厚煤层上行开采放顶煤技术研究与应用
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
基金项目 : 教育部 “ 新世纪优秀人才 支持计划 ”基 金资助项目
(NCET - 05 - 0480)
的开采是矿井可持续发展的必需 , 是能源回收必须 坚持的根本原则 。因此 , 3下 煤开采对 3上 煤究竟有 多大影响 , 能否破坏其完整性和开采的可能性 , 何 时开采以及如何开采等众多技术问题是济宁三号煤 矿必须解决的问题 。 国内外的上行开采工程实践始于 20 世纪 70 年 代 , 在世界采矿界广泛关注和研究的同时 , 并有计 划地进行试采 。 20 世纪 80 年代 , 上行开采作为一 种较为成熟的技术应用于煤矿设计 、矿井技术改造
Abstract: The paper discovered the feasibility of the upward m ining technology to the top coal caving m ining condition in thick seam for the m ine sustainable development . According to the geological conditions of the No14 m ining block in No13 J ining Coal M ine, w ith the numerical calculation, theoretical analysis, site measured statistical analysis and industrial trial, the paper had a research on the develop 2 ment features of the failed sub 2zone in the strata above the goaf and discussed the feasibility of the upward m ining technology under the top coal caving conditions . The paper fully analyzed and solved the upward m ining p roblem under the top coal caving in the thick seam of No13 J ining Coal M ine. The research results showed that the height of the falling zone from the theoretical calculation and the site meas2 urement ware basically the same and were 1415 ～19115 m and 1816 ～2117 m individually . The numerical sim ulation analysis showed that the fissure zone at the No13B seam was w ithin the fissure zone after the coal m ining operation of the No13 seam and the continuity of the seam was well kep t . Key words: thick seam; top coal caving; upward m ining; numerical calculation
厚
弹性模 抗压强 泊松
密度 /
内摩擦
度 /m 量 / GPa 度 /MPa 比
13115 10148 1100 1618 6115 810 710 410 710 610 515 410 710 80 70 35 65 45 50 40 65 0130 0130 0125 0125 0127 0126 0125 0125
Hm = M ∑ ±215 211 ∑ M + 16
[ 15 - 17 ]
1 —4303 工作面运输巷 ; 2 —4303 工作面辅助运输巷 ; 3 —4302
工作面辅助运输巷 ; 4 —4302 工作面运输巷 ; 5 — 预测 4303 工 作面 3 煤层开采垮落带高度 ; ①, ②, ③— 钻孔编号
1 概 述
济宁三号煤矿在技术装备水平和开拓开采系统 已建立并确定的矿井投产初期 , 难以实现 3上 、 3下 同时安全 、有序地生产 , 在技术上和管理上也存在 一定的困难 。矿井为了快速达产 , 优先开采 3下 煤 , 现 4 采区 3下 煤 5 个工作面均已开采完毕 , 但 3上 煤
