专利名称：特厚煤层(14～20m)大采高综放开采工艺技术的制作方法
技术领域：
本发明属于煤炭开采技术。
背景技术：
我国厚煤层可采储量约占全国可采储量的43%，每年地下开采的厚煤层煤炭产量 约占全国煤炭产量的40% 50%，因此，厚煤层实现安全、高效、高回收率开采对我国煤炭 工业的发展具有重要影响。自20世纪80年代开始，我国对厚煤层机械化采煤方法进行了 大量的试验研究，逐步形成了中国厚煤层开采技术体系，主要采煤方法有分层综采、大采高 综采和综放开采。1、分层综采是将厚煤层划分为若干个中等厚度(2.0 3. Om)的分层，依次对各分 层进行长壁综采。分层开采是成熟的技术，但是生产工序复杂、巷道掘进工程量大、顶板管 理困难，对于易于发火的煤层反复揭露后更易发火，开采成本较高，工作面产量较低，目前 这种采煤方法已基本被淘汰。2、大采高综采是将3. 5 6. Om厚煤层一次采出的综合机械化长壁采煤法。目前 国内采用进口装备的大采高综采工作面年产量最高已达1000万t以上，最高月产已突破 100万t。采用全套国产装备的大采高综采工作面年产量也达到了 600万t，大采高综采已 成为3. 5 6. Om煤层实现安全、高效开采的主要途径。但这种采法割煤高度大，煤壁片帮 愈严重，且对煤层赋存条件、设备可靠性和稳定性要求高，目前大采高综采工作面最大采高 为6. Om,6. Om以上的煤层一般均采用综放开采方式。3、综放开采是在特厚煤层中沿煤层底板布置长壁工作面，在工作面进行机采的同 时，利用矿山压力的作用或辅以人工松动方法，将工作面支架上方的顶煤破碎，从支架放煤 口放落，由后部刮板输送机运出工作面的特厚煤层开采方法。综放开采具备产量高、工效 高、掘进工程量低、生产成本低等突出优点，得到了大面积的推广。经过国家“九五”、“十五” 技术攻关，我国综放开采技术已达到世界领先水平，出现了潞安、兖州、阳泉、大同等以综放 开采为主的大型高产高效矿区，目前国产装备条件下综放队年产量已超过600万t。综放开 采已经成为厚煤层矿区实现高产高效的主要途径。与大采高综采相比，目前我国综放工作面最大割煤高度偏低，最大割煤高度仅为 3. 5m。受割煤高度的限制，综放工作面装备能力与大采高综采工作面相比具有明显的差距； 另外对于特厚煤层，单位时间内开采强度加大，绝对瓦斯涌出量大，加之采高小，通风断面 小，常常引起工作面瓦斯超限，严重制约综放工作面安全高效开采，对于特厚煤层，采放比 例失衡严重，不利于高产。
发明内容
本发明的目的是借鉴大采高综采技术和综放开采技术的特点，提出特厚煤层大采 高综放开采的采煤方法，以解决特厚煤层开采中所存在的采放比例失衡严重、工作面瓦斯 超限、工作面压架等技术难题，进一步提高我国这类煤层综放开采的技术水平。这种采煤方法可简单定义为工作面割煤高度为3. 5 5. Om的综放开采。技术难题1 采放比例失衡严重。原对于14 20米厚的特厚煤层，最大采高3. 5 米左右，采放比1 3 1 5，通过本发明将采高从3. 5米左右提高到4. 5 5m，将采放 比降低到1 3，解决采放比超标问题。技术难题2 工作面瓦斯超限。本发明将采高从3. 0 3. 5米增大到4. 5 5. 0 米，通风断面从17. 6 20. 5米2增大到26. 5 29. 4米2，可以将瓦斯浓度从1 %以上降低 到0. 3 0. 7%，解决工作面瓦斯超限问题。技术难题3 工作面顶板来压压坏支架。原支架支护强度较低，一般1.05 1. 24MPa，会带来工作面压架问题，本发明ZF15000/28/52支架加大了支护强度到1. 4IMPa, 会极大改善或消除压架难题。