第五章近水平缓斜及中斜煤层采煤方法

采矿概论江苏·徐州|中国矿业大学[e-mail]韩昌良讲师第五章近水平、缓斜及中斜煤层采煤方法1采煤方法概念2长壁工作面采煤工艺3放顶煤采煤工艺4回采巷道布置系统第一节采煤方法概念1.采煤工作面采煤工作面：煤矿开拓和掘进必需的巷道之后，形成了进行采煤作业的场所。如图5-1所示。开切眼：最初掘进，供安装采煤设备的巷道。采空区：采煤后废弃的空间。图5-1工作面空间和采空区a-开切眼；b-在开切眼附近；c-正常回采时2.采煤工艺：采煤工作面各工序所用方法、设备及其在时间、空间上的相互配合称为采煤工艺。回采工艺过程包括破煤、装煤、运煤、支护和处理采空区等五道主要工序。这些工序按破煤、装煤、运煤、移输送机、支护、处理采空区的顺序依次进行。3.采煤工艺方式：爆破采煤工艺、普通机械化采煤工艺和综合机械化采煤工艺三类。4.采煤方法：采煤工艺与回采巷道布置及其在时间上、空间上的相互配合叫采煤方法。5.壁式体系采煤法：走向长壁采煤法：长壁工作面沿煤层走向推进的采煤方法，即为走向长壁采煤法；倾斜长壁采煤法：长壁工作面沿煤层倾斜推进的采煤方法，即为倾斜长壁采煤法。如图5-2所示。图5-2两种采煤方法示意图第二节长壁工作面采煤工艺一、采煤工作面矿山压力（一）顶板与底板图5-3煤层、顶板、底板的相对位置关系基本底直接底煤层基本顶直接顶伪顶（二）采动后顶板活动的一般规律长壁工作面如图5-4所示。图5-4直接顶初次垮落1.直接顶初次垮落：2.岩石碎胀系数：岩石破碎后与破碎前体积的比值叫岩石碎胀系数。3.直接顶充填系数：直接顶厚度与煤层采高的比值。如图5-5所示。图5-5直接顶垮落后的岩石充填情况图5-6基本顶呈双固定支点梁状态4.基本顶初次来压：基本顶初次破断在采煤工作面引起的矿压显现称为初次来压（如图5-7所示）；由开切眼到初次来压时工作面推进的距离叫基本顶初次来压步距。5.基本顶周期来压：基本顶周期折断在采煤工作面引起的矿压显现称为周期来压；基本顶岩梁周期性折断的距离叫做基本顶周期来压步距（如图5-8所示）。图5-7基本顶初次来压图5-8基本顶周期来压（三）采煤工作面顶板分类表5-1直接顶类别代号及名称类别1类2类3类4类1a1b不稳定中等稳定稳定非常稳定岩性和结构特征泥岩、泥页岩，节理裂隙发育或松软。泥岩、碳质泥岩，节理裂隙发育。致密泥岩、粉砂岩、砂质泥岩，节理裂隙不发育。砂岩、石灰岩，节理裂隙很少。致密砂岩、石灰岩，节理裂隙极少。（四）采煤工作面围岩支承压力及其变化1.原岩应力：天然存在于原岩内的应力叫做原岩应力。2.支承压力：采煤后，由于采掘空间原被采物承受的载荷转移到周围支承体上而形成的压力，叫支承压力。如图5-9所示。图5-9工作面周围岩体内应力重新分布概况3.矿压：存在于采掘空间围岩内的力叫做矿山压力，简称“矿压”。4.应力集中系数：工作面周围岩体内最高应力与原始应力的比值叫做应力集中系数。5.支承压力分布:（1）工作面：（图5-9所示）（2）底板传递：（图5-10所示）煤体上的支承压力还会传递到底板岩层中，如图5-10所示。图5-10底板应力升高区示意图二、爆破采煤工艺爆破采煤工艺，又称“炮采”，指在长壁工作面用爆破方法破煤和装煤、人工装煤、输送机或溜槽运煤和单体支柱支护采空区的采煤工艺。1.破煤：（如图5-11所示）图5-11炮采工作面炮眼布置图2.装煤：爆破装煤、人工装煤和机械装煤三种。3.运煤：可弯曲刮板输送机和溜槽运煤。4.支护：单体液压支柱和铰接顶梁支护采空区。图5-12、图5-13图5-12单体液压支柱结构图5-13金属铰接顶梁结构图5.处理采空区：全部垮落法、充填法和煤柱支承法等三种。6.炮采工作面回采工艺过程如图5-15所示。