摘 要 : 为了矿井的可持续发展 , 探索在厚煤层放顶煤条件下上行开采技术的可行性 。针对济宁三 号煤矿 4 采区地质条件 , 综合运用数值计算 、理论分析 、实测统计分析以及工业性试验等方法 , 研 究了该采空区覆岩破坏分带发育特征 , 探讨了在放顶煤条件下进行上行开采技术的可行性 , 较全面 地分析和解决了济宁三号煤矿厚煤层放顶煤条件下的上行开采问题 。研究结果表明 : 理论计算和现 场实测垮落带高度基本一致 , 分别为 1415 ～19115 m , 1816 ～2117 m。数值模拟分析表明 3 煤处于 3下 煤开采后的裂隙带内 , 但煤层连续性保持完好 。 关键词 : 厚煤层 ; 放顶煤 ; 上行开采 ; 数值计算 中图分类号 : TD82211 文献标志码 : A 文章编号 : 0253 - 2336 ( 2009 ) 06 - 0009 - 05
Research and Applica tion of Upward Top Coa l Cav in g M in in g Technology in Th ick Seam
CHEN Yong , WANG Hong2sheng , GUO N ian 2bo
1 2 1, 2
, ZHANG Dong2sheng
第 37 卷第 6 期
2009 年
6月
煤炭科学技术
Coal Science and Technology
Vol137 No16 Jun. 2009
厚煤层上行开采放顶煤技术研究与应用
陈 勇 , 王红胜 , 郭念波
1 2 1, 2
, 张东升
2
( 11 兖州煤业股份有限公司 济宁三号煤矿 , 山东 济宁 272169; 21 中国矿业大学 煤炭资源与安全开采国家重点实验室 , 江苏 徐州 221116)
2
模型沿走向方向取 200 m , 垂直方向取 90 m。 由于 3上 煤的厚度为 2 m 左右 , 如果模型垂直方向 取的很大 , 则不易观查 。计算中对性质相近的岩层 作合并处理 , 在岩层间加入了强度很小的薄弱层作 为层理 , 采用平面应变模型 。边界条件为 : 水平方 向无位移 , 垂直方向底板固定 。模型中各岩层的灰 度代表岩层力学参数 (如弹性模量 、抗压强度等 ) 的大小 , 灰度越亮 , 其值越大 。主要力学参数见表 1, 模型如图 1 所示 。
表 1 主要围岩力学参数
岩性 粉砂岩 泥岩
3上 煤
图 1 数值计算力学模型
3 12 模拟结果分析
当工作面推进 10 m 时 , 直接顶在覆岩压力作 用下开始下沉 , 裂隙发育 , 断裂带高度约 1 m。当 工作面推进 30 m 时 , 直接顶开始垮落 , 垮落高度 约为 2 m , 裂隙发育至 5 m 左右 。当工作面推进 40 m 时 , 上覆岩层有弯曲下沉现象 。由于各岩层的岩 性不同 , 顶板出现离层 。工作面推进至 50 m 时 , 顶板大面积垮落 , 工作面发生初次来压 。以后随着 工作面的继续推进 , 顶板垮落的高度进一步增加 , 垮落下来的破碎矸石充填采空区 , 裂隙带的高度也 进一步的向上发育 , 工作面煤壁有片帮现象 。当工 作面推进到 100 m 时 , 垮落带的高度约为 15 m , 裂隙带的高度为 45 m 左右 。 3上 煤层处在裂隙带 中 , 煤层连续性保持完好 。图 2 为工作面推进 80 m 时效果图 。
平均 6167 m , 倾角 0 ～11 ° , 4 采区 3下 煤层全区发 育为较稳定煤层 , 目前 4 采区 3下 煤层 5 个工作面 已回采结束 。 3上 煤 、 3下 煤层间距 32149 ～51112 m , 平均 38162 m , 3上 煤层与 3下 煤层间岩性以粉细砂 岩为主 。 煤岩力学特征参数见表 1。
准确判断覆岩垮落带的高度和合理确定上行开 [ 15 - 19 ] 采的层间距是研究上行开采的首要问题 。为 全面分析矿井 3上 煤开采区域能否进行上行开采 , 首先对煤层覆岩垮落带的理论计算值 和现场 实测值进行了对比分析 ; 其次分别采用比值判别 [ 15 - 17 ] 法 、“ 三带 ”判别法和围岩平衡法 对该区域 钻探的 76 个钻孔 3上 、 3下 煤层厚度和层间距进行详 细的统计 。为济宁三号煤矿上行开采提供了有力的 理论支持和技术保障 。 4 11 煤层覆岩垮落带高度的确定 4 11 11 经验公式计算 该矿煤层为缓倾斜煤层 , 其顶板为中硬类型 , 为安全慎重起见 , 按坚硬和中硬 2 种顶板类型考 虑 , 其垮落带高度 Hm 为 : 按坚硬顶板考虑 :
2
