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第七节采煤工作面基本知识 一、采煤工作面顶、底板和围岩性质 （一）缓倾斜煤层采煤工作面顶板的分类与分级 为了便于选择缓倾斜煤层采煤工作面的顶板控制方法与支护方式，将缓倾斜煤层采煤工作面的直接顶稳定性进行分类，简称直接顶分类。将基本顶压力显现进行分级，简称基本顶分级。这种分类与分级方法，对倾斜煤层采煤工作面也可参考使用。具体分类与分级方法如下 1直接顶分类。采煤工作面直接顶类别是按其在开采过程中，表现的稳定程度进行划分。顶板共分为四类一类不稳定、二类中等稳定、三类稳定及四类非常稳定。 2基本顶分级。根据基本顶压力显现强烈程度，将基本顶进行分级，共分为四级。其中，IV级又分为两个亚级。级别名称、代号和分级指标见表2-1。 表2-1基本顶分级指标kN/m2 级别代号 I级 II级 III级 IV级 IVa IVb 名称 不明显 明显 强烈 非常强烈 分级指标 Pe（平均）≤895 895P（平均）≤975 975Pe（平均）≤1075 10751145 （二）缓倾斜煤层采煤工作面底板的分类 为了合理选择采煤工作面支柱的底面积，达到不扎底而有效支护顶板的目的，将缓倾斜煤层采煤工作面的底板，按其允许底板载荷强度由小到大分为极软、松软、较软、中硬及坚硬5个类别。 （三）采煤工作面围岩的物理与力学性质及指标 采煤工作面围岩（即顶、底板）的物理性质是指岩石做为物体的基本特征，如岩石的密度、孔隙度等。而岩石的力学性质是指岩石在外力作用下，发生变形以致破坏的特征，如岩石的抗压强度、抗拉强度、抗剪强度、抗弯强度及内摩擦角等。 （四）岩石坚固程度和普氏系数 岩石坚固程度是指岩石破碎难易程度。在鉴别岩石坚固程度时，用一种指定的岩石做试验，使被试验的岩石表面发生变形，而得出该岩石抗压程度的大小，用来表示其单向抗压强度，即为该岩石的坚固程度。 区分岩石坚固程度所用的系数叫普氏系数，全称“普罗托季亚科诺夫系数”。普氏系数的符号为“f”,f值用下式计算 fR/10 式中R-岩石被压坏时的极限单向抗压强度，MPa。 例如，测得某种岩石的极限单向抗压强度R80MPa,则其普氏系数f80/108。 按这种方法将岩石的坚固程度分为10级。这种分级方法，虽然不能全面反映出岩石的性质，但由于确定普氏系数f值比较简单，在一定程度上能反映出岩石破碎难易的客观规律，而且分级表示的形式也比较明确。 二、采煤方法与采煤工艺 （一）采煤方法概念 由于煤层赋存条件和开采技术条件的不同，所选用的采煤方法也不同。合理的采煤方法应最大限度地满足安全、产量大、效率高、成本低和工作面回采率高等基本要求。任何一种采煤方法都包括采煤系统和采煤工艺两项主要内容。要正确理解“采煤方法”的含义，必须首先了解下列基本概念。 1采场。用来直接大量采出煤炭的场所，称为采场。 2采煤工作面。在采场内进行回采的煤壁，称为采煤工作面，也称回采工作面。实际工作中，采煤工作面与采场是同义语。 3回采工作。在采场内，为采出煤炭所进行的一系列工作称为回采工作。 （二）采煤系统 回采巷道掘进一般是超前于回采工作面进行的，它们之间在时间上的配合以及在空间上的相互位置关系，称为回采巷道布置系统，即采煤系统。 （三）采煤方法 采煤系统与采煤工艺相配合，即构成采煤方法。根据不同的矿山地质及技术条件，有不同的采煤系统与采煤工艺相配合，从而构成多种多样的采煤方法。 1.