第一講-國內(nèi)外放頂煤技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展

第一講國內(nèi)外放頂煤技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展

一．國外放頂煤技術(shù)應(yīng)用概況作為開采厚及特厚煤層主要方法之一的放頂煤開采技術(shù)經(jīng)歷了較長的發(fā)展歷史.20世紀(jì)初法國、西班牙和南斯拉夫等國在急傾斜煤層中應(yīng)用放頂煤開采法,在50年代末60年代初，隨著液壓支架技術(shù)的發(fā)展成熟，原蘇聯(lián)、法國、南斯拉夫等國正式采用了放頂煤開采厚煤層的技術(shù)。隨后羅馬尼亞、匈牙利、捷克、西班牙、美國、韓國都相繼引用了這種厚煤層開采方法。由于受到煤炭資源不斷減少和放頂煤開采技術(shù)不過關(guān)等因素的影響，導(dǎo)致放頂煤開采技術(shù)在國外未能得到進一步的發(fā)展和完善。二．我國放頂煤技術(shù)的蓬勃發(fā)展綜合機械化放頂開采技術(shù)是高產(chǎn)高效開采厚煤層的有效方法，是我國在20世紀(jì)80年代中期迅速發(fā)展起來的一種新型采煤方法。在20世紀(jì)90年代中期以前，放頂煤開采技術(shù)主要用于條件簡單的厚煤層中。為了開拓放頂煤開采技術(shù)的應(yīng)用范圍，從1995年起，在具有煤與瓦斯突出危險的厚煤層、極軟厚煤層、大傾角厚煤層、堅硬煤體與堅硬難冒頂板條件厚煤層中系統(tǒng)地研究和創(chuàng)造性地開發(fā)了綜放開采技術(shù).2006年龍口礦區(qū)北皂煤礦首次在海域下試驗采用放頂煤開采技術(shù)，這是世界上第1個海域下綜放開采工作面。

目前我國放頂煤開采技術(shù)已處于世界領(lǐng)先水平。它的優(yōu)點及在生產(chǎn)中表現(xiàn)出來的顯著的經(jīng)濟效益決定了它成為開采厚煤層的最有效方法之一。使用條件由初期的緩傾斜煤層發(fā)展到傾斜、急傾斜煤層，由開采條件較好的穩(wěn)定煤層發(fā)展到條件較差的“三軟”、“兩硬”、“不穩(wěn)定”煤層，其中以緩傾斜厚煤層工作面的效果最明顯。幾年來，相繼研制成功了綜采放頂煤液壓支架，端頭放頂煤支架和電液程序控制液壓支架、在此基礎(chǔ)上對設(shè)備配套進行了優(yōu)化配置、確定了不同條件下煤炭采出率最佳放煤參數(shù)和最佳放煤工藝，使綜放工作面生產(chǎn)能力達(dá)到600萬噸以上。解決了三軟煤層、高瓦斯煤層、大傾角煤層、兩硬煤層以及復(fù)雜地質(zhì)條件下的較薄厚煤層綜放開采中的一系列技術(shù)難題，在綜放技術(shù)適應(yīng)性研究方面取得了重大突破，形成了適應(yīng)于不同地質(zhì)和煤層賦存條件的綜放成套技術(shù)，使該技術(shù)居國際領(lǐng)先水平，在全國各類礦區(qū)得到了廣泛的推廣應(yīng)用，取得了極其顯著的技術(shù)經(jīng)濟效益。目前，我國綜放技術(shù)使用的數(shù)量、范圍、技術(shù)的先進性和取得的效果均居世界領(lǐng)先地位。

