【正文】 1 薄煤層 高產(chǎn)高效綜采技術(shù)研究 摘要 ： XX 煤礦位于萊蕪煤田東部，第 15 層煤為本井田主可采煤層之一，煤厚 ～ ，平均 ，含夾石 0～ 2 層，夾石厚度 ～ ，平均 ，為復(fù)雜煤層。頂板為灰色到深灰色粉砂巖或粉細(xì)砂巖互層，穩(wěn)定性較差。老頂為淺灰色中砂巖，鈣質(zhì)膠結(jié)，堅(jiān)硬不易冒落。 為 了改善勞動(dòng)環(huán)境，做到高效、安全的生產(chǎn)，本文針對(duì) 31503 東工作面進(jìn)行了采煤方法改革的研究，由普采改為綜采生產(chǎn)，并進(jìn)行了礦壓觀(guān)測(cè)，得出了其顯現(xiàn)規(guī)律，為指導(dǎo)同等條件下的薄煤層開(kāi)采工作提供了科學(xué)依據(jù)。 論文的最 后對(duì)綜采與普采的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了對(duì)比分析，提出了工作面安全生產(chǎn)技術(shù)措施，以期指導(dǎo)薄煤層高產(chǎn)高效綜采在煤礦開(kāi)采工作中的實(shí)際應(yīng)用。 關(guān)鍵詞： 薄煤層 , 高產(chǎn)高效 , 礦壓 , 綜采 3 目 錄 1 課題的提出 ............................................ 1 薄煤層綜采現(xiàn)狀 ................................... 1 研究的目的和意義 ................................. 1 研究的理論依據(jù) ................................... 2 2 薄煤層開(kāi)采工藝研究 .................................... 6 開(kāi)采技術(shù)條件 ..................................... 6 薄煤層綜采適應(yīng)性分析 ............................. 7 31503 東工作面 巷道布置及支護(hù)設(shè)計(jì) ................ 13 采煤方法 ........................................ 16 主要生產(chǎn)系統(tǒng) .................................... 18 3 綜采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律 ............................... 20 礦壓觀(guān)測(cè)的目的和內(nèi)容 ............................ 20 礦壓觀(guān)測(cè)分析 .................................... 20 礦壓觀(guān)測(cè)結(jié)論 .................................... 28 4 薄煤層綜采工作面 效益分析 ............................. 30 掘進(jìn)及回采成本 .................................. 30 材料成本分析 .................................... 31 其他成本分析 .................................... 33 5 主要技術(shù)措施 ......................................... 35 工作面頂板管理 .................................. 35 工作面防倒防滑措施 .............................. 35 工作面防火 ...................................... 36 6 結(jié)論與建議 ........................................... 38 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 1 1 課題的提出 薄煤層綜采現(xiàn)狀 我國(guó)薄煤層可采儲(chǔ)量為 億 t，約占煤層總可采儲(chǔ)量的 19%，其中 ～ 的緩傾斜薄煤層占 %。中硬以下的薄煤層層數(shù)占總層數(shù)的 %，總的來(lái)說(shuō)，我國(guó) ～ 的中硬以下的薄煤層占大多數(shù)，這些煤層有條件實(shí)現(xiàn)機(jī)械化開(kāi)采。