综放工作面顶煤采出率研究论文.pdf

西安科技大学 硕士学位论文 综放工作面顶煤采出率研究 姓名 商铁林 申请学位级别 硕士 专业 采矿工程 指导教师 索永录 20090513 论文题目 专业 硕士生 指导教师 综放工作面顶煤采出率研究 采矿工程 商铁林 索永录 摘要 签名 盔鱼丛 签名缝醯 综合机械化放顶煤开采已经成为我国厚煤层开采的主要方法之一 顶煤采出率一直 是综放开采中的一个核心问题 努力不断提高综放工作面顶煤采出率对促进综放技术进 一步发展具有重要意义 在对综放工作面顶煤采出率的诸影响因素进行系统分析的基础上 应用f l a c 3 d 和 u d e c 软件进一步对影响坚硬煤层综放工作面顶煤采出率的一些关键因素进行了数值 计算分析 采用f l a c 3 d 对比分析了坚硬顶煤预先爆破弱化前后 不同底煤采高时 随 着工作面推进 顶煤中支承压力的分布规律和破坏区分布特征 采用u d e c 对比分析了 顶煤预先爆破弱化前后 不同底煤采高 不同放煤步距时 顶煤随工作面推进而发生变 形 破坏 垮落等特征 计算分析结果表明 对顶煤预先爆破弱化之后 应力集中程度 提高 应力峰值点前移 作用影响范围扩大 顶煤破碎程度明显提高 加大底煤开采高 度后 顶煤的破坏程度加大 采用两采一放比采用一采一放顶煤的冒放状态好 根据模拟和分析 提出了采取坚硬顶煤爆破弱化 适当加大底煤采高 对具体煤层 地质条件采取合理放煤步距等采放工艺参数 加强工作面初末采等提高综放工作面顶煤 采出率的技术措施 以大佛寺煤矿4 0 3 0 1 综放工作面为研究对象 进行了现场试验分析 试验期间工作 面采出率达到了8 0 4 取得了良好的安全 技术和经济效果 关键词 顶煤采出率 综放开采 数值模拟 预先爆破弱化 采放工艺 研究类型 应用研究 s u b j e c t s t u d yo nc o a lr e c o v e r yr a t i oi nf u l l ym e c h a n i z e dt o p c o a l c a v i n gf a c e s p e c i a l t y m i n i n ge n g i n e e r i n g n a m e s h a n g t i e l i n i n s t r u c t o r s u oy o n g l u s i g n a t u r e s i g n a t u r e a b s t r a c t t h e f u l l ym e c h a n i z e dt o p c o a lc a v i n gm i n i n gi so n e o ft h em a i nm e t h o d so fe x c a v a t i n g t l l i c kc o a ls e a n l t h et o p c o a lr e c o v e r yr a t i oi st h ek e yp r o b l e mi nf u l lm e c h a n i z e dt o p c o a l c a v i n gf a c e a n di m p r o v i n gc o a lr e c o v e r yr a t i oi si m p o r t a n tt ot h ed e v e l o p m e n to ft h ef u l l y m e c h a n i z e dt o p c o a lc a v i n gt e c h n o l o g y b a s e do nt h ea n a l y s i so fi n f l u e n c ef a c t o r so ft o p c o a lr e c o v e r yr a t i os y s t e m a t i c a l l y s o m e k e yf a c t o r si n f l u e n c i n gt o p c o a lr e c o v e r yr a t i oi nh a r dc o a ls e a mf u l lm e c h a n i z e dt o p c o a l c a v i n gf a c ea r ec a l c u l a t e da n da n a l y z e db yf l a c 3 d a n du d e c w i t hf l a c 3 d t h es t r e s sa n d d e f o r m a t i o nd i s t r i b u t i o ni nt o pc o a lb e f o r ea n da f t e rh a r dt o pc o a lp r e b l a s tw e a k e n i n gw i t l l d i f f e r e n tm i n i n gh e i g h td u r i n gt h ea d v a n c i n go ft h em i n i n gf a c ei sa n a l y z e dc o m p a r a t i v e l y t h ed i s t o r t i o n d e f o r m a t i o na