（采矿工程专业论文）极松软煤层综放工作面提高回收率技术研究.pdf

摘要 摘要 本文针对极松软厚煤层综放开采中存在的问题，围绕朱仙庄煤矿8 7 6 工作面 的地质条件和生产技术条件，在总结分析前人研究成果的基础上，运用理论分析 和数值模拟等方法，对极松软厚煤层放顶煤开采关键技术进行以下相关研究。 首先，根据现场实际分析极松软煤层综放工作面直接顶和顶煤的运动形式； 然后，利用u d e c 3 1 数值分析软件进一步分析了极松软煤层综放工作面直接顶 和顶煤的结构形式、支承压力分布规律。通过分析总结出对于朱仙庄煤矿8 7 6 工 作面端面漏冒和煤壁片帮是采出率低的主要原因。最后分析了综采放顶煤顶煤损 失的构成，并结合实际提出了提高回收率和控制端面漏冒的方法。并对于煤层注 水技术进行了深入的阐述，总结出注水对于防止端面漏冒和煤壁片帮有很大的实 际效果。 研究结论对寻求具体地质条件下的合理开采方法，进行安全经济开采，对于 提高资源回收率，大幅度提高煤矿技术经济效益，具有重要现实意义和推广价值。 图 【2 6 】表【1 4 】参【4 8 】 关键词：综放丌采；放顶煤；回收率；软煤； 分类号：t d 3 5 3 安徽理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sa r t i c l ef o rv e r ys o f ta n dt h i c kc o a ls e a mf u l l ym e c h a n i z e dc a v i n gp r o b l e m s i na r o u n d8 7 6c o a l f a c ez h u x i a n z h u a n gg e o l o g i c a lc o n d i t i o n sa n dt e c h n i c a l c o n d i t i o n so fp r o d u c t i o n b a s e do nt h es u m m a r i z i n ga n da n a l y s i s i n gt h er e s e a r c h r e s u l t so fp r e v i o u ss t u d i e s ，u s i n gt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n m e t h o d st os t u d yv e r ys o f ta n dt h i c kc o a ls e a mo ft h et o pc o a lc a v i n gk e y t e c h n o l o g yc a r r y i n go ni nt h ef o l l o w i n gr e l a t e dr e s e a r c h f i r s to fa l l ，b a s e do nt h ef i e l da n a l y s i so fv e r ys o f tc o a lf u l l ym e c h a n i z e df a c e i m m e d i a t er o o fa n dt h em o v e m e n to ft o pc o a l s e c o n d l y , u s i n gn u m e r i c a la n a l y s i s s o f t w a r eu d e c 3 1t of u r t h e ra n a l y s i so fv e r ys o f tc o a lf u l l ym e c h a n i z e df a c e i m m e d i a t er o o fa n dt h es t r u c t u r eo ft o pc o a l ，t h eb e a r i n gp r e s s u r ed i s t r i b u t i o n b y s u m m e du pa n da n a l y z i n gf o rt h ef a c eo f8 7 6t h ez h u x i a n z h u a n gc o a lm i n ee n d - l e a k a g ea n dr i bf a l lo fc o a lw a l la r em a i nr e a s o n sf o rt h el o wr a t e f i n a l l y , a n a n a l y s i so ff u l l y m e c h a n i z e dt o pc o a lc a v i n gc o n s t i t u t el o s s e s ，c o m b i n e dw i t ht h e a c t u a lp r o p o s e di n c r e a s ei nt h er e c o v e r yr a t ea n dc o n t r o le n d l e a k a g em e t h o d s f o r c o