放顶煤开采技术

放顶煤开采技术介绍

(Introductiontofullymechanizedminingwithsublevelcaving)

河南理工大学能源学院

翟新献教授、博导§1.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4~6m放顶煤开采：8~10m

ZY4800-26/50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。

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”。兖州煤业股股份有限公公司是我国国华东地区区最大的煤煤炭生产、、出口基地地，熟练掌掌握世界领领先水平的的自主创新新核心技术术“综采放放顶煤”采采煤方法。。2006年年底，兖州州煤业拥有有完全自主主知识产权权的先进采采煤技术““长壁采煤煤法综采工工艺”等发发明专利，，获得2项项南非专利利和1项澳澳大利亚专专利，使得得兖州煤业业在煤炭开开采技术上上累计获得得国外发明明专利6项项。2005年年，兖州煤煤业把自己己的专利技技术“两柱柱掩护式低低位放顶煤煤液压支架架”以“非非独家、不不可转让””的方式转转让给世界界500强强企业DBT公司，，获利近2000万万人民币，，实现了我我国采煤技技术对外输输出的零突突破。兖州煤业煤煤矿单产水水平曾经连连续13年年保持行业业第一，煤煤炭回采率率超国家标标准6个百百分点，并并拥有创造造世界立井井开采水平平吉尼斯记记录的煤矿矿。§1.绪论论放顶煤开采采具有高产产高效的技技术优势高产高效：：采放平行行作业，增增加1个出出煤系统，，增产80~100%巷道掘进率率低：工作面搬家家次数少：：减少材料消消耗与吨煤煤工资支出出：电力、、截齿、油油脂消耗少少对地质条件件、煤层赋赋存条件适适应性强：：沿煤层底底板布置工工作面急倾斜特厚厚煤层可实实现综合机机械化开采采，实行分分段放顶煤煤国内外放顶顶煤开采历历史与发展展国外：18世纪初法法国最先使使用此法20世纪初初欧洲在急急倾斜煤层层中应用（（sublevelcaving)50年代末末60年代代初在长壁壁工作面中中使用（longwalltop-coalcaving）80年代末末以后在欧欧洲使用应应用逐年减减少§1.绪论论国内：60年代开开始简易放放顶煤（单单体支柱））82年开始始滑移支架架放顶煤，，并研制综综放支架84年首个个综放开采采工作面在在沈阳浦河河矿进行试试验86年综放放开采技术术在我国取取得基本成成功§1.绪论论§1.绪论论国内发展过过程分三个个阶段探索阶段（（1984～1990）逐渐成熟阶阶段（1990～1995））技术成熟和和推广阶段段（1996～））当前放顶煤煤开采技术术的发展方方向及主要要问题进一步提高高工作面回回采率：采采出率小于于75%，，达不到国国家规定标标准。配套设备系系列化：端端头支架改改进瓦斯灾害的的防治问题题：高瓦瓦斯煤层进进行抽放自然发火灾灾害的防治治问题：初初采、末采采期间和两两巷火灾预预防。工作面粉尘尘的防治问问题：特别别是放煤期期间煤尘飞飞扬。沿底布置全全煤回采巷巷道的支护护技术：锚锚网和锚索索支护综合技术理理论的研究究§2顶煤煤的冒放性性一顶煤煤冒放性的的影响因素素1煤的的强度（与与Rc、、C、φφ）：用用f表示示2夹矸矸夹矸临界厚厚度：夹矸层抗压压强度：k：砂砂岩0.7，页岩岩：0.453煤层层节理裂隙隙节理裂隙发发育好：冒冒落块度小小,可放性性好节理裂隙发发育差：：冒落块块度大,可可放性差4煤煤层赋存深深度：利用用矿压破煤煤时，临界界深度H：：k:应应力集中系系数f:内内摩擦系系数,取0.7:侧压压系数:泊松比有限元计算算曲线表明明H<100m冒放放性极差,H>400m冒放性好好5煤层层顶板条件件随采随冒直直接顶最低低厚度M:采采放高度度,mKp:岩岩石碎涨涨系数6放采高高度比顶煤冒落充充分必要条条件:则则:h:放放煤口距距底板高度度Ks:煤煤的松散散系数7其其他影响因因素工作面推进进速度：顶煤的湿度度N=959x-11.95N为堵口发发生次数,x为顶顶煤湿度,%二顶顶煤冒放放性的分类类1模糊聚聚类顶煤冒放性性各影响因因素权重排排序及权值值范围