( 1. J in ing N o13 M ine, Yanzhou Coa l M in ing Group Corpora tion L td. , J in ing 272169, China;
2. S tate Key L ab of Coa l R esources and M ine Safety, Ch ina U niversity of M in ing and Technology, X uzhou 221116, Ch ina)
) ( g・cm - 3 ) 角 / ( ° 2165 2150 1135 2150 2153 2152 1135 2150 35 30 25 35 25 30 25 35
细砂岩 粉砂岩
细砂岩及粉砂岩 16120
3下 煤 6167 20147
细砂岩
3 数值计算
为掌握 3下 煤开采后上覆岩层的垮落特征和 3上 煤的顶底板破坏情况 , 采用 RFPA 数值计算软件 [ 14 ] 分析研究岩层的垮落特征 , 从而为 3上 煤的开采 工艺设计提供理论依据 。 10
2D
图 2 工作面推进 80 m 效果
综上所述 , 3下 煤的开采对 3上 煤影响不是太 大 , 3上 煤处于 3下 煤开采后的裂隙带内 , 但煤层连
源自文库
陈 勇等 : 厚煤层上行开采放顶煤技术研究与应用
2009 年第 6 期
续性保持完好 , 采取一定的技术措施可以进行正常 开采 。
4 计算分析
9
2009 年第 6 期
煤炭科学技术
3 11 模型建立
第 37 卷
及老 矿 区 的 复 采 工 作 中 , 获 得 了 丰 富 的 实 践 经 [ 1 - 13 ] 验 。 然而 , 在放顶煤条件下进行上行开采在目前尚 无报道 , 因此 , 开展 3上 煤开发研究无论从理论上 还是生产需要方面都是必要的 。
2 工程概况
济宁三号煤矿 4 采区位于济宁三号井田的东区 中部 , 采区东西宽 1 ～112 km , 南北长 116 ～ 118 km 。 3上 煤层位于山西组中部 , 可采范围内煤厚 0176 ～ 2143 m , 平均 1148 m , 可采性指数 0189, 可采范围煤厚变异系数 0127, 为较稳定煤层 。煤 层结构简单 , 3上 煤层顶板以粉砂岩为主 , 次为泥 岩 、细 、中粒砂岩 , 偶有炭质泥岩伪顶 , 底板以 粉 、细砂岩为主 , 次为泥岩 , 偶为中粒砂岩 。 3上 采区面积 1139 km , 以气煤为主 , 煤层倾角 5 ～ 8° 。 3下 煤层位于山西组下部 , 煤厚 4198 ～7126 m ,
(NCET - 05 - 0480)
的开采是矿井可持续发展的必需 , 是能源回收必须 坚持的根本原则 。因此 , 3下 煤开采对 3上 煤究竟有 多大影响 , 能否破坏其完整性和开采的可能性 , 何 时开采以及如何开采等众多技术问题是济宁三号煤 矿必须解决的问题 。 国内外的上行开采工程实践始于 20 世纪 70 年 代 , 在世界采矿界广泛关注和研究的同时 , 并有计 划地进行试采 。 20 世纪 80 年代 , 上行开采作为一 种较为成熟的技术应用于煤矿设计 、矿井技术改造
Abstract: The paper discovered the feasibility of the upward m ining technology to the top coal caving m ining condition in thick seam for the m ine sustainable development . According to the geological conditions of the No14 m ining block in No13 J ining Coal M ine, w ith the numerical calculation, theoretical analysis, site measured statistical analysis and industrial trial, the paper had a research on the develop 2 ment features of the failed sub 2zone in the strata above the goaf and discussed the feasibility of the upward m ining technology under the top coal caving conditions . The paper fully analyzed and solved the upward m ining p roblem under the top coal caving in the thick seam of No13 