我国厚煤层放顶煤开采技术的现状及发展方向.pdf

第 2 6 卷第 1 期 2 0 0 6 年3 月 山西煤炭 S HANX I C OAL Vo l . 2 6 No . I Ma r . 2 0 0 6 我国厚煤层放顶煤开采技术的现状及发展方向 张世豪 山西煤炭职业技术学院， 山西 太原0 3 0 0 3 1 摘要 通过片我国目前放顶煤现状及存在问题的分析 ， 结合新设备应用情况及最新围岩控制 技术， 提 出综放设备配套和保障 系统以及矿压监控、 防治。 关键词 放顶煤开来; 开采设备配套优化; 矿压拉制利用 中图分类号 二 T D 8 2 3 . 2 5 3文献标识码 A文章编号 1 6 7 2 - 5 0 5 0 2 0 0 6 0 1 - 0 0 1 9 - 0 3 综合机械化放顶煤开采技术是开采厚煤层的一 种新方法， 在我国经过2 0 多年的探索试验， 已形成 比 较完善的开采体系， 综放开采逐步成为我国厚煤 层实现高产高效矿井现代化建设， 实现“ 一矿一面” 集约化生产的主要技术途径之一。综放工作面单产 逐年创新高， 在潞安、 晋城、 充州矿区相继出现年产 超过2 0 0 万t - - 5 0 0 万t 的综放工作面。目 前， 综放 工作面单产最高水平已达到6 0 0 万 t / a 以上， 直接 工效在3 0 0 t 门二 以上。 厚煤层开采体系的核心是采煤技术。综放工作 面各工序合理匹配， 运输系统能力的匹配， 都是需要 进一步研究和解决的问题。随着大功率电牵引采煤 机和大运量刮板输送机的应用， 采煤机割煤速度得 以极大提高， 割煤的循环时间缩短， 工作面出煤能力 进一步提高， 在实际中存在的问题和对策有以下几 个方面。 1 提高综放工作面放顶煤能力 要提高综放工作面综合出煤能力， 就必须满足 采、 放工序最大限度的平行作业， 即放顶煤平均循环 时间小于采煤机平均割煤循环时间， 否则采煤机就 要停机等待放顶煤工序。当煤层综放工作面厚度较 大时， 后部刮板输送机能力和放煤速度将成为关键 因素。为此， 一要实现前后部刮板输送机能力协调， 二要加大液压支架后部放煤空间及放煤口 开启和关 闭操作速度。这样就需要进一步改进工艺和装备， 确定合理的放煤步距和放煤方式， 并根据综放采场 煤、 岩石力学特性与状态变化及运动规律， 设计和使 用不同条件下的支架， 有效地控制顶煤状态变化、 移 动、 放落。 2 研究新型放顶煤液压支架， 发挥放 顶煤开采高产高效的特点 我国存在大量地质条件复杂的难采煤层， 其开 采存在机械化水平低、 效益差、 安全性差的缺点。针 对这些情况， 近年来为着重解决复杂地质煤层条件 下及不稳定煤层使用综放时遇到的困难， 一批新型 轻放支架的研制和开发利用， 在实际中取得了良好 的效果。它主要是在研究综放采场煤、 岩石力学特 性与状态变化及运动规律的基础上， 通过对支架系 统的机构运动学分析、 受力分析， 应用虚拟现实技术 研究了支架的机构、 结构、 制造与装配间隙、 受力变 形等对顶煤状态变化、 运动、 破裂的综合影响， 得出 了全新的综放采场支架一围岩关系， 从而使设计的 支架功能不仅支撑顶板， 而且有效地控制顶煤及其 围岩。主要特点为 支架具有整体顶梁、 长侧护板、 内伸缩梁 有护帮作用 结构， 能全封闭端面顶板; 支 架后部为单铰接机构， 放煤时， 后部放煤及过煤空间 不因采高的变化和顶梁工作状态而改变; 支架后部 掩护梁设计为弯曲折线形状以减少对破碎顶煤与破 碎顶板之间的煤岩分界面的扰动， 以降低顶煤放出 时的含研率和提高回收率; 支架后柱具有双伸缩功 能， 可以有效地调节顶梁工作状态， 以保持与相邻支 架共同 封闭顶板; 支架结构紧凑， 总体及部件尺寸 小， 重量轻， 制造成本低， 便于安装、 运输， 支护强度 较高。 收稿日期 2 0 0 5 - 1 1 - 3 0 作者简介 张世豪 1 9 6 3 一 ， 男. 山西武乡人， 在读硕士， 讲师， 主要从事采矿工程教学工作。 山西煤炭第2 6 卷 我国 厚煤层储量约占 总储量的4 4 ， 其中 多数 为难采煤层。这种新型支架不仅可在大型矿井正常 生产的工作面使用， 而且还可用于矿井边缘地区， 以 及构造形成的呆滞煤带和其他煤柱的回收， 其应用 范围广泛， 具有良好的社会效益。 3 加大工作面长度 由于采煤工作面推进速度加快， 为了减少采煤 机斜切进刀时间和工作面端口作业影响时间， 提高 有效开机率， 必须加大工作面长度， 这样不仅可以延 长工作面连续推进时间， 保证工作面稳产高产， 而且 还可以相对减少上下端头顶煤的损失率， 提高回采 率。