我國放頂煤開采主要是指長壁工作面綜合機械化放頂煤開采，其發(fā)展可以劃分為三個階段：1．探索階段（1982～1990年）這一階段結(jié)束的標(biāo)志是陽泉緩傾斜厚煤層放頂煤綜采工藝的試驗成功。特別是陽泉一礦8603工作面，1990年7月月產(chǎn)14萬噸，效率57.8t/工，起到了示范作用。這一階段，東北各煤礦以及鄭州等地在難采煤層長壁綜放開采領(lǐng)域都進行了試驗開采，但沒有大的突破。2．逐漸成熟階段（1990～1995年）主要標(biāo)志：兗州興隆莊綜采一隊1994年產(chǎn)煤272萬噸，1995年突破300萬噸。同時，難采煤層長壁綜放開采技術(shù)取得重大突破。主要成果：（1）高產(chǎn)高效工藝逐漸成熟，工作面單產(chǎn)不斷提高。（2）放頂煤液壓支架由仿造發(fā)展到自創(chuàng)，進而到定型。（3）綜放開采在“三軟”、“大傾角（30o左右）”、高瓦斯等難采煤層中取得突破。（4）初步摸清并提出了解決提高回采率、防治瓦斯、防治自燃和防塵的一些措施，取得了一定的成果。3．技術(shù)成熟的推廣階段（1996年～）隨著國家對放頂煤開采技術(shù)研究的投入加大，綜放的高產(chǎn)高效得到了企業(yè)的認(rèn)可與支持，綜放開采的優(yōu)勢得到了進一步的發(fā)揮。這一階段綜放在兩種不同的情況下都得到了發(fā)展。（1）煤層厚度大、儲量大、地質(zhì)構(gòu)造簡單、瓦斯不大、煤質(zhì)中硬的大型、特大型礦井。（2）生產(chǎn)能力小、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的礦井，特別是一些難采煤層，如“三軟”、“兩硬”、“大傾角”、“高瓦斯”、“較薄厚煤層”等條件，綜放得到了發(fā)展。三、我國放頂煤技術(shù)發(fā)展趨勢綜合機械化放頂煤厚煤層開采技術(shù)，在我國經(jīng)過20多年的探索與發(fā)展，已成為厚煤層開采礦井實現(xiàn)高產(chǎn)高效和“一礦一面”的集約化生產(chǎn)的主要技術(shù)途徑之一。綜放工作面單產(chǎn)逐年創(chuàng)新高，在潞安、晉城、充州礦區(qū)相繼出現(xiàn)年產(chǎn)超過200萬t～500萬在的綜放工作面。目前，綜放工作面單產(chǎn)最高水平已達(dá)到600萬t／a以上，直接工效在300t／工以上。1提高綜放工作面放頂煤能力要提高綜放工作面綜合出煤能力，就必須滿足采、放煤工序最大限度的平行作業(yè)，即放頂煤平均循環(huán)時間小于采煤機平均割煤循環(huán)時間，否則采煤機就要停機等待放頂煤工序。當(dāng)煤層厚度較大時，后部刮板輸送機能力和放煤速度將成為關(guān)鍵因素。為此，一是要實現(xiàn)前后部刮板輸送機能力協(xié)調(diào)；二是要加大液壓支架后部放煤空間及放煤口開啟和關(guān)閉操作速度。這樣就需要進一步改進工藝和裝備，確定合理的放煤步距和放煤方式，并根據(jù)綜放采場煤、巖石力學(xué)特性與狀態(tài)變化及運動規(guī)律，設(shè)計和使用不同條件下的支架，有效地控制頂煤狀態(tài)變化、移動、放落。2、研究新型放頂煤液壓支架，發(fā)揮放頂煤開采高產(chǎn)高效的特點

我國存在大量地質(zhì)條件復(fù)雜的難采煤層，其開采存在機械化水平低、效益差、安全性差的缺點。針對這些情況，近年來為著重解決復(fù)雜地質(zhì)煤層條件下及不穩(wěn)定煤層使用綜放時遇到的困難，一批新型輕放支架的研制和開發(fā)利用，在實際中取得了良好的效果。它的主要特點為：支架具有整體頂梁、長側(cè)護板、內(nèi)伸縮梁（有護幫作用）結(jié)構(gòu)，能全封閉端面頂板；支架后部為單鉸接機構(gòu)，放煤時，后部放煤及過煤空間不因采高的變化和頂梁工作狀態(tài)而改變；支架后部掩護梁設(shè)計為彎曲折線形狀以減少對破碎頂煤與破碎頂板之間的煤巖分界面的擾動，以降低頂煤放出時的含矸率和提高回收率；支架后柱具有雙伸縮功能，可以有效地調(diào)節(jié)頂梁工作狀態(tài)，以保持與相鄰支架共同封閉頂板；支架結(jié)構(gòu)緊湊，總體及部件尺寸小，重量輕，制造成本低，便于安裝、運輸，支護強度較高。我國厚煤層儲量約占總儲量的44％，其中多數(shù)為難采煤層。這種新型支架不僅可在大型礦井正常生產(chǎn)的工作面使用，而且還可用于礦井邊緣地區(qū)，以及構(gòu)造形成的呆滯煤帶和其他煤柱的回收，應(yīng)用范圍廣泛。3、加大工作面長度

