6.2m大采高综采工作面长度合理性分析.pdf

收稿日期 2009- 09- 09 作者简介 张 坤 1985, 男, 陕西西安人, 硕士研究生, 主要从事 岩体力学与采空区动力灾害防治方面的学习与研究。 6 . 2 m大采高综采工作面 长度合理性分析 张 坤 1 , 2, 刘小明3 1. 西安科技大学 能源学院, 陕西 西安 710054 ; 2 . 教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室, 陕西 西安 710054; 3. 神华宁夏煤业集团公司羊场湾煤矿, 宁夏 灵武 751410 摘 要 羊场湾煤矿 6 . 2 m大采高工作面处于目前国内外大采高开采领域最复杂的赋存条件下。 根据羊场湾煤矿 6 . 2m 大采高综采工作面的进展现状, 在综合考虑了设备因素、 经济因素、 产量因 素的基础上, 通过建立长度优化力学模型, 同时运用非线性规划法和工程类比法, 初步对大采高工 作面面长进行了合理性论证和分析。 关键词 特厚煤层; 6 . 2m大采高; 长度合理性分析; 非线性规划法; 力学模型 中图分类号 TD823 . 97 文献标识码 B 文章编号 1671- 749X 2010 02- 0014- 03 0 引言 最佳工作面长度参数的优化确定, 主要按照工 作面地质因素、 工作面设备能力、 以及矿区管理水 平, 从技术、 经济角度寻找吨煤费用最低的目标来确 定 [ 1]。虽然现阶段设备能力已不是限制工作面长 度参数的主要因素, 而且关于大采高工作面合理参 数研究分析的成果较多, 但是对于复杂特厚煤层 6 . 0 m及以上大采高工作面长度的合理性分析还是空 白。从羊场湾煤矿现有自然条件出发, 在综合考虑 了设备因素、 经济因素、 产量因素的基础上, 通过建 立长度优化力学模型, 同时运用非线性规划法和工 程类比法, 对大采高工作面面长进行了合理性论证 和分析。这为实现复杂特厚 6 . 2m大采高综采工作 面最大限度的安全高效开采奠定了一定的基础。 1 概况 羊场湾井田位于灵武煤田碎石井区中部, 处于 毛乌素沙漠边缘。大采高工作面 2 煤层为全区发 育稳定的厚至特厚煤层, 平均厚度为 6 . 3 m, 采高为 6 . 0 m 液压支架支架最大高度 6 . 2 m。 2 煤层埋 深为 177 . 18 184 . 59 m, 煤层倾向 313b , 平均倾角 15b 18b , 局部角度达 20b , 起伏角度 8b 12b , 硬度 系数 1 2韧性大。顶板为泥岩和粉细砂岩, 底板为 粉砂岩, 属易冒落至中等冒落顶板。煤层自然瓦斯 含量低, 相对瓦斯涌出量为 1 . 6 2 . 76m 3 /, t 二氧化 碳涌出量为 2 . 24 4 . 06 m 3 /, t 属低瓦斯矿井。工作 面煤层顶底板构成如表 1所示。 表 1 工作面煤层顶底板构成 顶底板名称岩石类型厚度 /m岩性描述 老顶粉砂岩和细砂岩12. 63浅灰色, 厚层状, 成分以砂质为主, 黏土质泥质胶接, f 4 5 。 直接顶粉砂岩夹煤线4. 64 灰白色夹灰黑色, 砂质为主, 具水平层理, 较发育, 底部有一层煤线, 厚度约 0 . 1 m, f 3 4 。 直接底细砂岩2. 14灰白色, 致密、 节理层理不发育, 遇水变软, f 3 4 。 老底中粒砂岩12. 78灰白色, 成分以石英为主, 硅质胶结。 2 工作面长度影响因素分析 2 . 1 地质因素 14张 坤 刘小明 6 . 2m大采高综采工作面长度合理性分析 2010年 羊场湾煤矿 2 煤层绝对瓦斯涌出量为 1 . 182 m 3 /m in , 属于低瓦斯矿井, 2 煤层开采区域内没有大 的断层和褶曲。所以工作面长度一般不受其通风条 件和地质构造的制约, 这些有利的条件决定了对 2 煤层布置长工作面在地质因素上是可行的。 2 . 2 从产量因素考虑工作面合理长度 按照羊场湾煤矿提出的 /一综 一个综采工作 面 、 两连 两个连续采煤机工作面 、 1 000万 t/a0 的目标, 大采高综采工作面产量安排 800 1 000万 t 。据此计算工作面的合理长度。 A0 1 . 1 300 N L Sm C C1 1 式中 年工作日按 300 d计算, 1 . 1为产量不均衡系 数; A0 采煤工作面单产量, 800 1 000万 t/a ; N 采煤机日进刀数, 按照羊场湾已采工作 面经验值取 15 ; L 工作面长度, m; S 采煤机截深, MG900/2215- GWD采煤机 截深为 0 . 865 m; m 采高, 6 . 0m; C 煤的容重, 1 . 31 t/m 3; C1 工作面综采回采率, 93 ; 根据公式 1经计算得出 当大采高综采工作 面产量安排在 800 1 000万 t/a时, 所求得的工作 面长度范围为 255 . 6 319. 5m。 2 . 3 工作面长度优化力学模型的建立及分析 羊场湾煤矿位于毛乌素沙漠边缘, 2 煤层埋深 为 177 . 18 184 . 59m。煤层埋深浅, 煤层至地表的 顶板基岩层较厚, 而松散风积沙较薄。基于此分析, 参照如图 1所示的浅埋煤层条件采场围岩安全控制 的大采高工作面长度优化力学模型。 图 1 大采高工作面长度优化的力学计算模型 据此力学模型, 按照普氏压力拱理论 [ 2-3], 在顶 板基岩较厚, 风积沙载荷层很薄的情况下, 由支架的 支护强度优化确定工作面的长度, 即 q \ CjyEh CjyL 2f 2 故可保证工作面围岩控制安全的工作面长度应 为L[ 2fq Cij 3 式中 q 液压支架的支护强度, MPa ; Cjy 顶板基岩层的容重, MN /m 3; f 顶板岩石的普氏硬度系数; h 由工作面长度决定的采场顶板垮落高 度, m。 