潞安厚煤层一次采全高
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潞安厚煤层一次采全高 综采技术研究. 主讲人:李晋平 张文平. 背景介绍. 为尽早建成潞安第一个大采高综采示范工作面, 2011 年 2 月开始经实地调研,综合对比分析,筛选出最适宜进行大采高综采的试验首采工作面在王庄矿 +540 水平 7105 工作面。. 一、基本概况. 1 、工作面概况.

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潞安厚煤层一次采全高综采技术研究

主讲人:李晋平

张文平


背景介绍

  • 为尽早建成潞安第一个大采高综采示范工作面,2011年2月开始经实地调研,综合对比分析,筛选出最适宜进行大采高综采的试验首采工作面在王庄矿+540水平7105工作面。



1、工作面概况

  • 王庄7105工作面地质构造较相对简单,煤层厚度5.7-7.7m,平均6.7m,倾角一般在10°以下,普氏系数f为0.8-2.5,裂隙较发育。在巷道掘进过程中,揭露了4条与工作面走向斜交或正交的断层,落差分别为3m、1m、6m、3.5m。工作面斜长270m,走向长度960m,可采长度530m,可采储量130万t,工作面涌水量60-80m³/h,相对瓦斯涌出量2.1m3/t。


2、煤层顶底板条件

  • 老顶:位于直接顶之上,其岩性为灰白色石英长石砂岩。分层厚度大且不稳定,范围从5.94-18.58m,平均厚度11.50m。

  • 直接顶:位于煤层和伪顶之上,为灰黑色泥岩或砂质泥岩,含植物化石碎片,层理较发育。层厚不稳定,变化范围0-12.65m,平均4.93m。



二、大采高综采煤岩适应性实测伪顶:直接位于煤层之上,为黑色泥岩或炭质泥岩,厚度极不稳定,硬度低,含有丰富的植物化石碎片,随采随落。


1.伪顶:直接位于煤层之上,为黑色泥岩或炭质泥岩,厚度极不稳定,硬度低,含有丰富的植物化石碎片,随采随落。煤岩强度测试

  • 煤岩物理力学试验

    选择在7105首采工作面邻近的71轨道巷和回风巷取样,进行了物理力学试验,煤层分上下两层取煤样,试验包括煤岩样的单轴抗压试验、三轴试验等,主要测定了3#煤层抗压强度、弹性模拟、泊松比、含水率、密度等物理力学性质。


3#伪顶:直接位于煤层之上,为黑色泥岩或炭质泥岩,厚度极不稳定,硬度低,含有丰富的植物化石碎片,随采随落。煤岩物理性质测试结果


3#伪顶:直接位于煤层之上,为黑色泥岩或炭质泥岩,厚度极不稳定,硬度低,含有丰富的植物化石碎片,随采随落。煤岩层试样的力学性质测试结果


  • 实验室岩块强度测试结果伪顶:直接位于煤层之上,为黑色泥岩或炭质泥岩,厚度极不稳定,硬度低,含有丰富的植物化石碎片,随采随落。:

    3#煤层单向抗压强度为5.2-14.2MPa,总体来说煤层强度较低。直接顶平均抗压强度62MPa,老顶平均抗压强度103MPa,属坚硬顶板,底板硬度较高。


2.伪顶:直接位于煤层之上,为黑色泥岩或炭质泥岩,厚度极不稳定,硬度低,含有丰富的植物化石碎片,随采随落。原位岩体强度测试

  • 在71采区辅助运输巷布置了5个测站,每个测站布置两个测孔,分别为顶孔和煤帮孔,钻孔直径均为56mm。


  • 测试结果: 伪顶:直接位于煤层之上,为黑色泥岩或炭质泥岩,厚度极不稳定,硬度低,含有丰富的植物化石碎片,随采随落。

    3号煤层直接顶以泥质砂岩为主,其强度在40-60MPa之间,平均强度为52.14MPa;老顶以砂岩为主,平均强度为85.38MPa,属于坚硬顶板。3号煤体强度大部分集中在11-17MPa之间,平均强度14.37MPa。总体来看,由煤体强度曲线可得到,煤层完整性较差。


3.伪顶:直接位于煤层之上,为黑色泥岩或炭质泥岩,厚度极不稳定,硬度低,含有丰富的植物化石碎片,随采随落。煤体裂隙分布特征实测

  • 为全面了解煤体裂隙发育状态,在71采区皮带巷掘进头附近,进行水平钻孔和顶煤垂直钻孔。①水平钻孔:距离底板1.5m向两帮施工水平钻孔,钻孔直径35mm,深度7-10m。②顶煤钻孔:深度3-4m,沿垂直方向穿透顶煤直至岩层。采用钻孔窥视仪进行观测。