由于采煤工作面推進速度加快，為了減少采煤機斜切進刀時間和工作面端口作業(yè)影響時間，提高有效開機率，必須加大工作面長度，這樣不僅可以延長工作面連續(xù)推進時間，保證工作面穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)，而且還可以相對減少上下端頭頂煤的損失率，提高回采率。但工作面長度過長，也會帶來礦壓加大、煤壁片幫嚴(yán)重及設(shè)備配套等一系列問題，也是需要在實際中研究解決的問題。4、大功率裝備的國產(chǎn)化配套

近幾年，我國大型采煤機、刮板輸送機、液壓支架等國產(chǎn)設(shè)備，通過引進、消化和吸收，已經(jīng)逐步達(dá)到國外上個世紀(jì)90年代初的水平。但是，一些主要元部件的制造還沒有過關(guān)，開采設(shè)備的研究開發(fā)跟不上形勢的發(fā)展和要求，尤其是大功率、可靠性高的設(shè)備，與國外有很大差距。隨著礦井大規(guī)模集中化生產(chǎn)的發(fā)展，大功率、高性能的設(shè)備是必不可少的。雖然國內(nèi)已開發(fā)出一些大型設(shè)備，但是體積大、重量大、性能差的問題仍然比較突出。5、完善高產(chǎn)高效綜采設(shè)備保障系統(tǒng)

要實現(xiàn)高產(chǎn)高效，就要提高開機率，對“支架一圍巖’系統(tǒng)、采運設(shè)備進行監(jiān)控。今后研究的重點是：通過電液控制閥組操縱支架和改善“支架一圍巖’系統(tǒng)控制，進一步完善液壓信息、支架位態(tài)、頂板狀態(tài)、支護質(zhì)量信息的自動采集系統(tǒng)；完善乳化液泵站及液壓系統(tǒng)運行狀態(tài)的檢測診斷；完善采煤機在線與離線相結(jié)合的“油一磨屑”監(jiān)測和溫度、電信號的監(jiān)測以及帶式輸送機、刮板輸送機全面狀態(tài)監(jiān)控。6、煤巷快速掘進和支護技術(shù)

放頂煤開采的回采巷道需要適應(yīng)回采工作面快速推進的要求，但由于其斷面大，并且多在煤層中維護，其支護困難也是放頂煤開采的一個突出的問題。在我國的一些礦區(qū)正在采用綜放工作面全煤巷道錨桿支護技術(shù)，但是由于現(xiàn)有的設(shè)備不適應(yīng)，掘進速度和效率不高，片幫嚴(yán)重，這也是需要解決的一個問題。7、優(yōu)化巷道布置，減少矸石排放

改進、完善現(xiàn)有采煤方法和開采布置，以實現(xiàn)開采效益最大化為目標(biāo)，研究開發(fā)煤礦地質(zhì)條件、開采巷道布置及工藝技術(shù)評價體系專家系統(tǒng)，實現(xiàn)開采方法、開采布置與煤層地質(zhì)條件的最優(yōu)匹配。在實際應(yīng)用中，神華集團大柳塔礦、潞安漳村礦實行全煤巷布置單一煤層開采，矸石基本不運出地面，生產(chǎn)系統(tǒng)極大簡化，分別實現(xiàn)無軌膠輪和單軌吊輔助運輸一條龍，從井口直達(dá)工作面，同時實現(xiàn)了綜采與綜掘同步發(fā)展，生產(chǎn)效率大幅提高。根據(jù)高產(chǎn)高效礦井開拓部署與巷道布置系統(tǒng)的優(yōu)化經(jīng)驗，可實現(xiàn)簡化巷道布置，優(yōu)化采區(qū)及工作面參數(shù)，掌握單一煤層集中開拓、集中準(zhǔn)備、集中回采的關(guān)鍵技術(shù)，大幅度降低巖巷掘進率，多開煤巷，減少出矸率；矸石在井下直接處理，作為充填材料，既可以減少污染，又簡化了生產(chǎn)系統(tǒng)，有利于高產(chǎn)高效集中化開采。8、提高煤炭回采率、降低含矸率提高資源回采率是綜放工作面的主要問題之一。加強對頂煤運動規(guī)律和冒放規(guī)律的研究，確定合理的放煤工藝參數(shù)和支架結(jié)構(gòu)，優(yōu)化工作面參數(shù)，有助于提高回采率。9、礦井輔助運輸系統(tǒng)與運量配套問題

