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1、 第 1 页大采高一次采全高的上覆岩层特性分析摘要摘要：通过数值模拟研究特殊工程地质条件时大采高工作面煤层采厚与导水裂隙带高度的内在关系，并对模拟结果进行对比分析，得出大采高工作面顶板导水裂隙带高度发育的一些规律。关键词关键词：大采高；顶板；导水裂隙带高度；数值模拟第 2 页1 绪 论1.1 研究目的和意义我国国民经济的快速发展，导致能源紧张问题日益突出。我国是一个富煤贫油的国家，据专家预测，到 2030 年，煤炭在我国能源构成中的比重仍将占到 70%左右。伴随着能源需求的不断扩大，煤炭资源的大规模开采依然在所难免。然而，煤炭作为不可再生能源，如何将其经济效益和社会效益相结合起来，以实现国民经
2、济的可持续发展和社会的和谐发展，已成为我国国民经济发展的焦点。厚煤层是指煤厚大于 3.5m 的煤层。我国的厚煤层赋存地域广阔，目前已探明的煤炭地质储量 10000 多亿 t，而厚煤层储量占 45%左右，厚煤层产量约占总产量的 40%50%，厚煤层的合理开采对我国煤炭行业的生产和经济发展有举足轻重的影响。特别是各矿区在投产初期，从提高经济效益出发，优先开采中厚煤层和厚煤层，造成生产接续和资源平衡开采之间的矛盾日益突出，厚煤层的开采越来越突出，厚煤层的开采速度和采出率已成为制约企业发展的一大难题，是一个亟待解决的问题。某矿业集团公司下属的各矿也同样存在着上述矛盾。厚煤层约占公司总产量的 1/5 左
3、右。因而，近长期来看，厚煤层的回采效率及回收率将是制约枣庄矿业集团公司稳定发展的主要问题之一。某矿业集团公司将厚煤层一次全高开采作为重要课题来研究，积极寻找一种适合于厚煤层开采的高产高效采煤工艺，在厚煤层中实现安全、高产、高效生产。此研究将提升我国厚煤层机械化开采程度和厚煤层回收率，为某矿业集团近长期稳定发展从技术等方面提供有力的保证。某矿业集团公司选择 3上405 厚煤层工作面做为试验基地。该厚煤层综采工作面的实验成功，为厚煤层一次采全高并实现稳产高产奠定了坚实的基础，为同类条件矿井逐步完善回采工艺，提高安全生产水平和厚煤层资第 3 页源回收率进行了有益的探索。1.2 国内外研究现状近年来，
4、国内外厚煤层的开采技术方面得到了长足的发展，取得了许多可喜的成果和经验。1.2.1 国外技术研究现状国外技术研究现状国外长壁工作面从一般综采发展到当今的高产高效综采约经历了 15a,这一发展过程表明,由于综采设备不断更新换代,采用重型化、强力化、自动化和机电一体化的设备,走生产集中的途径,才使工作面的单产和工效大幅度提高。广泛采用大功率高效能重型成套机电设备，采煤机总功率在1000kW 以上,最高已达 2285kW,采高已达 5m,大修周期 23a,可采煤量400600 万 t；工作面刮板输送机功率已达 2250kW,槽宽 1200mm,最大输送能力 4000t/h,过煤量 600 万 t 以
5、上；液压支架普遍采用电液阀控制和高压大流量供液系统,架型向两柱掩护式方向发展,最大工作阻力已达 9800kN,移架速度已达 68s/架。1.2.2 国内技术研究现状国内技术研究现状我国从 1978 年起，从德国引进了 G320-20/17 型、G320-23/45 型等大采高液压支架，以及相应的配套设备，与此同时开始研制和试验国产的大采高液压支架和采煤机。经过十多年的努力，现已取得了明显的进展。目前对于厚度 3.54.7m 的缓倾斜厚煤层一次采全厚的综采成套设备已经实现了国产化，经过工业性试验及多年来生产世界的检验，证明国产设备的性能和质量已达到国外同类产品 20 世纪 90 年代的水平；经过
