综采放顶煤技术

主要内容1概况2放顶煤的概念及其适应条件3综采放顶煤工作面的设备配套4高效长壁综放开采的工艺模式5综放工作面的矿压显现规律6综放开采提高顶煤回收率技术7综放开采的安全控制技术8综放开采的发展趋势1.1国外发展现状20世纪50年代末60年代初，随着液压支架制造技术的发展，前苏联、法国等国才正式采用放顶煤开采厚煤层，并获成功；20世纪70年代初，综放开采在世界范围内出现了两种发展趋势：一、前苏联、匈牙利等东欧国家，改进和完善放顶煤支架，但工作面仍使用一台刮板输送机；二、法国、德国等国，工作面布置两台输送机。20世纪80年度初期，世界上有近10个产煤国家采用放顶煤技术，取得了良好的技术经济效益，工作面日产达到2000－2600t，工作面采出率80％－91.9%;20世纪90年代以后，由于适合放顶煤开采的资源枯竭、环保问题等，放顶煤开采在国外遇到了种种障碍，仅法国、俄罗斯等极少数国家使用放顶煤开采技术；1概况1.2国内发展阶段现状探索阶段（1982－1990年）1982.9，北京开采研究所和沈阳煤研所首次进行综放工作面总体设计和放顶煤液压支架设计，1983年进行设备的加工制造；1984.4，我国第1个60m长的综放工作面在沈阳矿务局蒲河矿进行缓倾斜长壁综放开采工业性试验；1986.3，在窑街矿务局二矿进行了急倾斜特厚煤层水平分段综采放顶煤采煤法的工业性试验，试验取得圆满成功；逐渐成熟阶段（1990－1995年）20世纪90年代以来，对综放开采中存在的瓦斯治理、火灾防治、粉尘治理、提高回收率、全煤巷锚杆支护等技术难题进行攻关研究，取得了可喜成果，我国的综放开采得到了迅速发展；1994年制定了《综合机械化放顶煤开采技术暂行规定》，使我国综放开采技术走向正轨。技术成熟和推广阶段（1996年至今）1概况发展现状：1概况表11995年～2000年全国超100万t/a综放开采生产指标生产指标1995年1996年1997年1998年1999年2000年综放队数目/个222627222329总产量/Mt35.6342454430415546305552.5平均年产/Mt1.620163.3164.1188.8201.3191.4最高年产/Mt3.157350.2410.2501.2505.8512.6平均效率/(t·工-1)56.868.471.292.4114.74最高效率/(t·工-1)113.1181.1203.9230.24247数量比重/%34.036.035.534.432.437.2产量比重/%41.242.441.643.741.342.4注：产量比重指当年1Mt/a以上综放队产量之和占当年所有1Mt/a以上综采队产量总和的比例。发展现状：2001年东滩煤矿综采队应用综放开采技术，年产量达5．5Mt。2003年，该队又创造了工作面年单产6.42Mt、最高月产0.6563Mt的两项世界新纪录。2004年该面年产达到658.15万t。2007年，潞安王庄煤矿6203综放工作面，工业性试验期间，最高日产达到33186t，最高月产达到63万t，平均回采工效达到394t/工，回收率达到了92.1％。1概况2.1概念：放顶煤采煤法的实质，就是在厚煤层沿底部布置一个采高2~3m的长壁工作面，用常规方法进行回采，并利用矿山压力的作用或辅以松动爆破等方法，使支架上方的顶煤破碎成散体后，由支架后方或上方的“放煤窗口”放出，经由刮板输送机运出工作面。