1、第4篇矿井开拓开采,中国矿业大学矿业工程学院屠世浩教授,放顶煤综采工艺大采高综采工艺大倾角综采工艺薄煤层综采工艺,采煤工艺与方法,第一章 放顶煤综采工艺,一、顶煤破碎过程二、放煤步距、采放比、放煤方式的确定三、放顶煤综采工艺参数确定研究方法四、放顶煤综采面煤炭损失及减少损失的技术措施,顶煤经历:实体煤 破碎煤块 放煤口放出。支承压力+顶板回转挤压顶煤（人为松动破碎顶煤）+支架反复作用下破碎。,一、顶煤破碎过程,顶煤破坏过程分：A、B、C、D四阶段,初始破坏区A：在煤壁前方超前支承压力峰值区作用下顶煤由弹性变形进入塑性变形，裂隙扩展，顶煤开始破坏。破坏发展区B：受顶板回转作用，煤壁前方顶煤发生破
2、坏，裂隙扩展，位移增大。裂隙发育区C：支架移架反复支撑，顶煤破碎效果提高。支架反复支撑的次数与顶梁长度及截深有关。垮落破碎区D：顶煤完全破坏，在支架后方垮落放出。,1、放煤步距有：一刀一放、二刀一放等；合理选择放煤步距，对提高煤炭采出率、降低含矸率是至关重要的。放煤步距与顶煤厚度、顶煤冒放性、顶煤硬度、煤层的顶板条件及采煤机截深等有关。,二、放煤步距、采放比、放煤方式的确定,放煤步距太大(a)：顶板方向的矸石先于采空区后方的煤达到放煤口，中下部顶煤被甩在采空区。,放煤步距太小(c)：采空区方向的矸石先于上部顶煤到达放煤口，上部顶煤丢失到采空区。,低位综放开采散体煤矸流动特征,2、采放比根据实测
3、，顶煤破碎塑性区范围一般可达煤层采高的3倍左右。煤矿安全规程第68条规定，放顶煤开采采放比必须大于13。3、放煤方式主要有：单轮顺序放煤、多轮顺序放煤、单轮间隔放煤。合理选择放煤方式可减少顶煤混矸、提高顶煤放出率。,三、放顶煤综采工艺参数确定研究方法,1、散体介质流理论研究合理放煤步距采用PFC2D计算程序构建综放面计算模型，进行厚煤层综放开采顶煤放落规律研究。放煤步距分别取：0.6m、1.2m、1.8m；分别模拟不同倾角和开采方式下的顶煤移动规律。,不同放煤步距顶煤采出率研究,放煤步距为0.6 m,放煤步距为1.2 m,放煤步距为1.8 m,不同放煤步距条件下顶煤绝对放出率和顶煤相对采出率,
4、2、实测统计法确定放煤步距-阳泉一矿实测放煤步距与采出率和含矸率的关系,3、离散元数值计算与现场统计相结合方法-兴隆庄煤矿放煤步距、放煤作业方式确定根据离散元数值计算，放煤步距0.8m时，采出率较高；步距1.0m时，采出率第二，但放煤步距1.0m时煤质最好，是最理想的放煤步距。现场实测，放煤步距1.0m时采出率最高，步距为1.2m和0.8m时较为接近，但含矸率和灰分1.2m时高。最后确定截深1.0m，一刀一放，放煤步距1.0m。,四、放顶煤综采面煤炭损失及减少损失的措施煤炭损失：初采、终采、两端头和放煤工艺。1、初采损失率。由于顶煤初次难以放落或为防止顶板冲击支架，人为减少放煤量。可采用：切顶
5、巷、加大工作面推进长度等措施，减少损失比例。,鲍店矿，M=8.7m，f=34，采面推进3.4m，顶煤冒落，推进7.8m，直接顶垮落，步距减少5.2m；回采率提高了0.31%。在切顶巷两帮内打眼放炮，扩大切顶效果。,采面推进方向,切顶巷,2、末采损失率 放顶煤采面收尾方法：（1）在顶煤比较硬的条件下，为安全拆除设备，距停采线1015m内，铺网、不放煤，以保持顶煤及顶板稳定性，造成末采顶煤损失。（2）在顶煤松软，顶板相对较硬条件下，采面以8 10的坡度爬顶，停采线处顶板为岩层。,3、端头损失 为保护工作面出口稳定，端部放煤运输困难等原因，端部2 3架不放顶煤。如采用端头支架放顶煤技术等。4、放顶煤
