一种薄煤层综合开采与瓦斯治理网络一体协同控制系统及方法与流程

本发明提出一种薄煤层综合开采与瓦斯治理网络一体协同控制系统及方法，尤其适用于深井煤层群首采薄煤层的综合高效安全开采。

背景技术：

开采保护层能显著降低邻近被保护层的突出危险性，是煤层群开采的首选措施，一般情况下，薄煤层突出危险性小，因此许多薄或极薄煤层虽然开采条件差，但在深部矿井开采时，却往往被选择优先开采，从而以较低危险性实现采场采动卸压，使得在薄煤层采动影响范围内实现邻近上、下覆煤岩层的预先卸压，降低邻近卸压煤层的突出危险性，保证深部高突煤层的安全开采。

由于薄煤层煤层较薄，且受赋存条件影响，厚度变化较大，局部区域甚至出现尖灭，开采过程需要切割大量岩石，工作面往往需要煤岩同采，这就要求采煤机必须能够实现煤岩同采，由于顶板质地坚硬，因此需要采煤机的破岩能力和装运岩石的能力强、配套功率大、耐磨性和稳定性好；煤层厚度较小使得装机尺寸必须小，方便灵活；薄煤层开采工作面推进速度较慢，开采效率低下，亟需对深部复杂薄煤层开采技术和装备进行研究，对采煤机、运输机、转载机以及液压支架重新进行选型选择，开发出适合深部复杂薄煤层开采的成套技术和装备，从而实现深井复杂薄煤层的综合机械化安全高效开采；同时开采出的大量岩石，严重影响矿井产煤的煤质，且大量矸石的提升增加了矿井的运输和提升负担，增加了提升运输成本，不利于矿井的高效经济开采；而深部煤层群首采薄煤层开采后，保护层采动瓦斯和下覆被保护层卸压瓦斯会大量涌入回采空间，巷道风排能力不足，传统通风方式适应性降低，瓦斯问题严重威胁工作面的生产安全，亟需针对性的措施强化瓦斯治理。因此如何实现薄煤层综合机械化高效、绿色和安全开采成为深井煤层群开采的重要难题。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的是克服已有技术中存在的不足之处，提供一种安全高效、经济绿色的薄保护层开采系统及方法。

技术方案：

一种薄煤层综合开采与瓦斯治理网络一体协同控制系统，包括采煤装置、井下矸石洗选处理仓、充填泵以及通风系统；

所述采煤装置在工作面上采煤形成采空区，并将采集的落煤运输至所述井下矸石洗选处理仓；

所述井下矸石洗选处理仓用于对落煤进行破碎、洗选和分离形成中煤和矸石；并将所述中煤随矿井运输系统经主井运送至煤仓；将所述矸石进行粉碎形成充填原料运输至充填泵；

所述充填泵用于对所述充填原料以及地面生产的干混充填材料按一定配比混合形成充填材料并加水搅拌均匀，并输送至采空区一侧的充填模进行充填形成充填墙体；所述充填墙体与待采煤层煤壁之间构筑形成采空侧回风巷；在所述工作面两侧设有主要进风巷和辅助进风巷；与所述采空侧回风巷连接有回风巷，所述回风巷与回风井连通，所述回风井通向地面；所述主要进风巷、辅助进风巷、采空侧回风巷、回风巷与回风井构成所述通风系统。