a li n j e c t i o nt e c h n o l o g yi n d e p t he x p l a n a t i o n ，s u m m e du pc o a li n j e c t i o nh a st h e a c t u a lr e s u l t so fp r e v e n te n d l e a k a g ea n dr i bf a l lo fc o a lw a l l c o n c l u s i o no ft h es t u d yt of i n dt h es p e c i f i cg e o l o g i c a lc o n d i t i o n so nt h e r a t i o n a le x p l o i t a t i o no fm e t h o d st oc a r r yo u ts a f ea n de c o n o m i ce x p l o i t a t i o no f r e s o u r c e sf o ri m p r o v i n gt h er e c o v e r yr a t e ，s u b s t a n t i a li n c r e a s ei nt e c h n o l o g y c o s t e f f e c t i v eo fc o a lm i n eh a si m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ea n dp r o m o t ev a l u e f i g u r e 【2 6 】t a b l e 【1 4 】r e f e r e n c e 【4 8 】 k e y w o r d s ：s u b - l e v e lc a v i n gm i n i n g ；c a v i n gc o a l ；r e c l a i m i n g ；s o f tc o a l c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：t d 3 5 3 i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 塞邀堡王态堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。- i 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。 学位论文储张鳓魄乒年月乒日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞邀垄王太堂有保留、使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于 塞擞堡王太堂。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权安徽理工大学 可以将学位论文的金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、汇编学位论文。( 保密的学位 论文在解密后适用本授权书) 学位黻储鲐物强签字魄岁年历夕日 导师签名 签字吼叼年钞日 1 绪论 1绪论 1 1 课题研究的意义 我国是一个厚煤层开采大国，厚煤层开采量占总产量的4 0 - 5 0 ，厚煤层的 开采技术经济情况对我国煤炭行业的生产和经济状况有举足轻重的影响。目前厚 煤层开采方法主要有三种，即：分层开采、大采高综采和放顶煤开采n 1 ，而放顶 煤开采具有效率高、安全、低成本、能适应层厚度变化、社会经济效益好等一系 列优点，因此应用综采放顶煤采煤法是实现安全、高产、高效即经济又实用的有 效途径堙3 。 放项煤开采技术被煤炭部列为“九五期间科技攻关的重要课题。自从进入 9 0 年代，我国放顶煤技术有了很大的发展，高产综放工作面技术经济指标已处于 世界先进水平，放顶煤工作面的高产高效特征也逐渐得到了普遍认同口1 。 综采放顶煤技术是在中厚煤层一次采全高综合机械化开采的基础上发展起 来的一项新技术，它是在传统的采矿理论的基础上，凭着丰富的生产经验，经过 多次试验而取得成功的。由于综放工作面一次采出厚度增加了一倍甚至数倍，造 成综放工作面围岩压力分布规律及显现、采场及采准巷道围岩运动、围岩运移规 律都有很大变化h 吲。经过十几年的发展，放顶煤综采技术取得了长足发展，并主 要表现为以下两个方面： ( 1 ) 在一些地质、生产条件好的矿井和煤层，充分发挥放顶煤的技术优势， 不断改善设计参数，改进和提高设备性能，提高工作面整体生产能力，解决实现 高产高效的各个技术关键问题，取得了比分层开采高得多的生产、经济效益，中 国在综采放顶煤技术方面已处于国际领先地位。 ( 2 ) 在难采厚煤层不断攻克生产系统、工艺、装备、岩层( 含项煤) 控制、 高瓦斯、易自然、粉尘等各种技术难题，不断扩大综放开采的适用条件，放顶煤 开采方法已成为我国厚煤层开采的主要采煤法。 