6、工艺损失（1）合理确定采放比、放煤作业方式和放煤步距等减少放顶煤工艺损失。（2）设置回煤箱，减少落底煤损失。（3）硬顶煤和夹矸水力致力或深孔预裂爆破，增加顶煤的破碎度。,1回煤箱；2工作面后部输送机,利用水力致裂弱化技术弱化破碎厚1.98m的硬夹矸层。,在顺槽进行深孔预裂爆破硬顶煤，提高顶煤放出率。,1、综采工作面设备选型与配套的程序,五、综采工作面的设备配套,2、液压支架选型（1）液压支架架型的选择 液压支架选型要考虑的主要因素有：直接顶类型、老顶来压等级、底板特性、采高、截深、煤层倾角、煤层强度、矿井瓦斯涌出量、局部地质构造情况、顶板岩层含水情况、周围和邻近煤层的采动情况以及开采深度等。主
7、要有支撑掩护式和掩护式两种。四柱支撑掩护式支架；二柱掩护式支架。,（2）液压支架参数的选择支架工作阻力的确定方法主要有：载荷估算法、实测统计法、临界阻力法及理论分析法4种。支架高度确定 hd预计的顶板下沉量；he避免支架压死的撤出高度，一般，he=50100mm，hd=(0.040.05)M。,移架速度确定液压支架的移架速度必须与采煤机的割煤牵引速度相适应，工作面的移架速度应大于采煤机的割煤速度。综采工作面几种移架方式：单架依次顺序式、成组整体依次顺序式、分组间隔交错式。,3、采煤机选型 目前综采工作面使用的采煤机种类很多，采煤机的选型要考虑煤层地质条件、设计生产能力、系统配套能力及设备供应状
8、况等因素。（1）采煤机割煤能力的确定采煤机割煤能力与工作面设计生产能力存在如下关系：,Qm采煤机平均落煤能力，t/min；T工作面日生产班时间，h；K工作面生产系统有效度；Q设计工作面平均日产量，t/d。,4、工作面刮板输送机选型刮板输送机主要参数的确定原则如下：（1）单位时间运输能力：应与采煤机生产能力匹配；（2）电机功率：输送机能力及铺设长度；（3）结构：与采煤机和液压支架相配套。,刮板输送机能力应为：,5、平巷运输设备生产能力应大于工作面刮板输送机能力。,六、发展方向综放开煤岩识别自动割煤、煤矸识别液压支架自动放煤技术、基于采煤机行走位置动态跟踪的多机联动控制等自动化放顶煤综采技术；特厚
9、煤层大采高放顶煤综采技术，一次开采厚度向1215米方向发展。,第二章 大采高综采工艺一、大采高综采的特征二、关键技术是支架稳定性控制和煤壁片帮防治三、应用实例,一、大采高综采的特征具有生产能力大、单产高、巷道布置简单、巷道掘进和维护量小、工效高、成本低的优点；采高大，覆岩破坏范围大，矿压显现强烈；工作面煤壁片帮严重，支架、采煤机稳定性差。神东补连塔22303综采面为首个7m采高综采面，上湾122067、补连塔22304最大采高7m；补连塔煤矿综采面最高产量均超过 1000万t/a。近年来，采高越来越大，并在倾角较大、“三软”、高瓦斯突出煤层条件下均有应用大采高综采的例子。神东补连塔、上湾最大采
10、高达7m。潘北矿大采高综采面：倾角2842/33，煤厚平均4m；淮北许疃矿大采高综采面：采高6m，“三软”煤层；阳泉寺家庄矿大采高综采面：采高5.5m，高突煤层。,二、关键技术是支架稳定性控制和煤壁片帮防治1、支架稳定性控制底板割平、煤壁割直；锚固工作面排头、排尾支架，防倒架；端头尽可能采用大采高专用的端头支架。2、片帮防治提高液压支架的初撑力和工作阻力;尽量不采用仰斜开采；及时带压移架；加快工作面推进速度；用木锚杆或树脂可切割锚杆加固煤壁；用化学树脂固结煤壁，增加煤体强度；,三、应用实例实例一：淮北许疃煤矿“三软”煤层的应用71、72煤层两端合并、中间分叉，合并区煤厚4.66.5m、平均6m
