两硬”条件厚煤层综放开采技术综述.pdf

大同“两硬“ 条件厚煤层综放开采技术综述 大同矿务局白希军李机麟 [ 摘要] 大同坚硬顶板坚硬厚煤层综放开采是采矿业国际性技术难题；本文 简述了攻克这一难题的历程。介绍了“两硬”条件厚煤层综放这一技术对坚硬顶 煤弱化的技术方法、坚硬顶机控制技术及相关设备技术性能。展示了我国厚煤层 综放开采技术的发展前景。 关键词] ‘谝硬’’综破、硕煤弱化 ； 1 “两硬”条件综放的技术难点与关键 大同矿区开采的侏罗系煤层，其岩石力学特性是坚硬整体性顶板和坚硬煤层。坚硬 顶板的普氏硬度系数， 8 - 2 2 ，l 重要的足它的完整性，反映在分层厚度大节理裂隙不 发育，在揭露出的巷道中实测其节理裂隙间距一般大于1 m ，甚至数米。煤层老顶大多呈 2 0 - - 4 0 m 厚的整体性砂岩。这样的顶板条件给。亡作造成较大的安全隐患。开采中工作面周 期来后步距大，一般在3 0 m 以上；周期来压强度高，动载系数在1 ．5 ～2 ．5 2 问，同时常 伴有对支架的冲击载荷，造成支架破环乃至压垮整个工作面。 坚硬煤层普氏系数，一般在．5 4 ．5 之间，与坚硬顶板类似也具有较强的完整性。 其特点是破煤困难，当机采时消耗皎大的破煤能量，需要较大功率的采煤机。当综放开采 时顶煤的悬顶较长，在4 ．5 m 以上，顶煤很难冒落到支架内的运输机内。同时，冒落时煤 的块度在1 ．3 m 以上，造成了回收与运输的双重困难，， 因此，对于坚硬厚煤层综放开采而言，其主要的技术关键就是解决坚硬顶板控制技 术，包括顶板改良的处理手段和相适应的液压支架；其次是改善顶煤冒落特性及形态的坚 硬顶煤弱化技术。 2 大同“两硬”条件综放开采的发展 基于上述“两硬”条件的技术难题，在理论与工程技术上曾一度被认为属于技术上的 禁区。但是，大同矿务局所采的煤层中厚煤层储量多达8 亿t ，那么如何高效、高回收率 的开采厚煤层成为企业发展的重大技术难题。为此，大同局从1 9 9 0 年开始了对“两硬” 条件厚煤层进行综放开采的探索研，￡。 1 9 9 1 年在煤峪口矿1 1 ～1 2 号合并层8 8 0 9 工作面下分层 上层采用铺联网综采 采 8 8 用5 6 0 0 k N 高位放顶煤支架进行金属网假顶下的放顶煤开采。采煤机切割厚度2 ．8 m ，顶 煤厚度2 ．0 m 。开采中存在两个问题，1 是由于已采了上分层 采高3 ．0 m 破坏了顶板的 原岩应力，工作面煤壁前方所受的集中应力降低，煤壁几乎没有压酥区，使采煤机割煤非 常困难，采煤机的切割速度与牵引速度都很低，导致了工作面推进速度慢；2 是尽管顶燥 只有2 ．0 m 厚，顶煤仍不易自行破碎且块度大放煤效果很差。采取在支架放煤槽外破顶煤 措施后，虽然放煤效果略有增加，可是又增加r 回采工序使采煤工艺更加复杂。因此工作 面产量一直在月产4 万t 以下。 1 9 9 3 年在忻州窑矿1 1 ～1 2 号台并层8 9 2 0 工作面，采用中位放顶煤支架进行中位放 顶煤开采试验，工作面煤层厚8 ．0 m ，采煤机割煤厚3 ．0 m ，放煤5 m 。开采中存在最突出 的几个技术问题是 1 顶煤悬板长达4 m 以上不能跟支架随采随冒，顶煤很难进入放煤窗； 2 由于支架考虑坚硬顶板的冲击作用设计架重达2 6 t ，推移困难使割煤速度降 低。端头支架、过渡支架都重3 0 多吨，除难以推移外，且不能放煤又增加了顶煤损 失； 3 支架放煤窗高1 ．1 m ，使老塘1 ．1 m 的煤堆不能进入支架内，煤炭丢失较为严 重； 4 坚硬顶板压力大，给工作面生产造成影响。 由于上述原因，中位放顶煤顶煤回收率很低，工作面月产仅有2 ～3 万t 。 