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):顶煤强度低低(f<1.0),能够自自行垮落,垮落块度度较小(<300mm),无无硬夹石石,节理裂裂隙很发育育,煤层深深度大于300m,直接接顶能够随随采随冒,并对采空空区充填较较好.可放性较好好(2类):顶煤强度中中等(f=1~2.5)结结构简单,含夹石,但夹石强强度较小,层数较少少,夹石石层厚度较较小,节理理裂隙很发发育,煤层层厚度5m~12m,顶顶板能够随随采随冒,采深>200m,有时会出出现大于500mm的大块.可放性一般般(3类):顶煤强度中中等(f<3),节节理裂隙中中等发育,含夹石,但夹石强强度较小,层数较少少,夹石层层厚度较小小,冒落顶顶煤块度较较大,放出出流动性较较差,为使使顶煤顺利利放出虽不不需进行顶顶煤预破碎碎的辅助工工作,但必必须加强放放顶煤支架架的二次破破碎功能,采深大于于100m.可放性差(4类):顶煤强度较较大(f>3),节节理裂隙不不很发育,结构构较简单,夹石层较较硬,厚度度大于0.4m；直直接顶较薄薄,需采取取顶煤预破破碎等措施施方能顺利利放出.难放(5类):顶煤强度大大(f>4),结结构较复杂杂,夹石层层坚硬,节节理裂隙不不发育；直直接顶较薄薄且较坚硬硬,不能随随采随冒,采深小于于100m.2.有有限元元数值模拟拟分类(1)综综放开开采顶煤冒冒放性的主主要影响因因素的排序序为:煤层层硬度,赋赋存深度,节理裂隙隙发育程度度,放采比比,夹石厚厚度和直接接顶充填程程度.各自自的权重系系数分为:0.294,0.277,0.211,0.103,0.066,0.039.(2)根根据有限限元计算结结果,各因因素对顶煤煤冒放性的的影响规律律有下列诸诸式:根据计算所所得的Y值就可以对对照表找出出相应的顶顶煤冒放性性类型及估估算的放出出率.此处处顶煤冒放放性分为五五类,分别别为:很好好,好,中中等,差,极差.类别冒放程度Y值放出率/%放煤工艺特点1很好>0.9>80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<0.6<30不适宜放顶煤开采§3长长壁壁放顶煤工工作面矿压压显现及顶顶煤顶板运运移规律工作面矿压压特征1.支支架的初撑撑力、工作作阻力普遍遍不高,为为给定载荷荷工作作特性：低低于顶分层层综采开采采时相应阻阻力，而且且工作阻力力与顶煤性性质关系密密切。2.支支架前柱工工作阻力普普遍比后柱柱高：3.