综放工作面架载顶煤瓦斯抽采系统的制作方法
【专利摘要】综放工作面架载顶煤瓦斯抽采系统，包括液压支架，液压支架顶部设有顶梁，所述顶梁中部沿长度方向设有一道凹槽，顶梁下方设有架载主管，顶梁上设有与凹槽连通的抽采孔，抽采孔与架载主管之间通过架载支管连接。所述顶梁沿凹槽底面长度方向设有至少一根隔板，隔板将凹槽隔开形成抽采槽，顶梁在抽采孔上口处两侧设有一条将所有抽采槽连通的透气槽孔。本发明可以降低综放工作面瓦斯浓度、减少瓦斯超限情况、增加工作面开机率及产量，在全国煤矿具有推广价值，有助于改善综放面安全条件，提高煤炭产量，经济和社会效益显著。
【专利说明】综放工作面架载顶煤瓦斯抽采系统
【技术领域】
[0001]本发明属于煤矿井下瓦斯抽采【技术领域】，尤其涉及一种综放工作面架载顶煤瓦斯抽米系统。
【背景技术】
[0002]近30年来，我国的综合机械化放顶煤开采技术经过引进、推广、完善、提高几个阶段的发展，相继克服了基础理论、综放工作面矿压显现特征、采煤工艺、提高回采率、放顶煤液压支架及配套设备、高产高效及自动化技术与装备、瓦斯治理等方面的难题，由于放顶煤开采具有缩短采煤准备工期、采煤工效高、巷道掘进率少等显著优点，在我国已经得到了广泛应用。特别是2000年以来，综放开采技术已基本上代替了分层综采，成为我国国有煤矿开采厚煤层的主要方法。
[0003]我国的绝大部分厚煤层是含瓦斯煤层，其中50%以上属高瓦斯煤层。由于放顶煤工作面一次采全高，产量大，瓦斯的绝对涌出量增加，致使在采场、放煤口及回风平巷存在瓦斯超限以及潜在的瓦斯灾害影响，瓦斯问题成了制约放顶煤技术在我国推广应用的瓶颈。
[0004]目前，在高瓦斯综放工作面进行瓦斯治理一般采用以下两种技术方案:
第一、选择合理的巷道布置和工作面通风方式
一般情况下，工作面采用一进一回的U形通风方式，要求工作面瓦斯涌出量不大于
5.0mVmin时。当瓦斯涌出量大于5.0m3/min后,就应考虑采用其他的通风方式。最典型的就是沿煤层顶板布置一条与回风平巷内错10nT20m的专用瓦斯排放巷(又称高抽巷、旁路回风系统)，形成典型的放顶煤开采一进二回的E型巷道布置与通风方式。
[0005]另外，常在高瓦斯综放面使用的还有:U+L型通风，即在U型通风的基础上，在工作面回风巷的煤柱外侧沿煤层顶板布置一条专用瓦斯尾巷型通风，即在采空区中将回采巷道保留下来，作为一条专用瓦斯排放巷使用。
[0006]实践证明，专用排放瓦斯巷内瓦斯浓度大，排放效果好，很大程度上降低了工作面及回风巷中的瓦斯浓度，尤其是对上隅角瓦斯排放效果很好，较好地控制了上隅角瓦斯浓度，是高瓦斯综放工作面最常选用的措施。
[0007]这种瓦斯治理方式具有以下缺点:
1)、增加了巷道掘进和维护工程量，尤其是瓦斯排放巷布置在煤层顶板，受动压影响变形量较大；
2)、瓦斯排放巷内瓦斯浓度很高，经常达到甚至超过爆炸界限，虽然加强管理可以做到巷内无设备、无人员，但如果煤层有自然发火危险，矿井的安全生产会受到严重影响；
3)、不能完全解决综放面内放煤口瓦斯超限问题，虽然瓦斯排放巷分流了相当部分的瓦斯，减小了工作面、上隅角和回风巷瓦斯浓度，但瓦斯排放巷布置在工作面上部顶板，对工作面内部的放煤口瓦斯影响较小，放煤口瓦斯超限问题仍然存在。
[0008]第二、瓦斯抽放技术主要有本煤层瓦斯抽放、采空区瓦斯抽放、邻近层瓦斯抽放等几大类，每一类又根据具体地质条件有多种布置方式，形成了各式各样瓦斯抽放体系，对于治理瓦斯起到了关键作用。
[0009]近年来，新版《煤矿安全规程》、《防治煤与瓦斯突出规定》等规章制度对高瓦斯、突出矿井强制要求进行有效的瓦斯抽放。作为一种采前降低煤层瓦斯浓度的措施，瓦斯抽放是从根本上减少放顶煤开采瓦斯涌出量的有效途径，并且能够大大提高回采时工作面的安全系数，是综放面优先选用的瓦斯防治措施。