6、各种地质条件的探索和实践，采高为 3.54.5m 的大采高采煤法，在技术上已经基本成熟，技术经济效益明显，所以，厚煤层大采高一次采全厚综采是第 4 页一种有发展前途的采煤法。1.3 厚煤层大采高全厚开采技术突破与创新的关键点一般情况下，由于厚煤层大采高全厚开采高度大，工作面维护空间大，煤壁易片帮，顶板易冒顶；更为重要的是用于该煤层全厚开采的机械化装备配套技术，在国内还不成熟，特别是当厚煤层地质条件比较复杂时，断层多，压力大，开采厚煤层的安全程度和回采率低等，严重地制约着我国厚煤层煤炭大采高一次全厚开采技术的效能。目前，我国对厚煤层的开采大部分矿仍采用倾斜分层或放顶煤工艺进行回采，较少矿采用国外
7、进口的成套设备进行大采高综采工艺回采。采用倾斜分层下行垮落采煤方法与一次采全高及放顶煤开采相比较，其掘进率高，增加了掘进费用，工艺也较复杂。特别是网下开采，顶板破碎，上下出口处难以维护，产量小，效率低。煤炭容易自然发火。因其效率低、成本高，存在安全隐患较多，灾害频繁，厚煤层的资源优势未能充分发挥，不利于煤炭行业的发展，目前为落后的回采方式。综采放顶煤的适应性远比倾斜分层强，但是，放顶煤开采煤尘大、回采率偏低、易自然发火，且工作面瓦斯涌出量大，易局部积聚。采用大采高综采进行厚煤层工作面回采，能取得较好的经济效益。但目前设备大多需要进口，初期投资比较大。目前，依靠进口装备一个大采高综采工作面，初期
8、投资至少需 23 个亿人民币，相当于装备同等规模一个综采工作面初期投资的 10 倍，如此大的投资制约着大采高综采工艺在我国厚煤层开采过程中的应用。因而只要解决厚煤层综采设备配套及回采工艺方面的技术难点，厚煤层综合机械化回采尤其是一次采全高回采将对提高我国厚煤层的安全生产水平和资源回收率起到至关重要的作用。某矿业集团有限责任公司，借鉴我国中厚及厚煤层综合机械化开采的经验，在厚煤层综采工艺研究及配套设备的研制方面进行了有益的探索，第 5 页取得了一定的技术突破和创新，主要表现在：（1）某煤业有限公司 3上405 工作面地质条件大采高开采工艺性进行评价在研究某矿区地质条件对开采影响一般规律的基础上，
9、采用层次分析法对付村矿地质条件开采工艺性进行了综合评估，得出了 3上405 厚煤层大采高工作面地质条件开采工艺性的综合评价等级，确定了地质条件的优劣程度与开采效益的关系，认为 3上405 工作面采用一次全厚综采工艺是可行的。为某矿区厚煤层采用大采高综采工艺提供了理论根据。（2）厚煤层大采高综采工艺方式的确定综采工艺方式主要是指工作面的割煤方式及进刀方式。经理论分析和现场实测，最终将循环作业方式确定为：双向割煤、端部斜切进刀方式，不但降低了工人的劳动强度，而且减少了循环作业时间，提高了生产进度和效益。（3）采用关键层理论和 RFPA 程序对大采高综采工作面的采动覆岩结构特性进行了分析和模拟为研究
10、厚煤层大采高综采工作面的采动覆岩活动规律，并对所设计液压支架的适应性进行评价，分析了大采高工作面的上覆岩层关键层结构效应，并进行了上覆岩层破坏特征数值模拟，揭示了大采高工作面顶板的可控性，为顶板控制提供依据。1.4 拟采取的技术路线课题研究将采用现场调研、理论分析、数值计算、计算机处理及现场工业性试验等综合研究方法，具体技术路线如图 1-1 所示。第 6 页研 究 手 段厚煤层大采高全厚开采成套技术及设备研究与应用研 究 内 容厚煤层综采工作面 开采条件工艺性评价厚煤层综采工作面设备的选型设计与配套大采高综采工作面 工艺方式及工艺参数优 化大采高综采采场矿压 数值模拟与现场实测分析现场调研理论
11、分析数值计算计算机处理厚煤层大采高全厚开采工艺应 用第 7 页2 厚煤层一次采全高的开采条件我国各矿区从提高经济效益出发，优先开采中厚煤层和厚煤层，厚煤层的开采速度和效率及其回收率已成为制约企业发展的一大难题，是一个亟待解决的问题。枣庄矿业集团公司也面临同样的问题。为了矿区的稳定持续发展，厚煤层安全高效开采势在必行。因而厚煤层开采的相关回采工艺及配套设备的研究就成为枣庄矿区目前急需解决的问题。为此，首先需对厚煤层开采方法的选择和开采工艺性的地质条件适应性进行评价。2.1 某矿区厚煤层覆存概况截止 2003 年底，该矿拥有总地质储量 15.08 亿吨，工业储量 8.79 亿吨，可采储量 5.67
