采煤工艺学-第六章 放顶煤开采工艺原理(20080908)

山东科技大学-资源与环境工程学院-资源(采矿)工程系2020/2/91采煤工艺学主讲人：顾士坦E-mail：[e-mail]:0532-86057752采煤工艺学山东科技大学-资源与环境工程学院-资源(采矿)工程系2020/2/92采煤工艺学6放顶煤开采工艺原理6.1放顶煤开采工艺及其类型6.2顶煤破碎机理6.3顶煤放出规律6.4放顶煤工艺的技术评价山东科技大学-资源与环境工程学院-资源(采矿)工程系2020/2/936.1放顶煤开采工艺及其类型放顶煤采煤工艺的实质是，在开采煤层的底部(或沿底板，或在煤层中某一高度范围的底部)布置一个回采工作面，用正常的机械化方法进行回来，工作面上方的顶煤，利用矿山压力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。1957年苏联开始试验综合机械化放顶煤采煤方法，特别是在1964年法国首先试验成功以后，一些主要产煤国家相继引进了这一技术，并十分重视。目前，主要产煤国家已普遍认为它是开采厚度5—20m的厚煤层最好的工艺方法之一。生产实践表明，实现这种采煤工艺的关键在于：使顶煤破碎和被顺利放出。采煤工艺学山东科技大学-资源与环境工程学院-资源(采矿)工程系2020/2/94放顶煤采煤工艺可用在急倾斜或缓倾斜特厚煤层。右图为一种典型的缓斜特厚煤层综采放顶煤工作面设备布置方式。采煤工艺学山东科技大学-资源与环境工程学院-资源(采矿)工程系2020/2/95综合机械化放顶煤采煤工艺的主要生产过程是：在工作面中，采煤机割煤后，液压支架及时支护，移到新的位置，推移工作面输送机；待采过两、三刀后，即工作面推进约1.2-1.8m后，工作面暂停开采；按放煤工艺要求顺序打开支架后方的放煤窗口，放出已松碎的顶煤，至见矸石时，立即关闭放煤窗口；将工作面全长的顶煤全部放出后，再进行端头支护和其它辅助工序。完成上述全部工序即为一个采煤工艺循环过程。但是这两个工艺过程在工作面全长内分段同时进行。这种回采工作面称为放顶煤回采工作面。根据煤层及围岩的赋存条件(厚度和物理力学性质等)，正常回采工作面可有不同的布置位置。由此，采煤工艺可分为三种不同的类型：采煤工艺学山东科技大学-资源与环境工程学院-资源(采矿)工程系2020/2/96首先沿顶板在煤层中布置一个普通长壁回采工作面(即采顶分层)，而后再沿底板布置放顶煤工作面进行回采，将底分层上部的顶煤放出。该工艺方式主要解决三个问题：一、直接顶坚硬或厚度较薄，不能随采随冒，需采取人工措施处理顶板。大同矿区的坚硬顶板，需注水软化，顶板才能冒落，或由于易跨直接顶较簿，不能满足放顶煤后充填采空区的要求，需预先使上方较坚硬的顶板产生松动破坏。二、防止在底部放顶煤时发生混矸，预采顶分层时铺设隔离网，形成网下放煤。三、当煤层中沼气含量较大或有突出危险时，预采顶分层可起到预先释放沼气作用，或进行抽放工作。1)预采顶分层采煤工艺学(b)山东科技大学-资源与环境工程学院-资源(采矿)工程系2020/2/97该工艺方式是先在煤层中间布置一个普通长壁回采工作面进行开采。然后，再沿底板布置放顶煤回采工作面。对厚度大于10m，硬度较大，难以直接放落的煤层或需预疏干的煤层，可采用这种采煤工艺方式，使顶煤预先冒落松碎，而后再放煤回收。但是，若煤层埋藏不稳定，底板起伏较大时，则无法保证下部的分层厚度，将给放顶煤工作面的开采造成很大困难。2)预采中间分层采煤工艺学山东科技大学-资源与环境工程学院-资源(采矿)工程系2020/2/98该采煤工艺方式是直接沿底板布置放顶煤回采工作面，即当回采工作面推进一定的距离后，就将上部顶煤放出。这样一次采出煤层的全部厚度。该方式一般适用于厚度6-12m、硬度f2的煤层。3)一次采全高放顶煤采煤工艺学大采高综放（采6m，放12m）山东科技大学-资源与环境工程学院-资源(采矿)工程系2020/2/99对于厚度超过20m，甚至达上百米的极厚煤层，可以把煤层厚度按10-20m分成若干分段，使用放顶煤采煤工艺依次自上而下分段回采。