淮北难采厚煤层综放高效开采技术.doc

２００８年第２期 Ｎｏ．２ ２００８ 煤炭科技 ＣＯＡＬＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＭＡＧＡＺＩＮＥ 文章编号１００８３７３１１２００８）０２－００５７－０４ 淮北难采厚煤层综放高效开采技术 张国建 （淮北矿业集团有限公司．安徽淮北２３５０００） 摘 要淮北矿区厚煤层储量大，面临“三软”、高瓦斯、突出危险和易自燃等问题。针对开采工 艺，矿压规律与围岩控制，瓦斯防治，支架设计与设备配套，以及全煤巷支护技术等进行综合研究，逐步解决了难采厚煤层的技术问题，实现了安全、高产、高效综放开采。关键词难采厚煤层；综放开采；高产高效中图分类号ＴＤ８２３ 文献标识码Ｂ 淮北矿业集团有限公司是我国重点矿区特大型煤炭企业集团之一．下属芦岭、朱仙庄、朱庄、杨庄、石台、桃园等１６对矿井，原煤生产能力达２７００万妇。淮北矿区厚煤层、特厚煤层储量大．具有煤层、顶板和底板“三软”及高瓦斯、有突出危险、易自燃等特点。是国内外著名的难采矿区。近年来．淮北矿区就厚煤层综放开采的井巷优化布置．开采工艺．矿压规律与同岩控制．瓦斯防治．支架设计与设备配套及全煤巷支护技术等进行了综合研究．形成了丰富的难 ●ｆ。◆ 采厚煤层综放商效Ｊ｛采理论． １ １．１ “三软”厚煤层开采工艺与围岩控制技术 在“三软”厚煤层中大力推广放顶煤技术淮北矿区１１个可采煤层多为中厚煤层．因构造 复杂．采区和工作面的几何尺寸小．采煤工作面搬家频繁，接替紧张。难采煤层比例较高。煤层“三软”。严重影响了工作面快速推进和连续生产．制约了高产高效的实现。 ◆ｒ－ｃ●００●００●ｏｏ●ｕｕ●ｏ・）●ｏｏ●ｏ・’●ｏｔ）◆々ｏ●ｏｏ●０ｖ●ｏｕ●ｏ・，●ｏｕ●ｏ√●ｏｏ●ｏｏ●００●００◆ｃｒｒ◆ｏｕ●ｏｏ●００●００●ｏｏ●ｏ・一●Ｈ●●◆々ｏ●．，●‘．●●，●一●、、。●ｏｏ●ＯＯ◆ＯＯ●ＯＯ●００●Ｏｏ●ｏｏ●ｏ 向。大小腿并不完全水平．前端膝部略有上抬．大小腿在膝部的夹角在ｌｌＯ。１１５０之间。 以ＺＬ３０Ｅ装载机为例．该机右脚下是油门踏板。左脚下是刹车踏板。以前的设计中。两踏板与垂直面的夹角约为４６０．两踏板偏离中心的角度均为２００左右．安装位置距离中心２００ｍｍ。踏板与垂直面成３００夹角是脚蹬力最大的位置。所以．从减少疲劳和容易发力两方面考虑．现在的设计已对油门踏板和刹车踏板的安装位置、角度进行了调整。首先是踏板的安装角度。操纵踏板时脚的转动角度不应大于２００，否则踝关节极易感到疲劳。相对应的大小腿偏离中心的角度为１０～１５０，踏板安装的位置偏离中 心１００１８０ｍｍ范围内最适宜。所以．现在的踏板 ２人机工程学在工程机械设计中的发展 趋势 随着计算机在设计领域的引入．基于人机工程学的虚拟设计和测试评价已经成为可能．极大地推动了工程机械产品的创新设计．人机工程学越来越受到制造业及用户的重视．使得设计理念发生了深刻的变化。现代工程机械设计重视操作者的生理、心理特性。为操作者构建安全、舒适和高效的操作环境，使操作者的操作简便省力、迅速准确、安全舒适．充分发挥人机效能．提高整个系统的效益．从而增强产品的市场竞争力。可以预计．今后的工程机械设计将更加体现“以人为本”的设计理念。 作者简介李 与垂直面的最佳夹角控制在了１５３００之间．这样脚不仅可以使出最大的操纵力而且也不易感到疲劳。脚踏板上还贴附了防震橡皮．现在采用防震橡胶既减轻了操作者脚底的不适感，又增加了安全性。 丹（１９８１一），女，江苏徐州人，２００３年毕业 于江苏大学机械设计及其自动化专韭．徐州矿务集团有限公司华东机械厂工程制造分厂助理工程师。 （收稿日期２００８－０２－０３） 万方数据 煤炭科技２００８年第２期 在“ｉ软”厚煤层采煤方法的选择上，放顶煤相 对于分层开采其工作面前方支承压力分布范围较宽，峰值远离工作面，可缓解煤壁的压力，有利于煤壁与端面的稳定。放顶煤开采与分层开采的支承压力分布对比如图ｌ所示。 图１放顶煤开采与分层开采的支承压力分布对比 放顶煤开采更适用于淮北地质条件．在高产、高效、低成本方面效果明显，可真正把厚煤层的储量优势转为开采的技术经济优势。 为了推广放顶煤技术．适应大生产要求，根据各矿煤层赋存条件和地质构造情况．打破原设计的开 拓布局．重新划分采区。取消人为边界，以采煤工作面无法通过的地质构造作为采区界线．对原有小采区能合并的合并．能扩展的扩展．最大限度地加大采区几何尺寸和工作面长度．减少同时生产的采区个数。充分发挥采掘机械化优势。进一步提高工作面单产。合理安排开采程序，积极寻找综采块段，确保综采接替。做到长期有规划、近期有接替平衡，确保综采面接替不断线．达到简化矿井、采区、工作面生产系统的目的。朱仙庄、杨庄、临涣等煤矿研发和应用轻型支架放顶煤开采技术，成功推广，取得了显著的经济效益。 １．２加大支架工作阻力。控制煤壁片帮和端面 漏冒 对于极软煤层放顶煤开采．除了采取必要的护 顶护帮措施外．支架的合理工作阻力既要能支撑顶板．抵抗顶板的来压．又要能缓解煤壁的压力，减缓甚至消除煤壁片帮和端面漏冒。从支撑顶板的要求出发，煤体、顶板和底板极软的煤层所需要的支架工作阻力并不大．但是从缓解煤壁片帮而言．高的工作阻力可减小煤壁处的压力．有利于缓解煤壁片帮。煤壁片帮面积、煤层深度同支架工作阻力的关系如 图２、３所示。 由图２可知．较大的工作阻力有利于防止煤壁片帮．工作阻力过小会导致煤壁片帮面积和深度迅速增大。合理的支架工作阻力既要能平衡顶板压力，也要有利于缓解煤壁处的压力．减少煤壁片帮与端 面漏冒。 万 方数据薏 器 ｊｃ 支架工作阻力／ｋＮ 图２片帮面积与支架工作阻力的关系 董 瑙聪鞭扯Ｋ皤 支莱工作阻力／ｋＮ 图３深度与支架工作阻力的关系 １．３煤体注水改变煤体的力学特性 煤壁片帮的剪切破坏原理表明．软煤层的煤壁片帮破坏主要同煤体的抗剪强度及顶板压力有关．提高煤体的抗剪强度．减小煤壁压力，是防止软煤层煤壁片帮的重要途径。合理的煤层注水，黏聚力和抗拉强度的增加．内摩擦角的减少，能有效防止煤壁片帮的发生。这在芦岭煤矿８煤放顶煤开采中得到验证．并取得了很好的效果。黏聚力及抗拉强度随含水率的变化规律如图４、５所示。 ４００３５０ 芝３００ 奁２５０ 标２００ １５０ ０ ５ １０ １５ ２０ ２５ 含水率／％ 图４黏聚力随含水率的变化规律 图５抗拉强度随含水率的变化规律 煤体注水使工作面前方的支承压力峰值区远离煤壁２０％，峰值压力降低１４％．减缓了煤壁处的压力，有利于防止煤壁片帮与端面漏冒。煤壁浅孔动压 注毽是解决极软煤层综放开采煤壁片帮与端面漏冒 ２００８年第２期张国建淮北难采厚煤层综放高效开采技术５９ 的有效技术措施。１．４优化放顶煤工艺 放顶煤是由移架和放煤两个过程完成的。移支架后形成放煤起始边界线。放煤后形成放煤终止边界线。根据顶煤放出的散体介质流理论，优化放煤步距．提出了放出煤量的理论计算方法，即放出煤量为放煤起始边界线与放煤终止边界线所围成的煤量减去采空区残留的煤量。此理论的成功应用优化了放煤步距．增加了顶煤的放出率。提高了采区的回采率。 ２瓦斯与自然发火综合治理 ２．１ 矿区瓦斯抽采技术 淮北矿区煤层稳定性、透气性差，公司所辖各生产矿井有１对低瓦斯矿井。８对高瓦斯矿井．其中７对为煤与瓦斯突出矿井。各矿煤尘均具有爆炸危险性．煤层具有自然发火倾向性。随着开采深度的增加，各矿井瓦斯涌出量有明显增大的趋势．