頂 煤 開 采 技術(shù)

　　河南理工大學(xué) 李化敏 教授

　　1 概念及分類

　　厚煤層開采方法主要有兩種：

　　分層開采法—將厚煤層分成 2-3m一個(gè)分層，逐層布置

　　采煤工作面進(jìn)行開采的方法。

　　放頂煤開采法—在厚煤層中沿煤層(或分段)底部布置一個(gè)采高2-3m的長壁工作面，用常規(guī)方法進(jìn)行回采，利用礦山壓力或輔以人工松動(dòng)方法，使支架上方的頂煤破碎成散體后由支架后方放出，并經(jīng)由運(yùn)輸機(jī)運(yùn)出工作面(如圖7-1)。

　　1.2 放頂煤開采法分類

　　按傾角分：1) α>450，水平分段放頂煤;2) α<350，長壁放頂煤

　　按分層分：1) 一次采全厚：

　　3) 預(yù)采頂分層，有瓦斯突出或堅(jiān)硬頂板的煤層，厚度>8m;

　　按設(shè)備分：

　　1)綜放開采：?jiǎn)芜\(yùn)輸機(jī)高位放頂煤支架;

　　雙運(yùn)輸機(jī)中位放頂煤支架;

　　雙運(yùn)輸機(jī)低位放頂煤支架。

　　2)簡(jiǎn)易支架放頂煤：滑移支架，懸移支架;

　　單體支柱絞接頂梁、π型梁放頂煤 。

　　2 我國放頂煤開采的發(fā)展過程

　　發(fā)展大體可分為三個(gè)階段

　　第一階段 摸索階段

　　1990年以前 (1984—1990)

　　第二階段 逐步成熟階段 1990—1995年

　　第三階段 推廣階段 1996年—現(xiàn)在

　　第一階段 摸索階段

　　放頂煤開采技術(shù)是在原蘇聯(lián)、波蘭、匈牙利、南斯拉夫等在放頂煤方面研究的基礎(chǔ)上， 1964年在法國(布朗齊礦區(qū))試驗(yàn)成功， 我國82年通過可行性研究和技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證，84年第一套綜放支架在沈陽的浦河下井，85年通過煤炭工業(yè)部組織的評(píng)議，并獲得肯定。

　　主要特點(diǎn)：

　　放頂煤開采的潛在技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)被認(rèn)識(shí);

　　暴露出了瓦斯、火、煤塵、回采率等問題;

　　提出了頂煤破碎及放出規(guī)律、礦壓等科學(xué)問題。

　　階段結(jié)束的標(biāo)志：

　　90年陽泉一礦月產(chǎn)超過14萬t，證明了綜放開采能 實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效。

　　第一階段產(chǎn)量不高的主要原因

　　技術(shù)不過關(guān)

　　支架不過關(guān)：

　　主要是抄襲國外架型，略加修改。高、中、低百花齊放， 由于沒有實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)，幾年搞了20多種都不理想，但介紹法國的中位放煤效果較好，其次是高位放煤支架。

　　工藝及安全技術(shù)不過關(guān)：

　　工藝(建立在對(duì)放煤機(jī)理及礦壓規(guī)律認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)上的工藝技術(shù))、配套技術(shù)裝備、瓦斯、火、煤塵、回采率以及礦壓?jiǎn)栴}等

　　第二階段 逐步成熟階段

　　結(jié)束標(biāo)志是：

　　1) 綜放開采設(shè)備有了突破，潞安的支架;

　　2) 實(shí)現(xiàn)了高產(chǎn)，興隆莊礦年產(chǎn)300萬t/a;

　　3) 難采煤層有了突破。

　　標(biāo)志說明當(dāng)時(shí)放頂煤開采技術(shù)形成了兩條戰(zhàn)線：

　　(1)條件好的產(chǎn)量更高;

　　(2)難采煤層技術(shù)有突破。

　　“難采”煤層：①三軟煤層：如鄭州、軒崗。

　?、?傾角較大煤層：如烏蘭;

　　③一些高瓦斯礦井：如軒崗劉家梁、唐山。

　　第三階段 推廣階段 1996年—今

　　放頂煤開采產(chǎn)量更高，兗州東灘礦工作面年產(chǎn)超過500萬t/a，工效235t/工。

　　難采煤層產(chǎn)量有了大幅度提高，超化年產(chǎn)超過150萬t/a。

　　工藝、技術(shù)裝備、瓦斯、火、煤塵、回采率以及礦壓?jiǎn)栴}等放頂煤開采技術(shù)的研究有了重大進(jìn)展發(fā)展。

　　3 礦壓顯現(xiàn)特點(diǎn)及頂煤破碎機(jī)理

　　3.1 工作面礦壓顯現(xiàn)特點(diǎn)

