专利名称：立井群井下无人采煤法的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种采煤方法，具体来说是一种井下无人采煤方法。
背景技术：
煤矿开采行业是一个劳动量大、危险程度高的行业。根据煤层深度、分布等地质条件，目前煤层开采有露天开采和地下开采两种方式。露天开采是将煤层上面覆岩挖走，直接露出煤层进行开采，要占用大量的土地面积。地下开采，要挖煤井，通常为立井或斜井，在采煤区还要挖复杂的平行巷道至储煤层，以便人员通行、煤的运输和通风，采煤时沿巷道采用后退式或前进式对巷道两侧的煤层进行采挖，巷道结构复杂，通常为几百米甚至上千米长，所以采煤工人必须下到井下进行采煤作业。因为人要下到地下进行采煤作用，所以地下采煤面临的最大的问题是安全问题，主要体现在(1)透水。(2)井下瓦斯爆炸。(3)塌方。另外，还有采空区造成的地表沉降问题以及矽肺等职业病问题。
随着采煤技术发展，大型自动化采煤机械例如链板或刮板输煤机、采煤机、绞车、鼓风机等出现，地下采煤工作的劳动强度已经大大降低，采煤的安全程度已经有了很大提高，但是因地质条件的复杂性以及地下采煤的特点，煤矿安全事故以及地表沉降问题仍时有发生，每年因塌方、透水、瓦斯事故均造成大量井下作业人员的伤亡，造成的经济损失较大，并给许多的家庭带来了不幸。对于矽肺的防治、环境污染以及地表沉降，国家和企业都要投入大量的资金进行治理和补偿。
发明内容
本发明的目的是针对现有的采煤方法存在的上述问题，提供一种立井群井下无人采煤法，该种采煤法不需要采煤人员进入巷道采煤，且具有自动通风效果，可防止由塌方、透水及瓦斯爆炸等造成的人员伤亡事故的发生。
本发明的立井群井下无人采煤法，在采煤区建设多个立井，构成立井群，每一立井由外井护壁和内套井构成，井底安装有伸缩式采煤机组，内套井内安装升降煤斗；立井建设完成后，在立井底部通过伸缩式采煤机进行伸缩回转采煤，形成以立井为圆心的圆形采煤区域，采出的煤由煤斗及所属机构通过内套井运出井外。
在完成一个立井采煤后，还可进行自动回填，其过程为在立井内安装鼓风机及回转流沙管，向井内通过回转流沙管灌入沙土、碎石，并用鼓风机将沙土、碎石吹向采空区域，填满后再灌入水沙浆，利用水沉法提高填入砂土的密实度。
所述的伸缩式采煤机组为两台，每一个采煤机组的采煤区域为半圆形。
所述的立井建设过程依次包括如下步骤(1)在地面安装起重机；(2)挖立井并浇筑外井护壁，形成外井；
(3)在外井井底浇筑承台机座；(4)在井下安装伸缩式采煤机组；(5)安装并固定升降煤斗用内套井，与外井构成双层套井；(6)在井内安装煤漏斗以及出煤机构、煤斗开闭机构；(7)安装煤斗系统以及煤传输系统、选煤系统、计量系统、控制室，试车。
所述的伸缩式采煤机组回转采煤过程可以由下述步骤构成(1)由控制室内计算机控制伸缩式采煤机组伸缩臂前端的带有排煤螺旋槽的半球形螺旋铣煤头向前运动，同时铣煤头通过旋转运动将煤铣碎；根据地质条件由伸缩式采煤机组安装顶柱并将其固定；(2)由伸缩式采煤机组中的刮板通过变角往复运动将铣落的煤刮到煤漏斗中，并由出煤机构和煤斗开闭机构将煤装入煤斗中，由煤斗输送出井外；采煤过程中通过改变伸缩式采煤机组的升降高度及垂直幅角来适应煤层的厚度及水平倾角；(3)伸缩式采煤机组行进到极限长度后收回并水平旋转一定角度继续行进采煤，形成以内套井为圆心的圆形采煤区；(4)采出的煤通过煤斗由内套井运出井外，煤斗在内套井升降过程中，通过内套井和内套井与外井壁之间的空间向井内鼓入空气并将井内气体排出井外，实现井内空气置换；(5)采煤区采完后拆出井下设备，在新采煤区域进行下一次采煤过程。