所述采煤机采用MG500/1120-WD型综采双滚筒电牵引采煤机。

所述地面生产的干混充填材料为矿自备电厂三级以上散装粉煤灰、水泥和外加剂。

所述充填泵的初次布置位置为与所述工作面距离300米的范围内。

所述充填泵的安装巷道高度不小于2.65m。

一种薄煤层综合开采与瓦斯治理网络一体协同控制方法，包括步骤：

(1)分析薄煤层开采中可能遇到的赋存不稳定、煤层厚度变化大、局部存在尖灭情况，对采煤机进行设备选型；选用液压支架沿工作面倾斜方向成直线排列对工作面进行支护；

(2)所述采煤机端头斜切进刀双向割煤，根据煤岩层厚度比值优化开采方式进行采煤；

(3)所述采煤机采集的落煤运输至井下矸石洗选处理仓；所述井下矸石洗选处理仓(5)对落煤进行破碎、洗选和分离后，形成中煤和矸石；

(4)所述中煤随矿井运输系统经主井运送至煤仓，矸石经粉碎后形成直径小于25mm矸石颗粒充填原料运输至至充填泵处；

(5)所述充填泵将所述充填原料以及地面生产的干混充填材料按一定配比混合形成充填材料并加水搅拌均匀，并输送至采空区内侧的充填模进行充填形成充填墙体，在充填墙体与待采煤层煤壁之间构筑形成采空侧回风巷；

(6)在采空侧回风巷内向采空区内施工墙体埋管，向上施工顶板高位导流钻孔和向下施工底板穿层导流钻孔，导流抽采采场瓦斯；风流从所述主要进风巷和辅助进风巷流入，从采空侧回风巷流出，然后经回风巷、回风井流向地面，形成一面三巷的优势流动通道。

所述采煤机根据煤岩层厚度比值优化开采方式进行采煤具体为：

岩层厚度占采高的1/3以下时，采用所述采煤机破岩；岩层厚度占采高的1/3及以上时，通过打钻松动爆破预裂的方式，先将岩层破碎，再采用采煤机进行切割；松动爆破预裂时，岩层厚度为采高的1/3～2/3时，钻孔采用单排孔布置方式；岩层厚度大于采高的2/3时，钻孔采用双排间隔布置方式。

有益效果：本发明提出一种薄煤层综合开采与瓦斯治理网络一体协同控制系统及方法，将薄保护层开采、矸石处理、巷旁充填和留巷瓦斯综合治理技术相互结合，网络一体，协同控制。实现了煤岩同采工作面高效开采，并通过在井下建立煤矸洗选系统将采出煤矸进行高效分离，在提高煤质、减轻矿井运输负担的同时为保护层工作面的巷旁充填提供了原材料，最后巷旁充填在采空侧构建形成优势瓦斯通道，为保护层采场瓦斯的综合导流治理提供了条件。本发明将薄保护层煤岩高效同采、采后煤矸井下高效分离、分离后矸石充填利用构筑留巷及留巷内展开采场瓦斯综合治理相结合联系，高效开采为巷旁充填和瓦斯治理提供条件，瓦斯治理又反过来为高效安全开采提供保证，使得薄保护层的开采变得安全高效、经济绿色，形成网络一体化协同控制系统和方法，具有良好的应用前景和推广价值。

附图说明

图1是本发明的薄保护层综合开采立体示意图。

图2是本发明的薄保护层工作面开采与巷旁充填示意图。

图3是本发明的采空侧回风巷瓦斯导流钻孔布置立体示意图。

图中：1-煤仓，2-主井，3-副井，4-充填管路，5-井下矸石洗选处理仓，6-辅助进风巷，7-主要进风巷，8-工作面，9-采空区，10-充填墙体，11-侧回风巷，12-回风巷，13-回风井，14-皮带，15-充填管路泵，16-转载机，17-采煤机，18-刮板运输机，19-充填模板，20-液压支架，21-墙体埋管，22-顶板高位导流钻孔，23-底板穿层导流钻孔，24-上覆邻近层，25-下覆邻近煤层，26-顶板高位导流钻孔施工方向，27-顶板高位导流钻孔内瓦斯流动方向，28-底板穿层导流钻孔施工方向，29-底板穿层导流钻孔内瓦斯流动方向。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

