专题演讲 张建青

专题演讲 短壁机械化采煤方法与回采工艺 学生姓名 张建青指导教师 宋卫华专业班级 采矿10-6学 号 1001020628综合成绩 专题演讲目录1绪论42房柱式采煤法煤房煤柱尺寸设计研究52.1煤房宽度计算52.1.1岩梁所受载荷的计算52.1.2按“梁”的理论确定煤房宽度62.2煤柱尺寸设计中煤柱平均应力分析62.3煤柱尺寸设计中煤柱强度研究73连续采煤机房柱式机械化开采工艺系统83.1房柱式采煤工艺系统的选择83.2连续采煤机房柱式采煤工艺83.2.1破煤、落煤和装煤83.2.2运煤93.2.3支护103.2.4顶板管理103.2.5清理浮煤工序及具体要求103.3短壁机械化开采工艺比较103.3.1连续采煤机短壁机械化开采与炮采相比103.3.2连续采煤机短壁机械化开采与综采相比114短壁机械化开采技术的适应性和推广应用114.1连续采煤机房柱式开采技术的适用条件114.2连续采煤机房柱式短壁机械化采煤方法的推广应用125总结13参考文献13摘要 随着我国煤矿开采范围的扩大，如何提高已开采的煤炭资源的回收率和对未开采煤矿资源的充分利用是目前高产高效的煤矿开采所面临的问题。现在常用的长壁综采技术和传统的炮式开采技术存在很多缺陷，而连续采煤机房柱式开采技术有其独特的特点，在开采中可以克服这些缺陷，它可以改善长壁综采技术存在的采、掘连接关系脱节以及因此引起的一系列问题，它在地质情况比较复杂的煤田、边角煤、混合煤田、不规则煤田及地方煤田的开采中应用广泛，本文从基础性研究、工艺系统、采煤方法和短壁机械化关键设备等方面，系统地研究了连续采煤机房柱式短壁机械化开采技术。连续采煤机房柱式短壁机械化采煤技术在我国许多矿区有推广应用价值。同时，该技术有利于提高煤炭资源回收率和保持煤炭工业的可持续发展。关键词：连续采煤机；短壁机械化；采煤工艺Abstract With the enlargement of the scope of coal mining in our country, how to improve the mining, the recovery rate of coal resources and make full use of to unexploited coal resource is the problems of coal mining face of high production and efficiency. Now commonly used in fully mechanized long wall technology and traditional cannon, there exist many defects, mining technology and continuous mining machine room and pillar mining technology has its unique characteristics, can overcome the defects in the mining, it can improve the technical longwall fully mechanized mining, digging the connection relationship between and caused a series of problems, therefore, it is in the geologic conditions are complex coalfield, marginal coal and blended coal field, irregular coalfield, and widely used in place of coal mining, this article from the basic research, technology system, and the key equipment of short-wall mining method, systematically studied the continuous mining machine room and pillar short-wall mining technology. Continuous mining machine room