布尔台煤矿大采高开采转综放开采实践研究.pdf

第 40 卷第 12 期 煤 炭 科 学 技 术 Vol. 40No. 12 2012 年12 月 Coal Science and TechnologyDec．2012 布尔台煤矿大采高开采转综放开采实践研究 杨荣明1，吴士良2 1. 神华神东煤炭集团有限责任公司，陕西 神木719300;2. 山东科技大学 资源与环境工程学院，山东 青岛266590 摘要布尔台煤矿 42101 －1 和 42102 －2 大采高综采工作面回采过程中出现了严重的冒顶、片帮 等强烈矿压显现，工作面难以安全高效回采。为此，对该矿 4 －2 煤层新回采工作面选用综放开采 工艺的可行性进行研究。采用多因素模糊综合评判方法，评判了采深与单轴抗压强度比值、夹矸强 度、采放比、煤层节理裂隙间距、夹矸厚度、直接顶岩性和基本顶岩性的冒放性隶属度，得到 4 － 2 煤层冒放性综合隶属度为 0. 82 ～0. 85，煤层具有良好的冒放性。结合工作面顶板结构参数和大采 高综采工作面实测矿压参数，可预计 4 －2 煤层综放支架支护强度为 1. 36 ～1. 39 MPa。综放工作面 实际回采表明工作面矿压显现正常，单产达到 52. 4 ～63. 1 万 t，工作面实现了高产高效回采。 关键词综放开采;多因素模糊综合评判;冒放性隶属度;采煤工艺;侏罗系煤层 中图分类号TD823. 9文献标志码A 文章编号0253 －2336 201212 －0008 －03 Study and Practices on Changing from Fully Mechanized High Cutting Coal Mining to Fully Mechanized Top Coal Caving Mining in Buertai Mine YANG Rong- ming1，WU Shi- liang2 1． Shenhua Shendong Coal Group Corporation Ltd． ，Shenmu719300，China; 2． School of Resources and Environmental Engineering，Shandong University of Science and Technology，Qingdao266590，China AbstractDuring the mining processes of No. 42101 － 1 and No. 42102 － 2 fully mechanized high cutting coal mining faces in Buertai Mine，there were serious roof falling，spalling and other strong roof strata pressure behaviors occurred and the coal mining faces were hard to have a safety and high efficient mining operation． Therefore，a study was conducted on the feasibility of the fully mechanized top coal caving mining technique selected for a new coal mining face in No. 4 －2 seam of the mine． The multi factors fuzzy comprehensive judging was applied to judge the mining depth and the uniaxial compressive strength ratio，parting strength，mining and caving ratio，seam joint crack interval，parting thickness，caving membership of the main roof lithology and base roof lithology． The caving comprehensive membership of No. 4 －2 seam was 0. 82 ～0. 