淮北矿业集团公司朱仙庄矿主采煤层为8 煤，平均厚度为8 5 米，为特厚煤 层，其储量占矿井的可采储量7 5 以上。该煤层极软，普氏硬度系数f = o 3 - 0 5 7 ， 煤壁易片帮，端面极易冒漏。煤层自燃发火期短，为2 5 个月左右，极易自燃。 煤尘具有爆炸危险性，爆炸指数为3 8 6 。地压大，巷道变形量大，维护困难。 回采更加困难，经过多年的摸索试验，逐渐摸索出一套合适的采煤方法，即综合 机械化放顶煤开采技术。但是工作面回收率低约为3 0 - - 4 0 ，远远低于全国 安徽理工大学硕士学位论文 8 4 1 4 的平均水平。这些地质条件势必造成在开采中会遇到煤壁片帮、端面漏冒、 放煤困难，以及对岩层如何控制、支架与围岩关系等很多问题。 因此，通过该课题的研究，寻求具体地质条件下的合理开采方法，进行安全 经济开采，对于提高资源回收率，大幅度提高煤矿技术经济效益，具有重要现实 意义。 1 国外综放开采技术的发展与现状 综合机械化放顶煤开采技术最早出现在国外，并得到了采矿界广泛的重视。 1 9 5 7 年，前苏联研制了k t y 型掩护式放顶煤液压支架，并在库兹巴斯煤田的 托姆乌辛斯克使用。虽然前苏联是最早进行综放开采试验的国家，但开始由于液 压支架技术不过关以及不能控制软煤层顶煤严重局部冒落的问题而未取得成功， 而后又因未能解决回采率低的问题而受指责，因而在2 0 世纪8 0 年代以后，综放 开采便逐步消失。 1 9 6 2 年前南斯拉夫开始引进综放设备，并逐渐实现放顶煤机械化开采，先后 在施塔拉矿、维雷耶矿等运用。 1 9 6 3 年法国研制成功了“香蕉”型支撑掩护式放顶煤液压支架，并于1 9 6 4 年在布朗齐矿区使用获得成功，之后又研制出四柱支撑掩护式支架。在2 0 世纪 7 0 年代末，又研制出f b 2 1 - 3 0 s 型掩护式放顶煤支架，取得了较好的经济效益， 工作面采出率达到了9 0 以上。2 0 世纪8 0 年代初，匈牙利研制成功单输送机前 开天窗式放顶煤液压支架。 此后，波兰、印度等国都使用过综放技术，但效果不够理想。2 0 世纪8 0 年 代后，国外综放技术开始萎缩，综放技术在国外也没得到进一步的利用和发展， 单产水平和效率等主要技术经济指标都没有明显提高，这便是人们所说的欧洲综 放技术“由热到冷”的现象h 1 。到9 0 年代初，国外只有法国和前南斯拉夫等极少 数矿井使用啼1 ，而且从此以后很难见到国外有关放顶煤开采方面的文献报道。 2 国内综采放顶煤技术的发展与现状 我国放项煤开采主要是指长壁综合机械化放项煤开采，其实质是用常规方法 开采煤层底部厚度2 3 m 的一个分层，利用矿山压力的作用，使支架上方的顶煤 破碎成散体后依靠重力回收顶煤。依据煤层赋存条件的不同，长壁综采放项煤可 分为三种主要类型，即：一次采全厚放项煤开采：预采顶分层网下放顶煤开 采；倾斜分段放顶煤开采，其中，一次采全厚放顶煤开采在我国应用较广n 3 。 我国综放丌采技术的发展，总体上可以分三个时期口1 。 ( 1 ) 探索阶段( 1 9 8 2 - - - 1 9 9 0 年) 一2 1 绪论 我国从1 9 8 2 年开始引进、研究综放开采，1 9 8 4 年沈阳矿务局蒲河矿首先进 行了全部国产设备缓倾斜长壁综放工作面的试验，由于支架设计有缺陷，配套设 备及生产系统不匹配，生产管理也没有经验，试验基本上不成功。但随后在窑街 矿务局急倾斜特厚煤层试验分段放顶煤方法获得成功，随之在辽源矿务局急倾斜 特厚煤层综放又获得成功。1 9 8 7 年，在乌鲁木齐矿务局由原中煤公司生产局机械 化处召开了一次放顶煤开采技术交流会，对综放开采的发展起了推动作用，会后 发表的会议纪要，提出综放开采必须实现高产以表明其优势，提出应在正规 长壁工作面开展综放开采试验等观点，对综放开采技术的发展起了推动作用。第 一阶段结束的标志是阳泉一矿8 6 0 3 长壁综放工作面月产突破1 4 万t ，它证明了 综放开采确实能实现高产高效。 ( 2 ) 逐渐成熟阶段( 1 9 9 0 - - - 1 9 9 5 年) 综放开采步入逐渐成熟阶段的标志是： 兖州矿务局兴隆庄矿工作面单产突破了3 0 0 万t a ，初步显示了综放开采工 作面高产高效的巨大潜力； 难采煤层综放开采技术有了重大突破。1 9 9 0 年阳泉一矿9 6 0 3 工作面达到 了月产1 4 万t ，在经济上、技术上开始反映出综放开采的巨大优势以后，在煤炭 行业引起了巨大反响。1 9 9 3 年，潞安矿务局王庄矿又将高产高效纪录提高到月产 3 l 万t ，年产2 5 0 万t ，工效l o o t 工的新水平，很多矿务局认识到并开始将发 展放顶煤技术提到技术进步的主要议程，加快了实现综放开采的步伐。 ( 3 ) 技术成熟和推广阶段( 1 9 9 6 年今) 从1 9 9 6 年到现在，国家加大了对综放开采技术研究的投入；由于综放开采 巨大的技术、经济和社会效益激发了煤矿生产企业的积极性；由于对综放开采的 几个重大技术难点的认识有了深化，并初步有了治理方法，综放开采的安全优势 也被公认。1 9 9 5 年煤炭工业科教兴煤大会上确定了把综放开采技术定为“九五 期间煤炭行业重点攻关和推广的五项技术之首。