤时间与占用放煤工数量及煤、矸冒落特征等因素，认为间隔错步放煤是适合小 采放比条件下综放开采的较好的放煤方式。间隔依次全量是适合大采放比的较好 的放煤方式。 为提高工作面顶煤回收率，经研究采取了以下几个措施：( a ) 改进工作面端 头放煤方式，提高端头顶煤的放出率( b ) 针对煤厚变化，适时调整放煤工艺( c ) 加强工作面小构造探测，减少构造丢煤量。 济二煤矿采用放顶煤技术后，实现了矿井的高采高效。 关键词不稳定厚煤层综放冒放性放煤工艺 1 1 东北大学工程硕士论文a b s t r a c t a b s t r a c t t h i c k n e s so fc o a ls e a mc h a n g eh e a v i l y ；p a r t i n gi sm o r ea n dt h es t r u c t u r ei s c o m p l i c a t e di nj i n g i i c o l l i e r y a d o p tt h er o u t i n ec o a lm i n i n gm e t h o dt oe x p l o i ti s d i f f i c u l ta n dc o a li sl o s tm a i n l y b a s e do nt h e o r ys t u d y i n g ，d e t e r m i n et ob et h ec o a li s e x p l o i t e di sr o o f c a v i n g b a s e do nt h er e s e a r c ho ft h eb r e a k a w a yo ft o pc o a la n dt h e e x p l o i tt h i c k n e s s r a t i o n a l l yo f r o o f c a v i n gc o a l ，d r a w ：t h ef a c t o ro fi n f l u e n c et h en a t u r eo f t h eb r e a k a w a y o f t o pc o a li st h eh i 曲o fe x t r a c t i n g ，t h es t r e n g t ho f c o a ls e a m ，t h en a t u r eo fw e a k n e s s p l a n e ，t h ep a r t i n go f c o a ls e a m ，t h er o o fo fc o a ls e a ma n dt h es t r i p p i n gr a t i o b a s e do n f u z z yc l n s t e r sa n a l y s i s ，m a k es b r et h a tt h ei n f l u e n t i a lo ft h es t r e n g t ha n dt h en a t u r eo f w e a k n e s sp l a n ei sl a r g e s t t h e ni n f l u e n c ed e g r e eo fs o m eo t h e ri n d e x e si s r e l a t i v e l y w e a k b a s e do nt h e o r ys t u d y i n g ，d e t e r m i n et ot h el a r g e s tc r i t i c a lt h i c k n e s so fc o a ls e a m o f r o o f c a v i n g i s13 m ，a n dt h es m a l l e s tc r i t i c a lt h i c k n e s si s2 8 m b a s e do nt h es c e n eo b s e r v i n g ，t h ec h a r a c t e r i s t i cd e f o r m a t i o no fc o a l i si n f l u e n c e d b yf o l l o w i n g f a c t o r s m a i n l y ：( a ) t h ew o r k i n g f a c e p o s i t i o n o ft h e t o pc o a l ( t h e c h a r a c t e r i s t i co f f a l l i n go f i m m e d i a t er o o f ) ( b ) t h es u p p o r t r i g i d i t yo fp o w e r e ds u p p o r t ( c ) r e s t r a i n tt e r m so