2 厚煤层上行开采放顶煤技术研究与应用
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第 37 卷第 6 期 2009 年 6月
煤炭科学技术
Coal Science and T echno logy
V ol1 37 N o1 6 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
表 1 主要围岩力学参数
岩性 粉砂岩 泥岩 3上 煤 细砂岩 粉砂岩 厚 弹性模 抗压强 泊松 密度 / 内摩擦
图 1 数值计算力学模型
31 2 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。
1 2 1, 2 2
Abstrac t : T he paper d iscove red the feasib ility o f the upw ard m ining techno logy to the top co al cav ing m in ing cond ition in th ick sea m for the m ine susta inab le developm ent . A cco rd ing to the geolog ica l conditions of the No1 4 m in ing block in N o1 3 Jin ing Co alM ine , w ith the num erical ca lculation, theoretica l ana lysis , site m easured sta tistica l analysis and industr ia l tr ia , l the paper had a research on the deve lop m ent features of the failed sub-zone in the strata above the goaf and d iscussed the feasib ility of the upw ard m in ing techno logy under the top coa l cav ing cond itions. T he paper fully ana lyzed and so lved the upw ard m in ing proble m under the top coa l cav ing in the th ick sea m of N o1 3 Jining Coa lM ine . T he research results show ed that the he ight of the fa lling zone fro m the theoretica l ca lcu la tion and the site m eas ure m en tw are bas ica lly the sa m e and w ere 141 5~ 191 15 m and 181 6~ 211 7 m indiv idua lly . The num erical si m u lation analysis show ed tha t the fissure zone a t the N o1 3B sea m w as w ith in the fissure zone after the coal m in ing operation of the N o 1 3 sea m and the continu ity o f the sea m was we ll kept . K ey word s : th ick seam; top coal cav ing; upwa rd m in ing ; num er ica l calcu lation
2
8b 。3 1 26 m, 下 煤层位于山西组下部 , 煤厚 4198~ 7 平均 61 67 m, 倾角 0~ 11b , 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~ 511 12 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 。
2009 年第 6 期
煤炭科学技术
31 1 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 验
[ 1- 13]
。
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。
( g# cm - 3 ) 角 / ( b ) 21 65 21 50 11 35 21 50 21 53 21 52 11 35 21 50 35 30 25 35 25 30 25 35
细砂岩及粉砂岩 161 20 3下 煤 细砂岩 61 67 201 47
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 分析研究岩层的垮落特征 工艺设计提供理论依据。 10
[ 14] 2D
图 2 工作面推进 80 m 效果
, 从而为 3 上 煤的开采
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
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
准确判断覆岩垮落带的高度和合理确定上行开 采的层间距是研究上行开采的首要问题 首先对煤层覆岩垮落带的理论计算值 法、 / 三带 0 判别法和围岩平衡法
[ 15 - 19 ]
。为
全面分析矿井 3 上 煤开采区域能否 进行上行开采 ,
[ 15- 17]
和现场
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 , º , » ) 钻孔编号
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 11 6 ~ 11 8 k m 。3 上 煤层 位于山 西组中 部, 可 采范围 内煤厚 01 76~ 21 43 m, 平均 11 48 m, 可 采性指 数 0189 , 可采范围煤厚变异系 数 01 27 , 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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ面积 11 39 k m , 以气 煤为主 , 煤层 倾角 5 ~
272169; 221116 )
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
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 141 5~ 191 15 m, 1816~ 211 7 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
1 概
述
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 9
实测值进行了对比分 析; 其次分别 采用比值判别
[ 15- 17]
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。 41 1 煤层覆岩垮落带高度的确定 41 11 1 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 H m 为: 按坚硬顶板考虑 : Hm = 211 E M + 16 100 E M 100 E M ? 215 = 231 4 ~ 181 4 m
(1 . J in ing N o1 3M ine, Yanzhou Coa l M in ing G roup C orporation L td. , J in ing 272169 , China; 221116 , China ) 2 . S ta te K ey L ab of Coa l R esou rces and M ine Saf ety, Ch ina Un iversity of M ining and T echnology, Xuzhou
Research and Application of Upward T op Coa l Caving M ining Technology in Thick Seam
CH EN Yong , WANG H ong -sheng , GUO N ian -bo , ZHANG Dong-sheng
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
基金项目 : 教育 部 / 新 世 纪优 秀 人 才支 持 计 划 0 基 金 资助 项 目 ( NCET- 05 - 0480)
度 /m 量 /G Pa 度 /M Pa 比 131 15 101 48 11 00 161 8 61 15 81 0 71 0 41 0 71 0 61 0 51 5 41 0 71 0 80 70 35 65 45 50 40 65 01 30 01 30 01 25 01 25 01 27 01 26 01 25 01 25