煤炭部还将综放开采技术的几个 问题定为“九五”期间煤炭工业重点科研攻关项目，使综放开采技术的发展有了 一个很好的外部环境，在很短的时间内得到了快速发展。 1 2 放顶煤开采顶煤的变形与运移的研究现状 国外，对放顶煤开采中项煤的变形与运移规律等相关方面有一定的研究，其 中具有代表性的是法国的j p 凯对布朗基煤田达尔西矿d 放煤工作面的矿压研 究埔1 ，主要观测顶底板移近量、支架工作阻力、顶煤移动。研究结果认为，煤层 3 安徽理工大学硕士学位论文 厚度是控制放顶煤机理的重要参数，并建立了与煤层厚度相关的顶底板移近量表 达式。 国内，通过对实际放顶煤工作面的观测及相似材料模拟试验和数值计算，对 顶煤的活动规律和工作面内矿山压力显现有了较深刻的认识，特别是对顶煤运移 和破坏的分区研究，众多学者对此提出了各不相同的观点。 吴健教和于海勇通过实际观测认为呻1 ，顶煤移动全过程可分为两个阶段，即 冒落前移动阶段和冒落后移动阶段，对于冒落后移动阶段又可以分为冒落过程， 再压实过程和放煤过程。 靳钟铭教授研究认为n 们，顶煤采动后在煤壁前方支承压力作用下，顶煤变形 可分为四个区，即显著变形区，顶煤压裂区，顶煤松动区和放落区。 史元伟研究认为n 卜捌，顶煤的性态对工作面支架一围岩力学相互作用特征有 重大影响。顶煤沿控顶区方向可分为两个区，即剪切裂隙区( 前区) 、压拉破坏 区( 后区) 。前区是指近煤壁和支架前半部，主要是超前支承压力作用的结果， 后区是指支架后半部，可据极限平衡理论计算。 于政喜、张清和通过二维塑性有限元分析研究了顶煤破碎现机理n 引。研究结 果认为顶煤的破碎分为三个阶段，即开裂和强度破坏阶段、裂隙分叉和汇合阶段， 断裂阶段。影响顶煤破碎的因素主要有三个，即煤层特征、采动应力、支架的顶 梁长度。 王庆康和张顶立采用有限元模拟计算方法对放顶煤工作面中部顶煤的变形 和破坏规律进行研究，认为顶煤破碎是支承压力和支架共同作用的结果，顶煤的 变形可分为四个区，即完整区、破坏发展区、裂隙发育区和破碎区。 张海戈通过观测分析认为n 引，按测点裂隙和发育的近似等位移累计量，可将 软弱顶煤位移分为三条发育线，即微动线、显动线和滑动线。 高明中教授结合现场实际采用f l a c 数值模的方法，研究放顶开采的支承压 力形成规律，分析了采高和支架阻力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、运动规律的研究提供了依据n 5 删。 国内还有不少学者对顶煤活动规律作了研究，大大丰富了放项煤理论，推动 了放顶煤技术的发展。 1 3 综放采场围岩控制理论的研究现状 随着矿山开采实践的不断发展，矿山压力及其控制的理论也在循序渐进地往 前发展，其中代表矿压理论阶段性发展的理论有：压力拱假说、悬臂梁假说、预 4 1 绪论 成裂隙假说和铰接岩块假说；国内发展成熟的有中国矿业大学钱鸣高院士相继提 出的关于上覆岩层运动的砌体梁理论和关键层理论n 蚴1 以及山东科技大学宋振骐 院士提出的“内外应力场 理论陋1 。 关于综放采场围岩控制理论及支架一围岩相互作用关系，目前各种理论百花 齐放，下面是几种主要理论。 1 钱鸣高院士等提出的“关键层理论”渺2 嵋 在采场顶板岩层的破断规律研究过程中，近年来对采场围岩层状特性的认识 研究的不断引向深入，钱鸣高院士及其课题组成员提出了层状岩体控制的关键层 理论。该理论认为，在采场上覆岩层中，一些较为坚硬的厚岩层在整个岩体的变 形和破坏过程中起着主要控制作用，将它们称之为关键层。采场上覆岩层的变形、 破断、离层和地表沉陷等一系列矿压显现规律主要受关键层控制。 2 吴键教授等的观点 关于综放上覆岩层的结构分析，吴键教授及其博士研究生认为嗡1 ：综放工 作面上覆岩层存在着比分层开采层位更高的平衡结构，以大变形梁的形式存在， 结构的活动是一逐渐变化的过程，在这一过程中，平衡结构与其下的顶板及顶煤 相互作用，这种作用方式与顶煤的多次损伤有关。根据顶煤的损伤因子d 、顶煤 应变可以确定出合理的支护阻力，而可由大变形梁的位移及顶板的变形推 出。 3 张顶立教授的观点陋捌 张顶立教授在提出综放开采覆岩结构的基本形式( “砌体梁”式老顶结构与其 下的“半拱 式结构相结合) 的基础上，又提出的综放面采场围岩力学模型。 此力学模型的特点是：采场主结构仍然保留老顶断裂块间的砌体梁力学模型； 考虑了煤壁对砌体梁支撑的影响角a ；考虑了直接项及顶煤的软化特性及半 拱式次结构的影响；考虑到支架工作的全过程，包括安全阀开启后的力学特性； 将采场围岩支撑系统视为由不同刚度和软化特性的弹塑性体所组成。 由此模型可分析出，围岩支撑系统刚度对采场矿压显现具有明显的影响，当系统 刚度较大时，表现出明显的矿压显现；而当系统刚度较小或项煤破碎严重时，则 矿压显现很不明显。由此可以解释综放开采一次采出煤层厚度增大后，矿压显现 并未明显增大的原因。 1 4 国内外综采放顶煤回采率的发展与现状 随着综合机械化的发展，采矿工作者就想在保证安全的前途下发展自然落煤 5 安徽理工人学硕士学位论文 的采煤方法，于是从2 0 世纪6 0 年代开始西欧国家在褐煤或劣质煤的厚煤层中研 究放顶煤采煤方法，因为有液压支架控项保护，因此采场的安全得以保证，由于 顶煤在支架后方自然冒落发出，即工作面前后两个场所出煤，因此高产高效也有 保证，于是放顶煤法在西欧和东欧国家蓬勃发展，到8 0 年代初国外综采放顶煤己 初具规模，放顶煤支架已有l o 多种，平均月产2 4 万t ，工效达1 5 3 0 t 工，但 是由于工作面回采率仅7 0 8 0 ，因此主要用于褐煤和劣质煤层中，加之世界煤 炭市场的萎缩，这种采煤法在国外未能继续发展下去。 