11、，倾角12，“三软”煤层。配套大采高综采成套设备，工作面平均日产4200t，最高日产5275t，煤炭采出率95%，比原综放开采采出率提高12%。,实例二：阳泉寺家庄煤矿高突煤层的应用寺家庄煤矿开采15#煤，煤厚4.37.1m，煤层上部为软夹层，平均5.5m，倾角315，属高瓦斯、高突煤层，集成应用了“采前瓦斯探测与区域划分+区域瓦斯预抽+走向高抽巷抽采+边采边抽+钻孔卸压消突+煤层注水消突+U+I型通风”等防突与瓦斯治理综合技术；巷内变坡起底回收端部底煤技术，将由采巷高差造成的工作面端部底煤“坡度”转移到回采巷道内，在回采巷道内起底，降低采巷高差，从而减少工作面端部底煤的方法，使综采面采出率提
12、高3.5%、年产达200万吨以上。,工作面煤壁钻孔卸压与快速施工技术,正常开采情况下工作面卸压钻孔布置,工作面存在地质构造带时工作面卸压钻孔布置,上端部,下端部,端部底煤回收技术,1）端部底煤留设,上端部,下端部,2）端部底煤回收,西部大倾角煤层储量占总储量的50%以上，中部、东部矿区经多年高强度开采后，地质赋存条件好的煤层储量逐年减少，龙煤、兖州、开滦、淮南、淮北、徐州、潞安、鹤壁等矿区相继出现了大倾角煤层。,第三章 大倾角煤层综采关键技术,关键问题,工作面设备与支架稳定性控制,1、采煤机稳定性控制,（1）单向割煤：“下割上空”；（2）机头35架割成平台；（3）设置采煤机防滑装置。,2、支架
13、稳定性控制,1)单个支架失稳是大倾角综采支架失稳的诱因，必须确保每个支架稳定性；2)有条件时工作面支架宜成组布置。3)工作面宜预留一定的下滑空间，在下端头处锚固两组支架（P602）。,3、刮板输送机稳定性控制,1)工作面伪倾斜布置；,其中：S运输巷超前回风巷距离；L工作面长度；D刮板输送机下滑量；M综采面循环进尺。,2)由下向上推移刮板输送机。采用下行割煤，上行清理浮煤推移输送机作业方式。,2)由下向上推移刮板输送机。采用下行割煤，上行清理浮煤推移输送机作业方式。,3)留设防滑平台、增加机头排头支架的稳定性等；,排头支架防滑防倒装置俯视图,排头支架防滑防倒装置后视图,4)利用单体支柱推溜；5）
14、设输送机防滑千斤顶。,刮板输送机打戗柱示意图,6）人行道内每隔几架液压支架设一道门式挡矸板（1）防止人行道有煤块、矸块飞起伤人和设备；（2）急倾斜工作面，由于煤层倾角大、支架倾斜布置，工作面工作人员没有可靠的落脚点，门式挡矸板可以作为采煤机司机、液压支架司机的工作平台；（3）人员通过工作面时，可以借助门式挡矸板进行攀爬。,工作面门式挡矸板示意图,7）工作面倾斜方向上每隔几架支架安装一套机道挡矸板（1）降低采煤机割下煤与矸石在刮板输送机内下滑的速度；（2）将落下的大块煤与矸石分段阻挡在刮板槽内以防止大量冒落下的煤与矸石涌至工作面下出口，堵塞下出口或砸伤工作面下部工作人员。,机道档杆设计,采空区冒
15、落特征示意图,急倾斜工作面倾向压力分布图,上区段煤柱受力分析,4、工程实例,实例一：潞安集团五阳煤矿5102工作面，煤层倾角最大32，煤质松软，厚6.03m，断层、陷落柱发育，地质条件复杂，工业性试验期间，工作面设备得到了有效控制，5个月共推进270m，产煤39.5万t；平均日产2616 t，最高日产 4360 t，平均月产7.9万t，预计最高月产可达13万t，最高工效33.6 t/工，工作面采出率达86.7%。实例二：兖矿集团东滩煤矿1301工作面面，煤层倾角最大42，厚810m，中硬煤层，断层发育，夹矸厚度大，回采期间共安全采煤299万t，平均月产量为49.84万t，平均月进尺为208m，
16、最高月产达55.6182万t，最高日产25869t，回采工效114.7t/工。,实例三：龙煤集团七台河煤业新铁矿开采煤层煤厚1.7m，倾角5862，平均60，属急斜煤层，综采面采用MG2125/580WD采煤机，ZQY3600/12/26型液压支架、SGZ-730/320型刮板输送机、采用ZQY3600/12/26两巷超前液压支架等设备，工作面采用仰伪斜布置方式，仰角12，即运输巷超前回风巷17m左右，实现了日进4刀生产的水平。,龙煤集团七台河煤业新铁矿急斜综采面布置图,一、薄煤层滚筒采煤机综采工艺特点二、薄煤层刨煤机综采工艺三、薄煤层螺旋钻采煤工艺四、含硫化铁结核薄煤层综采技术,第四章 薄煤
