岱庄煤矿1.2Mt-a新井设计-厚煤层分层开采及巷道合理位置确定模拟分析

第页结合以上公式，把已知值代入，可得：容易时期：总风阻为：总等积孔：=1.1917/=3.2m2困难时期:总风阻为：总等积孔：=1.1917/=2.8m2通风容易时期和通风困难时期的总风阻和等积孔见表9-3-3：表9-3-3矿井等积孔容易时期困难时期总风阻/0.140.18等积孔/m23.22.8表9-3-4矿井通风难易程度与等积孔的关系表通风阻力等级通风难易程度等积孔大阻力矿中阻力矿小阻力矿困难中等容易＜1m21～2m2＞2m2由以上计算看出，本矿井通风容易时期和通风困难时期总等积孔均大于2m2，总风阻均小于0.35N·S2/m8，属于通风容易矿井。9.4选择矿井通风设备9.4.1选择主要通风机的基本原则根据《煤炭工业设计规范》等技术文件的有关规定，进行通风机设备选型时，应符合下列通风机选型的原则：①风机的服务年限尽量满足第一水平通风要求，并适当照顾第二水平通风；在风机的服务年限内其工况点应在合理的工作范围之内。②当风机在服务年限内阻力变化较大时，可考虑分期选择电机，但初装电机的使用年限不小于5年。③风机的通风能力应留有一定的富裕量。在最大设计风量时，轴流式通风机的叶片安装角一般比允许使用最大值小5°；风机的转速不大于额定值的90%。④考虑风量调节时，应尽量避免使用风硐闸门调节。⑤正常情况下，主要通风机不采用联合运转。根据前面计算，用扇风机的个体特性曲线来选择主要通风机，要先确定通风容易和通风困难两个时期主要通风机运转时的工况点。9.4.2通风机风压的确定1）自然风压通风机的压力与自然风压有很大关系。风机选型时计算风机压力须计算出矿井自然风压。矿井自然风压的大小，最要取决于矿井风井的深度及内部的风流的密度。（1）静压矿井进、出风井的空气柱的容重差以及高度差和其它自然因素所形成的压力成为自然风压，它对矿井风机的工况点会产生一定的影响，因此设计中应考虑自然风压对风机的影响。H=ΔρgH（9-16）式中：Δρ——进风井筒与出风井筒空气平均密度差，kg/m3，见表9-4-1；H——井筒深度，m。表9-4-1空气平均密度项目进风井筒/kg·m-3出风井筒/kg·m-3冬1.281.24夏1.221.26副井深度：Z副井=560m风井深度：Z风井=550m高差：Z高差=560-550=10m冬季空气密度取：ρ进=1.28kg/m3，ρ出=1.20kg/m3，Ρ平均=1/2×（ρ进+ρ出）=1.26kg/m3冬季自然风压：hna=ρ进gZ副井+ρ平均gZ高差-ρ风井gZ风井（9-17）=1.28×9.8×560+1.26×9.8×10-1.24×9.8×550=61.52Pa夏季空气密度取：ρ进=1.20kg/m3，ρ出=1.24kg/m3，ρ平均=1/2×（ρ进+ρ出）=1.22kg/m3夏季自然风压：hna=ρ进gZ副井-ρ平均gZ高差-ρ风井gZ风井（9-18）=1.20×9.8×560+1.22×9.8×10-1.24×9.8×550=-357.5Pa冬季自然风压有利于矿井通风，压力为61.52Pa，夏季自然风压阻碍矿井通风，压力为-357.5Pa。2）主要通风机工作风压（1）该矿井为抽出式通风，通风容易时期主要通风机静风压：（9-19）式中：——通风容易时期主要通风机静风压，Pa；——表示通风容易时期矿井通风总阻力，Pa；——表示容易时期帮助通风的自然风压，=61.52；——表示风峒的通风阻力，通常为20～50，取50Pa。故：=1354.55-61.52+50=1389.03Pa（2）通风困难时期，考虑自然风压反对主要通风机通风，主要通风机静风压：（9-20）式中：——通风困难时期主要通风机静风压，Pa；——表示通风困难时期矿井通风总阻力，Pa；——表示困难时期反对通风的自然风压，=357.5；——表示风峒的通风阻力，通常为20～50，取50Pa。故：=2373.48＋357.5＋50=2780.98Pa（3）主要通风机的实际通过风量因有外部漏风（防爆门和通风机风硐漏风）通过主要通风机的风量必大于矿井总风量，对于抽出式用下式计算：（9-21）式中：——实际风量，m3/s；1.05——抽出式矿井通风外部漏风系数；——风井总风量，m3/s。容易时期：=1.05×5922.27/60=103.6m3/s困难时期：=1.05×6871.02/60=120.2m3/s9.4.3主要通风机工况点以同样的比例把矿井总风阻曲线绘制于通风机个体特性曲线图中，则风阻曲线与风压曲线交于点，此点就是通风机工况点或工作点。工况点的坐标值就是该主要通风机实际产生的静压和风量。通风机的选择方法是：根据矿井通风设计所算出的需要风量，和风压的数据，在从许多条表示不同型号、尺寸、不同转数或不同叶片安装角的主要通风机运转特性曲线中选择一条合适的特性曲线，所选的这条特性曲线，表明了它所属的主要通风机型号、尺寸、转数和叶片安装角度等。这就是选择主要通风机的方法。作风阻曲线由风机风压与风量的关系方程确定；通风机特性曲线由选择的主要通风机确定。容易时期：（9-22）困难时期：（9-23）则主要通风机工作参数见下表：表9-4-2主要通风机工作参数一览表项目容易时期困难时期单位风量/m3·s-1风压/Pa风阻/N·s2·m-8风量/m3·s-1风压/Pa风阻/N·s2·m-8103.61389.030.129120.22780.980.1929.4.4主要通风机的选择及风机性能曲线在选择通风机的时候，工况点要在通风机的合理工作范围内，轴流式通风机的合理工作范围如下：上限：应在“驼峰”右侧，实际应用的最大风压值的0.9倍以下。下限：通风机的运转效率，不得低于0.6。左限：叶片安装角θ的最小值，对一级叶轮为10°，二级叶轮为15°。右限：叶片安装角θ的最大值，对一级叶轮为40°，二级叶轮为45°。根据以上原则及表9-4-2中的风机工况点选择东西两翼风机为：FBCDZ-8-NO.24B型的对旋式轴流风机。