放顶煤开采工艺及相关技术问题.docx

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放顶煤开采工艺及相关技术问题

放顶煤开采工艺及相关技术问题

提纲：

●放顶煤开采技术概述

●放顶煤开采技术特点

●放顶煤液压支架

●放顶煤开采工艺

●放顶煤工作面的巷道布置

1．放顶煤开采技术概述

1.1放顶煤采煤方法的实质

放顶煤采煤法是一种开采缓倾斜特厚煤层和急倾斜特厚煤层的一种采煤方法。

那么，什么叫放顶煤采煤法呢？

它的实质是什么呢？

到目前为止，前人对放顶煤采煤法尚没有一个经典的定义来说明它。

我们可否下这样一个定义：

所谓放顶煤采煤法，就是沿缓倾斜特厚煤层的底板或在急倾斜特厚煤层某一阶段高度的底部布置一个采煤工作面进行开采，而工作面顶部的煤在矿山压力作用下或辅以人工松动的方法，在工作面后部垮落并通过放煤口放入输送机运出的采煤方法。

1.2综放开采之起源

放顶煤采煤法是一种古老的采煤方法，俗称“高落法”。

综合机械化放顶煤开采技术，于1964年首先在法国中南煤田的布郎齐矿试验成功。

1986年以后，综合机械化放顶煤采煤法进入推广、完善、提高阶段，在我国得到迅猛的发展，先后在辽源矿务局，乌鲁木齐矿务局，平庄矿务局推广了急倾斜特厚煤层水平分段放顶煤采煤法；在平顶山、阳泉、潞安、晋城、郑州、兖州等矿务局推广了缓倾斜特厚煤层综放采煤法，都取得了良好的技术经济效果。

2001年“600万t综放工作面设备配套与技术研究”，在兖州兴隆庄矿试验成功。

该项目采用国内最先进的装备并辅以引进国外关键设备和技术，首次在综放工作面采用电液阀程序控制放顶煤液压支架，在300m长的工作面上，实现了平均日产2万t以上，最高月产64万t，年产640万t，该项目的试验成功，使我国的综放开采技术处于世界领先水平。

2002年兖州东滩矿综放工作面年产607万t。

25年的实践证明，综放开采技术的引进推广和应用提高，为我国厚煤层的开采方法带来一次历史性的巨大变革，也为高产高效矿井建设和不少矿井的扭亏增盈、增加经济效益，保持国有煤矿的可持续发展做出重大贡献。

之所以如此，是因为综放开采和传统的厚煤层分层开采方法相比，在技术和经济上都有不可比拟的优势

（1）综放开采实现了缓倾斜特厚煤层的一次采全厚开采和急倾斜特厚煤层的水平分段开采，对地质条件的适应性较分层综采和单一煤层综采更强。

适应于煤层厚度变化大，顶底板起伏不平，断层构造多，以及其它地质条件变化的不稳定煤层。

（2）综放开采一次开采厚度大幅度增加，煤层开采强度加大，实现了垂直集中生产，而且低位放顶煤支架工作面有两个出煤点，在同样工作面长度和工作面推进速度的情况下，综放开采较分层综采和单一煤层综采工作面的单产可以成倍的增长。

（3）综放开采较分层综采的巷道掘进率低，工作面寿命长，搬家次数少，吨煤设备投入费用少；工作面材料、电力等消耗少，因而工作面直接成本大大降低。

综放开采的吨煤成本可比分层综采的成本降低10元/t以上，因而矿井的经济效益可以明显提高。

实践证明，综放开采是一种高产、高效、安全、低耗、经济效益好的采煤方法，已成为我国高产高效矿井建设的重要技术途径。

2综合机械化放顶煤采煤法的工艺特点及适用条件

2.1综合机械化放顶煤采煤法的工艺特点

与各种类型的分层开采方法相比，放顶煤采煤法有如下特点：

（1）放顶煤采煤法有两个出煤工作面，即除了前方有一个使工作面不断向前推进的采煤工作面以外，在工作面的后方（对于单输送机高位放顶煤支架而言为上方）还有一个把顶煤不断放出的工作面，两个出煤点有利于提高工作面单产和效率，即在工作面推进速度与分层工作面等同的条件下，工作面产量可以成倍增长。