85 and the seam would have a good caving． The roof structure parameters of the fully mecha- nized top coal caving mining face and the site measured mine strata pressure parameters of the high cutting fully mechanized coal mining face combined could predict that the support strength of the powered support for fully mechanized top coal caving mining face in No. 4 －2 seam was 1. 36 ～1. 39 MPa． The actual mining of the fully mechanized top coal caving mining face showed that the mine strata pressure behavior of the mining face was normal，the production of the mining face was 0. 524 ～ 0. 631 million tons and the high production and high efficiency was realized in the coal mining face． Key wordsfully mechanized top coal caving mining;multi factors fuzzy comprehensive judement;caving membership;coal mining technique;Jurassic seam 收稿日期2012 －10 －30;责任编辑曾康生 作者简介杨荣明 1965男，内蒙古固阳人，高级工程师，现任神华神东煤炭集团有限责任公司副总经理。 网络出版时间2012 －12 －12 095832;网络出版地址http/ /www. cnki. net/kcms/detail/11. 2402. TD. 20121212. 0958. 003. html 引用格式杨荣明，吴士良． 布尔台煤矿大采高开采转综放开采实践研究 ［J］ ． 煤炭科学技术，2012，40 12 8 －10，14． 自 “十一五”期间以来，分层开采、大采高 综采、放顶煤开采已成为中厚煤层开采的主要技 术，而放顶煤开采对煤层厚度变化的适应性最强， 综采放顶煤技术逐渐成为我国煤矿厚及特厚煤层高 产高效开采的主要开采工艺［1 －2 ］。现阶段，对厚煤 层综放开采的研究，就是要进一步研究煤层冒放 性，对厚煤层可放性分类进行了定量分类，提出了 煤层可放性指数、冒放性综合隶属度等研究方法， 8 杨荣明等布尔台煤矿大采高开采转综放开采实践研究2012 年第 12 期 认为影响煤层冒放性的主要因素是开采深度和煤体 强度。设计生产能力 2 000 万 t/a 的布尔台煤矿原 采用大采高综采的采煤工艺，已回采了 42101 － 1 和 42102 －2 共 2 个工作面，但是，实际生产中存 在达不到设计采高、工作面压力大、冒顶片帮严 重、支架工作阻力超出额定工作阻力等问题，经研 究决定新的工作面欲采用综放开采来解决这些问 题，但综放开采与煤层的冒放性有关，影响顶煤冒 放性的主要因素有煤层强度、开采深度、顶板岩性 及厚度、煤层厚度、顶煤节理裂隙的发育程度以及 煤层的夹矸层数和厚度等，这些因素对顶煤冒放性 的影响程度不一，就某一具体放顶煤工作面地质条 件而言，有的因素利于放顶煤开采，有的因素则不 利于放顶煤开采，因此顶煤冒放性的研究是一个多 因素模糊综合评判的过程［3 ］。 14 －2 煤层地质条件 1地质构造与煤层赋存特征。侏罗系 4 － 2 煤层其构造形态总体为近水平产状的单斜构造，煤 层倾角小于 5，4 － 2 煤层全区可采，合并区可采 高度 0. 87 ～7. 24 m，平均 5. 90 m，该煤层结构简 单，一般不含夹矸或局部含 1 层夹矸，层位稳定， 对比可靠。 2煤层储量和分厚度统计特征。4 －2 煤层合 并区大部分区域煤层厚度均大于 5 m。截至 2010 年 12 月31 日，全井田4 －2 煤保有地质储量 81 865 万 t，其中合并区保有地质储量 65 992 万 t，合并区煤 层厚度大于5 m 的保有地质储量49 772 万 t。 