[0010]这种瓦斯治理方式具有以下缺点:
1)、瓦斯抽采钻孔施工工程量大，有时还需同时施工钻场硐室，遇有难钻煤层时，钻孔长度受到限制；瓦斯抽采时间长，常与生产和掘进互相影响，有时甚至影响采掘工作面进度和产量；
2)、在透气性差的煤层，瓦斯抽采效果常达不到要求，必要时还需要预先施工煤层增透工程。
【发明内容】
[0011]本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种便于操作、工程量小、瓦斯抽采彻底、安全可靠、不影响采掘作业的综放工作面架载顶煤瓦斯抽采系统。
[0012]为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案:综放工作面架载顶煤瓦斯抽采系统，包括液压支架，液压支架顶部设有顶梁，所述顶梁中部沿长度方向设有一道凹槽，顶梁下方设有架载主管，顶梁上设有与凹槽连通的抽采孔，抽采孔与架载主管之间通过架载支管连接。
[0013]所述顶梁沿凹槽底面长度方向设有至少一根隔板，隔板将凹槽隔开形成抽采槽，顶梁在抽采孔上口处两侧设有一条将所有抽采槽连通的透气槽孔。
[0014]所述液压支架并排设置至少两个，每个液压支架均包括底座，每个底座上均设有前液压立柱和后液压立柱，所述顶梁设在前液压立柱和后液压立柱上，架载主管位于前液压立柱和后液压立柱之间，顶梁后端铰接有掩护梁，掩护梁下部设有与底座之间设有连杆，顶梁前端铰接有翻转梁，顶梁与翻转梁下部之间设有翻转油缸。
[0015]所述凹槽的宽度为250-350mm,深度为25_35mm。
[0016]采用上述技术方案，首先，需要说明一下综放开采和综放工作面的定义。综放开采:全称为综合机械化放顶煤开采技术，当开采5?20米厚的厚煤层时，在下部煤层中布置采煤工作面，上部煤炭从液压支架上的窗口放出，将原来厚煤层需分层多次才能采出的煤炭一次性采出(简称一次采全高)，具有许多显著优点。综放工作面:是指使用综合机械化放顶煤开采工艺开采的采煤工作面。
[0017]在放顶煤开采液压支架与顶板组成的系统中，液压支架通过顶煤对顶板实施控制，同时顶板的压力通过顶煤传递到液压支架上，顶煤在传递力的过程中要发生移动、变形、破碎、冒落和放出。顶煤的裂隙始于煤壁前方支承压力峰值区内，在支承压力作用下，顶煤发生剪切和拉伸破坏，出现裂隙或扩展煤体内的原有裂隙。随着工作面推进、顶板的回转下沉，顶煤裂隙进一步发展。当顶煤进入到液压支架上方后，将逐渐冒落，并堆积在支架掩护梁上形成散体。顶煤从开始移动、破裂到冒落是一个连续的、渐进的破坏过程，随着工作面推进，这一过程也自然动态地向前推移。根据顶煤裂隙发育和破坏程度，沿工作面推进方向，一般可划分为四个区:原始状态区1、压缩变形区I1、拉剪破裂区III和散体冒放区IV四个区。
[0018]放顶煤工作面位于煤层的底部，瓦斯有开采煤体和支架上方煤体两个来源。由于瓦斯的密度只是空气密度的55.4%，上浮效应明显，从而在综放液压支架、顶梁和掩护梁上松散煤体中积聚大量游离瓦斯，即形成所谓的“瓦斯库”，造成液压支架超限现象较多，而且液压支架上超限现象很难用通风方法解决，因此造成在放煤时大量瓦斯从放煤口涌出，直接威胁工作面安全生产。
[0019]由以上分析可以看出，液压支架上方的煤体位于煤壁线后侧，处于拉剪破裂区和散体冒放区，裂隙发育充分，煤体透气性好，同时，由于瓦斯的上浮效应，在此处松散煤体裂隙中将积聚大量的高浓度瓦斯，尤其是在高瓦斯煤层的工作面，将形成顶煤“瓦斯库”。因此，在液压支架顶部形成负压，将会抽放到大量高浓度瓦斯，从而提高瓦斯库标高，减少瓦斯库及放煤口瓦斯浓度。