根据FBCDZ-8-NO.24B型的对旋式轴流风机的性能曲线，可以确定主要通风机实际工况点，见表9-4-3。表9-4-3主要通风机工况点型号时期叶片安装角/°转速/r·min-1风压/Pa风量/m3·s-1效率/%输入功率/kWFBCDZ-8-NO.24B容易43/3574014861070.74216困难55/4774029101230.804439.4.5电动机选型根据矿井通风容易时期和困难时期主要通风机的输入功率和计算电动机的输出功率。由/=216/443=0.49﹤0.6，故通风容易时期和困难时期需要选用不同的电动机。电动机的输出功率：（9-24）式中：——电动机的输出功率，kW；——通风机的输入功率，kW；——电动机容量备用系数，取1.15；——电动机效率，取0.90；容易时期：=216×1.15/0.90=276（kW）困难时期：=443×1.15/0.90=566.1（kW）根据电动机的输出功率和输入功率以及主要通风机要求的转速，选择型号为JR157-8和JR1512-8的异步电动机，其详细参数见表9-4-4。表9-4-4电动机参数时期型号功率/kw电压/V电流/A转速/rpm效率/%功率因数容易JR157-8320600036.573590.50.83困难JR1512-857060006873592.50.859.6安全灾害的预防措施9.6.1预防瓦斯和煤尘爆炸的措施（1）回采和掘进工作面以及回风巷中，必须按规定定期检查瓦斯，如发现异常，必须按规定处理。（2）盲巷、盲硐、片帮及冒顶处等容易积聚瓦斯的地点，必须及时处理。（3）掘进应采用双风机，双电源和风电闭锁装置。（4）掘进与回采工作面应安设瓦斯自动报警装置。（5）大巷及装煤站应安设瓦斯自动报警断电仪。瓦斯超限后应自动切断供电及架线电源。（6）所有易产生煤尘的地点。必须采取洒水灭尘等防尘设备及除尘设施。（7）井下风速必须严格控制，防止煤尘飞扬。井下所有煤仓和溜煤眼均应保持一定存煤，不得放空，不得兼作通风眼。（8）综采工作面应采取煤尘注水。按照保安规程设计悬挂岩粉棚和防水棚。（9）煤尘应定期清扫。巷道应定期冲刷，各个转煤点应进行喷雾洒水。9.6.2预防井下火灾的措施（1）井下中央水泵房和中央变电所设置密闭门、防火门。并设设区域返风系统。（2）井下机电设备选用防爆型为原则。应加强机电设备的安装质量。并加强维修及管理。防止漏电及短路产生高温和火花。（3）对自然发火的煤层，应加强煤炭与坑木的加收；加强密闭，及时密闭采空区；对停采线进行黄泥灌浆或喷洒阻化剂；分层开采还应在采区随采随注。（4）二阻化剂防火：根据化验与实践，本矿自然发火期长，但为确保安全，应预备部分黄泥用于危险时期灌浆。9.6.3防水措施（1）井巷出水点的位置及其水量，前采空区积水范围、标高和积水量，都必须绘出采掘工程图上。（2）主要水仓必须有主仓和副仓，当一个水仓清理时，另一个水仓能正常使用。（3）采掘工作面遇到下列情况之一时，必须确定探水线，进行探水，确认无突水危险后，方可前进。①接近水淹或可能积水的井巷、老空或小煤矿时；②接近水文地质复杂的区域，并有出水征兆时；③接近含水层、导水断层、溶洞和陷落柱时；④打开隔离煤柱放水时；⑤接近有出水可能的钻孔时；⑥接近有水或稀泥的灌泥区时；⑦底板原始导水裂隙有透水危险时；⑧接近其它可能出水地区时。10矿井基本技术经济指标表10-1设计矿井基本技术经济指标序号技术经济指标项目单位数量或内容1煤的牌号优质气煤2可采煤层数目层13可采煤层总厚度m2.94煤层倾角°0～6（平均3°）5（1）矿井工业储量Mt311.4（2）矿井可采储量Mt124.56（1）矿井年工作日数d330（2）日采煤班数班27（1）矿井年生产能力Mt/a120（2）矿井日生产能力t/d3327.08矿井服务年限a79.89矿井第一水平服务年限a79.810井田走向长度m5250井田倾斜长度m760011瓦斯等级—低12（1）矿井正常涌水量m3/h378（2）矿井最大涌水量m3/h40013通风方式—中央并列式式14开拓方式—立井单水平15一水平标高m-50016生产的工作面数目个117采煤工作面年推进度m158418（1）移交时井巷工程量m12000（2）达产时井巷工程量m1600019开拓掘进队数个320大巷运输方式—机车牵引固定矿车21矿车类型—固定矿车和自制平板车22电机车类型台数蓄电池电机车3台23设计煤层采煤方法—综采一次采全高24（1）工作面长度m210（2）工作面推进度m/月132（3）工作面坑木消耗量m3/千t0.6参考文献[1]杜计平.采矿学［M］.徐州：中国矿业大学出版社，2008[2]徐永圻.采矿学［M］.徐州：中国矿业大学出版社，2003[3]林在康,左秀峰.矿业信息及计算机应用［M］.徐州：中国矿业大学出版社，2002[4]林在康,李希海.采矿工程专业毕业设计手册［M］.徐州：中国矿业大学出版社，2008[5]郑西贵,李学华.采矿AutoCAD2006入门与提高［M］.徐州：中国矿业大学出版社，2005[6]钱鸣高,石平五.矿山压力及岩层控制［M］.徐州：中国矿业大学出版社，2003[7]王德明.矿井通风与安全［M］.徐州：中国矿业大学出版社，2007[8]杨梦达.煤矿地质学［M］.北京：煤炭工业出版社，2000[9].中国煤炭建设协会.煤炭工业矿井设计规范［M］.北京：中国计划出版社，2005[10]岑传鸿,窦林名.采场顶板控制与监测技术［M］.徐州：中国矿业大学出版社，2004[11]蒋国安,吕家立.采矿工程英语［M］.徐州：中国矿业大学出版社，1998[12]李位民.特大型现代化矿井建设与工程实践［M］.北京：煤炭工业出版社，2001[13]综采设备管理手册编委会.综采设备管理手册［M］.北京：煤炭工业出版社，1994[14]中国煤矿安全监察局.煤矿安全规程［M］.北京：煤炭工业出版社，2006[15]朱真才,韩振铎.采掘机械与液压传动［M］.徐州：中国矿业大学出版社，2005[16]洪晓华.