n dc o l l a p s ec h a r a c t e r i s t i c so ft o p c o a la l o n ga d v a n c i n gb e f o r e a n da f t e rt o pc o a lp r e b l a s tw e a k e n i n g 谢t hd i f f e r e n tm i n i n gh e i g h ta n dd i f f e r e n tc a v i n gs t e p a r ea n a l y z e db yu d e c t h es t u d ys h o w st h a t a f t e rt h et o pc o a lp r e b l a s tw e a k e n i n g s t r e s s c o n c e n t r a t i o ni si n c r e a s e d t h ep o i n to fs t r e s sp e a ki sm o v e df o r w a r d a n dt h ei n f l u e n c er a n g e i se x p a n d e d w h e nt h em i n i n gh e i g h ti si n c r e a s e d t h ef r a c t u r ed e g r e ei se n h a n c e d i ti s s u p e r i o rt o m i n i n gt w i c ea n dc a v i n go n c e t h a n m i n i n go n c ea n dc a v i n go n c e a f t e rt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dt h ea n a l y s i s m a n yt e c h n i c a lm e a s l e ss u c ha sh a r d t o pc o a lp r e b l a s tw e a k e n i n g i n c r e a s i n gm i n i n gh e i g h ta n da d o p ts u i t a b l ec a v i n gs t e p a c c o r d i n gt ot h eg e o l o g yc o n d i t i o no ft h ec o a ls e a n la r ep r o p o s e dt oi m p r o v et h et o pc o a l r e c o v e r yr a t i oi nt h i sp a p e r t h ef i e l de x p e r i m e n ti sc a r r i e do ni n4 0 3 01f u l l ym e c h a n i z e dc a v i n gf a c eo fd a f o s ic o a l m i n e t h ec o a lr e c o v e r yr a t i oi s8 0 4 i nt h i se x p e r i m e n tw h i c hg a i n sf a v o r a b l es e c u r i t y t e c h n i c a la n de c o n o m i ce f f e c t k e yw o r d s t o p c o a lr e c o v e r yr a t i of u l l ym e c h a n i z e dt o p c o a lc a v i n gc o a l n u m e r i c a l s i m u l a t i o n p r e b l a s tw e a k e n i n g e x t r a c t i n ga n dc a v i n gt e c h n o l o g y t h e s i s a p p l i c a t i o n r e s e a r c h 压要料技太学 学位论文独创性说明 本人郑重声明 所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 t 作及 其取得研究成果 尽我所知 除了文中加以标注和致谢的地方外 论文中不包含 其他人或集体己经公开发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料 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做了明确的说明并表示了谢意 学位论文作者签名 角角镇采日期 j 叼 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定 即 研究生在校攻读学位期问 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学 学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版 