工工作面顶顶板来压强强度小于分分层开采顶煤移动特特征及主要要影响因素素1.顶顶煤运移移规律曲线线：负指数数关系：2.顶顶煤的层层位对顶煤煤运移规律律的影响上位顶煤开开始移动的的位置距工工作面较远远上位顶煤的的位移量大大于下位顶顶煤的位移移量(总位位移)3.煤煤层的厚厚度对顶煤煤运移规律律的影响厚度大的煤煤层位移超超前厚度小小的煤层相同位置的的顶煤位移移量厚度大大的较大4.顶顶煤的坚坚固性系数数对顶煤运运移规律的的影响顶煤坚固性性系数大,顶煤位移移始动点距距工作面近近顶煤坚固性性系数大,顶煤位移移量减少顶煤放出规规律1.形形状:主轴轴偏转的椭椭球体和放放煤漏斗2.影影响放出出体的主要要因素顶煤垮落角角α2.影影响放出出体的主要要因素放煤口位置置3.放放煤高度度放顶煤支架架工作阻力力的确定1.利利用煤岩组组合特征估估算法拱-----拱组合合结构拱-----拱砌体体梁组合结结构拱传递梁组组合结构台阶式悬臂臂------砌体体梁组合结结构台阶式悬臂臂------悬梁梁组合结构构:支架通通过顶煤,直接顶对对基本顶破破断时施加加的力l:控控顶距距:悬梁自自身单位位长度重重力L:周周期期来压步步距:预处处理的下下位顶板板厚度:岩体体抗拉强强度2.动动载系系数法:动载系系数:来压压时支架架时间加加权平均均工作阻阻力:支架时时间加权权平均工工作阻力力:安全系系数,取取1.23.实实测统计计法:实测统统计平均均差,400~600Kn/架4.放放顶煤煤支架载载荷特征征支架初撑撑力小：：为额定定值的51%支架工作作阻力小小：为额额定值的的55.3%)支架载荷荷平均相相当于1.87倍采高高覆岩的的重量支架前柱柱工作阻阻力大于于后柱(1.16倍)支架动载载系数小小(平均均为1.29)降阻运行行特征占占12.5%§4放放顶煤煤支架的的选型1.放放顶煤支支架的分分类单输送机机高位放放煤掩护式双输送机机低位放放煤尾梁插板板式双输送机机掩护梁开开天窗插腿式支支架放顶煤液液压支架架支支撑掩护护式单单输输送机掩掩护梁开开天窗非插腿式式支架(高位放放煤)双输送机机尾梁摆摆动香蕉蕉节式支支架支撑式双输送机机后开立立门六柱柱垛式支支架悬移支架架简易式滑滑移移支架网络式支支架2.放顶顶煤支架架的特点点低位放顶顶煤支架架的特点点:ZFS5600/17/35（G））液压支支架结构特点点：1、、前连杆杆采用““Y”形形连杆，，支架长长度较小小；2、四柱柱单伸缩缩带加长长杆；3、配配备大流流量液压压系统，，适应快快速移架架。主主要技术术参数：：