矿井运输提升［M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;而且注浆对煤层自燃发火也能起到预防作用。加强上分层采空区注浆,提高下分层复合顶板的质量,对减少工作面漏风是十分关键的。2.2.3喷堵进风巷进风巷靠近工作面的上隅角是漏风的关键部位,架棚巷道尤为突出。对进风巷进行喷堵,对减少漏风效果比较明显。目前主要以喷浆封堵为主,此外也可以采取注凝胶及其它材料进行封堵。2.2.4吊挂挡风帘工作面靠近采空区侧漏风也是工作面风量损失的一个主要原因,靠近采空区一侧吊挂挡风帘,可有效控制采空区漏风,减少工作面风量的损失,提高风量的利用率。2.2.5加强通风设施管理,合理选择工作面风量加强工作面通风设施的管理,减少沿途风量的损失,合理选择工作面的供风量,按规程要求及时测风,发现风量变化,及时对系统进行调整,以保证工作面生产风量的需求。3.3厚煤层分层开采采空区自燃问题及解决方案厚煤层分层开采采用分层综采无煤柱开采，会使本分层工作面采空区以及层与层之间采空区连成一片组成大面积采空区，各采空区密闭墙频繁的启封，导致各种漏风通道使采空区的浮煤供氧预氧化，如果一处出现自燃，其有害气体必然波及整个相连的采空区以及影响到生产工作面，采空区漏风规律复杂，处理难度相当大。自然发火是制约厚煤层开采工艺发展的重要因素之一，也是煤炭科技工作者多年来致力解决的一个难题。3.3.1分层自燃发火类别分析采用分层综采无煤柱开采技术，对提高煤炭资源的回收率，减少煤炭资源的损失，产生了巨大的经济和社会效益，但是由于分层开采，特别给下分层开采防灭火工作带来了一系列新情况。（1）分层开采时一分层采空区发火机率较低，下分层及邻区准备或开采时引起上分层或相邻采空区内部发火机率较高，其主要原因是下分层开采时重新揭露煤层，造成漏风供氧继续氧化上分层浮煤所致，由于上分层的遗留煤已经预氧化，下分层开采时重新供氧，浮煤自然发火期缩短，自然危险性增强。（2）无煤柱开采使得本工作面采空区和相邻采空区连成一片组成大面积采空区，各条停采线也都相互连通，如果一处出现自燃，其有害气体必然波及整个相连的采空区；更为严重的是，有害气体还会影响到生产工作面，采空区漏风规律复杂，处理难度相当大。（3）沿空掘巷巷道使得从沿相邻采空区遗煤带漏风量增大，使得相邻采空区遗煤自燃性增强。（4）沿空巷道所留小煤柱及顶煤受矿压影响较破碎，使得巷道破碎煤体易自燃发火。（5）分层开采过程中有的地点如断层、停采线防火处理难度较大，往往一处地点造成多次自燃，常出现在自燃的地点主要是“两道一线”，即工作面、上下顺槽及停采线。因为这些地点的煤氧化时间长，一旦出现丢煤量较多，就容易自燃。3.3.2采取的主要防灭火对策采用分层无煤柱开采技术，必须从生产源头减少采空区浮煤和漏风，使自然发火的隐患大为降低，但防灭火的工作绝不能掉以轻心。在自然发火的防治过程中，具体的防灭火工作在不同时期、不同地点采取不同的对策。（1）分层开采采空区自燃危险区域判定开展采空区“三带”划分的研究，对相邻采空区遗煤带“三带”分布规律的考察，采用了打钻孔取样的方式，监测方法为各钻孔每天人工取样一次，送化验室分析气体组分并整理。通过长期考察分析，取得了相邻采空区遗煤带内气体组分的变化规律，为旁侧相邻采空区“三带”划分提供了大量可靠数据；对工作面后方采空区“三带”分布规律的考察采用了埋管的方式和竖管监测的方法获取了大量的监测数据，为工作面后方采空区“三带”划分提供了可靠的依据。根据现场测试各种数据和参数，结合实验结果和工作面的推进速度，确定开采工作面采空区自燃危险区域判定。分析和判断自燃危险区域的位置、范围及其发生、发展、变化趋势，确定分层开采防灭火工作重点。（2）最大限度地回收采空区遗煤在工作面回采时严禁预留顶煤，接顶木垛料必须回收，在断层、二合顶等地质构造区域为确保工作面正常推进预留的顶煤从架尾放出，并纳入采区安全评估考核内容。（3）对临时隔离煤体及顶板遗煤注胶体封堵漏风对破碎煤体施工钻孔，角度及方位根据现场情况决定，长度一般为2～3m，间距2～3m，下套管并用水泥或海带封孔，套管直径1寸，每节长度1.5m，端头为管螺纹，套管联接采用管箍。钻孔中第一节套管为花管，花管由套管加工而成，每隔10cm钻一个φ15mm的孔，并均匀分布在套管圆周的各个方向，注水玻璃凝胶或水泥胶体，杜绝漏风。（4）均压防灭火在采区漏风可疑地点及密闭墙设观测点定期全面检测压力差分布状况，在矿井主要通风机合理运行工况条件下，通过对井下风流的调整，改变有关巷道风压分布，均衡火区或采空区进、回风两侧的风压差，减少和杜绝漏风，使采空区内空气不产生流动和交换，断绝氧源，达到窒息惰化火区或抑制煤炭自然发火。（5）预埋灌浆管，定期注浆工作面每推进50m左右敷设一路长度不小于100m的注浆管。注浆管管径不小于50mm，每2.5m设一个出浆口，出浆口朝向煤壁，出浆口大小尽量沿浆液流向逐渐减小。工作面敷设下一路注浆管时开始送浆。要保证浆液能覆盖采空区，灌浆不仅可以带走热量，而且对裂隙处起着充填封闭作用。（6）对沿空掘巷开门点重点处理分层开采工作面两巷掘进期间要对分层停采线实施浅孔钻注水泥浆，以包裹停采线遗煤，以防在掘进期间形成供氧自热环境。（7）无论生产接续多么紧张，都要尽量避免前采后掘和采后即掘。前采后掘会加剧采空区漏风供氧强度，促成遗煤自燃。采后即掘也不可取，采空区没有一个充分冷却压实的过程就紧跟下分层掘进，无疑为采空区提供了一个连续供氧的环境，在生产接续安排上必须杜绝。总的来说，破碎煤体的存在以及与氧气接触是不可避免的，但是如能减少破碎煤体的存在并缩短其蓄热时间，采区均压使采空区内空气不流动，自然发火的几率将会大大降低。对集约型生产矿井若一个工作面受影响，对于全矿来说造成的损失将是难以估量的。针对分层开采上、下分层的相互连通，采空区漏风规律复杂，给矿井的安全生产带来很大的安全隐患。为了保障矿井的安全生产，研究厚煤层分层无煤柱开采综合防灭火技术十分必要。