综采放顶煤工艺技术培训讲义

放顶煤开采工艺及相关技术问题井工一矿刘伟2015年6月提纲一、放顶煤技术概况二、放顶煤开采技术特点三、综放开采矿压显现规律四、放顶煤开采工艺一、放顶煤技术概况实质是一种开采缓倾斜特厚煤层和急倾斜特厚煤层的采煤方法。过程：沿缓倾斜特厚煤层的底板或在急倾斜特厚煤层某一阶段高度的底部布置一个采煤工作面进行开采，而工作面顶部的煤在矿山压力作用下或辅以人工松动的方法，在工作面后部垮落并通过放煤口放入输送机运出的采煤方法。起源放顶煤采煤法是一种古老的采煤方法，俗称“高落法”。综合机械化放顶煤开采技术，于1964年首先在法国中南煤田的布郎齐矿试验成功。中国从1982年开始引进综放开采技术，首先在甘肃窑街矿务局二矿和辽宁沈阳矿务局浦河矿试验成功。一、放顶煤技术概况中国综放开采的发展我国综放集约化规模已达标或超发达国家水平大柳塔煤矿一井一面年产近1000万t定员300人。矿井全员工效24.6t/工；工作面直接工效达576.5t/工。兴隆庄矿工作面单产达64万t/月，年产达640万t。一、放顶煤技术概况我国综放开采的发展过程发展大体可分为三个阶段第一阶段摸索阶段1990年以前(1984—1990)第二阶段逐步成熟阶段1990—1995年第三阶段推广阶段1996年—现在一、放顶煤技术概况第一阶段摸索阶段试验地点：缓斜试验工作面当时在平顶山、潞安、阳泉、郑州。急倾斜在窑街、乌鲁木齐、靖远。阶段结束的标志是：90年阳泉一矿日产超过14万t。这个阶段的主要成就：证明了综放开采能实现高产高效。一、放顶煤技术概况第一阶段主要有几个问题：高产高效问题放顶煤能否存在，应不应发展的根本问题，国内国外都一样。搞放顶煤就是为了高产高效。什么是高产?量化指标是什么?其基本概念是：条件好的，年产300万t以上，低一点说200万t／年条件差的(难采煤层)年产：100万t以上。一、放顶煤技术概况达不到高产的原因：1)技术不过关（支架不过关、安全技术不过关）2）技术限制3）配采限制4）思想不解放5）部领导态度不明朗，各局对滑移支架兴趣大，当时是现场比部里(总公司)积极，关外比关内积极。主要是抄袭国外架型，略加修改。高、中、低百花齐放，由于没有实现高产，几年搞了20多种都不理想，但介绍法国的中位放煤效果较好，影响大，其次是高位放煤支架。一、放顶煤技术概况第二阶段逐步成熟阶段结束标志是：1)综放开采设备有了突破，潞安的支架；2)兴隆庄矿年产300万t；3)难采煤层有了突破。标志说明当时放顶煤开采技术形成了两条战线：1）条件好的，高产再高产；2）难采的，突破技术难题。当时主要取得成功的“难采”煤层综放：①三软煤层：如郑州、轩岗。②倾角较大煤层：如乌兰；⑧一些高瓦斯矿井：如轩岗刘家梁、唐山、乌兰；④软岩巷，小康矿。一、放顶煤技术概况第二阶段逐步成熟阶段该一阶段除以上成果外，最大成功是：思想趋于统一。标志是：制定了一个《暂行技术规程》1995年煤炭部的104号文反对意见主要是两方面①粉尘；②瓦斯、特别是有突出危险煤层：《暂行规程》最大的成绩是肯定综放开采“方法”的合法性，肯定了优点，不足之处是加了很多限制，有些是严历的，瓦斯问题，煤厚限制等现在看不十分必要，当时制定规程一个指导思想是怕乱、怕一哄而起，这也是对的，但卡得太多。一、放顶煤技术概况第三个阶段推广阶段1996年——现在高产更高兖州东滩，501万t／年，工效235t／工。难采煤层也有高产更高产问题，超化就有由100万t年—150万t／年。难采煤层有了新突破难采煤层：是一种模糊概念。一般指“三软”、“两硬”、“大倾角(200～350)”、“高瓦斯”、“突出”、“易燃”、“边角煤”、“较薄(3.5m-5.0m)厚煤层”、“浅地表(包括覆岩含水)”、“三下”等。一、放顶煤技术概况发展上可分为两个时期：95年以前95年以后95年以前特点：高中低位并用；架型设计特点：主要是抄袭西欧，西欧不过关，我们就也不过关；92年——93年，郑煤机，潞安改造铺底网支架，创造了一种低位新型支架，使(95年以前)低位放煤支架逐步定型(图7)；95年以前另一种低位放煤支架，反四连杆支架出世(图8)，现己定型，重型18t／架，两种支架各有千秋。