pillar short-wall mining technology in our country, many mining area of popularization and application value. At the same time, the technology is helpful to improve the recovery rate of coal resources and maintain the sustainable development of coal industry.Key words:Continuous Miner；short-wall；Coal mining process1绪论 就采煤方法而言,主要有长壁式采煤方法和短壁式采煤方法两种体系,我国及欧州各主要采煤国家多采用长壁式采煤方法,美州和非州各主要采煤国家多采用房柱式短壁采煤方法。其中,美国是世界上采用房柱式采煤方法历史悠久和产量最多的国家。 上个世纪20年代,美国在房柱式开采中就开始使用截煤机、钻机、装煤机和多种运输设备,这种配套称之为“普通房柱式开采”。 到40年代中期,美国出现连续采煤机,它取代了普通房柱式开采中所使用的多台单一性能的机械,将掏槽、钻眼、爆破和装煤等几种作业合而为一,成为世界上采用连续采煤机房柱式开采最早的国家。 60年代,随着采煤设备的不断改进和配套设备的完善,已形成一套适合于房柱式采煤法的设备体系,如连续采煤机、锚杆机、梭车等,这种配套称之为“连续采煤机房柱式开采”。 到了70年代,12CM型采煤机实现了电牵引,其设备性能也得到了进一步的提高,因而澳大利亚、南非开始相继引进美国的连续采煤机及其配套设备。同时,在美国房柱式采煤法的基础上,这两个国家结合其具体条件试验成功了一种采煤方法,在澳大利亚称为“旺格维利”采煤法,在南非称为“西格玛”采煤法,并均获得良好的技术经济效果。 80年代,美国的飞尔奇(FairChild)、杰弗利(Jeffery)、朗艾道(LongAirdox)、久益(JOY)四家公司分别研制出了刮板式和可弯曲胶带机式类型的连续运输系统样机,作为连续采煤机的后配套运煤设备。其中,飞尔奇的霍尔马克型连续运输系统(刮板型式)比较成功,其小时运量仅有390t,组合长度20一4Om。这种设备的研制,进一步提高了连续采煤机生产效率。 80年代末期,在美国和南非出现了履带式自移液压支架,支架的工作阻力为600t。它的出现,取代了工作面传统的木支柱和棚梁支护方式,实现了连续采煤机短壁机械化开采。目前这种支架在国外仅有150架左右。统计资料显示,全世界使用的连续采煤机有3000台左右,90%在美国,其房柱式采煤法产量占井工产量的68%以上。 经过不断研究与改进，国际上发展成熟了新一代的安全、高效的柱式体系采煤方法，其称为安全、高效短壁机械化开采体系。其特点为：采煤、掘进、运输和支护均实现了高度机械化，其生产系统成熟、稳定、安全。实践证明短壁开采技术具有采掘合一、机动灵活、设备投资少、适用范围广等特点，是解决煤矿残采区采煤，回收边角煤，适合不规则块段开采、解决 “三下” 开采等方面均成为提高矿井综合效益不可缺少的技术与装备。房式、柱式和房柱式等短壁采煤方法,20世纪50-60年代,在我国使用的比较普遍。70年代初,随着长壁机械化采煤工艺在国内的兴起和推广普及,短壁采煤方法除地方小煤窑采用外,国有大型矿井基本上不再使用这种方法。主要原因是这种采煤工艺的煤炭回收率低,机械化程度低、通风条件较差、工效低,无法保证安全生产。随着我国煤矿安全和开采工艺要求的提升，中小煤矿必须进行技术改造达到新的监管要求，其关键是采煤方法的改革。安全、高效短壁机械化开采体系采煤、掘进、运输和支护均实现了高度机械化，其生产系统成熟、稳定、安全。具有机动灵活、设备投资少、适用范围广等特点。其完全适用中小煤矿的升级改造，改造后在条件良好的矿井，产量可以达到100t/a以上。这样既解决了中小矿井的安全隐患，又把煤矿回采率提高到了70%左右。实现了中小煤矿的安全、高效、集约化的生产。2房柱式采煤法煤房煤柱尺寸设计研究 煤房煤柱是房柱式采煤法的基本结构,煤房煤柱设计是房柱式采煤法岩层控制研究的核心,是房柱式采煤工作面设计的重要依据,因此本课题将煤柱煤房尺寸作为首要内容进行研究。对煤房的研究,本章将以“梁”的理论为依据,确定煤房的极限跨度,提出合理的煤房尺寸。