回采技术

第五讲回采技术本讲主要介绍综采回采工艺、支承压力分布和旺格维利短壁开采技术以及煤炭开采技术的发展趋势。一、综采回采工艺（一）几个概念1、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。2、回采工艺：采煤工作面内各种不同生产工序（落煤、装煤、运煤、支护、采空区处理、其它）在时空上按一定关系和顺序配合下进行生产工作的方式。3、回采工艺的发展及综合机械化采煤方法的形成：炮采→普采→高档机采（支护采用单体液压支柱代替普采工作面的摩擦金属支柱）→综采（落煤、装煤采用采煤机，运煤采用可弯曲刮板输送机，工作面支护采用液压自移支架，采空区自由垮落，五工序全部实现机械化，形成连续作业）。（二）综采生产工艺过程：落煤、装煤、运煤、支护、处理采空区。1、割煤：包括了落煤、装煤。2、运煤：工作面可弯曲刮板输送机→桥式转载机（破碎机）→可伸缩带式输送机→采区带式输送机→采区煤仓或大巷输送机等；（1）工作面刮板输送机作用：a、运煤；b、作为采煤机运行轨道；c、铲装浮煤；d、联结液压支架，实现相互推移。注意：a、推溜时严格掌握弯曲段长度，不得出现急弯；b、工作面底板局部有凸凹时，要割平或支垫，保证输送机平度（允许2～4°）；c、初弯曲段，其它部分要呈直线；d、输送机机头卸载段与转载机尾搭接高度和距离要合适。（2）顺槽运输：桥式转载机与带式输送机的配合。3、工作面支护和采空区处理：工作面用液压支架进行支护，支架完成对工作面顶板的支撑、切顶、挡矸、护帮、前移、推溜等一系列动作。移架方式有：单架依次顺序式、分组间隔交错式、成组整体依次顺序式等（各有优缺点）。割煤、移架与推溜配合方式：立即支护（割煤→移架→推溜）、滞后支护（割煤→推溜→移架）。采空区处理一般为全部垮落法（坚硬顶板采取：1、顶板高压注液软化，2、深孔爆破强制冒落），其它有充填法，如水砂充填法。综采工作面斜切进刀平面图割煤到机尾斜切进刀割三角煤返空刀图5-1综采工作面斜切进刀示意图（三）综采设备选型、配套1、生产能力：a、采煤机生产能力与工作面生产任务要求相适应；b、工作面刮板机输送能力应大于采煤机生产能力；c、转载机输送能力要大于工作面刮板机输送能力；d、破碎机破碎能力与生产中可能出现的大块、岩等状况适应；e、带式输送机输送能力应大于转载机输送能力；f、液压支架移架速度与采煤机牵引速度相适应；g、乳化液泵站输出压力与流量应满足支架初撑力极其动作速度要求。2、设备性能：a、输送机与采煤机（输送机结构形式及附件能与采煤机结构相匹配，如采煤机牵引、行走机构、底托架及滑靴结构等）；b、输送机与液压支架（输送机中部槽与液压支架推移千斤顶连接装置的间距和连接结构相匹配）；c、采煤机与液压支架（采煤机采高与支架最大最小结构尺寸相适应；采煤机截深与支架推移步距相适应）。3、液压支架、采煤机、输送机几何关系：a、工作面无立柱宽度越小越好；b、前柱与电缆槽必须留有150～200mm的间隙；c、梁端距适宜（一般150～300mm），防止顶滚筒割到顶梁；d、推移千斤顶行程比采煤机截深大100～200mm；e、保证过煤高度，以便煤流顺利通过煤机底托架；f、过机空间适宜。4、其它：煤层倾角要求、各部联结强度和刚度、巷道断面、通风对设备配套要求。（四）综采工作面顶板管理1、综采工作面支护应该包括：工作面支护、工作面端头支护、回采巷道的加强支护三项内容。（1）工作面支护的液压支架，要求就是五到位，即坚持正规循环作业到位、支架维护到位、初撑力到位、跟机拉架到位、护帮板使用到位。（2）工作面端头支护采用端头架与过渡架支护（靠与运输机间推移装置移步，适应性好；受头尾影响，端头滞后工作面，解决联结问题、解决转载机尾处顶板维护、解决顶梁短的问题）。（3）回采巷道的加强支护：（《煤矿安全规程》规定“采煤工作面所有安全出口与巷道连接处20m范围内，必须加强支护”。2、老顶的初次来压和老顶的初次来压步距。