所述的伸缩式自动采煤机组由多节液压伸缩臂以及伸缩臂前端的半球形螺旋铣煤头构成，在第一节伸缩臂上位于半球形铣煤头后方固定有两对竖向液压缸构成的行进支架，行进支架固定在水平液压缸及导向轴上，随伸缩臂的伸出和回缩，两对行进支架交替行进对伸缩臂进行支撑。
所述的伸缩式自动采煤机组中的刮板一端铰接在一个刮板架上，刮板架滑动安装在所述的伸缩臂上，刮板架上有滑轮，滑轮上绕有钢丝绳，通过用钢丝绳向前和向后拉滑轮使刮板向前和向后沿伸缩臂滑动，向前和向后运动时改变刮板倾角，将煤向井底的漏斗处刮送。
所述的顶柱安装过程为，通过升降机将顶柱由内套井与外井护壁之间吊入井内，由伸缩式采煤机组伸缩臂上的V形传送带和刮板机送到指定位置，由伸缩臂上的雷达系统对顶面进行探测以确定裂缝和断层的分布，并确定顶柱安装位置，由伸缩臂上的机械手将顶柱竖放在指定位置，并通过半球形铣煤头旋转在离心力的作用下将铣煤头内的推盘顶出，通过推盘顶顶柱上的锁紧楔将顶柱锁紧楔住。
所述的外井护壁浇筑采用整体滑模砼浇筑方式边挖井边固定，完成后将滑模拼板吊出。
所述的内套井由多节井筒构件组合而成，并通过拉杆与外井护壁进行固定。
本发明的立井群井下无人采煤法同传统的采煤方式相比具有如下优点(1)在采煤区通过建立多个双层套井式立井，由安装在立井井底的伸缩式采煤机组进行伸缩回转采煤，形成以立井为圆心的圆形采煤区域。这种采煤方法无需建复杂的巷道，并且由于采煤过程是由伸缩式采煤机组通过伸缩臂向前伸和向后缩形成直线推进采煤，并通过回转对圆形的采煤区域进行采掘，该采煤机组的动作是由井上控制室的计算机进行控制，因此采煤过程中无需人在井下作业，所以可以防止因塌方、透水、瓦斯爆炸等事故造成的人员伤亡。
(2)每一立井形成一个圆形采煤区域，通过由多个立井构成的立井群对煤层区域进行采挖，不需要建复杂的巷道及通风系统。
(3)采用外井和内套井双层井结构，通过煤斗在内套井内的升降实现井内气体的置换，防止瓦斯聚集，不但换气效果好，而且不需专门的设备，可降低成本，内套井与外井壁之间的空间形成顶柱的运输通道，以及电缆、液压管路布置通道，结构简单。
(4)一口立井采煤完成后，通过将沙土等吹入采空区并灌注水沙浆的方式能够对采空区进行有效回填，防止采空区地表沉降造成的危害和损失。
(5)内套井、井下的伸缩式采煤机组、煤斗等可以多次使用，降低了采煤成本。
(6)与露天采煤相比，减少了土地占用面积，其占用面积不足露天采煤的1％。
图1为本发明的立井群井下无人采煤法立井布置示意图；图2为立井的结构示意图；图3为伸缩式采煤机组的结构示意图；
图4为顶柱安装示意图；图5和图6为立井建设示意图；图7为出煤机构示意图；图8为吹沙回填示意图；图9为回填时灌水沙浆示意图；图10至图13为井内空气置换原理图。
具体实施例方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明的立井群井下无人采煤法作进一步说明，以助于理解本发明的内容。
本发明的立井群井下无人采煤法，通过对采煤区进行系统钻探后，对煤层分布情况及覆盖层地质状况进行全面勘查，以确定立井群的分布和数量，以及立井深度。根据勘察情况，在采煤区建多口立井，构成立井群。图1示出了五口立井构成的立井群的布局示意，每口立井1、2、3、4、5形成以立井为圆心的圆形采煤区，每口立井内采用两台伸缩式采煤机组10，每一台伸缩式采煤机组10的采煤区为一个半圆形，由伸缩式采煤机组进行伸缩、回转采掘，根据采空区的情况用顶柱6固顶，以防止坍塌。由于在相邻的单井采煤区之间有残留区部分，因此为提高煤层的开采率，立井呈三角形布局，以尽量减少残留区部分的面积。
