1采矿新技术解析

第一讲：采矿新技术黄庆享教授，博士生导师能源学院副院长陕西省经贸委专家组成员陕西省岩石力学学会理事陕西省煤炭学会理事西安科技大学个人简历•1983年毕业于西安矿业学院采矿系，采矿本科；•1990年获得采矿硕士学位，导师吴绍倩教授；•1998年在中国矿业大学，获博士学位，导师钱鸣高院士；•1998年任采矿系（现能源学院）副主任；•2000年主持国家自然科学基金项目；•2001年破格晋升教授；•2002年任博士生导师；•2003年获得教育部自然科学一等奖；•2004年获四川省科技进步二等奖；•2005年入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”（全国千人）•现任：陕西省岩石力学与工程学会理事；陕西省煤炭学会理事；陕西省经贸委矿山开采专家组成员。电话：[phone]，[e-mail]取得的成果•1991年“急倾斜特厚煤层放顶煤开采合理顶煤厚度确定”，乌鲁木齐矿务局特等奖，新疆自治区三等奖；•1996年“大柳塔首采面潜水下浅埋煤层开采模拟研究”，陕西省教委二等奖；•1999年“神府矿区浅埋煤层顶板结构与岩层控制研究”，陕西省教委二等奖，•2001年“浅埋煤层顶板结构理论”陕西省科技进步三等奖；•2002年陕西省煤炭系统1996-2001优秀科技工作者；•2003年“秦岭商南隧道TZL预应力锚杆支护研究”，陕西省科技进步三等奖；•2003年“岩层控制的关键层理论”教育部自然科学一等奖。•2004年“破碎带高冒区大巷锚网复修支护技术研究”，四川省科技进步二等奖；•2005年教育部“新世纪优秀人才支持计划”（全国千人计划）近期承担的主要课题•国家自然科学基金项目：04年“浅埋煤层顶板厚沙土层载荷传递研究”•06年“浅埋煤层地表隔水层的采动隔水性研究”•教育部新世纪人才支持计划----“浅部煤层的保水开采关键技术研究”，50万元•教育部重点项目“浅埋煤层开采地表水土流失规律研究”•国家留学基金项目“采矿环境工程”•四川省监狱管理局重点“大倾角煤层沿空留巷锚网支护”•攀枝花煤业集团重点“一级构造破碎带运输大巷锚网支护”•“急倾斜煤层回采巷道沿空留巷锚网支护研究”•澄合局（国债）“王村矿三软煤层轻型放顶煤改革研究”•澄合局项目“三软煤层锚网支护研究”•新疆哈煤集团“40m巨厚硬煤综放开采顶煤回收技术研究”•兖矿集团重点项目“陕北榆林榆树湾矿（1000万t）开采水土流失规律研究”•甘肃靖远大水头煤矿“破碎带运输大巷支护研究”•“铁路下放顶煤开采研究”•宁夏煤业集团石炭井一矿“三软高冒围岩回采巷道锚（索）网支护”序言•采煤方法及工艺是煤矿生产及采矿学科发展的主题和中心，是实现高产高效的核心。•运用现代高新技术改造传统生产技术，提高工作面单产，实现高度集中化生产，将带动煤矿开采及生产系统各环节的变革，使煤矿生产向高产、高效、高安全和高可靠性方向发展。•提高采矿技术含量，依靠科技，实现高效生产，是现代矿业的发展方向。一、无人工作面采煤技术•无人作面采煤：指工人不出现在采煤工作面内，在面外完成采、装、运、支等工序。•特点：工人摆脱危险工作地点，劳动生产效率高，可用于薄煤层等难采煤层的开采。•分类：1）有支护；无支护2）化学方法：地下液化，气化；物理方法：水力，刨煤机，煤锯，钻机采煤•目前主要应用于难采煤层，急倾斜薄煤层等。煤直接液化、气化正在研究中。1.1煤锯无人工作面开采1.1.1煤锯采煤1910年在德国出现。50年代在四川鱼田堡煤矿、京西大台煤矿、广东曲仁等矿区应用。•适用条件：0.3-5.0m围岩稳定的倾斜和急倾斜煤层。•钢丝绳煤锯采煤法：走向壁式和倾斜壁式采煤法。阶段斜长40-130m，也可沿走向划分条带。•工艺：煤锯一般是由双向割煤的碎煤刀组成，煤锯与牵引钢丝绳相连接，钢丝绳通过两个出口饶过导向滑轮、与位于巷道中的绞车相连接。绞车带动牵引钢丝绳，使锯绳压紧煤壁，做往复切割运动，拉出槽沟，煤壁在矿山压力的作用下，自行垮落破碎，然后靠煤炭自溜运出工作面，再由巷道中的输送机将煤运出。