煤炭科学技术
Coal Science and T echno logy
V ol1 37 N o1 6 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
表 1 主要围岩力学参数
岩性 粉砂岩 泥岩 3上 煤 细砂岩 粉砂岩 厚 弹性模 抗压强 泊松 密度 / 内摩擦
图 1 数值计算力学模型
31 2 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。
1 2 1, 2 2
Abstrac t : T he paper d iscove red the feasib ility o f the upw ard m ining techno logy to the top co al cav ing m in ing cond ition in th ick sea m for the m ine susta inab le developm ent . A cco rd ing to the geolog ica l conditions of the No1 4 m in ing block in N o1 3 Jin ing Co alM ine , w ith the num erical ca lculation, theoretica l ana lysis , site m easured sta tistica l analysis and industr ia l tr ia , l the paper had a research on the deve lop m ent features of the failed sub-zone in the strata above the goaf and d iscussed the feasib ility of the upw ard m in ing techno logy under the top coa l cav ing cond itions. T he paper fully ana lyzed and so lved the upw ard m in ing proble m under the top coa l cav ing in the th ick sea m of N o1 3 Jining Coa lM ine . T he research results show ed that the he ight of the fa lling zone fro m the theoretica l ca lcu la tion and the site m eas ure m en tw are bas ica lly the sa m e and w ere 141 5~ 191 15 m and 181 6~ 211 7 m indiv idua lly . The num erical si m u lation analysis show ed tha t the fissure zone a t the N o1 3B sea m w as w ith in the fissure zone after the coal m in ing operation of the N o 1 3 sea m and the continu ity o f the sea m was we ll kept . K ey word s : th ick seam; top coal cav ing; upwa rd m in ing ; num er ica l calcu lation
2
8b 。3 1 26 m, 下 煤层位于山西组下部 , 煤厚 4198~ 7 平均 61 67 m, 倾角 0~ 11b , 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~ 511 12 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 。
2009 年第 6 期
煤炭科学技术
31 1 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 验
[ 1- 13]
。
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。
( g# cm - 3 ) 角 / ( b ) 21 65 21 50 11 35 21 50 21 53 21 52 11 35 21 50 35 30 25 35 25 30 25 35
细砂岩及粉砂岩 161 20 3下 煤 细砂岩 61 67 201 47
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 分析研究岩层的垮落特征 工艺设计提供理论依据。 10
[ 14] 2D
图 2 工作面推进 80 m 效果
, 从而为 3 上 煤的开采
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
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
准确判断覆岩垮落带的高度和合理确定上行开 采的层间距是研究上行开采的首要问题 首先对煤层覆岩垮落带的理论计算值 法、 / 三带 0 判别法和围岩平衡法
[ 15 - 19 ]
。为
全面分析矿井 3 上 煤开采区域能否 进行上行开采 ,
[ 15- 17]
和现场
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 , º , » ) 钻孔编号
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 11 6 ~ 11 8 k m 。3 上 煤层 位于山 西组中 部, 可 采范围 内煤厚 01 76~ 21 43 m, 平均 11 48 m, 可 采性指 数 0189 , 可采范围煤厚变异系 数 01 27 , 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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ面积 11 39 k m , 以气 煤为主 , 煤层 倾角 5 ~
272169; 221116 )
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
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 141 5~ 191 15 m, 1816~ 211 7 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
1 概
述
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 9
实测值进行了对比分 析; 其次分别 采用比值判别
[ 15- 17]
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。 41 1 煤层覆岩垮落带高度的确定 41 11 1 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 H m 为: 按坚硬顶板考虑 : Hm = 211 E M + 16 100 E M 100 E M ? 215 = 231 4 ~ 181 4 m
(1 . J in ing N o1 3M ine, Yanzhou Coa l M in ing G roup C orporation L td. , J in ing 272169 , China; 221116 , China ) 2 . S ta te K ey L ab of Coa l R esou rces and M ine Saf ety, Ch ina Un iversity of M ining and T echnology, Xuzhou
Research and Application of Upward T op Coa l Caving M ining Technology in Thick Seam
CH EN Yong , WANG H ong -sheng , GUO N ian -bo , ZHANG Dong-sheng
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
基金项目 : 教育 部 / 新 世 纪优 秀 人 才支 持 计 划 0 基 金 资助 项 目 ( NCET- 05 - 0480)
度 /m 量 /G Pa 度 /M Pa 比 131 15 101 48 11 00 161 8 61 15 81 0 71 0 41 0 71 0 61 0 51 5 41 0 71 0 80 70 35 65 45 50 40 65 01 30 01 30 01 25 01 25 01 27 01 26 01 25 01 25