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山西凌志达煤业有限公司15号煤层首采工作面坚硬顶板预裂软化方案及施工工艺技术研究报告山西凌志达煤业有限公司河南理工大学矿山开发设计研究所二〇一二年四月山西凌志达煤业有限公司15号煤层首采工作面坚硬顶板预裂软化方案及施工工艺研究河南理工大学狂矿山开发设计研究所II目录1.概述..................................................................................................................11.1问题的提出.....................................................................................................11.2国内外研究现状.............................................................................................11.3主要研究内容、方法、技术线路.................................................................32.矿井概况...........................................................................................................52.1井田基本情况.................................................................................................52.2矿井位置与交通.............................................................................................62.3地层岩性.......................................................................................................102.4地质构造.......................................................................................................122.5煤层赋存情况...............................................................................................153.15号煤层围岩地质力学分析.........................................................................183.1井田工程地质概况......................................................................................183.215号煤层顶底板岩性组成及其物理力学特征.........................................183.3工作面围岩稳定性评价..............................................................................194.15号煤层坚硬顶板预裂软化技术理论分析....................................................204.1预裂爆破的目的...........................................................................................204.2岩石爆破损伤断裂机理分析.......................................................................204.3工作面坚硬顶板控制原理...........................................................................204.3.1坚硬顶板初次来压分析...................................................................204.3.2坚硬顶板周期来压分析...................................................................254.3.3不同控制放顶方式分析...................................................................284.3.4顶板合理放顶长度...........................................................................325.坚硬顶板预裂软化设计方案及施工安全技术措施..........................................355.1坚硬顶板预裂软化设计方案.......................................................................355.2爆破工艺.......................................................................................................365.3施工安全技术措施.......................................................................................386.