ft h e t o p c o a li sc a u s e d b y c o a la n dw a s t en e a r b y g o ba r e a c h a r a c t e r i s t i ce m i t t e do f t o pc o a li s ：( a ) p i l eu pi nt h es u p p o r ts h i e l d ，t a i lb e a ma n dt h e f a i l i n gw a s t e a tr e a rf i r s ta f t e rf a i l i n go f t o p c o a l ( b ) w h e ne m i t t i n gc o a l ，t o pc o a lm o v e t ot h em o u t ho fp u t t i n gc o a lw i t hs u p p o r tt a i lb e a m w i t ht h ee m i t t i n go f t o pc o a l ，t h e w a s t eo v e ri tp i l eu pi nt h es u p p o r tt a i lb e a m ，a n dt h e t o pc o a lt h a tp i l e du pi ns u p p o f c s h i e l do r i g i n a l l ys e p a r a t e di ta b o v et h ew a s t er o c k b a s e do nt h er e s e a r c ho fd i f f e r e n tt h ec o a lc r a f t ，c o n s i d e rs y n t h e t i c a l l yt h er a t eo f r e c o v e r yo fc o a lr e s o u r c e s ，t h et i m eo fe m i t t i n gc o a li nd i f f e r e n tc i r c u l a t i o no fc r a f t ， t a k i n gu p t h eq u a n t i t yo f w o r k e ra n dc h a r a c t e r i s t i co f f a l l i n go f c o a la n dw a s t ea n ds oo n t h e p a g et h i n k st h ee m i t t i n gc o a lo f i n t e r v a li nt h es t e pi st h er a t i o n a lw a yo f e m i t t i n g c o a lt h a ti ss u i t a b l ef o rr a t i oo f l i g h tm i n i n g i nc o m p r e h e n s i v em e c h a n i z e dc o a lm i n i n g a n dc o v e rc a v i n g i n t e r v a lc o m p l e t eq u a n t i t yi np r o p e ro r d e ri st h er a t i o n a lw a yo f e m i t t i n gc o a l t h a ti ss u i t a b l ef o rr a t i oo f l a r g e m i n i n g t oi m p r o v et h er a t eo fr e c o v e r yo ft h et o pc o a li nt h ew o r k i n gf a c e ，t h r o u g h s t u d y i n gt a k ef o l l o w i n gs e v e r a lm e a s u r e s ：( a ) i m p r o v e t h em i n i n gw a yi nw o r k i n gf a c e h e a d ，a n di m p r o v et h ee m i a i n g r a t eo ft h et o pc o a li nt h eh e a d ( b ) d i r e c t i n ga g a i n s tt h e t h i c k n e s sc h a n g eo f c o a l ，a d j u s tt h ec o a lc r a f ti ng o o dt i m e ( c ) s t r e n g t h e ns u r v e yo f l i t t l e 1 1 1 东北大学工程硕士论文 a b s t r a e t