特厚煤层大采高综放开采机采高度的确定与影响.pdf

第 3 7卷第 1 1 期 2 0 1 2年 1 1 月 煤 炭 学 报 J OUR NAL OF C HI NA C0 AL S OC I E TY V0 1 ． 37 NO V． No． 1 1 2 0 l 2 文章编号 0 2 5 3 - 9 9 9 3 2 0 1 2 1 1 1 7 7 7 0 6 特厚煤层大采高综放开采机采高度的确定与影响 王国 法， 庞 义辉， 刘 俊峰 天地科技股份有限公司 开采设计事业部 ， 北京1 0 0 0 1 3 摘要 为 了确定大采 高综放开采合理的机采高度 ， 基于理论分析 与数值模 拟计算方法， 研 究了不 同机采高度对支架工作阻力、 顶煤冒放规律、 煤壁稳定性的影响。研究结果表明 大采高综放开采 机采高度的确定应充分考虑采放比、 煤壁稳定性、 矿压显现、 顶煤采出率及设备投资等。支架所需 支护 强度 、 顶煤采 出率、 煤壁片帮程度与机采 高度成正相 关性 ， 但并不是 简单的线性 关系。由于受 顶煤赋存条件及采出率等因素影响， 相同采高大采高综放开采煤壁片帮几率要高于大采高综采。 大采高综放开采是煤炭开采技术的新突破， 是实现特厚煤层安全高效开采的有效途径。 关键词 大采高综放 ； 机采高度； 顶煤运移规律 ； 采 出率 ； 煤壁片帮 中图分类号 T D 8 2 3 ． 9 7 文献标志码 A De t e r mi na t i o n a nd i n flue n c e o f c ut t i ng h e i g ht o f c o a l by t o p c o a l c a v i ng me t h o d wi t h g r e a t mi ni ng h e i g ht i n e x t r a t h i c k c o a l s e a m WANG Gu o - f a， P AN G Yi h u i ， L I U J u n - f e n g C o a l Mi n i n g a n d De s i g n D e p a r t m e n t ， T i a n d i S c ie n c eT e c h n o l o g y C o ． ， L t d ． ， B e ifi n g 1 0 0 0 1 3， C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o d e t e r mi n e t h e c u t t i n g h e i g h t o f c o a l o n t o p c a v i n g w i t h g r e a t mi n i n g h e i g h t ， t h e i n fl u e n c e o f d i f - f e r e n t c u t t i n g h e i g h t o n t h e s u p po r t wo r ki ng r e s i s t a n c e， t he t o p- c o al c a v i n g r u l e s a n d t h e c o a l wa l l s t a bi l i t y we r e s t u d i e d b a s e d o n t h e o r e t i c a l a n a l y s i s a n d n ume r i c a l s i mu l a t i o n me t h o d． The r e s u l t s s h o w t h a t t h e r a t i o o f mi ni ng h e i g h t t o c a v i n g h e i g h t ， c o a l w a l l s t a b i l i t y ， mi n e p r e s s u r e a p p e a r e d， t o p c o al r e c o v e r y r a t e a n d e q u i p me n t i n v e s t me n t s h o u l d b e f u l l y c o n s i d e r e d t o d e t e r mi n e t h e c u t t i