  • 实测结果表明:伪顶:直接位于煤层之上,为黑色泥岩或炭质泥岩,厚度极不稳定,硬度低,含有丰富的植物化石碎片,随采随落。

    7105工作面煤体原生裂隙较发育,根据两帮窥视结果,围岩松动破碎带深度0-1m。


4.伪顶:直接位于煤层之上,为黑色泥岩或炭质泥岩,厚度极不稳定,硬度低,含有丰富的植物化石碎片,随采随落。工作面底板比压测定

  • 选择在相邻采区 6202工作面回风巷超前支护区域进行底板比压测试,共布置了5个测点。测试数据如下:


相邻采区伪顶:直接位于煤层之上,为黑色泥岩或炭质泥岩,厚度极不稳定,硬度低,含有丰富的植物化石碎片,随采随落。6202工作面底板比压测定结果


  • 相邻采区 6202工作面伪顶:直接位于煤层之上,为黑色泥岩或炭质泥岩,厚度极不稳定,硬度低,含有丰富的植物化石碎片,随采随落。底板比压测定结果:

    底板比压最大值为37.5MPa,最小值为17.2MPa,平均27.96MPa。实测底板比压未考虑水的渗透侵蚀、底板风化和工作面采煤工艺的扰动与破坏等。取实测底板比压强度的0.75倍作为底板容许比压,则容许比压最大值为28.1MPa,最小值为12.9MPa,平均20.9MPa。


5.伪顶:直接位于煤层之上,为黑色泥岩或炭质泥岩,厚度极不稳定,硬度低,含有丰富的植物化石碎片,随采随落。煤厚及储量

  • 根据王庄矿后备区3煤层等厚线图,分析71采区7105-7107和91采区9101-9107工作面10个工作面范围内的154-166钻孔柱状图,煤层厚度均在7.0m以下,共计地质储量约5380万t。


6.伪顶:直接位于煤层之上,为黑色泥岩或炭质泥岩,厚度极不稳定,硬度低,含有丰富的植物化石碎片,随采随落。其它地质条件

  • 瓦斯:王庄矿瓦斯涌出量呈逐年增长趋势,据王庄矿瓦斯鉴定报告,矿井瓦斯绝对涌出量28.22m3/min,相对涌出量3.23m3/t;二氧化碳绝对涌出量为16.59m3/min,相对涌出量2.48m3/t。


  • 煤层自燃:王庄矿井开采的伪顶:直接位于煤层之上,为黑色泥岩或炭质泥岩,厚度极不稳定,硬度低,含有丰富的植物化石碎片,随采随落。3号煤层未发生过自燃现象,根据钻孔采样试验,3号煤层还原样与氧化样燃点之差ΔT1-3为6-33C°,属不自燃-不易自燃煤层。

  • 煤尘爆炸性:根据井下采样检测,3号煤爆炸指数南翼27.12%,北翼19.73%,均具有煤尘爆炸危险性。


三、工作面参数确定 伪顶:直接位于煤层之上,为黑色泥岩或炭质泥岩,厚度极不稳定,硬度低,含有丰富的植物化石碎片,随采随落。


1伪顶:直接位于煤层之上,为黑色泥岩或炭质泥岩,厚度极不稳定,硬度低,含有丰富的植物化石碎片,随采随落。、截深

  • 目前我国大采高高产高效工作面所采用的截深一般为800mm或865mm。按照本矿区的煤层地质条件和类似工程、国内采掘机械技术发展现状、以及采煤机滚筒截深与工作面截距一致性原则,将工作面截深确定为865mm。


2伪顶:直接位于煤层之上,为黑色泥岩或炭质泥岩,厚度极不稳定,硬度低,含有丰富的植物化石碎片,随采随落。、采高

  • 大采高工作面采高主要受煤厚和煤壁稳定性的影响。根据地质资料,+540水平3#煤厚5.7-7.7m,平均6.74m,煤厚变化不大,较稳定,适合大采高综采。


  • 为了进一步分析伪顶:直接位于煤层之上,为黑色泥岩或炭质泥岩,厚度极不稳定,硬度低,含有丰富的植物化石碎片,随采随落。3#煤采用大采高综采的可行性,在前期实验室试验和相关分析的基础上,对3#煤不同采高情况下的煤壁稳定性采用有限差分数值模拟软件FLAC3D进行数值模拟。如图所示。