高瓦斯采掘工作面不断增多。煤与瓦斯突出危险性不断增强。集团公司提出了“以区域性瓦斯治理为主．局部瓦斯治理为辅”的瓦斯治理战略．矿区瓦斯抽采量逐年提升。抽采率逐年提高。治理效果显著［２］。 穿层钻孔抽采瓦斯、随采随抽瓦斯、高位专用巷道抽采瓦斯、边掘边抽采瓦斯、顺层钻孔抽采瓦斯、地面钻井抽采瓦斯等瓦斯抽采技术在淮北矿区都有应用．减少了安全隐患．使高瓦斯突出厚煤层实现了安全顺利回采（见图６、７）。 图６顶板走向钻孔抽放 、＼１Ｉ， 采空区上方瓦斯流动 采空区 机巷 图７采空区瓦斯流场及抽放剖面 具备开采保护层的煤层可考虑通过开采保护层对瓦斯卸压。不具备保护层开采条件和未开采保护的区域。可在底板穿层钻孔大面积预抽瓦斯的基础上首先开采顶分层，以消除下部分层的突出危险。下 万 方数据部分层采用瓦斯综合抽放方法并结合合理通风的瓦斯综合治理措施．收到了良好的瓦斯治理效果．较好地解决了放顶煤回采工作面瓦斯超限问题。通过采用顶板高位巷道结合高位巷钻孔及风巷高位斜交钻孔抽放工作面采动卸压瓦斯．在工作面风巷机巷布置本煤层顺层钻孔预抽和边采边抽抽放煤层瓦斯．采用埋管抽放采空区瓦斯和工作面上隅角瓦斯．并结合工作面合理通风．有效地解决了工作面回采过程中的瓦斯问题。 ２．２自然发火综合防治技术 ２．２．１ 注氮 根据采空区自燃“三带”理论．注氮管路出口位 置设在采空区氧化带是最有效合理的。这样可缩短氧化带的宽度，降低采空区自然发火的危险程度。结合国内综放工作面注氮防灭火的成功经验．注氮的最佳位置在采空区后２０。５０ｍ。 ２．２．２灌浆 利用黄泥灌浆系统对采空区进行灌浆．注浆管路设置在回风巷。可进行采空区埋管灌浆．是一种有效的综放面自燃防治技术。 ２．２．３喷阻化剂 阻化剂喷洒浓度是决定防火效果和影响工作面吨煤防灭火成本的一个重要指标。选用１５％的氯化钙（ＣａＣｌ）和氯化镁（ＭｇＣｌ）溶液进行喷洒，在芦岭煤矿Ｉ８２４２综放面切眼有所应用。２．２．４氮气泡沫和气雾阻化剂 采用氮气作为动力输送阻化剂进行自然发火防治，能形成氮气阻化剂气雾。凡是氮气能到达的地点．阻化剂均能到达。停止注氮后，阻化剂仍能对浮煤的氧化起到阻化作用。２．２．５煤层注水 煤层注水主要是为了防治瓦斯和降尘．同时注 水湿润煤体对防火也有作用。 ２．３工作面防尘 综放工作面采用煤层浅孔注水、高压喷雾引射降尘及采煤机尘源自动跟踪喷雾降尘相结合对采煤机割煤降尘．采用多功能液压支架喷雾控制阀来实 现液压支架移架、放煤和运输的同步喷雾降尘。在 进、回风流实施风流净化。采取可靠的个体防护措施等．实现了综放工作面粉尘综合治理，保证了井下作业人员的健康。 ３厚煤层综放工作面技术装备 集团公司加强综放生产技术的基础管理和调查 煤炭科技 ２００８年第２期 研究工作．加大矿井地质参数的收集整理，摸清各综放矿井的矿压规律．准确掌握各煤田不同煤层的地质资料．为综放工作面液压支架的科学选型提供基础资料和理论依据。坚持设备的先进性、适用性、互换性的配套原则．兼顾个性与共性的有机结合。以“高工阻、大功率、高性能”为综放设备配套选型的基本原则．吸收国内外综采设备的优点．经过参数优化，使设备具有适应性强、可靠性高、结构紧凑、操作方便等特点。特别是针对极松软厚煤层放顶煤的特点进行了专项研究，使综放设备结构参数更加科学。 自１９９８年开始。先后在朱仙庄、杨庄、临涣等煤矿研发和应用轻型支架放顶煤开采技术．获得了成功。为难采煤层的综放开采探索积累了一定的经验。例如．ＺＦ３６００／１６／２５型放顶煤液压支架是在认真总结各类放顶煤支架使用经验．充分研究分析结构参数的基础上．针对极松软厚煤层放顶煤工作面的地质条件进行设计的。与同类型支架相比．