安全高效开采技术.ppt
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1、安全高效开采技术,二九年七月,中国矿业大学 刘长友 教授、博士生导师,一、安全高效开采的基础理论二、安全高效工作面支架与围岩体系监测技术 三、中厚偏薄(1.52.5m)煤层安全高效开采的工艺及保障体系 四、短壁(房柱式)开采的工艺及参数设计五、深部及复杂地质条件下开采六、大采高综采技术与装备的发展趋势七、高效长壁综采放顶煤技术,内容提纲,岩层控制的关键层理论;“砌体梁”结构的“S-R”稳定理论,采场直接顶稳定性研究的基础,岩层控制的关键层理论,一、安全高效开采的基础理论,支架支护阻力与端面顶板下沉量 的关系;立柱支撑角度(水平力)、支护质量对端面顶板稳定性的影响;不同硬度(软、中硬、硬)顶煤的
2、端面顶板稳定性;,直接顶的介质属性及整体力学特性;直接顶的破坏变形规律、承载分区和刚度分类;支架工作阻力与顶板下沉量 关系新认识。,采场端面顶板稳定性研究,综放采场支架与围岩关系研究,一、安全高效开采的基础理论,顶煤运移与破坏规律的理论研究,综放采场顶煤的破坏特征及分区,由现场实测及理论分析可知,作为传力介质的顶煤,其不同区域内的破坏程度不同。因此,不同区域内的顶煤将有不同的传力效果,其破坏程度和范围可用如图3-11所示。,图3-11 顶煤的分区,一、安全高效开采的基础理论,顶煤运移与破坏规律的理论研究,综放采场顶煤的破坏特征及分区,非承载区 该区内顶煤在基本顶回转变形时发生变形破坏,并向采空
3、区垮落,因而该区内顶煤不承受基本顶的载荷,不产生给定变形压力,因而对支架无传力作用。承载区 该区内顶煤在基本顶回转变形过程中承受基本顶的载荷,产生给定变形压力,是支架承载的传力介质。弱承载区 由于煤壁支撑影响角的存在,该区内顶煤在基本顶的回转过程中,承受基本顶的载荷很小,变形很小,因而对支架的传力作用很小。,一、安全高效开采的基础理论,由综放采场顶煤的分区及其变形破坏特征可知,、区直接顶在基本顶回转过程中,其承载和传力作用很小。因此,区直接顶的刚度实质上就是综放采场顶煤的刚度,是支架承载的主要传力区。,可见,采场直接顶刚度与其弱化弹性模量和实际承载体的几何稳定性有关。,一、安全高效开采的基础理
4、论,支架承载特性分析支架的工况特征放煤前支架工作阻力普遍呈增阻状态,而且增阻幅度主要是前柱大于后柱;放煤后支架工作阻力普遍下降,但下降幅度后柱大于前柱;放煤前支架支护强度增加,但放煤后普遍下降。支架的承载状况支架前柱的阻力普遍大于后柱。顶煤的刚度(厚度)变化对支架前后立柱的承载产生影响综放开采工作面支架后柱还受到垮落煤岩的冲击的影响,一、安全高效开采的基础理论,图9 综放采场支架围岩整体力学模型与单元简图,采场支架与围岩整体力学模型,一、安全高效开采的基础理论,综放采场支架与围岩关系研究由于采场内煤壁支撑影响角的存在以及回采工作面不断推进的事实,使得老顶的回转是绝对的,因而其回转变形成为给定变
5、形。因此,在支架与围岩这一相互作用体系中,老顶的运动及作用是具有主导性的。由于老顶是坚硬的岩层,因而老顶可视为刚性体,而直接顶、顶煤、支架及底板则具有一定的刚度。,一、安全高效开采的基础理论,综放采场支架与围岩关系研究支架与围岩系统的刚度模型可简化为图4-1所示。,图4-1 支架与围岩系统刚度模型,一、安全高效开采的基础理论,综放采场支架与围岩关系研究支架与围岩系统的刚度K则由系统内各组份直接顶、顶煤、支架和底板的刚度共同决定,可由下式表示 若忽略底板的影响,在支架围岩系统中,主要是直接顶、顶煤和支架的相互作用。对于直接顶,当直接顶比较坚硬,其刚度和顶煤相比相差很大时,从与顶煤的变形程度相比较