2.1煤房宽度计算 目前,巷道或煤房的合理跨度,一般是按下述“梁”的理论进行设计的。在进行设计之前,应确定顶板岩梁所受的载荷W。2.1.1岩梁所受载荷的计算 顶板一般是由一层以上的岩层所组成,因此,在计算第一层的极限跨度时选用的载荷大小,应根据顶板上方各岩层之间的互相影响来确定。第n层对第一层综合影响形成的载荷(Wn)1可由下式计算:式中E1、E2。En一顶板各岩层的弹性模量; h1、h2.hn一顶板各岩层的厚度; 1、2。.3一顶板各岩层的容重。当计算到(Wn+1),(Wn),时,即以(Wn)l作为施加于第一层岩层上的载荷,而第n+1层以上岩层的重量将不对第一层岩层施加影响。此时即可利用上式的结果作为岩梁所受载荷来计算煤房的极限跨度。2.1.2按“梁”的理论确定煤房宽度 在煤层中开掘巷道或煤房后,顶板岩层被巷道或煤房两侧煤柱支撑,形成类似于“梁”的结构。根据岩层物理力学性质,刚度较小的松软岩层将随其下部刚度较大的坚硬岩层一起变形,此时上部岩层可视为下部岩层的载荷。在上覆岩层中,若有刚度较大的坚硬岩层存在,则在岩梁弯曲变形的过程中,将与下部的松软岩层发生离层。此时上覆岩层产生的压力将向梁两端的煤柱上转移,使下部已离层的岩层处于卸压区的范围之内。根据巷道两侧煤柱对顶板岩梁的约束条件,顶板岩梁可按“简支梁”或“固定梁”的情况进行分析。一般当煤层赋存在深度较浅、开掘巷道或煤房后,在两侧煤柱中产生的支承压力不太大,或者煤柱两侧均被大面积采空的情况下,煤柱对顶板的“夹持”作用较小,岩梁可按“简支梁”处理。反之,若煤层埋藏较深,煤柱两侧未被采空,煤柱对顶板岩梁的“夹持”作用较大,则按“固定梁”处理较为合理。2.2煤柱尺寸设计中煤柱平均应力分析 利用房柱式采煤法对煤层进行采掘后，破坏了煤层中的原始应力状态，原来由煤房承担的上覆岩层的载荷，将向煤房两侧的煤柱转移，使煤柱应力升高，应力在采动影响范围内发生重新分布，而煤柱将承担煤柱和煤房上方的全部或部分岩体的重量，使自身载荷升高。目前应用最广泛的煤柱平均应力荷载计算公式，是仅考虑覆岩自重应力场的辅助面积法(TributaryAreaMethod)。辅助面积法认为，当开采区域足够大，煤柱尺寸比较规则，岩层近水平赋存时(符合大柳塔煤矿的条件)，煤房上方的覆岩重量将全部转移到邻近的煤柱上。此时各煤柱将共同承担载荷。其载荷大小等于煤柱及其周围1/2 煤房宽度范围内上方全部岩层的重量，计算公式为: 式中，P 为煤柱载荷，MPa; Y为上覆岩层平均容重，0.025MPa/m; H 为采深，m; W 为煤柱宽度，m; B 为煤房宽度，m; L 为煤柱长度，m。当煤柱布置方式均匀、尺寸相等、开采区域足够大和采深较小时，辅助面积理论计算出的煤柱载荷较为合理。并且由于辅助面积法简单易行，能够满足工程要求，所以在国内外获得了广泛的应用。2.3煤柱尺寸设计中煤柱强度研究 煤柱的强度是确保房柱式采煤法安全性和经济性的关键。随着房柱式采煤法的发展，研究人员提出了许多计算方法。煤柱尺寸设计时可利用的煤柱强度公式较多。但是，究其形式，我们可把它们归纳为线性公式、指数公式二类。两种煤柱强度计算公式：线性公式: 指数公式： 式中， p为煤柱原位强度; k为临界或超临界尺寸试块的单轴抗压强度; A，B，为煤柱形状效应系数; w 为煤柱宽度; h 为采出煤层厚度。3连续采煤机房柱式机械化开采工艺系统3.1房柱式采煤工艺系统的选择 采煤工艺是指根据工作面煤层的赋存条件,采用不同的技术装备进行生产的方式,主要包括:落煤、装煤、运煤、支护和采空区处理等工序。连续采煤机房柱式采煤工艺系统选择具有以下要求:1) 工艺系统技术先进可靠;2) 能适应矿区煤层顶底板条件，有利于实现房采工作面高产高效;3) 在传统的工艺系统基础上，必须配备自移式液压支架，实现工作面安全生产、提高工作面回采率和全部垮落法管理顶板。在选择连续运输系统、运煤车和梭车三种运煤系统时，除考虑工作面产量因素外，还要考虑工作面顶底板条件、涌水量、巷道宽度、巷道坡度、巷道及联络巷布置形式等因素。连续运输系统适用于中等以上的稳定顶板，对顶板的完整性要求较高; 底板要求稳固、平整无积水，坡度小于120，对底板比压0.157MPa，对底板条件要求低;煤层为近水平煤层，巷道宽度要求5.5 6m。运煤车运煤系统适用于中等稳定顶板; 底板要求稳固、平整、无积水，坡度小于6，对底板比压0.731MPa，对底板的硬度和完整性要求较高。