　　按傳統(tǒng)礦壓理論，放頂煤開采的一次采出厚度明顯增大，采場(chǎng)礦壓將明顯增大，支架載荷將成數(shù)倍增長，動(dòng)載(周期來壓)顯現(xiàn)也將嚴(yán)重。但放頂煤開采實(shí)踐表明情況并非如此。放頂煤整層開采的礦壓顯現(xiàn)往往并不比分層開采(采厚相差若干倍)更強(qiáng)烈。

　　(1)盡管放頂煤開采的一次采出厚度比分層開采大，支架載荷減小了5%～68%，載荷強(qiáng)度減小15%～20%。由此，可以認(rèn)為，綜放開采的支架載荷和一次采出厚度沒有確定的關(guān)系;

　　工作面支架動(dòng)載不強(qiáng)烈，動(dòng)載系數(shù)一般都低于采用分層開采的頂分層，表明上位頂板巖梁的運(yùn)動(dòng)(周期來壓)對(duì)支架的影響有明顯地緩和或者沒有影響。反映周期來壓顯現(xiàn)的影響減小。

　　(2)凡是支架設(shè)計(jì)(額定)工作阻力高的綜放工作面，支架實(shí)際載荷就比較較大，頂煤強(qiáng)度高的工作面，支架實(shí)際載荷高，松軟工作面的實(shí)際支架載荷低。表明工作面支架載荷并不取決于一次采出厚度;

　　多數(shù)情況下，四柱式綜放支架前柱平均工作阻力大于后柱平均工作阻力， 表明支架的載荷重心更靠近煤壁。

　　(3)端面冒頂增加了。

　　3.2 頂煤破碎機(jī)理

　　放頂煤開采技術(shù)的核心是頂煤的有效放出，而頂煤的破碎是前提。

　　礦山壓力、支架往復(fù)支撐作用是破煤的動(dòng)力，其中，礦山壓力作用是主導(dǎo)作用。

　　支架往復(fù)支撐過程其實(shí)質(zhì)是對(duì)頂煤的多次的加卸載過程。 往復(fù)支撐次數(shù)n為：

　　L=n B

　　n=L/B

　　四、放煤規(guī)律和放煤方式

　　散體運(yùn)動(dòng)原理

　　放煤的過程是散體運(yùn)動(dòng)過程，最大的特點(diǎn)：

　　橢球體

　　漏斗的發(fā)展

　　橢球體發(fā)展原則

　　1)同時(shí)到達(dá)的原則

　　2)按比例運(yùn)動(dòng)的原則

　　漏斗最主要反映下降速度和方向

　　1)中間快，兩邊慢;2)向中間運(yùn)動(dòng)。

　　四、放煤規(guī)律和放煤方式

　　四、放煤規(guī)律和放煤方式

　　放煤方式

　　為減少混矸，提高回收率，必須保持和控制煤巖分界面，必須有規(guī)律的順序放煤。

　　放煤方式 ： 單輪、多輪、順序、間隔、協(xié)調(diào)。

　　放煤步距 ： 一刀一放、二刀一放、三刀一放。

　　四、放煤規(guī)律和放煤方式(回收率)

　　當(dāng)前放頂煤回收率情況

　　工作面回收率 ：80—85%

　　采 區(qū)回收率：無煤柱75%左右，留煤柱則低于75%。

　　工作面煤炭損失構(gòu)成：

　　總損失： 15—20%

　　放煤損失(工藝損失)： 7—11%

　　兩端過渡支架及端頭支架損失： 1.5—4.5%

　　初采、未采不放煤或少放煤損失： 1.5—2.5%

　　其他損失： 3—4%

　　提高回收率方法

　　減少放煤(工藝)損失

　　選擇適當(dāng)?shù)姆琶悍绞胶蛥?shù)，加強(qiáng)放煤管理(經(jīng)濟(jì)和監(jiān)督上)。

　　減少兩端損失

　　改善過渡支架和端頭支架的放煤功能。

　　減少初采、末采損失

　　要經(jīng)過試驗(yàn)，根據(jù)不同頂煤板情況，在保證安全的條 件下，逐步減少不放煤和少放煤的距離。

　　減少其它損失

　　擴(kuò)大采區(qū)尺寸可以相對(duì)減少煤炭損失;

　　無煤柱開采是使采區(qū)回收率達(dá)到國家規(guī)定75%的主要措施。

　　五、綜放工作面循環(huán)勞動(dòng)組織

　　實(shí)現(xiàn)全厚同時(shí)出煤.即實(shí)現(xiàn)采煤和放煤平行作業(yè)。(放頂煤的初衷);

　　實(shí)行工作面內(nèi)多點(diǎn)出煤(采煤機(jī)出煤為單點(diǎn)出煤)。

　　放煤實(shí)現(xiàn)多口出煤，但受后部輸送機(jī)能力所限，同時(shí)放煤口一般不應(yīng)超過2—3個(gè)。放煤和采煤應(yīng)錯(cuò)開一定距離

　　(典型的兩刀一放的循環(huán)作業(yè)圖表見圖 )