图1是本发明的薄保护层综合开采立体示意图。如图1所示，本发明的薄煤层综合开采与瓦斯治理网络一体化协同控制系统包括煤仓1、主井2、副井3、井下矸石洗选处理仓5、采煤装置、充填泵15以及通风系统。采煤装置包括采煤机，采煤机17在工作面8上工作，采煤形成采空区9；采煤机采集的落煤运输至井下矸石洗选处理仓5，井下矸石洗选处理仓5对落煤进行破碎、洗选和分离形成中煤和矸石；其中，中煤随矿井运输系统经主井2运送至地面煤仓1，矸石在井下矸石洗选处理仓5经粉碎后形成直径小于25mm矸石颗粒充填原料运输至至充填泵15位置处；由地面专门生产线生产出干混充填材料，以袋装或专用集装箱散装运至井下泵站，充填原料与井上经副井3输送的其他原材料混合形成充填材料；其中充填材料除了经粉碎形成的矸石颗粒外主要还有矿自备电厂三级以上散装粉煤灰、水泥和外加剂等；充填材料在充填泵15中加水搅拌均匀后经充填管路4送至充填模19内进行充填，充填材料在采空区9一侧的充填模19内凝固形成充填墙体10，充填墙体与待采(未开采)煤层煤壁之间构筑形成了采空侧回风巷11，如图2所示。在整个工作面8的两侧设有主要进风巷7和辅助进风巷6；风流从主要进风巷7和辅助进风巷6流入，从采空侧回风巷11流出，形成一面三巷的优势流动通道；与采空侧回风巷11连接有回风巷12，回风巷12与回风井13连通，回风井13通向地面；主要进风巷7、辅助进风巷6、采空侧回风巷11、回风巷12与回风井13构成通风系统。

图2是本发明的薄保护层工作面开采与巷旁充填示意图，其中液压支架20支撑工作面8上方的顶板，采煤机17和刮板运输机18相连，刮板运输机18和转载机16相连，转载机16和皮带14相连，皮带14和矸石洗选处理仓5相连。所述采煤机17采用大功率、高强度、强耐磨、低采高、直接破岩的MG500/1120-WD型综采双滚筒电牵引采煤机；液压支架20沿工作面8倾斜方向成直线排列，对工作面8进行支护。

图3是本发明的采空侧回风巷瓦斯导流钻孔布置立体示意图，在采空侧回风巷11内穿过充填墙体10向采空区内水平施工墙体埋管21，向上以一定角度施工顶板高位导流钻孔22打入上覆邻近层24的裂隙带内，向下以一定角度施工底板穿层导流钻孔23穿过下覆邻近煤层25。

本发明的一种薄煤层综合开采与瓦斯治理网络一体协同控制系统及方法，步骤包括：

薄保护层煤厚为平均煤厚0.5m，采长150m，计划采高1.8m，需煤岩同采，煤岩同采工作面8采用综合机械化采煤法采煤，岩石切割难度大，煤层开采效率低；采煤过程中产出大量矸石，矿井运输负担加重，处理困难；采动瓦斯和卸压瓦斯大量涌入回采空间，瓦斯问题严重。

对薄保护层工作面8开采，在综合分析薄煤层开采中可能遇到的赋存不稳定、煤层厚度变化较大、局部存在尖灭等情况的基础上，首先对采煤机进行设备选型，在薄保护层煤岩同采工作面8内采用大功率、高强度、强耐磨、低采高、直接破岩的MG500/1120-WD型综采双滚筒电牵引采煤机，选用液压支架20沿工作面8倾斜方向成直线排列对工作面8进行支护，采煤机17端头斜切进刀双向割煤，根据煤岩层厚度比值优化开采方式进行高效采煤。由于煤层较薄且厚度变化较大，因此不同位置岩层厚度对采高的占比不同，岩层厚度占采高的1/3以下时，采用采煤机17破岩；岩层厚度占采高的1/3及以上时，通过打钻松动爆破预裂的方式，将较厚及完整的岩层破碎，再采用采煤机17进行切割。松动爆破预裂时，岩层厚度为采高的1/3～2/3时，钻孔采用单排孔布置方式；岩层厚度大于采高的2/3时，钻孔采用双排间隔布置方式。