只有掌握了厚煤层分层开采漏风规律及防火防治重点区域，矿井防灭火工作才有了坚实的基础。3.4厚煤层分层开采的卸压防突煤与二氧化碳突出和煤与瓦斯突出一样,均是煤矿生产过程当中严重的自然灾害。开采保护层是区域性防突的最有效的措施之一。急倾斜特厚煤层运用水平分层开采时,对下分层有自我保护作用,但其在垂直方向的保护深度和在走向、倾向的保护范围并未确定。3.4.1上下分层应力变化特征（1）煤岩层倾斜方向,上水平工作面开采对下水平工作面开采及顺槽掘进有明显的卸压保护作用，卸压保护角约为70°～80°，卸压幅度可达60%～80%；上分层开采后在底部煤层形成一个凹形的卸压范围。（2）沿煤岩层走向方向的采止线附近,卸压保护角约为65°,卸压保护深度可达40多米,该处的卸压幅度约为40%。如果工作面走向推进距离较短,巷采煤柱就会难以形成较大的保护深度,所以保护层开采不能采用巷采法。（3）沿煤岩层走向方向,可以看出顺槽掘进对下水平煤层有较大范围的卸压保护作用;但沿煤岩层倾斜方向分析,顺槽由于横向宽度较小,使其对下水平煤层不具有明显的卸压保护作用。3.4.2防突措施（1）矿井在分层开采时,采空区内尽量不留煤柱或尽量留小煤柱(2～3m)。不得已留煤柱时须在采掘工程平面图上标记,以划分保护范围。对煤柱影响带,下分层可能因卸压不充分未消除突出危险,必须采取措施消除突出危险才能回采。（2）下分层采掘工作面应尽量布置在保护范围内,减少突出危险;否则,应采取相应的防突措施。4厚煤层分层开采巷道布置及煤柱留设4.1巷道布置4.1.1内错式布置内错式布置是下分层平巷在上分层工作面的内侧,形成正梯形煤柱,如图3所示,煤柱尺寸变大,而工作面长度缩短,但巷道在假顶下掘进，易于掘进和维护，适宜于10m以上的煤层厚度。图2内错式巷道布置4.1.2外错式布置外错式是下分层平巷在上分层工作面的外侧,煤柱成倒梯形,愈到下分层煤柱尺寸愈小,工作面长度愈大,一般认为,外错式布置方式是将巷道布置在上分层的煤柱下,使得巷道围岩处于支承压力作用区,对巷道维护不利，所以很少采用。事实上,分层开采采用巷道外错式布置,可以最大限度地保证工作面的长度,充分发挥综采设备的优势,减少资源损失,提高煤炭回采率。如图3所示。图3外错式巷道布置4.1.3平移式布置平移式布置是下分层平巷与上分层平巷之间平行错开一定的距离,或平移到上分层的采空区内，如图4,或平移半个煤柱,如图5,小平移布置方式适合于10m以上煤层厚度,大平移方式图6，适合于8m以上煤层厚度。其中图4和图5为部分无煤柱巷道布置方式.部分无煤柱化分层综放开采时,各分层均采用双巷布置,区段间留设一定宽度的保护煤柱。在开采过程中,通过调整上、下分层顺槽的位置,让上分层区段煤柱位于下分层工作面可放顶段,在下分层放顶时,将上分层区段保护煤柱以顶煤的形式放出。上分层采空区应力集中的性质有利于下分层开采时区段煤柱的回收,可以保证区段煤柱的回收率。图4平移式巷道布置1图5平移式巷道布置2图6平移式巷道布置34.1.4垂直式布置重叠式布置是下分层平巷在上分层平巷的垂直下方,如图7所示,能够保证工作面的长度,但增加了下分层巷道支护的难度,适宜于12m以上的煤层厚度。图7垂直式巷道布置4.1.5完全无煤柱化巷道布置对于巨厚煤层分层综放开采时,可以按图8所示布置回采巷道。这时,运输顺槽沿煤层底板掘进,布置在上区段回风顺槽的底部,回风顺槽沿顶板掘进,区段间取消了保护煤柱,实现了完全无煤柱分层综放开采。这种巷道布置方式必须由上到下顺序开采;采用该巷道布置方式时,特殊的巷道布置方式能够保证工作面中部顶煤较好的预裂效果,放煤效果相对较好;运输平巷又处于上区段开采应力降低区,解决了因留设适量保护煤柱而将下区段顺槽处于采动影响应力增大区造成区段顺槽难于维护的弊病。由于两顺槽不在同一层位上,这就使得回采工艺上与普通一次采全厚工艺有一定的区别。图8完全无煤柱化巷道布置错层位分层综放开采回采系统集成了综放采全厚回采工艺和分层开采工艺的特点。首先,上分层开采时必须沿底铺设网片,形成下分层开采时的假顶;其次,其特殊的巷道布置方式,使得开采时两个顺槽附近一定的范围内(通常3～5个支架宽度)不进行放顶作业,这个特点与一次采全厚综放开采相同。基于其特殊的巷道布置方式,在使用错层位综放开采时,回采工艺与普通综放开采存在一定的区别,主要表现在以下几个方面:(1)沿工作面方向来说,整个工作面划分成了三个分段,即采用所谓的“三段式回采工艺”;(2)采用错层位巷道布置时,大大提高了综放面可放顶长度比例,可以大大提高采区回采率;(3)由于分层间铺设了金属网片,下分层开采时工作面回风顺槽附近也要铺设网片,一方面有利于下区段运输顺槽的维护,另一方面避免了上区段采空区矸石下窜,降低煤炭混矸率。5巷道布置模拟分析5.1UDEC数值模拟软件简介及适用性简析通用离散元程序(UDEC,UniversalDistinctElementCode)是一个处理不连续介质的二维离散元程序。UDEC用于模拟非连续介质(如岩体中的节理裂隙等)承受静载或动载作用下的响应。非连续介质是通过离散的块体集合体加以表示。不连续面处理为块体间的边界面,允许块体沿不连续面发生较大位移和转动。块体可以是刚体或变形体。变形块体被划分成有限个单元网格,且每一单元根据给定的“应力2应变”准则,表现为线性或非线性特性。不连续面发生法向和切向的相对运动也由线性或非线性“力2位移”的关系控制。在UDEC中,为完整块体和不连续面开发了几种材料特性模型,用来模拟不连续地质界面可能显现的典型特性。UDEC是基于“拉格朗日”算法很好地模拟块体系统的变形和大位移。从离散化的角度出发,岩体本质上是节理介质,煤层开采后的覆岩破碎、断裂、离层等发育,可作为离散体来处理,且块体间存在着力的联系,因而离散元在矿山岩体力学和矿山压力研究中得到较广泛的应用,对模拟煤层开采沉陷问题比较适用。5.2数值模拟研究目前,我国厚煤层分层开采多采用下行开采方法。