采煤方法分类 采煤方法虽然种类较多，但归纳起来，基本上可以分为壁式和柱式两大体系。 1壁式采煤法。根据煤层厚度不同，采用不同的壁式采煤法。对于薄及中厚煤层，一般采用一次采全厚的单一长壁采煤法；对于厚煤层，一般是将其分成若干中等厚度的分层来开采，即分层长壁式采煤法。按照回采工作面的推进方向与煤层走向的关系，又可分为走向长壁采煤法（工作面沿倾斜布置，沿走向推进）和倾斜长壁采煤法（工作面沿走向布置，沿倾斜推进）两种类型。其中，倾斜长壁采煤法又分为仰采和俯采两种。 2柱式采煤法。柱式采煤法分为房式和房柱式。房式及房柱式采煤法的实质是在煤层内开掘一些煤房，煤房与煤房之间以联络巷相通。回采在煤房中进行，煤柱可留下不采，或在煤房采完后，再回采煤柱，前者称为房式采煤法，后者称为房柱式采煤法，这两种采煤法在我国应用很少。 3壁式采煤法与柱式采煤法的比较。壁式采煤法较柱式采煤法煤炭损失小、回采连续性强、单产高、掘进率低、采煤系统简单、安全性好。但采煤工艺装备比较复杂，要求较高的组织管理水平。在我国地质条件和开采条件好的矿区，主要适宜采用壁式采煤法。 2.走向长壁采煤法采区巷道布置 走向长壁采煤法的采区巷道布置方式有双翼采区和单翼采区两种布置方式。为了形成采煤系统，必须在已有开拓巷道的基础上，再开掘一系列准备巷道（为全采区服务）和回采巷道（为采煤工作面服务），建立完整的采煤、运煤、运料、通风、排水、动力供应以及人员通行的巷道系统，这就称为采区巷道布置。采区巷道布置方式又称准备方式。 1双翼采区巷道布置方式 1巷道系统。单一煤层走向长壁采煤法主要用于缓倾斜、倾斜（薄及中厚）煤层或缓斜3.55m厚煤层，其采煤系统比较简单，图2-60所示为单一煤层走向长壁采煤法双翼采区巷道布置。 1-采区运输石门；2-采区回风石门；3-采区下部车场；4-轨道上山；5-运输上山；6-上部车场；7、7-中部车场；8、8、10-区段回风平巷；9、9-区段运输平巷；11-采区煤仓；12-采区变电所；13-绞车房 图2-60单一走向长壁采煤法双翼采区巷道布置 在采区石门接近煤层处，开掘下部车场。由下部车场沿煤层开掘轨道上山和运输上山，两条上山相距2025m,上部车场与采区回风石门连通。从中部车场，开掘一区段的运输平巷，当回风平巷和运输平巷掘到采区边界后，就可开掘开切眼进行回采。 2生产系统。采区生产系统包括运煤系统、运料排矸系统、通风系统、供电系统、供水防尘系统和压风系统等，这里主要介绍运煤系统、运料排矸系统和通风系统。 3运煤系统回采工作面采出的煤炭-区段运输平巷9-输送机上山5-采区煤仓11-采区运输石门1-水平运输大巷-中央煤仓-主井-地面。 4运料系统运料采用矿车运输；材料或设备-采区下部车场3-轨道上山4-上部车场6-区段回风平巷10-工作面。 5通风系统新鲜风流从采区运输石门1-下部车场3-轨道上山4-中部车场7分两翼经区段运输平巷9-工作面。乏风经区段回风平巷10-上部车场6-采区回风石门2-排出采区进入总回风巷。 3区段平巷布置方式。双巷道布置方式现在使用比较少，主要是因为保护巷道受采动影响，需要留较大的煤柱，资源浪费比较大。现在都采用单巷道布置。单巷道布置有以下两种方式 ①沿空送巷。沿空送巷就是区段平巷采用单巷布置，随回采随报废，待上区段回采完毕，顶板活动稳定后，再紧靠上区段采空区边缘掘下区段的回风平巷。 ②沿空护巷。沿空护巷就是区段平巷采用单巷布置，随回采工作面推进，在紧靠平巷上帮处砌46m矸石带加强平巷的支护，以保留上区段的运输平巷作为下区段回采时的回风平巷。 