c o n s t r u c t e di nw o r k i n gf a c e ，t or e d u c et h er m o u r l to f c o a ll o s t a f t e ra d o p t i n gc a v i n gm e t h o di n j i n i n g i i c o l l i e r y , t h e m i n eh a v er e a l i z e d h i g h - m i n i n g a n d h i g h e f f i c i e n t l y k e y w o r d su n s t a b l et h i c k c o a ls e a m c o m p r e h e n s i v em e c h a n i z e dc o a lm i n i n ga n d c o v e rc a v i n gt h en a t u r eo f c o v e r c a v i n g t h ec o a lc r a f i v 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或 撰写过得研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 本人签名： 日 期：多卯多手夕凡f 7 1 a 东北大学工程硕士论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出 煤炭作为一种重要的能源，在国民经济建设中发挥着巨大的作用。在我国丰 富的煤炭资源中，厚煤层和特厚煤层的储量占总储量的4 0 以上。国家特别重视 厚煤层开采技术的发展，传统厚煤层采煤法的种种弊端阻碍了煤炭企业的发展， 对资源和投资造成了很大的浪费，特别是实行市场经济以来，煤炭企业普遍不景 气，受到的压力特别大，这就需要发展新的开采方法。放顶煤开采就是在这种环 境下逐步发展起来。 放顶煤开采是一种依靠矿山压力自然破煤或人为方法破煤，并依靠冒落煤炭 的重力进行煤炭搬运的采煤方法。早在二十世纪初，欧洲一些国家就开始应用放 顶煤开采技术。我国在五十年代曾进行过放顶煤开采，八十年代后期，我国的放 顶煤开采积累了许多宝贵的经验，放顶煤开采的优点也越来越明显，放顶煤开采 的主要优点在于：产量高，生产集中，便于管理；简化了采区的巷道布置，降低 了掘进率，改善了采掘关系；材料消耗少，动力消耗少，人员少，经济效益好等。 因此，放顶煤开采受到了煤炭企业的普遍重视，目前已在全国几十个局矿得到了 普遍的应用，取得了巨大的经济效益和社会效益。 放顶煤开采这种新的放煤工艺是一种复杂的开采方法，在综放工艺合理参数 方面的研究还不完善，存在许多问题，虽然经过多年的研究取得了一定的成果， 但这些成果大多是在特定的条件下取得的。综放工艺合理参数受到许多方面的影 响，如矿山压力，上覆岩层的性质、煤的性质、煤层的赋存情况，生产所用的支 架等等，这些因素都不同程度地影响着综放工艺合理参数，随着条件的变化必须 再进行相应的研究和探讨，使放顶煤开采在不同的条件下取得理想的技术经济效 益。 兖州矿业( 集团) 公司济宁二号煤矿是一个典型的极不稳定厚煤层的特大型 矿井，煤层厚度变化比较大( 3 煤层厚度o , - 6 m ，平均2 1 m ；3t 煤层厚度0 1 7 8 6 m ， 平均4 6 5 m ) ，硬度较大( p 2 ) ，区内地质构造复杂，断层褶曲发育，煤层产状变 化较大，煤层底板起伏比较严重，煤层含有夹矸且不稳定是该矿井煤层赋存的主 要特点。在这种复杂的条件下，用传统的采煤方法( 如分层开采等) ，必然对矿井 的技术经济效益带来许多不利影响，而放顶煤开采对煤层厚度变化的适应性比较 强，用放顶煤法开采比较合适。因此，对极不稳定厚煤层综放工艺合理参数进行 研究是非常必要的，它对放顶煤开采在极不稳定厚煤层的实施，提供了保证，对 l 东北大学工程硕士论文第一章绪论 完善放顶煤开采理论具有重要意义。 1 2 国内外研究的现状 从采矿理论上来讲，放顶煤开采技术是自然崩落法开采技术的一种，而自然 崩落法采矿是一种比较古老的采矿方法，自1 8 9 5 年在美国的皮韦比克铁矿首次使 用以来，这种采矿方法就受到了各国采矿界的普遍关注，在条件允许的矿山中比 较广泛地采用了这种采矿方法，并且在应用的同时其有关理论也得到了相应的发 展，并取得了许多突破性的成果，特别是以中条山有色金属公司刘怀裕总经理和 中南工业大学潘长良教授为首的课题组，在国家“七五”重大科技攻关项目的资 助下，经过近1 0 年的研究，对矿体的可崩性，崩落的块度预测，矿体崩落的速率 预测，岩层的移动规律，放矿控制与生产计划的安排和管理等相关理论问题都进 行了深入的研究，其研究成果达到了国际领先水平，并于1 9 9 5 年获国家科技进步 二等奖。