6、,可认为直接顶类似刚性体,此时,认为1/Kr=0;当直接顶较软,其刚度和顶煤相比相差不大时,可认为Kr=Kt,因此式(4-1)可简化为,一、安全高效开采的基础理论,由式(4-2)可知,若顶煤松软破碎,刚度则,此时系统的刚度为零;若顶煤刚度,则系统的刚度由顶煤的刚度和支架的刚度共同决定。支架围岩系统的总体变形量和支架及顶煤的变形量具有关系式令 则,与 的关系曲线如图4-2所示。,图4-2 Ss/S与n的关系曲线,一、安全高效开采的基础理论,综放采场支架与围岩关系研究支架的变形在系统总体变形中所占的比重,取决于顶煤的刚度与支架刚度的相对大小。支架的刚度相对顶煤越小,则支架的变形量越大,反之亦然。在
7、综采放顶煤条件下,由于控顶区范围顶煤的破碎,其刚度难以呈类似刚性状态,因此,支架的工作状态更多的是呈“给定载荷”状态和由顶煤刚度和支架刚度决定的相互作用状态。此时,支架应有较高的初撑力,使支架具有足够的稳定性。,一、安全高效开采的基础理论,下位顶煤,中位顶煤,上位顶煤,细砂岩,下位直接顶,成拱,成拱,图3 中上位顶煤流动过程中成拱,顶煤的破断块度是矿山压力与煤的自然条件综合作用的体现。块度理论框架包含了以顶煤块度为特征量的顶煤可放性评价与分类、煤矸的运移和流动场规律、煤矸的放落成拱机理和条件、合理放煤工艺参数的确定、顶煤稳定性和冒放性控制以及顶煤回收率的分析评价等内容。为低位综放开采技术的完善
8、和发展奠定了基础。,综放开采顶煤破断冒放的块度理论(刘长友,2005),一、安全高效开采的基础理论,基本观点破断块体的大小与煤层的赋存条件(如采深H)、采动影响条件(如采动应力集中系数k)、煤的完整性(节理裂隙发育程度)以及煤的力学特性(如煤的硬度)等有关;由于顶煤块度的不同以及矸石块度与顶煤块度的相对差异,使得煤矸在放落流动过程中又不同于理想散体的流动;顶煤块度与矸石块度的相对大小,影响顶煤放出过程中的混矸和回收率;放煤工艺方式不同对不同块度顶煤的冒放规律、混矸率和顶煤回收率有着不同的影响;以顶煤块度为特征量,分析评价煤层的可放性,分析顶煤(矸石)的放落流动特性,合理确定放煤工艺参数,提出相
9、应的控制措施,分析评价顶煤回收率。,综放开采顶煤破断冒放的块度理论,一、安全高效开采的基础理论,顶煤破断冒放的块度理论框架,一、安全高效开采的基础理论,综放开采顶煤破断冒放的块度理论,关键技术基于块度理论的放顶煤开采顶煤冒放性评价;高产高效综合机械化放顶煤提高煤炭采出率技术;提高初、末采期间的顶煤回收率技术提高端头区顶煤回收率技术;基于工艺参数优化的提高面内顶煤回收率技术;提高坚硬顶煤破断冒放的水力致裂弱化技术;,一、安全高效开采的基础理论,安全高效开采的围岩控制技术;矿山压力及其显现规律研究;支架与围岩关系研究;工作面围岩的稳定性机理研究;工作面围岩稳定性控制技术,二、安全高效工作面支架与围
10、岩体系监测技术,1.支架与围岩体系监测的目的 综采工作面支护质量监测的目的是保障支架的完好性及保持支架与围岩的良好作用关系,减少支架与围岩事故率,从而辅助工作面的生产管理,保障工作面主要综采设备安全、可靠、高效运行,确保综采工作面的安全生产和高产高效。,二、安全高效工作面支架与围岩体系监测技术,2.支架压力监测系统工作特点 神华大柳塔煤矿采用WSl.7/210/450型电液控制掩护式液压支架,使用中具有下列特点:(1)大大提高了支架推移速度。支架降柱-移架-升柱的工作循环时间控制在6s8S,最快为3.55s,为提高采煤机割煤速度提供了保证。(2)保证液压支架额定初撑力。该支架在主控阀与立柱之间
11、加装一压力传感器,自动监控立柱下腔液压力,当立柱下腔的压力达到设计的额定初撑力时,压力传感器即将信号反馈到控制箱,停止向立柱供液。该系统还可以利用系统软件,延长向立柱下腔供液的时间来保证实现支架额定初撑力。,二、安全高效工作面支架与围岩体系监测技术,(3)采用电液控制系统,在移架过程中,易于实现定压、带压移架,避免对工作面顶板和液压支架间产生频繁冲击载荷,延长液压支架的使用寿命。(4)使用更可靠和方便:电液控制系统的元件体积小,操作力小,支架间可采用较细的多芯电缆实现架间连接,从而避免了用多芯胶管或高压胶管过架时被砸伤、挤破及细孔易堵塞的毛病。(5)提高工作面输送机推移质量。采用电液控制,可实