本发明的技术方案(1)工作面参数优化与工艺研究工作面参数指工作面割煤高度、长度、截深等。工艺主要指放煤工艺。工作面参数优化方法运用FLAC3d进行工作面不同参数(割煤高度、长度、截深等)的宏观力学计算，研 究不同参数条件下矿压显现规律、顶煤的冒放性，从而确定合理的工作面参数。运用3DEC模拟计算工作面不同割煤高度时煤壁与端面稳定性，采用物理模拟与 PFC3d数值模拟方法研究不同采放比的散体顶煤放出规律，从而得出大采高综放工作面合理 割煤高度。合理割煤高度为4. 2 4. 8米；工作面长度为200 280米；采煤机截深为0. 8 1米。工作面工艺优化方法采用物理模拟和数值模拟计算，研究不同放煤工艺(放煤步距、放煤方式)等条件 下的顶煤冒放规律，从而确定合理的放煤工艺。合理的放煤工艺为放煤步距是一采一放；放煤方式是2人2轮顺序放煤。进行工业性试验，采用现场实测方法验证工作面参数和综放工艺的合理性，并进 一步进行工作面参数和综放工艺优化研究。(2)设备选型配套方法采用理论分析，研究大采高综放支架合理架型；根据支架与围岩相互作用原理，采 用FLAC3d进行支架工作阻力计算，并结合理论分析，建立支架支护阻力与岩层结构相对应 的计算力学模型。大同特厚煤层大采高综放支架合理架型为四柱支撑掩护式，支架最大支撑高度达 到5.2米，为目前世界最高的放顶煤支架，支架合理工作阻力为14500 16500KN。支架采 用恒阻抗冲击立柱，并采用新型双四连杆中通式大空间放顶煤支架稳定机构，前后连杆间 保持了宽敞的行人空间，方便人员安全通过和对后部放煤的观测和控制。采用实测与回归统计方法，建立一套工作面主要设备(前后刮板输送机、采煤机、 转载机、破碎机、顺槽皮带运输机等)生产能力和设备参数的科学计算方法，为大采高综放 工作面设备选型提供依据。
设备生产能力为采煤机2000t/h，前运输机2500t/h，后运输机3000t/h，转载机 3500t/h,破碎机4250t/h，胶带运输机3500t/h。设备参数(功率)为采煤机1915KW，前运输机2X855KW，后运输机2X1000KW， 转载机450KW，破碎机400KW，胶带运输机3X500KW。供电电压均选用3300V。(3)工业性试验①顶煤、顶板活动规律研究在工作面掘进专门的观测巷，用钻机钻孔安装顶煤顶板运移轨迹跟踪检波器，采 用顶煤顶板运移轨迹跟踪仪对顶煤顶板进行三维运动实测，研究顶煤顶板时空运移规律 (水平位移、垂直位移、倾向位移以及随时间变化的运移规律)。采用微震监测定位系统实时监测采场覆岩破裂，研究动态破坏特征，实现对顶板 破裂位置的预测预报。②矿压观测现场观测工作面支架阻力的变化过程情况、支架活柱下缩量、工作面及两巷顶底 板移近量、端面顶板情况、片帮情况等。③工艺观测现场观测不同的放煤工艺(一刀一放、两刀一放等)对顶煤回收率的影响。④片帮防治方法对煤壁片帮规律进行数值模拟研究。主要内容为1)不同推进度时采场围岩力学特征及煤壁片帮规律，确定合适的推进速度。2)不同端面距时采场围岩力学特征及煤壁片帮规律，确定合理的端面距。研究大采高综放工作面顶板控制技术和煤壁片帮防治技术。采用现场实测方法，对煤壁片帮深度、面积等进行观测。提出大采高综放工作面煤壁片帮综合防治措施，完善煤壁片帮机理理论及煤壁片 帮防治技术。1)推进速度以大于5 6米/天为宜，减少煤壁暴露时间，以降低煤壁片帮程度。2)严格控制端面距在300mm之内，及时伸出前梁，打出护帮板，必要时超前拉架。 拉架工要求追机拉架，拉架滞后机组上滚筒3-5个架。3)严格工程质量。工作面必须采直割平，不留伞檐；顶梁上的浮煤及时清理，提高 支架的有效支护面积。4)煤壁片帮严重时，可以对煤壁进行加固(煤壁木锚杆、超前注水等措施)防治煤 壁片帮。⑤提高回收率技术方法采用解析法理论研究减少大采高综放开采初采、末采时工作面煤炭回收率的方 法。采用FLAC3d数值模拟研究末采期间超前应力分布规律，并结合理论计算研究合理 的工作面不放煤长度，减小末采损失。提出一系列提高大采高综放工作面回收率的技术途径。