对顶煤放出规律的研究，目前国内外较多地引用了前苏联学者c h 米纳 耶夫提出并经r m 马拉霍夫和b b 库里科夫发展的放矿椭球体理论，着重考虑了 多放煤口和放出体受未冒落顶煤固定帮影响的特点，对顶煤放出规律有了一定的 认识，为相关内容的研究奠定了坚实的理论基础，也为放顶煤开采技术的研究提 供了许多可以借鉴的成果。 随着金属矿山自然崩落法的应用和相应支护设备的出现，这种采矿理论也在 煤矿中得到了应用。这就是放顶煤开采技术。在国外，放项煤开采也有比较广泛 的应用，如法国、前南斯拉夫、前捷克斯洛伐克、前苏联、罗马尼亚等国家都比 较广泛地应用了放顶煤开采技术，也取得了比较理想的经济效益。在理论研究方 面国外主要集中在放煤设备上，对放煤工艺参数的研究相对较少，同时由于法律 法规对工作面生产环境( 如粉尘浓度等) 的要求比较严格，其放顶煤开采技术的 理论研究和应用也受到了一定的限制。 我国自1 9 8 4 年首次试验放顶煤开采技术以来，特别是进入9 0 年代以后，放 顶煤开采技术有了很大的发展，放项煤工作面高产、高效特征逐濒得到了认同。 在条件允许的情况下较为普遍地采用了这一技术，使许多综放面的产量达到2 0 0 万吨以上，取得了明显的技术经济效益。归纳我国放顶煤开采工作面的特点，可 以发现，目前综采放顶煤开采主要集中在以下几个方面： ( 1 ) 缓倾斜中硬厚煤层放顶煤综采。该类综放工作面是我国放顶煤开采工作 面数目最多，技术经济效益最好的一类，这类煤层硬度f = 1 2 - 3 ，煤层开采厚度 2 东北大学工程硕士论文第一章绪论 5 2 0 m ，工作面长度在3 8 - 2 0 0 m 之间，主要分布在东北，山西和山东等地区，兖 州矿业( 集团) 公司的兴隆庄、东滩、鲍店及南屯等矿井就属于这一类。由于这 类综放工作面实施的范围比较广，研究的也比较早，所以从顶煤的可放性到岩层 移动规律及放煤工艺参数等理论问题都取得了定的成果。 ( 2 ) 缓倾斜硬厚煤层放顶煤综采。这类放顶煤工作面的煤层硬度f 3 ，在1 9 9 0 年之前，这种条件下一般认为是放顶煤开采的“禁区”，但晋城矿务局风凰山煤矿 采用z f s 5 2 0 0 1 7 3 2 型强力支架首次在这种条件下实施了放顶煤开采，并取得了比 较好的经济效益，之后大同一矿也在这种条件下对放顶煤开采进行了试验。 ( 3 ) 缓倾斜软厚煤层放顶煤综采。我国软厚煤层赋存较为广泛，如东北的辽 源、乌鲁木齐、鹤壁、郑州等矿务局，其煤层的硬度一般f 1 ，在这种条件下实施 顶煤开采技术，最突出的问题是前方顶煤破碎，煤壁片帮，支架不能接顶及支架 钻底等，但经过几年的努力，这些问题基本上得到了解决。如轩岗矿务局刘家岗 煤矿和郑州矿务局米村煤矿都成功地在这种条件下实施了放顶煤开采。 ( 4 ) 倾斜厚煤层放项煤综采。在倾斜厚煤层中实施放顶煤开采是国内采煤工 艺改革的一大难题，其中最突出的问题是设备问题，经过多年的努力，这方面的 研究也取得重要进步，并在石炭井矿务局乌兰矿和宁阳石屯煤矿等矿井中比较成 功地实施了放顶煤开采，对放煤工艺参数理论问题也进行了卓有成效的研究。 ( 5 ) 急倾斜厚煤层水平分段放项煤综采。在煤层倾角大于5 5 。，煤层厚度在 2 0 - 8 0 m 之间，煤层硬度系数f 1 5 ，且节理裂隙发育良好煤层，但适合于放顶煤 开采，我国在这方面的研究也取得很多成果。 通过上面的论述可以看出，我国目前放顶煤开采技术的应用主要集中在煤层 赋存比较简单的矿井中，像济宁二号煤矿这样的具有煤层厚度不稳定，含夹矸， 断层多，局部粘顶的煤层中实施放顶煤开采技术在我国尚属首次。 1 3 济宁二号煤矿的基本概况 1 3 1 矿井概况 济宁二号煤矿位于山东省济宁市任城区兖新( 兖州新乡) 铁路以南。隶 属于兖州矿业集团公司。矿井东西宽l o k m ，南北长6 l l k m ，面积9 0 k i n 2 。矿井 年设计生产能力为4 0 0 万池，服务年限6 7 5 a 。矿井采用立井开拓，一水平的标高 为5 5 0 m 。并于1 9 9 6 年9 月开始试生产，1 9 9 7 年1 1 月正式投产。 济宁二号煤矿的含煤地层为太原组和山西组，共含可采煤层7 层。其中主采 煤层为3 和3t 两层，一水平开采的煤层也是3 。和3 ，煤层。 东北大学工程硕士论文第一章绪论 1 3 2 井田地质构造 济宁二号煤矿位于济宁煤田( 东区) 中部。煤系地层走向总体趋势近南北， 向西倾斜，倾角平缓，煤层倾角2 。4 1 4 。，但局部达到2 5 。地层构造以宽缓 裙曲为主，轴向多为北东、向西南倾伏，并伴有一定数量的断层。 井田内地质构造发育，断层较多，在地质勘探过程中首采区内所发现的主要 断层如表1 1 所示。 表1 1 首采区不同落差断层数目表 t a b l e l 1d i f f c r t d r o p f a u l t f i g u r e f o r m so f t h e f i r s t w o r k i n ga r e a 落差h 1 0 mi o 5 0 m 断 f 1 3 f ”，f ：9 f n ，f 1 6 ，f ， 八里营八里铺 层 f f 2 i f m f l ，f n tk ， 孙氏店。