但是以开采厚煤层为主的我国，8 0 年代纷纷从国外引进和自行研制放顶煤支 架，充分利用放顶煤的高产高效、低成本的优势，大力开展试验研究。由于回采 率低的缘故，1 9 8 8 年以前主要在褐煤和软煤中试验。9 0 年代初，阳泉、潞安等矿 区开始在中硬煤中试采获得成功，但回采率低的问题始终困扰着放顶煤技术的发 展；9 0 年代中期，晋城，大同等矿区在硬煤层中试验放顶煤，在采取各种专门措 施的引导下，通过“九五 攻关，在硬煤层中也获得成功，且产量和效率均赶超 世界水平；1 9 9 2 年潞安湾村煤矿综放工作面年产突破2 0 0 万吨；1 9 9 3 年潞安王庄 煤矿年产突破2 5 0 万吨；1 9 9 4 年，我国已有2 8 个局6 2 个综放工作面，年产4 0 0 0 万吨左右；1 9 9 5 年，兖州兴隆庄煤矿又将单产提高到3 1 5 万吨；1 9 9 7 年，兖州东 滩煤矿单产水平突破4 1 0 万吨，1 9 9 8 年该矿又创世界记录，将单产水平提高到5 0 1 万吨，1 9 9 9 年兖州又创单产6 0 0 多万吨的世界新记录。2 0 0 6 年，中国中煤能源集 团平朔公司安家岭二号井综放队生产原煤9 4 2 8 3 万吨、一号井综放队8 5 9 9 万吨、 山西潞安环能股份公司王庄煤矿综放队6 3 0 0 9 万吨、山东兖州矿业集团公司东滩 矿综放队6 2 3 5 万吨、兴隆庄煤矿综放一队6 0 0 5 7 万吨。 从1 9 9 2 年以来，每年产量最高的综采队均是放顶煤综采队，因此综采放顶煤 在我国得到了长足发展，而且成为有中国特色的一种采煤方法。产量上去了，成 本降下来了，但回采率还一直是困扰放顶煤发展的下一个障碍，于是在提高产量 的同时，围绕提高回采率的理论与技术研究也在不断发展完善，工作面回采率由 8 0 年代后期的7 5 左右提高到9 0 年代中期的8 0 左右，9 0 年代末对我国4 2 个局 矿的统计，总平均工作面回采率8 4 1 4 。其中软煤平均8 6 4 1 ，中硬煤平均8 1 4 6 ， 硬煤平均7 9 6 1 ，较薄厚煤层轻放支架的工作面回采率达8 7 0 6 。在这发展过程 中，潞安王庄煤矿对综放回采率的研究起到了带头作用，首先通过对顶煤的软化， 将中硬煤的回采率提高到8 0 以上，为证实这一数据的真实性，在采空区专门掘巷， 现场探寻了采空区的丢煤损失量，从而坚定了在中硬以上的煤层大力发展放顶煤 的信心；其次是运用三段式压力分布理论很好的解决了端头，初未采损失问题， 6 1 绪论 使工作面回采率提高到9 0 。9 0 年代中期，对综放采区回采率的统计，一般为7 0 左右，通过对回采巷道围岩组合结构稳定性的研究，运用窄小煤柱护巷技术和优 化盘区设计，将综放回采率提高到8 0 ，从而实现了综采放顶煤安全、经济，回采 率高的全面要求，使综采放顶煤整体达到了国际先进水平。 1 5 存在的问题 目前关于厚煤层开采技术、综放开采顶煤的变形与运移、综放采场围岩控制 理论等方面已做了大量的研究工作，但仍存以下问题。 ( 1 ) 软煤综放开采顶煤和直接顶运动特征研究不够深入。目前研究表明， 对于综放开采而言，开采强度较大，造成直接顶高度增大，使直接顶在垮落的过 程中形成一定结构。 ( 2 ) 工作面采出率低，含矸率偏高。由于松软煤层，工作面机道上方容易 发生片帮冒顶事故；煤从支架间漏出。 ( 3 ) 大量文献对煤层较硬进行注水软化，提高顶煤的冒放性，进行了大量 的论述。对于极软煤层注水，提高煤层的粘结性防止端面漏冒未进行深入的研究。 1 6 研究内容、方法及技术路线 本文通过结合准北矿业集团朱仙庄煤矿8 7 6 工作面的地质和生产技术条件， 采用理论分析、数值模拟和现场实测相结合的方法来研究软煤合理开采的关键技 术，主要进行以下几个方面内容的研究工作： 7 安徽理工大学硕士学1 1 i ) = 论文 1 分析综放工作面顶凛和项板运动规律 j r 分析综放工作面损失的构成 上 1分析综放工作面回收率的原因 土 结合分析进行现场试验 图1 研究方法路线图 f i g lr e s e a r c ht e c h n i q u em u t e 1 7 朱仙庄煤矿8 7 6 工作面概况 1 ) 概况 8 7 6 工作面倾斜长1 2 8 1 3 2 m ，走向可采长度为4 3 5 4 5 5 m ；本工作面可采煤 层为8 煤，厚为3 5 1 0 4 m ，煤层倾角1 1 。 - - 2 4 。八煤层为稳定结构的特厚煤 层，结构复杂，宏观煤岩类型为半暗至半亮煤，构造以鳞片状、粉末状为主、次 块状，煤层松软，平均普氏硬度f 为0 3 0 。煤层产状为：走向1 3 9 。 - 1 4 5 。倾 4 0 5 5 。、倾角1 1 。2 6 0 。 8 1 绪论 系统 组岩层名称柱献图 地层厚度 岩性描述 r 警吝矽： 细砂岩、 灰色i 灰黑色，水平层理，中上 下砂质泥岩 r 1 。