如图2所示，每一立井由外井护壁7和内套井8构成。为便于内套井8的安装和重复使用，内套井8由多节井筒构件组合而成，并通过拉杆9与外井护壁7进行固定，形成双层套井结构。内套井8形成煤斗81的升降通道，内套井8与外井护壁7之间的空间形成线缆、管道的布置通道。井底的承台上安装有两套伸缩式采煤机组10，内套井8内安装有升降煤斗81，井上有起重机100、控制室101以及选煤机组、计量装置(图中省略)等采煤常用设备。伸缩式采煤机组10采用液压驱动，液压站13安装在井内。通过主轴12可以在水平方向转动，以便于回转采煤；液压缸11控制在竖向上改变采煤幅角，竖向液压缸38改变采煤机组高度。井底有斜煤槽式的煤漏斗14使采出的煤可自动流入煤斗81内。
参照图2所示，每一个立井的建设方法为(1)确定立井井位后，在地面安装起重机起重机采用龙门架式起重机，可采用挖基坑浇筑或采用灌桩的方式打钢筋砼地基，然后安装起重机架。(2)挖立井并浇筑护壁，形成外井如图5所示，在起重机100下方的井位处用挖掘机200挖立井，结合爆破手段，边挖掘边采用现有的滑模固井技术利用滑模120用钢筋砼浇筑护壁，形成外井护壁7。立井挖好后用起重机将滑模模板拆开吊出井外，并把挖掘机200吊出。(3)如图6所示，在立井井底浇筑承台机座15用钢筋砼在井底浇筑承台机座15，即安装伸缩式采煤机组及内套井用的基础。(4)在井下安装行进伸缩式采煤机组将伸缩式采煤机组各部件用起重机吊入井内，组装并安装固定在浇筑的承台15上。(5)安装并固定升降机用内套井8，与外井壁7构成双层套井将已经预制后的井筒构件用起重机吊入立井内，一节节重叠安装，并用拉杆9使其与外井壁7固定，形成煤斗用的内套井8。(6)在井内安装煤漏斗14、出煤机构、煤斗开闭机构在井底安装用于将煤倒入煤斗81内的煤漏斗14以及控制煤漏斗内的煤向煤斗81流入的出煤机构。出煤机构如图7所示，由一个导槽89和闸板86构成，导槽89通过拉线组件88与闸板86连接固定，并绕过一个滑轮87。闸板86下落将出煤口闸住，同时通过拉线88将导槽89拉起，行程开关90用于获得煤斗位置信号，以控制出煤机构动作。反之闸板86上移打开，并通过导槽89自重使导槽89下放，使斜槽式煤漏斗内的煤自动通过导槽89流入煤斗81内。(7)安装煤斗系统、井外的煤传输系统、选煤系统、计量系统、控制室，上述系统均是现有技术，因此不再一一描述，最后进行试车。
所述的伸缩式自动采煤机组如图2和图3、图4所示，由多节液压伸缩臂22以及伸缩臂前端的半球形螺旋铣煤头21构成，液压伸缩臂22一端铰接在一个通过轴承竖向安装的主轴12上，并通过一个变幅液压缸11使其可在竖向改变幅角，通过竖向液压缸38改变采煤机组的高度。伸缩臂22采用九节，在第九节一侧有V型护顶顶柱传送机23，第一节伸缩臂端部通过开采臂总成37安装有半球形带螺旋槽的铣煤头21，铣煤头21前端有硬度仪(图中未示出)能够测定煤层硬度，在铣煤头后方有光学测距仪24和断层探测雷达28，以及两组行进支架，行进支架由安装在水平液压缸27、36上的两个竖向液压缸25、26构成。刮板机结构为在伸缩臂上有刮板架30，刮板33顶部29绞接在刮板架30上，刮板33中部有滑轮31，并通过钢丝绳35向前或向后拉滑轮31使刮板33可沿伸缩臂22前进和后退，前进时因滑轮31被向前拉，刮板33前端翘起，向后拉时前端下落使下方的刮板插在铣煤头铣掉的煤内并向后刮。在刮板架上还有托板32用来运送顶柱。
