利民煤矿大采高工作面开采技术研究

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  摘要:Ⅱ011603综采工作面是利民煤焦有限责任公司煤矿的第一个大采高工作面,且是一盘区16#煤层的首采工作面。本文针对该工作面条件,利用矿压监测系统对支架工作阻力进行监测,开展矿压显现规律研究,从而掌握工作面矿压规律,在工作面正常回采期间指导安全生产工作;通过对16#煤首采工作面设备可靠性及工艺现场观测,研究掌握影响正常生产的关键节点,为工作面回采工艺优化提供参考依据,从而将割煤、移架、推移刮板输送机等工序参数达到最为合理,为工作面高效回采提供保障。
  本文通过对国内、外大采高综采工作面开采现状进行全面调研,综合应用实验室试验、现场实测、数值模拟、相似模拟、理论分析、工程类比等研究方法,对16#煤层大采高工作面矿压显现规律、工作面回采工艺等方面进行深入分析。通过相似模拟实验,收集观测数据,进行数据分析。并通过分析支架运行特征与工况,评价支架适应性,为支架工作阻力确定提供基础,分析综采工作面矿压显现规律,为工作面安全生产提供指导。另对割煤高度、割煤速度、移架速度、推移刮板输送机速度、开机率进行现场跟踪收集数据,并进行分析。
  通过数据研究,收集了Ⅱ011603综采工作面几次周期来压,并分析出周期来压步距,为工作面顶板、上下端头、片帮等问题隐患的防治起到了关键作用;另通过对回采工艺的最优化研究,得到了回采过程中各个工序的最优选择,使得工作面生产效率得到了更大的提升,使工作面真正达到了高产、高效。
  关键词:大采高;矿压;回采工艺
  1绪论
  1.1 课题研究背景
  内蒙古利民煤焦有限责任公司是隶属于神华乌海能源公司的国有全资子公司,下属利民煤矿随着生产年限的增加及矿井改扩建需要,浅部资源储量不能满足扩大生产的需求,利民煤矿对16#煤层进行开采。面对6m以上的煤层厚度,放顶煤工艺存在顶板管理、回采率低、防灭火困难等弊端,放顶煤工艺逐渐趋于落后,采用一次采全高开采方法具有安全、高效、采出率高的优势,且16#煤类似条件矿井已有大采高成功开采先例,故Ⅱ011603工作面采用一次采全高工艺技术。
  1.2 课题研究目的和意义
  通过对利民煤矿1603综采工作面回采工艺、矿压显现规律等方面的研究,可以更好的掌握工作面安装及回撤技术和防治片帮冒顶措施,掌握大采高综采工作面矿压显现规律,为16#煤层的开采打下良好基础,实现16#煤安全高效开采,以更好的指导生产。
  1.3 国内外研究现状
  1.3.1国内研究现状
  对于4~7m稳定厚煤层,大采高综采与放顶煤开采相比具有工序减少、煤炭采出率高、含矸率少、采面设备少及煤尘少等优点,且具有生产能力大、单产高、通风断面大、巷道布置与工序简单、回采工效和煤炭采出率高等优点。大采高综采目前已成为我国开采缓倾斜厚煤层的主要发展方向[1~4]。
  经调研,国内在应用厚煤层一次采全高的技术和工艺方面,神东公司、陕煤集团、伊泰公司等引进国外大采高装备技术,通过消化转化,取得了成功的经验,神东公司补连塔、大柳塔矿、陕煤集团红柳林矿大采高工作面采高达到7.0m左右,年产量接近或超过了千万吨;单就煤层条件分析,16#煤与山西潞安和晋城地(矿)区的3号煤层接近,现将采用大采高开采的典型矿井与利民煤矿做如下对比。
  表1.1中可见,除利民煤矿外,其它煤矿均成功实现了大采高综采,类比分析认为16#煤煤层条件适于采用大采高综采,但是现阶段成功实现大采高综采,并且经济社会效益比较突出的都是一些较大的煤炭集团和公司,这是因为大采高乃至超大采高工作面巷道掘进及支护、工作面布置、设备选型、设备采购、工作面安装调试、现场管理、设备维修和安全管理等方面均需要较高的管理及技术水平,隐形成本较高。
  1.4 课题研究方法和技术路线