本人允许论文被查阅和借阅 学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文 同时本人保证 毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学 保密论文待解密后适片j 本声明 学位论文作者签名 需西锯 牝 指导教师签名 i 辄 年多月厂日 1 绪论 1 1 研究背景及意义 1 绪论 煤炭在我国一次能源消费结构中一直占6 5 以上 是我国能源的主要组成部分 在 国民经济和社会生活中具有重要的战略地位 世界厚煤层储量约占世界煤炭总储量的 1 3 我国厚及特厚煤层储量 产量均占煤炭总储量和总产量的4 0 以上 综采放顶煤 开采方法是2 0 多年来在我国迅速发展起来的一种开采特厚煤层的高产高效新技术 l 我 国厚煤层矿区多分布在东北 西北 华北和华东地区 目前开采厚及特厚煤层的矿井主 要应用了放顶煤开采技术 且大多数都取得了良好的技术经济效果 综放工作面的最高 单产已达1 0 0 m t a 以上 工效达到2 0 0 t t 以上 2 综放开采将特厚煤层的资源优势变成 了生产效益的优势 综放开采技术已成为我国特厚煤层开采矿井实现集约化安全高效生 产的重要技术发展方t 3 1 对于厚煤层的开采现在主要有两种办法 一种就是放顶煤开采法如图1 1 所示 一 种是分层开采法 如图1 2 所示 与传统的分层采煤法相比 综采放顶煤采煤法的主要 优点有 1 对厚度变化大的厚煤层可实现一次采全厚 降低了特厚煤层开采的复杂程 度 2 利用矿压落煤 与分层开采相比 是一种低能耗的采煤方法 可以节省电力和 增加煤炭块率 3 巷道布置简单 掘进工程量小 可以节省大量掘进和运输工作 缓 解采掘接替紧张的矛盾 4 采用双输送机放顶煤液压支架 采煤和放煤平行作业 提 高了单产和工效 5 减少了工作面的搬家次数 生产集中化程度明显提高 6 一次 采全厚 节省了坑木 金属网等材料的消耗 并且减少了人工的投入 降低了吨煤生产 成本 经济效益好 7 降低了自然发火的频率 4 5 1 保证和提高综放工作面顶煤采出率一直是应用放顶煤开采技术的核心问题 我国从 5 0 年代开始大力推广分层开采以后 规定厚煤层开采的工作面回采率应达到9 3 以上 采区回采率应达到7 5 以上 根据有关统计分析 分层开采时 一般实际工作面回采率 可以达到规范要求 但大多数矿井的实际采区回采率都达不到规范要求 据2 0 0 3 年统 计 我国综放工作面回采率平均为8 1 8 3 1 6 1 到目前为止 综放工作面采出率超过8 5 的并不多 大多数的采出率都在8 5 以下 在正常情况下 综放工作面的采出率也仅能 达到8 0 8 5 经过不断努力 尽管综放工作面回采率已经得到明显提高 但是一些综 放工作面的回采率还不到8 0 综放开采的顶煤采出率仍然有待进一步提高 分析我国煤矿综放生产现状可以看出 造成综放工作面煤炭损失的原因大体可分成 以下几个方面 1 对顶煤垮落 冒放 破碎特性认识掌握还不够深入准确 2 没有 能够合理利用矿山压力和人工辅助措施破碎顶煤 特别在硬煤层开采中 3 工作面设 西安科技大学硕士学位论文 计和放煤工艺不够合理 4 设备条件限制及选型配套方面 5 生产管理方面 特别 是综放队职工技术操作和作业管理培训不够hj 煤炭是 i 可再生资源 是构成我国经济和社会发展可持续性的基本要素之一 必须 深入对练放丌采过程中顶煤的垮蒋过程 破碎机理 破碎程度以及人为控制技术等进行 研究 以提高顶煤的采出率 必须不断完善丁作面设计参数 减少初采 末采损失 合 理选拌工作面设备 加强配套选型 搞好生产管理 避免不必要的损失 目前深入系统 地研究和总结练放工作血的采出率的提高方法已经是一个迫在眉睫的问题了 改善和提 高综放丌来过程中的关键性技术 对完善综放丌采具有很重要的现实指导意义 吲i2 分层开采 1 绪论 1 2 国内外研究动态 1 2 1 放顶煤开采技术的发展与现状 早在本世纪初 欧洲就使用了放项煤开采法 当时只是作为在复杂地质条件下的一 种特殊采煤方法 如法国使用的房式和仓式放顶煤采煤法 此后 在2 0 世纪4 0 年代末 法国 前南斯拉夫 匈牙利等国正式开始应用长壁和短壁放顶煤开采法 工作面使用单 体金属支柱和顶梁以及刮板输送机进行炮采1 2 1 9 5 7 年前苏联首次使用综采k t y 型掩 护支架开采倾角5 1 8 厚度9 1 2 m 的特厚煤层 工作面先采顶部煤 铺底网 然 后沿煤层底板开采 在工作面向中间煤体打眼放炮崩酥 再通过k t y 支架顶梁上的天 窗放入工作面输送机 前南斯拉夫是1 9 6 2 年开始引进综放设备并逐渐实现放顶煤机械 化开采的 1 9 6 4 年以后 前苏联 匈牙利 保加利亚 捷克和斯洛伐克等国先后引进了 综采放顶煤采煤法 都取得了较好的技术经济效果 而且在不同的煤层赋存条件下各有 发展 7 0 年代初 放项煤支架基本是沿两条路线发展完善的 一条是前苏联 前南斯拉 夫 波兰 匈牙利等东欧国家在k t y 支架基础上逐渐进行改进 把放煤口位置由最初 在顶梁前部放煤 改为在顶梁后部放煤 并使用液压支柱控制开闭 另一条路是法国 原西德 英国等西欧国家 在法国香蕉型支架基础上不断发展 到目前为止 东西欧各 国相互吸收各自所研制的放顶煤液压支架长处 已制造出多种类型的放顶煤支架 放顶 