煤层为近水平煤层，巷道宽度要求大于4 . 6 m 。梭车运煤系统适用于中等稳定顶板; 底板要求稳固、平整，无积水，坡度小于1 0 。对底板条件要求相对运煤车较低;煤层为近水平煤层，巷道宽度要求5 m 。3.2连续采煤机房柱式采煤工艺3.2.1破煤、落煤和装煤在以连续采煤机为龙头的短壁开采工艺中。破煤、落煤和装煤都由连续采煤机来完成，连续采煤机掘进过程可分为“切槽”和“采垛”两个工序如图1所示，其割煤工艺流程如下图2所示。装煤是利用连续采煤机的装载机构、运输机构将破落下来的煤完成装煤工序。连续采煤机上设有装载机构（装煤铲板和圆盘耙杆装载机构）和中部输送机。连续采煤机割煤时，煤炭落在装煤铲板上，同时圆盘耙杆连续运转，将煤炭装入中部运输机，运输机再将煤装入后面等待的梭车或连续运输系统上。图1 “切槽”和“采垛”工序图2 连续采煤机割煤工艺流程图3.2.2运煤运输设备主要有三类：1、运煤车，2、梭车，3、连续运输系统。3.2.3支护利用锚杆钻车实现巷道锚杆支护作业中的打眼、装药、紧固全部工艺，其顺序为：定位、钻眼、装药卷、上锚杆、紧螺母。3.2.4顶板管理 顶板管理主要考虑有履带行走式液压支架掩护以及无履带行走式液压支架掩护两种情况，老顶则将会在滞后一定时间后安全垮落，顶板管理所采取的是全部垮落法，对于无履带行走式液压支架的情况，单翼煤柱回收法与双翼煤柱回收法在采空区的支撑方面并不存在差异，均是依赖于设置规整的煤柱发挥支撑作用，支撑煤柱保持1m厚的宽度，安全性相对较低，然而由于煤柱的设置较为密集，并且比较规整，所以，顶板的冒落也是会滞后一段时间的，进而为实现安全回收煤房煤柱提供保障。工作面通风位于工作面左边以及中间的两个顺槽同时充当着进风巷的角色，而位于右边的顺槽则同时起到回风巷作用，将中间及右边的顺槽之间封闭，以便在工作面形成一个通风系统，在进行煤房掘进的过程中主要选择的通风方式是局扇式，在进行煤柱的回收过程中，通风方式则是系统全负压式，途径最近的煤房采空区工作面回风风流最终将会进入到右侧的回风顺槽，与此同时需要及时将已经回采完毕的煤房进行密闭。3.2.5清理浮煤工序及具体要求掘进完成一个循环后连续采煤机退出刚刚所掘进的巷道，降下铲板，用连续采煤机先将巷道内的浮煤进行初步清理，然后，将梭车、连续采煤机退后，用铲车清理给料机前至工作面后区段的浮煤，待支护完成后，做好下一工序的准备工作。3.3短壁机械化开采工艺比较3.3.1连续采煤机短壁机械化开采与炮采相比1) 工作面全部机械化的应用使得煤炭回采率提高。在我国炮采房柱式开采采区回采率约30%40%，而使用连续采煤机机器配套设备机型旺格维利采煤法开采其采区回采率可达到70%以上。2) 大大提高了劳动效率，极大减少了工人劳动强度，井上下人员少，易于管理。3) 工作面环境好，机械化程度的提高使得工作安全程度大大提高，减少了事故的发生。3.3.2连续采煤机短壁机械化开采与综采相比1） 设备投资少。一般一套短壁设备的价格为长壁综采的1/51/6(均按进口设备比较)，而其单产为一般综采设备的1/21/3左右。2） 采掘合一。 连续采煤机及其配套设备的应用其煤巷掘进速度是一般悬臂式掘进机的34倍，完成煤层采准巷道的快速掘进认为。该套设备还作可为中小煤矿回采煤炭的设备同时也可作为综采的补充手段，不能布置长壁综采的三角区域和不规则块段，大大提高了矿井的资源回收率，有时可使采区回采率提高一半。3） “三下”采煤优势明显。我国存在大量的“三下”压煤，连续采煤机短壁机械化开采应用可进行“三下”采煤，提高煤炭回收率，解决由于“三下”压煤造成的工作面接替紧张，矿区服务年限缩短，使其提早进入衰老报废期等一系列问题。4短壁机械化开采技术的适应性和推广应用4.1连续采煤机房柱式开采技术的适用条件 通过几年来在不同的煤层地质条件下对短壁机械化开采技术的研究与实践,逐步总结出了房柱式短壁开采技术适用性条件。1) 适宜于在埋藏深度较浅的煤层中使用一般来说,上覆地层越厚,采场静压力越大,支护也相对困难,对短壁开采的高效回采影响也就越大,因些房柱式采煤法适合于埋藏深度较浅的煤层。对多煤层开采区,煤层间隔距离越大对采用房柱式采煤工艺影响就小。煤层间隔距离越小,上层煤层的支承压力对下层的开采影响就越大,特别是上层煤层留设的大煤柱将会对下部产生较大的集中应力。