支架架型式支支撑掩护护式，放放顶煤支支架高度度1700-3500mm，，支架中中心距1500mm，，工作阻阻力5600KN，初初撑力4986KN，，支护强强度0.8MPa，底底板比压压2.1MPa，适应应煤层倾倾角≤12°，，泵站压压力31.5MPa，，操作方方式本邻邻架控制制，支架架重量19.09t反四连杆杆放顶煤煤液压支支架ZYF2600/16/26两柱放放顶煤液液压支架架这是一种种双输送送机运煤煤,在掩掩护梁后后部铰接接一个带带有插板板的尾梁梁,低位位放煤的的支撑掩掩护式液液压支架架.(1)由由于具有有连续的的放煤口口,放煤煤效果好好,没有有脊背损损失,采采出率率高.(2)和和其他支支架相比比,从煤煤壁到放放煤口的的距离最最长,经经过顶顶梁的反反复支撑撑和在掩掩护梁上上方的垮垮落,使使顶煤破破碎充分分,对放放顶煤极极为有利利.(3)后后输送机机沿底板板布置,浮煤容容易清理理,同时时尾梁插插板可以以破碎大大块煤,使放煤煤口不易易堵塞.(4)低低位放煤煤使煤尘尘减少,有利于于降尘.(5)后后部放煤煤空间大大,有利利于顶煤煤冒落,放煤效效率高.中位放顶顶煤的特特点:中位放顶顶煤的特特点：(1)支支架稳稳定性和和密封性性好,抗抗偏载和和抗扭能能力大,不易损损坏.(2)放放煤口口距煤壁壁远,有有助于工工作面前前方顶煤煤的维护护.支架架顶梁长长,有利利于反复复支撑顶顶板,增增加顶煤煤的破坏坏程度.支撑底底座长,可减少少支架对对底板比比压,而而且分布布较为均均匀.(3)由由于采放放分别使使用两部部输送机机,可以以实现平平行作业业,实现现高产高高效.(4)后后输送机机放在支支架底座座上,后后部空间间有限,造成大大块煤通通过困难难,并且且移架阻阻力较大大.(5)受受放煤口口尺寸的的限制,架与架架之间有有脊背三三角煤放放不下来来,同时时放煤口口易发生生大块煤煤堵塞现现象.(6)放放煤口位位置较高高,丢煤煤多,采采出率较较低,煤煤尘较大大(7)掩掩护护梁不能能摆动.二次破破煤的能能力差轻型放顶顶煤支架架：重量6～～8t,支架额额定支护护强度在在400~600kN/m2单摆杆式式:结结构构简单,紧凑.单铰接式式:放放煤煤空间固固定支架架稳定性性好适用条件件(1)煤煤层坚坚固系数数f<2.5,来来压强度度不大,煤层厚厚度3m~8m,煤层层倾角<25°°.(2)工工作面面尺寸较较小,断断层较多多,地质质条件较较为复杂杂的工作作面(3)边边角煤煤或煤柱柱的开采采,厚度度不稳定定的煤层层,较薄薄厚煤层层.(4)年年产100万万t左右右的大中中型矿井井,提升升运输及及巷道条条件较差差.ZF2800/15/24型型轻型放放顶煤液液压支架架ZF2800/16/24轻轻型放顶顶煤支架架支架型号号SupportType：ZF2800/15/24支架工作作阻力YieldLoad：2800KN支架高度度HeightRange：1500-2400mm支护强度度SupportDensitY：0.5Mpa底板比压压Basepressure：：0.845Mpa过渡支架架过渡支架架过渡支架架过渡支架架过渡支架架端头支架架端头支架架端头支架架§5放顶顶煤开采采工艺与与采出率率1、放煤煤方式：：单轮顺顺序、多多轮顺序序、单轮轮间隔2、放煤煤步距：：L=（（0.15-0.21）H3、工艺艺过程：：割煤———移架架——推推前溜———拉后后溜———放煤§5放顶顶煤开采采工艺与与采出率率4、放顶顶煤工作作面煤炭炭损失构构成放煤工艺艺损失（（7%-12%）工作面上上下端头头损失（（2%-8%））初、末采采损失（（1.0%-2.5%）区段煤柱柱损失（（5%-15%）其他损失失：运输输、地质质构造、、冒放性性差等，，工作面面采出率率通常在在62.5%~85%§5放顶顶煤开采采工艺与与采出率率5、提高高采出率率措施减少初采采损失：：切顶巷巷，深孔孔爆破减少端头头损失：：端头放放煤减少放煤煤工艺损损失：支支架选型型正确，，优化放放煤工艺艺参数加强管理理：加强强计量工工作，强强化放煤煤工艺管管理减少区段段煤柱损损失：沿沿空掘巷巷，错层层位布置置§6.放顶顶煤开采采的安全全技术1.瓦瓦斯事故故的防治治瓦斯涌出出特点：：瓦斯涌出出量均匀匀上浮效应应明显绝对涌出出量高于于分层开开采，相相对涌出出量低于于分层开开采的一一分层支架后上上方存在在一个高高瓦斯无无风流区区上隅角采采空区边边缘上方方瓦斯易易聚集瓦斯综合合防治措措施采取瓦斯斯防治常常规措施施（提高高回采率率、合理理配风、