但工作面长度过长， 也会带来矿压加大、 煤壁片 帮严重及设备配套等一系列问题， 也是需要在实际 中研究解决的问题。 4 大功率装备的国产化配套 近几年， 我国大型采煤机、 刮板输送机、 液压支 架等国产设备， 通过引进、 消化和吸收， 已经逐步达 到国外上个世纪9 0 年代初的水平。但是， 一些主要 元部件的制造还没有过关， 开采设备的研究开发跟 不上形势的发展和要求， 尤其是大功率、 可靠性高的 设备， 与国外有很大差距。随着矿井大规模集中化 生产的发展， 大功率、 高性能的设备是必不可少的。 虽然国内已开发出一些大型设备， 但是体积大、 重量 大、 性能差的问题仍然比较突出。 L.} 完善高产高效综采设备保障系统 要实现高产高效， 就要提高开机率， 对“ 支架一 围岩” 系统、 采运设备进行监控。今后研究的重点 是 通过电液控制阀组操纵支架和改善“ 支架一围 岩” 系统控制， 进一步完善液压信息、 支架位态、 顶板 状态、 支护质量信息的自动采集系统; 完善乳化液泵 站及液压系统运行状态的检测诊断; 完善采煤机在 线与离线相结合的“ 油一磨屑” 监测和温度、 电信号 的监测以及带式输送机、 刮板输送机全面状态监控。 6 煤巷快速掘进和支护技术 放顶煤开采的回采巷道需要适应回采工作面快 速推进的要求， 但由于其断面大， 并且多在煤层中维 护， 其支护困难也是放顶煤开采的一个突出的问题。 在我国的一些矿区正在采用综放工作面全煤巷道锚 杆支护技术， 但是由于现有的设备不适应， 掘进速度 和效率不高， 这也是需要解决的一个问题。 7 .优化巷道布里， 减少歼石排放 改进、 完善现有采煤方法和开采布置， 以实现 开采效益最大化为目 标， 研究开发煤矿地质条件、 开 采 巷 道布 置 及 工艺 技术评价 体系 专家系统， 实现开 采方法、 开采布置与煤层地质条件的 最优匹配。 在实际应用中， 神华集团大柳塔矿、 潞安漳村矿 实行全煤巷布置单一煤层开采， 歼石基本不运出地 面， 生产系统极大简化， 分别实现无轨胶轮和单轨吊 辅助运输一条龙， 从井口 直达工作面， 同时实现了综 采与综掘同步发展， 生产效率大幅提高。根据高产 高效矿井开拓部署与巷道布置系统的优化经验， 可 实现简化巷道布置， 优化采区及工作面参数， 掌握单 一煤层集中开拓、 集中准备、 集中回采的关键技术， 大幅度降低岩巷掘进率， 多开煤巷， 减少出研率; 歼 石在井下直接处理， 作为充填材料， 既可以减少污 染， 又简化了生产系统， 有利于高产高效集中化开 采。 8 提高煤炭回 采率、 降 低含歼率 提高资源回采率是综放工作面的主要问题之 一。加强对顶煤运动规律和冒放规律的研究， 确定 合理的放煤工艺参数和支架结构， 优化工作面参数， 有助于提高回采率。 9 矿井辅助运输系统与运量配套问题 在厚煤层开采实践中， 辅助运输系统的落后和 低效率是存在的重要问题。当前辅助运输设备主要 有单轨吊车、 卡轨车、 齿轨车和无轨胶轮车等4 类。 驱动方式主要有钢丝绳牵引、 柴油机牵引和蓄电池 机车牵引等3 类。从发展趋势看， 采用无轨胶轮运 输成为主流。根据厚煤层现代开采体系建立的要 求， 今后辅助 运输系 统的 发展方向 应当 是建立大型、 高效的机械化运输体系。对于没有底鼓现象的矿 井， 可发展卡轨车、 齿轮车等， 以形成单一的辅助运 输系统。 要围绕简化辅助运输系统， 减少作业工人， 减少岩石巷道， 规范矿井的下井材料和设备等方面 进行管理。 1 0 采场围岩控制技术 进一步完善采场围岩控制理论， 以科学合理、 优 化高效的岩层控制技术来保证开采活动的安全、 高 效、 低成本。深人总结我国几十年的矿山压力研究 成果， 实现理论分析、 现代数学力学和实测法相结 第 1 期张世豪 我国厚煤层放顶煤开采技术的现状及发展方向 合， 应用先进的计算机技术， 深人研究各种煤层地质 及开采条件， 如急倾斜、 大采高、 大采深采场矿山压 力显现规律及围岩破坏与平衡机理， 不断完善采场 围岩控制技术。研究坚硬顶板与破碎顶板条件下应 用高新技术、 低成本岩层控制技术。由于应用高压 注水、 深孔预裂爆破处理坚硬顶板和应用化学加固 技术存在工艺复杂、 成本高的问题， 因而需进一步研 究开发新技术、 新工艺、 新材料来解决这些问题。放 顶煤开采岩层和支架一围岩相互作用机理是采场稳 定的关键， 研究放顶煤开采力学模型、 围岩应力、 顶 煤破碎机理、 支架一顶煤一直接顶一基本顶相互作 用关系; 研究顶煤放落规律， 提出 放煤优化准则和提 高顶煤回收率的途径。 