3煤层顶底板。顶板为厚度 8. 2 ～ 35. 0 m 的 砂质泥岩;底板厚度 8. 2 m，岩性以砂质泥岩为 主，局部为泥岩、粉砂岩。 4自然发火和瓦斯。矿区内各煤层变质程度 低，挥发分较高，且含有黄铁矿结核或薄膜，给煤 层自燃提供了有利条件。据矿区内 4 个钻孔燃点测 定结果，煤层自燃倾向等级为自燃倾向性煤层。煤 层中瓦斯含量很低，为 0. 01 ～0. 47 mL/g。瓦斯成 分中可燃气体含量均小于 48，都存于二氧化碳 － 氮气带及氮气 － 沼气带中，均属瓦斯风化带。 2大采高综采存在的主要问题 1实际采高达不到大采高设计要求。根据回 采地质说明书，42102 － 1 工作面煤层厚度 6. 45 ～ 7. 24 m，平均厚度 6. 71 m，最终确定采高为 6. 1 m，由于顶板不易控制，回采过程中，实测采高约 为 5. 16 m。 2冒顶、片帮严重。大采高工作面开采过程 中，容易产生架前漏矸，顶煤提前冒落，导致支架 顶梁接顶不实，经常发生冒顶，最大冒顶高度 4 000 mm。工作面顶板压力大，煤壁片帮严重， 片帮深度最大可达 2 000 mm 以上。 3顶板压力大。工作面顶板来压时，常有 30 以上支架的工作阻力超过其额定工作阻力 10 800 kN ，对支架安全阀开启压力进行了上调， 安全阀开启压力由原来的 43 MPa 调整至 45 MPa， 这样导致支架工作阻力远超出了支架的额定工作阻 力，容易出现炸缸，存在串液漏液、崩管等隐患。 4回采进度和效能达不到要求。42102 －1 工 作面 2010 年 1012 月的回采进度，割煤速度为 7. 15 ～9. 60 刀/d，平均 7. 86 刀/d，远不能达到工 作面回采作业规程规定的 16 刀/d，大采高综采工 艺效能不能充分发挥。因此必须寻求适合该煤层合 理采煤方法。 34 －2 煤层一盘区综放开采工艺可行性 3. 1顶煤冒放性综合评价 影响顶煤冒放性的因素主要有采深与单轴抗压 强度等 7 项，各因素对顶煤冒放性影响用冒放性隶 属度进行评价，采用模糊数学方法分别对各个因素 的冒放性隶属度进行分析，最终提出顶煤冒放性评 价的综合指标 综合隶属度值。各因素对冒放性 综合隶属度影响所占比例称为权重，权重表明了各 因素冒放性隶属度对于冒放性综合隶属度的重要性 关系。据已有研究结果，各因素的权重 Ai取值如 下 ［3 ］①采深与煤层单向抗压强度之比取 0. 23; ②直接顶岩性取 0. 12;③ 基本顶岩性取 0. 10; ④采放比取 0. 14;⑤节理间距取 0. 14;⑥夹矸厚 取 0. 12;⑦夹矸强度取 0. 15。 根据布尔台煤矿 4 － 2 煤层具体的地质和生产 条件，可以得到 4 － 2 煤层的顶煤冒放性影响因素 及指标如下①开采深度与单向抗压强度比 n。开 采深度为 382 ～467 m，平均 424. 5 m，煤层单向抗 压强度为 15 MPa，故 n 28. 3，此因素冒放性隶属 度 μ10. 85。②直接顶岩性。通过直接顶初次垮 落步距评判，直接顶垮落步距 13. 1 ～ 14. 9 m，此 9 2012 年第 12 期煤 炭 科 学 技 术 第 40 卷 因素冒放性隶属度 μ20. 8;③基本顶岩性。基本 顶初次来压步距、直接顶与割煤高度比和基本顶来 压程度评判。实测 4 － 2 煤层工作面基本顶初次来 压步距 30. 0 m，直接顶厚度为 16 m，割煤高度为 3. 5 m，基本顶来压明显，此因素冒放性隶属度 μ3 0. 6。④采放比。设计割煤高度 3. 5 m，放煤高 度 3. 2 m，采放比为 1. 00∶ 0. 91，煤层普氏系数小 于 2. 5，此因素隶属度 μ4 0. 5;若设计割煤高度 3. 0 m，放煤高度 3. 7 m，采放比为 1. 00∶1. 23， 此因素隶属度 μ40. 7。⑤煤层节理裂隙间距。煤 层单向抗压强度 15 MPa，节理裂隙间距 30 ～ 40 cm，此因素隶属度 μ5 0. 9。⑥夹矸层厚。无夹 矸，此因素冒放性隶属度 μ61。⑦夹矸强度。此 因素隶属度 μ71。 根据以上各因素的冒放性隶属度及每一因素对 顶煤冒放性影响的权重分配，计算得顶煤冒放性综 合隶属度 μ ∑ 7 i 1 Aiμi/∑ 7 i 1 Ai∑ 7 i 1 Aiμi 0. 817 5 ～ 0. 845 5 ，其中μ 为顶煤冒放性综合隶属度;μi 为各影响因素的冒放性隶属度。据经验，当其值为 0. 8 ～0. 9，属顶煤冒放性好。 3. 