第一讲-国内外放顶煤技术现状与发展

第一讲国内外放顶煤技术的现状与发展

一．国外放顶煤技术应用概况作为开采厚及特厚煤层主要方法之一的放顶煤开采技术经历了较长的发展历史.20世纪初法国、西班牙和南斯拉夫等国在急倾斜煤层中应用放顶煤开采法,在50年代末60年代初，随着液压支架技术的发展成熟，原苏联、法国、南斯拉夫等国正式采用了放顶煤开采厚煤层的技术。随后罗马尼亚、匈牙利、捷克、西班牙、美国、韩国都相继引用了这种厚煤层开采方法。由于受到煤炭资源不断减少和放顶煤开采技术不过关等因素的影响，导致放顶煤开采技术在国外未能得到进一步的发展和完善。二．我国放顶煤技术的蓬勃发展综合机械化放顶开采技术是高产高效开采厚煤层的有效方法，是我国在20世纪80年代中期迅速发展起来的一种新型采煤方法。在20世纪90年代中期以前，放顶煤开采技术主要用于条件简单的厚煤层中。为了开拓放顶煤开采技术的应用范围，从1995年起，在具有煤与瓦斯突出危险的厚煤层、极软厚煤层、大倾角厚煤层、坚硬煤体与坚硬难冒顶板条件厚煤层中系统地研究和创造性地开发了综放开采技术.2006年龙口矿区北皂煤矿首次在海域下试验采用放顶煤开采技术，这是世界上第1个海域下综放开采工作面。

目前我国放顶煤开采技术已处于世界领先水平。它的优点及在生产中表现出来的显著的经济效益决定了它成为开采厚煤层的最有效方法之一。使用条件由初期的缓倾斜煤层发展到倾斜、急倾斜煤层，由开采条件较好的稳定煤层发展到条件较差的“三软”、“两硬”、“不稳定”煤层，其中以缓倾斜厚煤层工作面的效果最明显。几年来，相继研制成功了综采放顶煤液压支架，端头放顶煤支架和电液程序控制液压支架、在此基础上对设备配套进行了优化配置、确定了不同条件下煤炭采出率最佳放煤参数和最佳放煤工艺，使综放工作面生产能力达到600万吨以上。解决了三软煤层、高瓦斯煤层、大倾角煤层、两硬煤层以及复杂地质条件下的较薄厚煤层综放开采中的一系列技术难题，在综放技术适应性研究方面取得了重大突破，形成了适应于不同地质和煤层赋存条件的综放成套技术，使该技术居国际领先水平，在全国各类矿区得到了广泛的推广应用，取得了极其显著的技术经济效益。目前，我国综放技术使用的数量、范围、技术的先进性和取得的效果均居世界领先地位。

我国放顶煤开采主要是指长壁工作面综合机械化放顶煤开采，其发展可以划分为三个阶段：1．探索阶段（1982～1990年）这一阶段结束的标志是阳泉缓倾斜厚煤层放顶煤综采工艺的试验成功。特别是阳泉一矿8603工作面，1990年7月月产14万吨，效率57.8t/工，起到了示范作用。这一阶段，东北各煤矿以及郑州等地在难采煤层长壁综放开采领域都进行了试验开采，但没有大的突破。2．逐渐成熟阶段（1990～1995年）主要标志：兖州兴隆庄综采一队1994年产煤272万吨，1995年突破300万吨。同时，难采煤层长壁综放开采技术取得重大突破。主要成果：（1）高产高效工艺逐渐成熟，工作面单产不断提高。（2）放顶煤液压支架由仿造发展到自创，进而到定型。（3）综放开采在“三软”、“大倾角（30º左右）”、高瓦斯等难采煤层中取得突破。（4）初步摸清并提出了解决提高回采率、防治瓦斯、防治自燃和防尘的一些措施，取得了一定的成果。3．技术成熟的推广阶段（1996年～）随着国家对放顶煤开采技术研究的投入加大，综放的高产高效得到了企业的认可与支持，综放开采的优势得到了进一步的发挥。这一阶段综放在两种不同的情况下都得到了发展。（1）煤层厚度大、储量大、地质构造简单、瓦斯不大、煤质中硬的大型、特大型矿井。（2）生产能力小、地质构造复杂的矿井，特别是一些难采煤层，如“三软”、“两硬”、“大倾角”、“高瓦斯”、“较薄厚煤层”等条件，综放得到了发展。三、我国放顶煤技术发展趋势综合机械化放顶煤厚煤层开采技术，在我国经过20多年的探索与发展，已成为厚煤层开采矿井实现高产高效和“一矿一面”的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200万t～500万在的综放工作面。目前，综放工作面单产最高水平已达到600万t／a以上，直接工效在300t／工以上。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、放煤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，一是要实现前后部刮板输送机能力协调；二是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。它的主要特点为：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矸率和提高回收率；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。我国厚煤层储量约占总储量的44％，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，应用范围广泛。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90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。5、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，片帮严重，这也是需要解决的一个问题。7、优化巷道布置，减少矸石排放

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，矸石基本不运出地面，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，减少出矸率；矸石在井下直接处理，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、降低含矸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、齿轨车等，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。10、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。深入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合，应用先进的计算机技术，深入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。11、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。12、加强煤层自然发火的防治，加大开采强度，缩短开采时间

过去采用厚煤层分层回采时，由于开采强度低，开采时间长，残留煤柱多，采空区漏风难以控制，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，上述状况有所改善，但是新