图5-15回采工艺过程7.采煤循环：循环就是采掘工作面周而复始地完成一整套工序的过程。采煤工作面循环，即完成落煤、装煤、运煤、支护和处理采空区的全过程。以放顶为标志，称为一个循环。图5-16炮采工作面循环作业图表8.循环图表：循环图表表示工作面各工序进行的时间和空间位置关系。三、普通机械化采煤工艺普通机械化采煤工艺，简称“普采”，是用机械方法破煤和装煤、输送机运煤、单体支柱和铰接顶梁支护采空区顶板的采煤工艺。普采工作面布置如图5-17所示。图5-17普采工作面布置示意图1.工作面主要设备：采煤机、输送机、单体液压支柱、铰接顶梁。图5-21单滚筒采煤机端头进刀工艺过程2.采煤工艺：（1）采--破、装、运：由采煤机和输送机完成。（2）控--支护、处理采空区。3.普采工作面的采煤工艺过程为：图5-21所示为单滚筒采煤机斜切进刀的工艺过程。4.图5-22是普采工作面循环图表。图5-22普采工作面循环作业图表四、综合机械化采煤工艺综合机械化采煤，简称“综采”。在长壁工作面用机械方式破煤和装煤、输送机运煤和液压支架支护顶板的采煤工艺。1.综采工作面配备的主要设备有：双滚筒采煤机、可弯曲刮板输送机、自移式液压支架。综采工作面使用的液压支架有：支撑式、支撑掩护式、掩护式等三种。（1）支撑式自移式液压支架如图5-23所示。（2）掩护式自移式液压支架如图5-24所示。（3）支撑掩护式自移式液压支架如图5-25所示。图5-23支撑式液压支架图5-24掩护式液压支架图5-25支撑掩护式液压支架2.综采工作面布置如图5-26所示。图5-26综采工作面布置3.采煤工艺：（1）采--破、装、运：由采煤机、输送机完成。斜切进刀方式，图5-27。（2）控--液压支架：及时支护--采煤、移架、推溜；滞后支护--采煤、推溜、移架。图5-27采煤机端部斜切进刀工艺过程4.图5-28是综采工作面典型循环图表图5-28综采工作面循环作业图表第三节放顶煤采煤工艺放顶煤采煤工艺实质是，在开采煤层的底部（沿底板或在煤层中某一高度范围的底部）布置一个回采工作面，用常规的机械化采煤方法进行回采，工作面上方的顶煤，利用矿山压力的作用或辅以人工松动方法使其破碎，并随工作面推进在后方放出。这种采煤工艺称为放顶煤采煤工艺。图5-29放顶煤综采工作面设备布置1.放顶煤综采工作面设备布置如图5-29所示。2.放顶煤采煤工艺（1）综采（底煤）；（2）放顶煤：顶煤破碎；放煤步距；放煤方式3.优缺点：放顶煤综采工艺与分层综采工艺相比具有工艺简单、产量高、效率高、材料消耗少、巷道掘进工程量少、工作面搬家次数少、成本低等优点。目前顶煤损失相对较多、自然发火控制难度大、工作面煤尘大、瓦斯易积聚等问题依然较为突出。根据采煤和放煤之间的工序配合关系，放顶煤综采工作面常有三种方式：一刀一放、两刀一放、三刀一放。一刀一放即采煤煤机每割一刀煤，放顶煤支架放一次顶煤。同一支架两次放煤工序之间，综采工作面沿推进方向的前进距离，称为放煤步距；其值为采煤机截深的整数倍，一刀一放时放煤步距等于采煤机截深。放顶煤支架的放煤方式主要有：单轮顺序放煤、单轮间隔顺序放煤、多轮顺序放煤、多轮间隔顺序放煤。图5-30放顶煤综采工作面放顶煤支架类型第四节回采巷道布置系统形成采煤工作面及为其服务的巷道叫回采巷道。主要有开切眼、工作面运输巷、工作面回风巷等。1)回采巷道的布置方式图5-31回采巷道的布置形式（1）双巷式；（2）单巷式；（3）多巷式布置。如图5-31所示。