據(jù) 1985~1995 年度煤礦機(jī)械化生產(chǎn)年度報(bào)告， 1985 年 以下的薄煤層產(chǎn)量為 3487萬(wàn) t，占該年度回采總產(chǎn)量的 %， 1995 年下降到 %。緩傾斜薄和極薄煤層開(kāi)采已經(jīng)成為全局性的問(wèn)題。綜觀(guān)全國(guó)形勢(shì)，薄煤層的開(kāi)采越來(lái)越突出，已是一個(gè)急待解決的問(wèn)題。 隨著對(duì)薄煤層高產(chǎn)高效綜采研究的深入，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在這一領(lǐng)域取得了突出成就。近年來(lái)，國(guó)外主要產(chǎn)煤國(guó)家十分重視薄煤層和極薄煤層開(kāi)采技術(shù)的改進(jìn)。這種情況一方面說(shuō)明薄煤層的開(kāi)拓儲(chǔ) 量大，另一方面也說(shuō)明薄煤層的煤質(zhì)好。出于技術(shù)上的需要，也是重視薄煤層開(kāi)采的一個(gè)重要原因。例如，開(kāi)采煤和瓦斯突出煤層時(shí)，薄煤層就是作為解放層被開(kāi)采的。 目前，井工開(kāi)采的薄煤層主要是厚度為 ~緩傾斜煤層。 我國(guó)薄和極薄煤層開(kāi)采技術(shù)研究主要集中在： (1)提高薄和極薄煤層開(kāi)發(fā)的機(jī)械化。我國(guó)自行研制和仿制的采煤機(jī)有 10 多個(gè)機(jī)型，但相對(duì)比較落后，應(yīng)該積極研制開(kāi)發(fā)強(qiáng)力、高效、高能、可靠的第三代采煤機(jī)。此外，還要研制大功率的薄煤層輸送機(jī)。 (2)薄煤層礦壓顯現(xiàn)相對(duì)緩和，在液壓支架有足夠的初撐力和工作阻 力，足夠強(qiáng)度前提下，盡量減小頂梁，底座厚度，增加頂梁下人行道的尺寸，提高支架調(diào)高范圍，發(fā)展支架遠(yuǎn)距離遙控操作，減小勞動(dòng)強(qiáng)度。 (3)提高我國(guó)的無(wú)人工作面采煤技術(shù)。無(wú)人工作面即工人不長(zhǎng)時(shí)在工作面內(nèi)跟機(jī)操作，而是在其他安全地點(diǎn)操縱和控制設(shè)備，完成工作面內(nèi)回采工作。它是煤炭科學(xué)進(jìn)步的方向之一，可以實(shí)現(xiàn)回采的安全，低耗，高效。 研究的目的和意義 我國(guó)薄煤層煤炭資源豐富且分布廣泛，可采儲(chǔ)量約 6150Mt， 占總可采儲(chǔ)量的20%。近年來(lái)，由于薄煤層開(kāi)采，工作面作業(yè)空間狹窄，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，特別是煤山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 2 層埋藏深，地質(zhì)條 件復(fù)雜，斷層多，礦壓大，造成薄煤層開(kāi)采經(jīng)濟(jì)效益低。同時(shí)，我國(guó)薄煤層開(kāi)采工藝和技術(shù)裝備較為落后，致使大量薄煤層煤炭資源處于擱置狀態(tài)，縮短了礦井服務(wù)期限。特別是各礦區(qū)在投產(chǎn)初期從提高經(jīng)濟(jì)效益出發(fā)，優(yōu)先開(kāi)采中厚煤層和厚煤層，造成生產(chǎn)接續(xù)和資源平衡的矛盾日益突出。如何實(shí)現(xiàn)薄煤層安全高效、綜合機(jī)械化開(kāi)采，提高煤炭資源的利用率，進(jìn)行薄煤層綜采配套設(shè)備的研究與應(yīng)用勢(shì)在必行。 由于經(jīng)濟(jì)效益差，開(kāi)采該類(lèi)煤層的綜采設(shè)備機(jī)械化水平普遍較低。配套設(shè)備主要分為下列 2 類(lèi) ： ① 配套國(guó)產(chǎn)液壓支架、刮板輸送機(jī)，采用國(guó)產(chǎn)薄煤層滾筒采煤機(jī)開(kāi)采，如 平頂山、邢臺(tái)、華鎣山等，工作面年產(chǎn)量一般在 50 多萬(wàn) t，條件好的工作面一般也不超過(guò) 100 萬(wàn) t； ② 配套國(guó)產(chǎn)液壓支架，采用進(jìn)口刮板輸送機(jī)和刨煤機(jī)開(kāi)采，如鐵法、西山、晉城等，工作面年產(chǎn)量一般也在 150 萬(wàn) t 左右。 國(guó)外開(kāi)采同類(lèi)煤層的綜采設(shè)備的類(lèi)型和國(guó)內(nèi)相似，也大多采用滾筒采煤機(jī)和刨煤機(jī)，但由于其工作面設(shè)計(jì)合理，配套設(shè)備生產(chǎn)能力大，工作面年產(chǎn)量一般都超過(guò)200 萬(wàn) t，有些甚至超過(guò)了 300 萬(wàn) t。 