放顶煤开采技术

1、放顶煤开采技术介绍(Introduction to fully mechanized mining with sublevel caving)河南理工大学河南理工大学 能源学院能源学院 翟新献翟新献 教授、博导教授、博导1.绪论绪论 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46m放顶煤开采：810m ZY4800-26/50型掩护式液压支架型掩护式液压支架支架型号 ZY4800/26/50，支架工作阻力 4800 KN，支架高度 2600-5000mm，支护强度 0.78-0.8 Mpa，底板比压 1.7-2.2 Mpa，推溜力

2、360 KN，拉架力 633 KN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。整套综采机械化放顶煤开采设备出口到俄罗斯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

3、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

4、300米、长30006000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。所属个分子公司有个连续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，其中处被评为特级安全高效矿井。 大柳塔煤矿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

5、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

6、，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。1.绪论绪论 放顶煤开采具有高产高效的技术

7、优势高产高效：采放平行作业，增加1个出煤系统，增产80100%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（sublevel caving) 50年代末60年代初在长壁工作面中使用（longwall top-coal caving） 80年代末以后在欧洲使用应用逐年减少1.绪论绪论国内：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8

8、4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1.绪论绪论1.绪论绪论国内发展过程分三个阶段 探索阶段（19841990） 逐渐成熟阶段（19901995） 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 顶煤的冒放性顶煤的冒放性一 顶煤冒放性

9、的影响因素 1 煤的强度（与煤的强度（与Rc 、 C、）：）： 用用 f 表示表示 2 夹矸夹矸 夹矸临界厚度：夹矸临界厚度：2c o s1s incR c10R cfM pat31200rhRr200Rrht2矸矸煤煤 9 夹矸层抗压强度： k ： 砂岩0.7 ，页岩 ：0.45 3 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 110tcRkR22111cHRffr Kff1(28.22 95.79)cHR 有限元计算曲

10、线表明 H 400m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, m Kp : 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minpMhkfgmkmfgMmmsfMhk m(1)ggsmhkmk 7 其他影响因素工作面推进速度：顶煤的湿度 N = 959 x - 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f10.250.38节理裂隙发育程度j20.150.36赋存深度H30.150.30比煤硬夹石层厚

11、度h40.070.15采放高度比k50.070.14直接顶充填程度Kc60.040.06基本顶级别F70.020.04 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(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

12、: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;HcYRYe1.70170.323;jYe0.15360.3674ln;YB21;3.96232.1039Yh.45620.035Yok0.11740.0013880.011620.539560.056020.069830.0433cYHRjkhB 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

13、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0.80.96580选择合理低位放煤支架和放煤口尺寸3中等0.70.85065除合理架型外,加大放煤口,选择合理放煤参数4差0.60.73050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长壁放顶煤工作面矿压显现及顶煤顶板运移规律运移规律一一工作面矿压特征工作面矿压特征二 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

14、密切。三 2. 支架前柱工作阻力普遍比后柱高：四 3. 工作面顶板来压强度小于分层开采 blsae二二顶煤移动特征及主要影响因素顶煤移动特征及主要影响因素三 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,顶煤位移量减少三三顶煤放出规律顶煤放出规律 1. 形状:主轴

15、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 2. 影响放出体的主要因素放煤口位置3. 放煤高度 四四放顶煤支架工作阻力的确定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-拱组合结构拱组合结构 拱拱-拱砌体梁组合结构拱砌体梁组合结构21cot,cot,2tan2tan;BbMHBbMHPMH21qqPMhpltan()1;2()qLQpHSl拱传递梁组合结构拱传递梁组合结构 台阶式悬臂台阶式悬臂-砌体梁组合结构砌体梁组合结构 台阶式悬臂台阶式悬臂-悬梁组合结构悬梁组合结构2112PMhL H rl;MxqPPPP22 1211cot2MPMMl21(2)cot2

16、xPhhMhl;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P21111()13()652()3cLHLqPqLLLL q12()cotLLMh hc 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 1.2 3. 实测统计法 :实测统计平均差,400600Kn/架,ctpkp1;tppk kkcptp1k2tpp 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