采用人工辅助切眼拉槽提高初采期间顶煤回采率；合理的工作面停采不放煤长度 为40米 50米；(4)分析矿压、优化工艺在现场试验的基础上，结合理论综合分析大采高综放的顶煤、顶板活动规律，优化 放煤工艺，提高回收率。(5)大采高综放开采适应性评价软件开发采用数值模拟、理论分析、模糊聚类与层次分析的方法，研究影响大采高综放煤壁 稳定性、顶煤冒放性、大采高综放安全的主要因素，确定大采高综放开采可行性评价指标和 适合条件。采用VB编程平台，研发大采高综放开采适应性评价体系软件，以实现输入煤层及 围岩条件以及影响大采高综放开采的主要因素，能评价出大采高综放适应性等级(如A 级_适应性很好，可以采用大采高综放；B级-适应性较好，建议采用大采高综放；C级-适 应性一般，采取一定措施可以采用大采高综放；D级-适应性较差，建议采用其它开采方 法)。大采高综放开采可行性评价指标为煤层厚度、顶煤冒放性、煤壁稳定性、顶板来压 强度。适合条件煤层厚度14 20米；顶煤冒放性、煤壁稳定性均采用综合评价指数， 具体指数界限分别为1. 2,1. 3 ；顶板来压强度为< 2. 0。(6)以上研究工作均完成后，将形成全套的大采高综放开采工艺技术a、合理的工作面参数(工作面割煤高度、工作面长度、采煤机截深)，合理的放煤 工艺(放煤步距、放煤方式)。b、以液压支架为关键设备的整套工作面设备(前后刮板输送机、采煤机、转载机、 破碎机、顺槽皮带运输机等)配套技术。C、特厚煤层顶煤、顶板活动规律。d、皮帮防治技术及提高顶煤回收率技术。e、大采高综放开采适应性评价软件。总之本发明的具体技术方案为一种综放开采的采煤方法，其工艺流程包括割煤、移架、移前部输送机、放顶煤、 移后部输送机、采取一刀一放的作业方式，其特征在于提出特厚煤层大采高综放开采的采 煤方法、放煤工艺、支架合理架型、设备生产能力、工作面煤壁片帮综合防治措施防治技术、 提高大采高综放工作面回收率的技术途径、大采高综放开采可行性评价指标为煤层厚度、 顶煤冒放性、煤壁稳定性、顶板来压强度；形成全套的大采高综放开采工艺技术。所述的综放开采的采煤方法，其特征在于特厚煤层大采高综放开采的采煤方法为 割煤高度为4. 2 4. 8米；工作面长度为200 280米；采煤机截深为0. 8 1米。所述的综放开采的采煤方法，其特征在于放煤工艺为放煤步距是一采一放 ’放 煤方式是2人2轮顺序放煤。所述的综放开采的采煤方法，其特征在于特厚煤层大采高综放支架合理架型为四 柱支撑掩护式，支架最大支撑高度达到5. 2米，支架合理工作阻力为14500 16500KN ；支 架采用恒阻抗冲击立柱，并采用新型双四连杆中通式大空间放顶煤支架稳定机构，前后连杆间保持了宽敞的行人空间，方便人员安全通过和对后部放煤的观测和控制。所述的综放开采的采煤方法，其特征在于设备生产能力为采煤机2000t/h，前 运输机2500t/h，后运输机3000t/h，转载机3500t/h，破碎机4250t/h，胶带运输机3500t/ h;设备参数(功率)为采煤机1915KW，前运输机2X855KW，后运输机2X1000KW，转载机 450KW，破碎机400KW，胶带运输机3X500KW，供电电压均选用3300V。