坚硬顶板预裂软化数值模拟分析及施工效果评价...........................................436.1坚硬顶板预裂软化数值模拟分析...............................................................436.2预裂软化施工效果评价...............................................................................46山西凌志达煤业有限公司15号煤层首采工作面坚硬顶板预裂软化方案及施工工艺研究河南理工大学狂矿山开发设计研究所11.概述1.1问题的提出采煤工作面坚硬顶板难于垮落一直是国内外顶板控制中的一个难题。有的初次垮落跨度达50m以上,冒落面积在3000m2以上,也同样存在大冒顶的威胁,预防难冒顶板的冒顶事故,是预防顶板事故的重要内容之一。坚硬顶板是指没有直接顶或直接顶坚硬完整的顶板。开采坚硬难冒顶板的煤层,采空区容易形成大面积悬顶,在超过极限悬顶面积后,顶板会突然冒落,造成剧烈的动力现象。大面积的顶板在极短的时间内冒落,不仅对回采工作面支护产生严重的破坏,而且把已采空间的空气瞬间排出,形成巨大的风暴,对人员和设备造成严重损害,甚至对附近巷道乃至矿井破坏极大。因此,对工作面的坚硬顶板采取相应的安全防治措施,对保证人员和设备免受严重的损害、工作面能够安全正常回采和企业的发展等都具有十分重要的意义。为此,河南理工大学矿山开发设计研究所与山西凌志达煤业有限公司组建“15号煤层首采工作面坚硬顶板预裂软化方案及施工工艺技术”项目组,以15号煤层首采工作面坚硬顶板为主要研究对象,研究坚硬顶板灾害发生的原因和规律,探索矿井坚硬顶板灾害防治技术,实现矿井顶板预裂软化、矿井顶板事故的防治与采掘生产安全的有机结合,为开采15号煤层安全开采防止顶板大面积来压提供理论和技术支撑。1.2国内外研究现状1、主要研究内容的国内外发展现状与趋势在煤矿开采中,难垮落的顶板属于十分稳定的顶板,基本顶的来压强度等级很高,岩层厚度较大,有较少裂隙发育,岩石抗压(拉)强度相当高。这类顶板条件下,过去煤柱支撑法开采最为常用,这种方法直接成本低,顶板控制范围不大,但有较大煤炭损失和较大面积的来压威胁。国内外通过改进采煤方法和顶板弱化处理方法来解决这一难题。弱化处理方法有顶板高压预注水及预裂隙爆破。经弱化处理,顶板就更容易垮落,有利于应用长壁机械化开采方法,与此同时,回采面可采用强力液压支架和大流量安全阀这类特殊结构。前苏联、波兰、印度所做的研究工作如下所述:山西凌志达煤业有限公司15号煤层首采工作面坚硬顶板预裂软化方案及施工工艺研究河南理工大学狂矿山开发设计研究所2(1)俄罗斯古科夫煤炭生产联合公司开采煤层的顶板属于坚硬难冒落顶板,在其基本顶初次来压和周期来压前会形成很大的悬顶面积,对工作面安全生产构成很大的威胁。因此,为了弱化坚硬顶板,采用超前钻孔松动爆破法和水利处理法,同时,应用高阻力液压支架以保证采煤工作的安全性;(2)波兰处理难垮落坚硬顶板的方法,根据荷兰的实践,坚硬致密顶板造成的悬顶和强烈的周期来压,不仅对工作面和巷道支架带来动力冲击载荷,而且可能诱发冲击型矿压显现等动力灾害,因此采用浅孔爆破、深孔爆破、水力压裂及水利定向压裂等技术;(3)印度坚硬顶板处理方法,其煤系岩层常见的是页岩和砂岩,但大多数煤层的上覆岩层中存在较坚硬的砂岩层。因此,几乎所有的煤田均遇到难垮落顶板问题,针对坚硬顶板弱化主要考虑两种途径:a、在工作面前方巷道向顶板钻深孔和短孔进行爆破;b、对坚硬顶板进行高压注水。2、国内现有技术基础为了有效的解决坚硬顶板的控制问题,我国研究人员通过对近几十年的煤矿开采经验总结,得出了一套较为完善的可以应用于坚硬顶板处理的矿山压力控制理论,并且由最初比较简单的定性分析顶板可能出现的下沉发展到了定量的计算顶板应力及顶板会出现怎样下沉量计算的阶段,对坚硬顶板的处理开辟了新方法。关于工作面围岩力学模型的建立和理论的计算及数值模拟分析,国内学者已经做了大量有效的工作。如缪协兴和钱鸣高所建立的采场围岩整体结构与砌体梁力学模型,曹胜根所做的采场围岩整体力学模型,唐春安所编写的在考虑了煤岩体的非均匀性的PFPA数值模拟方法,魏锦平和靳钟铭所做的关于坚硬顶板控制技术研究的数值模拟以及吴洪词所建立的采场空间结构力学模型及算法。这些模型的建立和数值模拟的使用为工作面采场围岩特性的研究提供了可以借鉴的经验,对今后解决坚硬顶板的问题提供了理论参考。通过几十年的煤矿开采发展,我国在针对采场坚硬顶板控制技术的研究反面取得了卓有效的成果,如综采工作面支架--围岩关系、支护方式、强制放顶及顶板弱化处理等。以大同矿区为代表,发展了采空区深孔强制爆破放顶技术,其作山西凌志达煤业有限公司15号煤层首采工作面坚硬顶板预裂软化方案及施工工艺研究河南理工大学狂矿山开发设计研究所3用是通过强制爆破,使顶板的悬顶破断,消除或在一定程度上减弱其对工作面支架及控顶区的动压冲击及其他顶板灾害。对于长壁工作面,常采用步距式深孔爆破放顶、循环浅孔爆破放顶、端头强制放顶。目前,国内在控制坚硬顶板方面采取的措施有:(1)摸清顶板运移规律,防治结合,宏观让步,微观控制;(2)研究采前地质构造,合理确定采高;(3)提升支架初撑力并发挥支架优势,合理确定工作面支架的工作阻力;(4)摸清顶板来压规律,做好来压预报工作,推广应用支护质量的监测系统,及时发现并消除可能影响支架—围岩系统的因素使支架对顶板的支护达到最佳效能;(5)深孔放顶和岩层注水软化等措施。1.3主要研究内容、方法、技术线路1)主要研究内容(1)对
本文标题:坚硬顶板预裂软化报告
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