17、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 双输送机后开立门六柱垛式支架 悬移支架 简易式 滑移支架 网络式支架2.放顶煤支架的特点放顶煤支架的特点 低位放顶煤支架的特点低位放顶煤支架的特点: ZFS5600/17/35（G）液压支架）液压支架 结构特点：1、前

18、连杆采用“Y”形连杆，支架长度较小；2、四柱单伸缩带加长杆；3、配备大流量液压系统，适应快速移架。主要技术参数：支架型式支撑掩护式，放顶煤支架高度1700-3500mm，支架中心距1500mm，工作阻力5600KN，初撑力4986KN，支护强度0.8MPa，底板比压2.1MPa，适应煤层倾角12，泵站压力31.5MPa，操作方式本邻架控制，支架重量19.09t反四连杆放顶煤液压支架 ZYF2600/16/26两柱放顶煤液压支架两柱放顶煤液压支架 这是一种双输送机运煤,在掩护梁后部铰接一个带有插板的尾梁,低位放煤的支撑掩护式液压支架. (1)由于具有连续的放煤口,放煤效果好,没有脊背损失, 采出

19、率高. (2)和其他支架相比,从煤壁到放煤口的距离最长,经过 顶梁的反复支撑和在掩护梁上方的垮落,使顶煤破碎充分,对放顶煤极为有利. (3)后输送机沿底板布置,浮煤容易清理,同时尾梁插板可以破碎大块煤,使放煤口不易堵塞. (4)低位放煤使煤尘减少,有利于降尘. (5)后部放煤空间大,有利于顶煤冒落,放煤效率高. 中位放顶煤的特点中位放顶煤的特点: 中位放顶煤的特点：中位放顶煤的特点： (1) 支架稳定性和密封性好,抗偏载和抗扭能力大,不易损坏. (2) 放煤口距煤壁远,有助于工作面前方顶煤的维护.支架顶梁长,有利于反复支撑顶板,增加顶煤的破坏程度.支撑底座长,可减少支架对底板比压,而且分布较为

20、均匀. (3)由于采放分别使用两部输送机,可以实现平行作业,实现高产高效. (4)后输送机放在支架底座上,后部空间有限,造成大块煤通过困难,并且移架阻力较大.(5)受放煤口尺寸的限制,架与架之间有脊背三角煤放不下来,同时放煤口易发生大块煤堵塞现象.(6)放煤口位置较高,丢煤多,采出率较低,煤尘较大 (7) 掩护梁不能摆动.二次破煤的能力差轻型放顶煤支架：轻型放顶煤支架：重量重量68t,支架额定支护强度在支架额定支护强度在400 600 kN/m2 单摆杆式: 结构简单,紧凑.单铰接式: 放煤空间固定支架稳定性好适用条件 (1) 煤层坚固系数 f2.5 ,来压强度不大,煤层厚度3m8m,煤层倾角

21、25. (2) 工作面尺寸较小,断层较多,地质条件较为复杂的工作面 (3) 边角煤或煤柱的开采,厚度不稳定的煤层,较薄厚煤层. (4) 年产100万t左右的大中型矿井,提升运输及巷道条件较差. ZF2800/15/24型轻型放顶煤液压支架型轻型放顶煤液压支架 ZF2800/16/24轻型放顶煤支架轻型放顶煤支架支架型号 SupportType： ZF2800/15/24支架工作阻力 YieldLoad： 2800 KN支架高度 Height Range： 1500-2400 mm支护强度 SupportDensitY： 0.5 Mpa底板比压 Base pressure： 0.845 Mpa过渡支架过渡支架过渡支架过渡支架过渡支架端头支架端头支架端头支架 5 放顶煤开采工艺与采出率1、放煤方式：单轮顺序、多轮顺序、单轮间隔 2、放煤步距：L=（0.15-0.21）H 3、工艺过程：割煤移架推前溜拉后溜放煤5 放顶煤开采工艺与采出率4、放顶煤工作面煤炭损失构成 放煤工艺损失（7%-12%） 工作面上下端头损失（2%-8%） 初、末采损失（1.0%-2.5%） 区段煤柱损失（5%-15%） 其他损失：运输、地质构造、冒放性差等，工作面采出率通常在62.5%85%