2)几种布置方式的优缺点和适用条件双巷布置便于巷道内矿车运输和排水；有利于胶带输送机或刮板输送机运输；利用工作面轨道巷探明煤层变化情况，便于辅助运输；工作面接替容易；有利于巷道掘进时的通风和安全回采巷道掘进工程量大；维护时间长，困难；联络巷工程量大；煤柱损失多单巷布置减少煤柱损失瓦斯含量不大，煤层埋藏稳定，涌水量不大时一条半巷道布置介于二者之间多巷布置连续采煤机开掘巷道，掘进速度快，采掘合一，工作面单产水平高，工作面准备和搬迁容易掘进工程量大3)回采巷道布置特点图5-32区段平巷的坡度及方向采煤方法概念长壁工作面采煤工艺放顶煤采煤工艺回采巷道的布置本章小结3.5长综采工作面开采技术（1）长综采工作面的合理长度面长增加，主要为了提高单面集中生产能力和效率，减少巷道掘进率，但受煤层赋存条件、通风、安全条件、设备装备水平、生产管理水平等制约。兖州综放面长270m，潞安综放达275m，新集282m，神东大采高综采400m。(2）长综采工作面采场矿压控制技术•面长增加,采场覆岩运动范围大，对采场矿压和岩层移动要发生变化：来压步距减小、工作面呈现分段来压、矿压显现程度小于普通开采；•顶板垮落块度小；•实测表明支架前柱压力大于后柱，支架受力不均匀。通过提高支架初撑力和工作阻力，解决端面冒顶、片帮、顶板下沉，从而解决顶板控制问题。（3）长综采工作面瓦斯与煤尘运移规律•绝对瓦斯涌出量增加；•局部瓦斯积聚加剧；•采空区瓦斯涌出量大；•瓦斯涌出不均衡（移架时由此明显、来压步距不一致）。工作面长度增长：50%回采工效增长：65.8%吨煤成本下降：25.6%工作面回采率提高：3.8%实施效果：长综放工作面生产示意●美国短壁开采技术创始于美国。在美国井工开采采用短壁综合机械化采煤的产量居于领先地位，短壁采出的煤量占井工煤产量的53%。●澳大利亚与南非澳大利亚和南非两国根据各自的煤层地质条件，开发出旺格威利和西格玛2种短壁采煤方法。●我国在引进设备的基础上，已有部分国产配套设备，其短壁机械化开采技术已处于国际领先水平。3.6短壁机械化开采技术短壁开采工作面布置LDαd20132实例1：短壁机械化开采工作面布置“三下”开采短壁方案实例2：短壁机械化开采工作面布置实例3：短壁机械化开采工作面布置村庄下及不规则边角煤开采实例4：短壁机械化开采工作面布置80m25m联巷顺槽顺槽行走支架短壁开采回收煤柱实例5：短壁机械化开采工作面布置高效掘进机胶带输送机迈步抬棚给料输送机短壁连续采煤工艺系统设备布置采用连续运输工艺系统：连续采煤机——连续运输系统——带式输送机。适用：中等稳定顶板，对顶板的完整性要求较高；底板要求稳固、平整、无积水，坡度小于12º，巷道宽度要求4.5～6m。•工作面设备布置短壁连续采煤工艺系统设备布置（一）连续采煤系统工艺与设备布置（二）主巷掘进、回采及顶板稳定性控制。（1）主巷掘进掘进机掘进，单体锚杆钻机打眼、高强锚杆支护。•切槽：右侧进刀，截割到循环进度后退机；•采垛：左侧截割剩余部分的煤。通过切槽和采垛工序来完成巷道掘进。（a）切槽（b）采垛掘进机切槽采垛工序图•短壁机械化开采工艺流程（2）回采工艺先将截割头调至顶板，切入煤体，从上而下截割，割到底板时，掘进机稍向后退割完底煤使底板平整，装完余煤。高效掘进机截割方式示意连续采煤机割煤掘进顺序及装备（3）顶板稳定性控制当达到循环进度，退机打锚杆。截割煤岩硬度：f≤4截割宽度：4000／3300mm截割高度：2400-3800mm机器适应坡度：±12°装机总功率：437kW机器总重量：60t机器总长：10800mm机身宽度：2800mm机身高度：1500mmEML－260型连续采煤机国产掘采两用机•连续采煤机设备及快速掘进工艺国产履带行走式液压支架12CM15-10D连续采煤机顶底板和煤层强度（矿压）(σc≥30MPa,E≥40GPa)；煤层近水平；巷宽5.5~6.0m以上；瓦斯涌出量小。连续采煤机短壁机械化开采适应条件