现代采掘新技术(煤监局讲课)

现代采掘新技术弓培林博士教授12放顶煤开采技术大采高开采技术其他新技术3一、放顶煤开采技术1.引言2.历史及发展3.目前应用范围4.顶煤冒放性问题5.支护强度及支架选型问题6.安全问题7.发展方向1.引言•3.5m以上煤层为厚煤层，超过8m为特厚煤层，厚煤层开采方法是世界性的难题。•世界范围内，厚煤层储量占40%左右，产量占32%；•我国厚煤层储量占45.6%左右，产量占44.8%；•传统的厚煤层采煤方法为分层开采；•我国1984年开始试验和使用综放（systemoflong-walltop-coalcaving)放顶煤工作面布置1.引言•放顶煤开采优势明显，但安全问题也比较突出，经多年发展，已经形成我国独特的放顶煤开采技术。2.历史及发展•20世纪40～70年代，法国、南斯拉夫、前苏联试验研究综放，50年代初，上述国家正式采用综放；•前苏联是试验和推广放顶煤最早的国家之一，1957年，首先采用综放技术，KTY支架，煤层倾角5°～18°，厚度9～12m，预采顶分层铺网，采底向中层打眼爆破，开天窗放顶煤。2.历史及发展•法国也是最早采用放顶煤国家之一；•起初，预采中间层，采底放顶；•1964年，布朗齐矿试验成功了一次采全厚综放开采，装备了前后两套刮板输送机，采放平行作业；•南斯拉夫1962年引进德国、英国支架，实现综放；•匈牙利、捷克70～80年代实现综放；•美国曾采用放顶煤开采西部4～10m厚煤层。2.历史及发展•我国1984年研制首套FY400-14/28综放支架，在沈阳矿务局蒲河矿工业性试验，从此，拉开了我国大规模采用放顶煤技术序幕，我国采用综放开采是厚煤层开采技术的一次革命，目前，已经发展成为国际领先的厚煤层开采技术，是我国20世纪重大科技进展之一2.历史及发展•试验探索阶段（1984-1990）1984年，在沈阳矿务局蒲河矿工业性试验长壁综放，失败。1985年，急倾斜综放在窑街二矿试验成功，随后，东北若干矿区试验缓倾斜综放，不够成功（单产低，自然发火，安全差）1987年，平顶山一矿引进匈牙利VHP-730支架，单输送机，高位放顶煤，月产4万吨。1990年上半年，阳泉一矿和潞安王庄达到月产8万吨水平。1990年下半年，阳泉一矿8603面在煤厚6m、倾角3°～7°、面长120m实现月产14万吨，比分层工作面的产量和效率提高一倍以上，采出率超过80%，是该阶段的标志性成果。2.历史及发展•推广应用阶段（1990-1995）1990年后，一批缓倾斜厚煤层推广综放，阳泉、潞安、兖州为代表，均突破年产百万吨。1995年，煤炭工业部正式颁发《综合机械化放顶煤开采技术暂行规定》，综放开采技术列为“九五”期间煤炭工业科技进步重要课题之首。1994年、1995年全国综放产量分别达到3680×104t和4556×104t，年递增800多万吨，两年合计全国综放产量超过前10年全国综放累计产量。1995年，全国采用综放技术的单位已发展到30个局(矿)、71个综放开采队。1995年，全国65个年产100×104t以上的综采队中有综放队23.5个，其中年产200×104t以上的9个综采队中综放队为7个，年产300×104t以上的2个综采队中综放队为1.5个。2.历史及发展•推广应用阶段1992年，郑州米村矿“三软”煤层综放试验成功，1995年突破100万吨。同时，在倾斜和急倾斜特厚煤层，采用水平分段放顶煤；对地质构造复杂的小块段，采用短工作面综放开采；用综放开采回收矿井残留煤柱都取得了很好的效果。对坚硬煤层的综放开采技术也开始进行探索试验。支架型式又中位转到低位。工艺、采出率、煤尘、瓦斯、防灭火有了较大进展。标志：1995年兖州兴隆庄达到300万吨。2.历史及发展•提高完善阶段（1996-）1997年，兖州东滩煤矿在6-9m的中硬煤层年产410万吨。1998年，兖州东滩煤矿在6-9m的中硬煤层年产540万吨，工效235t/工。