坚硬煤层综合机械化放顶煤开采技术.pdf

文章编号1 0 0 3 5 9 2 3 2 0 0 5 0 1 0 0 0 9 0 3 特厚坚硬煤层综合机械化放顶煤开采技术 章永久 宁夏煤业集团公司，宁夏银川7 5 3 0 0 4 摘要系统地介绍了煤层特厚、坚硬、项板坚固、高瓦斯和浅埋深等条件下综合机械化放顶煤的关键技 术及其在白芨沟矿的应用实践。 关键词特厚煤层，坚硬，综放 中图分类号T D 8 2 3 ．4 9文献标识码B 综合机械化放顶煤开采技术作为厚煤层开采 的有效方法之一，近年来在我国得到了迅速发展， 取得显著的经济效益和技术效果[ 1 _ 3 ] 。宁夏煤业 集团公司白芨沟煤矿生产优质的“太西”无烟煤，其 主采2 8 煤层赋存稳定，平均厚度达2 01 T I ，煤质坚 硬，， 3 ．8 ～5 ．2 ，顶板为厚砂岩层。因此，其煤层 具有特厚、坚硬、顶板坚硬、高瓦斯和埋深浅等特 点，关于其综放开采工艺和技术尚无成熟的经验可 借鉴。本文结合白芨沟矿2 8 煤层综放开采的工程 实践，对特厚坚硬煤层综放开采技术作系统论述。 1 试验工作面概况 白芨沟2 3 2 1 叫位于汝箕沟向斜东翼白芨沟矿 南二轨道上山两侧，工作面为28 煤4 分层，其1 、 2 、3 分层已通过综采方式采出。所采的4 分层煤 层结构复杂，煤层厚度和夹矸厚度变化较大，工作 面煤层走向长度为9 5 0m ，平均厚度为8 ．0m ，工 作面倾斜长度为1 4 9m ，煤层倾角为4 ～1 5 。。工作 面顶板为金属网假顶，底板为灰黑色粉砂岩，水文 地质条件简单，无涌水和突水现象。矿井为高瓦斯 等级矿井，煤层自然发火期为1 2 个月。 2 综放工艺及技术 2 ．1 顶煤冒放性的评价 顶煤的冒放性主要取决于顶煤垮落后的块度 大小及分布，因此可用顶煤经二次破碎后的块度大 小和形状来评价顶煤的冒放性。在对顶煤冒放性 进行评价时，应基于顶煤的三要素破坏原理，即在 支承压力、顶板回转和支架反复支撑作用下顶煤最 终的破坏块度和形状，据此分别对自然破碎顶煤和 采取辅助破煤措施后顶煤的破碎效果进行综合评 判，决定是否采用放顶煤开采。 在评价综放开采顶煤的冒放性时，应综合考虑 煤层的自然条件和工程背景，因此，冒放性的评价 应基于以下三个层次 1 煤层的赋存条件，包括强度、埋深等； 2 支架的选型和参数，以及辅助破煤措施的 有效性； 3 降低煤层强度和增加顶煤受载等提高冒 放性措施的技术可行性和经济合理性。 根据以上三个层次的划分，针对白芨沟矿2 8 煤层的冒放性进行评价，结果是前两个层次不能达 到冒放性的要求，因此需要采取有效的软化煤体等 措施。 2 ．2 巷道布置形式和采煤工艺 2 ．2 ．1 巷道布置形式 2 3 2 1 _ 4 工作面上方已采用倾斜分层综采方法 开采3 个分层，该工作面范围内煤层结构复杂，在 运顺侧出现褶曲 断层的构造，为避免工作面范围 内顶煤的厚度变化过大，最终确定该范围内煤层采 放厚度为8 ．5 ～9 ．0m ，工作面底煤设计机采高度 为3 ．0m ，顶煤的实际高度为5 ．5 ～6 ．01 T l 。 考虑到工作面煤层坚硬和高瓦斯的特点，确定 在工作面范围内布置两条顶板专用巷，两条专用巷 均沿3 分层的网下布置，其中回顺侧的顶板巷主要 用于排放瓦斯，距回顺的水平距离约8m ；布置在 运顺侧的顶板巷主要用于顶煤注水及深孔预裂爆 破钻孔的施工，距运顺的水平距离约4 0m 。上述 收稿日期2 0 0 4 0 9 2 7 作者简介章永久 1 9 4 9 一 ，男，高级工程师，宁夏煤业集团公司副总裁，长期从事煤矿生产及安全方面的工作。 矿山压力与预板管理2 0 0 5 ．N Q l9 万方数据 两巷均为小断面布置，断面面积为4 ．0m 2 左右，并 且均采用木支护，工作面回采时原则上不回收。巷 道布置图见图1 。 开切眼 目‘瓦斯巷 ≤委 顶板工艺巷 一量fI 运输顺槽 A 槽 图1 综放工作面巷道布置 2 ．2 ．I 采煤工艺及参数设计 工作面机尾斜切进刀，自开切眼单向割煤，即 下行割煤，上行扫煤。