6 8 部夹有多层不稳定自钮臊线，顶上西 及i 唾 岩 米左右为七届璩曝祭带b 磋- 每n ：g 下 石 灰邑戛赡，块牦无层理，含 砂质泥岩1 嗽0 细煤簪带及植物译片。 泥岩 驴、，d 2 黑灰色，致密，无层理。 迭 合 皿 八煤层为稳定结牲i 的特畀摹莱层， ，j 懦 8 5 结构复杂，宏呗蝣岩类型以半暗 至半尧曝，构造i 嬉露片状、粉耒 状为主、次块状，煤层松软。 统 子 l - 5 深廖已邑，售嚯框降砰b 辨屑。泥岩 系 组 1 0 0 灰白色中细粒砂岩，块状，坚硬。 中细j i 立砂 石 安徽理工人学硕士学位论文 根据8 7 6 工作面煤层赋存情况，顶底板岩性，现有设备、管理水平及工人的 熟练程度，旨在提高采煤机械化程度和单产水平，减轻工人劳动强度及物料损耗， 确定采用综采放顶煤方法。工作面推进方式为后退式长壁回采；割煤方式为双向 往返割煤；进刀方式为端头斜切进刀。工作面设配备情况如表1 。 表1 工作面设备情况 单数 设备名称规格型号主要技术参数 位量 采煤机m g 2 3 0 0 7 2 0 厶 1 电压等级3 3 0 0 v 电机功率7 2 0 k w口 煤壁链极机s g z 7 6 4 6 3 0 部l 电压等级3 3 0 0 v 电机功率6 3 0 k w 老塘链板机s g z 7 6 4 6 3 0部 l 电压等级3 3 0 0 v 电机功率6 3 0 k w 破碎机p l m - 1 5 0 0部l 电压等级l1 4 0 v 电机功率1 6 0 k w 转载机s z z 一8 3 0 2 2 0部1 电压等级11 4 0 v 电机功率2 0 0 k w 皮带机d s j l 0 0 1 0 0 2 木1 1 0部 1 电压等级l1 4 0 v 电机功率2 * ll o k w 乳化泵b r w - 4 0 0 3 1 5 厶 2 电压等级3 3 0 0 v 电机功率2 2 5 0 k w 口 喷雾泵p b w - 3 2 0 6 3 厶 1 电压等级l1 4 0 v 电机功率2 4 5 k w 口 照明综保b b z 4 11 4 0 厶 1 电压等级1 1 4 0 v r - 1 通讯装置k t c 一2套l 移动变压器 k b s g z y 一16 0 0 6 3 3 厶 2口 移动变压器k b s g z y 一8 0 0 6 1 2 厶 1 口 1 0 第二章朱仙庄8 7 6 综放工作面项煤与顶板运动规律 2 朱仙庄8 7 6 综放工作面顶煤与顶板运动规律 2 18 7 6 工作面顶煤运动规律 根据矿井以前在8 煤层综放开采工作面的观测资料分析，采用深基孔基点跟 踪观测法，在风巷距开切眼8 0 m 处布置测站，测站中布置四个钻孔，5 个深基点， 观测8 7 6 工作面顶煤与顶板的移动规律。 图3 测站钻孔位置 f i 9 3b o r e h o l ei no b s e r v a t i o ns t a t i o nl o c a t i o n 图中h = 1 5 m ，为距底板距离。钻孔仰角为3 0 度。l 为钻孔深度。 则个测点离底板的高度为 h = h + l s i n 3 0 0( 2 1 ) 1 ) 顶煤运移规律 从图4 中可以看到，顶煤运移情况为3 0 3 m 高的深基点在距工作面3 0 m 左右 发生位移，而7 7 9 m 高的深基点是在距工作面4 0 m 左右位置发生位移。顺煤体所 处的层位不同时，其位移发生的初始点位置不同；且层位越高，顶煤位移始动点 距离工作面煤壁越远。顶煤位移量随煤壁的靠近而逐渐增大，当距煤壁一定距离 时，顶煤的位移增加迅速，在煤壁前方6 一- - 8 m 处项煤的位移迅速增加，顶煤发生 宏观破碎。在工作面支架上方，顶煤形成松散体，发生流动。 受采动影响，煤壁前方的顶煤在未采动煤体的支撑下整体向采空区方向位 移，由于采空区高度8 m ，而上部测点位移量大于下部测点位移量，也说明了这是 顶煤是在顶板作用下的压缩变形过程。在工作面煤壁前方4 m 左右时，顶煤的位 安徽理i 人学硕十学他论文 移量加大，位移变化曲线有所变陡，特别是l 部层位的顶煤。 2 ) 顶煤破坏特征分析 现场表明，顶煤破坏和放出过程可以分为四个区：仞始破坏 x ，破坏发展区 裂隙发育医垮落破碎区。各分区的范罔和破坏特征如下： 表28 7 6 工作面顶煤与顶板位移观；则数据( c 耐 剑i ：作面 2 62 d 2 6 2 8 距离m 忆- 30 3 m ( h = 309l 4 24 03l28 2 煤体) l = 51 5 m ( 1 # 424 93 12 21 3 857 46146433 73530 5 煤体) l - 77 9 m ( h 531 6913 3 9 5 煤体j l = l l2 3 m ( 1 1 = 7 9 36 55 33 0 5931 1 2 煤体) i = 1 56 9 m ( h = 9605050312826 3 5 煤体) 图48 7 6 工作面顶煤、顶板位移量与到工作面e 离的关系 f 1 9 4 t o pc o a la n dr o o f m o v c m c n t s m l m l 叽s h l p w i t h t h ed i s t a n c e t o t h e f a c e ( 1 ) 顶煤初始破坏区 在工作面煤壁前方8 m 以外，虽然已经进入前方支撑压力影响区，在支撑压 力作用下原生裂隙扩展，项煤破坏力学过程属移j 始阶段。