煤壁片帮深度随采高的变化图伪顶:直接位于煤层之上,为黑色泥岩或炭质泥岩,厚度极不稳定,硬度低,含有丰富的植物化石碎片,随采随落。



3根据不同采高下煤壁水平位移曲线,考虑到矿区煤层较松软,首次采用大采高综采,片帮控制难度大,工作面采高设计为、工作面长度

结合王庄矿井地质条件、开拓系统以及投资、工作面管理及产量等方面的因素,工作面斜长定位270m。7105工作面设计平均采高6.8m,工作面沿底板推进,机头、机尾各16.4m(8付支架,相邻架顶梁错岔0.3m)随巷道顶底板平缓过渡。


  • 循环产量根据不同采高下煤壁水平位移曲线,考虑到矿区煤层较松软,首次采用大采高综采,片帮控制难度大,工作面采高设计为=工作面倾斜长度×采高×循环进度×容重×回采率(Q=L×M×S×P )

    Q=Q1+Q2

    Q1:过渡段循环产量,机头、机尾的过渡段基本控制在离工作面煤帮8个架即16.4m为宜,过渡段平均采高取(6.8+4.5)÷2=5.6m,工作面回收率取95%。


Q1:过渡段循环产量=L×M×S×P=16.4×2×5.6×0.865×1.4×95%≈211.3(t/循环);

Q2:正常段循环产量=L×M×S×P=(270-16.4×2)×6.8×0.865×1.4×95%≈1855.6(t/循环);

式中: Q--循环产量,t; L--工作面倾斜长度,270m;S--循环进度 0.865m;M--采高,6.8m; P--煤的容重,1.4t/m3


  • 由上式可得出,工作面完成日产 Q1:过渡段循环产量=L×M×S×P=16.4×2×5.6×0.865×1.4×95%≈211.3(t/循环);2万t,日进刀数为10刀,采用“三八”工作制,生产班完成5刀,日推进8.6m。


四、工作面设备选型配套 Q1:过渡段循环产量=L×M×S×P=16.4×2×5.6×0.865×1.4×95%≈211.3(t/循环);


1 Q1:过渡段循环产量=L×M×S×P=16.4×2×5.6×0.865×1.4×95%≈211.3(t/循环);、液压支架选型

  • 架型选择要求

    1)、采用两柱掩护式支架:两柱式较四柱式支架重量轻、伸缩比大,升、降、移架速度快,支撑合力距离煤壁近,顶梁合力作用点靠近煤壁,有利于维护顶板的完整性。

    2)、支架中心距:在采高一定的前提下,支架越宽,支架的稳定性越好;根据王庄矿3号煤层的顶板条件和国内外高产高效矿井的成功经验,采高6.8m,支架中心距选择2.05m。


3 Q1:过渡段循环产量=L×M×S×P=16.4×2×5.6×0.865×1.4×95%≈211.3(t/循环);)、整体顶梁、双侧活动侧护板,行程250mm:考虑到王庄矿3号煤层较软,顶板有一层伪顶,容易发生漏顶,采用整体顶梁加双侧活动侧护板,可提高前梁支撑力,有利于维护顶板和抑制煤壁片帮,同时顶梁全长设置活动侧护板,完全封闭顶板。

4)、伸缩梁上铰接三级护帮机构:王庄矿3号煤层较软,易发生片帮冒顶,采用伸缩梁可在不移架时及时支护顶板。

为了防止煤壁片帮崩帮伤人,液压支架两立柱之间设置防护网装置;支架平衡千斤顶下设计安全防护链;底座上方人行道处设计防滑脚踏板。


2 Q1:过渡段循环产量=L×M×S×P=16.4×2×5.6×0.865×1.4×95%≈211.3(t/循环);、支护强度的确定

支护强度与煤壁最大水平位移量拟合关系曲线


  • 数值模拟结果表明,在 Q1:过渡段循环产量=L×M×S×P=16.4×2×5.6×0.865×1.4×95%≈211.3(t/循环);0.7~1.2MPa内,增大支架支护强度,能够有效的改善端面附近煤体特别是顶煤的破坏状况,减小了端面顶煤和煤壁的变形量,有利于防止片帮和冒顶的发生。因此,3号煤层大采高综采工作面支架的合理支护强度不应小于1.2MPa。