  通过模拟实验、数据检测以及现场数据收集分析等方法对大采高工作面矿压显现规律以及回采工艺参数进行分析研究。技术路线见图1.1。
  2 大釆高工作面矿压显现规律研究
  2.1矿压显现规律研究的目的
  根据利民煤矿16#煤层的地质资料,依据相似定律制作相似模型,用于对利民煤矿16#煤层大采高开采技术合理性和基本矿压显现规律研究。主要模拟研究目的如下:
  (1)研究大采高开采下工作面矿压显现基本规律;
  (2)研究大采高开采下顶板岩层移动规律和结構稳定性分析;
  (3)研究大采高开采下底板支承压力分布规律。
  2.2相似材料模拟研究
  2.2.1实验目的与模型设计
  相似材料模拟试验实质就是根据相似原理,将矿山岩层以一定比例缩小,用相似材料制成模型,对模型中的煤层进行模拟开挖。通过一定的实验手段,对岩层由于开挖所引起岩层移动、变形和破断情况进行观测,分析实验数据,得出岩层活动规律,用于指导煤矿生产实践。
  2.3 矿压观测目的与方案
  1603工作面为首采大采高工作面,工作面矿压观测的目的为:
  (1)掌握综采工作面矿压显现规律,为工作面安全生产提供指导。
  (2)分析支架运行特征与工况,评价支架适应性,为支架工作阻力确定提供基础[12]。
  工作面倾向长度245m,工作面走向长度1085m,可采走向长度1045m。全工作面共144部液压支架,为准确掌握工作面矿压显现规律,避免单个支架传感器异常造成数据误差,本次观测每个5架支架设置一个测点,共28个测点,分别为5号、10号、15号、20号、25号、30号、35号、40号、45号、50号、55号、60号、65号、70号、75号、80号、85号、90号、95号、100号、105号、110号、115号、120号、125号、130号、135号和140号。   2.4 支架工况分析
  支架压力记录仪记录的是支架立柱的工作阻力变化,通过支架工作阻力连续记录曲线可反映支架的工作状态与存在的问题。
  2.5 周期来压分析
  随工作面向前推进,直接顶不断垮落,老顶悬露跨度逐渐增加,直至达到极限跨度时,老顶将出现断裂,进而发生垮落。老顶由开始破坏直至垮落常需要一定的时间,在垮落前采空区内可能可能会发生隆隆巨响,通常煤壁片帮严重,顶板产生裂缝或掉渣,顶板下沉及下沉速度明显增加,支柱载荷迅速增高,这种老顶初次断裂或垮落前后工作面的矿压显现称为老顶的初次来压。
  直接顶初次垮落后随工作面的继续推进,工作面上方的老顶岩层将呈悬露状态,此时上覆岩层的重量将由老顶的悬臂直接传递给煤壁,部分上覆岩层已经折断的老顶重量将直接压在已经垮落的矸石上,采煤工作面空间处于老顶悬梁的保护之下。当采煤工作面继续推进,老顶悬露的跨度达到一定长度时,老顶在其自重及上覆岩层载荷的作用下,将沿煤壁甚至在煤壁内发生折断和垮落,随工作面的推进老顶这种垮落现象周而复始的出现,这种老顶周期性折断或垮落的矿压显现成为老顶的周期来压[5]。
  分析周期来压步距可以支架每天的时间加权阻力、循环末阻力、最大阻力或平均工作阻力等作为参考指标,以阻力的平均值与均方差之和作为判别指标,对于来压动载不明显的工作面,均方差可乘于一个不大于1的系数进行修正。
  本工作面以支架每天的时间加权阻力和平均工作阻力作为来压判据,选取工作状态良好的20号、30号、40号、50号、65号、70号、80号、95号和110号支架数据进行分析,修正系数取0.8。
  3 现场应用
  根据矿压规律显现研究与回采工艺参数的研究,以及持续的观测,对指导生产起到了很大的作用。
  在今后16#煤层其他工作面开采过程中应注意以下几点:
  (1)严格管理割煤工序和移架工序的衔接,在顶板破碎区域要超前移架,防止发生端面冒落,从而引起支架顶梁不能有效接顶,弱化支架的受力状态和支护效果。