（分段放顶煤采煤工艺方式）采煤工艺学山东科技大学-资源与环境工程学院-资源(采矿)工程系2020/2/910根据放顶煤工作面中使用的支护设备不同，放顶煤采煤工艺可分为：综合机械化放顶煤的采煤工艺方式，即在放顶煤回采工作面中使用液压支架：高档普采放顶煤的采煤工艺方式，即在放顶煤回来工作面中使用单体液压支往，普采放顶煤的采煤工艺方式，即在放顶煤回来工作面中使用摩擦金属支柱。综采放顶煤采煤工艺中的支架形式：具有单输送机的液压支架采煤工艺学山东科技大学-资源与环境工程学院-资源(采矿)工程系2020/2/911采煤工艺学使用具有双输送机的液压支架山东科技大学-资源与环境工程学院-资源(采矿)工程系2020/2/9126.2顶煤破碎机理实现放顶煤工艺的重要条件之一是使顶煤破碎成能够通过放煤窗孔放出和便于运输的块度。采煤工艺学顶煤的破碎方法有两种：一种是自然破碎，另一种是人工破碎。自然破碎主要是依靠矿山压力的作用，以及支架与顶煤的相互作用等因素。人工破碎方法主要有：钻爆破煤、机械切割破煤相水压破煤等方法。山东科技大学-资源与环境工程学院-资源(采矿)工程系2020/2/913一、矿压破煤原理二、人工破顶煤的方法当利用矿压破顶煤效果不能达到放煤要求时，必须采取人工破煤的措施。1．钻爆破煤钻爆破煤可分为，预爆破(超前爆破)和即时爆破两种方法。预爆破是在回采工作面前方未回采的顶煤中预先打孔爆破，使顶煤预先破裂松动；即时爆破是在放煤工序前，从支架顶梁上设置的窗孔或从顶梁的前端处向顶煤打眼爆破，使顶煤破碎。2．水压破煤水压破煤有两种方法：水射流破煤和水力压裂破煤。采煤工艺学山东科技大学-资源与环境工程学院-资源(采矿)工程系2020/2/914水力压裂破煤钻孔布置如图所示。孔内注入压力5-15MPa的压力水，使原有裂隙进—步扩展和发育；使煤软化，利于矿压破煤；此外，还可使顶煤湿润，降低放煤工艺中产生的煤尘。这种方法对层理不发育、整体性强的硬煤适用。采煤工艺学山东科技大学-资源与环境工程学院-资源(采矿)工程系2020/2/915采用带有切割工作机构的液压支架，国外研制出的破煤机构有截盘机构、刨煤机构和钻裂机构，如图所示。3．机械切割破煤a截盘机构b刨煤机构c钻裂机构采煤工艺学山东科技大学-资源与环境工程学院-资源(采矿)工程系2020/2/9166.3顶煤放出规律一、放矿理论根据放矿理论，放矿过程中矿石是从范围近似椭球状的体积中流出来的，即原来所占的空间为一个旋转椭球体。由图中可看出，在放矿中形成的椭球体，称为放出椭球体1；停止放矿最终形成的椭球体称为松动椭球体3。移动后形成放出漏斗2和移动漏斗4。采煤工艺学山东科技大学-资源与环境工程学院-资源(采矿)工程系2020/2/917采煤工艺学二、顶煤放出的运动规律1.顶煤放出的几何形态根据模拟实验得到的顶煤放出几何形态，基本上可以视为旋转椭球体，如图所示。山东科技大学-资源与环境工程学院-资源(采矿)工程系2020/2/918由试验得知，放矿椭球体理论在放顶煤中是完全可以应用的。当顶煤的充分裂碎带范围较大时，其典型的形态是上半部呈椭球体、下半部呈抛物线旋转体或称为抛物体。采煤工艺学放出体的参数与放出口的形状、尺寸、碎煤的粒度、顶煤厚度、以及湿度等因素有关。当放出口尺寸不变时，顶煤厚度愈大，偏心率也愈大，即椭球体愈瘦长，煤的松散性愈好，偏心率也愈小，即椭球体愈短肥。山东科技大学-资源与环境工程学院-资源(采矿)工程系2020/2/919由于散体碎煤较前方煤体的粘聚力C和内外摩擦角均小，易于流动。这样椭球体长轴将向采空区偏斜，其偏斜角与顶煤垮落角大致平行，若采空区直接顶呈大块冒落，流动性差时，放出体不能充分发育，可以呈条带状放出。采煤工艺学a区的煤暂时放不出来，为停滞区；b为死角区，这部分是不能回收的，被丢弃了；c和d部分是极不稳定的，放出时已混矸。