煤开采是开采特厚煤层高效安全的方法之一 受到了许多国家普遍重视 并曾得到推广 使用 但是 进入2 0 世纪8 0 年代后期 由于开采条件的限制和相应政策的制定 国外 综放技术的应用逐渐开始萎缩 产量和工作面大幅度减少 到9 0 年代初只有法国和前 南斯拉夫等极少数矿井在应用1 5 我国厚煤层储量丰富 2 0 世纪8 0 年代以前 我国厚及特厚煤层采煤方法主要以分 层开采为主 分层开采不但使厚煤层的储量优势没有得到充分发挥 反而存在工序复杂 事故多 对地质条件的适应性差等缺点 致使实际煤炭回采率低 生产成本高 在借鉴 国外厚煤层开采技术的基础上 我国从1 9 8 2 年开始进行缓倾斜特厚煤层一次采全厚综 采放顶煤采煤工艺和设备的试验研究工作 1 9 8 4 年6 月 由北京开采研究所和沈阳煤研 所共同设计的第一个综放工作面在沈阳矿务局蒲河矿投入了试验 1 9 8 6 年3 月在窑街矿 务局二矿进行了急倾斜特厚煤层水平分段综采放顶煤法的工业性试验 试验取得了较好 效果 1 9 8 7 年 平顶山一矿引进匈牙利v h p 一7 3 2 型单输送机高位放顶煤支架开采 在 煤厚8 2 m 倾角9 煤层硬度卢1 o 1 8 的条件下 工作面长1 2 0 m 采高2 8 m 放 煤高度5 4 m 工作面最高月产6 5 k t 平均工效31 5 t 工 工作面回采率达到了7 9 6 1 9 8 8 年 阳泉一矿1 5 号煤层应用我国研制的长顶梁 单铰接 双输送机中位放煤的 z f s 4 4 0 0 型支架进行综采放顶煤开采试验 19 9 3 年潞安矿务局王庄矿使用综采放顶煤 3 西安科技大学硕士学位论文 开采 原煤年产量2 5 3 m t 工作面月产达到0 2 1 m t 回采工效高达1 1 0 8 t 工 1 9 9 5 年 兖州矿务局兴隆庄矿将综放单产水平提高到3 1 5 6 7 m t 1 9 9 7 年兖州矿务局东滩矿的综 放单产达到4 1 0 1 8 m t 工效2 0 3 9 t 工的世界水平 1 9 9 8 年该矿综放队再创年产5 0 1 6 k t 工效2 3 5 4 t 工的纪录 2 0 0 0 年东滩矿使用综放开采年产原煤5 2 0 m t 2 0 0 2 年11 月 兖 州矿业集团兴隆庄煤矿综放工作面创出了日产2 2 4 k t 的历史最好水平 山西潞安环能公 司王庄煤矿在2 0 0 5 年度综采放项煤产量取得了可喜的佳绩 该矿全年生产原煤7 1 0 2 m t 其中综放一队采用全套国产综采放顶煤设备 生产原煤6 0 8 m t 4 1 目前 综放开采 已经在全国各大矿务局的软 中 硬煤 缓倾斜 倾斜 急倾斜厚煤层开采中得到了全 面推广和广泛应用 1 2 2 提高综放工作面顶煤采出率技术的研究现状与发展 1 国外研究现状与发展 国外对于放顶煤开采的研究体系性较差 理论研究较少 集中在为数不多的现场项 煤运移实测方面 对采场矿压 顶煤冒放性 顶板控制 巷道支护 煤尘 瓦斯等方面 更深层次的研究较少 具体针对工作面采出率的研究就更少了 前苏联以马拉霍夫为代 表的学者 通过实验 研究了金属矿放矿过程的理论 借以寻求减少放矿损失和贫化 导致品味降低的途径 研究成果为放顶煤开采提高项煤采出率提供了重要参考 7 1 对放 顶煤开采技术理论与实践的研究 最具有代表性的是法国的j p 皮凯对布朗基煤田达尔 西矿放顶煤工作面矿压的研究 主要观测研究了顶底板移近量 顶煤移动规律 煤壁煤 体膨胀等 研究结果认为 工作面顶底板移近量很大 顶煤移动开始点距煤壁为6 m 在煤壁后方顶煤的水平位移是垂直位移的2 3 在采动影响下 顶煤水平移动实际上是 使整体煤层向采空区方向移动 整个煤体向采空区倾倒 在这种倾倒位移下 顶煤完全 松动并与顶板脱离 它的松动范围在煤壁前方几米远 在达尔西矿约为3 m 顶煤的移 动使工作面周围的煤体松动加剧 造成顶煤的不稳定 同时影响煤壁的稳定1 4 2 国内研究现状与发展 自8 0 年代后 世界特厚煤层放顶煤开采及其技术的研究 发展中心均集中在中国 目前我国综采放顶煤技术及相关理论研究均居于世界领先水平 综合机械化放顶煤开采 在我国经过2 0 多年的发展 在综放开采工艺 综放工作面顶煤运动规律及矿山压力观 测 放顶煤液压支架 综放开采的防火和防尘及防治瓦斯的安全技术等方面进行了大量 的试验研究和科技攻关工作 取得了一大批科研成果 就提高综放工作面顶煤采出率问 题科研工作者也进行了很多相关研究 特别是近些年对坚硬煤层放顶煤开采的顶煤破 碎 冒放问题以及开采工艺等的进行了深入研究 国内对于厚煤层条件下提高综放工作 面顶煤采出率的相关研究进展情况如下 樊可恭等用巴厘石作为破碎后的顶煤和矸石的松散后的相似材料 进行了1 2 5 的 4 1 绪论 相似模拟实验 对顶煤的冒放规律进行了分析研究 试验表明 如果破断角口 9 0 0 放 出体是较完整的椭球体 如果口 9 0 0 则受破断角 放出口位置和顶煤高度的影响 呈偏向采空区侧的不完整椭球体嗍 按照椭球体理论 与放煤漏斗高度对应的椭球体内的煤将由放煤口放出 而之上松 动椭球体的煤 岩将随煤的放出 向下移动 进入放煤漏斗 随着放煤量的增多 冒落 的顶板岩块将随煤的放出向下移动 进入放煤漏斗 随着放煤量的增多 冒落的顶板岩 块将会混入放煤漏斗 与煤一起放出 放顶煤开采 要求尽可能多的回收顶煤 同时减 少混矸率 研究表明 