由于厚煤层上下分层巷道布置距离很近，下分层开采前顶板的完整程度已受到上分煤层开采的损伤破坏，且因受上分层开采的区段煤柱在形成集中压力影响，使得下分层回采巷道的合理布置及支护成为生产中的一个突出问题。一般认为，下分层开采时，在残留区段煤柱边缘形成一个应力降低区，将下部煤层回采巷道布置在此区域内以避开煤柱压力集中区是合适的，易于维护。但实际上，尽管巷道处于应力降低区内，下分层开采时巷道的矿山压力显现还是十分明显，变形和破坏严重，维护十分困难，严重影响着矿井正常生产。为解决厚煤层分层开采下分层回采巷道的合理布置问题，本文采用数值模拟方法分析了煤柱支承压力在煤柱底边的非均匀状态的应力分布规律；在此基础上对下部煤层回采巷道的合理位置进行了研究。5.2.1数值模拟实例以某矿地质条件为例，煤层厚度13m，埋深600m,为近水平煤层，直接顶为1.5m的泥岩，老顶为7.8m的砂岩，直接底为0.5米的细沙岩，老底为2m的砂岩。理论分析和计算实践表明,当由于结构或工程开挖释放荷载作用于岩体某一部位时,对周围岩体的应力及位移将有明显影响的范围大约是开挖或结构与岩体作用面的轮廓尺寸的2.5～3倍,在此范围之外,影响甚微,可忽略不计。确定数值模拟模型的煤岩层范围为:宽×高=420m×100m,模型的上面施加均匀的垂直应力,按模型上覆岩体的自重考虑。根据研究问题的需要,模型边界可以认为底部无水平和垂直位移,左右两边界无水平位移,即速度为零,岩体内部只存在天然自重应力,因研究区内地质构造较单一,不考虑小断层和地质构造应力的作用。模型采用摩尔-库仑模型。据此建立的数值模拟模型,见图9。图9数值模拟模型（a）20米保护煤柱数值模拟模型（b）30米保护煤柱数值模拟模型图10不同保护煤柱数值模拟模型图11和图12给出了上分层不同煤柱宽度时垂直应力等值线分布图。从图10和图11中可以看出，煤柱对下分层的应力分布影响很大，应力集中程度最高的地方均发生在煤柱下方，向采空区发展则应力集中程度迅速降低；煤柱底板的应力分布具有明显的非均匀特征，对于同一水平面上的底板而言，离煤柱越近则应力不均衡程度越大，远离煤柱则应力不均衡程度变小，应力分布状态越趋于缓和、均匀。在下分层水平面上，当煤柱宽度为20m时应力降低区距煤柱中心线水平距离为18m；煤柱宽度为30m时应力降低区距煤柱中心线水平距离为25m。（a）20m煤柱垂直应力等值线（b）30m煤柱垂直应力等值线图11不同煤柱垂直应力等值（a）20m保护煤柱（b）30m保护煤柱图12煤柱底边应力分布曲线对于同一水平面上的下分层而言，离煤柱越近则应力不均衡程度越大，远离煤柱则应力不均衡程度越小，应力分布状态越趋于缓和、均匀。巷道布置在应力不均衡程度越小处，支架受力状态更合理，巷道更易于维护。因此，厚煤层分层开采下分层巷道合理位置，不但要考虑将巷道尽可能布置在采空区下方的应力降低区内，还应考虑煤柱底板应力场的不均衡程度对支护结构影响。采用应力改变率来衡量其不均衡程度，即K=d[dσ（x）/d（x）]（1）式中：σ（x）某一水平面上的底板中的应力分布函数，X为应力计算点距煤柱边缘的水平距离。由式(1)可知，如果K值较小，则说明该处应力状态不均衡程度较小。据此函数可得到各应力状态改变率的极值Kmin进而可以确定各应力状态改变率的极值位置，综合应力改变率的极小值位置及应力值，可最终确定下分层回采巷道合理布置。根据以上分析，结合数值模拟结果(见图11)可以确定，当上分层保护煤柱为20m时，下分层内错距离应大于6m；当上分层保护煤柱为30m，内错距离应大于5m。下面进行验证。当保护煤柱为20m时，下分层巷道布置在离煤柱边界6m的地方。巷道宽5m，高3.5m。即巷道布置在离煤柱6～11m的范围内。当煤柱为30m时，下分层巷道布置在离煤柱边界5m处，巷道宽5m，高3.5m，即布置在离煤柱5～10m的范围内。则巷道顶底板移近量如图13。（a）20m保护煤柱巷道顶底板移近量模拟曲线（b）30m保护煤柱顶底板移近量模拟曲线图14巷道顶底板移近量模拟曲线如图可知，巷道顶底板移近量最大值仅为34mm，几乎观测不到变形，由此可知，在次布置巷道是稳定的。5.2.2结论(1)煤柱底板中应力场具有明显的非均匀分布特征，为非均匀应力场。对于同一水平面上的底板而言，离煤柱越近则应力不均衡程度越大，远离煤柱则应力不均衡程度越小。在非均匀应力场下布置巷道时，易导致支护体结构失稳。(2)应力场的不均衡程度可以采用应力改变率K来衡量，K=d[dσ（x）/d（x）]。K较小时，则说明该处应力状态不均衡程度较小。巷道布置在应力不均衡程度越小处，支架受力状态越合理，巷道越易于维护。(3)厚煤层分层开采下分层煤层回采巷道布置时，不但要考虑将巷道布置在采空区下方的应力降低区内，还应考虑尽可能将其布置在应力改变率为极小值的位置处。(4)工程实践表明，本文所提出的确定厚煤层下分层煤层回采巷道合理位置的方法是可行的。研究结果对类似条件下巷道合理布置具有一定的指导意义。翻译部分英文原文TechnologyforTomorrowandEquipmentSelectionforIndiaCoalMinesABSTRACT:ThecontributionprovidesashortintroductiontoeconomicchangesinIndianandconsequencestonaturalenergyresources.BytheexampleofcoalproductiontherearedescribedtheIndiaenergyreserves.Nextpartofcontributiondescribesminingtechnologyfromtheactualstatetothefuturedevelopment.Astheconclusiontheminingindustryhastoacceptnewminingtechnologyandautomationsystemstoimplementintelligentminingof21stcentury.1.CHANGINGECONOMICSCENARIOININDIA-COMPETITIVEMARKETCOMPANYAswestandtoday,atthethresholdofaGlobalMarket,therearemanychallengesfacingtheIndianCoalIndustry.Sincethebeginningofthisdecade,dramaticpoliticalandeconomicreformsinitiatedbytheGovt.in1991markawatershedinIndia’seconomicthinkingandaimatloweringprotectionismandintegratingthecountry’seconomywithglobalmarket.Barrierstoimportandforeigncapitalarebeinglowered.Changesinindustrial,foreigntrade,exchangerate,andtaxpolicieshasledtoaparadigmshifttowardsmarketforcesandcompetition.Theoldparadigmthatdictatedsuccessisbeingreplacedbynewrules.TheemergingbusinessscenarioindicatesthatthereisanurgentneedfortheIndiancoalindustrytobecomeproactive,improveitsoverallperformanceandunderstandingofmarketandcustomersneed.Therehastobeanincreaseintheawarenessandconcern,efficiencyimprovementandincreasingproductivityandprofitability.CoalIndia,whichproduces90%ofcoalproductionofIndia,hastodevelopamarketingstrategy,whichusesitsowncompetitionadvantagestomeetthechallengesofgrowingcompetitionfromimportedcoalandthenewentrantsintheIndiancoalmarket.Witharound60%oftheprimaryenergyneedsbeingmetbycoalandwithlargereservesavailableinthecountrycomparedtootherfossilfuel,theroleofcoalinthecountry’seconomywillcontinuetobevital.TheliberaleconomicpoliciesareencouragingtherapidexpansionofindustryinIndia,whichinturniscreatingunprecedenteddemandforcoaltofuelpowerstations,steelplants,cementandvariousotherindustries.Giventheabovescenariosomeoftheconsiderationsforthelong-termstrategicobjectivesforthecoalindustryhastobetobecomethecostleaderintermsofbeingthelowestcostproviderofagivenvalueandtoincreaseproductiontomeetthechallengesofwideninggapbetweendemandandindigenouscoalavailability.Itshouldbenotedthatliberalizationisremovingmostoftheregulatoryentrybarriersforsuperiorpositioningintermsofefficiencybyutilizingthebestavailabletechnologyandequipment.2.COALININDIATheprimacyofcoalintheenergypolicyplanningofthecountryliesinitsrelativelycomfortableresourcepositionvis-à-visthatofthehydrocarbons.Thepresentavailablecoalresourcesgoingbythereservetoproductionratioisexpectedtolastforanother233yearsascomparedto15yearsforoiland23yearsforNaturalGas,makingcoalaverysecureenergysourceforthecountry.Thepresentprovenrecoverableresourcesoffossilfuelsare:Coal84billionCrudeoil0.715billiontonsNaturalgas692billionm32.1CoalReserveGeologicalcoalresourcesaspertherecentassessmentmadebytheGeologicalSurveyofIndia(GSI)isaround220billiontonesinseamsof0.9mandaboveinthicknessandupto1200mdepth.Outofthetotalcoalreserves38%(844.4bt)isundertheprovedcategory,whilethereservesundertheindicatedandinferredcategoryare45%J(98.5bt)and17%(38.0bt),respectively.CoalresourcesinIndiaaccountfor0.8%oftheglobalcoalresources.However,provedreservesare5.7%oftheglobalcoalresources.TheshareofoverallcoalresourcesofdifferentStatesare:Jharkhand32%Orissa23%MadhyaPradesh/Chattisgarh20%WestBengal13%AndhraPradesh6%Matharashtra3%Other3%ThesalientfeaturesofIndiancoalresourcesareasfollows:About64%ofthetotalcoalresourcesoccurwithin300mdepthand26%occursinthedepthrangefrom300-600mdepth.Onlyabout10%resourcesoccurbeyond600mdepthindeepcoalbasinslikeJhariaandRaniganjcoalfields.Resourcesofnon-cokingcoalsamounttoabout85%ofthetotalresourcesofwhichonly12%areofsuperiorgradeandoccurringmostlyinRaniganj.Bulkofthecoalresources(73%)areinferiorgradenon-cokingcoalsoccurringinthickinter-bandedseamsandlcatedincoalfieldslikeSingrauli,Talcher,NorthKaranpura,Rajmahal,IBValleyandKorbaetc.Cokingcoalresourcesareonly15%ofthetotalresourcesconfinedtoonly10outofthe62coalfieldsinJharkhand,WestBengalandMadhyaPradesh.Theprovedreserves(uptoadepthof600m)isestimateat71billiontonesoutofwhichonly30billiontones(42.25%)isminablebyundergroundandtherest41billiontones(57.75%)byopen-casting.PresentlymininginIndiaismostlyrestrictedtoamaximumdepthofabout300meters.Inviewofthelargeavailabilityofindigenouscoalandtomaintain,itsshareintheEnergymix,thereisaneedtoincreasetheproductionofcoalandtoimproveproductionisabout300mtperannumandthedomesticproductionisincreasingatagrowthrateofabout4-5%peryear.3.GROWTHOFCOALPRODUCTIONTheIndiancoalindustryhascomealongwaysincethenationgaineditsindependence.Thegrowthofthecoalminingindustrywasslowtillnationalization.Intheyear1974-75,afternationalizationofcoalmines:thecoalproductioninCILwas78.99mtandtheshareofproductionfromopencastmineswasonly26percent.Rapidincreaseinthedemandofcoalbythepowersectorhasmadeitimperativeforthenationalizedcoalindustrytoaccelerateitsproductionandexpansionprogram.Theundergroundmining,whichdominatedthescenebeforetheduringtheinitialperiodofnationalizationdays,couldnotmeetthegrowingneedsofthepostnationalizationperiodandthereforetherewasashifttowardsincreasedopencastminingtoobtainbulkcoalproductioninshortedtimeframe.Tablebelowshowsthephenomenalgrowthinproductionsince1974-75inCIL。