n g h e i g h t ． T h e s u p p o rt r e q u i r e s s t r e n g t h， t o p c o a l r e c o v e ry r a t e ， c o a l wall s p a i n g p o s i t i v e l y c o r r e l a t e wi t h t h e c u t t i n g h e i g h t ， whi c h i s n o t a l i n e a r r e l a t i o n． Du e t o t h e i n flu e n c e o f t o p c o al g e o l o g i c al c o n d i t i o n s a n d r e c o v e ry r a t e ， t h e r a t e o f c o al w a l l s p all i n g i n t o p c o al c a v i n g wi t h g r e a t mi n i n g h e i g h t i s l a r g e r t h a n l a r g e mi n i n g h e i g h t f u l l y me c h a n i z e d i n t h e c o n d i t i o n o f t h e s a me c u t t i n g h e i g h t ． T h e t o p c o al c a v i n g wi t h gre a t mi n i n g h e i g h t i s a b r e a k t hr o ug h， a nd i s a n e w e f f e c t i v e wa y t o a c h i e v e s a f e a n d e ffi c i e n t mi n i n g i n e x t r a t hi c k c o a l s e a m． Ke y wo r d s t o p c o al c a v i n g w i t h gre a t mi n i n g h e i g h t ； c u t t i n g h e i g h t ； t o p c o a l mi g r a t i o n rul e； r a t e o f r e c o v e ry ； c o a l wall s pall i n g 我国神东 、 陕北 、 黄陇、 宁东 、 新疆等大型煤炭基 地赋存有大量 1 0～ 2 0 m及以上 特厚煤层 ， 该类煤层 具有赋存厚度不稳定、 硬度较大、 自然发火期短等显 著特点。由于受采放 比、 顶煤 冒放性等 因素的制约 ， 一 般综放开采煤层总厚度不大于 1 4 m； 受采煤机采 高、 煤壁片帮等因素制约， 综采一次采全高开采 目前 最大采高为 7 ． 0 m； 分层开采则受煤层厚度变化、 自 然发火、 吨煤成本、 工效等诸多因素的制约， 传统的厚 煤层 开 采 技 术应 用 于该 类 煤 层 具 有 一 定 的局 限 性 一 。 机采高度大于 3 ． 5 m 的放顶煤工作 面定义为大 采高综放工作面 J 。大采高综放开采技术是集大采 高综采技术与综采放顶煤开采技术的优点于一体， 应 用大功率大采高电牵引采煤机、 大工作阻力高可靠性 收稿日期 2 0 1 1 1 0 - 0 9 责任编辑 王婉洁 基金项目 “ 十一五” 国家科技支撑计划资助项目 2 0 0 8 B A B 3 6 B 0 3 作者简介 王国法 1 9 6 o 一 ， 男， 山东文登人， 研究员， 博士生导师。E m a i l w a n g g u o f a t d k e s j ． c o ln 煤 炭 学 报 2 0 1 2 年第3 7 卷 强力高效放顶煤液压支架 、 大槽宽大运量高强度前后 部刮板输送机等成套装备， 工作面生产能力可实现年 产 1 0 Mt 以上 。 大采高综放工作面机采高度的加大可以提高顶 煤的允许放 出厚度 ， 增大综放一次采全厚开采适应的 煤层厚度范围， 但对支架支护强度、 设备稳定性、 顶煤 采出率、 煤壁片帮冒顶等提出更高要求 卜 。