厚煤层开采放顶煤

一、引言二、放顶煤开采技术的发展三、放顶煤开采技术展望中国能源的中国能源的70%70%是煤炭是煤炭中国煤炭产量占世界中国煤炭产量占世界1/31/3煤炭产量煤炭产量95%95%来自于地下开采来自于地下开采厚煤层储量和产量占厚煤层储量和产量占45%45%中国放顶煤开采技术处于国际中国放顶煤开采技术处于国际领先地位领先地位一、引言一、引言分层开采工艺分层开采工艺放顶煤开采工艺放顶煤开采工艺大采高开采工艺大采高开采工艺厚煤层开采的基本工艺厚煤层开采的基本工艺分层开采工作面单产低，巷道布分层开采工作面单产低，巷道布置复杂，上下分层回采间隔时间置复杂，上下分层回采间隔时间长，效益差。长，效益差。 分层开采分层开采放顶煤技术实现了厚煤层的整放顶煤技术实现了厚煤层的整层开采，可减少巷道掘进工程层开采，可减少巷道掘进工程量，产量高。量，产量高。 放顶煤开采放顶煤开采大采高综采与分层开采相比，具有大采高综采与分层开采相比，具有生产能力大、巷道掘进量小等优点；生产能力大、巷道掘进量小等优点；对于对于4m左右的厚煤层，大采高综采左右的厚煤层，大采高综采与放顶煤开采相比具有煤炭资源采与放顶煤开采相比具有煤炭资源采出率高、含矸率少、工序简单等优出率高、含矸率少、工序简单等优点。点。 大采高综采大采高综采裂隙扩展裂隙扩展贯通阶段贯通阶段散煤散煤流动流动岩层冒落岩层冒落裂隙发育阶段裂隙发育阶段 原岩应力状态原岩应力状态 krHrH裂隙闭合阶段裂隙闭合阶段 2020世纪世纪6060年代欧洲液压支架迅速发展，综合机械化采煤逐渐占据主导地位。年代欧洲液压支架迅速发展，综合机械化采煤逐渐占据主导地位。19571957年前苏联首次使用掩护液压支架开采厚煤层（倾角年前苏联首次使用掩护液压支架开采厚煤层（倾角518518、厚、厚912m912m），），工作面先采顶分层铺底网，然后采底层向中层煤打眼放炮，通过支架顶梁上的工作面先采顶分层铺底网，然后采底层向中层煤打眼放炮，通过支架顶梁上的天窗将煤放入工作面输送机。天窗将煤放入工作面输送机。法国香蕉型放顶煤支架法国香蕉型放顶煤支架到了到了2020世纪世纪70 70 年代初，综放开采有两个发展方向年代初，综放开采有两个发展方向工作面采用单输送机工作面采用单输送机前苏联、前南斯拉夫、波兰、匈牙利前苏联、前南斯拉夫、波兰、匈牙利等东欧国家在掩护支架基础上逐渐改等东欧国家在掩护支架基础上逐渐改进，把放煤口由顶梁前部改在顶梁后进，把放煤口由顶梁前部改在顶梁后部，并使用液压支柱控制开闭，如匈部，并使用液压支柱控制开闭，如匈牙利牙利VHPVHP型综放支架。型综放支架。如匈牙利如匈牙利VHP型综放支架型综放支架工作面采用双输送机工作面采用双输送机法国、德国、英国、西班牙等西欧国法国、德国、英国、西班牙等西欧国家在法国节式支架基础上不断发展，家在法国节式支架基础上不断发展，工作面前后布置两部输送机，放煤口工作面前后布置两部输送机，放煤口用千斤顶带动开闭，如英国用千斤顶带动开闭，如英国400t400t掩掩护式综放支架。护式综放支架。如英国如英国400t掩护式综放支架掩护式综放支架搅动顶煤杆搅动顶煤杆1982年：年： 我国开始引进综放开采技术我国开始引进综放开采技术1984年：年： 运用国产的运用国产的FY40014/28型综放支架在型综放支架在沈阳蒲河矿首次进行综沈阳蒲河矿首次进行综 放开采试验，效果不理想，试验失败。放开采试验，效果不理想，试验失败。80年代中期年代中期：我国进行大面积急倾斜分段综放试验（窑街、辽源、乌鲁木我国进行大面积急倾斜分段综放试验（窑街、辽源、乌鲁木齐、梅河口等）齐、梅河口等）1987年：年： 平顶山一矿引进匈牙利的平顶山一矿引进匈牙利的VHP综放支架及全套综放设备在缓倾综放支架及全套综放设备在缓倾斜软煤中试验成功，但月产仅斜软煤中试验成功，但月产仅4万万t。1988年年12月：月：阳泉一矿运用掩护式中位开天窗综放支架在中硬煤中试验效果良阳泉一矿运用掩护式中位开天窗综放支架在中硬煤中试验效果良好。