如果放煤步距过大 则临近支架上方的垮落岩石先于后部顶煤落 入输送机 如果放煤步距过小 则后部垮落岩石先于顶煤进入后部运输机 这两种情况 均会导致沿走向的三角煤损失 9 1 太原理工大学宋选民教授等通过实验研究了放顶煤开采顶煤破碎块度与支承压力 煤体强度和裂隙发育程度的相互关系 研究表明 放顶煤开采时应力状态 煤层强度和 裂隙发育程度 这三个因素对顶煤破碎程度有决定性影响 最后得出由支承压力 煤体 强度和裂隙发育程度三因素决定的煤体破碎加权平均块度预测公式 l o j 安徽理工大学的高明中教授用数值模拟的方法 研究了顶煤的变形特征 顶煤变形 与支承压力和支架工作阻力的关系 分析了采高和支架对顶煤应力和位移分布的影响 为顶煤破碎机理的分析和顶煤移动和运动规律的研究提供了依据 结果表明 支承压力 有一形成过程 它对顶煤及夹矸的移动 破碎有着十分重要的影响 1 1 1 西安科技大学的索永录教授根据综放工作面顶煤的宏观受力状况变化特点和连续 损伤破坏演化历程 按照系统分解原则 将原岩应力区之后项煤的受力状态划分四个阶 段的连续损伤破坏演化过程 弹性应力状态 塑性极限平衡应力状态 塑性极限平衡和 块体结构铰接平衡状态 顶煤呈散体堆积状态 l 通过分析放顶煤工作面顶煤运移实测结果 并结合顶煤破坏与非破坏的概念 认为 顶煤运移特点和过程符合损伤力学基础 顶煤的压裂破碎是损伤积累的过程 1 2 2 9 通 过顶煤损伤统计力学模型研究认为 煤体微元强度服从w e i b u l l 分布 顶煤以压剪形式 破坏 其随机分布变量满足库仑准则 在此基础上分析了支承压力 煤层倾角 煤体力 学性质对急倾斜放顶煤开采水平分段高度的影响 结论认为 顶煤变形破坏是一个复杂 的过程 与煤层的赋存条件 力学性质等因素有关 而且在更大程度上依赖于矿山压力 作用 支承压力作用下 顶煤原损伤场区域微裂隙发生发展 顶煤逐步损伤积累 最终 导致顶煤破坏1 1 3 对顶煤放出规律的研究 国内学者引用金属放矿椭球体理论 把顶煤抽象为理想松 散颗粒介质 提出了放煤椭球体的概念 1 4 1 对放煤步距 放煤高度 放煤顺序等进行了 系统的研究 有效地指导了对放煤规律的认识 特别是对松软厚煤层的高放顶煤理论与 实践有重大意义 5 西安科技大学硕士学位论文 1 9 9 1 年开始 大同煤峪口矿 永定庄矿进行了坚硬顶板坚硬特厚煤层预采顶分层的 网下综采放顶煤开采试验 采用了架间打小直径浅孔爆破的方法 平均月产2 9 k t 左右 顶煤采出率最高达到6 9 1 1 5 此后虽几经努力 使工作面产效水平有了一定提高 但仍 然较低 1 9 9 2 年8 月 大同矿务局在忻州窑矿8 9 2 0 工作面开始嚷硬顶板坚硬特厚煤层全厚 一次综采放项煤开采试验 但由于顶煤垮落滞后和破碎块度大 顶煤采出率仅4 2 平 均月产仅4 1 k t 在随后的8 9 1 8 工作面试验中 在顶煤中布置了两条专用爆破工艺巷 采用靠近工作面煤壁在工艺巷内进行大药量深孔爆破方法破碎顶煤 使顶煤采出率有了 提高 但也仅为4 5 5 1 9 9 4 年他们与西安矿业学院合作 在8 9 1 8 工作面后段研究试 验采用远离煤壁深孔爆破预先弱化项煤的方法 使项煤采出率达到了5 8 3 在此后的 8 9 1 6 工作面 进一步研究并采用远离煤壁预先深孔爆破方法 顶煤采出率达到6 5 8 工作面回采率达到了7 7 4 1 9 9 6 年他们和中国矿业大学 太原理工大学 煤炭科学研 究总院太原分院等合作继续对提高项煤采出率技术进行进一步研究试验 并配合顶煤顶 板活动规律及控制和关键设备的专项研究 到1 9 9 8 年使 两硬 条件下的特厚煤层综 放开采工作面采出率达到了8 0 3 1 6 1 为了搞清综放工作面顶煤丢失的分布规律 对顶煤在采空区各个部位的丢失量进行 分析 以便找出顶煤丢失的原因 1 9 9 5 1 9 9 6 年 潞安王庄矿与煤科总院开采所合作 采用对采空区进行探巷解剖的办法 对综放工作面回采损失作了量化分析 探测了采空区 中所丢煤炭的分布状况 探巷选择在4 3 1 8 工作面采空区 从下山皮带巷距4 3 1 8 风巷口 4 0 m 处向南平行4 3 1 8 工作面风巷掘2 5 0 m 煤巷 而后以9 0 0 转向西穿入采空区 从探巷 揭露的实际情况 得到了采空区的如下特征 1 在原风巷煤柱与采空区交界处 为冒 落顶煤所充填 该处并未发现空洞 说明采后工作面两巷已经冒实 2 在距风巷煤柱 边缘6 m 处开始见到冒落矸石 在此之前均为冒落顶煤 3 在探巷掘进过程中 时而 出现大块煤遗留在采空区的情况 往往在这种情况下丢煤较多 说明在放煤时大块堵住 放煤口是造成煤炭损失的原因之一 4 在大部分情况下 丢失在底板上的顶煤和冒落 矸石有明显的分界线 并没有出现煤矸混合带 5 直接顶呈大块层状垮落时 岩块倾 倒的方向不像想象中的向煤壁方向倾斜 而是向采空区方向倾斜 6 直接顶的垮落块 度很大 并不是想象中的碎块状 5 1 9 9 6 年靖远矿务局与西安科技大学的索永录教授等研究红会一矿平均厚度达到 1 6 m 的坚硬特厚煤层的综放开采问题 经过近5 年的研究试验 采用坚硬顶煤预先深孔 爆破和爆破裂隙区动压注水的综合弱化方法 并使用与煤炭科学总院太原分院合作研制 的专用成套液压支架 于1 9 9 9 年1 1 月开始在1 5 0 1 综放工作面进行现场工业性试验 到2 0 0 0 