特殊条件下的两种工艺方式(采矿专业补充)

特殊条件下的两种工艺方式一、含硫化铁结核薄煤层短壁综采技术研究二、“三软”分叉合并煤层综采连续推进技术一、含硫化铁结核薄煤层短壁综采技术研究（一）立项背景（二）总体思路（三）主要技术内容和创新点（四）经济效益及社会效益山东省薄煤层储量5.84亿t，占煤炭总储量的44%，其中含硬夹矸薄煤层储量占薄煤层总储量的52.8%，硬夹矸是影响薄煤层综采的重要因素。薄煤层储量占全国总储量的20%产量不足总产量的10%机械化程度低、作业环境差、工人劳动强度大等问题，严重制约着薄煤层的安全高效开采（一）立项背景含硬夹矸薄煤层现有的主要开采技术：爆破硬夹矸+采煤机装煤+液压支架支护—机炮联合开采；爆破落煤+机械辅助和人工装煤+单体支柱支护—炮采。炮采机炮联合开采含硫化铁结核硬夹矸薄煤层开采存在问题：工人劳动强度大、作业环境差、单产低、安全事故多…研究硬夹矸预裂和机械破矸、装运煤技术是实现此类煤层综采的关键淄博矿业集团葛亭煤矿1160采区薄煤层回采时存在如下难点：①主采煤层16煤平均厚度为1.2~1.4m，底板软、顶板坚硬；②采区上方有村庄、厂房等，开采时需保护地面建筑物；③煤层含硫化铁结核硬夹矸，给采煤机割煤和装煤带来困难；④底板奥灰水对16煤开采影响较大。（二）总体思路建筑物下、承压水上开采震波CT技术探测硬夹矸厚度和分布规律、顺槽超前深孔预裂爆破技术加强型镐型截齿、强力滚筒，适应硬夹矸、软底、低矮化的三机配套和改造地面有村庄等建筑物、底板奥灰承压水含硫化铁结核硬夹矸，且分布不规则薄煤层综采—硬夹矸破落装运困难采用震波CT探测技术探明薄煤层中含硫化铁结核硬夹矸赋存分布规律，为顺槽超前深孔预裂爆破提供基础资料，指导爆破工程的实施。1、薄煤层含硫化铁结核硬夹矸分布规律研究（三）主要技术内容及创新点发射点接收点12345671＇２＇３＇４＇５＇６＇７＇震波CT成像原理图010203040506070809010001020300.020.040.060.080.10.120.140.160.180.20.220.240.260.280.30.320.340.360.3816煤硬夹矸分布规律探测图硬夹矸在距顶板0.34m处，厚0~0.4m之间，其中厚0.2~0.4m的占29%，小于0.2m的占71%，呈层状不均匀分布规律，硫化铁结核多分布在夹矸中。在夹矸厚度大于0.2m区域需实施顺槽超前预裂爆破；夹矸厚度小于0.2m区域可利用强力滚筒和加强型截齿采煤机进行有效割煤。2、建筑物下、承压水上薄煤层综采关键参数确定1）村庄下压煤开采合理采留比确定葛亭煤矿1160采区村庄下压煤828万t，占采区总储量的86％。在基岩厚度30m以下区域，条带采宽30m、留宽30m；基岩厚度30m以上区域，采宽40m、留宽40m。基岩厚度与地表移动关系的分析和实测单向应力法条带煤柱稳定性分析三向应力法条带煤柱稳定性分析采动对底板破坏及底板承压水共同作用导致底板突水。基于“下三带理论”底板安全岩柱计算，得1160采区条带采宽应小于40m基于“组合梁”的采场底板破坏分析，得1160采区条带采宽应小于40.5m。2）承压水上安全开采关键技术研究底板破坏区12nqL底板岩层破坏分析图q-承压水压力；1、2、n-底板与承压水之间完整岩层保留煤柱宽40m，进行采出带宽30m、40m、50m、60m的多方案的竖直应力及位移变化模拟分析。3）薄煤层短壁综采面岩层移动数值模拟（a）采宽30m（b）采宽40m（c）采宽60m在150m测线最大下沉量分别0.06m、0.08m、0.15m及0.25m，采出条带宽30m、40m时，对地表影响较小，满足保护建筑物要求；50m、60m，上覆岩层下沉量迅速增大。00.050.10.150.20.250.330405060采出宽度/m150m测线最大下沉/m改进了MG200/456-QWD型电牵引采煤机，装配凯南麦特强力滚筒及加强型截齿，保证了采煤机较强的截割能力。