3运用类比法,与大采高综放工作面相比,大采高综采工作面顶板来压显现更为剧烈,提高工作阻力有利于控制煤壁片帮,因此从支架高度增加稳定性变差、矿压显现强烈、控制煤壁片帮冒顶等角度出发,王庄矿区大采高支架支护强度也应不低于1.2M、支架型号确定

(1)支架工作阻力

王庄矿3号煤层大采高综采工作面液压支架的支护强度确定为1.2MPa,并考虑20%的富裕系数,支护强度要求达到1.44MPa。

P=q*(Lk+LD)*B=1.44×1000×(0.9+4.9)×2.05=17002kN

式中:P——支架工作阻力,kN; q——支架的支护强度,1.44MPa;Lk——梁端距,0.9m ;LD——顶梁长度,取4.90m; B——支架宽度,2.05m


  • 根据前面计算结果,工作阻力确定为运用类比法,与大采高综放工作面相比,大采高综采工作面顶板来压显现更为剧烈,提高工作阻力有利于控制煤壁片帮,因此从支架高度增加稳定性变差、矿压显现强烈、控制煤壁片帮冒顶等角度出发,王庄矿区大采高支架支护强度也应不低于1.2M17000kN。为了提高支架对煤层倾角的适应性,过渡段液压支架应增设防倒装置。


运用类比法,与大采高综放工作面相比,大采高综采工作面顶板来压显现更为剧烈,提高工作阻力有利于控制煤壁片帮,因此从支架高度增加稳定性变差、矿压显现强烈、控制煤壁片帮冒顶等角度出发,王庄矿区大采高支架支护强度也应不低于1.2M2)支架高度确定

a、支架最大高度:HZmax≥Mmax

式中:HZmax——支架最大支护高度,mm;Mmax——工作面最大采高,取6800mm;所以: HZmax≥6800mm


b、支架最小高度:运用类比法,与大采高综放工作面相比,大采高综采工作面顶板来压显现更为剧烈,提高工作阻力有利于控制煤壁片帮,因此从支架高度增加稳定性变差、矿压显现强烈、控制煤壁片帮冒顶等角度出发,王庄矿区大采高支架支护强度也应不低于1.2MHZmin≤Mmin=4650mm

式中:HZmin——工作面最小支护高度;Mmin——工作面最小采高,取5000mm;S2——顶板下沉量,取200mm;g——顶梁上、底座下的浮矸厚度,取50mm;e—移架时支架回缩量,取100mm;


  • 综前所述,支架的最小支撑高度运用类比法,与大采高综放工作面相比,大采高综采工作面顶板来压显现更为剧烈,提高工作阻力有利于控制煤壁片帮,因此从支架高度增加稳定性变差、矿压显现强烈、控制煤壁片帮冒顶等角度出发,王庄矿区大采高支架支护强度也应不低于1.2M5000mm,最大支撑高度大于或等于6800mm,由此确定液压支架型号ZY17000/33/72D。


4运用类比法,与大采高综放工作面相比,大采高综采工作面顶板来压显现更为剧烈,提高工作阻力有利于控制煤壁片帮,因此从支架高度增加稳定性变差、矿压显现强烈、控制煤壁片帮冒顶等角度出发,王庄矿区大采高支架支护强度也应不低于1.2M、采煤机合理选型

  • 根据厚煤层赋存条件、生产能力和配套要求及选型原则,要求采煤机装机功率大于1651kW,滚筒直径3350mm,截深865mm,割煤时牵引速度7.8m/min,最大生产能力2183t/h以上,根据上述参数,选美国JOY生产的7LS7型采煤机。


5运用类比法,与大采高综放工作面相比,大采高综采工作面顶板来压显现更为剧烈,提高工作阻力有利于控制煤壁片帮,因此从支架高度增加稳定性变差、矿压显现强烈、控制煤壁片帮冒顶等角度出发,王庄矿区大采高支架支护强度也应不低于1.2M、工作面刮板输送机、转载机、破碎机合理选型

  • 刮板输送机选型

    选择工作面刮板输送机的运输能力应满足采煤机最大落煤能力的要求,经计算刮板输送机运输能力Q≥2724 t/h,因此,选择SGZ-1250/3×1200 型刮板输送机。

  • 转载机、破碎机选型

    根据选定的刮板输送机输送能力,确定SZZ—1350/700转载机、PLM4500破碎机满足生产能力3000t/h。


  • 可伸缩胶带输送机的合理选型运用类比法,与大采高综放工作面相比,大采高综采工作面顶板来压显现更为剧烈,提高工作阻力有利于控制煤壁片帮,因此从支架高度增加稳定性变差、矿压显现强烈、控制煤壁片帮冒顶等角度出发,王庄矿区大采高支架支护强度也应不低于1.2M