年6 月坚硬煤层大放高综采放顶煤开采试验取得良好的技术经济效果 使工作 面回采率达到了8 4 5 顶煤采出率达到了8 1 7 3 1 1 7 6 1 绪论 2 0 0 0 年 兖矿集团兴隆庄煤矿王永信结合兴隆庄煤矿在5 3 0 6 工作面 对影响综采 放顶煤回收率的主要因素进行了分析 总结出 提高回采率必须根据具体的煤层地质条 件 认真研究顶煤活动规律的基础上 确定合理的放煤步距 放煤方式 降低工作面初 末回采损失 降低工作面端头不放煤损失和护巷煤柱的相对损失率 尽量采用留窄煤柱 的沿空掘巷 减少煤柱损失的绝对量 对于生产中的采区 应强化职工的培训 严格采 场工艺管理 以提高采场各生产环节的工艺质量 1 8 2 0 0 1 年 晋城无烟煤矿业集团公司凤凰山矿的李书平等人 针对其公司凤凰山矿和 古书院矿几个综放工作面顶煤采出率较低的现状 从放煤间距 放煤顺序 采放关系 顶煤裂隙分布等方面探讨了提高顶煤采出率的有效途径 1 9 1 2 0 0 3 年 铜川矿务局玉华煤矿的樊志斌 针对综合机械化放顶煤采出率低的问题 结合煤矿生产实践 从煤层注水软化 松动爆破 强化管理等方面提出了解决问题的具 体措施 2 0 1 2 0 0 5 年 沈阳矿业集团公司蒲河煤矿的李峰云等 为了解决煤矿厚煤层实施放顶煤 开采时顶煤不易垮落 放煤难度大 煤炭回收率低等问题 采取了顶煤预裂措施技术研 究 获得了良好效果1 2 2 0 0 7 年 鹤岗矿业集团公司益新煤矿的王继仁研究了放顶煤开采块度对顶煤放出率 的影响 从上覆岩层运动的角度出发 阐述了顶煤的变形规律 进而运用散体相似模拟 试验研究了不同顶煤和直接顶块度对顶煤放出率的影响 经过分析得知 顶煤放出率的 高低和顶煤 直接项的块度密切相关 而它们的块度大小又受到上覆岩层运动的影响 根据实验结果 可以有针对性地提出许多提高顶煤放出率的技术措施 2 2 对一些有一定的层理裂隙的特厚煤层综放工作面 研究人员也做了很多注水软化的 研究试验 如兖州 铜川的一些矿井等 通过采用顶煤预先注水软化 预先水力扩裂弱 化 2 3 1 1 2 4 2 5 1 局部区段面内爆破和两道中深孔爆破等技术措旌 使工作面采出率有了一 定程度的提高 以上的研究对提高综放工作面顶煤采出率理论和工程实践具有很大的指导意义 但 采用数值模拟软件和实验室模拟研究提高综放工作面顶煤采出率的研究并不多 特别是 针对坚硬顶煤弱化 不同底煤开采高度 不同放煤工艺等影响综放开采顶煤采出率主要 因素的研究就更少 1 3 研究内容及技术路线 1 3 1 研究内容 提高综放工作面采出率是涉及采矿工程 2 6 1 爆破工程 岩石力学 弹性力学 岩体 损伤力学 计算机等多个学科的技术研究 目前还需进一步进行系统深入的理论和实践 7 西安科技大学硕士学位论文 研究 对综放采场顶煤的冒放性 科研人员已经进行了深入的研究 2 7 3 2 本文重点是 在前人研究的基础上 进一步研究如何利用爆破 开采工艺 矿山压力等手段控制改善 综放工作面顶煤冒落特征的问题 并且对提高综放工作面采出率的措施进行分析总结 1 影响综放工作面采出率的主要因素分析 根据前人对顶煤垮冒特性的研究基础上 总结利用矿山压力 开采工艺和弱化辅助 措施 控制顶煤垮落 移动和充分破碎是提高厚煤层综放工作面顶煤采出率的关键因素 2 应用f l a c 3 d 和u d e c 软件数值模拟计算分析 工程实践总结和实验室相似 材料模型模拟观测 分析影响综放工作面顶煤采出率的主要因素 采用计算机数值模拟方法分析坚硬顶煤预先爆破弱化前后 不同工艺方式和参数时 顶煤中应力变化及破坏区域分布特征 采用相似模拟实验观察爆破弱化前后顶煤垮落 破断形态和对顶煤破碎块度的影响 分析总结弱化技术 开采工艺等对控制顶煤垮落和 提高顶煤破碎程度的作用和效果 3 提高综放工作面采出率技术对策和措施研究 从预先弱化爆破 工作面布置参数 放煤工艺 设备选型配套 人为管理等方面提 出改善顶煤冒放性 控制顶煤充分放出 提高工作面顶煤采出率的对策和技术措施 4 现场工程实践 验证研究结论与实践的准确性和可用性 1 3 2 研究方案 1 查阅资料 现场调研 主要以矿山压力理论 爆破理论 损伤力学 矿山岩体力学 弹性力学 计算机 技术及相关理论等为课题研究的理论基础 并查阅大量影响综放工作面采出率的相关资 料 进行分析和总结 调查典型煤矿的地质条件 并对综放工作面顶煤的采出情况进行现场观测 获取 对放顶煤开采技术的感性认识 并注意总结工程实践中项煤的丢失现状 并记录煤矿的 地质资料 2 采用多角度研究方法 对影响综放工作面顶煤采出率的因素进行理论分析 并总结出主要的影响因素 根据具体的地质资料进行计算机数值模似 相似材料模拟实验观测 分析爆破前 后 不同底煤开采高度 不同的放煤步距等条件下 综放工作面顶煤的垮落形态 破碎 程度 应力变化等特征 3 结合顶煤爆破弱化理论 相应力学理论等分析顶煤的垮落 破碎控制 针对 具体工程地质条件选择采放比 放煤步距 设备选型及合理配套 施工管理等方面提出 提高综放工作面顶煤采出率的具体措施 4 针对典型的综放开采工程实践 将总结的理论和措施应用到施工现场 剖析 8 i 绪论 和总结经验教训 对今后综放煤矿提高综放工作面采出率起到建设性的指导意见 1 3 3 技术路线 研究的技术路线如图1 3 所示 图1 3 研究的技术路线 9 西安科技大学硕士学位论文 