放顶煤开采技术201810

一、采煤新技术和新工艺（一）放顶煤开采新技术§1.概述1)厚煤层储量丰富占44％2)厚煤层的开采方法•分层开采：采高2.5m•大采高综采（一次采全高）：采高4~6m•放顶煤开采：8~10mZY4800-26/50型掩护式液压支架支架型号ZY4800/26/50，支架工作阻力4800KN，支架高度2600-5000mm，支护强度0.78-0.8Mpa，底板比压1.7-2.2Mpa，推溜力360KN，拉架力633KN简短说明：大采高掩护式支架，铰接前梁带二级护帮机构，能及时支护防止片帮；整体底座设置有调架机构，带防倒防滑装置。支撑掩护式液压支架支架型号ZZ5200/22/42，支架工作阻力5200KN，支架高度2200-4200mm，支护强度0.82Mpa，底板比压1.58Mpa，推溜力223KN拉架力410KN简短说明：双伸缩立柱，双活动侧护板；铰接顶梁带护帮板，能及时支护；整体底座正装推移，前端有抬底装置。•神东煤炭分公司是中国神华能源股份有限公司的骨干煤炭生产企业，负责中国神华能源股份有限公司在内蒙古南部、陕西省北部交界地带神府东胜矿区，以及山西省保德煤矿的开发建设。公司已取得矿权开发总面积661平方公里，总地质储量89.9亿吨。•截止2007年，共完成投资288亿元，建成特大型现代化高产高效煤矿10个（11个矿井），以及洗选加工、外运装车、设备维修等配套设施，形成千万吨矿井群的生产格局，建成国内第一个亿吨级现代化大型煤炭生产基地。•中国神华在煤炭储量方面的“天赋”异常优越，不仅煤层埋藏浅、倾角小，而且煤层厚、地表状况稳定、地质构造简单，同时大多数煤层瓦斯含量低。这些都是大规模、机械化开采的先决条件。正基于此，中国神华得以在短时间内建成无数高产、高效的煤矿，并在一开始就购买了全世界最先进的机械，在宽240~300米、长3000~6000米的巨大平面上进行大规模机械化采煤作业。•2007年中国神华原煤生产百万吨死亡率为0.006，大幅低于中国全国煤矿1.485和国有重点煤矿0.383的平均水平。所属１４个分子公司有１１个连续３年杜绝了责任死亡事故；17处生产煤矿有16处全年实现了零死亡，其中有10处煤矿连续安全生产1000天以上。2007年，中国神华所属17处煤矿中有10个被评为全国安全高效矿井，其中６处被评为特级安全高效矿井。•大柳塔煤矿是神东矿区建成的第一个特大型现代化高产高效煤矿，由大柳塔井及活鸡兔井组成，原为两个独立的矿井：•大柳塔井始建于1987年10月，原设计年生产能力600万吨；活鸡兔井于1994年10月开工建设，设计年生产能力500万吨。•2002年为了便于集中管理，两矿合并为一矿，设立一套矿井生产管理机构。•大柳塔矿建成了目前的“一矿两井500人2000万吨”的新型集约化高产高效生产模式。在全国第一个全套引进国际先进水平的技术和装备，形成了“矿井大型化、生产集中化、采掘机械化、掘支运系统化、井巷支护锚杆化、机电一体化、主运输系统皮带化、辅助运输无轨胶轮化、安全生产监测自动化、办公现代化”的新型工业化示范性矿井。•1997年至2007年，该矿连续11年被国家煤炭工业部、煤炭工业局和煤炭工业协会评为“全国特级高产高效矿井”。•兖州煤业股份有限公司是我国华东地区最大的煤炭生产、出口基地，熟练掌握世界领先水平的自主创新核心技术“综采放顶煤”采煤方法。•2006年底，兖州煤业拥有完全自主知识产权的先进采煤技术“长壁采煤法综采工艺”等发明专利，获得2项南非专利和1项澳大利亚专利，使得兖州煤业在煤炭开采技术上累计获得国外发明专利6项。•2005年，兖州煤业把自己的专利技术“两柱掩护式低位放顶煤液压支架”以“非独家、不可转让”的方式转让给世界500强企业DBT公司，获利近2000万人民币，实现了我国采煤技术对外输出的零突破。