2综放瓦斯防治 布尔台煤矿 42102 －1 工作面煤层中瓦斯含量 最大为 0. 33 mL/g，自然瓦斯成分中 CH4含量最大 为 35. 37，所以，工作面煤层中最大瓦斯含量为 0. 933 m3/t。42102 －1 综放工作面相对瓦斯涌出量 q10. 95 m3/t。按采高 3. 8 m 计算，42102 － 1 综 放工作面绝对瓦斯涌出量 q2 q1Qr/T 11. 7 m3/ min，其中Qr为综放工作面日产量，取 17 869. 5 t;T 为涌出时间，取 1 440 min。 根据瓦斯绝对涌出量测算的工作面需风量 q 100q2k 1 872 m3/min，其中 k 为瓦斯涌出不均匀的 备用风量系数，取 1. 6。目前 42102 －1 综采工作面 风量为 1 400 m3/min，如果采用综放开采，需加大 工作面风量，以稀释工作面瓦斯，确定工作面风量 2 000 m3/min。如工作面实际平均割煤速度为 9 刀/ d，工作面风量需按照产量进行重新核定 ［ 4 －6 ］。 3. 3综放支架支护强度计算 布尔台煤矿大采高综采工艺支架型号为 ZY10800/28/63，支护强度 1. 06 MPa。 1来压前顶板压力计算。通过矿压观测研究 表明，初次来压后工作面正常推进时，综放工作面 来压前的支架载荷仍只是直接顶的岩重，来压时仅 考虑基本顶有小部分作用力形成压力的增加量［7 ］。 按直接顶平均厚度 MZ18. 425 m，下位直接 顶厚度为 7. 0 m，顶煤厚度 3. 2 m 计算。来压前顶 板压力 P1 M1γZ M2γZfZ hγ2f2，其中M1为 下位直接顶厚度，取 7 m;M2为上位直接顶厚度， M2 MZ－ M111. 425 m;γZ为直接顶容重，取 26 kN/m3;fZ为上位直接顶悬顶系数，取 2. 04;h为 顶煤厚度，取 3. 2 m;γ2为顶煤容重，取 13 kN/m3;f2为顶煤悬顶系数，取 1. 0［8 ］。因此，来 压前顶板压力 P1829. 58 kPa。 2来压时顶板压力计算 ［7 ］。按 2 种方法计 算①按综放来压前的预计顶板压力计算，并考虑 动载系数，此时顶板压力 P2 P1kD 1 327. 328 kPa，其中 kD为动载系数，取 1. 6;②按大采高 5. 2 m综采开采来压时实测顶板压力的 1. 2 倍 计算，此时 P21. 2P01 298. 4 kPa，其中P0为 大采高综采来压时实测顶板压力，取 1 082 kPa。 3布尔台煤矿 4 － 2 煤综放支架合理工作阻 力的选择。神东矿区柳塔矿使用的综放支架型号 ZFY10200/25/46D 额定支护强度 铭牌标示值 为 1. 08 ～1. 11 MPa，支架类型为二柱支撑掩护式。 布尔台矿综放支架类型仍可选择二柱支撑掩护式， 但支架工作阻力应适当提高。 综合上述结果，综放支架最小支护面积 Smin 9. 103 5 m2，其中，顶梁长度 4 750 mm，梁端距 452 mm，架宽 1 750 mm。 设顶板垂直压力 外载为 Q，支架立柱提 供的工作阻力为 P，根据该支架结构有关参数计算 得，柱支顶梁掩护式支架外载 Q 与立柱的工作阻 力 P 之间的关系 ［9 ］为P≈1. 05Q。因此，可根据 外载来估算支架工作阻力，而外载和顶梁支护面积 有关。按最小支护面积计算Q P2Smin11 820 ～ 12 083 kN，因此，支架合理工作阻力 P 1. 05Q 12 411 ～12 687 kN。 3. 4综放开采经济分析 综放开采生产效果可以用产量、采出率等指标 来表示 ［10 ］。42102 －1 工作面推进长度2 519 m，核 定煤厚平均 6. 82 m，密度 1. 30 t/m3，地质储量 670. 3 万 t，大采高综采回收煤炭 509. 4 万 t，采出 率 76。如果按综放开采，工作面采高设计为 3. 8 下转第 14 页 01 2012 年第 12 期煤 炭 科 学 技 术 第 40 卷 图 6 1411 工作面回风巷变形量曲线 4结论 采用理论分析和数值模拟试验的方法，对短工 作面卸压参数设计研究，最后确定短工作面开采长 度为 30 m，保证 1 号煤层开采卸压后，4 号煤层工 作面回风巷处于卸压保护范围内，通过对 4 号煤层 工作面巷道变形量观测对比分析发现，卸压后的工 作面巷道变形量明显减小，结果表明，短工作面开 采 1 号煤层上解放层能有效降低 4 号煤层工作面回 风巷发生冲击地压的危险性。 参考文献 ［ 1］钱鸣高，石平五 . 