在顶板基岩较厚, 风积沙载荷层很薄的情况下, 由支架的支护强度优化确定工作面的长度。因 2 煤层的顶板主要由砂岩, 薄层状泥岩组成, 取其岩石 的普氏硬度指数平均值为 4 . 5 。液压支架支护强度 按型号为 ZYT10000/26/55D 端头支架取值 0 . 84 MPa 。顶板基岩容重取值为 25 kN /m 3。 按照前述公式 3 计算, 所求得的工作面长度 应小于 311 m。 2 . 4 从设备因素考虑工作面合理长度 工作面设备对工作面长度有很大的影响 [ 4]。 根据我国现阶段工作面刮板输送机的生产能力加之 考虑到井下工作面生产条件和作业环境等。各种型 号刮板输送机的最大铺设长度应有一定的富余 量 [ 5], 以便能充分发挥设备效能达到提高单产的目 的。羊场湾煤矿大采高工作面将最终采用宁夏天地 奔牛实业集团有限公司生产的 SGZ1250/2565中双 链刮板输送机。此刮板输送机的设计长度一般为 320 m, 当工作面的长度为 300 m 左右时, 刮板输送 机能达到最大使用效能。 2 . 5 利用非线性规划法进行经济因素分析 经济因素是矿井优化设计中的重要指标 [ 6]。 为了提高矿井的产量、 效率和效益, 需加长工作面长 度, 但工作面长度增大, 生产技术管理难度也会增 大, 超过一定的长度工作面的单产、 效率、 效益以及 安全生产条件等都会下降。现对大采高综采工作面 用非线性规划法进行各项参数指标的优化选择。 目标函数的确定。评价大采高综采工作面尺寸合理 与否所要求的目标可以是多种多样的。诸如吨煤费 用最低 , 回采工效最大等等。根据所追求的目标, 建立函数关系。通常将这一函数关系称之为目标函 15第 2期 张 坤 刘小明 6. 2 m大采高综采工作面长度合理性分析 数 [ 7]。即目标函数是关于工作面长度的函数。为 了使所求目标的实现, 可根据实际情况对目标函数 求极大值或极小值; 按回采工效最大选取工作面 长度。当推进速度一定时, 工作面产量取决于工作 面长度。而实际上随工作面长度的增加而带来管理 上的难度加大, 将降低推进速度, 故有一长度为工作 面最优长度。利用函数求极值的方法, 将相关数值 代入参照公式进行计算。得出当回采功效最大时所 得的工作面最优长度为 305 m。 2 . 6 工程类比法确定合理工作面长度 结合大采高开采的最新矿压理论与实践研究成 果。从顶板载荷 支架能力相适应的角度, 通过对 比分析综合确定适合本煤层大采高开采的最大极限 工作面长度。 由神东矿区已有的支架工作阻力参数, 只考虑 支架工作阻力时, 上湾煤矿 1 - 2煤层采高 6 m 的最 佳工作面长度应为 300 m, 如要布置 360 400 m的 工作面, 则需研制新支架, 合理工作阻力参数范围应 为 10 000 11 000 kN /架 [ 8]。同时借鉴羊场湾已经 建成投产的次大采高 3 . 8 4 . 3 m 开采实践经验 教训, 从顶板荷载 支架能力相适应方面出发, 通过 工程对比分析, 羊场湾煤矿在采高为 6 . 0 m, 支架工 作阻力为 10 000 kN的条件下, 工作面长度为 300m 时最有安全保障。 3 结论 1回采工作面长度的选择不仅要考虑地质和 技术要素, 还要进行经济要素的分析计算, 寻求出技 术上可行, 经济上合理, 又适合矿井具体条件的最佳 工作面长度, 提高矿井技术经济效益。 2按照对大采高工作面长度优化力学模型的 分析, 工作面长度的选择不仅与围岩性质有关, 还主 要取决于采场液压支架的支护控制能力。 3通过非线性规划法对大采高综采工作面按 回采工效最大选取工作面最优化长度, 并说明工作 面长度在经济上存在其合理值, 并非越大越好。 4仅依靠计算公式或规范来确定工作面长度 是不够准确的, 仍需要综合考虑现场生产经验、 工作 面设备能力等因素, 这样才能使工作面的设置更为 合理和实际。在运用多种手段, 综合考虑各方面因 素的条件下得出 羊场湾 2 煤层大采高工作面在采 高为 6. 0m的条件下, 工作面长度定为 300m时, 是 最为合理并且可行的。 参考文献 [ 1] 张先尘, 刘武皓. 综采工作面长度综合优化方法 的研究 [ J]. 中国矿业大学学报, 1983, 3 4- 17. 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Based on the analysis of factors of equipment ,econo m ic and yield ,the paper established themechanicalmodel of length opti mization and analyzed the rational length of great shear height face using nonlinear progra mming and eng ineering analogy . K ey words special thick sea m; 6. 2m shear height ;analysis of rational length; nonlinear programm ing ; mechanicalmodel 16陕 西 煤 炭 2010年