煤体在三向应力状态下 第二章朱仙庄8 7 6 综放工作面顶煤与顶板运动规律 尚未发生强度破坏，保持其完整性。 ( 2 ) 顶煤破坏发展区 在工作面煤壁前方8 m 左右至煤壁前方6 m 左右的位置，由图4 可知。主要是 受顶板的作用，再加上8 7 6 工作面煤层强度很低，煤体很快发生破坏。裂隙扩展 水平位移和垂直位置急剧增大，但煤体破坏是一个过程，这一区域煤体仍有相对 的完整性。 ( 3 ) 裂隙发育区。 在工作面煤壁前方6 m 至4 m 左右的位置。由于直接顶的作用，再加上煤层极 软，顶煤裂隙进一步发育，表现为裂隙密度的急剧增加和裂缝迅速扩大。 ( 4 ) 垮落破碎区。 在工作面煤壁前方2 m 以内，顶煤完全破坏，丧失其连续性，成为可放出的 煤块。 从顶煤的破坏分区可以看出，造成顶煤在煤壁前方初始破坏主要是由于支承 压力的作用。由于煤层极软，顶煤很快破坏。在工作面前方就已经完全破坏，失 去连续性。在工作面，由于支架的反复“加载卸载”作用，项煤已经成为完 全的散体，若支架封闭不好，很有可能从架间缝隙漏出。 2 2 顶板运移规律 从图4 中还可以看到，1 5 6 9 m 高的基点( 下位直接顶的基点) 位移始动点发生 在工作面前方3 0 m 左右。在煤壁前二者的位移曲线变化趋势比较接近，在煤壁后 方。在切顶线附近，顶煤和直接顶的位移增长梯度有迅速增加的现象，说明项煤 和直接顶可随采随冒。随着岩层层位的升高，顶板岩层的初始位移点逐渐向采空 区方向转移。 受采动的影响，直接顶的运动变形始于煤壁前方，煤壁前方的直接顶中周期 性地出现拉应力区，从而造成直接项的超前破坏，直接顶呈分层垮落，并且各分 层的垮落步距自下而上依次增大，直接顶全厚垮落后，下位直接顶基本上可随顶 煤的放出而及时冒落，垮落块间无水平力的联系，并呈不规则排列，放煤时通常 见大块矸石堵放煤口，能证实这一点；上位直接项垮落块度增大，同时由于回转 空间的减小，可形成“半拱 式结构，它的破坏和失稳定，也会影响采场。 综放面老顶初始位移发生在煤壁前方，老顶断裂也发生在煤壁前方，同时造 成老顶断裂线附近伴随着直接项及顶煤的严重破碎，并且直接顶的垮落及“半拱 1 3 安徽理上人学硕十学位论文 式结构的失稳定将对老顶的运动产生明显影响，表现为煤壁前方和控顶区上方老 顶位移增大。老项断裂时，煤壁前方3 - - - , 5 m 的煤体压力大、煤壁片帮严重，但由 于顶煤松散体的存在，支架增阻不明显。 2 3 综放采场支架载荷 当冒落顶煤放出后，冒落直接顶和项煤的载荷由支架全部承担，另外，支 架还要承担部分老顶的作用力。由于在综放采场中，岩层冒落带高度增加，因此， 作用在支架上的“给定载荷 要相应增大，即正常推进时综放采场的支护强度要 比非放顶煤采场的支护强度大。表3 是不同条件下老顶周期来压期间工作面平均 支护强度的资料统计。 由表3 看出，尽管采煤工艺不同，支护条件不同，采场单位面积上的平均工 作阻力随一次采出的煤层厚度的增大而增大，这个规律在炮采和综采采场下更明 显。综放采场一次采出的煤层厚度是炮采和综采的数倍，但采场单位面积上的平 均工作阻力并没有按几何倍数增加，甚至与大采高一次采全高工作面还有所下 降，相比原因有两个： 、1 煤的容重较岩石的容重低，相同厚度的情况下，煤作用于支架上的载荷小： 2 煤的强度较低，在支撑压力作用下变形破坏后，传递力的能力降低。 在有些综放采场，测得的支架工作阻力普遍偏低，这实际上是支架处于不正 常工作状态的表现，可能是以下原因造成的： 1 顶煤回收率低，采空区内大量浮煤，老项最终位态高。 2 支架处于低位工作状态，老顶作用力不能有效作用于支架上，在顶煤与直接 顶较松软破碎的情况下，甚至与老顶失去力的联系。 可见，虽然综放采场单位面积上的支护强度有所增加，但支架所需承担的载 荷增加幅度是有限的，随着综放设备性能的进一步提高和支护能力的进一步加 大，进行采场支架的优化选型，正常情况下，满足综放采场的安全生产是没有问 题的。 1 4 第二章朱仙庄8 7 6 综放工作面顶煤与项板运动规律 表3 不同条件的采场周期来压期间平均支护强度 平均支护 采煤工 矿名工作面支护设备强度 采高( m ) 艺 ( k n m z ) 火黄山 2 2 3 3 炮采 h zw a1 3 81 8 7 1 0 2炮采h zw r a1 7 41 8 徐 义安 7 0 1 4综采w s l 72 4 42 0 张集7 3 0 1炮采h z l = f 1 8 0 1 8 山河尖7 1 0 2炮采d z 2 22 3 22 0 州 庞庄7 3 8 。 综采 b 9 2 1p4 0 92 8 夹河 7 6 0 5 综采w s l 73 5 3 2 4 张集 1 2 2 1 ( 3 ) 综放 z f s 16 2 62 6 84 3 7 淮南 新集1 3 0 3综放z f s 4 0 0 0 9 2 84 1 48 4 兖州兴隆庄4 3 1 4综放z f $ 6 2 0 0 18 3 54 5 98 9 1 5 安徽理工火学硕士学位论文 2 4 综放采场前支承压力1 0 】 研究成果认为：采场前方支承压力随工作面推进出现动态变化现象，支承压 力存在着形成、发展和稳定的过程。