割落的煤采用刮板运输机18运输至机巷的转载机16，接着通过皮带14运输至井下矸石洗选处理仓5；落煤经破碎、洗选和分离后，形成中煤和矸石，中煤随矿井运输系统经主井2运送至地面煤仓1，矸石经粉碎后形成直径小于25mm矸石颗粒充填原料输送经皮带14运输至至充填泵15位置处；由地面专门生产线按设计配合比生产出干混充填材料，以袋装或专用集装箱散装运至井下泵站，充填原始材料与井上经副井3输送的其他原材料按一定配比混合，其中充填材料除了经粉碎形成的矸石颗粒外主要还有矿自备电厂三级以上散装粉煤灰、水泥和外加剂等，其中，水泥采用散装普通硅酸盐水泥，质量应符合GBl75-1999《硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥》的要求；石子为碎石，质量必须符合GB/T14685-2001《建筑用卵石、碎石》的要求，最大粒径25mm，含水率小于1％，石粉含量小于3％；粉煤灰采用电厂二级以上散装粉煤灰，质量必须符合GB1596-91《用于水泥和混凝土的粉煤灰》的要求，放射性应符合GB6566-2001《建筑材料放射性核素限量》的要求。外加剂是向专业的外加剂生产厂订购，掺量为水泥质量的0.5％～1.2％。经试验测试，该充填材料通过膏体充填料泵送特性试验，实现了充填材料的最佳配比及最优含水量，保证了膏体充填料的质量，材料泵送距离可达500m，满足矿井实际生产中巷旁充填作业需要。通过强度测试实验，充填材料凝固成型1天后其抗压强度测试值为4～7MPa，3天后为12～16MPa，28天后强度值均大于30MPa，具有良好的早强性和抗压性，满足强度要求。在充填泵15中加水搅拌均匀后经充填管路4送至充填模19内进行充填，充填材料在充填模19内凝固形成充填墙体10，构筑形成了采空侧回风巷11；充填泵15的初次布置位置应控制与工作面8距离300米的范围内。充填泵15安装巷道高度不小于2.65m。充填泵15摆放要平整，临时料场必须具有防潮措施。

通风系统采用Y型通风方式，风流从主要进风巷7和辅助进风巷6流入，从采空侧回风巷11流出，形成一面三巷的优势流动通道，巷道和工作面的瓦斯经采空侧回风巷11高效排出，经回风巷12、回风井13流向地面，形成一面三巷的优势流动通道，改变了瓦斯流场，优化了巷道通风，同时解决了上隅角瓦斯超限的问题，形成对薄保护层工作面8瓦斯高效引排治理；

采空侧回风巷11的形成为对采空区9及上下覆煤岩层24、25瓦斯富集裂隙区的瓦斯导流治理提供了有利场所，在采空侧回风巷11内向采空区内施工墙体埋管21、向上以一定角度施工顶板高位导流钻孔22和向下以一定角度施工底板穿层导流钻孔23，分别对开采层采空区9内的瓦斯、上覆邻近层24岩石裂隙内瓦斯和下覆邻近煤层25裂隙内瓦斯进行导流抽采，在对薄煤层工作面8采场瓦斯的综合导流治理的同时实现对下覆邻近煤层25瓦斯预先导流卸压治理，为深井煤层群的安全有序逐层开采打下了基础。通过在采空侧构筑充填墙体将薄保护层煤岩同采工作面煤岩开采及矸石处理与薄保护层煤岩同采工作面的瓦斯治理结合起来，同时解决了煤岩同采、矸石处理和首采薄煤层瓦斯治理难的问题，形成对薄保护层工作面的高效安全一体化综合开采。

本系统将薄保护层开采、矸石处理、巷旁充填和留巷瓦斯综合治理技术相互结合，网络一体，协同控制，使得薄保护层的开采变得安全高效、经济绿色。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。