[0020]本发明提出对综放工作面架载顶煤瓦斯抽采系统进行研究与开发。基本构思是:在综放支架的顶梁上打抽放孔，安装抽采装置(包括架载主管和架载支管)，利用综放工作面顶煤裂隙发育，煤层透气性好的特点，在液压支架上方形成负压区，迫使顶煤瓦斯向负压区运移，实现对综放液压支架上部的顶煤瓦斯进行抽采，各个液压支架上的抽采装置用柔性管路连接连成一体并与矿井总抽放系统连通，构成顶煤瓦斯抽采系统。本发明要实现的目标是:利用顶煤瓦斯抽采系统起到截流顶煤瓦斯、减少其向采煤工作面的涌出；同时，采空区存留的低位死角瓦斯也向负压带运移，负压带将提高放煤采空区的瓦斯标高，这样可以减少放煤口的瓦斯浓度。另外，由于架载抽放管路安装在液压支架上，装好后可以连续使用，在整个工作面推进期间持续抽放，省去了打钻孔、封孔等工续，管理和使用十分方便。
[0021]在采煤工作面超前支撑压力和液压支架移架反复支撑作用下，顶煤已经被纵向裂隙切割，这些裂隙具有一定的沟通性。在煤层顶板封闭的情况下，顶煤涌出的瓦斯将向两个方向扩散，即向采空区扩散和通过架间间隙向工作面扩散。顶煤的纵向裂隙直达顶梁，由于采空区为自由面，纵向裂隙发育，而且具有张开性，因此向采空区扩散的瓦斯较多，从而造成放煤口瓦斯超限。综放面顶梁中间有一个凹陷区，使顶梁之上存在一个松散透气区，松散透气区与顶煤的纵向裂隙沟通，这为顶梁开孔抽采顶煤瓦斯创造了有利的客观条件。若在放顶煤顶梁上形成一个负压区，将改变顶煤及待放顶煤的瓦斯流向。
[0022]因此，顶梁在左右两侧设置加强凸板，顶梁上表面和两块加强凸板之间形成宽约300mm、深约30mm的凹槽，起到了较少抽采漏气的作用，凹陷区为松散透气区，抽采孔设置在凹陷区的某一位置。
[0023]架载抽采管路的连接也是本申请的关键技术之一。首先要保证抽放管路与架顶抽放孔连接方便、可靠，还要使架间抽放管路连接牢固，防止移架时管路断开；另外，为防止液压支架顶部漏煤(矸)堵塞抽放孔和抽放管路，必须设置能够方便清理漏煤的装置。
[0024]为使管路与抽放孔连接方便，同时保证封孔严密不漏风，设计采用强力磁铁作为连接装置，顶梁与封孔段管路用橡胶圈密封。
[0025]通过PVC四通连接封孔钢管段、架间抽放管路，并用四通的下口做为清理漏煤(砰)的出口，平时下口用橡胶塞密封，清理煤矸时打开橡胶塞。
[0026]每个液压支架的抽放管路连接到横贯工作面的总管路，总管路与工作面外部矿井抽采系统管路连接，形成架载抽采系统。
[0027]本发明在工作使用时，将井下瓦斯抽采管路与架载主管连接，并分别通过架载支管连接各液压支架上顶梁的抽采孔，通过顶梁上凹槽中隔板构成的格栅的扩散作用下，瓦斯通过各个抽采槽汇集到透气槽孔，最后通过抽采孔抽出，在顶梁上部主动形成负压区，抽采顶煤内的瓦斯，从而达到在顶煤放出前减少瓦斯，减少了放煤时瓦斯涌出量。每台液压支架上方都形成一个负压区，负压通过顶煤裂隙贯通，能够高效率、高浓度的抽采瓦斯，极大的提高了抽采效率。液压支架并排设置若干个，架载主管横贯整个综放工作面，并与工作面外部矿井抽采系统管路连接，形成架载顶煤瓦斯抽采系统，解决了放煤时瓦斯容易超限的问题。
[0028]由于综放开采在我国煤矿使用广泛，综放面瓦斯治理问题是影响综放面产量和安全条件的瓶颈。因此本发明可以降低综放工作面瓦斯浓度、减少瓦斯超限情况、增加工作面开机率及产量。因此，在全国煤矿具有推广价值，有助于改善综放面安全条件，提高煤炭产量，经济和社会效益显著。
【专利附图】
【附图说明】
[0029]图1是本发明的结构示意图；
图2是图1中顶梁的俯视图；
图3是图2中A-A剖视图。
【具体实施方式】