（1）老顶的初次来压前，回采工作面顶板压力并不大，但煤壁内的支承压力达到最大值；老顶初次来压比较突然；初次来压一般要持续2～3天。将基本顶视为固支岩梁，采用断裂力学法计算，基本顶的初次来压步距为LT=h（2σT/q）1/2（2）老顶的周期来压。将基本顶的周期性破断视为悬臂岩梁进行计算，基本顶的周期来压步距为L=h（σT/3q）1/23、衡量工作面矿山压力显现程度的常用指标：顶板下沉、顶板下沉速度、支柱变形、顶板破碎情况、局部冒顶、顶板切落。（其它有：煤壁片帮、支柱插底、底臌等）二、工作面前后支承压力的分布1、增压区、减压区、稳压区。ABCDⅠⅡⅣⅤKHHH图5-2工作面前后支承压力分布示意图Ⅰ－工作面前方应力变化区；Ⅱ－工作面控顶区；Ⅲ－垮落岩石松散区；Ⅳ－垮落岩石逐渐压缩区；Ⅴ－垮落岩石压实区；A－原岩应力区；B－应力增高区；C－应力降低区；D－应力稳定区2、支承压力分布与显现的三个阶段第一阶段：从采场推进开始至煤壁支承能力改变(即煤壁附近煤体进入塑性状态)之前。煤体特点：煤体没有破坏，弹性压缩；压力特点：一条高峰在煤壁上的单调下降曲线显现分布：与压力分布曲线相同。即煤壁没有进入塑性状态，各岩梁的跨度相等，同一位置的传递系数相同。第二阶段：从煤壁支承能力改变到老顶岩梁端部断裂前为止。煤体特点：煤体支承能力降低，随老顶岩梁的离层发展，其作为载荷与传递上部岩重的作用将逐步下降，而作为形成支承压力的“载荷作用”将越来越占据主导地位。压力特点：塑性区（包括煤体已完全破坏部分）压力逐渐上升。弹性区内则单调下降，其压力高峰在交界处。显现分布：总体仍为单调下降曲线，但是具体讲则是塑性区内与压力分布相反，弹性区内与压力分布相同。第三阶段:从老顶岩梁端部断裂到岩梁中部触矸为止。特点:支承压力分布与显现变化剧烈，压力分布与显现总体一致。压力特点:1断裂线附近应力集中;2以断裂线为界分为两个应力场;3两个应力场中压力分布背向发展。采场进入正常推进阶段后，支承压力分布的主要特点是伴随着上覆岩层的周期性运动而呈周期性变化。X0S1单一的弹性分布出现塑性破坏区的分布出现内应力场的分布图5-3支承压力分布与显现三阶段示意图开采深度H及集中系数Kmax越大，则塑性区范围将越大；煤层强度越高（即单轴抗压强度σc值越大），在同样深度条件下塑性区的范围将越小；在一定采深和既定煤层条件下，塑性区范围与煤层开采厚度成正比。S0X'0S13、关于基本顶的作用问题：作为传递上覆岩重的介质，基本顶起着中间垫层和支托层的作用，即上覆岩层压力只有通过它才能传递到煤层的各个部位；基本顶本身就是支承压力来源的一个组成部分。4、两侧煤柱压力的分布AB1CB2CDHHHK1HK2H图5-4煤柱两侧压力分布示意图A－原岩应力区；B1、B2－应力增高区；C－应力降低区；D－应力稳定区在回采工作面的两侧煤柱中出现应力增高区，且应力集中系数较大，特别是在临近采空区的孤岛煤柱中，应力集中系数更大，该煤柱也更难维护。在开采区域是应力降低区，在已采区域是应力稳定区，在未开采且不受采动影响的区域是原岩应力区。三、旺格维利短壁回采1、单翼回采2000年，神东煤炭公司首先在大海则、上湾及康家滩煤矿推广“单翼短壁机械化采煤法”，如下图所示。图5-5单翼短壁机械化采煤法该采煤法的回采工艺是：回采支巷煤柱时采用单翼斜切进刀方式，进刀宽度为3.3m，角度为60º，进刀深度一般以割透支巷煤柱为准，深度约为17m，并在每刀之间留有0.5m～0.9m的小煤柱。这种采煤方法与房采工艺相比，回采率有所提高，回采率可达65%左右。这种采煤法没有履带行走式液压支架，当顶板较为破碎时，回采中顶板容易离层冒落，两侧进刀安全上无保障，故只能采用单翼进刀。单翼进刀煤柱留设大，回采效率低、万吨掘进率高。为进一步实现安全高效生产，公司进一步加大了短壁机械化开采成套技术，特别是加强了配套设备的研制开发力度。2、双翼回采2000年神东煤炭公司自主开发研制了履带行走式液压支架，解决了双翼开采存在的问题，同时解决了短壁机械化开采过程中巷道、工作面以及煤柱回收支护工艺的关键技术难题。