　　兩刀一放平行作業(yè)循環(huán)作業(yè)圖表

　　大傾角綜放開采工作面正常生產(chǎn)的原則

　　(四個(gè)由下向上 )

　　1)采煤機(jī)由下向上割煤，返回時(shí)空刀;

　　2)移架由下向上，保持下部固定好的支架作為移動(dòng)架的導(dǎo)向軌：

　　3)推移運(yùn)輸機(jī)由下向上，每次移動(dòng)消除一部分下滑;

　　4)放煤由下往上，減少對(duì)煤矸分界面的擾動(dòng)，采放錯(cuò)開一定距離，實(shí)現(xiàn)一刀一放、平行作業(yè)。

　　瓦斯涌出規(guī)律和特點(diǎn)

　　絕對(duì)瓦斯涌出量成倍增加。

　　上臨近煤層的瓦斯涌出量成倍增加。

　　采空區(qū)瓦斯涌出量成倍增加。

　　局部瓦斯聚集加劇;

　　瓦斯涌出和分布不均衡。

　　工作面瓦斯積聚情況

　　隅角附近瓦斯集聚

　　瓦斯治理方法

　　抽放瓦斯應(yīng)作為是一道正常的工序，全程抽瓦斯，貫徹始終。

　　預(yù)抽：分采前抽，穿層抽，層內(nèi)掘巷抽(排)，巷排十鉆孔抽，透氣性好的煤層效果好。

　　邊采邊抽：

　　利用裂隙和卸壓區(qū)抽煤壁前方瓦斯，采空區(qū)抽后方瓦斯。

　　采后抽：埋管，長鉆孔，高抽巷等 。

　　瓦斯處理方法(排)

　　上隅角是風(fēng)排瓦斯重點(diǎn)可采用風(fēng)排方法處理。

　　特厚煤層(>8m)可用E型瓦斯排放巷，風(fēng)量計(jì)算按排放巷排出1/3風(fēng)和2/3瓦斯考慮。。

　　較薄厚煤層，只能用高抽巷(隨采隨廢，高濃度)或用高抽鉆，經(jīng)過試驗(yàn)，確定參數(shù)(數(shù)量、高度、排列、負(fù)壓、流量)

　　不用尾巷，用尾巷害處：①漏風(fēng)，造成自燃，有時(shí)無征兆;②丟煤多。

　　若瓦斯?jié)舛仍俑?，只能限產(chǎn)，以風(fēng)定產(chǎn)。

　　淮南謝橋高瓦斯礦井瓦斯治理方法

　　鉆孔預(yù)抽。在回采前以工作面上下風(fēng)巷沿煤層傾向打長距離鉆孔(如圖)，鉆孔間距10m，鉆孔深75m，孔徑73mm，共施工鉆孔258個(gè)，其中上風(fēng)巷鉆孔128個(gè)， 下風(fēng)巷鉆孔130個(gè)。

　　邊采邊抽。在工作面回采期間因工作面前方的應(yīng)力集中帶造成煤體破壞而卸壓，鉆孔瓦斯涌出量會(huì)增加，所以回采過程中，利用預(yù)抽鉆孔進(jìn)行邊采邊抽，利用風(fēng)巷抽排瓦斯效果很好。

　　采空區(qū)瓦斯抽排。采用頂板縱向長鉆孔抽放采空區(qū)瓦斯。在工作面上風(fēng)巷下幫每隔180m設(shè)一個(gè)鉆窩施工4個(gè)不同傾角的鉆孔(見上圖)，終孔高度距底板控制在45m左右(見下圖)，鉆孔采用黃泥木塞封孔，孔口用砂漿封孔，封孔深度5m。采用上述措施后，抽放效果顯著，平均每孔流量達(dá)1.25—1.3m3/min，抽放瓦斯?jié)舛葹?0%～70%，總抽放量占瓦斯涌出量的10%。

　　七、防火

　　綜放易發(fā)火位置如圖

　　當(dāng)推進(jìn)速度超過30m/月時(shí)，采空區(qū)不發(fā)火，一般實(shí)際進(jìn)度>60m/月，發(fā)火問題不大。

　　工作面易發(fā)火的位置主要是：

　　1) 巷道(包括切眼);

　　2) 停采線;

　　3) 沿空巷一側(cè)。

　　防火措施

　　巷道防火：

　　壁后充填或噴漿、錨桿加噴漿;

　　停采線防火：

　　頂板注阻化劑，采空區(qū)灑阻化劑及灌漿;

　　沿空巷側(cè)防火：

　　最有效是注漿(黃泥)充填空隙;

　　注氮有效，但成本高

　　八、防塵

　　防塵措施

　　注水： 效果好，需充分利用裂隙;

　　噴霧： 是基本技術(shù)，目前自動(dòng)鄰架操作均過

　　關(guān)，重點(diǎn)在放煤和移架;

　　研究方向：吸塵技術(shù)、添加劑、噴咀防堵。

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