J ining Coal M ine. The research results showed that the height of the falling zone from the theoretical calculation and the site meas2 urement ware basically the same and were 1415 ～19115 m and 1816 ～2117 m individually . The numerical sim ulation analysis showed that the fissure zone at the No13B seam was w ithin the fissure zone after the coal m ining operation of the No13 seam and the continuity of the seam was well kep t . Key words: thick seam; top coal caving; upward m ining; numerical calculation
厚
弹性模 抗压强 泊松
密度 /
内摩擦
度 /m 量 / GPa 度 /MPa 比
13115 10148 1100 1618 6115 810 710 410 710 610 515 410 710 80 70 35 65 45 50 40 65 0130 0130 0125 0125 0127 0126 0125 0125
Hm = M ∑ ±215 211 ∑ M + 16
[ 15 - 17 ]
1 —4303 工作面运输巷 ; 2 —4303 工作面辅助运输巷 ; 3 —4302
工作面辅助运输巷 ; 4 —4302 工作面运输巷 ; 5 — 预测 4303 工 作面 3 煤层开采垮落带高度 ; ①, ②, ③— 钻孔编号
1 概 述
济宁三号煤矿在技术装备水平和开拓开采系统 已建立并确定的矿井投产初期 , 难以实现 3上 、 3下 同时安全 、有序地生产 , 在技术上和管理上也存在 一定的困难 。矿井为了快速达产 , 优先开采 3下 煤 , 现 4 采区 3下 煤 5 个工作面均已开采完毕 , 但 3上 煤
摘 要 : 为了矿井的可持续发展 , 探索在厚煤层放顶煤条件下上行开采技术的可行性 。针对济宁三 号煤矿 4 采区地质条件 , 综合运用数值计算 、理论分析 、实测统计分析以及工业性试验等方法 , 研 究了该采空区覆岩破坏分带发育特征 , 探讨了在放顶煤条件下进行上行开采技术的可行性 , 较全面 地分析和解决了济宁三号煤矿厚煤层放顶煤条件下的上行开采问题 。研究结果表明 : 理论计算和现 场实测垮落带高度基本一致 , 分别为 1415 ～19115 m , 1816 ～2117 m。数值模拟分析表明 3 煤处于 3下 煤开采后的裂隙带内 , 但煤层连续性保持完好 。 关键词 : 厚煤层 ; 放顶煤 ; 上行开采 ; 数值计算 中图分类号 : TD82211 文献标志码 : A 文章编号 : 0253 - 2336 ( 2009 ) 06 - 0009 - 05
Research and Applica tion of Upward Top Coa l Cav in g M in in g Technology in Th ick Seam
CHEN Yong , WANG Hong2sheng , GUO N ian 2bo
1 2 1, 2
, ZHANG Dong2sheng
第 37 卷第 6 期
2009 年
6月
煤炭科学技术
Coal Science and Technology
Vol137 No16 Jun. 2009
厚煤层上行开采放顶煤技术研究与应用
陈 勇 , 王红胜 , 郭念波
1 2 1, 2
, 张东升
2
( 11 兖州煤业股份有限公司 济宁三号煤矿 , 山东 济宁 272169; 21 中国矿业大学 煤炭资源与安全开采国家重点实验室 , 江苏 徐州 221116)
2
模型沿走向方向取 200 m , 垂直方向取 90 m。 由于 3上 煤的厚度为 2 m 左右 , 如果模型垂直方向 取的很大 , 则不易观查 。计算中对性质相近的岩层 作合并处理 , 在岩层间加入了强度很小的薄弱层作 为层理 , 采用平面应变模型 。边界条件为 : 水平方 向无位移 , 垂直方向底板固定 。模型中各岩层的灰 度代表岩层力学参数 (如弹性模量 、抗压强度等 ) 的大小 , 灰度越亮 , 其值越大 。主要力学参数见表 1, 模型如图 1 所示 。
表 1 主要围岩力学参数
岩性 粉砂岩 泥岩
3上 煤