八里铺支， 名 f 2 a ，f 3 0 ，f k f ：岛，f 嚣， f i f 1 5 孙氏店支：未命名 称 f ，3 乳l - f 的边界支断层5 条。 条数l o 1 121 0 此外，截至1 9 9 6 年9 月底，在巷道揭露的6 6 5 k m 2 的范围内共发现小断层1 3 4 条，详见表2 2 所示。 表1 2 建井期间断层揭露点统计表 t a b l e l 2b u i l dw e l lf a u l tr e v e a ls o m es t a t i s t i c a lf o r m s 总 芷断层逆断层 地点 计 合计 3 m 总计 1 3 4i 笛3 l5 61 92 0b4 22 井筒 542 2ll 合计 8 37 71 93 5 l l1 264 2 5 5 0 大巷2 0 1 83726 2 2 北 北瓤1 9 1 76l l22 0 0 6 面 773 4 翼 北二采区 1 9 1 7246522 0 0 4 面 1 8l g5 93l 合计 4 64 5l o 2 l68 ll 巧5 0 太巷 8 8lsll 南 南采区 2 0 1 93844 l1 0 0 4 面 冀 0 0 6 面 1 41 43333 2i l 0 0 5 面 443l 通过上述可以看出，井田内断层构造非常发育，特别是落差在2 m 以下的小断 层，同时，由于煤层厚度变化较大，在煤层厚度比较小的地段，这些断层都必将 造成工作面破顶板或破底板推进，这不仅降低了工作面的推进速度，影响了工作 面的产量，且原煤中矸石、灰分增高，降低了煤质，在断层三角地带的顶板比正 常地段控制困难，容易造成冒顶事故。威胁矿井的安全生产。特别是放顶煤开采 时，由于设备比普通设备重，对工作面生产的影响将更为突出，同时，当工作面 推过断层以后实施放顶煤开采时，也将对顶煤的冒落产生影响，降低了工作面的 回采率，影响放顶煤开采的技术经济效果。 厚度( m ) 问距( m )桂状田量大一量小岩性描述 平均 2 b 一5 7 4 7 4 洗灰色粉砂岩甄密坚硬泥质胶结鹿部为混岩 o q 2 3 煤2 茎主 主q 1 5 哪山 获熏色泥岩 玎 1 9 一王8 糟钢砂岩互屡 波轶屡理 3 3 1 5 i 蜘砂岩1 t 质腔垴。系密璺硬夹煤缱 4 3 8 6 7 中蛔砂岩，硅屣腔螭辩渡状鏖理 5 1 8 0 2 9 2 1 6 4 燃3 上 jl 3 2 3 1 6 3 4 6 糟细砂岩掘质胶绪泥撙方设法毫直蟪层理 2 4 3 5 2 2 9 糟砂岩央肆层细砂岩。里斜波状层理 9 5 1 3 7 中细砂岩泥质胶嫡夹铁质鲴绽和糟岩细条带呈 2 5 l 1 1 0 料层理裂隙较发育 “：” 4 9 6 g 蛔砂岩托质艘培周部为辨曩胶螬料层理 s 8 -+。 0 一o 5 坭岩古植物化石丰富 lo 1 2 5 7 _ 叠1 7 崔3 下 6 _ _o i 4 3 诧岩上部o i s m 嶷质泥岩 - ： o 8 6 ，2 7 3 6 -_ 3 2 6 糟砂者水平层理 、 j ：? ：。 1 3 3 一1 9 2 轮蛔砂岩互层。诧质胶螬具渡太和灌虫状屡理，裂 _ 1 6 , 4 曛麓育 1 3 3 二采区概况 图1 1 二采区综合柱状图 f i g 1 is y n t h e s i z ec o l u m n a rs e c t i o ni nn o 2w o r k i n g a l e a 二采区( 原北一采区) 是济宁二号煤矿准备首次实施放顶煤开采的采区，该 采区位于北翼大巷的西侧，以工广煤柱和大巷煤柱为其东部边界，西到八里铺断 5 东北大学工程硕士论文第一章绪论 层和f 1 2 断层防水煤柱，南与南一采区相邻，北到八里营断层防水煤柱，南北长 3 0 0 0 3 8 0 0 m ，东西宽8 8 0 1 6 0 0 m ，面积5 3 3 2 5h n 2 。 1 3 3 1 煤层及顶、底板 煤层及顶底板情况见图1 1 所示的综合柱状图 1 3 3 2 地质构造情况 本采区内西有八里铺断层和f 1 2 断层，北有八里营断层，南部有f 2 4 断层，宽 缓褶曲遍布全区，煤层产状变化频繁，地质构造条件比较复杂。 ( 1 ) 煤层产状区内煤层走向主要为北向东，其次为北西北北西向，煤层 倾角3 1 5 。，一般为4 8 。，受褶曲迭加的影响，煤层产状的变化十分复杂。 ( 2 ) 褶曲区内发育北向东和北北西向两组褶曲，以北向东组褶曲为主，北 北西向褶曲仅南部发育。主要褶曲有北向东的蒋屯背斜，前十里营背斜、自庄背 斜和1 5 0 向斜，北北西向有1 1 一1 2 1 2 7 背斜。 ( 3 ) 断层区内比较大的断层除边界断层以外，还有西部边界附近的f 1 3 断层， 中部的f 2 6 断层和东南部的f 2 4 断层。并且受上述断层的影响预计采区西部和南部 地质构造条件复杂，靠近北部边界处小断层也将十分发育。