本文通 过理论分析与数值模拟相结合的方法， 以同煤塔山煤 矿大采高综放开采实践为基础， 研究了大采高综放工 作面机采高度与支架支护强度、 顶煤采出率、 煤壁片 帮的关系， 为大采高综放开采合理机采高度的确定提 供理论依据。 1 特厚煤层综放开采合理机采高度的确定 厚及特厚煤层采用综放开采技术 ， 不仅缓和了矿 井采掘接替矛盾， 降低了吨煤成本， 而且有利于矿井 实现集 中控制 ， 实现减面、 减人 、 提高工效的目的。特 厚煤层大采高综放开采由于机采高度的增加， 可实现 采放相对平衡、 增大通风断面、 降低通风阻力、 提高顶 煤破碎效果、 增大后部放煤空间、 提高资源采出率， 但 机采高度过大也会导致工作面矿山压力显现加剧、 煤 壁片帮冒顶严重、 工作面端头及超前支护困难等 ， 影 响矿井安全高效生产。因此， 大采高综放开采合理机 采高度的确定应充分考虑 以下几方面内容 1 应满足采放比小于 1 3的规定。 煤矿安 全规程 第六十八条规定 采放比大于 1 3的煤层， 严禁采用放顶煤开采。虽然业内对这一规定存在广 泛质疑， 普遍认为该规定没有充分的科学依据， 但目 前还必须严格遵守这一规定。 2 工作面煤壁稳定性应满足安全高效生产要 求。随着工作面机采高度增大， 煤壁稳定性降低， 煤 壁片帮加剧 ， 并易于引发端面 冒顶 ， 导致顶板条件恶 化 ， 威胁工作面安全生产 。 3 工作面矿山压力显现加剧。机采高度的加 大提高了顶煤的允许放出厚度， 扩大了综放开采的适 用范围， 机采高度、 顶煤厚度及开采煤层总厚度的增 大都将直接导致矿山压力加剧， 对支架支护强度、 端 头及超前支护提出了更高的要求。 4 满足煤炭采出率的要求。在煤层厚度确定 的情况下， 加大机采高度有利于提高煤炭采出率， 但 机采高度增大， 提高了顶煤 的允许放 出厚度 ， 对于含 夹矸层且煤质较硬的特厚煤层， 其机采高度的确定还 应充分考虑顶煤采出率的影响。 5 综采设备投资加大。工作面机采高度的增 大对采煤机、 液压支架、 刮板输送机等设备的技术参 数 、 材质 、 稳定性及制造水平提 出了更高的要求 ， 直接 导致建井初期设备投资的增大。 根据我国目 前综放开采技术与装备发展水平， 充 分考虑我国特厚煤层赋存状况， 大采高综放开采最大 机采高度应控制在 5 ． 3 m以内， 液压支架最大高度应 大于最大机采高度 0 ． 2～ 0 ． 3 In ， 支架最大高度应不 大于 5 ． 5 n l 。 2 机采高度对液压支架工作阻力的影响 机采高度对支架工作阻力的影响主要考虑 2 个 方面 ① 增大机采高度提高了顶煤的允许放出厚度， 即煤层一次采 出总厚度增大对支架工作阻力的影响； ② 煤层厚度一定时， 不同机采高度对支架工作阻力 的影 响。 文献 [ 1 0 ] 对综放开采煤层一次采 出总厚度与支 架工作阻力的关系做了详细的论证 ， 得出了支架支护 强度与煤层厚度成正相关关系， 煤层采出厚度越大， 要求支架支护强度越大。 为了得到煤层厚度一定时， 不同采高对支架工作 阻力的影响， 模拟了煤层厚度为2 0 i n 时， 机采高度为 3 ． 5 ， 4 ． 5 ， 5 ． 5 I n的开挖过程 ， 如 图 l ， 2所示 ， 得到 了 支架 支护 强 度为 0 ． 6 ， 0 ． 8 ， 1 ． 0 ， 1 ． 1 ， 1 ． 2 ， 1 ． 3 ， 1 ． 4 ， 1 ． 5 ， 1 ． 6 MP a时顶板下沉量关系曲线 ， 如图 3所示。 - 2 ． 4x - 2．2x -2 ． O x - 1 ． 8 x - 1 ．6x - 1 ．4x - 1 ．2x - 1 ．Ox - 8．Ox - 6．Ox --4． O -2 ．Ox 0 图 1 垂直应力分布情况 F i g ． 1 Ve r t i c a l s t r e s s d i s t r i b u t i o n 旧 凸一 ＼ 翻 图2 超前支承应力分布曲线 F i g ． 2 C u r v e s o f a d v a n c e d b e a r i n g s t r e s s 通过对模拟结果进行分析发现 在煤壁及顶煤前 方分别形成了应力集中区， 顶煤前方的应力峰值点距 第 1 1 期 王国法等 特厚煤层大采高综放开采机采高度的确定与影响 图8 不同采高煤壁水平位移量曲线 F i g ． 8 Ho r i z o n t a l d i s p l a c e me n t c u r v e s o f d i ffe r e n t c u t t i n g h e i g h t 距底板 高度 a 采高3 ． 