好。1989年年9月：月： 潞安王庄矿运用国产高位开天窗支架在中硬煤取得了最高月产潞安王庄矿运用国产高位开天窗支架在中硬煤取得了最高月产8.28万万t、采出率、采出率87.82%、回采工效、回采工效40.12t/工的好成绩。工的好成绩。1990年年7月：月： 阳泉一矿阳泉一矿8603采用中位开天窗综放支架突破月产采用中位开天窗综放支架突破月产14万万t，标志综放技，标志综放技术可以实现高产高效，有巨大潜力。术可以实现高产高效，有巨大潜力。1992年：年：潞安漳村矿单产潞安漳村矿单产200万万t、1993年王庄矿单产年王庄矿单产253万万t1995年：年：兖州兴隆庄矿工作面单产兖州兴隆庄矿工作面单产300万万t1997年：年：兖州东滩矿工作面单产兖州东滩矿工作面单产410万万t，工效，工效203.9t/工工1998年：年：兖州东滩矿综放队年产兖州东滩矿综放队年产501万万t，工效，工效235.4t/工工 在此期间，原煤炭部将综放开采技术作为在此期间，原煤炭部将综放开采技术作为“九五九五”期间重点科技攻期间重点科技攻关项目，先后组织了关项目，先后组织了“两硬两硬”厚煤层、厚煤层、“三软三软”厚煤层、高产高效等的厚煤层、高产高效等的综放开采技术攻关，取得了显著成绩。综放开采技术攻关，取得了显著成绩。 国家自然科学基金委员会于国家自然科学基金委员会于19981998年年1 1月资助了由中国矿业大学（北京校月资助了由中国矿业大学（北京校区）负责的区）负责的厚煤层全高开采方法基础研究厚煤层全高开采方法基础研究这一国家自然科学基金重点项这一国家自然科学基金重点项目，就放顶煤开采中的基础理论问题进行系统研究。目，就放顶煤开采中的基础理论问题进行系统研究。 2 2）国产液压支架基本定型，能够满足高产高效综放开采需要。）国产液压支架基本定型，能够满足高产高效综放开采需要。 1 1）工作面产量和工效稳步提高，年产百万吨的综放面逐步成为）工作面产量和工效稳步提高，年产百万吨的综放面逐步成为高产面的主题。高产面的主题。3 3） “ “三软三软”、“两硬两硬”、“高瓦斯高瓦斯”、“大倾角大倾角”厚煤层的综厚煤层的综放取得了突破性进展。放取得了突破性进展。4 4）初步摸清和提出了解决提高回收率、瓦斯防治、自然发火和粉）初步摸清和提出了解决提高回收率、瓦斯防治、自然发火和粉尘防治的一些措施，并进行了大规模试验，取得了一些成果。尘防治的一些措施，并进行了大规模试验，取得了一些成果。6) 6) 综放开采的理论研究方面有很大进步。关于岩层控制、支架综放开采的理论研究方面有很大进步。关于岩层控制、支架围岩关系、顶煤可放性、放煤工艺、平行作业等都有了较多研围岩关系、顶煤可放性、放煤工艺、平行作业等都有了较多研究，并开始形成了百家争鸣的局面。究，并开始形成了百家争鸣的局面。 5) 5) 轻型支架放顶煤开采技术迅速发展轻型支架放顶煤开采技术迅速发展1) 1) 综放开采技术得到中国工程界的赞许综放开采技术得到中国工程界的赞许放顶煤开采技术已被中国工程院确定为放顶煤开采技术已被中国工程院确定为2020世纪中国对世纪中国对世界工程技术的世界工程技术的2525项重要贡献成果之一的主要内容项重要贡献成果之一的主要内容2 2）条件适宜矿井向高效方向发展）条件适宜矿井向高效方向发展 20022002年年8 8月兖州兴隆庄矿成功开展了月兖州兴隆庄矿成功开展了600600万吨综放万吨综放面设备配套与技术研究，可实现年产面设备配套与技术研究，可实现年产680680万吨。万吨。百万吨百万吨级的综放面逐年增多，在机采面里的比例逐渐增大级的综放面逐年增多，在机采面里的比例逐渐增大3 3）难采煤层大面积推广综放开采技术）难采煤层大面积推广综放开采技术 “高瓦斯突出高瓦斯突出”、易燃、易燃、“极软极软”、“两硬两硬”、大、大倾角（倾角（2525 ）、）、3.53.55m5m煤层煤层4) 4) 轻型支架综放开采技术受到重视和青睐轻型支架综放开采技术受到重视和青睐 淮北朱仙庄矿：淮北朱仙庄矿：“高瓦斯突出高瓦斯突出”、易燃、易燃、“极软极软”、轻型支架，月产轻型支架，月产8 8万吨。