放顶煤支架的发展和现状放顶煤支架的发展和现状95年以后基本上不再生产中高位支架，低位支架定型。轻型支架热的原因(1)煤矿资金紧张；(2)难采煤层综放需要支架轻型化。对于较薄厚煤层，边角煤，不规则采区综放，支架必须轻(淮南)。支架轻型化不排斥现有的大量重型。高支撑力。服务年限长、高可靠性支架使用；当然支架轻要求可靠，性能好。当前液压支架技术(功能)发展的基本趋势在保证工作面支护强度足够的前提下，对于中小型矿井(150万t/年以下)支架重量向轻型化方向发展；支架外型尺寸向两极化发展一些高产工作面(年产150万t／面)由于输送机、采煤机功率加大，尺寸加大、支架外形尺寸趋于加大;中小型矿井则要求支架外形较小，以便于整体下井，整体运输和整体安装拆除；普遍采用低位放煤支架，其中煤层较厚，工作面产量较大，后部采用大型输送机时，有发展反四连杆大尾梁、大插板支架的趋势。但多数仍采用正四连杆、短尾梁、小插板放煤机构，对于较薄厚煤层短尾梁支架更利于控制混矸，减少煤损；近两年放顶煤支架普遍采用全封闭顶板机构，以适应三软煤层控制端面顶煤冒顶问题，但由于控制顶梁位态的能力较差，有时难以达到全封闭顶煤的效果；当前液压支架技术(功能)发展的基本趋势在倾角较大(α180)的工作面逐步淘汰原有的液压支架及其他设备的防滑装置及措施，逐渐采用以支架-输送机互相锚固为主的防倒防滑机构及措施。当前液压支架技术(功能)发展的基本趋势二、放顶煤开采技术特点放顶煤开采形式（1）按工作面布置方式分类整层放顶煤采煤法放顶煤采煤法预采顶分层采煤法预采中间分层放顶煤采煤法水平分段放顶煤采煤法整层放顶煤采煤法特点：当采煤工作面推进一定的距离后，将上部顶煤放出，一次采出煤层的全部厚度。二、放顶煤开采技术特点首先沿顶板在煤层中布置一个普通长壁采煤工作面（即采顶分层），然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。预采顶分层采煤法特点：二、放顶煤开采技术特点预采中间分层放顶煤采煤法特点：先在煤层中间布置一个普通长壁采煤工作面进行开采。然后再沿底板布置放顶煤采煤工作面。中间分层工作面的位置应使底部放顶煤采煤工作面上方有0.5m以上的护顶煤二、放顶煤开采技术特点水平分段放顶煤采煤法特点：厚度超过20m，甚至上百米的极厚煤层，可以把煤层厚度按10m～20m分成若干个分段，使用放顶煤采煤法依次自上而下分段回采。二、放顶煤开采技术特点放顶煤开采的优点二、放顶煤开采技术特点（1）综放开采实现了缓倾斜特厚煤层的一次采全厚开采和急倾斜特厚煤层的水平分段开采，对地质条件的适应性较分层综采和单一煤层综采更强。适应于煤层厚度变化大，顶底板起伏不平，断层构造多，以及其它地质条件变化的不稳定煤层。放顶煤开采的优点二、放顶煤开采技术特点（2）综放开采一次开采厚度大幅度增加，煤层开采强度加大，实现了垂直集中生产，而且低位放顶煤支架工作面有两个出煤点，在同样工作面长度和工作面推进速度的情况下，综放开采较分层综采和单一煤层综采工作面的单产可以成倍的增长。放顶煤开采的优点二、放顶煤开采技术特点（3）综放开采较分层综采的巷道掘进率低，工作面寿命长，搬家次数少，吨煤设备投入费用少；工作面材料、电力等消耗少，因而工作面直接成本大大降低。综放开采的吨煤成本可比分层综采的成本降低10元/t以上，因而矿井的经济效益可以明显提高。实践证明，综放开采是一种高产、高效、安全、低耗、经济效益好的采煤方法，已成为我国高产高效矿井建设的重要技术途径。放顶煤开采的适用条件二、放顶煤开采技术特点综采放顶煤采煤法，按煤层的赋存条件和装备，基本上可以分为长壁综采放顶煤采煤法和巷柱式综采放顶煤采煤法两种。