12、现多架同时推移输送机,可使输送机缓慢弯曲,避免油槽连接处产生过大的应力,同时可以保持工作面输送机直线性,实现工作面平直。而且可与采煤机和输送机的自动控制系统配合联动,实现全自动化综采工作面和整个矿井的自动化管理。,二、安全高效工作面支架与围岩体系监测技术,3 KGJ-B型工作面综合监测系统应用实例 为了对整个工作面实行全方位监测,根据基本顶结构的破断及矿压显现规律,兖州兴隆庄煤矿沿5318、5319工作面面长方向分上中下三个部位布置监测单元,以监测工作面两端及中部的顶板压力及支架的支护质量。在5318工作面上部测量单元在117#支架,中部在90#、60#和30#支架,下部在4#支架(每个测量单
13、元的支架数可根据需要确定)。选用KBE56型矿用压力数据采集仪对支架前后立柱和前梁千斤顶的压力进行采集,并将监测结果送往地面主机,利用监测系统分析软件处理。监测信息分析项目如下:,二、安全高效工作面支架与围岩体系监测技术,(1)支架立柱及前梁压力动态监测及分析。反映支架的受载状况、支架所受合力作用位置的变化以及支架后部连杆的受力状况等。该部分通过柱状图形式给以动态对比显示,并给出量化分析。(2)支架立柱工作特性实时监测及分析。受顶板运动和支护质量的影响,支架立柱的工作特性可呈初撑型、一次增阻型、二次增阻型、多次增阻型以及恒阻型等。(3)支架循环阻力频率分布及支架适应性分析。随工作面推进,可对每
14、个循环内支架的支护质量、顶板运动对支架的影响以及支架对顶板的控制程度等给出具体评价,进而对支架的适应性给出总体结论。(4)顶板压力分布动态监测及分析。通过动态监测就可以及时掌握压力变化的实际状况,分析原因,采取相应措施给予及时有效地控制。,二、安全高效工作面支架与围岩体系监测技术,(5)基本顶活动规律分析。通过分析支架支护阻力(p0,pt,pm)随工作面推进循环的变化,为在基本顶来压期间及时采取有效措施维护围岩稳定奠定基础。(6)监测结果综合分析。为了能对工作面监测信息给予总体分析评价,本系统软件以日报表的形式给出主要参数。日报表主要有:支架阻力的大小、支架支护阻力区间分布、支架支护阻力的趋势
15、分布图等。使决策部门对工作面24小时范围的支护质量及顶板压力情况,有一个准确地了解。,二、安全高效工作面支架与围岩体系监测技术,(1)工作面在线监测 特点:监测内容针对性、信息采集传输与分析实时性、监测结果处理、决策以及意见反馈及时性。最大限度地实现在工作面生产过程中实时监测。监测系统,支架与围岩动态监测内容和指标;支架与围岩在线实时监测;支架受力监测;,二、安全高效工作面支架与围岩体系监测技术,二、安全高效工作面支架与围岩体系监测技术,地面监测主机,联 网,显示器,通信模板,人 工 取 数,工作面支架与围岩监测系统,回采巷道顶板离层及围岩变形监测系统,根据矿井和开采工作面的具体实际,采用工作
16、面支架与围岩信息自动采集存储、人工提取、地面计算机分析与处理的监测过程。,(2)工作面非在线监测,二、安全高效工作面支架与围岩体系监测技术,综放支架受力监测技术,主要研究高产高效放顶煤工作面支架和围岩的相互作用关系支架可组合变换结构件,以实现不同的试验要求实现顶部加载、支架阻力与顶板位移的自动采集处理实验模型比例按1:15模拟,二、安全高效工作面支架与围岩体系监测技术,矿用磁性应力测试仪,综放支架受力监测技术,二、安全高效工作面支架与围岩体系监测技术,(1)工作面的煤层条件 煤层煤厚0.82.6m,平均1.93m,煤层倾角212,平均6。工作面断层发育。(2)项目研究的关键技术 中厚(1.52
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