  (2)加强机电设备检修与维护,提高工人的操作水平,有条件可以组织工人对大采高工作面顶板来压相关理论进行学习,从而提高工作面顶板和设备的管理运营水平,降低设备的故障率,提高支架护顶效率。
  (3)提高工作面采出率最主要的途径是改造采区外运系统,包括主斜井皮带、转载皮带和9#辅运皮带,提升外运能力,其次提高工作面的检修速度和质量,增加采煤机作业时间。加强组织管理,使得各个班组和相关工人能相互协调工作,提高生产系统的可靠性。
  (4)根据计算,外运系统运输能力1000t/h,煤层循环割煤量在1300t以上,要求循环割煤时间不应低于78min,割煤速度不应大于3.14m/min。
  4结论
  4.1大采高工作面回采工艺参数研究结论
  (1)1603工作面推进前350m左右,工作面顶部有夹矸厚度0.4m左右,工作面沿夹矸回采。工作面设计采高6m,由于顶部夹矸的影响,观测期内最大割煤高度5.6m,最小割煤高度3.6m,平均割煤高度4.6m。
  (2)1603工作面含有夹矸0~3层,影响了采煤机的割煤速度,再加上采区外部运输系统的限制,采煤机下行割煤最大速度为4.61m/min,下行割煤平均速度为3.17m/min;采煤机下行斜切进刀最大速度为6.42m/min,斜切进刀平均速度为4.24m/min;采煤机上行清浮煤最大速度为13.13m/min,上行清浮煤平均速度为8.43m/min;采煤机上行割三角煤速度比较均匀,平均速度为3.85m/min。实测不停机状态下采煤机一个割煤循环的时间为90min左右。
  (3)由于支架推拉杆连接销子频繁地折断和支架姿态的变化,加上工人的操作水平及远距离供液影响,移架各工序耗时波动较大,单架收护帮板的时间最高为13s,最低为4.9s,平均为9.4s;降架所耗时间相差较大,最多为21.3s,最少为2.1s,平均为7.5s;移架最多耗时54.9s,最少耗时5.2s,平均耗时12s,升架最多耗时29.6s,最少耗时为2.9s,平均耗时11.8s;打开一个护帮板平均耗时9.6s,实际上打开护帮板是多架连续打开,一次操作多个护帮板,从实际观察得知,一次打开三个护帮板耗时22.98s,一次打开十个护帮板耗时84.5s。实际移架时,移架工会根据架子状况,在本架操作相邻一个或多个支架,当操作一个支架时就需要走位,当操作多个支架时,走位时间相对较少,通过统计得出:当支架工走位频繁时,平均移架速度为2.5m/min;当支架工在本架操作多个邻架时,平均移架速度为5m/min。
  (4)1603工作面推溜采用单向成组推溜,从机头依次向机尾进行,每组设置为6~10架,同时推溜,观测统计得出推溜平均速度为0.42m/s。
  (5)工作面生产班平均开机率为53.7%,总故障率为46.3%。造成1603工作面停机的主要原因有:采区外部运输皮带故障、地面故障、工作面机电故障、工作面地质条件限制等。
  4.2大采高工作面矿压显现规律研究结论
  (1)根据分析,1603大采高工作面初采期间共监测到1次初次来压,12~13次周期来压,初次来压步距30~40m,周期来压步距20~22.1m,平均来压动载系数1.61。在监测期间,第20~30个监测日和第95~100个监测日出现了两个高压力带,工作面大部分区域的顶板压力处于高位,对应日期为2月初和4月中旬,分别为春节放假停产和清明放假停产后,说明工作面停产再生产期间顶板压力显现强烈,此阶段更应注意工作面顶板控制,适当加大工作面推进速度。
  (2)沿工作面倾向方向,工作面两端压力显现缓和,高压力区集中在20~115号支架之间;沿工作面走向方向,工作面推采至今,工作面压力呈缓慢上升趋势,自4月份以来,工作面整体压力上升较快,应密切关注后续压力变化。
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