超长工作面可行性论证

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1、超长工作面可行性论证1.1 工作面可行性研究的意义综合机械化采煤工作面长度，一般为150220m，如开采技术条件许可工作面长度可达250300m，每个工作面长度尽可能保持一致。普通机械化采煤工作面的长度，一般宜为120160m，对拉工作面，其总长度一般为200300m。炮采工作面长度一般为80150m；当受断层等构造影响时，根据实际情况决定其长度。急倾斜煤层采用伪倾斜柔性掩护支架采煤法的工作面长度一般为3060m。超长工作面指的是工作面长度在300m以上的工作面，超长工作面有以下优点：（1）在回采的过程中，找出合适的工作面长度，能够在很大程度上保证采煤的安全系数。在一定范围内延长工作面距离能够

2、实现工作面的高产高效，达到减员增效，降低消耗的目的。（2）怎样的工作面长度才是最有效的，是研究矿井采煤技术中一直困扰的问题。在适合的条件下，增加工作面的长度，不仅能提高工作面单产、方便巷道布置、简化生产系统、有利于矿井高度集中生产,而且能提高矿井资源采出率,并有利于地表建筑物(如铁路、国道等)的保护。（3）在完善工作面设备配套和提高工作面装备水平的基础上,加长工作面长度,提高综放工作面单产,以推动矿井高度集中生产的发展,加快高产高效矿井建设,这是综放开采进一步发展的方向和标志如何把握工作面的长度，是很关键的问题，过长或者过短，都会在不同程度上影响矿井采煤工作的进程。当工作面的长度超出了合适的范

3、围，会增加开采的时间，从而降低工作效率；反过来说，工作面的长度达不到合适的范围时，大量的投入却只能获得较少的开采量，增加了开采投入的成本。只有不断研究和实践，确定工作面的长度，才能更好的提高工作效率。随着综放工作面长度的加大,工作面设备配套、工艺方式选择与参数优化、顶板矿压显现规律、煤尘瓦斯分布规律、地表沉陷规律等都会出现新的特征,有待进一步研究。因此，对矿井超长工作面的研究，具有着重大的意义。1.2 国内外研究现状1.2.1 覆岩运动规律（1）砌体梁理论钱鸣高院士在铰接岩块学说和预成裂隙梁假说的基础上,借助于大屯孔庄矿开采后岩层内部移动观测资料,研究了裂隙带岩层形成结构的可能性和结构的平衡条

4、件,提出了上覆岩层开采后呈砌体梁式平衡的结构力学模型。该理论认为采场上覆岩层的岩体结构主要是由多个坚硬岩层组成,每个分组中的软岩可视为坚硬岩层上的载荷,此结构具有滑落和回转变形两种失稳形式。该研究的意义主要在于:上覆岩层结构形态与平衡条件的提出,为论证采场矿山压力控制参数奠定了基础。缪协兴、钱鸣高给出了关于砌体梁全结构模型,并对全结构进行了力学分析,得出了砌体梁的形态和受力的理论解以及砌体梁排列的拟合曲线。图1 表示开采后的岩层活动状态图2 承载层所构成的“砌体梁” 力学模型（2）传递岩梁理论以岩层运动为中心的矿压理论宋振骐院士等人在大量现场观测的基础上,建立并逐步完善了以岩层运动为中心,预测

5、预报、控制设计和控制效果判断三位一体的实用矿压理论体系1 ,矿压界也称之为“传递岩梁”理论。这一理论的重要贡献在于:揭示了岩层运动与采动支承压力的关系,并明确提出了内外应力场的观点,以此为基础,提出了系统的采场来压预报理论和技术;提出了“限定变形”和“给定变形”为基础的位态方程(支架围岩关系) ,以及系统的顶板控制设计理论和技术。（3）压力拱假说前苏联工程师许普鲁特提出的压力拱假说认为,采场在一个“前脚在煤壁、后脚在采空区”的拱结构的保护之下。这种观点解释了两个重要的矿压现象:一是支架承受上覆岩层的范围是有限的;二是煤壁上和老塘矸石上将形成较大的支承压力,其来源是控顶上方的岩层重量。由于拱假说