采煤机割煤装煤，前部运输 机前移装运底煤，后部运输机装运放出的顶煤，前、 后两部运输机平行运煤集中到运输顺槽的桥式装 载机和胶带运输机上运出。 采用跟机拉架支护方式，由本架操作，带压擦 顶移架支护顶板。移架滞后采煤机后滚筒3 ～5 架 追机作业，顶板不完整处可紧跟前滚筒后，停机移 架或超前移架及时支护顶板，移架步距0 ．6m 。 由顶板压力、预爆破、支架反复支撑、尾梁上下 摆动等综合方式松裂顶煤，支架收回插板、下摆尾 梁放煤。本工作面放顶煤采用分段双轮顺序放煤 法，循环放煤步距为”两采一放”，步距为1 ．2m ， 每个支架顶煤以放净为原则。放煤工至少有两个， 一主一辅。在靠近机尾侧为主放煤，负责4 5 8 ～ 9 68 支架段的放煤；在靠近机头侧为辅助放煤，负 责38 ～4 48 支架段的放煤，机头、机尾各留3 个过 渡支架，原则上不放煤。 工作面按1 5 0 万t ／a 的生产能力进行设备配 套，选择M X G 5 7 5 型采煤机和S G Z 一7 3 0 ／4 0 0 型 刮板运输机。 2 ．3 支护设备的选型与设计 2 ．3 ．1 支架阻力的确定 基于采场上覆岩层符合结构以及松软顶煤改 变“支架一围岩”关系的观点，可确定出该条件下综 放支架的工作阻力为4 9 5 3k N ，若考虑支架的受载 不均匀性，则支架的阻力确定为5 5 0 0k N 。鉴于坚 硬顶煤的实际条件，支架的初撑力可适当降低，有 利于顶煤的早期下沉，但据大量实测结果，支架所 达到的工作阻力与初撑力呈线性关系增长，而支架 1 0 2 0 0 5 ．№1 矿山压力与项板管理 工作阻力增大对坚硬顶煤的破碎是有利的，同时也 为了避免坚硬顶煤的冲击影响，因此宜选用较高的 初撑力值，可设计为工作面阻力值的8 0 ％～9 0 ％， 其值为4 8 0 0k N 左右。 2 ．3 ．2支架型式和参数的确定 我国近2 0 年来综放开采的实践表明，低位放 顶煤支架具有较好的适应性。因此，根据白芨沟矿 2 * 煤层及其顶板条件，选用低位、支撑掩护式、正 四连杆、尾梁 插板的形式作为工作面基本支架， 端头及过渡支架宜选用反四连杆机构，合理的支架 工作阻力为5 0 0 0 ～5 5 0 0k N ，初撑力为4 8 0 0k N 左 右。 根据以上分析，同时考虑到支架设计系列化的 要求，最终选定郑州煤机厂生产的Z F S B 5 4 0 0 1 7 ／3 3 型低位放顶煤支架作为基本支架，Z T F C 5 4 0 0 2 0 ／3 3 型支架作为过渡支架，Z T l 8 0 0 2 0 ／3 3 型支架作为端头支架。 2 ．4 深 浅 孔预裂爆破技术 2 ．4 ．1 工作面浅孔爆破技术 工程爆破作为破碎煤岩体最为常见和有效的 方法之一，因此也可作为破碎坚硬顶煤的重要手 段。依据顶煤坚硬程度、破碎后的块度状况以及分 布范围的不同，可分别对顶煤实行浅孔辅助波破和 深孔预裂爆破，或将两者适当结合以取得最佳的破 煤效果。 工作面浅孑L 爆破以松动顶煤为目的，通常在顶 煤特别坚硬的局部地段每天布置一排钻孔，并安排 检修班进行爆破，以尽量减少对工作面生产的影 响。钻孔深度以距煤层顶板 网下假顶 1 ．0 ～ 1 ．5m 为宜，并且在距支架顶梁1 ．5m 以下的顶煤 不宜爆破，以此来确定装药方式和装药量。视顶煤 的完整性不同，每孔装药3 ～8 块。采用5 段毫秒 延期雷管，5 个炮眼为一组，正向装药，串联起爆。 2 ．4 ．2 专用工艺巷内深孔预裂爆破技术 在采取诸如浅孔爆破、煤层超前注水以及某些 工艺技术措施后，仍不能取得满意效果下，则可考 虑超前工作面深孔预裂爆破与煤层注水相结合的 技术措施，从而达到减小顶煤块度和提高放出率之 目的。 钻孔布置采用双排钻孔三花眼的布置方式，排 间距为1 ．0m ，孔距2 ～3m ，钻孔深度为3 0m 左 右，工作面预裂爆破方案如图2 所示。钻孔施工采 用T X U 一7 5 液压钻机或Z Y l 0 0 - - 1 5 0 钻机，按照 设计的倾角打眼，用水排粉。在确定钻孔倾角时， 孔底距机采层面的距离不小于1 ．