单巷布置方式可以减少煤炭损失，节约掘进费用，缓和采掘衔接的关系。但对于采高较大的采区，巷道的维护和维修较为困难。 2单翼采区巷道布置方式 采区内巷道布置及生产系统基本上相当于双翼采区布置的一翼，在这里就不再详细介绍。 （四）采煤工艺 1.采煤工艺及种类 当采区巷道工程、设备安装工程完成，第一个工作面回采巷道掘进，工作面相关设备安装完成后，就具备了生产条件，工作面即可进行回采。回采的基本工序有破煤、装煤、运煤、支护和采空区处理。辅助工序有移输送机、设备维修、材料运输等。采煤工作面各工序所用的方法、设备及其在时间、空间上的相互配合，称为采煤工艺，又称回采工艺。在一定时间内、按照一定的顺序完成回采工作各项工序的过程，称为采煤工艺过程。不同的采煤方法有不同的回采工艺。 目前我国长壁采煤工作面采煤工艺方式有爆破采煤、高档普通机械化采煤、综合机械化采煤3种。在长壁工作面用爆破方法破煤、人工装煤、输送机运煤和单体支柱支护的采煤工艺称为爆破采煤工艺，简称炮采；用机械方法破煤和装煤、输送机运煤和单体液压支柱支护的采煤工艺称高档普通机械化采煤丁艺，简称高档普采；在长壁工作面用机械方法破煤和装煤、输送机运煤和液压支架支护的采煤工艺叫综合机械化采煤工艺，简称综采，其主要特点是使用了全封闭顶板的自移式液压支架，安全性、自动化程度更高，如图2-61所示为自移式液压支架支护顺序。 图2-61自移式液压支架支护顺序 自20世纪90年代开始，我国逐步推广综采放顶煤开采工艺，它也是一种综合机械化采煤工艺，只不过是在支架后方多了一个放煤口和一台输送机，并且多了放顶煤这道工序，综采放顶煤示意图如图2-62所示。 1-煤层；2-直接顶；3-冒落顶煤；4-采空区矸石；5-随顶煤落下的矸石 图2-62综采放顶煤示意图 目前国内少数煤矿仍采用水力采煤工艺，如在山东省枣庄矿区八一矿、江苏大屯矿区孔庄矿等。水力采煤工艺是水力采煤各生产环节有机组合的总称，主要是在矿井地质条件复杂，用其他采煤工艺较难开采的短壁工作面使用。水力采煤法采用水射流进行落煤、运煤，工作面支护简单，而且人员无需进入工作面，从而发展了柱式采煤法的优点，我国水采矿井采用的采煤方法主要是无支护的走向短壁和倾斜短壁水力采煤法两种，水采工作面巷道布置如图2-63所示。 图2-63水采工作面巷道布置图 2.采煤工序 在采煤工作面进行煤炭生产的采煤工艺由5个主要工序组成。 1破煤。将煤炭从工作面煤壁上采落下来的工序。 2装煤。把采落下来的煤炭装入工作面刮板输送机或溜槽内的工序。 3运煤。把装入到刮板输送机或溜槽里的煤炭运出工作面的工序。 4支护。将破煤后工作面空间用支护材料或设备进行支与护的工序。 5采空区处理。在垮落法控制顶板的工作面，采空区处理是回柱与放顶工序，综采机械化采煤工作面移液压支架就是采空区处理；在全部充填法控制顶板的工作面，采空区处理是回柱与充填的工序。 3.普采、高档普采工艺的技术装备及其发展过程 普采、高档普采工艺的技术装备主要是用滚筒采煤机破煤与装煤，可弯曲整体移设的刮板输送机及带式输送机运煤，单体支柱与金属铰接顶梁支护顶板。 我国普采工艺始于20世纪60年代初期，主要采用单滚筒采煤机破煤与装煤，用中型可弯曲刮板输送机运煤，使用可缩性的摩擦式金属支柱与金属铰接顶梁支撑顶板。虽然还有用人工打切口、扫机道浮煤、支护与回柱放顶等工序，但与炮采工艺相比在采煤技术上有很大的进步，实现了破煤与装煤两大工序的机械化，减轻了工人的笨重体力劳动，工作面的单产和工效均比炮采提高50％以上。