兖州煤业煤矿单产水平曾经连续13年保持行业第一，煤炭回采率超国家标准6个百分点，并拥有创造世界立井开采水平吉尼斯记录的煤矿。放顶煤开采具有高产高效的技术优势•高产高效：采放平行作业，增加1个出煤系统，增产80~100%•巷道掘进率低：•工作面搬家次数少：•减少材料消耗与吨煤工资支出：电力、截齿、油脂消耗少•对地质条件、煤层赋存条件适应性强：沿煤层底板布置工作面•急倾斜特厚煤层可实现综合机械化开采，实行分段放顶煤国内外放顶煤开采历史与发展•国外：18世纪初法国最先使用此法20世纪初欧洲在急倾斜煤层中应用（sublevelcaving)50年代末60年代初在长壁工作面中使用（longwalltop-coalcaving）80年代末以后在欧洲使用应用逐年减少国内：60年代开始简易放顶煤（单体支柱）82年开始滑移支架放顶煤，并研制综放支架84年首个综放开采工作面在沈阳浦河矿进行试验86年综放开采技术在我国取得基本成功•国内发展过程分三个阶段探索阶段（1984～1990）逐渐成熟阶段（1990～1995）技术成熟和推广阶段（1996～）当前放顶煤开采技术的发展方向及主要问题•进一步提高工作面回采率：采出率小于75%，达不到国家规定标准。•配套设备系列化：端头支架改进•瓦斯灾害的防治问题：高瓦斯煤层进行抽放•自然发火灾害的防治问题：初采、末采期间和两巷火灾预防。•工作面粉尘的防治问题：特别是放煤期间煤尘飞扬。•沿底布置全煤回采巷道的支护技术：锚网和锚索支护•综合技术理论的研究§2顶煤的冒放性一顶煤冒放性的影响因素1煤的强度（与Rc、C、φ）：用f表示2夹矸夹矸临界厚度：2cos1sincRc10RcfMpat31200rhRr200Rrht2矸矸煤煤＋＋9夹矸层抗压强度：k：砂岩0.7，页岩：0.453煤层节理裂隙节理裂隙发育好：冒落块度小,可放性好节理裂隙发育差：冒落块度大,可放性差4煤层赋存深度：利用矿压破煤时，临界深度H：k:应力集中系数f:内摩擦系数,取0.7:侧压系数:泊松比110tcRkR22111cHRffrKff1(28.22~95.79)cHR有限元计算曲线表明H100m冒放性极差,H400m冒放性好5煤层顶板条件随采随冒直接顶最低厚度M:采放高度,mKp:岩石碎涨系数6放采高度比顶煤冒落充分必要条件:则:h:放煤口距底板高度Ks:煤的松散系数minpMhkfgmkmfgMmmsfMhkm(1)ggsmhkmk7其他影响因素•工作面推进速度：•顶煤的湿度N=959x-11.95N为堵口发生次数,x为顶煤湿度,%二顶煤冒放性的分类1模糊聚类顶煤冒放性各影响因素权重排序及权值范围项目权重程序权值范围煤层硬度f10.25~0.38节理裂隙发育程度j20.15~0.36赋存深度H30.15~0.30比煤硬夹石层厚度h40.07~0.15采放高度比k50.07~0.14直接顶充填程度Kc60.04~0.06基本顶级别F70.02~0.04可放性好(1类):顶煤强度低(f1.0),能够自行垮落,垮落块度较小(300mm),无硬夹石,节理裂隙很发育,煤层深度大于300m,直接顶能够随采随冒,并对采空区充填较好.可放性较好(2类):顶煤强度中等(f=1~2.5)结构简单,含夹石,但夹石强度较小,层数较少,夹石层厚度较小,节理裂隙很发育,煤层厚度5m~12m,顶板能够随采随冒,采深200m,有时会出现大于500mm的大块.可放性一般(3类):顶煤强度中等(f3),节理裂隙中等发育,含夹石,但夹石强度较小,层数较少,夹石层厚度较小,冒落顶煤块度较大,放出流动性较差,为使顶煤顺利放出虽不需进行顶煤预破碎的辅助工作,但必须加强放顶煤支架的二次破碎功能,采深大于100m.可放性差(4类):顶煤强度较大(f3),节理裂隙不很发育,结构较简单,夹石层较硬,厚度大于0.4m；直接顶较薄,需采取顶煤预破碎等措施方能顺利放出.