综放采场中，顶煤在支承压力的作用下经顶 煤经历了裂隙的发展、演化，最终破碎，其力学性态也发生了变化，整个项煤的 运移过程是“非破坏一破坏”的过程。根据顶煤的力学状态，将其分为极限平衡 区和弹性区。 1 ) 极限平衡区内的支承压力 由极限平衡区支承压力表达式 缈= oe x p 娑】 ( 2 2 ) 式中：缈极限平衡区内的支撑压力 0 煤帮的支承能力 厂一层间摩擦系数： x 一压力点至煤壁的距离 m 一采高 五叫。压系数，允= 粤；缈为煤的内摩擦角。 i 一$ 1 n 缈 在放顶煤工作面，0 是煤壁上方项煤的自撑力，此处有水平应力，而不是自 由面。 故：n o = u f ，n 为煤体的自撑力。 缈= u f e x , i - 等 沼3 ， i 令o y = k h y ，其中，k 为应力集中系数，日为采场上覆岩层总厚度， y 是岩石的平均容重，则： 而2 虿a mm 等 c 2 4 ， 其中为支承压力峰值到煤壁的距离 由公式( 2 3 ) ，( 2 4 ) 知： 由于放项煤采场一次采出的煤层厚度m 的增大，与单一长壁采煤工作面相比， 综放采场的压力峰值有所减小，而峰值线至煤壁的距离加大，即综放采场的支承 压力峰值向煤壁深处转移。 1 6 安徽理工大学硕士学位论文 由此可以得出结论，与条件相似的非放顶煤工作面相比，综放工作面的应力 集中系数减小，即支承压力峰值降低，且向煤壁深处转移，因而塑性区的范围加 大。同时，弹性区内的应力也有所减小。 2 5 顶煤的破碎与片帮 由于煤层极软，因此控制顶煤架前冒落与煤壁片帮是开采中的重要内容。经 观测统计，顶煤破碎度为2 6 7 7 ，片帮深度一般为3 0 0 9 0 0 唧，平均为6 3 9 m m ， 并且片帮深度超过5 0 0 m m 的频率占5 0 。片帮与推进度有很大关系，正常推进时 不片帮或片帮深度较浅，在3 0 0 m m 以下，但当工作而因故停止推进时，片帮现象 较多，最深达9 0 0 m m 。顶煤也产生局部漏顶现象，最大漏顶高度为4 - - 一5 m 。 工作面项板的平均破碎度为2 6 7 7 ，其中检修班平均破碎度为1 1 3 5 ， 生产班平均破碎度为3 2 1 9 ，即破碎度与生产工序有关。同时与工作面推进度 有很大关系，推进度大时，工作面顶板破碎度较低，当推进度为2 4 m d 时，顶 板破碎度为推进度为1 2 m d 时的6 5 5 。 2 6 工作面顶板破碎度与煤壁片帮观测 由于煤层极软，在进行综放开采时，掌握工作面支架端部破碎与煤壁片帮规 律，采取正确的措施进行工程控制是重要的工艺研究内容。 实测工作面顶板破碎度的结果见表4 。 1 工作面破碎度 由于煤层极软，顶煤极易破碎，因此工作面项板的平均破碎度为2 6 7 7 ， 其中检修班平均破碎度为6 3 5 ，生产班平均破碎度为2 7 1 9 ，即破碎度与生 产工序有关。同时与工作面推进度有很大关系，表4 表明，推进度大时，工作面 顶板破碎度较低，当推进度为2 4 m d 时，顶板破碎度为推进度为1 2 m d 时的6 5 5 。这一观测结果表明，继续加强顶煤控制、保证工作面正常的推进顶板破碎度 是实现极软煤层综放开采的技术关键之。 2 煤壁片帮 极软煤层综放开采，煤壁片帮现象很普遍。经观测统计，顶煤破碎度为2 6 7 7 ，片帮深度一般为3 0 0 - - - - 9 0 0 m m m ，平均为6 3 9 c m ，并且片帮深度超过5 0 0 m m 的 频率占5 0 。片帮与推进度有很大关系，正常推进时不片帮或片帮深度较浅，在 3 0 0 r a m 以下，但当工作面因故停止推进时，片帮现象较多，最深达9 0 0 m m 。顶煤 1 8 第二章朱仙庄8 7 6 综放工作面顶煤与顶板运动规律 也产生局部漏顶现象，最大漏项高度为4 5 m ，有时见顶板矸石。产生漏顶的主 要原因为顶煤十分破碎，超前管理不及时，架间封闭不严所致。片帮与漏顶往往 与周期来压的时间吻合，说明周期来压不明显，但对工作面现场管理有较大的影 响。 表48 7 6 工作面顶板破碎度实测结果 日期567891 01 l1 21 31 41 51 61 71 8 推进度m1 21 2 1 2 1 8 1 2 1 8 1 22 41 82 41 8 1 2 1 82 4 平均破碎度4 0 3 4 9 34 3 43 3 64 93 4 2 3 5 8 3 1 5 3 6 6 2 8 7 3 4 64 72 4 91 2 9 片帮深度大于 3 0 75 23 7 32 0 4 63 43 7 33 23 4 73 03 0 4 03 41 0 7 5 0 0 m m 的频率 续表4 c o n t i n u et a b l es 日期 1 92 02 l2 22 32 4 2 52 6 2 72 82 93 03 1 推进度m 1 82 41 81 81 - 81 21 82 41 81 8 1 21 21 8 平均破碎度 4 51 2 41 2 5 3 1 5 1