所述的综放开采的采煤方法，其特征在于大采高综放工作面煤壁片帮综合防治措 施1)推进速度以大于5 6米/天为宜，减少煤壁暴露时间，以降低煤壁片帮程度；2)严格控制端面距在300mm之内，及时伸出前梁，打出护帮板，必要时超前拉架； 拉架工要求追机拉架，拉架滞后机组上滚筒3-5个架。3)严格工程质量。工作面必须采直割平，不留伞檐；顶梁上的浮煤及时清理，提高 支架的有效支护面积；4)煤壁片帮严重时，可以对煤壁进行加固(煤壁木锚杆、超前注水等措施)防治煤 壁片帮；所述的综放开采的采煤方法，其特征在于提出提高大采高综放工作面回收率的技 术途径采用人工辅助切眼拉槽提高初采期间顶煤回采率；合理的工作面停采不放煤长度 为40米 50米。所述的综放开采的采煤方法，其特征在于大采高综放开采可行性评价指标为煤 层厚度、顶煤冒放性、煤壁稳定性、顶板来压强度；适合条件煤层厚度14 20米；顶煤 冒放性、煤壁稳定性均采用综合评价指数，具体指数界限分别为1. 2,1. 3 ；顶板来压强度为 < 2. 0。有益效果由于割煤高度的加大，放煤高度相应减小，与以前综放开采相比，有以下优点① 优化了采放比，使之从1 3 1 5降低到1 3，符合了《煤矿安全规程》的规定；② 通过加大割煤高度，增大了割煤量29% 43%，缩短了放煤时间6 9%，相对减小了放煤 量6 9%，可提高工作面单产水平2500 3000吨/日，可实现工作面采放相对的均衡生 产，；③由于使用ZF15000/28/52支架，支架的支护强度高达1.41MPa，较以往支架的1.05 1. 24MPa的支护强度有大幅度的提高，解决了压架难题；④由于使用ZF15000/28/52支架初 撑力高达12778KN，较以往的ZF13000/25/38支架的10096KN的初撑力有较大提高，使支架 与顶煤的相互作用力大大增加，增大了采场矿山压力的破煤作用，有利于改善顶煤冒放性， 提高顶煤回收率；⑤加大了支架后部放煤空间，可布置大功率运输机，有利于快速放煤；⑥ 加大了工作面通风断面，将采高从3. 0 3. 5米增大到4. 5 5. 0米，通风断面从17. 6 20. 5米2增大到26. 5 29. 4米2，有利于瓦斯的稀释，可以将瓦斯浓度从1 %以上降低到 0. 3 0. 7%，解决了工作面瓦斯超限问题。大采高综放开采可以进一步提高工作面单产6 10%和资源回收率5 10%，降 低了采放比到1 3以下，消除了工作面的瓦斯超限的隐患，对实现特厚煤层安全、高效、高 回收率开采具有重要意义
具体实施例方式本项目在同煤集团塔山矿8105面使用，并在同煤集团塔山矿8106面、8107面、 8108面使用。本项目在同忻矿8106、8107面推广使用，并在同煤集团新井麻家梁、同发东周窑 等矿推广使用。实施例1本项目在同煤集团塔山矿8105面使用
特厚煤层大采高综放开采的采煤方法为割煤高度4. 8米；工作面长度为207米； 采煤机截深为0.8米。放煤工艺为放煤步距是一采一放；放煤方式是2人2轮顺序放煤。特厚煤层大采高综放支架合理架型为四柱支撑掩护式，支架最大支撑高度达到 5. 2米，支架工作阻力为15000KN ；支架采用恒阻抗冲击立柱，并采用新型双四连杆中通式 大空间放顶煤支架稳定机构，前后连杆间保持了宽敞的行人空间。设备生产能力为采煤机2000t/h，前运输机2500t/h，后运输机3000t/h，转载机 3500t/h，破碎机4250t/h，胶带运输机3500t/h ；大采高综放工作面煤壁片帮综合防治措施1)推进速度大于5米/天，减少煤壁暴露时间，以降低煤壁片帮程度；2)严格控制端面距在300mm之内，及时伸出前梁，打出护帮板；提高大采高综放工作面回收率的技术途径采用人工辅助切眼拉槽提高初采期间 顶煤回采率；工作面停采不放煤长度为40米。