1 9 9 5 年在总结过去高位、中位综放的基础上，在忻州窑矿8 9 1 4 工作面进行了低位放 顶煤试验。煤厚8 m ，采用改造的低位放顶煤支架，同时在顶煤中沿煤顶开一条工艺巷， 首次采用顶煤预爆破弱化顶煤，同时在工艺巷中打放顶孔进行顶板处理。 该方法一经采用就产生较好的效果，顶煤回收率提高了，工作面月产也提高到5 万t 以上。初步显示了这一技术的发展潜力。 3 “两硬”条件综放开采的成套技术 基于大同局在“两硬”条件放顶煤技术前期探索研究取得的成果，原煤炭部于1 9 9 6 年确立了“坚硬厚煤层综放开采关键技术研究”重点“九五”科技攻关项目。在忻州窑矿 1 1 ～1 2 号合并层8 9 1 3 、8 9 1 1 两个工作面进行了攻关试验研究，经过2 年的努力，建立了 一套较为完善的“两硬”厚煤层综放开采技术。 3 ．1 坚硬顶板控制技术 综放开采的坚硬顶板控制技术难于一次采全高综采条件坚硬顶板控制。其一是要处理 的老顶层位要高1 个顶煤的厚度；其二是顶板的控制效果要在减小来压步距和强度的同 时，达到即要使顶板小规模冒落，又要使之在采动过程中对顶煤进行有效的2 次破碎；还 要在采空区形成有利于顶煤滚人支架后部运输机的岩堆。 顶板预爆破方案。坚硬顶板的弱化采取预爆破的方法，其布置方案如图1 所示。爆破 点超前采煤机煤壁3 5 - 4 0 m ，超前顶煤预爆破位置1 5 - 2 0 m 。目的是使之在经过顶板压力 集中区时产生2 次裂隙扩展。 其爆破孔的各参数如表l 所示， 3 5 0 0 0 ’- 1 卜7 15000～0_卜一一-{36。1 3 5 0 0 0 ■卜一一 图l 顶板预爆破方案图 表1 顼板预爆破最优参数 碰 经过如上预爆破方案，使周期来压步距减小到2 0 m ，支架最高工作阻力5 0 3 0 k N ／架， 为设计支护阻力的9 0 ％；顶板来压时的动载系数为】．3 2 约降低5 0 ％；预爆破后岩堆的堆 积角达到5 6 。 见图2 ，满足了巧谋冒放的要术。 3 ．2 顶煤弱化技术 顶煤弱化主要通过顶煤的预爆破来实现。该技术在大煤样实验室试验、岩石分形学理 论研究和工程实验的基础j ．，最后确定了以三角形布孔，双工艺巷对称布鼍，孔深 3 0 - 3 5 m 的爆破方案 如图3 、表2 昕示 。 9 n 翔 睁 L 5 6 0 0 _ 一 同28 9 lJL 作面顶煤顶板冒放结构图 图3j 角形布孔方案 表2 顶煤预爆破布孔方案与参数表 顶煤预爆破是没有自由面的爆破，爆破后的形态以孔的轴线为中心形成粉碎区、裂隙 9 1 区和震动区。在预爆破孔超前二作面煤壁2 0 ～2 5 m 时，正好处于顶板压力低峰值区 峰 值区在距工作面煤壁5 ～7 m 处，。爆破孔从爆破点到距工作面煤壁为零的采动过程中顶煤 要经过垂直应力由H r 到2 ．5 H r 到0 的动态压裂过程。使顶煤裂隙进一步扩展和破碎。 然后再经支架的反复支撑压力干1 用直到冒落放出。这一工艺过程最终使煤的冒落块度从平 均1 ．3 m 减至为0 ．3 8 m ；使顶煤、顶板的冒落角由2 5 。增加到5 1 。 见图2 ，达到了坚硬顶 板控制、坚硬顶煤弱化的预期E 的。 3 ．3 适应“两硬”条件综故开采的放顶煤支架 放顶煤液压支架与其它支芽相t t ，除了工作面有效支护外它还具有顶煤冒放的功能。 而“两硬”条件的放顶煤支架还要具备抗坚硬顶板冲击载荷和破碎大块顶煤的功能。因 此，它比一般支架在研制中有更大的难度，其科技含量更高。