图5-6是短壁机械化双翼回采布置图。图5-6短壁机械化双翼回采布置图图5-7连采机后配套连运系统短壁机械化双翼回采示意图该采煤法与单翼短壁机械化采煤法的区别在于：在回收条带煤柱时采用双翼切割煤柱并采用履带行走式液压支架支护顶板，取消了0.9m宽的煤皮，改留设3.3m×3.3m的正方形煤柱，使回采率由原来的65%提高到75%以上，加快了掘进和回采速度；保证了工作面安全生产。使用履带行走式液压支架后，短壁开采采空区残留煤柱如下，其回收率最高可达87%以上。比传统房柱式短壁回采工作面回收率平均提高了45%以上。图5-8短壁开采采空区残留设煤柱示意图3、使用线性支架回采工艺图5-9履带行走式自移支架旺格维利采煤法是从澳大利亚引进的一种短壁机械化开采技术。其实质也是一种房柱式采煤法。结合使用线性支架，其资源回收率极大地提高。典型的澳大利亚煤矿一般同时使用三台线性支架，但是美国一般为四台。图5-10利用4台线性支架旺采工艺系统图4、短壁开采顶板管理技术（1）顶板管理方法煤房掘进时一般采用锚杆支护，而在回收煤柱时则在采空区边缘布设履带行走式液压支架，煤柱回收后采用全部垮落法管理顶板。（2）短壁回采工作面采场矿压显现特点神东矿区通过对短壁工作面现场观测和理论分析，初步总结出了短壁工作面矿压显现特点和顶板垮落规律。短壁煤柱回收后，煤层顶板像长壁工作面一样同样要经历直接顶初次垮落和老顶初次来压及周期性来压的过程，但由于短壁开采在回收煤柱时在采空区中留有小煤柱临时支撑顶板，使得直接顶垮落受到一定影响。概括起来将神东矿区短壁机械化开采工作面矿压显现具有以下特征：（1）直接顶的初次垮落步距较长壁开采条件下要大，视直接顶岩层情况，一般为60m以上。（2）老顶的初次来压步距与长壁开采条件下相差不大。（3）老顶的周期来压步距较长壁开采条件下要大，直接顶在采空区出现悬顶并呈周期性垮落，一般步距为35m以上。（4）采场顶板来压时，履带行走支架位于两翼回收煤柱的三角区，顶板压力主要由煤柱来承担，对履带行走支架的冲击载荷并不像长壁工作面液压支架那样大，动载系数小于长壁开采的动载系数。图5-11短壁开采采场压力分布图四、煤炭开采技术发展趋势（一）国际上煤炭开采技术装备发展的主要技术特点是：1、设备功率增大。新型电牵引采煤机总功率已达1500～2000kW，最大牵引速度达到30m/min以上，设备生产能力达到了3000t/h以上；工作面刮板输送机向着大运量、软启动、高强度、重型化和高可靠性方向发展，其输送量已达6000t/h，装机功率4×800kW，整机寿命（过煤量）达1000万t以上，最高达2000万t；2、支架性能提高。液压支架为高工作阻力的支架，支护工作阻力6000－10000kN，最大12000kN，支架结构为整体顶梁，支架控制方式为环形供液及电液阀控制，支架的寿命试验循环次数高达50000次以上；3、顺槽带式输送机已向长距离、大运量、高带速的主要方向发展。目前装机功率已达4×970kW，运输能力已达5500t/h，带速5m/s以上；4、综采工作面可以实现自动化生产；5、综采工作面的设备的供电电压已从1140V等级分别提高到2300V、3300V、4160V、5000V等级，大大改善了采区电网和工作面大功率电气设备的运行工况。（二）国内煤炭开采技术的发展现状：1、采用先进开采技术与装备，工作面单产与效率大幅提高。已出现多个千万吨级的矿井或采煤工作面，设计能力2000万t/a的矿井（布尔台矿）已经问世。2、开采深度增加，开采条件复杂，开采难度加大。我国煤炭开采主要以井工开采为主，露天开采产量仅为5%左右。远远低于世界主要产煤国露采产量比重（加拿大露采产量比重88%，德国78%，美国61.5%，俄国56%）。目前，我国煤矿开采深度以每年8～12m的速度增加，深井开采问题日益突现。3、矿区环境污染问题未得到实质性改变。煤层气开发尚处于起步阶段。目前，全国年瓦斯排放总量约100亿m3左右，但实际利