现采区3 条上山及3t 运输顺槽共揭露断层1 7 条，最大落差为2 m ，这些断层将对放顶开采造成比较严 重的影响。 1 3 4 2 3 0 1 工作面概况 1 3 4 1 工作面位置 2 3 0 1 工作面位于二采区最南部所开采的是3 下煤层。为二采区修改设计后的 第一个倾斜长壁综采放顶煤工作面，也是济宁二号煤矿的首个放顶煤工作面，并 且在2 3 0 1 工作面的采煤队也是第一次采用放顶煤开采。工作面东到工广煤柱保护 线，南到f 2 4 断层，西至八里铺断层，北与2 3 0 2 工作面相邻，距二采区3 下回风 下山6 0 0 m ，距南侧1 3 0 1 工作面2 3 0 5 3 0 m 。i 作面走向长度9 6 1 8 - 1 0 5 9 8 m ，平 均1 0 1 0 8 m ，工作面倾斜长度为2 0 6 2 m 。 1 3 4 2 工作面内的地质构造 本工作面井下煤层顶板标高为- - 4 9 9 8 - - 5 2 9 4 m ，地面标高为+ 3 4 4 9 m ，开采 深度为5 3 4 2 9 - - 5 6 3 8 9 m 。 工作面内煤层产状变化较大，断层褶曲发育，工作面中部总体为一南北向背 6 斜构造，中部高、东西两边低。两顺槽共揭露0 5 m 以上的断层5 条，其中最大的 一条为f 2 4 断层，在轨道顺槽距停采线2 5 m 处揭露，此处落差为7 2 m ，对回采影 响较大。东部停采线以西1 0 0 m 处，煤层受严重冲刷，最薄处煤层厚度仅有2 2 m 。 工作面内揭露的断层如表1 3 所示。 表1 32 3 0 1 工作面断层构造一览表 t a b l e l 3t h ec o n s t r u c t i n gt a b l ei n2 3 0 1w o r k i n gr a n g e f a u l t 断层名称走向( 度)倾向( 度)倾角( 度)性质落差( m )对回采影响程度 f 2 2 01 3 07 0 正7 2根大 嗣2 2 11 3 13 8逆2 8大 盟3 2 02 3 04 5正2 5大 吲1 1 02 07 5芷o 5较小 吲 2 二，o3 1 06 5正2 5大 表1 4 煤层硬度试验结果表 t a b l e l 4 f o r m o f r e s u l t o f t h e t e s t o f h a r d n e s s o f c o a ls e a m 试验样本 项目 均值 l2 ：13 硬度( m p a ) 2 t 1 1 9 62 3 5 2 1 4 表1 5 煤层顶、底板岩性特征表 1 l a b l e l 5 t h ec h a r a c t e r i s t i c l o r mo fs l 缸e q u m 姆o f r o o f a n d f l o o r o f c o a l s e a m 顶底板名称岩矗名称 厚度( m )岩性特 征 老顶中砂岩 1 1 5灰白色、岩性坚硬、性脆易破碎 直接顶粉细砂岩 0 - 1 1 5深灰色，泥质胶结、性脆易破碎 伪顶泥岩( 局部) 0 一- 2深灰色、岩性松软、易冒落 直接底泥 岩灰黑色、岩性松软，具有膨胀性 老底粉细砂岩 5 6深灰色、岩性坚硬、具有水平屡理 1 3 4 3 煤层及顶、底板特性 工作面回采的3t 煤层结构较简单，煤层厚度2 2 8 2 m ，平均5 7 m ，变异系数 7 东北大学3 2 程硕士论文 第一章绪论 为2 4 4 7 。煤层倾角为2 2 5 。( 局部) ，一般为56 。西部含夹矸1 3 层，厚 o 1 o 4 r n ，西部煤层起伏较平缓，东部受f “断层的影响，煤层倾角较大。对2 3 0 1 工作面煤层硬度试验结果如表1 4 所示。可以看出，煤层硬度的试验结果f = 2 1 4 ， 地质报告中提供的数值为f = 1 9 l ，说明试验结果是可靠的。煤层的顶、底板特性 如表1 5 所示。 1 3 5 煤层赋存的基本特点 众所周知，放顶煤开采是一种依靠煤体内部的自然力或人为方法来达到煤体 破坏，并依靠冒落煤炭的重力进行搬运的大规模、低成本、高效率的采煤方法。 这种方法目前已成为我国煤炭工业实现高产高效的主要方法和手段之一。我国许 多开采厚煤层的矿井都广泛地应用了这种采煤工艺，并取得了良好的技术经济效 果。 归纳我国目前应用放顶煤开采矿井的特点和济宁二号煤矿的煤层赋存特征可 以发现，济宁二号煤矿的煤层赋存与其他矿井( 如兖州矿业集团公司的兴隆庄、 东滩、鲍店及南屯等矿井) 相比，具有以下几个方面的特点： ( 1 ) 煤层厚度变化大 从济宁二号煤矿主采煤层( 3 上、3t 煤层) 的赋存特征可以看出，由于3 。煤 层的赋存厚度为0 2 i m ，所以能够实施放项煤开采的只有3 ，煤层，而3 ，煤层的 赋存厚度为o 1 7 9 6 m ，平均为4 6 8 m ，煤层厚度变化非常大，第一个实施放顶煤 开采的2 3 0 1 工作面的煤层厚度也从2 2 m 变化到8 2 m ，在煤层厚度变化如此大的 矿井中实施放顶煤开采在我国尚属首次。