•煤锯采煤工人只是在巷道中开动绞车和移动导向滑轮，大大减轻了工人的劳动强度。1.1煤锯无人工作面开采1.1.2走向长壁煤锯无人工作面开采•江西乐平局涌山矿1978年采安源组一槽煤，•煤层厚度1.8—2.4m，结构复杂，煤质中硬，煤层倾角平均52°，矿井为高瓦斯矿井。•采区为双翼，走向长700m，垂高120m，分三个区段，区段垂高40m。工作面长35m，每隔25m开新切眼。道布置如图1-1所示。1.1煤锯无人工作面开采1.1.2走向长壁煤锯无人工作面开采•钢丝绳煤锯回采工作面布置1-区段运输平巷；2-下辅巷；3-区段回风平巷；4-上辅巷；5-开切眼；6-牵引绳；7-煤锯；8-碎煤刀；9-导向滑轮；10-绞车；11绞车固定；12-终孔位置1.1煤锯无人工作面开采1.1.2走向长壁煤锯无人工作面开采急倾斜煤层工作面支护：气垛支架，气囊压力0.3-0.5MPa，支撑力可达200KPa以上。优点：支护力强，拆装方便。缺点：卸载慢，2分钟，密封问题。适合：急倾斜薄煤层工作面支护。1-橡胶囊；2-橡胶联结带3-滑架；5-进气阀；8-托架1.1煤锯无人工作面开采1.1.3倾斜长壁煤锯无人工作面开采•按照运煤分类：1）储煤法：采空区储煤，控制顶板，采完后按计划放出；2）放煤法：回采时，煤炭通过采空区直接放出，工作面无支护；3）运煤法：工作面安装运输装置运煤。•1962年在前苏联库兹巴斯开展的储煤法，分段高度22-26m，条带宽10m，条带间煤柱宽3.5m。采空区顶板冒落堵塞运输是条带法的一大难题。1.2螺旋钻机无人工作面开采1.2.1螺旋钻机的种类及特点•煤旋钻机常用于开采0.45~1.5m的缓倾斜煤层，钻头直径比煤厚小50mm，一般为0.4~1.4m，每节螺旋钻杆的长度一般为1.2~1.9m。启动功率30-200kW。•按照切削方式：正面钻进；侧面钻进（井下多采用)•1979年美国研制奥盖尔—马依涅尔单轴螺旋钻机开采0.9m煤层，单向钻进长度25m。•乌克兰B3M三轴钻机，单机产量1t/min，四人作业。美国奥盖尔—马依涅尔单轴螺旋钻机单轴螺旋钻机在平巷的布置1.2螺旋钻机无人工作面开采1.2.2螺旋钻机的开采方案•单向钻进，双向钻进。•钻孔间煤柱150mm-180mm。•煤层厚度，0.6-0.9m。•为了降低煤损，目前推行扩钻孔采煤：同心扩孔，沿煤层厚度扩孔沿煤层厚度扩孔1.2螺旋钻机无人工作面开采1.2.3采区准备•单机采煤系统月推进40-60m，双机120m以上。•准备方式可采用传统的房柱式系统（美国），德国采用条带和盘区系统。•条带斜巷的间距离为孔深的2倍，50-60m。•近水平煤层可采用盘区式布置，盘区一翼走向长800m-1000m，倾斜长650-900m。沿煤层厚度扩孔1.2螺旋钻机无人工作面开采1.2.4螺旋钻机采煤的条件及评价•适用于倾角15°以下，煤层厚度0.5~1.5m的煤层。同时要求煤层不硬，无自燃发火，无突出，无冲击。•螺旋钻机采煤方法对围岩不稳定的薄煤层开采是有效的方法。•螺旋钻机采煤法采区倾斜多为300-600m，沿走向可达1500m-2000m。螺旋钻机的单产为3万t/a。•前苏联曾有80个矿井、124个煤层使用了180套螺旋钻机，每年采煤540万t。•螺旋钻机采煤法为薄煤层机械化开采开辟了有效途径。1.3刨煤机无人工作面开采1.3.1刮刨机刀柱式无人工作面•1971年前苏联，近水平薄煤层；•工作面长100-120m，开采13-20m，留3-5m隔离煤柱。•日产150t，12t/工。•开切眼量达，产率低。1.3刨煤机无人工作面开采1.3.2刮刨机综合机组无人工作面•前苏联顿兹涅克煤科院研制；•链牵引刮刨机+气垛支架，自移设备；•工作面长度40m，走向长600m；•刮刨机长2.2m，宽0.9m，高0.5m。•日产200t，开切眼量达，产率低。1.3刨煤机无人工作面开采1.3.3刨煤机液压支架综合机械化无人工作面•2001年在我国铁法小青山试验成功。