所以前苏联人也把放顶煤采煤法称为双工作面采煤法；

（2）普通单一长壁或分层开采工作面回采与放顶（采空区处理）是截然分开的，移架工序完成放顶工作即告结束，同时完成一个生产循环。

而放顶煤工作面的放顶煤部分是和放顶工作同步进行的，顶煤放完以后，放顶工作即告结束，同时在生产循环里增加一道放顶煤工序。

（3）放顶煤工作面属于垂直集中生产型工作面，在相同单产的情况下，工作面的推进速度大大低于单一煤层开采工作面或分层开采工作面的推进速度。

（4）综采放顶煤工作面需要专用的放顶煤液压支架，输送机也需要两台（单输送机放顶煤支架除外），这就造成综放工作面生产组织与管理的特殊性。

（5）在煤层厚度为5～20m的范围内，不管煤层的厚度的变化如何，可以实现一次采全厚，大大提高了煤层开采强度；

（6）利用地压落煤，是一种低能耗采煤法，放顶煤工作并不需专用的设备，而是由放顶煤支架的放煤机构完成。

2.2综采放顶煤采煤法的适用条件

综采放顶煤采煤法，按煤层的赋存条件和装备，基本上可以分为长壁综采放顶煤采煤法和巷柱式综采放顶煤采煤法两种。

第一种主要用于缓倾斜、倾斜特厚煤层和厚度大于20m的急倾斜特厚煤层；第二种主要用于厚度为4～8m的急倾斜特厚煤层以及倾斜厚煤层

2.2.1煤层赋存状态与构造

当煤层埋藏不稳定，即厚度变化很大时，采用一次采全厚放顶煤采煤法是最理想的方法，因为这时采用分层开采会因最后剩余的煤有厚有薄，甚至不可采而丢失大量煤炭。

当煤层地质构造复杂，为大量的断层切割时，进行分层开采也很困难，尤其是当煤层的顶板被断层切割，而底板尚未破坏的情况下，采用下行分层开采，第一层因顶板被切割而无法开采，这时如采用一次采全厚放顶煤采煤法沿底板开采就可以解决分层开采的困难。

2.2.2煤层厚度

煤层的厚度是选用放顶煤采煤法的最基本的条件，从过去的经验看，一次采全厚放顶煤的最大厚度为20m，但这并不是最大极限，1987年法国中南煤田市郎齐矿的达尔西井，一次放顶煤的厚度曾达到35m。

放顶煤采煤法煤层厚度的下限为5m，个别情况下可以到4m，低于5m时，完全可以用普通综采开采。

2.2.3煤层倾角

对于一次采全厚综采放顶煤采煤法，煤层倾角以25°以下为宜，因为倾角太大对放顶煤支架的稳定性有影响，除了支架易下滑外，在放煤过程中作用在支架上的侧向力也随煤层倾角增加而增大。

因而，在煤层倾角大于15°时，工作面最好采取伪倾斜布置，使工作面为倾斜向下推进，这样不但可以有利于支架的稳定性，而且有利于放顶煤的进行。

对于急倾斜煤层，煤层倾角以大于60°最为适宜，当倾角小于松散煤体的放落角（60~70°）时，必然带来底板损失

2.2.4直接顶的岩性与厚度

对于一次采全厚放顶煤采煤法来说，最基本的条件之一是还要求直接顶是易冒的，即能随采随冒，就是说，冒落的顶煤与垮落的直接顶能在放煤过程中形成统一的松动冒落体。

这时，冒落的顶煤就可以遵循松散介质的流动规律从放煤口放出，就有可能保证较高的煤炭回收率和较低的含矸率。

要达到最佳放煤效果，除要求直接顶能随采随冒外，还必须保证直接顶有足够的厚度，即要求直接顶冒落碎胀后，能够充填煤层采出后所形成的空间。

即应满足：

式中h—直接顶厚度；

m—要开采的煤层厚度；

kP—直接顶的碎胀系数；

η—顶煤回收率。

2.2.5煤层物理机械性质与结构

对放顶煤来说，坚硬的顶煤的冒落的块度大，影响冒落顶煤的放出效果。

如煤层较软，煤壁在剧烈的支承压力作用下极易片帮，而且往往在架前冒顶，致使架前维护困难，影响放顶煤工作面的正常推进。

煤层的节理越发育，对放顶煤越有利，顶煤可以均匀地破碎，块度适中，放煤过程中流动性好；

煤层的结构对放顶煤影响很大，因为坚硬的夹石犹如煤层中的骨架一样，增强了顶煤的整体性，使它不易垮落，即使垮落，也必然使冒落的顶煤中掺杂着大块夹矸，影响着顶煤的正常流动。