2 顶煤采出率影响因素分析 综合机械化放顶煤开采作为一种新的采煤方法 影响其工作面顶煤采出率的因素主 要有 对顶煤冒放 破碎特性的认识及掌握水平 开采设计 工作面初术采及上下端头 顶煤的回收程度 设备选型及配套 生产管理 本章就影响综放工作面顶煤采出率的各 个因素进行分析 总结出目前制约顶煤采出率的关键影响因素 2 1 顶煤冒放特性分析 不同的综放工作面 项煤损失占工作面损失的大小各不相同 但是总体分布趋势是 相同的 根据开滦范各庄 兖州兴隆庄矿统计分析 工作面初采损失一般占0 2 0 9 7 末采损失占0 3 1 0 4 上下端头损失占1 6 4 4 3 顶煤放煤损失占8 8 4 1 2 9 通过统计可以看出初末采及上下端头的顶煤损失并不是主要的 顶煤放煤损失是顶煤损 失的主要部分p 引 顶煤放煤损失主要是由于对顶煤的冒放特性掌握的不够 不能合理控制顶煤的放 出 造成大量顶煤遗留在采空区 这是影响项煤采出率的关键因素 降低这部分顶煤损 失率的潜力巨大 当顶煤的冒放性好的时候 采出率就会提高 顶煤的冒放特性和冒落 特征与煤体硬度 采放比 放煤步距 煤层埋深等有密切关系 2 1 1 顶煤冒落放出规律与破坏特征 放顶煤开采对于顶煤冒放规律的研究主要是参照了金属矿放矿过程的理论 金属放 矿理论是前苏联以马拉霍夫为代表的学者 通过实验 研究了金属矿放矿的过程 借以 寻求减少放矿损失和贫化 导致品味降低的途径 国内吴健教授等研究放煤的顶煤活动 时 提出了类似金属放矿理论的椭球体放煤理论 研究成果为提高顶煤采出率提供了重 要理论依据 1 椭球体放矿理论与项煤放出规律 3 4 1 椭球体放矿理论认为 矿石在采场破碎后 是按近似椭球体形状向下自然流动下来 的 即原来所占的空间形状为一个旋转椭球体 放煤椭球体表面上的颗粒将大体同时到 达放煤口 椭球体与放煤漏斗形式如图2 1 所示 提高综放工作面顶煤的采出率一方面取决于顶煤冒落是否充分 另一方面则取决于 是否能将冒落下来的顶煤尽可能全部放出 因此 我们必须掌握放煤的规律 支架后方 冒落的顶煤 尽管块度在大小不等 散煤之间还有一定的粘力 但仍可将其看成非标准 散体 其运动规律大体可以按散体运动规律考虑 顶煤放出运动规律符合 椭球体 理 论 1 0 2 顶煤采出率影响因素分析 工 z 4 3 2 l y a 椭球体形式 b 放煤漏斗形式 l 一放出椭球体2 放出漏斗3 松动椭球体4 一移动漏斗 日r 松动椭球体高度i i i 放顶煤高度 图2 1 椭球体与放煤漏斗形式 椭球体内的煤将由放煤口放出 松动椭球体范围内的煤 岩 随放煤的进行将发生 移动并逐渐形成有效煤漏斗 初期放出的为纯煤 随放煤量的增多 破碎的顶板岩层将 逐渐混入并一同放出 因而 放顶煤采煤法的采出率有别于分层开层 它要尽可能多地 放出纯煤 而不能过多地混入矸石 破坏煤质 松散煤体下部放煤口放煤时 如果放煤高度为h 则椭球体长轴为2 口 近似于h 短轴为2 6 高度为h 的水平煤岩分界面将下降为一漏斗面 由于下降时煤岩的滚动 漏 斗面实际上是由一定厚度的混矸层组成 漏斗高度为日 最大直径近似为4 6 放出椭球 体长轴和短轴的关系可用下式表达 z 一 b 兰 l s 2 2 1 2 式中g 放煤椭球体的偏心率 我国放顶煤工作面的生产经验证明 瓜 0 2 5 o 3 2 2 从理论上讲 放煤椭球体表面上的颗粒将大体同时到达放煤口 放煤的同时 放煤 椭球体周围的煤岩也将向放煤口移动 充填放煤留下的空间 且与放煤椭球体形状相似 松动体一长轴为2 口 短轴为2 6 和旋转椭球体 松动高度日多数情况下可写作胙 2 2 2 6 h 西安科技大学硕士学位论文 以上所述是顶煤在无限边界条件下自由放出的规律 松软顶煤垮落角大于9 0 或顶 煤移动破坏后 在工作空间上方已十分破碎 松散煤体放出的过程可以是自由的 但在 放顶煤工作面 顶煤经常有 d 于9 0 的垮落角 形成未冒落的 固定帮 实验表明 放煤过程中 放煤椭球体受固定帮的影响 中轴会偏转 发育不完全 放出体为一偏转 椭球体 椭球面上的散粒仍然将同时到达放煤口 2 顶煤冒放性分类 深入研究顶煤垮落冒放的具体状态 才能有根据地提出提高顶煤采出率的具体措 施 现在我国研究学者已提出和采用了多种项煤冒放性分类方法 曲民强等根据顶煤垮 落角和第一断裂线位置的分类法 模糊综合评判法 模糊聚类分析法等把顶煤按冒放特 性分为五类 3 5 i 类一冒放性很好 冒落形态为柱状 i i 类一冒放性好 冒落形态为半 拱式 i i i 类一冒放性中等 冒落形态为半拱式或桥拱式 i v 类一冒放性较差 冒落形态 为桥拱式 v 类一冒放性很差 冒落形态为桥拱式 如图2 2 a 柱状冒落 b 半拱式冒落 c 桥拱式冒落 图2 2 顶煤垮冒示意图 索永录教授在顶煤垮冒难度指数模糊评价的基础上 按照顶煤垮冒难度指数f 值的 大小对顶煤垮冒难度特性进行分类 1 1 根据有关经验初步给出的分类标准如下 i 类顶煤 f 0 2 0 o o o 垮冒难度很小 垮落角9 0 左右 顶煤不出现悬顶现 象 冒落形态为柱状式 i i 类顶煤 f e o 4 0 o 2 0 垮冒难度较小 垮落角7 5 8 5 左右 顶煤不出现悬 顶现象 冒落形态为半拱式或柱状式 i i i 类顶煤 f e o 5 5 0 4 0 垮冒难度中等 现悬顶现象 冒落形态为半拱式或桥拱式 类项煤 f e o 