“三软”、“两硬”、大倾角、高瓦斯、易燃等煤层的放顶煤开采技术有了长足的发展。2000年，北京开采所与兖州集团完成600万吨综放成套装备试验，达到国际领先。2006年，两柱放顶煤液压支架自动化放顶煤成套装备研制成功。2005年，提出大采高放顶煤概念。2008年-2009年，平朔安家岭创月产130万吨记录，大同塔山创日产5万吨记录，实现工作面年产千万吨目标。3.目前应用范围•倾角小于35°缓倾斜、倾斜厚煤层，经济效益显著。•倾角45°以内均可采用走向长壁综放。•倾角45°以上的特厚煤层（20m以上）可采用水平分段放顶煤。•厚度小于15m一次采全厚，中等强度以下煤层厚度可以更大（20-40m）。•“三软”•“两硬”4.顶煤冒放性问题•顶煤冒放性是综放技术的根本问题•顶煤的运移规律Ⅰ完整区（弹性变形区）Ⅱ破坏发展区（塑性变形区）Ⅲ裂隙发育区Ⅳ垮落破碎区4.顶煤冒放性问题•顶煤冒放性影响因素可冒性开采深度煤层强度节理裂隙夹矸层基本顶4.顶煤冒放性问题•顶煤冒放性影响因素可放性直接顶采放比放煤步距放煤口位置及尺寸顶煤冒放性的分类5.支护强度及支架选型问题•支架-围岩关系5.支护强度及支架选型问题•综放面矿压显现基本规律支承压力分布范围大，（煤软，分布范围大）工作面支架载荷小（煤的强度低，载荷小）容易漏冒、片帮端头压力和平巷压力缓和前柱压力普遍大于后柱大采高放顶煤工作面另当别论5.支护强度及支架选型问题•支护强度基本顶的作用直接顶的破断情况、自承能力统计回归5.支护强度及支架选型问题•架型ZF15O00/28/52型四柱大采高放顶煤液压支架（正四连杆、塔山）5.支护强度及支架选型问题•架型ZFQ6500/18/35型大倾角放顶煤液压支架（正四连杆）5.支护强度及支架选型问题•架型正四连杆支架特点国内使用最多，最成熟（600万吨，兖州，1000万吨，平朔）稳定性好，抗偏载能力强，可靠性高。5.支护强度及支架选型问题•架型ZF12000/23/35H型四柱反四连杆放顶煤液压支架（甘肃华亭）5.支护强度及支架选型问题•架型四柱反四连杆支架特点顶梁长，对硬煤、中硬煤适应性好。通风断面大，对高瓦斯矿井适用。重量较重，支护强度略低。人行道宽度与支架高度变化有关5.支护强度及支架选型问题•架型ZFY10200/25/42型两柱掩护式放顶煤液压支架保德矿）5.支护强度及支架选型问题•架型两柱掩护式放顶煤支架支护强度高。水平推力。支柱受力均衡。移架速度快，对电液控制系统适应性好。是综放支架的发展方向6.放顶煤的安全问题•规程68条未采动区爆破高瓦斯矿井的易燃煤层，本煤层瓦斯含量不大于6m3/t或工作面风速不大于4m/s严禁木支柱、摩擦支柱放顶煤30°以上煤层、冲击地压煤层严禁单体液压支柱放顶煤。煤层平均厚度小于4m严禁放顶煤。采放比大于1:3严禁放顶煤回采率不达标突出危险煤层坚硬顶板、顶煤，充填不能达到采放高度。水文地质条件复杂，可能与地表水、老窑积水、和强含水层沟通的，严禁放顶煤7.综放问题及发展方向问题发展方向大采高综放特殊条件下的综放（残煤、浅埋、大倾角、近距离等）高可靠性装备安全技术二、大采高开采技术1.大采高开采实例2.矿压特点3.大采高覆岩整体结构模型4.支架-围岩关系5.适用条件及发展方向目前，大采高技术在神东矿区、内蒙古矿区、榆林矿区、晋城矿区、潞安矿区等类似煤层得到了大面积推广应用，煤机装备除个别工作面的采煤机进口外，其余皆实现了国产化，工作面产量达到了年产1000万t水平，我国大采高综采最大采高可达7.0m。国产成套煤机装备在煤厚4～6m的工作面已达到了年产600万t的水平，由煤炭科学研究总院负责的国家十大装备研发项目“年产600万t大采高综采成套技术与装备”2009年获国家科技进步二等奖。1.大采高开采实例典型的大采高高产高效工作面的配套设备神东补连塔煤矿，矿井生产能力为年产2000万吨。