浅埋薄基岩煤层短壁连采条件分类.docx

浅埋薄基岩煤层短壁连采条件的分类刘玉德1,2， 张东升1,2， 马力强1,2， 赵永峰3， 王洪生1,21）中国矿业大学 矿业学院，徐州，江苏 2210082）中国煤炭资源和煤炭安全国家重点实验室 ，徐州，江苏 2210083）中国神华能源有限公司，鄂尔多斯神东煤炭分公司，内蒙古 232001摘要：房柱式法通常是被用来从浅埋薄基岩煤层中采煤。这导致非常低的生产效率和回采率。近年来除了浅埋薄基岩煤层，短壁连续机械挖掘被广泛应用在许多情况下。根据现场经验，实验室数据，计算和计算机模拟推导出2-2煤层上覆岩层运动的原则。在神东煤田中煤炭埋藏浅的地方基岩的厚度运用模糊聚类可以分为5种类型：35米。对每个类别中的相关参数进行了一系列合理的计算和分析，给出了一个用短壁连续机械开采浅埋煤层的方法。关键词：短壁；连续开采；薄基岩；模糊聚类；技术参数1.引言浅埋煤层一般 特点是单一关键层，承载层基石的厚度比小，和在厚的砾石层下有薄的覆盖层 。浅埋煤层的相关参数是：煤层的埋藏深度小于150米，承载层基石的基载比Jz小于1。1对有较厚的覆盖层或正常地区，有许多有效的挖掘煤的方法。在此次案例中，长壁工作面无疑是首选的。然而，浅埋薄基岩煤层或边界煤开采一直是用房柱法。近年来，除了在浅埋薄基岩煤层使用，短壁机械化开采的技术已经被广泛应用在许多不同的地质条件下。为了解决这个我们提出了浅埋煤层短壁机械化连续开采方法，以2-2神东薄基岩煤田作为一个例子。四个步骤是：a) 一）分析煤层的地质条件和覆岩的物理力学性能。b）分析在短壁机械连续采煤工作面上覆盖的岩层的坍塌特征。c）选择分类指标及方法并进行分类。d）为每个类别的短壁机械化连续开采选择相关参数。2 2-2煤层地质条件和采矿方法的选择2.1 地质条件 神东煤田2-2 煤层属侏罗系中统延安组, 煤层厚度 3.93 -6.71,平均厚 6.18;结构简单, 含矸 1-3层, 夹矸厚度 0.12 -0.37, 岩性多为泥岩, 部分炭质泥岩 ;煤层埋深 20.10 -238.40。（图1）2图1 2-2煤层截面1）伪顶:厚度小于 0.5,由极易垮落的泥岩、炭质泥岩组成。2）直接顶:为泥岩、粉砂岩及其互层, 天然抗压强度 28.4, 饱和抗压强度 15.6。3）基本顶:由较为均质的砂岩或节理裂隙及层理不甚发育的粉沙岩组成 。大量和初始破碎压力相等的重量使得地层行为异常22.2基岩较薄区域开采方法的选择1）崩落带高度以岩石的膨胀的因素考虑2-2煤层崩落带高度：hm=M(KP-1)cosa其中M是采高，米；KP是扩张因子；是倾角（）。计算的崩落带高度的范围从9米到15米2）裂隙带高度裂隙带的流水高度hl=MaM+b其中A和B是岩石合成强度系数这些参数可以这样计算：a=0.1075-0.024lnRc ,b=0.155-0.0299lnRcRc是岩石的综合强度2-2煤层覆岩综合强度取为 30 -60, 计算其覆岩裂隙带高度约为:27.4 63.5。3）挖掘方法短壁机械连续开采方法是浅埋薄基岩煤层的首选。3在浅埋煤层基岩运动的规律3.1短壁工作面巷道系统2一般来说，一个连续采煤机，连续运输系统，履带移动式液压支架、锚杆钻机可以用于短壁机械连续采煤工作面（如图2所示）。 （a）连续采煤机 （b）连续运输系统 (c)履带移动式液压支架 （d）锚杆钻机图2短壁连续力学应用设备短壁机械连续回采工作面高度从4.5米到6米。目前的道路系统主要包括巷道支巷道，联络巷和采矿室（如图3）。