第一种主要用于缓倾斜、倾斜特厚煤层和厚度大于20m的急倾斜特厚煤层；第二种主要用于厚度为4～8m的急倾斜特厚煤层以及倾斜厚煤层。（1）煤层赋存状态与构造当煤层埋藏不稳定，即厚度变化很大时，采用一次采全厚放顶煤采煤法是最理想的方法，因为这时采用分层开采会因最后剩余的煤有厚有薄，甚至不可采而丢失大量煤炭。当煤层地质构造复杂，为大量的断层切割时，进行分层开采也很困难，尤其是当煤层的顶板被断层切割，而底板尚未破坏的情况下，采用下行分层开采，第一层因顶板被切割而无法开采，这时如采用一次采全厚放顶煤采煤法沿底板开采就可以解决分层开采的困难。（2）煤层厚度煤层的厚度是选用放顶煤采煤法的最基本的条件，从过去的经验看，一次采全厚放顶煤的最大厚度为20m，但这并不是最大极限，1987年法国中南煤田市郎齐矿的达尔西井，一次放顶煤的厚度曾达到35m。放顶煤采煤法煤层厚度的下限为5m，个别情况下可以到4m，低于5m时，完全可以用普通综采开采。（3）煤层倾角对于一次采全厚综采放顶煤采煤法，煤层倾角以25°以下为宜，因为倾角太大对放顶煤支架的稳定性有影响，除了支架易下滑外，在放煤过程中作用在支架上的侧向力也随煤层倾角增加而增大。因而，在煤层倾角大于15°时，工作面最好采取伪倾斜布置，使工作面为倾斜向下推进，这样不但可以有利于支架的稳定性，而且有利于放顶煤的进行。对于急倾斜煤层，煤层倾角以大于60°最为适宜，当倾角小于松散煤体的放落角（60~70°）时，必然带来底板损失（4）直接顶的岩性与厚度对于一次采全厚放顶煤采煤法来说，最基本的条件之一是还要求直接顶是易冒的，即能随采随冒，就是说，冒落的顶煤与垮落的直接顶能在放煤过程中形成统一的松动冒落体。这时，冒落的顶煤就可以遵循松散介质的流动规律从放煤口放出，就有可能保证较高的煤炭回收率和较低的含矸率。要达到最佳放煤效果，除要求直接顶能随采随冒外，还必须保证直接顶有足够的厚度，即要求直接顶冒落碎胀后，能够充填煤层采出后所形成的空间。即应满足：式中h—直接顶厚度；m—要开采的煤层厚度；kP——直接顶的碎胀系数。pKmh（5）煤层物理机械性质与结构对放顶煤来说，坚硬的顶煤的冒落的块度大，影响冒落顶煤的放出效果。如煤层较软，煤壁在剧烈的支承压力作用下极易片帮，而且往往在架前冒顶，致使架前维护困难，影响放顶煤工作面的正常推进。煤层的节理越发育，对放顶煤越有利，顶煤可以均匀地破碎，块度适中，放煤过程中流动性好；煤层的结构对放顶煤影响很大，因为坚硬的夹石犹如煤层中的骨架一样，增强了顶煤的整体性，使它不易垮落，即使垮落，也必然使冒落的顶煤中掺杂着大块夹矸，影响着顶煤的正常流动。（6）煤层底板岩性煤层底板的岩性，一般说来对放顶煤采煤法影响不大，但由于一次采全厚放顶煤采煤法是沿底板进行回采的，松软的底板会对支架的行走带来困难，特别是遇水膨胀的厚层泥岩底板，放顶煤支架容易下陷，造成移架困难。但是，一般情况下，这一问题是可以通过加大支架底座面积来解决的。（7）瓦斯、自燃发生等对放顶煤的影响瓦斯对放顶煤没有根本的影响，只要加强通风措施保证回风巷的瓦斯含量在规定范围内即可。但是，在老塘有冒落空洞时（如前所述），空洞里容易造成瓦斯集聚，这时应提高警惕以防不测事故发生。对于有自燃发火的煤层，根据国外的经验，只要采取严密而有效的防灭火措施，即不会给放顶煤造成威胁。三、综放采场矿压显现规律综放采场的顶板结构1）“煤—煤”结构2)“岩—矸”结构3）岩梁结构T2T1H1）“煤—煤”结构在顶煤较厚、煤层结构复杂的情况下，很可能出现支架上方未冒顶煤与采空区已冒顶煤之间的拱式平衡结构。MZTH2)“岩—矸”结构未垮落岩层与已垮落矸石挤压而形成的半拱结构。MHTM23）岩梁结构存在条件：煤层上存在大厚度坚硬岩层且直接顶厚度较小、顶煤较薄时。综放采场矿压显现规律放顶煤开采时，由于煤层一次采出厚度的增大，直接顶的垮落高度成倍增加，可达煤层采出厚度的2.0～2.5倍，其中1.0～1.2倍范围内的直接顶为不规则垮落带，而在上位直接顶中则可形成某种临时性“小结构”，其活动可