矿山压力与基岩控制 ［ M］ ． 徐州中国 矿业大学出版社，2003． ［ 2］郑玉友，郭启彬 . 星村煤矿深部冲击矿压防治技术 ［J］ ． 煤矿开采，2008，13 2 77 －80． ［ 3］朱万成，左宇军．动态扰动触发深部巷道发生失稳破裂的 数值模拟 ［J］ ． 岩石力学与工程学报，2007，26 5 915 －921． ［ 4］齐庆新，雷毅，李宏艳，等．深孔断顶爆破防治冲击地 压的理论与实践 ［J］．岩石力学与工程学报，2007，26 S0 3522 －3527． ［ 5］潘俊锋，宁宇，毛德兵，等．煤矿开采冲击地压启动理 论 ［ J］ ． 岩石力学与工程学报，2012，31 3 586 －589． ［ 6］潘俊锋，宁宇，秦子晗，等．基于冲击启动理论的深孔 区间爆破疏压技术 ［J］ ．岩石力学与工程学报，2012，31 7 1414 －1421． ［ 7］张明海，刘向峰，王来贵 . 避免采矿诱发冲击地压成灾的 卸压硐法 ［J］．辽宁工程技术大学学报自然科学版， 2001，20 6 778 －780． ［ 8］陈国祥，郭兵兵，窦林名 . 褶皱区工作面开采布置与冲击 地压的关系探讨 ［J］．煤炭科学技术，2010，38 10 27 －30． ［ 9］于贵良，李前，王元杰 . 深部急倾斜特厚煤层分层开采 冲击地压防治技术 ［J］ ．煤炭科学技术，2011，39 2 檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶 17 －21． 上接第 10 页 m，放煤高度 3. 02 m，割煤采出率约 100、顶煤 采出率 70，可回收煤炭 575. 5 万 t，采出率为 85. 8。因此，采用综放开采相同厚度的煤层，比 综采的采出率提高 9. 8。综放开采比大采高综采 开采多回收煤炭 65. 689 4 万 t，按照吨煤 150 元计 算，单工作面直接经济效益 9 853. 41 万元，全矿 井 4 －2 煤层可多创收 373 290 万元。 4结语 对神东煤炭集团布尔台煤矿侏罗系 4 － 2 煤层 一盘区影响顶煤可放性的 7 个指标进行演算，得到 4 －2煤顶煤冒放性综合隶属度为 0. 82 ～ 0. 85，可 放性为好。现场观测 42102 － 1 工作面支架后方顶 煤、顶板冒落及时，测得顶煤块度 200 ～ 600 mm， 说明 4 － 2 煤层一盘区煤层比较破碎，容易垮落， 适宜放顶煤开采。根据矿压分析定量计算综放支护 强度为 1. 36 ～ 1. 39 MPa。建议工作面风量 2 000 m3/min 以上。布尔台煤矿 42103 综放工作面煤层 平均厚度 6. 70 m，倾角 1 ～ 6。采用综放支架型 号 ZFY12500/25/39D，支护强度 1. 33 ～1. 35 MPa。 工作面平均采高 3. 7 m。2012 年 5 月 17 日开始回 采，至 10 月 10 日工作面推进 988 m。工作面单产 量最高 63. 1 万 t，最低 52. 4 万 t，共采煤 256 万 t。 参考文献 ［ 1］吴士良，席京德，张开智，等． 年产 400 万 t 综放工作面回 采工艺试验研究与设计 ［J］ ．煤炭学报，2000，25 4 343 －347． ［ 2］谭云亮，吴士良，尹增德，等．矿山压力与岩层控制 ［ M］ ． 北京煤炭工业出版社，2008179 －185． ［ 3］李孟臻，张东升，吕修明，等．综放工作面顶煤冒放性评 价 ［ J］ ． 矿山压力与顶板管理，2003，19 3 64 －66． ［ 4］王举文 . 综放面上隅角与回风流瓦斯综合治理技术 ［J］ ． 煤矿开采，2012，17 1 89 －90，41． ［ 5］俞启香 . 矿井瓦斯防治 ［M］ ．徐州中国矿业大学出版 社，199356 －61． ［ 6］徐永圻 . 煤矿开采学 ［M］．徐州中国矿业大学出版社， 1999135 －138． ［ 7］吴士良，宋扬，来存良，等． 综放面顶板结构研究 ［J］ ． 煤炭科学技术，1999，27 2 39 －42． ［ 8］刘锦荣 . 特厚煤层综放采场直接顶关键层及支架适应性 ［ J］ ． 煤炭科学技术，2009，37 6 1 －4． ［ 9］赵宏珠 . 综采面矿压与液压支架设计 ［M］． 徐州中国矿 业学院出版社，198788 －90． ［ 10］胡勋军，孙学伟 . 放顶煤开采经济技术分析 ［J］ ． 煤炭技 术，2003，22 6 47 －48． 41