难放(5类):顶煤强度大(f4),结构较复杂,夹石层坚硬,节理裂隙不发育；直接顶较薄且较坚硬,不能随采随冒,采深小于100m.2.有限元数值模拟分类(1)综放开采顶煤冒放性的主要影响因素的排序为:煤层硬度,赋存深度,节理裂隙发育程度,放采比,夹石厚度和直接顶充填程度.各自的权重系数分为:0.294,0.277,0.211,0.103,0.066,0.039.(2)根据有限元计算结果,各因素对顶煤冒放性的影响规律有下列诸式:285.240.78645.129;1.408;HcYRYe1.70170.323;jYe0.15360.3674ln;YB21;3.96232.1039Yh.45620.035Yok0.11740.0013880.011620.539560.056020.069830.0433cYHRjkhB根据计算所得的Y值就可以对照表找出相应的顶煤冒放性类型及估算的放出率.此处顶煤冒放性分为五类,分别为:很好,好,中等,差,极差.类别冒放程度Y值放出率/%放煤工艺特点1很好0.980选择有利于控制前冒顶的支架2好0.8~0.965~80选择合理低位放煤支架和放煤口尺寸3中等0.7~0.850~65除合理架型外,加大放煤口,选择合理放煤参数4差0.6~0.730~50采取专门的顶煤预处理措施5极差0.630不适宜放顶煤开采§3长壁放顶煤工作面矿压显现及顶煤顶板运移规律•工作面矿压特征1.支架的初撑力、工作阻力普遍不高,为给定载荷工作特性：低于顶分层综采开采时相应阻力，而且工作阻力与顶煤性质关系密切。2.支架前柱工作阻力普遍比后柱高：3.工作面顶板来压强度小于分层开采blsae二顶煤移动特征及主要影响因素1.顶煤运移规律曲线：负指数关系：blsae2.顶煤的层位对顶煤运移规律的影响•上位顶煤开始移动的位置距工作面较远•上位顶煤的位移量大于下位顶煤的位移量(总位移)3.煤层的厚度对顶煤运移规律的影响•厚度大的煤层位移超前厚度小的煤层•相同位置的顶煤位移量厚度大的较大4.顶煤的坚固性系数对顶煤运移规律的影响•顶煤坚固性系数大,顶煤位移始动点距工作面近•顶煤坚固性系数大,顶煤位移量减少•顶煤放出规律1.形状:主轴偏转的椭球体和放煤漏斗2.影响放出体的主要因素顶煤垮落角α2.影响放出体的主要因素•放煤口位置3.放煤高度•放顶煤支架工作阻力的确定1.利用煤岩组合特征估算法•拱-----拱组合结构•拱-----拱砌体梁组合结构21cot,cot,2tan2tan;BbMHBbMHPMH21qqPMhpltan()1;2()qLQpHSl–拱传递梁组合结构•台阶式悬臂------砌体梁组合结构•台阶式悬臂------悬梁组合结构2112PMhLHrl;MxqPPPP221211cot2MPMMl21(2)cot2xPhhMhl;MxPPPPl:支架通过顶煤,直接顶对基本顶破断时施加的力l:控顶距:悬梁自身单位长度重力L:周期来压步距:预处理的下位顶板厚度:岩体抗拉强度P21111()13()652()3cLHLqPqLLLLq12()cotLLMhhc2.动载系数法:动载系数:来压时支架时间加权平均工作阻力:支架时间加权平均工作阻力:安全系数,取1.23.实测统计法:实测统计平均差,400~600Kn/架,ctpkp1;tppkkkcptp1k2tpp4.放顶煤支架载荷特征•支架初撑力小：为额定值的51%•支架工作阻力小：为额定值的55.3%)•支架载荷平均相当于1.87倍采高覆岩的重量•支架前柱工作阻力大于后柱(1.16倍)•支架动载系数小(平均为1.29)•降阻运行特征占12.5%§4放顶煤支架的选型1.放顶煤支架的分类单输送机高位放煤掩护式双输送机低位放煤尾梁插板式双输送机掩护梁开天窗插腿式支架放顶煤液压支架支撑掩护式单输送机掩护梁开天窗非插腿式支架(高位放煤)双输送机尾梁摆动香蕉节式支架支撑式双输