2放顶煤的概念及其适应条件图1综采放顶煤工作面设备布置1——采煤机；2——前输送机；3——放顶煤液压支架；4——后输送机；5——平巷胶带输送机；6——配电设备；7——安全绞车；8——泵站；9——放煤窗口；10——转载破碎机；A——不充分破碎煤体；B——较充分破碎煤体；C——待放出松散煤体2.2主要类型：按照煤层赋存条件及相应的采煤工艺，放顶煤采煤法分为3类：一次采全厚放顶煤图（a）适用于厚度在12~14m以下的缓斜厚煤层预采顶分层顶网下放顶煤图（b）适用于厚度大于12～14m，直接顶坚硬或煤层瓦斯含量高需预先抽放的缓斜煤层倾斜分层放顶煤开采图（c）煤层厚度在12~14m以上的煤层2放顶煤的概念及其适应条件2.3适应综放开采的采区（工作面）地质条件煤层的赋存条件顶底板性质地质构造水文地质条件瓦斯自然发火影响工作面储量2放顶煤的概念及其适应条件煤层的赋存条件煤层赋存较稳定，煤层厚度以5～10m为宜，煤层倾角0~15°，煤层普氏系数f≤3顶底板性质煤层顶板能随采随冒，顶板冒落充填高度至少等于采放高度；煤层底板岩性较硬地质构造地质构造简单，无较大煤层起伏及褶曲，无陷落柱、火成岩侵入，断层落差不大；顶煤中无坚硬较厚夹矸，夹矸单层稳定厚度一般不大于300mm2放顶煤的概念及其适应条件水文地质条件地表或上覆岩层在采动影响范围内无水体或重要建筑物瓦斯自然发火影响综放工作面除应加快工作面推进速度外，还应采取相应的措施，以防止火灾的发生工作面储量综放工作面长度一般为150～200m，连续推进长度1000～2700m，工作面地质储量100～300万t2放顶煤的概念及其适应条件主要设备选型及总体配套原则工作面设备选型配套实例3综采放顶煤工作面的设备配套3.1主要设备选型及总体配套原则3.1.1设备配套的主要类型–采用国内研制的全套国产新型综采设备装备的综采工作面，年产300万~600万t以上。–引进部分关键综采设备，如电牵引采煤机、重型刮板输送机等，配以国产液压支架和大运量带式输送机装备的大功率综采工作面，年产400万~800万t以上。–全套引进国外大功率综采设备装备的综采工作面。3综采放顶煤工作面的设备配套3综采放顶煤工作面的设备配套3.1主要设备选型及总体配套原则3.1.2设备选型的主要原则‒综采设备的选型。高可靠性，技术先进性‒提高综采装备的配置。保证各零部件生产质量，注重外购件的质量，选用国际上著名品牌且质量过关的产品‒综采成套装备满足高产、高效、高回收率的要求，各设备的生产能力要留有足够的富裕系数。–各主要设备的技术性能要满足工作面设计年产量的要求，且相互之间协调与配合科学合理，发挥最佳的生产效能。–采煤机、运输机、转载机、可伸缩胶带输送机生产能力必须逐渐递增，形成“喇叭口”状，支架的推进速度必须满足采煤机割煤速度的要求。–设计科学合理的端口支护，保证工作面快速推进。3.2工作面设备选型3.2.1原则‒采用技术先进、性能优良，经过实践检验的高可靠性装备。‒通过合理选型和正确配套，保证整个系统的性能协调和可靠。‒提高综采设备的配套能力与生产协调性。3综采放顶煤工作面的设备配套3.2工作面设备选型3.2.2液压支架选型‒液压支架支护强度的确定保证对工作面顶板实现有效控制，又要满足回采工艺的各种要求。1）常见的顶板运动类型考虑回采工艺、顶板运动和来压特征可以将顶板运动分为5类：类型A：中厚煤层开采，直接顶为不稳定顶板，支架载荷主要由基本顶的级别和运动特征决定，直接顶主要作为传力介质，并将自重作用于支架。类型B：中厚煤层开采，直接顶中等稳定和稳定，在与支架相互作用中具有不同的回转趋向，同时传递Ⅱ级和Ⅲ级基本顶形成的周期载荷。类型C：中厚煤层开采，非常稳定的直接顶和Ⅳ级基本顶形成的剧烈载荷。类型D：厚煤层采用放顶煤开采。采用放顶煤开采由于支架直接面对顶煤，顶煤在回采过程中要求最大限度地放出。类型E：浅埋深煤层开采。3综采放顶煤工作面的设备配套3.2工作面设备选型3.2.2液压支架选型‒液压支架支护强度的确定•类型A顶板所需支护强度计算由直接顶重量和基本顶来压时引起地控顶区下沉导致地载荷增量组成。