22303综采工作面安装的设备：143台郑煤7.0m液压支架（支架宽度2056mm）9台郑煤6.3m液压支架（支架宽度1750mm）DBT3×1000kW刮板运输机一部JOY7LS7/lws629（改造）采煤机一部DBT522kW转载机一部DBT522kW破碎机一部自移机尾一部通讯系统、照明系统、660V排水系统，顺槽及工作面电缆管路。神东大柳塔煤矿，矿井年生产能力为2000万吨。2.矿压特点大采高综采的矿压显现特征⑴大采高综采工作面支护强度高，工作面支护强度平均达到832kN/m2，较我国顶板分类所要求的支护强度高10～30％。⑵动载系数小，虽然统计工作面的顶板类型不同，但动载系数差别不大，一般为1.2～1.3，均较普通综采的动载系数小。⑶支架载荷分布以正态为主，与普通采高随顶板级别不同而出现的四种分布不同。3.大采高覆岩整体结构模型大采高采场直接顶厚度较大，那么该结论是否具有普遍意义，在什么条件下，可以在直接顶较小的情况下基本顶即形成砌体梁结构，这是研究大采高采场结构须回答的问题。大采高直接顶厚度的确定大采高直接顶厚度的确定按照滑落失稳及回转失稳两种可能性计算基本顶的稳定性，从而判断直接顶的厚度基本顶平衡结构ABCMTRAOαωqTRBhLll我国顶板分类成果根据我国顶板分类成果汇总，统计的120个工作面中，Ⅰ级顶板数目为44，占37%，Ⅱ级顶板数目为65个，约占54%，Ⅲ～Ⅳ级为11个，约占9%。可见我国大部分工作面的顶板为软岩或坚硬岩层厚度较小的顶板。我国顶板分类成果6.331.11.52.0页岩页岩页岩煤5.32.02.0中砂岩页岩煤13～244.02.4砂岩互层粗砂岩煤Ⅰ、Ⅱ级顶板相对应典型柱状见图结论原老顶分级中的Ⅰ、Ⅱ顶板的基本顶，在采高增大的情况下，都将变为直接顶，直接顶厚度与采高的比值N为2.9～3.22，采高越大，N值越大。大采高开采上覆岩层整体结构模型的建立α覆岩破坏空间模型－“梯形台体结构”h1chlchhdhkhdh300表土层ⅢⅡⅠⅠⅠ¦ΑllcfⅣⅤgd¦ΑⅥβbeⅠ3a4.大采高支架围岩关系采场支承压力与采高的关系大采高直接顶分类直接顶变形破坏规律及工作阻力确定大采高支架围岩关系大采高顶板分类及支架选型采场支承压力与采高的关系采高5.0m采场支承压力分布采场支承压力与采高的关系1.522.533.544.5051015202530距煤壁距离/m应力集中系数2m3m4m5m7m煤壁前25m支承压力分布11.21.41.61.8020406080100120140160距煤壁距离/m应力集中系数2m3m4m5m7m煤壁30m以外支承压力分布不同采高支承压力分布比较采场支承压力与采高的关系大采高支承压力分布的总体规律是：近煤壁峰值低，影响范围小，远离煤壁支承压力大，影响范围远。大采高直接顶分类Ⅰ型直接顶Ⅱ型直接顶Ⅲ型直接顶Ⅰ型直接顶破坏规律数值计算模型ANSYS8.0-.832E+08-.666E+08-.500E+08-.334E+08-.168E+08-154079.164E+08.330E+08.496E+08.662E+08UFNFORRFORACELWXWYWZ-.204E+08-.175E+08-.145E+08-.116E+08-.868E+07-.575E+07-.282E+07110743.304E+07.597E+07ANSYS8.0-.764E+07-.510E+07-.256E+07-22732.252E+07.505E+07.759E+07.101E+08.127E+08.152E+08X向应力Y向应力及反力剪应力应力分布图Ⅰ型直接顶破坏规律大采高采场直接顶的变形破坏是以两点的破坏逐步扩展而形成的随着支护中阻力的增加，能够减小破坏发生的范围及程度大采高直接顶厚度大，支架阻力对直接顶上位的影响小初撑力的大小并不能从根本上消除顶板下沉，但增加初撑力可以减少顶板下沉量，同时改变下位直接顶端面距部分的应力状态，快速达到较高的初撑力有重要意义Ⅰ型直接顶支护阻力确定考虑直接