目前，開(kāi)采中厚偏薄煤層的綜采設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)主要有 ： 簡(jiǎn)化生產(chǎn)系統(tǒng)，減少中間環(huán)節(jié)，加大工作面尺寸，提高設(shè)備的生產(chǎn)能力和可靠性，提高工 作面的自動(dòng)化水平。 31503 東工作面 是 XX 煤礦 315 采區(qū)的首采 工作 面，綜采工作面的推進(jìn)速度 明顯快于普采工作面，采場(chǎng)頂板運(yùn)動(dòng)將呈現(xiàn)新的規(guī)律，對(duì)超前巷道的影響也將發(fā)生較大變化。 本篇論文主要通過(guò)研究該煤礦薄煤層綜采技術(shù)，結(jié)合國(guó)外在薄煤層開(kāi)采方面取得的成果，提出合理的薄煤層高產(chǎn)高效開(kāi)采工藝技術(shù) ， 解決工作面主要設(shè)備配套問(wèn)題，探討薄煤層綜采面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律和巷道支護(hù)技術(shù)，對(duì)改善工作環(huán)境，減少工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高薄煤層采出率，具有重要的指導(dǎo)意義。 研究的理論依據(jù) 自采用長(zhǎng)壁開(kāi)采技術(shù)以來(lái)，回采工作面的頂板控制一直是采 礦學(xué)科研究的核心問(wèn)題之一。 20 世紀(jì) 60 年代至 80 年代初，出現(xiàn)了很多采場(chǎng)頂板結(jié)構(gòu)的假說(shuō)和理論，每種假說(shuō)都以不同方式回答了上覆巖層結(jié)構(gòu)的形式問(wèn)題。在這其中有前蘇聯(lián)工程師山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 3 Ф. 許普魯特提出的壓力拱假說(shuō)；前蘇聯(lián)學(xué)者 。 我國(guó)有錢(qián)鳴高院士在鉸接巖快學(xué)說(shuō)和預(yù)成裂隙梁假說(shuō)的基礎(chǔ)上，提出的上覆巖層開(kāi)采后呈砌體梁式平衡的結(jié)構(gòu)力學(xué)模型 ， 以及宋振騏院士提出的以巖層運(yùn)動(dòng)為中心的礦壓理論。在進(jìn)入 20 世紀(jì) 90 年代后，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)綜放采場(chǎng)的巖層活動(dòng)及礦山壓力顯現(xiàn)特點(diǎn)進(jìn)行了研究，取得了一些較為一致的認(rèn)識(shí)。即 礦山壓力的存在是客觀(guān)的、絕對(duì)的，它存在于采動(dòng)空間的周?chē)鷰r體中。但礦山壓力顯現(xiàn)則是相對(duì)的、有條件的。 壓力顯現(xiàn)強(qiáng)烈的部位不一定是壓力高峰的位置。就某一點(diǎn)而言，壓力顯現(xiàn)的變化幅度與該點(diǎn)壓力大小的增減幅度是相關(guān)的、對(duì)應(yīng)的，但不一定成正比。 影響支承壓力參數(shù)的因素很多，主要有與開(kāi)采深度有關(guān)的原巖應(yīng)力、采空區(qū)的形狀和尺寸、采空區(qū)上覆巖層的性質(zhì)及動(dòng)態(tài)、煤柱的強(qiáng)度及其周?chē)蓜?dòng)狀況以及煤層的開(kāi)采厚度等。這些因素的不同使支承壓力參數(shù)的變化范圍很大，支承壓力參數(shù)主要由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)取得。 研究證明，對(duì)應(yīng)不同的開(kāi)采深度和煤層強(qiáng)度條件， 采場(chǎng)周?chē)簩由现螇毫Ψ植伎赡苡幸韵氯N情況： (1)單一的彈性分布 這種分布的特點(diǎn)是壓力高峰在煤層邊緣，隨與煤壁距離增加按負(fù)指數(shù)曲線(xiàn)規(guī)律遞減，在從煤壁開(kāi)始的整個(gè)分布范圍內(nèi)，煤層都處于彈性壓縮狀態(tài)。此時(shí)，由于煤層邊緣未遭破壞，覆蓋巖層保持了較高的接觸應(yīng)力，很難沿層面剪切滑移，這就決定了采場(chǎng)上覆巖梁間的離層不可能深入到煤壁前方。因此，各巖梁的斷裂只能在煤壁處發(fā)生，而且在巖梁斷裂時(shí)，煤壁前方的巷道中除了可能觀(guān)測(cè)到頂板反彈現(xiàn)象之外，將看不到頂?shù)装逡平让黠@的壓力顯現(xiàn)。 (2)塑性破壞區(qū)的分布 該分布由塑性區(qū)及彈性 區(qū)兩個(gè)部分構(gòu)成。其中彈性區(qū)煤層處于彈性變形狀態(tài)，其壓力分布是一個(gè)高峰在彈塑性交界處并向縱深發(fā)展逐漸下降至原始應(yīng)力值的曲線(xiàn)，各部位壓力與該處煤層的壓縮成正比。相反，塑性區(qū)煤層已遭破壞。顯然，進(jìn)入該狀態(tài)的煤層，如果沒(méi)有水平應(yīng)力的約束，其變形都將會(huì)繼續(xù)發(fā)展。因此，足夠的水平應(yīng)力是該部位煤層在一定壓力下能保持穩(wěn)定的條件。正因?yàn)樗苄詤^(qū)煤層承載能力大幅下降，而且處于極不穩(wěn)定的狀態(tài)，所以無(wú)法阻止上覆巖梁彎曲沉降及巖梁間接觸應(yīng)力消失。這種狀態(tài)為各巖梁間的層面剪切破壞和深入煤壁前方斷裂創(chuàng)造了山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 4 條件。 (3)內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)的分布 這種 分布的主要特點(diǎn)是巖梁深入塑性區(qū)斷裂，原來(lái)完整的應(yīng)力場(chǎng)以巖梁斷裂線(xiàn)為界，明顯地分為兩個(gè)部分。一部分是由運(yùn)動(dòng)著的巖梁重量所決定的內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)，另一部分是與上覆巖層總體重量相聯(lián)系的外應(yīng)力場(chǎng)，包括新擴(kuò)展的塑性區(qū)及彈性區(qū)兩部分。山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 6 2 薄煤層開(kāi)采工藝研究 開(kāi)采技術(shù)條件 礦井概況 XX 煤礦位于萊蕪煤田東部，屬華北石炭二疊系含煤地層，包括中石炭系本溪組，上石炭系太原組，下二疊系山西組。煤系基盤(pán)為奧陶系石灰?guī)r。含煤地層總厚度 300m 左右，共含煤 19 層，含煤總厚度 12m 左右。其中 1 1 19 層為 可采煤層。 礦井采用斜井綜合開(kāi)拓，走向長(zhǎng)壁后退式采煤，冒落法管理頂板，共分 3 個(gè)水平，其中第一水平 (177。0 水平 )，第二水平（ 180m 水平），現(xiàn)已結(jié)束。現(xiàn)開(kāi)采水平為第三水平（ 400m 水平）最大采深達(dá)到 810m，礦井采用炮采 、 炮掘和高檔普采、綜掘。目前 生產(chǎn)能力 60 萬(wàn) t/a， 2022年生產(chǎn)原煤 萬(wàn) t。 煤層賦存條件 (1)煤層賦存條件 工作面的整體構(gòu)造形態(tài)為單斜，但其間有發(fā)育小規(guī)模的向斜和背斜。走向自西部的75176。 到東部的 115176。 。傾向自西部的 15176。 到東部的 25176。 。每煤層傾角總體上呈西緩東陡之勢(shì)，西部 最小傾角 15176。 ，東部最大傾角 25176。，平均 20176。 。煤層的厚度變化范圍為 ～（逆斷層重復(fù)及煤 15 與煤 16 合層除外） ， 平均 。煤層厚度的變化對(duì)對(duì)綜采有一定影響。該段煤層可采指數(shù)為 ，變異系數(shù) %，屬賦存較穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的薄煤層。 (2)地質(zhì)構(gòu)造情況 本面位于 F 付 1 與 F 秦 1 之間，總體構(gòu)造形態(tài)為單斜構(gòu)造，局部有較寬緩的褶曲，構(gòu)造比較復(fù)雜，現(xiàn)階段共揭露落差大于 的斷層 21 條，具體見(jiàn)附表。局部發(fā)育煤層變薄帶。斷層附近的頂板破碎，對(duì)回采有一定影響。 經(jīng)巷道實(shí)際揭露，未發(fā)現(xiàn)巖漿巖侵入體 、陷落柱等。因此，從總體上來(lái)看，該面的地質(zhì)條件屬于較復(fù)雜型。具體見(jiàn)表 。 表 斷層產(chǎn)狀要素表 斷層名稱(chēng) 走向 (176。) 傾向 (176。) 傾角 (176。) 落差 (m) 性 質(zhì) 影響程度 F1 65 335 60 正斷層 頂板破碎 F2 55 325 60 正斷層 頂板破碎 F3 80 350 60 1 正斷層 頂板破碎 F4 78 348 70 正斷層 頂板破碎 F5 50 320 65 正斷層 頂板