6、难以解释采场周期来压等现象,现场也难以找到定量描述拱结构的参数,所以拱假说只能停留在对一些矿压现象一般解释的水平上。（4）铰接岩块学说前苏联学者TH库茨涅佐夫提出的铰接岩块学说认为,需控的顶板有冒落带和其上的铰接岩梁组成。铰接岩块在水平推力的作用下,构成一个平衡结构。铰接岩块学说的重大贡献在于,它解释了采场周期来压现象,首次提出了预计直接顶厚度的公式,并从控制顶板的角度出发,揭示了支架荷载的来源和顶板下沉量与顶板运动的关系。这一成果是以后矿压理论发展的重要基础,但是该学说对形成铰接岩块平衡结构的采场条件以及支架与顶板之间的作用关系研究不够。1.2.2 工作面矿压显现规律1.2.2.1 一般工作

7、面的矿压显现（1）工作面的初次来压垮落步距较大，根据老顶顶岩层情况，一般为3537 m,直接顶板断裂线与支巷成45左右的夹角，直接顶周期垮落步距一般为1015m。工作面的中期来压步距一般2025 m。（3）工作面有分段来压情况, 但规律不明显。采动影响波及范围较小, 对相邻备用工作面顺槽煤柱几乎没有形成破坏, 在下一个工作面回采之前不必采取加强支护措施。（4）一般工作面矿压分布规律与超长工作面有着明显的差别, 工作面前方支承压力向深部转移的程度比较大。工作在矿压显现较弱, 工作面前方支承压力通过巷道的变形得到释放。（5）采场支架良好的适应性表现在支架与围岩的良好作用关系, 支架对顶板的适应性以

8、及支架对端面顶板的良好控制效果。1.2.2.2 超长工作面的矿压显现（1）分段来压明显，来压分大周期和小周期，工作面部分支架安全阀开启,大周期来压强度强烈, 工作面片帮、爆帮、增大、漏顶现象频繁出现, 并伴随有巨大的顶板破断和垮塌的响声, 架后垮塌的岩石块度较小, 顶板下沉量及顶底板移近量增加。小周期指的是周期来压步距短。（2）采动影响范围大，相邻巷道破坏较严重，有片帮、掉渣、离层显现，超长工作面侧向压力之大、波及范围之广, 完全超出了预想。（3）矿山压力的分布状况，对回采工作面的支护具有重要影响，加强矿压观测工作，认真分析围岩受力状态，是工作面安全生产的前提。（4）采场顶板最大下沉量随着面长

9、的增大而增大，但是增大幅度逐渐减小。当面长超过300m后，顶板最大下沉量基本保持不变。面长对工作面支承压力影响不明显。（5）采工作面超前支承压力影响范围大，所以在工作面回采期间，应加大超前支护范围。1.2.3 设备选型问题。工作面长度加长后, 单产大幅度提高, 因而对配套设备在运输能力、装机功率、强度、可靠性等方面提出了更高的要求, 设备的选型配套更应注重彼此间协调与配合。 超长工作面设备的合理配套是实现工作面高产高效、经济和安全生产的前提条件, 其配套的基本原则是:（1）从我国国情出发, 依据国内现有的煤机制造能力, 结合企业生产实际, 实现超长综放工作面国产化设备的选型配套。（2）设备选型

10、配套应与工作面参数相适应, 工作面参数是工作面生产能力的综合体现, 是设备选型配套的依据。（3）采煤机与前部刮板输送机能力应合理匹配, 避免出现压溜、断链等事故。（4）前、后刮板输送机能力应合理匹配, 实现采放工序平行作业, 避免出现割煤相对放煤能力过剩现象。（5）巷道设备及外运系统能力也应相互匹配, 使工作面设备效能得以充分发挥, 避免出现“瓶式” 配置, 造成窝工降效。1.2.4 超长工作面研究的关键问题（1）超长工作面的合理长度加大采煤工作面长度,主要是为了提高单面集中生产能力和效率。在不受煤层赋存条件、通风及安全条件及工作面配套设备的装备水平等制约时,在一定的范围内,工作面长度与单面单