    根据综采工作面煤流系统运输的原则和简化设备管理环节的原则,胶带输送机选择DSJ140/3×400型。

  • 乳化液泵选型

    根据计算,泵站流量要求不低于1386L/min。根据支架初撑力要求泵站额定压力达到37.5MPa。根据国内外大采高综采工作面泵站配套情况,建议选用S500型5柱塞乳化液泵,泵站额定流量530L/min,压力可调至37.5MPa,选用4泵2箱,3台运行,1台备用。


五、综采工作面回采工艺 运用类比法,与大采高综放工作面相比,大采高综采工作面顶板来压显现更为剧烈,提高工作阻力有利于控制煤壁片帮,因此从支架高度增加稳定性变差、矿压显现强烈、控制煤壁片帮冒顶等角度出发,王庄矿区大采高支架支护强度也应不低于1.2M


  • 工艺流程:运用类比法,与大采高综放工作面相比,大采高综采工作面顶板来压显现更为剧烈,提高工作阻力有利于控制煤壁片帮,因此从支架高度增加稳定性变差、矿压显现强烈、控制煤壁片帮冒顶等角度出发,王庄矿区大采高支架支护强度也应不低于1.2M

    割煤→拉架→移溜→清煤;采用端部斜切割三角煤进刀,双向割煤或单向割煤。


  • 采煤机割煤:运用类比法,与大采高综放工作面相比,大采高综采工作面顶板来压显现更为剧烈,提高工作阻力有利于控制煤壁片帮,因此从支架高度增加稳定性变差、矿压显现强烈、控制煤壁片帮冒顶等角度出发,王庄矿区大采高支架支护强度也应不低于1.2M

    主要采用双向割煤方式,当煤壁片帮严重、大块煤矸多、周期来压等特殊条件下采用单向割煤。


  • 拉架:运用类比法,与大采高综放工作面相比,大采高综采工作面顶板来压显现更为剧烈,提高工作阻力有利于控制煤壁片帮,因此从支架高度增加稳定性变差、矿压显现强烈、控制煤壁片帮冒顶等角度出发,王庄矿区大采高支架支护强度也应不低于1.2M

    本工作面支架采用电液控制,移架方式有成组移架、本架操作、邻架操作和采煤机与支架联动移架四种,考虑到生产中的实际情况和人员及设备安全,主要采用邻架操作方式。


  • 推刮板输送机:运用类比法,与大采高综放工作面相比,大采高综采工作面顶板来压显现更为剧烈,提高工作阻力有利于控制煤壁片帮,因此从支架高度增加稳定性变差、矿压显现强烈、控制煤壁片帮冒顶等角度出发,王庄矿区大采高支架支护强度也应不低于1.2M

    根据选型,该套支架可实现成组推溜和手动推溜两种方式。


  • 清煤:运用类比法,与大采高综放工作面相比,大采高综采工作面顶板来压显现更为剧烈,提高工作阻力有利于控制煤壁片帮,因此从支架高度增加稳定性变差、矿压显现强烈、控制煤壁片帮冒顶等角度出发,王庄矿区大采高支架支护强度也应不低于1.2M

    采用人工清煤方式。


结论 运用类比法,与大采高综放工作面相比,大采高综采工作面顶板来压显现更为剧烈,提高工作阻力有利于控制煤壁片帮,因此从支架高度增加稳定性变差、矿压显现强烈、控制煤壁片帮冒顶等角度出发,王庄矿区大采高支架支护强度也应不低于1.2M

  • 通过对国内外大采高综采工作面开采现状、大采高综采装备和本矿区开采煤层条件的全面调研,综合应用实验室试验、现场实测、数值模拟、理论分析、工程类比等研究方法,对松软厚煤层大采高合理工作面参数的确定、大功率高可靠性设备选型配套、回采工艺、等方面进行深入分析,预计大采高综采工作面年产量为600万t,工作面直接成本为45元/t,将大大提高矿井生产效率,有效解决高瓦斯工作面瓦斯超限难题,提高资源回收率,为潞安矿区高突矿井安全高效生产提供了技术支持。


谢谢!运用类比法,与大采高综放工作面相比,大采高综采工作面顶板来压显现更为剧烈,提高工作阻力有利于控制煤壁片帮,因此从支架高度增加稳定性变差、矿压显现强烈、控制煤壁片帮冒顶等角度出发,王庄矿区大采高支架支护强度也应不低于1.2M


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