7 5 o 5 5 垮冒难度较大 顶现象 冒落形态为桥拱式 垮落角6 5 7 5 左右 顶煤一般不出 垮落角5 5 7 0 左右 顶煤常出现悬 v 类顶煤 f 1 0 0 0 7 5 1 垮冒难度很大 垮落角小于6 0 顶煤经常出现较大 的悬顶现象 冒落形态为桥拱式 在软煤条件下 顶煤呈柱状冒落结构 放出体形状为椭球体 顶煤放出率最高 此 时符合椭球体放煤理论 中硬顶煤条件 顶煤呈半拱式冒落结构 放出体为椭柱体 放 煤率较高 此时为拱式冒落结构 硬煤条件 顶煤呈拱桥式冒落结构 放出体形状为抛 1 2 2 顶煤采出率影响因素分析 物拱体 放煤效果最差 要想提高工作面顶煤的采出率就要改善顶煤的冒放性 特别对 于坚硬顶煤 在综放开采中必须采取必要的顶煤预先弱化处理措施 才可能保证顶煤顺 利采出 提高顶煤的采出率 3 顶煤破坏特征 综放开采工作面回采过程中 随着工作面推进 顶煤要从最初的整体状态逐渐破坏 发展成为最终的散体状态 文献 l 根据综放工作面顶煤的宏观受力状况变化特点和连续 损伤破坏演化历程 按照系统分解原则 将原岩应力区之后顶煤的受力状态划分成如下 四个区域 对应四个阶段的连续损伤破坏演化过程 如图2 3 所示 图2 3 综放面顶煤自然破坏过程分区示意图 i 阶段 区 从原岩应力状态到支承压力峰值点之前的应力上升阶段 这时顶煤 处于弹性应力状态 在该阶段 随着支承压力的逐渐升高 顶煤所处应力状态的三向不 等压性逐渐加大 顶煤体中发生一定程度的细微观损伤破坏而使部分已经存在的缺陷逐 渐发展成新的微细裂纹 但各种宏观裂隙均处于闭合状态 宏观上项煤主要表现为弹性 变形特征 i i 阶段 区 从支承压力峰值点到工作面煤壁支承压力下降阶段 这时顶煤处于 塑性极限平衡应力状态 顶煤到达支承压力峰值点时宏观上发生屈服破坏 过了支承压 力峰值点之后 顶煤处于塑性极限平衡状态 由于采空区侧的约束逐渐减小 顶煤的位 移速度加快 并发生较大的塑性变形 顶煤中的各种裂纹裂隙迅速扩展 贯通 开裂 顶煤开始发生宏观损伤破坏 i i i 阶段 区 从工作面煤壁到垮落面的松裂破碎阶段 这时顶煤处于塑性极限平 衡和块体结构铰接平衡状态 或称假塑性状态 顶煤进入工作面控顶区后 由于失去 了原来底煤的支撑并靠近采空区 加之受支架反复支撑力的影响 使其应力状态发生很 大变化 其垂直位移速度和水平位移迅速增大 顶煤中的裂隙 层理迅速扩展 连通 由于支架的反复支撑作用 顶煤沿已开裂的裂缝开始松动破裂 下位顶煤的垂直位移速 度大于上位顶煤而使顶煤内发生离层 支架顶梁上的部分下位顶煤松动破碎程度大于上 位顶煤 但在工作面端面空顶区的项煤一般仍然处于挤压铰接状态 这使工作面端面顶 1 3 西安科技大学硕士学位论文 板保持稳定而不发生冒顶现象 在该阶段支架对顶煤的破碎效果受支架支撑力及反复支 撑次数的影响 阶段 区 顶煤垮落冒放阶段 这时顶煤呈散体堆积状 随着支架前移 在自 重力及断裂顶板岩层回转变形压力作用下 失去支架支撑的顶煤垮落并进一步碎裂 由 于上位顶煤松动程度较下位项煤差 块度大 因此在顶煤放落过程中易于形成挤压平衡 拱而阻碍顶煤的进一步放出 放煤过程中形成挤压平衡拱的难易程度主要与顶煤的破碎 程度有关 顶煤越破碎 一般来说就越不易形成挤压平衡拱 在顶煤的破坏过程中 第1 第1 i 阶段采场支承压力的作用是关键 支承压力分布 和大小对顶煤的最终破坏程度和垮冒形态特征起主导作用 因此一般情况下 采场支承 压力是放项煤工作面顶煤破坏的主要动力源 第1 第1 i 阶段产生的各种细 宏观裂隙 与煤体中原有节理裂隙 层理一起在很大程度上决定着顶煤最终的垮冒形态和破碎程 度 第1 i i 阶段支架的反复支撑作用加剧了顶煤的破坏程度 特别是下位顶煤的破坏程度 一般情况下 顶煤经过上述四个阶段的变形破坏过程之后 就可以及时垮落和充分 破碎 这时顶煤的垮落角大于6 0 0 不出现顶煤悬顶现象 不合格的特大块 特征尺寸 大于放煤口的大块煤 没有或很少 这为顶煤的充分放出提供了必要的基本条件 有关研究和现场生产实践表明 对于难垮落的坚硬顶煤 矿山压力的作用只能使顶 煤呈大块状 甚至是周期性破断垮落 在支架反复支撑的作用下也只能使下位1 2 m 厚 的顶煤得到较充分的破碎 而中上位顶煤则呈大块状断裂垮落 达不到放煤要求的块度 而且顶煤的垮落角小 流动性差 往往滞后垮落 使顶煤放出困难 采出率难以提高 因此对于靠矿山压力难垮落和破碎的坚硬顶煤 必须采取行之有效的技术措施来辅助破 碎顶煤 以促使顶煤最终能得到充分破坏而及时垮落和破碎到放煤所需块度 为提高顶 煤采出率创造必要条件 2 1 2 采放比对顶煤冒放的影响 从图2 1 可以看出 在一定的地质条件下顶煤中松动椭球体高度h 是一定的 因此 适当加大底煤的开采高度 可以提升冒落椭球体在煤层中的高度 避免椭球体顶部没有 达到顶煤顶部 造成部分顶煤遗留在采空区 从另一个角度考虑 为了充分发挥矿山压力的破煤作用 也必须根据具体的地质条 件采取合理的采放比 适当增大采放比 减小放煤高度 让更大范围的项煤破碎到合理 的块度 综合机械化放顶煤开采中 上下顶煤压裂效果存在差异 下部靠近采场空间 即有 自由面 又有支架反复支撑挤压 松动效果好 冒落块度小 上部则因三向受挤 破碎 和松动效果差 故冒落块度大 容易形成铰接滞后冒落 因此 随着顶煤的不断增厚 其冒放性越差 煤层厚度一定的条件下 加大