图 2 短壁连采工作面巷道系统3.2 计算基岩跨度范围1-3根据固定梁的力学模型，第一关键层的垮落步距的计算方法是：其中 hi是关键层的厚度，单位（M）；引起挖掘失效系数，（取0.25）Rt是关键层的抗拉强度单位（MP）,qi代表关键层的重量或岩层上的载量（MNm3）。计算的结果列于表1表1 2-2煤层关键层上的初次崩落跨度3.3基石的工作特性4-61）利用RFPA2D数值模拟方法模拟不同厚度基岩的塌陷情况见图4（a）5m (b)10m (c)25m (d)30m图4 用RFPA2d模拟的崩溃状态的基岩如图4所示，在基岩厚度的增加导致塌陷区的变小基岩的承载能力增加。2）通过UDEC模拟关键层平均厚度20米的第一次和定期的崩落行为（图5） （a）第一次崩落 （b）定期崩落图5 用UDEC模拟开采特征基岩发生剪切破坏是通过标准层在开采的初始和后续的压力下造成的。靠近工作面的压力增加到3.7 MPa，动载系数约为2.4。3）原位观测顶部坍塌时两个区域会形成。崩落带高度一般在20m.破碎带可分为标准层的强烈的破碎带和弱破碎带。 2 （图6）。图6 放在一个短壁机械连续采煤工作面后的两个区域顶部的破碎的痕迹如图7所示【1】图7 周期重压期间顶部破碎的痕迹3.4基岩的稳定性和结构关键层的第一次破损可能是不对称的，i.e靠近工作面的岩块的长度大于另一侧，可允许一个三铰拱的形成。此外，当接触到煤矸石时关键层的断层将形成单斜结构。对上述两个结构的稳定性可以通过系数“i”的值来判断，i可以这样计算：i=hi/Li1.5/(1.5+k)Li是初次垮落步距，（m）；hi是顶板的厚度，（m），K顶板的影响系数。计算结果如表2所示。表2 2-2煤层上不同厚度的基岩的块度3.5 基石的运动和加权 1-2 运动特性和加权可以概括如下：1） 当前顶部的初次垮落步距短壁采煤工作面比长壁工作面大。2） 主顶的初次垮落步距短壁采煤工作面和长壁工作面是近似的。3）可以沿整个厚度减少基岩。第一个非对称结构破碎结构不能形成一个稳定的滑动结构。基岩的断裂角太大会导致地面上的失败。3）在短壁采煤工作面顶板断裂的周期通常比在长壁采煤工作面大4）主顶不能形成一个稳定的拱石梁。顶板的逆向旋转将随着水和涌砂沿裂隙中渗透形成台阶状塌陷发生。4分类4.1关键控制因素顶板控制的关键是防止屋顶滑动，在短壁机械连续挖掘过程防止水或涌沙。虽然有很多影响因素，关键是在基岩应力分布的造成影响范围，岩石的强度和岩石的组成 9 。其他因素是基岩厚度，碎石的构象和风化带，基岩的裂隙分布和土貌。因素之一可以控制开采方法和技术以及矿井的布局，巷道围岩应力。4.2分类方法模糊聚类方法的适用条件分类。1）今天，理解煤层基岩的相对运动原则主要取决于原位观测。2）满意的结果不能从解析方法得到的3）高精度样品对回归分析的要求是非常严格的。此外，在矿区范围内一些概念很模糊的定义对象一般是非常混乱的 7 。模糊聚类分析是一种通用的数值分类的方法，它通过四步用模糊数学语言介绍了聚类问题：标准化，划分，加权和聚类4.3 分类指数7确定模糊聚类分析指标的五个因素。1）基岩的抗压强度（c）这次测量用的是实验室的标准岩石。该指标是关键层的单轴抗压强度的加权平均2）基岩上方的厚度（hb）：该指数是从煤层顶部到砾石层底部的地层厚度3）基岩和负载层的厚度比（Jz）4）采煤工作面开采影响系数（D）以厚度的主要因素，这个指数代表采矿诱发的主要支承压力的影响，可以这样计算D=hihchi是直接顶厚度，（m），hc是采高，（m）5）岩石的完整性（I）：该指标主要取决于在采煤工作面地质特征。5 分类系统5.1 典型样品 12 对十五种典型的短壁采煤工作面样本分类。