具有适应性强、可靠性高、结构紧凑、支护效果好、重量轻等特点。该支架成功应用于芦岭煤矿．取得了很好的效果。在煤厚３．０。４．０ｎｌ的综采工作面选用工作阻力在６ ８００ ｋＮ左右的液压支架．功率在９２０～ｌ １３０ ｋＷ及以上的高电压多电机横向布置的电牵引采煤机，功率在８００ｋＷ及以上的高强度、高耐磨性铸造封底式的８００／８００型刮板输送机在煤厚３．０ｍ以下的综采工作面选用工作阻力在５ ０００～６８００ｋＮ 的液压支架．功率在７００ｋＷ及以上的多电机横向布置的电牵引采煤机．功率在６３０ｋＷ及以上的高强度、高耐磨性铸造封底式的７６４／６３０型刮板输送机。’工作面供电电压均为３．３ｋＶ，做到综采（放）设备的区域通用及同类地质条件煤层互用。 ４回采巷道支护技术 近年来．集团公司联合高校和科研院所对巷道支护进行课题研究．综合运用了实验室试验．理论分析。计算机数值模拟．井下工业性试验和矿压观测等手段．对高地应力松软围岩放顶煤回采巷道支护技术进行了全面和系统的研究．分析回采巷道破坏的原因，巷道围岩移近率，支架荷载的预计，支架结构与参数同支架工作性能的关系．参考计算机数值模拟和实验室整体支架力学性能试验的成果．根据回采巷道矿压显现特征．对某些矿井放顶煤工作面回采巷道成功采用全封闭可缩性支架支护。即放顶煤沿顶巷道采用马蹄异型支架、放顶煤沿底巷道采用 万 方数据方环形支架．预采顶分层放顶煤沿底巷道采用圆形支架。现场应用表明，这些方式符合具体条件下的支架与围岩相互作用关系特征。 全封闭型钢支护首先是设计合理的架型．使支架不仅受力状况最好。而且要便于加工，压茬严实，从而提高重合处的摩擦力其次是采用大压茬、多卡缆提高单个支架的工作阻力第三是使用多路固定拉板提高型棚的整体稳定性，提高其整体承载能力。在芦岭煤矿采用现场工业性试验方法和矿压观测技术．选择了３种典型的放顶煤开采回采巷道布置方式．设计了３种封闭式支架．提出并运用了支护关键技术。对比、考察了３种架型的现场应用效果，对施工工艺和质量保证体系进行了研究．获取了支架形式与围岩移动规律的关系和矿压显现等参数。试验段巷道支护效果明显改善．维护期内仍保持完好．围岩移近量有较明显减少．最终断面可完全满足安全生产要求．工作环境大大改善。 ５ 结论 淮北矿区对厚煤层综合机械化开采的关键技术进行了系统研究．从缓解煤壁压力和提高煤体抗剪强度的思路出发．实施合理的煤壁浅孔注水工艺。选取较高工作阻力的支架形式．提出了防治煤壁片帮的新措施。采用合理的开采工艺和参数．在厚煤层开采过程中预采顶分层消除瓦斯突出危险．加强瓦斯与自然发火治理。根据回采巷道矿压显现特征．确定采用全封闭可缩性支架支护方式．即放顶煤沿顶巷道采用马蹄异型支架．放顶煤沿底巷道采用方环形支架．预采顶分层放顶煤沿底巷道采用圆形支架。在极软、高瓦斯突出及特厚煤层中成功地实现了高产高效综放开采。 参考文献 ［１］ 王家臣．极软厚煤层煤擘片帮与防治机理［Ｊ］．煤炭学 报，２００７，３２（８）７８５７８８． ［２］刘生优，李伟．淮北矿区建设安全高效现代矿井的难点与对策［Ｊ］．煤矿开采，２００４，９（４）１４～１６． 作者简介张国建（１９５６一）。男，安徽来安人，１９７６年毕业于淮南矿业学院机电专业．淮北矿业集团有限公司高级工程师。（收稿日期２００７１卜２０） 淮北难采厚煤层综放高效开采技术 作者 作者单位 刊名 英文刊名 年，卷期张国建， ZHANG Guo-jian淮北矿业集团有限公司,安徽,淮北235000煤炭科技COAL SCIENCE 李伟 淮北矿区建设安全高效现代矿井的难点与对策[期刊论文]-煤矿开采 200404 2.王家臣 极软厚煤层煤壁片帮与防治机理[期刊论文]-煤炭学报 200708 本文链接http//