大采高综放开采可行性评价指标为煤层厚度、顶煤冒放性、煤壁稳定性、顶板来 压强度；适合条件煤层厚度20米；顶煤冒放性、煤壁稳定性均采用综合评价指数分别为 1. 2,1. 3 ；顶板来压强度为< 2. 0。通过加大割煤高度，增大了割煤量43%，缩短了放煤时间9%，相对减小了放煤量 9 %，可提高工作面单产水平2500吨/日，可实现工作面采放相对的均衡生产，提高工作面 单产6%和资源回收率5%。实施例2在同煤集团塔山矿8106面、8107面特厚煤层大采高综放开采的采煤方法为割煤高度为4. 2米；工作面长度为250米； 采煤机截深为1米。放煤工艺为放煤步距是一采一放；放煤方式是2人2轮顺序放煤。特厚煤层大采高综放支架合理架型为四柱支撑掩护式，支架最大支撑高度达到 5. 2米，支架工作阻力为15000KN ；支架采用恒阻抗冲击立柱，并采用新型双四连杆中通式 大空间放顶煤支架稳定机构，前后连杆间保持了宽敞的行人空间。设备生产能力为采煤机2000t/h，前运输机2500t/h，后运输机3000t/h，转载机 3500t/h，破碎机4250t/h，胶带运输机3500t/h ；大采高综放工作面煤壁片帮综合防治措施1)推进速度大于6米/天，减少煤壁暴露时间，以降低煤壁片帮程度；2)严格控制端面距在300mm之内，及时伸出前梁，打出护帮板；提高大采高综放工作面回收率的技术途径采用人工辅助切眼拉槽提高初采期间 顶煤回采率；工作面停采不放煤长度为50米。
大采高综放开采可行性评价指标为煤层厚度、顶煤冒放性、煤壁稳定性、顶板来 压强度；适合条件煤层厚度18米；顶煤冒放性、煤壁稳定性均采用综合评价指数分别为 1. 2,1. 3 ；顶板来压强度为< 2. 0。通过加大割煤高度，增大了割煤量2 9%，缩短了放煤时间6%，相对减小了放煤量 6%，可提高工作面单产水平3000吨/日，可实现工作面采放相对的均衡生产。实施例3在同煤集团塔山矿8108面使用。特厚煤层大采高综放开采的采煤方法为割煤高度为4. 5米；工作面长度为280米； 采煤机截深为1米。放煤工艺为放煤步距是一采一放；放煤方式是2人2轮顺序放煤。特厚煤层大采高综放支架合理架型为四柱支撑掩护式，支架最大支撑高度达到 5. 2米，支架工作阻力为16500KN ；支架采用恒阻抗冲击立柱，并采用新型双四连杆中通式 大空间放顶煤支架稳定机构，前后连杆间保持了宽敞的行人空间。设备生产能力为采煤机2000t/h，前运输机2500t/h，后运输机3000t/h，转载机 3500t/h，破碎机4250t/h，胶带运输机3500t/h ；大采高综放工作面煤壁片帮综合防治措施1)推进速度大于6米/天，减少煤壁暴露时间，以降低煤壁片帮程度；2)严格控制端面距在300mm之内，及时伸出前梁，打出护帮板；提高大采高综放工作面回收率的技术途径采用人工辅助切眼拉槽提高初采期间 顶煤回采率；工作面停采不放煤长度为40米。大采高综放开采可行性评价指标为煤层厚度、顶煤冒放性、煤壁稳定性、顶板来 压强度；适合条件煤层厚度14米；顶煤冒放性、煤壁稳定性均采用综合评价指数分别为 1. 2,1. 3 ；顶板来压强度为< 2. 0。通过加大割煤高度，增大了割煤量35%，缩短了放煤时间7%，相对减小了放煤量 ，可提高工作面单产水平2800吨/日，可实现工作面采放相对的均衡生产。
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权利要求