•类型B顶板所需支护强度计算3综采放顶煤工作面的设备配套PsCfzrzzZLlKhMkkkkkhP)1(//111)tan(1)tan(/tan111ddZfkhR)tan(1)tan(/tan111ddZfkhR3综采放顶煤工作面的设备配套•类型C顶板所需支护强度计算12hDChRyyy•类型D顶板所需支护强度计算dMfHP1554712.21939max•类型E顶板所需支护强度计算ZkgHLLlgHlF'12121)(43综采放顶煤工作面的设备配套‒液压支架支护强度的确定（1）按采场直接顶（含顶煤）为具有一定刚度的可变形介质时计算图1直接顶为松散介质时给定变形压力分布当采场直接顶为中间型刚度时，基本顶的给定变形主要是由直接顶的变形和支架的变形来承担，支架的载荷包括两部分，即支架上方直接顶的重量和基本顶给定变形作用于直接顶而产生的给定变形压力。3综采放顶煤工作面的设备配套（1）按采场直接顶（含顶煤）为具有一定刚度的可变形介质时计算的支架最大支护强度knnnkqmLhnhlEhp1sintan11式中：h——顶煤和直接顶厚度，m；——顶煤和直接顶容重，kN/m3；E——直接顶弱化弹性模量，kN/m2；——直接顶垮落角的余角；——老顶的回转角；1——直接顶的回转角；kl——控顶距，m；Lk——老顶周期来压步距，m；n——直接顶压实系数。式中：h——顶煤和直接顶厚度，m；——顶煤和直接顶容重，kN/m3；E——直接顶弱化弹性模量，kN/m2；——直接顶垮落角的余角；——老顶的回转角；1——直接顶的回转角；kl——控顶距，m；Lk——老顶周期来压步距，m；n——直接顶压实系数。3综采放顶煤工作面的设备配套（2）根据采场顶板分类确定支架支护强度工作面顶板为Ⅲ级2类顶板。根据采场围岩分类，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级基本顶的额定支护强度下限按下式计算：1.6224.109.785.43.72NBLhPcpms式中：Ps为额定支护强度下限，kPa；Bc为控顶宽（其值为梁端距加上顶梁长度），m；hm为煤层采高，m；Lp为老顶周期来压步距，m；N为直接顶充填系数。3.2.2液压支架选型－液压支架额定工作阻力确定•工作面支护强度确定以后，支架工作阻力值主要取决于支护顶板的控顶面积。支架控顶面积主要与工作面“三机”配套设备的断面纵向尺寸有关；工作面“三机”配套设备的断面纵向尺寸在采煤机、刮板输送机定型配套后才能准确确定。F——额定工作阻力；P——首采区工作面额定支护强度；L——支架中心距；——控顶距，包括支架顶梁长度和梁端距离；——支撑效率。3综采放顶煤工作面的设备配套/LPBFccB3.2.2液压支架选型－支架架型确定‒液压支架架型的确定必须与矿山地质条件相适应，与工作面其他设备相配套，与回采工艺相配合，并且满足安全高效生产的要求。‒液压支架选型不仅包括支架的架型及额定支护强度、工作阻力，而且设计到顶梁、护帮、底座、侧推、防倒防滑等主要部件的选型及参数确定。3综采放顶煤工作面的设备配套3.2.2液压支架选型－支架架型确定的流程–根据采煤方法论证结果确定采煤方法；–根据顶板岩（煤层）石力学性质、厚度及岩层结构和弱面发育程度确定直接顶（煤层）类型；–根据基本顶岩石力学特性及矿压显现特性确定其级别；–根据底板岩性及底板抗压入强度和刚度确定底板类型；–根据矿压实测数据计算额定工作阻力或根据采高、控顶距离及来压步距估算支架支护强度；–根据顶底板类型、级别初选支架额定工作阻力和支架架型；–考虑工作面风量，行人断面，煤层倾角修正支架架型和参数；–考虑煤壁片帮条件确定顶梁及护帮机构。除以上常见条件外，还要考虑如下特殊因素：上下部采动条件；相邻区段或两侧开采条件；地质构造、断层、褶曲等分布和参数；开采深度的影响；顶底板含水。3综采放顶煤工作面的设备配套3.2.2液压支架选型－放顶煤液压支架架型发展趋势‒主导架型有正四连杆四柱支撑掩护式低位放顶煤支架、反向四连杆四柱支撑掩护式低位放顶煤支架和单摆杆四柱支撑掩护式低位放顶煤支架。‒开发研制新型两柱掩护式放顶煤支架‒放顶煤液压支架架型发展