5 m 距底板高度， m c 采高5 ． 0m 通过对模拟结果进行分析发现 ， 煤壁水平位移量 最大点距顶板高度为 1 ． 5 2 ． 0 m， 支架护帮板的护 帮高度应大于2 ． 0 m 。 目前， 我国放顶煤支架多为四柱支撑掩护式支 架， 顶梁为带铰接前梁结构， 支架支顶力小， 一次采全 高支架多为掩护式支架， 整体顶梁结构， 该结构支架 支顶力大， 图 9为采高 3 ． 5 ， 4 ． 5 ， 5 ． 0 ， 5 ． 5 m时 2种结 构煤壁水平位移量曲线 。 通过对模拟结果进行分析可知， 整体顶梁结构煤 1 8 ￡ l 6 1 0 s 到6 蝼d 距底板高度／ m b 采高4 ． 5m 距底板 高度， m d 采高5 ． 5m 图9 煤壁水平位移量对比曲线 F i g ． 9 Co n t r a s t c u r v e s o f r i b h o r i z o n t a l d i s p l a c e me n t 壁上部水平位移量明显小于铰接前梁结构， 即该结构 更有利于抑制煤壁片帮。由于四柱支撑掩护式支架 采用整体顶梁极易出现拔后柱情况， 支架受力状态 差， 两柱放顶煤支架不仅很好的解决了拔后柱问题， 而且支护效率高 。目前 ， 两柱大采高综放支架在东滩 煤矿、 平朔安家岭煤矿、 神华保德煤矿、 澳大利亚澳斯 达煤矿等成功应用 ， 并取得 了高产高效 ， 该架型将成 为我国未来大采高综放液压支架的主要发展架型。 5 塔山煤矿特厚煤层大采高综放开采实践 塔山煤矿 8 1 0 5 工作面为大采高综放工作面， 也 是国家“ 十一五” 科技支撑项 目的试验工作面， 煤层 厚度9 ． 4 2～ 1 9 ． 4 4 m， 倾角1 。 ～ 3 。 ， 普氏系数f 2 ． 7～ 3 ． 7 ， 走向长度 2 9 6 5 ． 9 m， 倾斜长度 2 0 7 m， 工作面最 大机采高度为 5 ． 0 m 。基本顶为深灰色粉砂岩、 灰、 灰白色细砂岩与含砾粗砂岩， 直接顶为黄白、 灰白、 灰 绿色岩浆岩、 灰黑色炭质泥岩、 深灰色泥岩， 直接底为 灰褐色、 浅灰色高岭质泥岩， 工作面设计年产 1 0 M t ， 工作面配套设备见表 1 。 表 1 配套设备情况 Ta b l e 1 Co r o l l a r y e q u i p me n t c o n d i t i o n 经塔山煤矿 8 1 0 5工作面生产实践检验 ， 增大机 采高度 可 以有效 提 高 工作 面采 出率 ， 但 采 高大 于 4 ． 5 m后 ， 煤壁片帮 、 冒顶较严重 ， 工作面矿山压力加 1 7 8 2 煤 炭 学 报 2 0 1 2 年第3 7 卷 剧， 管理较困难， 现有支架支护强度 1 ． 4 5 M P a ， 能够 满足工作面支护要求。塔山煤矿采用大采高综放开 采取得了很好的技术经济效益， 对提高我国大采高综 放开采技术水平起到了关键的促进作用 。 6 结 论 1 大采高综放开采机采高度的确定应充分考 虑采放比、 煤壁稳定性 、 矿山压力显现 、 顶煤采出率及 初期设备投资等因素的影响， 结合矿井的实际情况进 行设备选型配套。 2 液压支架所需支护强度不仅跟煤层一次采 出总厚度成正相关性， 在煤层厚度一定的情况下， 支 架支护强度亦随机采高度的增大而增大。 3 大采高综放开采支架后部矸石呈现横向运 动， 运动趋势多与支架掩护梁垂直， 顶煤采出率随着 机采高度的增大而提高， 但不是简单的线性关系。 4 大采高综放开采煤壁前方塑性破坏 区明显 大于大采高综采， 其煤壁稳定性不仅与煤层赋存条 件、 矿山压力、 工作面推进速度等有关 ， 还受上部顶煤 厚度、 硬度及冒落放出程度的影响， 相同机采高度情 况下， 大采高综放开采煤壁更易发生片帮。 5 支架整体顶梁较带铰接前梁机构支顶力大 ， 更有利于抑制煤壁片帮， 两柱整体顶梁综放支架较四 柱铰接前梁支架具有支护效率高、 受力状态好、 便于 采用电液控制等优点， 是大采高综放开采的主要发展 架 型 。 参考文献 王金华． 我国大采高综采技术与装备的现状及发展趋势[ J ] ． 煤 炭科学技术 ， 2 0 0 6， 3 4 1 4 - 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