所述的伸缩式采煤机组的伸缩回转采煤过程由下述步骤构成(1)由控制室内的计算机控制伸缩式采煤机组的伸缩臂前端的带有排煤螺旋槽的半球形螺旋铣煤头21向前伸顶在煤层上，同时铣煤头21通过旋转运动将煤铣碎，随着铣煤头21向前移动，通过两个行进支架的水平液压缸27、36以及竖向液压缸25、26动作，使两个行进支架依次向前或向后移动并对伸缩臂端部形成竖向支撑，在开采过程中根据顶面情况安装顶柱；通过液压缸11控制伸缩臂的仰角，通过纵向液压缸38改变采煤机组高度来改变采煤层的深度，以适应厚煤层或斜煤层的需要；(2)伸缩式采煤机组中的刮板33通过变角往复运动将铣落的煤刮到煤漏斗中，并由出煤机构和煤斗开闭机构将煤装入煤斗81系统中，输送出井外；(3)伸缩式采煤机组行进到极限长度后收回并水平旋转一定角度继续行进采煤，形成以立井为圆心的半圆形采煤区，两个伸缩式采煤机组则构成一个圆形采煤区；(4)采出的煤通过煤斗81由内套井8运出井外，煤斗81在内套井8内升降过程中，通过内套井8和内套井与外井壁之间的空间向井内鼓入空气并将井内气体排出井外；(5)采煤区采完后拆出井下设备，在新采煤区域进行下一次采煤过程。
根据需要对采空区要用顶柱6固顶，顶柱6安装过程如图4并参照图2所示，将顶柱6由内套井8与外井壁9之间的空间吊下，落到伸缩式采煤机一侧的V型输送带23上向前输送，然后由刮板机上的托板32将顶柱输送到前端，通过顶柱安装机构手总成34将顶柱逐渐立起，顶柱6由两节组成，两节之间通过连杆相插接，连接处有楔形锁紧顶楔61，铣煤头21旋转使半球形铣煤头21内的离心球62在离心力作用下顶推力盘63，使推力盘63向外顶出，把顶柱上的锁紧楔61顶紧，使顶柱6伸长两端顶在采空区地表和顶壁之间。
在完成一个立井采煤后，还可进行自动回填，其回填方法如图所示，将立井内的设备以及内套井8拆出后，在井内装鼓风机75，通过两个底端有弯头77的流沙管76向井内装干沙土、碎石等材料，用鼓风机75将上述材料吹向采空区，通过改变弯头77的方向，使整个采空区基本填满干沙土、碎石等材料，然后灌入由79和沙土混成的水沙浆，使水沙浆流向顶部未填充完的间隙部分，通过水沉入下面的干沙土层内，使沙子逐渐填满采空区，以防止采空区的地表沉降。
虽然井下无人作业，但如果瓦斯在井内聚集至爆炸极限浓度仍可能会发生瓦斯燃烧或爆炸事故。本发明的立井群井采用双层套井结构，无需安装特定的通风设备，在采煤过程中会形成自动通风，其原理如图10所示，当煤斗81位于内套井8底部时，由于内套井上方气流流动和高差，形成P2＞P3＞P0＞P1的压力差，使井下气体沿内套井8向上流动，由于气体流动使P2下降，上方空气沿外井壁与内套井8之间的空间向下流动。如图11所示，在煤斗81上升过程中，煤斗81相当于内套井8内的活塞，内套井8内煤斗81上方压力增大，下方压力大幅下降，使井内气体被吸入内套井8，造成井内采空区出现负压，此时井外空气通过外井壁与内套井8之间的空间进入井内。如图12所示，当煤斗81离开内套井8时，空气进入内套井81。如图13所示，当煤斗81下降时，使内套井8内气体被压入井内，使井内刚进入的空气流向采空区，完成气体的置换。
权利要求
1.一种立井群井下无人采煤法，其特征在于在采煤区建多个立井，构成立井群，每一立井由外井护壁和内套井构成，井底安装有伸缩式采煤机组，内套井内安装升降煤斗；立井建设完成后，在立井底部通过伸缩式采煤机进行伸缩回转采煤，形成以立井为圆心的圆形采煤区域，采出的煤由煤斗通过内套井运出井外。
2.如权利要求1所述的立井群井下无人采煤法，其特征在于在完成一个立井采煤后，在立井内安装鼓风机及回转流沙管，通过回转流沙管向井内灌入沙土、碎石，并用鼓风机吹向采空区域，填满后再灌入水沙浆。
3.如权利要求1或2所述的立井群井下无人采煤法，其特征在于所述的伸缩式采煤机组为两台，每一个采煤机组的采煤区域为半圆形。