改进了ZY2800/09/20液压支架，采用整体顶梁结构；前端下侧设有可拆卸的翻转挡板装置；支架底座为前端开底式，后端设有内藏式底调千斤顶。改进了SGZ730/2×132型刮板输送机，减少了过渡槽，降低了机头、机尾、中部槽的高度。3、综采设备选型配套与改进硫化铁结核硬夹矸严重制约了薄煤层综采面快速推进。传统的采场爆破技术存在：工作面钻眼作业空间小，操作不便、劳动强度大、效率低；爆破与采煤机割煤顺序作业，影响单产；崩落的矸石和煤体易崩坏设备；安全隐患多。4、顺槽深孔预裂爆破硬夹矸技术研究基于应力波理论、多物理场耦合模拟计算，研究了硬夹矸顺槽深孔预裂爆破机理，为确定合理的炮孔间距、装药量等参数提供了依据。机理1）炮眼间距通过裂隙区半径计算及应力波模拟计算，确定炮眼间距在5.5m左右，现场实际炮眼间距为6m。1R1atpbPSrANSYS模拟计算2）炮眼装药量计算选用二级煤矿乳化炸药，每孔装药8.4kg左右。每孔装药量Q计算：22/1ccQeqglwnn孔深/m装药长度/m封孔长度/m孔径/mm药卷长/mm药卷直径/mm药卷质量/g181357523027150爆破设计参数表顺槽深孔预裂爆破工艺采用ZDY1200S(MK-4)型全液压钻机，钻机具有搬迁方便、自动化程度高、工作效率高、工人劳动强度小、安全性能好等优点。在钻孔后采用抗静电阻燃PVC管快速装药，雷管为煤矿许用毫秒延期电雷管，采用反向爆破，装好药后，用炮泥封孔，封泥长度为5m。放炮母线雷管药包炮孔煤层炮泥炮眼装药结构图顺槽预裂爆破炮眼布置图m3m3m3m5.65m1.22m0.4m2~3m6.5m工程实施效果夹矸处理采煤机割煤速度m/min工作面推进度m/d截齿消耗个/kt采煤机切割2.38.812.6采场爆破4.010.01.7顺槽超前预裂爆破3.616.62.0主要创新点首次采用震波CT技术探测了硫化铁结核硬夹矸赋存规律，在含硫化铁硬夹矸薄煤层实施顺槽超前深孔预裂爆破硬夹矸技术，避免工作面内放炮，实现了综合机械化安全高效开采，降低了矿工劳动强度、截齿消耗大幅度减少。在建筑物下、承压水上、含硫化铁结核等复杂条件薄煤层中，优化了工作面采留宽度，实现了短壁综采面的安全生产。首次采用凯南麦特加强型镐型截齿、强力滚筒采煤机，针对性地对齿座、叶片、截齿进行了改进，较好地解决了含硫化铁结核硬夹矸薄煤层破煤和装煤的难题。主要创新点中国矿业大学矿业工程学院屠世浩二、“三软”分叉合并煤层综采连续推进技术（一）立项背景许疃煤矿主采的7#煤层赋存呈分叉合并状态，其中71煤层平均1.7m，72煤层平均3.8m，7#煤层合并区厚度在5～6m，层间夹矸总趋势为两头合并、中间分叉，层间距在0～12m之间，平均7m。且淮北矿区“三软”分叉合并煤层储量较大。采用常规分段分采方法开采，巷道布置复杂，工作面单产低，工作面搬家次数多，吨煤成本高。淮北矿区厚煤层开采一直以放顶煤开采为主，存在顶煤放出率低，混矸量大等问题。1）“三软”分叉合并煤层综采连续推进方法2）“三软”分叉合并煤层连续推进综采面设备选型配套3）71、72煤层分叉区上、下煤层工作面开采时空关系4）“三软”分叉合并煤层连续推进综采面围岩控制技术5）高应力区破碎顶板变高开采技术6）“三软”分叉合并煤层连续推进综采面矿压规律实测二、主要研究内容（二）“三软”分叉合并煤层连续推进方法分叉合并煤层常规开采方法合并层1大采高开采工艺分叉段上分层中厚煤层开采工艺合并层2大采高开采工艺分叉段下分层中厚煤层开采工艺开切眼收作眼下分层开切眼下分层收作眼开切眼预留煤柱预留煤柱收作眼上分层开切眼上分层收作眼分段分采，如图3-1所示，将分叉合并煤层按照分叉区与合并区分成3段，分别布置工作面回采。图3-1分叉合并煤层分段分采示意图分叉合并煤层综采连续推进工艺流程为：先采分叉区上分层，再采合并区全厚与分叉区下分层的开采方法。