17、层综采工艺,我国薄煤层储量丰富，分布广泛，薄煤层资源储量61.5亿t（煤厚小于1.3 m），占煤炭建井总储量的20.42%。在全国重点煤炭基地中有85%以上都赋存有薄煤层，国有重点煤矿薄煤层储量为25.29亿t，薄煤层占国有重点煤矿总储量的17.6%。山西、河北、四川、内蒙、贵州和重庆等省市，薄煤层储量达18亿t；大同、开滦、徐州、平顶山等矿区薄煤层储量5亿t，约占总储量的 20.9%。,我国部分省区薄煤层储量统计表,一、薄煤层滚筒采煤机综采工艺特点采高低，要有足够的过煤和过机空间高度，要求采煤机机身矮和薄，有足够的功率；采煤机机身尽可能短，以适应煤层的起伏变化；有较强破岩过地质构造能力；三机
18、配套设备要求结构简单、可靠，便于维护和安装；尽可能实现割煤、移架、推移输送机的远距离控制。,2003年大同煤矿集团晋华宫矿使用国产薄煤层滚筒式MG200/450-WD采煤机，在煤层厚1.21.5m的煤层，实现了最高日产量为6766t，最高月产量为16万t，年产量101万t。大同煤业集团同家梁矿在煤厚1.3 m条件下配套国产MG系列采煤机，均实现月产 6.8-8.0万t。鸡西平岗煤矿薄煤层煤层厚1.3m，倾角3335，俯采角22，工作面配套MG132/310BW型采煤机、BY200-06/15掩护式液压支架及SGW-15C刮板输送机，实现月产5万t。,发展方向：使用可视化遥控开采技术，实现薄煤层
19、综采工作面无人化和少人化开采，可提高资源回收率、实现工作面安全生产、降低工人劳动强度。目前滚筒采煤机主要的三种自动化割煤方式：采煤机后滚筒随动割煤、采煤机记忆割煤、采煤机记忆割煤加有线远程干预。,（1）薄煤层工作面厚度变化及构造的CT探测,开采中，因遇到未探明的异常地质体、煤层厚度变化区，使智能化开采技术复杂化、给采煤机自动化割煤带来困难。,煤厚变化、构造的CT探测方案,采煤机上安装4个高清晰低照度摄像头，用于监视采煤机滚筒位置，视频信号经过随机光缆传输至控制台的监视器上。,摄像头安装位置,显示器监视图像,控制台设置远控遥控器，遥控信号经过随机光缆传输至采煤机，操作人员根据视频监视器和工作面状
20、态及设备信息实现对采煤机的远程遥控。,光缆,光电转换器,光电转换器,（2）可视化远程控制技术,控制台设备布置,刨煤机综采面布置图1回风平巷2液压支架3刨煤机4液压支架5刮板输送机6单体金属支架7转载机8工字钢支架9乳化液泵站10移动变电站11运输平巷,二、薄煤层刨煤机综采工艺,刨煤机适用条件：（1）煤层厚度在2m以下，倾角较小。（2）煤质中硬及中硬以下，不粘顶板，不含大块硬夹矸。（3）底板平整，硬度较大。（4）煤层沿走向及倾斜方向无大的断层及褶曲构造。铁法煤业集团小青煤矿采用W1E-703刨煤机开采，煤厚1.01.58 m，平均厚1.3 m，采用自动化系统采煤，大大减少了生产人员，提高了劳动效
21、率，降低了生产成本，年产量达80万t。,大同煤矿集团晋华宫矿在煤层和顶板两硬条件下，实现薄煤层刨煤机无人工作面，开采的10#煤层厚度1.121.5m，平均1.3m，煤层倾角317，煤层硬度为34，直接顶为21 m厚的粉细砂岩，硬度810，工作面倾斜长200 m，可采走向长1050 m，DBT公司的GH9-38VE/5.7刨煤机割煤，ZY4600/7.5/16.5液压支架支护，SSJ200/2200平巷带式输送机，取得了最高日产6815 t，平均月产15万 t的水平。,1螺旋钻杆；2中间通风管；3轴承座；4钻头；5变速器；6控制箱,三、薄煤层螺旋钻采煤工艺,螺旋钻机钻头割煤,钻机在顺槽中工作状态