一种综放开采的采煤方法，其工艺流程包括割煤、移架、移前部输送机、放顶煤、移后部输送机、采取一刀一放的作业方式，其特征在于提出特厚煤层大采高综放开采的采煤方法、放煤工艺、支架合理架型、设备生产能力、工作面煤壁片帮综合防治措施防治技术、提高大采高综放工作面回收率的技术途径、大采高综放开采可行性评价指标为煤层厚度、顶煤冒放性、煤壁稳定性、顶板来压强度；形成全套的大采高综放开采工艺技术。
2.根据权利要求1所述的综放开采的采煤方法，其特征在于特厚煤层大采高综放开采 的采煤方法为割煤高度为4. 2 4. 8米；工作面长度为200 280米；采煤机截深为0. 8 1米。
3.根据权利要求1所述的综放开采的采煤方法，其特征在于放煤工艺为放煤步距是 一采一放；放煤方式是2人2轮顺序放煤。
4.根据权利要求1所述的综放开采的采煤方法，其特征在于特厚煤层大采高综放支架 合理架型为四柱支撑掩护式，支架最大支撑高度达到5. 2米，支架合理工作阻力为14500 16500KN ；支架采用恒阻抗冲击立柱，并采用新型双四连杆中通式大空间放顶煤支架稳定机 构，前后连杆间保持了宽敞的行人空间，方便人员安全通过和对后部放煤的观测和控制。
5.根据权利要求1所述的综放开采的采煤方法，其特征在于设备生产能力为采煤 机2000t/h，前运输机2500t/h，后运输机3000t/h，转载机3500t/h，破碎机4250t/h，胶 带运输机3500t/h ；设备参数(功率)为采煤机1915KW，前运输机2X855KW，后运输机 2X 1000KW，转载机450KW，破碎机400KW，胶带运输机3X500KW，供电电压均选用3300V。
6.根据权利要求1所述的综放开采的采煤方法，其特征在于大采高综放工作面煤壁片 帮综合防治措施1)推进速度以大于5 6米/天为宜，减少煤壁暴露时间，以降低煤壁片帮程度；2)严格控制端面距在300mm之内，及时伸出前梁，打出护帮板，必要时超前拉架；拉架 工要求追机拉架，拉架滞后机组上滚筒3-5个架。3)严格工程质量。工作面必须采直割平，不留伞檐；顶梁上的浮煤及时清理，提高支架 的有效支护面积；4)煤壁片帮严重时，可以对煤壁进行加固(煤壁木锚杆、超前注水等措施)防治煤壁片帮；
7.根据权利要求1所述的综放开采的采煤方法，其特征在于提出提高大采高综放工作 面回收率的技术途径采用人工辅助切眼拉槽提高初采期间顶煤回采率；合理的工作面停 采不放煤长度为40米 50米。
8.根据权利要求1所述的综放开采的采煤方法，其特征在于大采高综放开采可行性评 价指标为煤层厚度、顶煤冒放性、煤壁稳定性、顶板来压强度；适合条件煤层厚度14 20 米；顶煤冒放性、煤壁稳定性均采用综合评价指数，具体指数界限分别为1. 2,1. 3 ；顶板来 压强度为< 2.0。
全文摘要
提出特厚煤层大采高综放开采的采煤方法、放煤工艺、支架合理架型、设备生产能力、工作面煤壁片帮综合防治措施、提高大采高综放工作面回收率的技术途径、大采高综放开采可行性评价指标(煤层厚度、顶煤冒放性、煤壁稳定性、顶板来压强度)，进而形成全套的大采高综放开采工艺技术。采煤方法为割煤高度4.2～4.8米；工作面长度为200～280米；采煤机截深为0.8～1米。通过加大割煤高度，增大了割煤量43％，缩短了放煤时间9％，相对减小了放煤量9％，可提高资源回收率5％，降低了采放比到1∶3以下，可实现工作面采放相对的均衡生产。
文档编号E21C41/18GK101967975SQ20101029733
公开日2011年2月9日 申请日期2010年9月30日 优先权日2010年9月30日
发明者于斌, 刘锦荣, 吴兴利, 吴永平, 宋金旺, 赵军 申请人:大同煤矿集团有限责任公司