在厚煤層開采實踐中，輔助運輸系統(tǒng)的落后和低效率是存在的重要問題。當(dāng)前輔助運輸設(shè)備主要有單軌吊車、卡軌車、齒軌車和無軌膠輪車等4類。驅(qū)動方式主要有鋼絲繩牽引、柴油機牽引和蓄電池機車牽引等3類。從發(fā)展趨勢看，采用無軌膠輪運輸成為主流。根據(jù)厚煤層現(xiàn)代開采體系建立的要求，今后輔助運輸系統(tǒng)的發(fā)展方向應(yīng)當(dāng)是建立大型、高效的機械化運輸體系。對于沒有底鼓現(xiàn)象的礦井，可發(fā)展卡軌車、齒軌車等，以形成單一的輔助運輸系統(tǒng)。要圍繞簡化輔助運輸系統(tǒng)，減少作業(yè)工人，減少巖石巷道，規(guī)范礦井的下井材料和設(shè)備等方面進行管理。10、采場圍巖控制技術(shù)

進一步完善采場圍巖控制理論，以科學(xué)合理優(yōu)化高效的巖層控制技術(shù)來保證開采活動的安全、高效、低成本。深入總結(jié)我國幾十年的礦山壓力研究成果，實現(xiàn)理論分析、現(xiàn)代數(shù)學(xué)力學(xué)和實測法相結(jié)合，應(yīng)用先進的計算機技術(shù)，深入研究各種煤層地質(zhì)及開采條件，如急傾斜、大采高、大采深采場礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律及圍巖破壞與平衡機理，不斷完善采場圍巖控制技術(shù)。研究堅硬頂板與破碎頂板條件下應(yīng)用高新技術(shù)。低成本巖層控制技術(shù)。由于應(yīng)用高壓注水、深孔預(yù)裂爆破處理堅硬頂板和應(yīng)用化學(xué)加固技術(shù)存在工藝復(fù)雜、成本高的問題，因而需進一步研究開發(fā)新技術(shù)、新工藝、新材料來解決這些問題。放頂煤開采巖層和支架一圍巖相互作用機理是采場穩(wěn)定的關(guān)鍵，研究放頂煤開采力學(xué)模型、圍巖應(yīng)力、頂煤破碎機理。支架一頂煤一直接頂一基本頂相互作用關(guān)系；研究頂煤放落規(guī)律，提出放煤優(yōu)化準(zhǔn)則和提高頂煤回收率的途徑。11、支護質(zhì)量與頂板動態(tài)監(jiān)測技術(shù)及

沖擊地壓的預(yù)測和防治

在總結(jié)緩傾斜中厚長壁工作面開展支護質(zhì)量與頂板動態(tài)監(jiān)測方面，應(yīng)進一步在堅硬頂板、破碎頂板、急傾斜、放頂煤工作面方面開展支護質(zhì)量與頂板動態(tài)監(jiān)測，同時應(yīng)不斷完善現(xiàn)有的監(jiān)測技術(shù)，發(fā)展智能化監(jiān)測系統(tǒng)，改進監(jiān)測儀表，使監(jiān)測儀表向直觀、輕便、小型化方向發(fā)展。通過計算機模擬研究沖擊性礦壓顯現(xiàn)發(fā)生的機理，進一步完善沖擊性礦壓顯現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)，發(fā)展遙控測量和預(yù)報技術(shù)，完善沖擊性礦壓綜合防治措施的優(yōu)化選擇專家系統(tǒng)。12、加強煤層自然發(fā)火的防治，加大開采強度，縮短開采時間

過去采用厚煤層分層回采時，由于開采強度低，開采時間長，殘留煤柱多，采空區(qū)漏風(fēng)難以控制，常常發(fā)生煤炭自燃，嚴(yán)重威脅著礦井的安全生產(chǎn)。采用綜放技術(shù)開采，上述狀況有所改善，但是新