22、,后退式工作面主要设备布置,巷道中利用螺旋钻杆钻入煤层采煤，并通过螺旋钻机钻杆将采落的煤装运出工作面。钻杆每节长1.21.9m，可以不断的接长或拆除，钻孔深可达3540m。钻头直径一般小于煤厚50100mm，一般适用于薄煤层或极薄煤层。每台钻机年产可达3 4万t。应用中存在钻具偏斜、接杆困难、故障率高、块煤率低、可靠性差等问题，影响着正常生产。设备体积庞大，需巷道断面较大，导致使用成本较高。钻式采煤方法的使用缺乏理论指导。,针对山东省薄煤层储量5.84亿t，占煤炭总储量的44%，其中含硬夹矸薄煤层储量占薄煤层总储量的52.8%，硬夹矸是影响薄煤层综采的重要因素。受山东省煤管局和淄博矿业集团委托
23、，开展综合机械化开采技术研究。,四、含硬夹矸薄煤层综采技术,含硬夹矸薄煤层现有的主要开采技术：爆破硬夹矸+采煤机装煤+液压支架支护机炮联合开采；爆破落煤+机械辅助和人工装煤+单体支柱支护炮采。,炮采,机炮联合开采,含硫化铁结核硬夹矸薄煤层开采,研究硬夹矸预裂和机械破矸、装运煤技术是实现此类煤层综采的关键,震波CT技术探测硬夹矸厚度和分布规律、顺槽超前深孔预裂爆破技术,加强型镐型截齿、强力滚筒，适应硬夹矸、软底、低矮化的三机配套和改造,含硫化铁结核硬夹矸，且分布不规则,薄煤层综采硬夹矸破落装运困难,淄博矿业集团葛亭煤矿薄煤层含硫化铁结核硬夹矸，给采煤机割煤和装煤带来困难。,采用震波CT探测技术探
24、明薄煤层中含硫化铁结核硬夹矸赋存分布规律，为顺槽超前深孔预裂爆破提供基础资料，指导爆破工程的实施。,1、薄煤层含硫化铁结核硬夹矸分布规律研究,震波CT成像原理图,16煤硬夹矸分布规律探测图,硬夹矸在距顶板0.34m处，厚00.4m之间，其中厚0.20.4m的占29%，小于0.2 m的占71%，呈层状不均匀分布规律，硫化铁结核多分布在夹矸中。,在夹矸厚度大于0.2m区域需实施顺槽超前预裂爆破；夹矸厚度小于0.2 m区域可利用强力滚筒和加强型截齿采煤机进行有效割煤。,改进了MG200/456-QWD型电牵引采煤机，装配凯南麦特强力滚筒及加强型截齿，保证了采煤机较强的截割能力。改进了ZY2800/0
25、9/20液压支架，采用整体顶梁结构；前端下侧设有可拆卸的翻转挡板装置；支架底座为前端开底式，后端设有内藏式底调千斤顶。改进了SGZ730/2132型刮板输送机，减少了过渡槽，降低了机头、机尾、中部槽的高度。,2、综采设备选型配套与改进,选用MG200/456-QWD型电牵引采煤机。改进设计：凯南麦特加强型镐型齿、强力滚筒。,采煤机选型配套与改进设计,综采设备选型配套与改进设计,硫化铁结核硬夹矸严重制约了薄煤层综采面快速推进。传统的采场爆破技术存在：工作面钻眼作业空间小，操作不便、劳动强度大、效率低；爆破与采煤机割煤顺序作业，影响单产；崩落的矸石和煤体易崩坏设备；安全隐患多。,3、顺槽深孔预裂爆破硬夹矸技术研究,基于应力波理论、多物理场耦合模拟计算，研究了硬夹矸顺槽深孔预裂爆破机理，为确定合理的炮孔间距、装药量等参数提供了依据。,机理,1）炮眼间距通过裂隙区半径计算及应力波模拟计算，确定炮眼间距在5.5m左右，现场实际炮眼间距为6m。,ANSYS模拟计算,2）炮眼装药量计算选用二级煤矿乳化炸药，每孔装药8.4kg左右。每孔装药量Q计算：,爆破设计参数表,顺槽深孔预裂爆破工艺,在钻孔后采用抗静电阻燃PVC管快速装药，采用反向爆破，炮泥封孔长度为5m。,炮眼装药结构图,顺槽预裂爆破炮眼布置图,工程实施,效果,谢谢！,敬请批评指正,