煤层厚度的变化，必然对放煤工艺产生 影响，同时，在煤层厚度变化比较大的矿井中实施放顶煤开采，也能够充分发挥 放项煤开采的优越性。 ( 2 ) 煤层夹矸多 在3 ，煤层中含夹矸o 3 层，厚度一般在0 o 5 9 m 范围内，2 3 0 1 工作面含夹 矸1 3 层，厚度为0 1 0 4 m ，可以看出，3t 煤层含夹矸严重。煤层中夹矸的存 在不但影响放出煤炭的质量，同时，如果夹矸比较硬，在一定的厚度条件下还将 影响顶煤的冒放性，给放顶煤开采的实施带来一定的困难，也影响了矿井高高效 的实现。i ( 3 ) 构造复杂 济宁二号煤矿的井田内地质构造复杂、断层褶曲发育、煤层产状变化大、煤 东北大学工程硕士论文第一章绪论 层底板起伏比较严重等特征是该矿煤层赋存的又一大特点，这一特点也必将对放 顶煤开采产生一定的影响，同时，也严重影响放顶煤开采煤炭回收率的提高和含 矸率的降低。 上述三大特点说明济宁二号煤矿所开采的是不稳定厚煤层，如何在不稳定的 厚煤层中实施放顶煤开采，不但可以进一步丰富放顶煤开采的理论体系，扩大放 顶煤开采的应用范围，对济宁二号煤矿提高经济效益，实现矿井的高产高效也具 有非常重要的现实意义 1 4 本课题研究的意义 济宁二号煤矿是兖州矿业( 集团) 公司新投产的一个特大型矿井，煤层厚度 变化比较大，地质条件复杂，煤层含有夹石及局部粘顶性比较严重是该矿井的主 要特征之一，给矿井的分层开采带来了很大困难，严重影响了资源回收率的提高。 在此，确定合理的放煤工艺参数，保证放顶煤开采的实施具有特殊意义，首先它 解决了因厚度变化较大面造成的设备难以适用的问题，其次也提高了矿井的资源 回收率。 放顶煤开采大部分是在预采底分层的过程中将上部煤层通过煤层内部的自然 力和重力来达到煤体的破碎与搬运的，这就要求放顶煤开采的煤层必须具有定 的厚度，可想而知，从经济效益的角度出发，当煤厚层度达到某一界限时，随着 煤层厚度的增加，放顶煤开采与常规采煤方法相比其经济效益越来越好，而低于 这一界限，由于放顶煤开采所需要的设备比常规采煤法多，工艺也比较常规采煤 法复杂，其经济效益明显下降。同时由于放顶煤开采存在着固有损失( 由方法本 身带来的煤炭损失。如工作面端头损失，工作面后部无法放出的损失及脊背损失 等) 问题，所以从煤炭回收率的角度出发也存在着放顶煤最低开采厚度的问题， 确定这一下限，对不稳定煤层的放项煤开采具有非常重要的意义，首先它为济宁 二号煤矿能否应用放顶煤开采提供了依据，其次它对采区与区段的划分及矿井采 掘计划的安排提供了依据，所以放顶煤最低开采厚度是不稳定煤层中应用放顶煤 开采的重要参数。 煤层厚度不同必然带来放煤工艺的不同，特别是在煤层厚度小于5 m 时放煤工 艺的参数确定问题，目前在兖州矿业( 集团) 公司尚未研究与试验。放煤工艺参 数主要有采放步距，放煤顺序及合理的工作面推进速度等。而采放步距主要有两 种方法，一是同步放煤，即推进步距与放煤步距相同；二是异步放煤，即推进步 9 东北大学工程硕士论文 第一苹绪论 距与放煤步距不同( 放煤步距是推进步距的整数倍) ，采放步距的选择不但影响放 顶煤开采工作面的推进速度，同时也影响到煤炭回收率和矿井的经济效益：放煤 顺序则是影响工作面回收率和矸石混入率的关键因素，虽然5 m 以上的煤层中这些 问题在兖州矿业( 集团) 公司的其他矿井中都得到了较好的解决，但在5 m 以下煤 层中应用放顶煤开采时尚需开展进一步研究，这是在不稳定煤层中成功应用放顶 煤开采技术的关键。因此本课题的研究不但为济宁二号煤矿成功应用放顶煤开采 技术奠定了基础，也为煤层厚度变化大，地质构造复杂，煤层含有夹矸及煤层粘 顶这类不稳定煤层的开采开辟了一条新途径，同时也进一步丰富了放顶煤开采理 论体系。本课题与目前已进行的研究和正在进行的研究相比具有以下特点及意义： ( 1 ) 根据我国放顶煤开采的经验及济宁二号煤矿的特点确定了放顶煤开采的 最低开采厚度，为济宁二号煤矿的采煤工艺选择，采区与区段划分及矿井采掘计 划的编制提供了科学的依据。 ( 2 ) 针对济宁二号煤矿煤层厚度变化比较大等特点对不同煤层厚度及相应顶 煤预处理措施条件下应用放顶煤开采时的放煤工艺参数设计进行研究，这不仅是 济宁二号煤矿应用放顶煤开采的关键技术之一，也进一步完善了放顶煤开采的理 论体系。 ( 3 ) 对济宁二号煤矿应用放顶煤开采的主要技术经济指标进行了评价，对不 稳定煤层应用放顶煤开采技术具有重要参考价值，也是济宁二号煤矿修正放煤工 艺参数的重要依据。 1 0 东北大学工程硕士论文 第二章不稳定厚煤层顶煤冒放性及台理开采厚度研究 第二章不稳定厚煤层顶煤冒放性及合理开 采厚度研究 2 1 顶煤冒放性的研究 2 1 1 济宁二号煤矿顶煤冒放性的预铡 顶煤冒放性是顶煤本身的可冒落并可放出的特性，是项煤在矿山压力和支架 的共同作用下、顶煤冒落和放出难易程度特征的度量参数，亦即顶煤可冒落性和 可放出性的综合。顶煤具有良好的冒放性是进行放顶煤开采的必要条件，同时， 顶煤的冒放性也是确定放煤工艺的重要依据之一。根据不同的顶煤冒放性采取相 应的技术措施和技术工艺是实现理想经济效益的基础。 