11、产和效率成正比。但当工作面超过一定长度后,随着工作面顶板管理难度增大,设备故障增加,劳动复杂,工作面单产和效率也将受到影响。（2）摸清超长工作面采场矿压规律布置超长工作面,实现高度集中生产,开采空间和采出量明显大于普通工作面开采, 随着开采日益向深部延深，矿山压力显现更加频繁，由此引起采场覆岩的大范围破坏与运动,工作面矿压显现会出现新的特征尤其是超长工作面，如果矿山作业人员能够准确预测矿压显现的预兆，做出合理的判断及采取正确的预防措施，将会对井下人员的安全和减少矿山经济损失方面起到积极作用。（3）控制好工作面的支承压力顶板最大下沉量随着采深、面长的增大而增大，增大幅度逐渐减小，随着采高的增大而

12、急剧增大；工作面支承压力峰值随着采深的增大而增大，随采高的增大而减小，峰值位置均向煤壁前方发生迁移；工作面面长对支承压力影响不显著，所以在其他条件不变的情况下，增加面长矿压显现变化不大。（4）装备的选择不同的采煤方法， 其支护和运输系统均不相同， 采煤方法确定了，工作面支护也随之确定。工作面装备对工作面长度的影响主要表现在工作面设备运输能力和有效铺设长度。掩护支架工作面由于煤炭自溜而受工作面装备条件影响甚微，但要保证运输设备出煤能力必须与工作面生产能力相匹配。（5）现场管理水平加强技术创新，加快技术进步，是新形势下实施科教兴煤战略的重要内容，是改善煤炭行业面貌的系统工程。煤炭生产企业安全为天，

13、加强技术管理则又是实现煤矿安全生产的前提。煤矿事故，特别是重大恶性事故的发生，有相当一部分是由于技术管理不到位或出现漏洞而造成的。因为技术管理具有超前性，规划性和指导性的特点，因此，加强技术管理，提高技术管理水平是实现安全生产的前提。管理工作水平的高低，对确定工作面长度的影响很大，如技术管理水平较高，具有能确保工作面的规格质量和设备正常运转，并对因地质条件局部变化出现的困难，能迅速采取措施进行正常回采，工作面长度宜取长些，否则应取短些。从生产管理来看，短工作面易于管理，这是由于地质变化小，顶板管理相对简单，工作面容易做到“三直两平”机电事故也少。对于初采初放用新的采煤方法矿井，由于受技术管理水

14、平和设备操作熟练程度等因素的制约，工作面长度宜短些。（6）回采工艺的选择工作面采用的回采工艺不同， 对确定工作面长度有明显的影响。掩护支架工作面由于其回采工艺本身要求其出煤由下至上通过面向溜槽自溜运输，这就从客观上限制了工作面的长度不宜过长，高档普采工作面，为了充分发挥采煤机组的效能，实现工作面的高产高效，在同样的条件下工作面长度应比炮采长，简易支架放顶煤工作面，由于其开采煤层较厚，工艺上存在采、放煤，工作面生产能力大，因而在通常情况下，其面长应比普通炮采工作面长度要短些。1.3 研究超长采煤工作面布置的必要性（1）减少工作面数目降低工程量由于工作面的加长，显然在一定的长度内布置的工作面的数量减少，降低了巷道的掘进率，从而减少了工程量。（2）减少设备安装减少大修和租赁费用工作面长度增加，工作面数目相对减少，相应减少了掘进设备和工作面生产设备的安装、撤除及大修和租赁费用。（3）有利于实现矿井高产高效工作面面长的加大，减少了工作面回采时采煤机进刀的次数，减少了工作面端头支护时间，保证了工作面有效生产时间，有利于提高工作面产量，保证矿井总产量的持续稳定。（4）提高了采出率，减少了煤炭损失量由于工作面的加长，使得煤柱的留设适当的减少了一些，从而增加了煤炭的输出，提高了采出率。