12、 亿吨，主要为肥煤、气球、焦煤。某矿业集团公司是一个拥有百年历史的老矿区，开采的煤层多，采煤方法多，采煤工艺多，先后开采的煤层有：二层煤、三层煤、十四层煤、十六层煤、十七层煤。采煤方法主要有：综放、综采、轻型支架放顶煤、轻型支架综采、悬移支架、高档普采、炮采、水采等。到目前为止，某矿业集团公司厚煤层、中厚煤层顶板控制已实现了液压支架化。但该矿业集团公司厚煤层赋存情况比较复杂，不同煤层的顶底板条件差异较大，不易管理，目前几年经常发生顶板伤亡事故。由于该矿业集团老矿井比较多，而矿区内资源有限，随着这几年原煤产量的大幅增加，厚煤层的安全高效回采关系到整个集团公司的原煤产量、安全、整体效益和稳定。由上
13、述可知，该矿区厚煤层煤厚一般在 46m，其中可采储量 12818万 t，约占矿区全部可采煤层储量的 20%。各矿在对现有煤层开采的同时，为保证矿井的持续发展都考虑到厚煤层的高效安全开采。为此，该矿业集团公司在其所属的煤业有限公司，选第 8 页取 3上405 工作面对厚煤层大采高综采工艺及配套设备进行研究，由于首次进行厚煤层大采高一次全高开采的研究，煤业有限公司对该煤层进行了大采高综采地质条件开采工艺性的评价与研究。2.2 大采高综采工作面地质条件2.2.1 工作面位置及井上下关系工作面位置及井上下关系3上405 工作面位于小卜湾村西南 3151680m 范围内；工作面北端上方有 340m 宽的
14、疏洪道穿过；疏洪道以南为昭山湖湖区，该面为水体下采煤。井下位置位于东四采区中南部，东距落差 1090m 的 F33 断层 30-75m，并与 407 工作面采空区相距 230m，西为 3上404 待掘工作面，西距 F16、F17断层 10110m 不等，北以东四集轨 80m 保护煤柱线为界，南距井西边界大屯断层 118198m 不等，见表 2-1。 表表 2-12-1 工作面位置及井上下关系表工作面位置及井上下关系表水平名称-480采区名称东四采区地面标高+3.68+31.79井下标高-167.0392.0地面相对位置位于小卜湾村西南 3151680m 范围内；工作面北端上方有340m 宽的疏
15、洪道穿过；疏洪道以南为昭山湖湖区，该面为水体下采煤。回采对地面设施的影响由于采高在 5.1m 左右，预计采后地表最大下沉量 4m 左右，会出现较大幅度的下沉现象，将会对地表鱼塘及芦苇田产生严重破坏。井下位置及相邻关系井下位置位于东四采区中南部，东距落差 1090m 的 F33 断层3075m，并与 407 工作面采空区相距 230m，西为 3上404 待掘工作面，西距 F6、F17 断层 10110m 不等，北以东四集轨 80m 保护煤柱线为界，南距井西边界大屯断层 118198m 不等。2.2.2 煤层煤层第 9 页3上405 工作面煤层埋藏深度为 167.0392.0m，本工作面煤层总体呈
16、现单斜构造，煤层走向 266336，倾向 35666，煤层倾角5.514，平均 9。煤层厚度 5.195.57m，平均 5.37m，厚度稳定，可采性好。回采工作面所采煤层为二叠系山西组 3上煤层，黑色，似玻璃光泽，性脆，结构简单，属半光型亮煤，工业牌号：气煤；具有明显规则的线理状及条带状结构，节理发育，贝壳状断口，f=1.52.2，属中硬煤层，见表2-2。表表 2-22-2 煤层情况表煤层情况表5.19-5.57煤层结构煤层倾角5.5-14煤层厚度(m)537简单(度)9可采指数1变异系数12稳定程度稳定 煤层情况所采煤层为二叠系山西组 3上煤层，黑色，似玻璃光泽，性脆，结构简单，属半光型亮煤，工业牌号：气煤；具有明显规则的线理状及条带状结构，节理发育，贝壳状断口，f=1.52.2，属中硬煤层；厚度 5.195.57m，平均5.37m，厚度稳定，可采性好。煤层产状：走向 266336，倾向 35666，煤层倾角 5.514，平均 9；煤层底板标高