由于摩擦式金属支柱的支护强度低，安全可靠性较差，在2008年，国家明令淘汰可缩性摩擦式金属支柱。普采工艺经过40多年的使用，终于完成了它的历史使命。 到20世纪70年代中期，由于大功率双滚筒采煤机、重型可弯曲刮板输送机以及性能可靠的单体液压支柱的相继出现，采煤机械化技术装备水平有了进一步提高。这种采用大功率双滚筒采煤机破煤和装煤、重型可弯曲刮板输送机运煤、性能可靠的单体液压支柱配金属铰接顶梁支护顶板的采煤工艺，被称作高档普采工艺，主要在中、小型矿井和复杂地质条件矿井中使用。虽然支护与回柱仍然是人工操作，但开切口与清扫机道浮煤两个工序实现了机械化作业，从而进一步减轻了工人的体力劳动，提高了生产水平，改善了安全生产条件。 4.综合机械化采煤工艺的技术装备与特点 综合机械化采煤工艺简称综采，综采工艺采用大功率双滚筒采煤机、重型刮板输送机、自移式液压支架、移动变电站、带式输送机、转载机等设备。基本实现了采煤工作面机械化作业，用人减少，工人的劳动强度大大减轻，生产效率也成倍提高，真正实现了高产高效。综采工作面设备布置如图2-64所示。 1-采煤机；2-输送机；3-液压支架；4-排头支架；5-墙头支架；6-巷道支架；7-转载机；8-推移装置；9-带式输送机；10-控制台；；11-移动变电站；12-泵站；13-移动装置 图2-64综采工作面设备布置 综采工艺的破煤、装煤、运煤3个工序基本与高档普采一样，都是由采煤机与刮板输送来完成，只是设备的功率大、强度高，其能力高达1000t/h以上。综采最大的特点是采用自移式液压支架支护工作面的顶板，解决了支护与回柱放顶的人工操作问题，实现了支护与采空区处理的全部机械化作业，从而顶板事故大量减少，工作面年产可高达500万t以上。 综采工艺具有高产、高效、安全及生产集中等优点，但初期投资大，有时装备一个工作面设备要上亿元，而且要求煤层要有较好的赋存条件，它是现代化矿井的发展方向。 厚煤层用综采设备进行整层开采，煤层底部按综采方式采出，上部顶煤由液压支架放煤口放出的采煤工艺称作综采放顶煤，简称综放。综采放顶煤工艺是综合机械化采煤的一种，适用于5m以上厚煤层，具有高产高效的特点，当煤厚在612m时，放顶煤效果最佳，资源回收率最高，但总体来说，综采工艺比综放工艺回收率要高。在选择工作面回采工艺时，应结合矿山地质条件、采矿设备状况、技术条件、技术管理水平和煤炭生产系统等统一考虑。 总之，采煤工艺的选择应遵守尽可能采用机械化程度较高的采煤工艺的原则，以满足工作安全、劳动强度低，减少煤炭资源损失，减少材料消耗、降低开采成本，用人少、安全可靠性高、管理方便等要求。 5.水力采煤的生产系统 利用高压水射流直接破落煤体，并用水力完成装煤、运煤或提升的回采工艺叫水力采煤。如图2-65所示为完整的水力采煤矿井生产系统。 1-高压水泵；2-高压水管；3、4-采煤和掘进水枪；5-溜槽；6-振动筛；7-块煤仓；8-破碎机；9-煤水仓；10-给煤机；11-煤水泵；12-煤水管；13-选煤厂；14-煤仓；15-矿车；16-煤泥；17-沉淀池；18-水沟；19-补给水；20-清水池 图2-65水力采煤矿井生产系统 我国水采矿井采用的采煤方法是无支护走向或倾斜短壁水力采煤法。其优点是工艺简单、效率较高、工作面生产成本低。其缺点是通风与瓦斯管理困难，水力运输和提升成本较高。它适于倾角8以上、煤厚大于1.5m、煤质较软而顶板较稳定的煤层，特别适合断层较多，难以采用其他开采工艺的煤层，或采用其他工艺开采不经济的煤层。