若顶煤的前方已充分裂碎，则如图中虚线所示，将符合正椭球体的放出规律。山东科技大学-资源与环境工程学院-资源(采矿)工程系2020/2/920当放煤高度与放出口直径的比值h/d2-3时，不再遵循椭球体的放出规律。由实验得知，放出体基本上按漏斗状流出，如图所示。若顶煤过薄，将形成类伪顶的无规则冒落，一般顶煤不应小于2-3m。采煤工艺学山东科技大学-资源与环境工程学院-资源(采矿)工程系2020/2/9213．放顶煤工艺中几个参数1）开采厚度及采放比2)放煤步距及顺序在放顶煤工艺中，放煤步距和顺序是一个重要问题。放煤步距是指沿底分层回采工作面推进方向，两次放顶煤之间的距离。达到合理的放煤步距时，在平行工作面方向上，可以实现多口放煤。放煤步距采煤工艺学山东科技大学-资源与环境工程学院-资源(采矿)工程系2020/2/922初次放煤步距Lc是从开切眼开始到第一次放煤时的距离。在这个阶段内，为了更多地回收资源，必须采用人工强制松动顶煤的方法，其中最有效的是爆破方法。在此条件下，将形成较均匀的松碎范围。循环放煤步距，应更多地考虑顶煤的破碎条件，支架反复支撑次数n为2-3时，即得循环放煤步距：lznB采煤工艺学山东科技大学-资源与环境工程学院-资源(采矿)工程系2020/2/9236.4放顶煤工艺的技术评价一般从回收率、主要费用、开采时间三个方面进行评价.一、煤炭回收率煤炭回收率是评价综采放顶煤工艺技术的主要指标之一。国家规定：厚及特厚煤层的采区回来率不得低于75％。一般采区内的煤炭损失可分为两部分：护巷煤柱损失和工作面内的回采损失。工作面内的回采损失包括：采煤工艺学山东科技大学-资源与环境工程学院-资源(采矿)工程系2020/2/9241．初采损失为了促使直接顶及时冒落，又要防止直接顶冒落时，对采场支架造成冲击危害，应控制顶煤的放出量。采煤工艺学2．末采损失为了撤出采煤机械设备，工作面收尾有两种方法。一种是在停采线的10-15m内，顶煤不再放出，以便回撤设备，这种方法在顶煤较硬时使用。另一种方法，使工作面以8-10度的坡度由煤层底板爬到顶板岩层下方，并到达停采线。山东科技大学-资源与环境工程学院-资源(采矿)工程系2020/2/9253．端头损失对缓倾斜煤层，为了保护工作面两端出口，通常各有2-3架支架不放顶煤。4．采放工艺损失据有些矿井统计，采放工艺分摊损失率约为10-12％。根据椭球体放矿理论可知，煤炭损失和混矸是不可避免的。要多回收煤炭，含矸率就要增加；要减少含矸率，放出的煤就将减少。因此，确定合理的含矸率，研究放煤工艺过程及其科学的控制方法是重要的。综上所述，若以现有技术水平、采放工艺损失为基础，控制在11％之内，则须将初采、末采和端头等分摊损失率控制在7％，护巷煤柱分摊损失率控制在7％之内，才能使采区回采率达到国家要求的75%。采煤工艺学山东科技大学-资源与环境工程学院-资源(采矿)工程系2020/2/9262)研究和实现端头处的顶煤放出。3)加长回采工作面长度及推进长度。4)选择合理的放煤步距和放煤顺序。提高煤炭回采率的主要途径和措施：1）合理布置巷道，减少巷道煤柱。采煤工艺学山东科技大学-资源与环境工程学院-资源(采矿)工程系2020/2/927二、主要费用的对比在对比不同的采煤工艺时，应考虑的主要费用有：设备折旧费、巷道工程费、材料消耗费和综采设备搬家费用等四项。采煤工艺学山东科技大学-资源与环境工程学院-资源(采矿)工程系2020/2/928三、开采时间开采时间是一个重要因素。对生产矿井来讲，时间就意味着产量和利润。根据试验工作面的效果，对急斜条件，不同采煤工艺的产量比率如下表：除上述评价结果外，放顶煤采煤工艺还成功地解决了因采高不断加大，给制造和使用采煤设备带来的因难。因为采高超过3.5-4.0m后，采煤机功率、重量和液压支架重量都将急剧增大。采煤工艺学山东科技大学-资源与环境工程学院-资源(采矿)工程系2020/2/929放顶煤采煤法具有诸多优点。但应注意：使用这种采煤工艺，在采空区中遗留碎煤较多且在采场顶部，特别