2 1 1 1 影响顶煤冒放性的因素 影响顶煤冒放性的因素很多，长期的研究结果表明，影响顶煤冒放性的主要 因素有开采深度、煤层的厚度和强度、煤层的夹矸层数和厚度、顶煤中节理裂隙 的发育程度、直接顶岩性及厚度、老顶岩性及厚度等，这些因素又有不同的指标 组成，如图2 1 所示。同时，这些因素对顶煤冒放性的影响程度也不相同，这说明 顶煤冒放性的确定是一个多因素的综合评判过程。 图2 1 顶煤冒放性影响因素递阶结构 f i g , 2 。1p a s s s t e p ss t r u c t u r e o f t o p c o a lb m a k a w a y i n f l u c n c e f a c t o r ( 1 ) 开采深度 煤层的赋存深度( h ) 直接影响着原岩应力( y h ) 的大小，因此，也影响着 东北大学工程硕士论文 第二章不稳定厚煤层顶煤冒放性及合理开采厚度研究 作用在工作面前方支承压力峰值( k y h ) 的大小。顶煤在矿山支承压力的作用下 发生破坏。同时，考虑到长壁工作面沿平行工作面推进方向上的平面应力的变化 不大，故可将其简化成平面应变模型。 根据格里菲斯强度理论将下式 代入得 o f x 脚 叼= a k y h 五= l 1 一 ( 2 1 ) 矿网 q _ 2 ) 式( 2 1 ) 即为开采深度( h ) 和煤体单向抗压强度( oc ) 之间的比例关系。 若取k = 2 3 ，上覆岩层的平均容重y = 2 5 t m 3 ，鼻0 7 ，u = o 3 ，并将其代入( 2 2 ) 式，则得到顶煤仅受支承压力作g t 发生破坏的开采深度： h ( 2 8 2 2 9 5 7 9 ) ( 2 j 3 ) 可以看出，开采深度h 越大，顶煤临界破坏条件越容易满足，也就是说，顶 煤层强度是煤层本身抗破坏能力的主要指标，影响着顶煤在矿山压力作用下 破坏的过程和程度，同时也影响着顶煤的垮落角。并且煤层的强度越大，顶煤的 垮落角越小，冒落顶煤的块度也越大，顶煤的冒放性越差，反之，顶煤的冒放性 煤体弱面是煤体层理和节理裂隙的总称，煤体弱面的发育程度，不但影响着 煤体的完整性，对顶煤的冒放性也有较大的影响，弱面性质的主要衡量参数有弱 面的密度、倾向、倾角、迹线的持续长度等，这些参数集中反映了煤体弱面的空 间分布状态，只有煤体弱面发育、且呈网状结构分布，才有利于顶煤的冒放。 东北大学工程硕士论文第二章不稳定厚煤层项煤冒放性及合理开采厚度研究 ( 4 ) 煤层夹矸 煤层中含有夹矸是济宁二号煤矿煤层赋存的一大特色，煤层夹矸不仅影响到 放出煤炭的含矸率，而且影响到顶煤的冒放性，煤层夹矸对顶煤冒放性的影响比 较复杂，其影响程度不仅与夹矸层的岩性、硬度、层数等夹矸层特征有关，还与 夹矸层与煤层的胶结性质有关，对于比较软且与顶煤胶结性差的夹矸层，则变成 了顶煤的一个弱面，夹矸层的存在增加了顶煤的冒放性；而对于比较硬且与顶煤 胶结比较好的夹矸层，则对顶煤冒放性有不利的影响。 对于煤层夹矸的处理，一般位于煤层下部的夹矸层多被采煤机割出，比较容 易处理，位于煤层上部的夹矸层，为保证放出煤炭的质量，一般不予放出，因此， 位于中部的夹矸层则是应重点考虑的对象。 煤层中的夹矸层是处于三向受力状态的，而且上下均被强度较低的煤层所包 围，一般情况下，夹矸层的强度要比煤硬( 比煤软的不影响顶煤的冒放性，可不 考虑) ，支承压力通过上、下较软的煤作用于夹矸层上，其应力集中程度相对减弱， 因此，夹矸层的破碎程度要比煤差。在工作面的煤壁前方夹矸层仅能随着其下部 煤层的变形而有相应的变形，或因为比煤的变形小而产生离层。当工作面推进己 使离层的夹矸层处于支架的控顶上方时，会出现如图2 2 ( a ) 所示的受力状态， 即下部顶煤破碎下沉，上部顶煤随夹矸层变形而与直接顶离层，夹矸层就相当于 一根悬臂的梁，其上受上部顶煤重力作用的均布载荷，其简化的力学模型如图所 示，这种悬臂梁若能及时破断冒落，加上支架的反复卸载支撑，则有利于顶煤的 冒放，根据图2 2 ( b ) 所示的受力模型，可以求解出不同夹矸层的临界厚度。 膏詹 ( | ) 图2 2 夹矸层的受力状态图 f i g 2 2 t h es t a t e d i a g r a m o fs t r e n g t ho f p a r t i n g l a y e r 上 7 - 东北大学工程硕士论文第二苹不稳定厚煤层顶煤冒放性及台理开采厚厦研冤 悬臂梁的最大弯距为： 恢= 譬= 吉( q 矸+ q 煤) 1 2 ( 2 。) 悬臂梁的最大拉应力为： 盯大3 等罢2 等粤2 素m 2 眚圭( q 矸+ q 煤， 1 2 _ 一3 f q r , f f + q 煤) 1 2 心5 令。大于等于夹矸层的抗拉强度r 则上式变为： 母= 言( 研肿礁日煤) 卜 ( 2 6 ) 单位统一后，上式变为： 2 堕巫：篓! ! 堡鳖 旺，” 2 0 呱 式中： l 夹矸层悬臂最大长度，i n ： y 。夹矸层的容重，k n i