他们在表3中列出。5.2数据处理1）线性化的数据基岩的稳定性是不一定和影响因素线性关系。利用模糊聚类分析的非线性关系必须线性化。每个类别中的原始数据可以用表4中所示的定标线性化。表4 原始数据的线性化处理2）数据标准化线性化后的数据可以被标准化的：a）缩放到平均值。从每个数据的平均值中减去。b）缩放到一个标准的宽度分布。每个数据除以指数的标准偏差3）分类指标的加权为区分有助于围岩稳定性各指标贡献的大小指数被加权。线性化后的各个指标乘以加权值列于表5表5 各分类指标的加权值4）划分计算的相关系数划界均值。在计算加权的极限偏差和任何两个样本的平均值之间的差值后，两种产品之间的一种变化的中心距应除以每个不同值之间的二进制中心距离。因此，得到模糊相似关系矩阵。5）聚类不同的临界值应给予指标得到合理的分类（表6）表6 分类6技术设计参数 12 6.1工作面长度按吨煤费用最低的准则求解 。影响工作面长度的主要因素有 :掘进费、运输费、维护费等,由相关参数计算得 :工作面长度为 60-100较为合理6.2采硐1）短壁连采工作面的采硐可以采用以下三种布置方式 ,如图 8所示()单一采硐式;()多硐间隔式;()多硐连续式图8 短壁连采采硐布置方式分类(2)采硐宽度短壁连采工作面开掘后, 顶板岩层由煤柱支撑 , 当柱不约束梁时，岩石梁可当作简支梁。另一方面，也可以作为一个固定的支承梁。有一个简支梁硐室宽9.53米，有固定梁宽11.6米。因此，连续采煤机的合理宽度范围从5.5米到6米。(3)同采数量由风压损失理论计算知:风阻和巷道组数的平方成反比 。所以 , 同采采硐数量以 2 -3个较为合适。6.3煤柱（1）主要巷道保护煤柱Wp=K1h+K2H+K3:、Ki分别为埋深、采厚、经验参数经过计算，煤柱的宽度范围从20米到40米(2)支巷煤柱Wp=4.505h(11-R)FKpc-0.778式中:、分别为煤柱宽度、开采比 、安全系数、应力增高系数 、煤柱强度、试块单轴抗压强度。计算结果参见表 7所示 表7 不同基岩厚度条件下的支巷煤柱宽度依照计算结果并参照经验数据, 2-2煤层支巷煤柱宽度取为 15-20(3)硐间煤柱不同基岩厚度硐间煤柱采用经验数据,如表8所示表 8 不同基岩厚度条件下的硐间煤柱尺寸6.4支护在短壁工作面顶板控制的实质是把煤层自由面的主要压力诱导成顶板崩塌的主要压力（图9）在神东煤炭领域工程的做法是使用锚杆支持采矿室及石门。锚杆规格为 16 1800,间排距为 700 700 1000 1200, 采硐每排 4根;联络巷每排 3根 。回采时在采空区边缘布设两台履带行走式液压支架 ,在采硐内迈步式向前移动, 及时支护连续采煤机后方的悬空顶板。6.5每个类别的相关参数每一类短壁连续挖掘机械相关参数在被收集于表9表9每个类别相应的技术参数7结论本文以一个实际煤层为研究对象，我们可以得出结论：（1）在短壁机械连续采煤工作面基岩的动作是通过仿真和理论分析来揭示的（2）实现短壁机械连续采煤工作面三模式：单一采硐式，多硐间隔式和多硐连续式（3）建立了浅埋煤层的一种短壁机械连续采矿方法的分类系统（模糊聚类）。（4）在考虑每一类别经验数据和技术参数的计算后，我们建立了浅埋煤层短壁连续开采机械化技术系统。参考文献【1】 黄庆享 浅埋煤层长壁开采顶板结构及岩层控制研究。徐州：中国矿业大学去科技出版社，2000。（中国） 2 王安 .神东百万吨矿区现代制造技术。北京：煤炭冶金工业出版社，2005。（中国） 3 钱鸣高，缪协兴，徐家。地下控制关键层理论。徐州：中国挖掘技术大学