1 1 支护质量与顶板动态监测技术及 冲击地压的预测和防治 在总结缓倾斜中 厚长壁工作面开展支护质量与 顶板动态监测方面， 应进一步在坚硬顶板、 破碎顶 板、 急倾斜、 放顶煤工作面方面开展支护质量与顶板 动态监测， 同时应不断完善现有的监测技术， 发展智 能化监测系统， 改进监测仪表， 使监测仪表向直观、 轻便、 小型化方向发展。 通过计算机模拟研究冲击性矿压显现发生的机 理， 进一步完善冲击性矿压显现监测系统， 发展遥控 测量和预报技术， 完善冲击性矿压综合防治措施的 优化选择专家系统。 1 2 加强煤层自 燃发火的防治， 加大开 采强度， 缩短开采时间 煤层有自燃发火倾向， 有些高瓦斯矿井发火期 不到半年。过去采用后煤层分层回采时， 由于通风 系统不可靠， 常常出现瓦斯超限; 由于开采强度低， 开采时间长， 煤柱残留煤炭多， 常常发生煤炭自 燃， 严重威胁着矿井的安全生产。采用综放技术开采， 工作面通风采用全负压通风， 系统可靠。为防止采 空区瓦斯积聚， 可在工作面上方沿顶板开掘泄放瓦 斯巷道， 可有效地防止瓦斯超限现象的发生; 为防止 煤炭自 燃和降低煤尘， 采取打钻向采空区预注浆和 实施煤体注水等措施; 加大综放开采强度， 加快推进 速度， 也能有效地防止煤炭自 燃现象的发生， 还可降 低工作面粉尘浓度。 此外， 还有厚煤层开采引起的地表和环境破坏 等问题。 现代采煤工艺的发展方向是高产、 高效、 高安全 性和高可靠性。基本途径是 使采煤技术与现代高 新技术相结合， 研究开发强力、 高效、 安全、 可靠、 耐 用、 智能化的采煤设备和生产监控系统， 改进和完善 采煤工艺。我国煤炭开采技术落后的重要原因是开 采设备的研究开发跟不上形势的发展和要求。随着 矿井大规模集中化生产的发展， 煤炭开采技术的研 究， 特别是煤矿开采技术及配套装备为主导的核心 技术， 是实现高产高效矿井的重要途径。 T h e S t a t u s a n d I t s ’ D e v e l o p i n g T r e n d o f Mi n i n g T h i c k C o a l S e a m w i t h S u b l e v e l C a v i n g Me t h o d i n C h i n a M ANG S h i - h a o S h a n x i C o a l P r o f e s s i o n a l C o l l e g e , T a i y u a n S h a n x i 0 3 0 0 3 1 , C h i n a A b s t r a c t B y a n a l y z i n g t h e s t a t u s a n d e x i s t i n g p r o b l e m s o f S u b l e v e lc a v ingm e t h o d i n C h i n a , c o m- b i n e d wi t h e q u i p m e n t s n e w e q u i p me n t s， a p p ly in g s i t u a t io n a n d n e w e s t r o c k 一 la y e r c o n t r o l l i n g t e c h n o lo g y , t h e c o o p e r a t i n g la y o u t a n d i t s a s s u r in g s y s t e m o f f u l l y m e c h a n iz e d t o p - c o a lc a v i n gme t h o d ， a n d u n d e r g r o u n d r o c k p r e s s u r e s o b s e r v a t io n a n d i t s c o n t r o l l i n g t e c h n o lo g y a r e p u t f o r w a r d . K e y w o r d s S u b l e v e l c a v in g m e t h o d ; t h e m e n t s ; u n d e r g r o u n d r o c k p r e s s u r e s c o n t r o l l i n g c o o p e r a t ingl a y o u t a n do p t i mi z a t i o nm ining e q ui p- 本文责任编辑刘大为