2) 适宜于在煤层厚度适中、赋存较为稳定条件下使用连续采煤机及后配套设备对煤层的赋存条件要求较为严格,当煤层可采厚度低于1.sm时,各类设备的运行高度比较紧张,锚杆机架设锚杆也极不方便。当煤层赋存有夹研层时,连续采煤机的截割阻力会明显增大,这势必会降低其生产效率。当夹研厚度超过o.ms时,工作面则需要人工打眼放炮进行处理夹研层,而且需要增加捡研和煤研分装等工序,因此,房柱式短壁采煤工作面一般应布置在不含有较厚夹研层且厚度在2一4.m5的煤层中,或在布置工作面时避开夹研层位,这样刁能一充分发挥其快速、高产的效能。3) 适宜于开采近水平煤层 连续采煤机及其后配套设备大多为自移式设备,适合于倾角较小的煤层。当煤层倾角大于100时,设备的自移性能将会出现困难,工作效率也将大打折扣,因而,房柱式短壁机械化工作面适宜布置在小于o8的近水平煤层中,特别是适宜于布置在l一o3的近水平煤层中。4) 活宜于开采煤质坚硬、顶板中等稳定、底板不易软化的煤层条件 连续采煤机房柱式采煤工艺特点系统决定了它对煤层开采条件的特殊要求。设备几何尺寸大,转弯半径较大,要求巷道断面为矩形,宽度不小于4.m2以上,经验数据为m5。非稳定顶板和松软煤层均不可能保证巷道的有效宽度。另外,如果巷道支护比较复杂,也难以发挥这种工艺的效率。煤层直接底岩石的特征对设备移动、人员通行有极大的影响。如煤层底板岩性遇水软化成泥淖,将会严重影响采煤设备的工作状况,无疑会降低工作面的生产效率和煤炭质量标准。5) 适合作为大型井田的边角煤块段和不适宜布置综采工作面的小型井田的采煤方法 因房柱式短壁采煤工作面的部署与布置较为灵活,基本上不受断层、褶曲、裂隙等地质构造的影响,对于大型井田的边角块段和不适宜于布置综采工作面的小型井田,利用连采配套设备进行房柱式开采,则更容易实现高产高效。4.2连续采煤机房柱式短壁机械化采煤方法的推广应用 中国的这种资源条件,决定了我国在走可持续发展的历史时期,只能选择以煤为主的一次性能源结构。然而多年来,随着大规模粗放性开采,适合长壁开采的煤炭资源日益减少,且长壁开采后的残留煤柱、不能布置长壁的残采煤区、不规则块段等煤炭储量却在逐年上升,“三下”压煤量也很大。房柱式短壁机械化开采技术的推广应用,可以最大限度地回收不可再生的煤炭资源,我国有能力在具有以下条件的矿区推广应用该项技术,改善我国目前的煤炭开采现状,提高资源回收率,保持煤炭工业的可持续发展。(1)不易发展综合机械化采煤的近水平中厚煤层采区;(2)浅部的或具有平酮开拓条件的中小型矿井设计:(3)大型矿井的不正规采区或不易采用长壁综采的断层分割带或边角煤杜;(4)需要保护的“三下”开采区。5总结 连续采煤机房柱式采煤法经过 70 多年的不断摸索与改进，现在仍存在一些缺点：（1）煤矿出煤率相对比较低，普遍采出率为50%60%，在某些条件下，如果采用全部回收方式开采，采出率可达 70% 以上；（2） 通风条件差，由于巷道布置时的进风口和出风口是是并列的，通风建筑物多且漏风大；（3） 在使用连续采煤机房柱式采煤法采煤时要充分地考虑连续采煤机应具备的条件煤田的地质条件，以及对其进行稳定性分析、对煤房与煤柱参数进行合理确定，另外还需有一支素质高的员工队伍来使用、维护这些高技术的机械化设备。虽然这些缺点限制着它的发展和应用，但是它们已经被认识到也正在被克服，目前连续采煤机房柱式开采技术已形成了相对完善的采煤系统，由于其掘进速度快、煤柱回收率高以及在不规则煤田的使用，使得该技术在国内、外均得到了较快发展，特别是在一些发达国家得到了充分的应用。目前我国的一些地方（比如神东、黄陵等煤层比较浅的矿区）以连续采煤机为核心，应用现代房柱式采煤方法，在煤矿开采量上已经取得了很大成效，连续采煤机房柱式采煤法的价值因此在我国也得到了体现。参考文献1耿兆瑞,连续采煤机房柱短壁采煤方法及设备评价,煤炭科学技术,1985(12)2煤矿开采学,中国矿业大学出版社,徐永沂,19993矿山岩石力学,阜新矿业学院4矿山压力及其控制,煤炭一业出版社出版,钱鸣高、刘听成,1991年3月5(煤矿地质学,中国矿业人学出版社,弃习修璋,1989年6月6美国房柱式开采技术煤炭工业出版社,翟德元泽,1996年3月7短壁开采技术中国矿业学院出版社,徐永沂、王悦汉,19878中国采煤方法(中国矿矿业人学出版社出版,1991年8月第一版)9王天才,连续采煤机房柱式机械化开采工艺研究,2011自动化与仪器仪表11