[0030]如图1、图2和图3所示，本发明的综放工作面架载顶煤瓦斯抽采系统，包括液压支架，液压支架顶部设有顶梁1，顶梁I中部沿长度方向设有一道凹槽7，顶梁I下方设有架载主管2，顶梁I上设有与凹槽7连通的抽采孔3，抽采孔3与架载主管2之间通过架载支管4连接。
[0031]顶梁I可以使一体制成，也可以在顶梁I在左右两侧设置加强凸板，顶梁I上表面和两块加强凸板之间形成宽约300mm、深约30mm的凹槽7，起到了较少抽采漏气的作用，凹陷区为松散透气区，抽采孔3设置在凹陷区的某一位置。
[0032]顶梁I沿凹槽7底面长度方向设有至少一根隔板5，隔板5将凹槽7隔开形成抽采槽6，顶梁I在抽采孔3上口处两侧设有一条将所有抽采槽6连通的透气槽孔8。
[0033]液压支架并排设置至少两个，每个液压支架均包括底座9，每个底座9上均设有前液压立柱10和后液压立柱11，顶梁I设在前液压立柱10和后液压立柱11上，架载主管2位于前液压立柱10和后液压立柱11之间，顶梁I后端铰接有掩护梁12，掩护梁12下部设有与底座9之间设有连杆13，顶梁I前端铰接有翻转梁14，顶梁I与翻转梁14下部之间设有翻转油缸。
[0034]凹槽7的宽度为250-350mm，深度为25_35mm。
[0035]在放顶煤开采液压支架与顶板组成的系统中，液压支架通过顶煤对顶板实施控制，同时顶板的压力通过顶煤传递到液压支架上，顶煤在传递力的过程中要发生移动、变形、破碎、冒落和放出。顶煤的裂隙始于煤壁前方支承压力峰值区内，在支承压力作用下，顶煤发生剪切和拉伸破坏，出现裂隙或扩展煤体内的原有裂隙。随着工作面推进、顶板的回转下沉，顶煤裂隙进一步发展。当顶煤进入到液压支架上方后，将逐渐冒落，并堆积在支架掩护梁12上形成散体。顶煤从开始移动、破裂到冒落是一个连续的、渐进的破坏过程，随着工作面推进，这一过程也自然动态地向前推移。根据顶煤裂隙发育和破坏程度，沿工作面推进方向，一般可划分为四个区:原始状态区1、压缩变形区I1、拉剪破裂区III和散体冒放区IV四个区。
[0036]放顶煤工作面位于煤层的底部，瓦斯有开采煤体和支架上方煤体两个来源。由于瓦斯的密度只是空气密度的55.4%，上浮效应明显，从而在综放液压支架、顶梁I和掩护梁12上松散煤体中积聚大量游离瓦斯，即形成所谓的“瓦斯库”，造成液压支架超限现象较多，而且液压支架上超限现象很难用通风方法解决，因此造成在放煤时大量瓦斯从放煤口涌出，直接威胁工作面安全生产。
[0037]由以上分析可以看出，液压支架上方的煤体位于煤壁线后侧，处于拉剪破裂区和散体冒放区，裂隙发育充分，煤体透气性好，同时，由于瓦斯的上浮效应，在此处松散煤体裂隙中将积聚大量的高浓度瓦斯，尤其是在高瓦斯煤层的工作面，将形成顶煤“瓦斯库”。因此，在液压支架顶部形成负压，将会抽放到大量高浓度瓦斯，从而提高瓦斯库标高，减少瓦斯库及放煤口瓦斯浓度。
[0038]本发明提出对综放工作面架载顶煤瓦斯抽采系统进行研究与开发。基本构思是:在综放支架的顶梁I上打抽放孔，安装抽采装置(包括架载主管2和架载支管4)，利用综放工作面顶煤裂隙发育，煤层透气性好的特点，在液压支架上方形成负压区，迫使顶煤瓦斯向负压区运移，实现对综放液压支架上部的顶煤瓦斯进行抽采，各个液压支架上的抽采装置用柔性管路连接连成一体并与矿井总抽放系统连通，构成顶煤瓦斯抽采系统。本发明要实现的目标是:利用顶煤瓦斯抽采系统起到截流顶煤瓦斯、减少其向采煤工作面的涌出；同时，采空区存留的低位死角瓦斯也向负压带运移，负压带将提高放煤采空区的瓦斯标高，这样可以减少放煤口的瓦斯浓度。另外，由于架载抽放管路安装在液压支架上，装好后可以连续使用，在整个工作面推进期间持续抽放，省去了打钻孔、封孔等工续，管理和使用十分方便。