0 ～1 ．5m ，以保 万方数据 证工作面端面顶煤的完整；同时考虑到工作面上方 为再生顶板，钻孔距金属网假顶也应保持1 ．0m 以上的距离。钻孔直径为5 5 ～6 0m m 。坚硬厚煤 层深孔预裂爆破采用不耦合连续装药，煤矿导爆索 串联正向起爆，电雷管采用两并一串的联结方式， 两发雷管可布置在同一包炸药内，也可布置在不同 的药包内，如图3 所示。 上顺槽 轨道巷 Z ∑工堡塑 垩塑董 圭堕塑 垫望童2 ∑ B B 图2 综放工作面深孔预裂爆破钻孔布置 m 图3 钻孔内装药结构 不同钻孔间采用串联方式联结，不同钻孑L 内采 用煤矿许用毫秒延期电雷管起爆。 炸药单耗量设计为0 ．2 ～0 ．4k g ／m 3 ，炸药品 种可选用二级煤矿许用水胶炸药或二级煤矿许用 乳化炸药，据此可计算出每孔的装药量。为保证安 全起爆，每个炮孔采用双起爆炸药包并联起爆，每 次起爆2 ～4 个爆破孔，注意不同钻孑L 间毫秒延期 雷管的配合。考虑到超前支承压力的分布特点及 工作面的推进速度，一般超前工作面2 0m 起爆。 在深孔预裂爆破的基础上，利用爆破后的钻孔 及预裂效果对顶煤实行常压注水，以提高破碎效果 并有效的防尘。 深孔预裂爆破技术在下阶段的2 4 2 1 综放面得 到了深化和提高，采用了不规则的“四花眼”布置方 式，在两条工艺巷的下三角区，采用煤电钻在工艺 巷底板向下打眼进行辅助爆破。同时针对在支架 后方放出导爆索的情况，在装药封孔后在并装一根 导爆索，然后封孑L 起爆，从而提高了放炮质量和顶 煤的放出率。 3 结论 白芨沟矿经过长期的研究与实践，达到了工作 面年产1 5 0 万t ／a 的生产水平，工作面煤炭采出率 8 0 ％以上，吨煤成本降低2 2 ．2 元／t ，形成了煤层特 厚、坚硬、顶板坚固、高瓦斯和浅埋深条件下综放开 采的关键技术，具体可概括为 1 对于总厚度在2 0 m 以上的特厚坚硬煤层 宜采用分层综放开采，每个分层的厚度控制在 1 0m 左右。 2 深孔预裂爆破作为特厚坚硬煤层综放开采 的重要工艺之一，其参数选择的合理与否直接影响 到顶煤的破碎效果和回收率。 3 形成了以深孔预裂爆破为主，辅以合理支 架型式和采放工艺的特厚坚硬煤层综放开采系统 关键技术，对类似条件下的综放开采具有普遍的指 导意义和参考价值。 4 对于高瓦斯特厚煤层，顶分层和下分层综 放开采具有不同瓦斯涌出特点，相应地具有不同的 治理原则和方法，顶分层综放开采时顶板瓦斯巷可 起到较好的作用。 参考文献 [ 1 ] 王最安．缓倾斜厚煤层采用综放工艺是实现高产、高效的有 效途径E J ] ．阳煤科技，1 9 9 2 ，1 l 1 1 2 1 9 ． [ 2 3 刘玉堂．中国厚煤层综放开采技术[ J ] ．中国煤矿，1 9 9 9 ， 7 7 1 0 ． E 3 3 彭建勋．忻州窑矿特厚煤层开采方法的探讨[ J 3 ．煤矿开采， 1 9 9 5 ， 1 4 7 5 1 ． [ 4 ] 王跃辉，张升祥，周甫生．特厚煤层综放开采的可行性研究与 实践E J 3 ．东北煤炭技术，1 9 9 6 ， 5 4 3 5 9 ． 上接第8 页 从停采到撤架结束期间内，采空区的自然发火。研 究成果在义马耿村煤矿进行了推广应用，经济效益 和社会效益明显。 参考文献 [ 1 1 梅红仁．高水泥浆防火充填材料的研究及应用E J ] ．中州煤 炭，1 9 9 8 ，2 0 6 3 5 3 6 ． E 2 ] 王悦恒，梅红仁，赵云峰．综放工作面撤架期间防火技术与 实践[ J 3 ．矿业安全与环保，1 9 9 9 ，2 6 1 3 9 4 0 ． E 3 ] 付永水．义马矿区易燃煤层自然发火规律及综合防治技术 E J 3 ．矿山压力与顶板管理，2 0 0 4 ，2 1 2 1 0 2 一1 0 4 ． E 4 3 王悦恒，赵云锋，马立伟．易自燃煤层综放面撤除期间防火 技术与实践E J 3 ．煤炭科学技术，2 0 0 3 ，3 1 5 1 3 1 4 ． 矿山压力与顶板管理2 0 0 5 ．N 0 1 1 1 万方数据