4.如权利要求3所述的立井群井下无人采煤法，其特征在于所述的立井的建设过程依次包括如下步骤(1)在地面安装起重机；(2)挖立井并浇筑外井护壁，形成外井；(3)在外井井底浇筑承台机座；(4)在井下安装伸缩式采煤机组；(5)安装并固定升降煤斗用的内套井，与外井构成双层套井；(6)在井内安装煤漏斗、出煤机构、煤斗开闭机构；(7)安装煤斗系统以及煤传输系统、选煤系统、计量系统、控制室，试车。
5.如权利要求3所述的立井群井下无人采煤法，其特征在于，所述的伸缩式采煤机组回转采煤过程由下述步骤构成(1)由控制室内计算机控制伸缩式采煤机组伸缩臂前端的带有排煤螺旋槽的半球形螺旋铣煤头向前运动，同时铣煤头通过旋转运动将煤铣碎；采出一定空间后，根据地质条件由伸缩式采煤机组安装顶柱并将其固定；(2)由伸缩式采煤机组中的刮板通过变角往复运动将铣落的煤刮到煤漏斗中，并由出煤机构和煤斗开闭机构将煤装入煤斗中，由煤斗输送出井外；采煤过程中通过改变伸缩式采煤机组的升降高度及垂直幅角来适应煤层的厚度及水平倾角；(3)伸缩式采煤机组行进到极限长度后收回并水平旋转一定角度继续行进采煤，形成以内套井为圆心的圆形采煤区；(4)采出的煤通过煤斗由内套井运出井外，煤斗在内套井内升降过程中，通过内套井和内套井与外井壁之间的空间向井内鼓入空气并将井内气体排出井外，实现井内空气置换；(5)采煤区采完后拆出井下设备，在新采煤区域进行下一次采煤过程。
6.如权利要求5所述的立井群井下无人采煤法，其特征在于所述的伸缩式自动采煤机组由多节液压伸缩臂以及伸缩臂前端的半球形螺旋铣煤头构成，在第一节伸缩臂上位于半球形铣煤头后方固定有两对竖向液压缸构成的行进支架，行进支架固定在水平液压缸上，随伸缩臂的伸出和回缩，两对行进支架交替行进或后退对伸缩臂形成支撑。
7.如权利要求6所述的立井群井下无人采煤法，其特征在于所述的伸缩式自动采煤机组中的刮板一端铰接在一个刮板架上，刮板架滑动安装在所述的伸缩臂上，刮板架上有滑轮，滑轮上绕有钢丝绳，通过用钢丝绳向前和向后拉滑轮使刮板向前和向后沿伸缩臂滑动，向前和向后运动时改变刮板倾角，将煤向井底的漏斗处刮送。
8.如权利要求5所述的立井群井下无人采煤法，其特征在于所述的顶柱安装过程为通过升降机将顶柱由内套井与外井护壁之间吊入井内，由伸缩式采煤机组伸缩臂上的V形传送带和刮板机输送到指定位置，由伸缩臂上的雷达系统对顶面进行探测以确定裂缝和断层的分布，并确定顶柱安装位置，由伸缩臂上的机械手将顶柱竖放在指定位置，并通过半球形铣煤头旋转在离心力的作用下将铣煤头内的推盘顶出，通过推盘顶顶柱上的锁紧楔将顶柱锁紧楔住。
9.如权利要求1或2所述的立井群井下无人采煤法，其特征在于所述的外井护壁浇筑采用滑模砼浇筑方式边挖井边固定，完成后将滑模拼板吊出。
10.如权利要求1或2所述的立井群井下无人采煤法，其特征在于所述的内套井由多节井筒构件组合而成，并通过拉杆与外井护壁进行固定。
全文摘要
一种立井群井下无人采煤法，在采煤区建多个立井，构成立井群，每一立井由外井护壁和内套井构成，井底安装有伸缩式采煤机组，内套井内安装升降煤斗；立井建设完成后，在立井底部通过伸缩式采煤机进行伸缩回转采煤，形成以立井为圆心的圆形采煤区域，采出的煤由煤斗通过内套井运出井外。这种立井群井下无人采煤法，可有效防止塌方、透水及瓦斯造成人员伤亡事故的发生，而且占地面积小。
文档编号E21C25/68GK1632285SQ200510005198
公开日2005年6月29日 申请日期2005年2月1日 优先权日2005年2月1日
发明者史记 申请人:史记