2.2.6煤层底板岩性

煤层底板的岩性，一般说来对放顶煤采煤法影响不大，但由于一次采全厚放顶煤采煤法是沿底板进行回采的，松软的底板会对支架的行走带来困难，特别是遇水膨胀的厚层泥岩底板，放顶煤支架容易下陷，造成移架困难。

但是，一般情况下，这一问题是可以通过加大支架底座面积来解决的。

2.2.7瓦斯、自燃发生等对放顶煤的影响

瓦斯对放顶煤没有根本的影响，只要加强通风措施保证回风巷的瓦斯含量在规定范围内即可。

但是，在老塘有冒落空洞时（如前所述），空洞里容易造成瓦斯集聚，这时应提高警惕以防不测事故发生。

对于有自燃发火的煤层，根据国外的经验，只要采取严密而有效的防灭火措施，即不会给放顶煤造成威胁。

3放顶煤液压支架

（2）我国放顶煤液压支架

目前中国在用的各类放顶煤支架约有200多套，80多种架型。

新型放顶煤支架可分为4大类：

反向四连杆大插板低位放顶煤支架:

稳定性好；连杆力小（可减小30%～50%）；后部放煤空间大，可显著提高效率和回收率；底座对底板比压分布合理，移架顺利；前后立柱工作阻力均衡，结构紧凑。

正四连杆新型高效放顶煤支架:

这种支架采用正四连杆机构，大配套和较大的机采高度，保证了后部有较大的放煤空间，支架行人通道宽畅。

这种支架是目前全国高产高效放顶煤工作面的主导架型之一。

小配套紧凑型放顶煤支架:

适应中小煤矿厚煤层开采.

两柱放顶煤支架:

最近两年新开发的放顶煤支架。

4放顶煤开采工艺

4.1采煤机割煤工艺

（d）采煤机反向割下一刀煤，输送机全长推向煤壁

（d）采煤机向下端正常割下一刀煤，输送机尾和机身推向煤壁

（g）采煤机向上端正常割下一刀煤，输送机头和机身推向煤壁

4.2放煤工艺

放煤工序滞后工作面移架工序进行，滞后距离为三架。

4.2.1放煤工艺规程

根据我国十几年综放开采的经验，综放工作面放煤工艺应遵循以下规则：

多轮、顺序、均匀放煤，大块破碎，见矸关门。

现分述如下：

多轮放煤：

在顶煤较厚的情况下（一般指厚3m以上的顶煤），顶煤垮落以后，上位顶煤由于冒落空间有限，不能充分破碎，甚至有一部分靠近直接顶的顶煤不能垮落，如果这时全部将冒落的顶煤放出，则将会因为顶煤块度大和一部分顶煤未垮落而丢失。