[0039]在采煤工作面超前支撑压力和液压支架移架反复支撑作用下，顶煤已经被纵向裂隙切割，这些裂隙具有一定的沟通性。在煤层顶板封闭的情况下，顶煤涌出的瓦斯将向两个方向扩散，即向采空区扩散和通过架间间隙向工作面扩散。顶煤的纵向裂隙直达顶梁1，由于采空区为自由面，纵向裂隙发育，而且具有张开性，因此向采空区扩散的瓦斯较多，从而造成放煤口瓦斯超限。综放面顶梁I中间有一个凹陷区，使顶梁I之上存在一个松散透气区，松散透气区与顶煤的纵向裂隙沟通，这为顶梁I开孔抽采顶煤瓦斯创造了有利的客观条件。若在放顶煤顶梁I上形成一个负压区，将改变顶煤及待放顶煤的瓦斯流向。
[0040]架载抽采管路的连接也是本申请的关键技术之一。首先要保证抽放管路与架顶抽放孔连接方便、可靠，还要使架间抽放管路连接牢固，防止移架时管路断开；另外，为防止液压支架顶部漏煤(矸)堵塞抽放孔和抽放管路，必须设置能够方便清理漏煤的装置。
[0041]为使管路与抽放孔连接方便，同时保证封孔严密不漏风，设计采用强力磁铁作为连接装置，顶梁I与封孔段管路用橡胶圈密封。
[0042]通过PVC四通连接封孔钢管段、架间抽放管路，并用四通的下口做为清理漏煤(矸)的出口，平时下口用橡胶塞密封，清理煤矸时打开橡胶塞。[0043]每个液压支架的抽放管路连接到横贯工作面的总管路，总管路与工作面外部矿井抽采系统管路连接，形成架载抽采系统。
[0044]本发明在工作使用时，将井下瓦斯抽采管路与架载主管2连接，并分别通过架载支管4连接各液压支架上顶梁I的抽采孔3，通过顶梁I上凹槽7中隔板5构成的格栅的扩散作用下，瓦斯通过各个抽采槽6汇集到透气槽孔8，最后通过抽采孔3抽出，在顶梁I上部主动形成负压区，抽采顶煤内的瓦斯，从而达到在顶煤放出前减少瓦斯，减少了放煤时瓦斯涌出量。每台液压支架上方都形成一个负压区，负压通过顶煤裂隙贯通，能够高效率、高浓度的抽采瓦斯，极大的提高了抽采效率。液压支架并排设置若干个，架载主管2横贯整个综放工作面，并与工作面外部矿井抽采系统管路连接，形成架载顶煤瓦斯抽采系统，解决了放煤时瓦斯容易超限的问题。
[0045]以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
【权利要求】
1.综放工作面架载顶煤瓦斯抽采系统，包括液压支架，液压支架顶部设有顶梁，其特征在于:所述顶梁中部沿长度方向设有一道凹槽，顶梁下方设有架载主管，顶梁上设有与凹槽连通的抽采孔，抽采孔与架载主管之间通过架载支管连接。
2.根据权利要求1所述的综放工作面架载顶煤瓦斯抽采系统，其特征在于:所述顶梁沿凹槽底面长度方向设有至少一根隔板，隔板将凹槽隔开形成抽采槽，顶梁在抽采孔上口处两侧设有一条将所有抽采槽连通的透气槽孔。
3.根据权利要求1或2所述的综放工作面架载顶煤瓦斯抽采系统，其特征在于:所述液压支架并排设置至少两个，每个液压支架均包括底座，每个底座上均设有前液压立柱和后液压立柱，所述顶梁设在前液压立柱和后液压立柱上，架载主管位于前液压立柱和后液压立柱之间，顶梁后端铰接有掩护梁，掩护梁下部设有与底座之间设有连杆，顶梁前端铰接有翻转梁，顶梁与翻转梁下部之间设有翻转油缸。
4.根据权利要求1或2所述的综放工作面架载顶煤瓦斯抽采系统，其特征在于:所述凹槽的宽度为250-350mm,深度为25_35mm。
【文档编号】E21F7/00GK103899350SQ201410173184
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2014年4月28日 优先权日:2014年4月28日
【发明者】袁瑞甫, 马建宏, 冯军发, 张盛, 熊祖强, 宋维宾, 王兵建 申请人:河南理工大学