德国DBT公司合作。•工作面走向长900m，倾斜长150-195m，煤层厚度1-1.6m，倾角近水平。•刮刨机长2.5m，宽0.8m；液压支架ZY6400-0.9/2.0。•日产3400t，年产150万t，块煤率达到85%，安全和经济效益明显。1.4综合机械化无人工作面开采1.4.1缓倾斜薄煤层短壁综合机械化无人工作面开采•苏联，0.6m煤层，日产615t，20t/工，回采率80%•美国，0.9m-1.2m煤层，房柱式开采，煤房3m，煤柱1m，500-700t/日，100t/工1.4.2倾斜煤层短壁综合机械化无人工作面开采•开采厚度0.5-0.9m，倾角35°以下。•日产450t，15t/工。1.4.3急倾斜煤层短壁综合机械化无人工作面开采•开采厚度0.45-0.9m，或0.6-1.2m；•围岩中等稳定；•设计日产580-600t•工作面长120m，一次自下而上采宽1.2m，再自上而下扩到3.6-4.2m。2.1高产高效矿井的特点1.矿井大型化•产量大，日产1-3万吨；•效率高，矿井全员效率40-60吨/工；•井型大，1000-2000万吨。2.开拓布置单一化•一矿，一井，一面•系统简单，工作面、头数少；•机械化程度高3.生产集中化•工作面长度200m以上；•走向长度6000-7000m•巷道大断面，多巷平行布置。2高产高效综采一次采全高技术2.1高产高效矿井的特点4.设备配套化•国产配套设备，7000t/日；•进口设备7000-10000吨以上；•高产高效设备国产化。5.工作面搬迁快速化•5-7天6.巷道掘进综合化•掘进速度50m/d以上；•综合机械化掘进，掘进支护一条龙。7通风系统简单化•系统简单，供风量大2高产高效综采一次采全高技术2.2高产高效综采工作面参数1.工作面平巷布置•平巷数目：单巷，双巷，多巷（）。•多巷有利于通风、安全和机械化快速掘进2.工作面走向尺寸•800-1200m，进一步加大3.工作面长度•美国200-300m•中国150-250•向250-300m靠近4.采高和截深采高3-5m，截深0.6-0.8m应当根据煤层条件确定2高产高效综采一次采全高技术1-掘进‘安装费；2-维护费2.2高产高效综采工作面参数5.工作面能力•300万吨以上6.液压支架能力•设计初撑力为额定工作阻力的70-80%，3000-4000KN7.工作面搬迁•7-14天2.3高产高效设备配套掘进、开采、支护、运输；掘进速度仍然是问题。2高产高效综采一次采全高技术•我国已经探明的煤炭储量中厚煤层的煤炭储量占44.1%；•现有生产矿井中特厚煤层探明储量达46亿t．分布于全国15个省、46个矿务局，年开采量约占总产量的40％左右。•80年代初，我国学习研究了国外厚煤层开采经验，开始引入了放顶煤开采技术；将缓倾斜厚煤层分层开采改变为一次采全高的整层开采。目前，放顶煤开采已经成为我国厚煤层开采的一种主要方法。3放顶煤开采技术3.1国内外应用概况•国外应用情况：•20世纪初，在法国布朗齐，西班牙、南斯拉夫等首先在急倾斜特厚煤层中应用放顶煤方法，实际上是高落式采煤方法的变种。•此后，在金属矿普遍采用小阶段崩落采矿法；•50年代末60年代初，原苏联、南斯拉夫、匈牙利、捷克、美国等相继引用这种厚煤层采煤方法。•法国1963年研制了专门的香蕉尾型四柱自移式放顶煤液压支架，1964年在布朗齐矿试采成功。•由于资源条件和环境保护等因素，放顶煤技术在国外并没有得到进一步的发展。3放顶煤开采技术3.1国内外应用概况•国内应用情况：•1984年4月，我国第一套放顶煤设备在沈阳局蒲河矿试验未果，1986年在甘肃窑街急倾斜水平分段放顶煤取得成功，采放高10m。•1988年新疆乌鲁木齐局引进法国正面截割采煤机，实施放顶煤开采，出现架前窜矸和咬架现象。1999年与西安矿业学院（黄庆享，石平五）合作在国内首次成功地将放高提高到20m，解决了架前冒顶和支架歪斜等问题，极大促进了产量和效益。•1984-