Itmaybeseenfromabovetablethat,inthelast28yearsperiod,growthincoalproductioninCILhasbeenthreefoldwhereasincreaseinproductionfromopencastmineshasbeentenfold.Theshareofopencast,whichwasameagre26%in1974-75,hasgoneupto81%.Undergroundmining,shareinproductiondwindledfrom74%in1974-75toonly19%.InthetenthFive-yearplan,theproductionofcoalisprojectedtoincreaseby77mt:fromalevelof322.74mtin2001-02to399.73mtin2006-07.ThedemandofcoalprojectionintheterminalyearofXIPlan(2011-12)andXIIPlan(2016-17)isexpectedtobe620mtand780mtrespectively.Keepinginviewtheaboverequirementofcoalinthenext15yearsasubstantialincreaseinproductionisenvisagedinthecomingyearstoreducethegapbetweendemandanddomesticsupplyaswellasdependenceonimports.Plan/YearU/GO/GTotalCost%UG/%OG4/1974-197558.2220.7778.9974/265/1978-197961.1328.2990.0568/326/1984-198560.5070.31130.8146/547/1989-199058.71119.91176.6233/678/1996-199755.19195.43250.6222/781997-199853.99206.56260.5521/791998-199953.31203.16256.4821/791999-200052.32208.26260.5820/802000-200152.81216.19268.9019/819/2001-2002*54.84224.16279.0019/8110/2006-2007**62.05287.95350.0018/82*TargetProduction**ProjectedProduction4.MININGTHCHNOLGYOPTIONTheminingindustryisheadingtowardsatechnologydrivenoptimizationprocess.AttainingthetwinobjectivesofacceleratedproductionandlowercostfortheIndiancoalindustryisachallengingtaskduetothetraditionallylabor-intensivenatureoftheindustry.Allthesehavecalledforsignificantandfar-reachingchangesinminingtechnology,inundergroundaswellasinopencastminingmethods.Ithasbeenrealizedthattheunitoperationssuchasdrilling,blasting,excavation,loading,haulingandcrushingandinterrelatedvariablesinthetotalcostequation.Thedevelopmentandutilizationoftheinnovativetechnologiesareveryimportantfortheminingindustrytobecosteffective.Surfacemininghastoimproveitslevelofperformancetomakeinferiorqualityhighashcoaltech-economicallyviableevenintheremotepowerplantsIntheforeseeablefuture,surfaceminingwillcontinuetodominatethecoalproductionscenewithmega-sizedminesforeconomicsofscale.Theplateauofsurfaceminingexpectedbythethirddecadeofthismillenniumhastobesupplementedbytheu/gmining,whichwillbeunderdeepercoverandmayneedstrongdoseofnewtechnologyandheavycapitalinvestment.Theundergroundminingsufferingfrompastlegacyhastoundertakedrasticrevisionofpolicyintermsofsinkingofshaftordevelopmentofinclineopeningofnewdepositsandintroductionofmewtechnologyattheearliesttomeettherisingdemandofqualitycoal.Thedifficultyofstrikingabalancebetweenu/gando/cminingisnecessarytoavoidtotaldependencetoundergroundoperationinfuture.Itwasrecognizedthatthetechnologytobeadoptedforcoalproductionwouldeventuallydependonmarketforces.Marketforcesarelikelytodeterminethemixoftechnologiestobefollowedinthefuturealsoasithasbeenexperienced