分叉段上分层采空区工作面连续推进回采工艺开切眼收作眼保护煤柱保护煤柱夹矸图3-2分叉合并煤层综采连续推进工艺剖面图合并厚煤层区域分叉近距离煤层区域合并厚煤层区域分叉合并线分叉合并线图3-3分叉合并煤层综采连续推进工艺平面图（1）分叉合并煤层条件下的综采设备选型与配套（2）“三软”合层大采高综采采场围岩控制（3）分叉合并过渡区破碎围岩条件下变高开采连续推进“三软”分叉合并煤层综采连续推进的技术难题支架的要求适应采高变化：采高由合层6.0m到分叉区下层的3.8m；支架稳定性好：顶板完整性差，存在应力集中区；防片帮能力强：煤质松软，节理、裂隙发育；具备防钻底功能：底板软，支架重。ZY11000/28/63型支架特点适应采高：2.8m～6.3m；支护阻力大：工作阻力11207kN、初撑力8065KN；护帮能力强：顶梁前端设置内伸式伸缩梁带两级折叠式护帮机构、最大护帮高度2.3m、护帮板采用四连杆结构形式、挑起力大；整体式顶梁结构：配置双向活动侧护板，延伸至顶梁前部，防漏矸效果好。r0IIIIIIax0αobcdeKγHh71煤层开采合理边界确定71煤层开采底板最大破坏深度计算tan24cotcoslncot4cos42ikHCMpChef71煤层开采底板最大破坏深度为7.6m。71煤层开采开切眼位置初定极近距离下层顶板分类许疃煤矿72煤层开采顶板分类hj7.6m，块裂顶板；1.5hj≤7.6m，Ⅰ类破裂顶板；0.5≤hj1.5m，Ⅱ类破裂顶板；hj0.5m，71、72煤合层。分类指标夹石假顶碎裂顶板块裂顶板Ⅱ类破裂顶板Ⅰ类破裂顶板层间距(hj)≤0.5m0.5mhj≤1.5m1.5mhj≤7.6mHj7.6m屈服比(Ψ)≥111通过71煤层开采不同开切眼位置上、下采场裂隙场模拟可知：许疃煤矿71煤层工作面合理的开切眼、收作眼位置应位于71、72煤层间距大于1.5m的位置。分叉区下煤层工作面开采应在上煤层工作面开采岩层移动稳定后进行。间隔时间根据经验确定在上煤层开采结束半年以上，可进行分叉区下煤层工作面的开采。（1）合层大采高开采时，直接顶初次垮落步距为25m，老顶初次来压步距为45m，周期来压步距为15m。（2）工作面距离分叉区上分层工作面开切眼越近，支承压力峰值有增加的趋势，当工作面距离其15m时，支承压力峰值明显增大，由距离达到30m时的24MPa增加到32MPa。应力集中系数由2.1增加到2.8。因此，在推进距分叉合并分界线15m以上时应采取加强支护的措施确保回采安全。合并区大采高综采围岩控制技术煤壁片帮防治技术措施：（1）加固煤壁。当工作面遇到断层等煤体破碎区时，可采用注马丽散加固的方法加固煤壁以增加煤体强度，减少煤壁片帮的发生；（2）加快工作面推进速度；（3）充分发挥支架护帮装置作用；（4）带压移架并提高初撑力。01234567890-1616-3232-4848-6464-8080-9696-112112-128128-144144-166未注马丽散注马丽散后片帮体积（m³）工作面长度（m）分叉区下煤层开采顶板控制技术措施：（1）上分层开采时采空区注浆加固；（2）下分层开采顶板超前注浆（或马丽散）加固；（3）及时支护、带压移架；（4）架走向梁护顶；（5）增加人员，快速处理冒顶，加快推进速度。分叉合并过渡区顶板破碎机理分析图7-1降高开采过分叉合并过渡区覆岩裂隙发育图7-2降高开采过分叉合并过渡区覆岩破坏情况连续推进工作面上分层采空区图7-3过渡区垂直应力分布上分层采空区连续推进工作面图7-4过渡区塑性区发育情况分叉合并过渡区顶板破碎机理分析（1）综采面降高开采通过分叉合并过渡区与升高开采通过分叉合并过渡区相比，降高开采覆岩破坏范围和采动应力集中程度均比较大。（2）降高开采在分叉区上煤层工作面滞后支承压力和大采高综采采动支承压力耦合作用下，应力集中系数达4，综采面前方及上方覆