图 1 数值计算力学模型
3 12 模拟结果分析
当工作面推进 10 m 时 , 直接顶在覆岩压力作 用下开始下沉 , 裂隙发育 , 断裂带高度约 1 m。当 工作面推进 30 m 时 , 直接顶开始垮落 , 垮落高度 约为 2 m , 裂隙发育至 5 m 左右 。当工作面推进 40 m 时 , 上覆岩层有弯曲下沉现象 。由于各岩层的岩 性不同 , 顶板出现离层 。工作面推进至 50 m 时 , 顶板大面积垮落 , 工作面发生初次来压 。以后随着 工作面的继续推进 , 顶板垮落的高度进一步增加 , 垮落下来的破碎矸石充填采空区 , 裂隙带的高度也 进一步的向上发育 , 工作面煤壁有片帮现象 。当工 作面推进到 100 m 时 , 垮落带的高度约为 15 m , 裂隙带的高度为 45 m 左右 。 3上 煤层处在裂隙带 中 , 煤层连续性保持完好 。图 2 为工作面推进 80 m 时效果图 。
平均 6167 m , 倾角 0 ～11 ° , 4 采区 3下 煤层全区发 育为较稳定煤层 , 目前 4 采区 3下 煤层 5 个工作面 已回采结束 。 3上 煤 、 3下 煤层间距 32149 ～51112 m , 平均 38162 m , 3上 煤层与 3下 煤层间岩性以粉细砂 岩为主 。 煤岩力学特征参数见表 1。
准确判断覆岩垮落带的高度和合理确定上行开 [ 15 - 19 ] 采的层间距是研究上行开采的首要问题 。为 全面分析矿井 3上 煤开采区域能否进行上行开采 , 首先对煤层覆岩垮落带的理论计算值 和现场 实测值进行了对比分析 ; 其次分别采用比值判别 [ 15 - 17 ] 法 、“ 三带 ”判别法和围岩平衡法 对该区域 钻探的 76 个钻孔 3上 、 3下 煤层厚度和层间距进行详 细的统计 。为济宁三号煤矿上行开采提供了有力的 理论支持和技术保障 。 4 11 煤层覆岩垮落带高度的确定 4 11 11 经验公式计算 该矿煤层为缓倾斜煤层 , 其顶板为中硬类型 , 为安全慎重起见 , 按坚硬和中硬 2 种顶板类型考 虑 , 其垮落带高度 Hm 为 : 按坚硬顶板考虑 :
2
( 1. J in ing N o13 M ine, Yanzhou Coa l M in ing Group Corpora tion L td. , J in ing 272169, China;
2. S tate Key L ab of Coa l R esources and M ine Safety, Ch ina U niversity of M in ing and Technology, X uzhou 221116, Ch ina)
) ( g・cm - 3 ) 角 / ( ° 2165 2150 1135 2150 2153 2152 1135 2150 35 30 25 35 25 30 25 35
细砂岩 粉砂岩
细砂岩及粉砂岩 16120
3下 煤 6167 20147
细砂岩
3 数值计算
为掌握 3下 煤开采后上覆岩层的垮落特征和 3上 煤的顶底板破坏情况 , 采用 RFPA 数值计算软件 [ 14 ] 分析研究岩层的垮落特征 , 从而为 3上 煤的开采 工艺设计提供理论依据 。 10
2D
图 2 工作面推进 80 m 效果
综上所述 , 3下 煤的开采对 3上 煤影响不是太 大 , 3上 煤处于 3下 煤开采后的裂隙带内 , 但煤层连
源自文库
陈 勇等 : 厚煤层上行开采放顶煤技术研究与应用
2009 年第 6 期
续性保持完好 , 采取一定的技术措施可以进行正常 开采 。
4 计算分析
9
2009 年第 6 期
煤炭科学技术
3 11 模型建立
第 37 卷
及老 矿 区 的 复 采 工 作 中 , 获 得 了 丰 富 的 实 践 经 [ 1 - 13 ] 验 。 然而 , 在放顶煤条件下进行上行开采在目前尚 无报道 , 因此 , 开展 3上 煤开发研究无论从理论上 还是生产需要方面都是必要的 。
2 工程概况
济宁三号煤矿 4 采区位于济宁三号井田的东区 中部 , 采区东西宽 1 ～112 km , 南北长 116 ～ 118 km 。 3上 煤层位于山西组中部 , 可采范围内煤厚 0176 ～ 2143 m , 平均 1148 m , 可采性指数 0189, 可采范围煤厚变异系数 0127, 为较稳定煤层 。煤 层结构简单 , 3上 煤层顶板以粉砂岩为主 , 次为泥 岩 、细 、中粒砂岩 , 偶有炭质泥岩伪顶 , 底板以 粉 、细砂岩为主 , 次为泥岩 , 偶为中粒砂岩 。 3上 采区面积 1139 km , 以气煤为主 , 煤层倾角 5 ～ 8° 。 3下 煤层位于山西组下部 , 煤厚 4198 ～7126 m ,