该项目成功地开发了用于工 作面放顶煤的Z F S 6 0 0 0 ／2 2 ／3 5 放顶煤支架 图4 ，用于工作面中支护与放煤；用于与前、 后部刮板运输机头、尾部分配套、提供工作空间并具备放煤功能的Z F S G 6 0 0 0 ／2 2 ／3 3 型过 渡支架 图5 ；用于工作面前、后部运输机头部与转载机配套、提供维护工作空间和端 头放煤的Z F S D 5 6 0 0 ／2 2 ／3 5 型端头支架 图6 。3 种支架的主要技术参数见表3 。在生产 试验中，工作面支架体现了良好的支护和放煤功能。过渡支架和端头支架具备了与工作面 运输机良好的配套性及有效的放噪，提高T ] 2 作面端头顶煤的回收率。为解决放顶煤工作 面两端头顶煤难以放煤难题提供_ 『装备条件。同时也解决了运输机头、尾难以推移问题， 端头支架前移从过去每循环的2 } t 减少到1 5 r a i n 。 固4Z F S 6 _ f 1 0 0 ／2 2 ／3 5 放项煤支絮 L 、嘏⋯。 一 ／虫、．瑙卿≤ U 工，一。一，l m } 酬一 f J ，J ，小v 中、限一』] 量 i | l 队∥衍i J 【U 火∥卜 一J J 4 l Ⅷ。。≥珏 8 6 5 ％9 衢 图5Z F Y J 3 6 0 0 0 ／2 2 ／3 3 型过渡支架 图6Z F S D 5 6 0 0 ／ 2 2 ／3 5 型低位放顶煤端头支架 表3 “两硬”条件放顶煤支架技术参数表 、、、＼＼三型 端头支架 过渡支架1 一作面支架 ＼～ 一盟目二∑一． 型号前架Z b S D 3 0 0 0后架Z F S D 3 0 0 0 Z F S C , 6 0 0 0 1 2 2 ／3 3Z F T , 6 0 0 0 ／2 2 ／3 5 韧撑力2 5 2 5 k N 2 5 2 5 k N5 2 1 8 k N 5 2 1 8 k N 工作阻力3 0 0 0 k N3 0 0 0 k N 6 0 0 0 k N6 0 0 0 k N 支护强度02 3 ～02 1 M P a03 3 ～0 ．3 4 M P a08 7 ～09 4 M P a 0 ．8 3 ～0 ．8 7 M P a 重量1 4 ．8 t1 35 3 t 2 6 ．5 t 2 0 t 综放工作面设备多质量大是一突出特点，耍使1 0 4 架放顶煤支架与S G Z 一7 6 4 ／4 0 0 前 部运输机、S G Z 一7 6 4 ／6 3 0 型后部运输机及转载机、采煤机等设备协调运行，必须有一个科 9 3 学合理的总体设计。该技术很好地解决了各设备各工序在时空上的关系，使之发挥了较高 的总体效率。 4“两硬”条件综放技术综合实验效果 大同局“两硬”条件厚煤层综放技术已成为较成熟的一套厚煤层开采技术。它经历了 从高位、中位到低位放顶煤的过程，涵概r 岩石力学、采矿工程、爆破工程、机械设} 。、 统筹学等学科。该技术成果是较好地转化为生产力的范例，主要表现在 1 该技术是产、学、研相结合共同攻关的成果，它由大同矿务局、中国矿业大学、 太原理工大学、煤科总院太原分院等多家共同完成。集理论、实验、生产为一体，直接产 生生产力； 2 该技术创建了一整套顶板控制、顶煤弱化、成套装备工艺的理论和实用技术。攻 克了“两硬”条件厚煤层综放开果的国际采矿业技术难题。完善了厚煤层综放开采技术 3 在实践中该技术使“两厦”厚煤层开采月产达1 2 万t ，提高单产近2 倍，吨煤成 本降低5 ．5 元／【，取得较大的经济和社会效益，促进了企业的发展； 4 工作面回收率达8 2 ．6 ％，较其它方法提高5 ％，对充分利用保护国家煤炭资源发 挥了较大作用； 5 该技术可在类似条件的厚煤层中推广应用，可产生更为广泛的社会效益和较大的 经济效益。 大同“两硬”条件厚煤层综放开采技术综大同“两硬”条件厚煤层综放开采技术综 述述 作者白希军， 李机麟 作者单位大同矿务局 本文链接 下载时间2009年12月3日