因此，应采用2轮或3轮（顶煤厚6m以上）放煤。

4326综放面的顶煤厚5m，应采用2轮放煤。

即第一轮放出顶煤的一半，其余的在第二轮全部放出。

顺序放煤：

在工作面全长上应从工作一端开始，顺序打开支架放煤口进行放煤，并和移架的顺序相一致。

均匀放煤：

在每个轮次放煤时，每个放煤口的放煤量，应近似相等。

一般情况下，均以放煤时间来控制，尤其对4326工作面，用电液阀控制放煤更是如此。

大块破碎：

放煤过程中如遇见大块煤，应及时用支架放煤机构的破煤装置将大块破碎。

对低位放顶煤支架而言，应用尾梁将大块挤碎或用插板将大块煤捣碎。

在4326综放工作面，是用电液阀控制放煤，在放煤过程中是靠尾梁反复摆动进行破碎大块的。

见矸关门：

当进行最后一轮放煤，放煤口出现冒落的直接顶矸石时，应及时关闭放煤窗口。

通常情况下，不一定是刚见一块矸石就关门，这样会丢失煤炭。

根据煤质要求，在有洗煤厂的情况下，可允许放出一部分矸石，以便放出更多的煤。

通常情况下，可在放煤口出现30%的含矸量时，关闭放煤口。

在4326综放工作面是靠放煤时间来控制的。

4.2.2同时打开放煤口数的确定

6.2.1循环放煤量

循环放煤量按下式计算：

Qxf=S1×h1×Lf×γ×Cf×Cg

式中：

Qxf——工作面循环放煤量，t；

S1——循环进尺，1.0m

h2——放煤高度，5m；

Lf——工作面放煤长度，296m；

γ——煤体容重，1.35t/m3；

Cf——顶煤回收率，79%；

Cg——含矸率，5%；

故：

Qxf=1×5×296×1.35×0.79×（1+0.05）=1657t

4.2.3单口放煤能力

4326工作面的顶煤厚度为5m，每个支架的待放煤量为8.4t，按照“九五”攻关期间工作面实测，单口放煤时间在60～70秒之间，单口放煤能力为4t/min。

而4326工作面放顶煤液压支架的放煤口纵向尺寸加大，后部输送机的受煤宽度由900mm增至1200mm，单口放煤能力大大提高。

但由于循环进尺由0.8m增加为1m，每架的放煤量也增加。

如考虑单架放煤时间控制在70秒以内，则单口放煤能力为7.2t/min。

4.2.4平均放煤速度

为保证工作面的均衡生产和高产高效，工作面采煤机割煤和放煤工序时间应近似相等。

即在采煤机平均割煤速度为5m/min，跑空刀速度10m/min，斜切进刀速度3.5m/min，采煤机两端反向时间（包括反向割底煤）为5min的情况下，循环割煤时间为96min。

循环放煤时间应低于割煤循环时间，按90min计算，每分钟放煤量为循环放煤量（考虑5%的矸石量为1657t）除以循环放煤时间（90min）等于18.4t/min。

循环放煤速度为3.29m/min。

4.2.5同时放煤口数

在单口放煤能力为7.2t/min的情况下，并考虑一定的多口放煤不均衡系数，则同时打开的放口煤应为：

式中：

nf——同时放煤口数，个；

Kb——不均衡系数，取K=1.3；

Qf——满足工作面产量的每分钟放煤量，18.4t/min；

QK——单口放煤能力，7.2t/min。

则：

4.2.6每轮单架放煤量的确定

放煤口打开以后，单位时间的出煤量无法计量，因而在分两轮放煤的情况下，每轮的放煤量只能以放煤时间来控制。

如前计算，单口放煤能力为7.2t/min，而每架的待放煤量为：

式中Qj——单架待放煤量，t；

b——支架宽度，1,5m；

h2——顶煤厚度，5m；

S1——循环进尺，1.0m；

即：

则单架放煤时间为：

则每轮单架放煤的时间按单架放煤时间的一半考虑为35s。

196架基本支架的实际放煤时间加上补放时间，在各工序正常运行的情况下，约为60～65min。

5放顶煤工作面的巷道布置

放顶煤工作面的巷道布置，根据不同的煤层赋存条件有一下几种：

（1）“U”形布置。

工作面采用一进一回通方式。

这种通风方式易出现工作面回风顺槽和工作面上隅角瓦斯超限。

因而不适宜高产工作面。

遇到工作面上隅角瓦斯超限时，多采用风障和小通风机进行稀释。

（2）“E”形通风系统或称“U+L”立体通风方式。

即在“U”形通风系统的基础上，在顶煤中另掘一条排瓦斯巷，形成第二条回风巷或在多数情况下，作为抽瓦斯巷。

这种方式可有效解除工作面上隅角瓦斯超限现象，并能有效地排出顶煤中释放的瓦斯。

布置在煤层顶板岩石中高抽巷亦属于此种类型通风系统。

（3）“U+L”平面多巷通风系统。

即在“U”形通风系统的基础上，增加一条巷道，形成一进两回或两进一回的通风格局。

（a）—一进两回；（b）—两进一回。

（4）“Y”形通风系统，在采用无煤柱巷旁充填护巷，进行放顶煤开采时，在采空区保留一条巷道，作为回风巷，而工作面的两个顺槽做进风用形成两进一回的通风格局。

（5）“Y+L”通风系统。

在“Y”形通风的基础上，另掘一条回风巷，形成两进两回的通风格局。

（6）“E+L”通风系统，在“E”形通风系统的基础上，为增加工作面上部的排瓦斯能力，在工作面回风巷外侧另掘一条巷道作为回风巷，形成一进两回一抽的通风格局。

（7）高瓦斯工作面采用三进两回或四进两回通风系统，下图为晋城寺河矿2307工作面通风系统图。

⏹急斜煤层是指赋存角度45°～90°的煤层。

从已开采的煤田地质资料看，其形成是几亿年来各个聚煤地区古地理基底不平，并经受地壳不均衡沉降和冲蚀作用,特别是经受过后期印支运动和燕山运动数度褶皱、断裂及伴有岩浆活动等影响，使一些煤层形成了急斜的埋藏状态。