万吨。 鹤壁二矿：大倾角鹤壁二矿：大倾角3131 、轻型支架月产、轻型支架月产4 4万吨。万吨。 峰峰、开滦、淮北、徐州等局大面积推广轻放技术，峰峰、开滦、淮北、徐州等局大面积推广轻放技术，成绩显著。成绩显著。5) 5) 理论研究取得一定突破理论研究取得一定突破 瓦斯运移与防治理论和技术，顶煤移动与提高回收瓦斯运移与防治理论和技术，顶煤移动与提高回收率技术、支架围岩关系与合理支架阻力确定等取得一定率技术、支架围岩关系与合理支架阻力确定等取得一定成果。成果。20022002年年 兖矿集团兴隆庄矿综放一队产量达到兖矿集团兴隆庄矿综放一队产量达到639.92639.92万万t,t,东滩矿综放一队产煤东滩矿综放一队产煤606.85606.85万万t t。20042004年年 兖矿集团公司东滩矿综采放顶煤工作面全兖矿集团公司东滩矿综采放顶煤工作面全年产量年产量658.15658.15万万t t，工作面全部为国产设备，主要工作面全部为国产设备，主要装备：液压支架装备：液压支架ZFS7200ZFS7200型、采煤机型、采煤机MGTY400/930-MGTY400/930-3.3D3.3D型、刮板输送机型、刮板输送机SGZ-1000/1050SGZ-1000/1050型。型。20072007年年 中国中煤能源集团平朔公司安家岭二号井中国中煤能源集团平朔公司安家岭二号井综放队生产原煤综放队生产原煤942.83942.83万吨万吨、一号井综放队、一号井综放队859.9859.9万吨万吨、山西潞安环能股份公司王庄煤矿综放队、山西潞安环能股份公司王庄煤矿综放队630.09630.09万吨万吨、山东兖州矿业集团公司东滩矿综放队、山东兖州矿业集团公司东滩矿综放队623.5623.5万吨万吨、兴隆庄煤矿综放一队、兴隆庄煤矿综放一队600.57600.57万吨万吨。 山西同煤集团塔山矿综采放顶煤的厚度突破山西同煤集团塔山矿综采放顶煤的厚度突破20m（机采高度正向（机采高度正向5m突破，可以满足突破，可以满足1：3的采放比的的采放比的控制目标）。控制目标）。 采用了采用了3000t/h的放煤运输机，实现了工作面高速的放煤运输机，实现了工作面高速推进，年产突破推进，年产突破1000万万t的水平。的水平。 随着放煤运输机能力的提高和新型放顶煤支架研随着放煤运输机能力的提高和新型放顶煤支架研制和使用的成功，使工作面长制和使用的成功，使工作面长300m，年产突破，年产突破1500万万t的目标即将实现。的目标即将实现。 保证防止瓦斯、顶板、火灾等重大事故的安全开保证防止瓦斯、顶板、火灾等重大事故的安全开采的理论和技术体系（新型巷道布置系统、瓦斯抽排采的理论和技术体系（新型巷道布置系统、瓦斯抽排技术装备、工作面和巷道顶板控制技术和装备等）技术装备、工作面和巷道顶板控制技术和装备等） 中煤能源公司平朔公司安家岭二号矿综放队在煤中煤能源公司平朔公司安家岭二号矿综放队在煤厚厚13m条件下产煤条件下产煤1039.1 万万t,刷新综放面年产世界记刷新综放面年产世界记录录。一次采全高放顶煤开采一次采全高放顶煤开采预采顶分层放顶煤开采预采顶分层放顶煤开采高瓦斯解突高瓦斯解突特厚煤层提高回收率特厚煤层提高回收率多分层放顶煤多分层放顶煤用于特厚煤层，用于特厚煤层，如华亭、如华亭、抚顺等。抚顺等。急倾斜分段放顶煤急倾斜分段放顶煤放顶煤回采巷道布置方式放顶煤回采巷道布置方式双巷布置方式双巷布置方式适用于低瓦斯，顶适用于低瓦斯，顶煤顶板不需要特殊煤顶板不需要特殊处理的厚煤层和急处理的厚煤层和急斜厚煤层斜厚煤层分段运输平巷分段运输平巷分段回风平巷分段回风平巷区段运输平巷区段运输平巷区段回风平巷区段回风平巷三巷布置方式三巷布置方式运输巷回风巷联络巷瓦斯尾巷适用于高瓦斯、煤厚小于适用于高瓦斯、煤厚小于6m6m。缺点：区段煤柱损失大。缺点：区段煤柱损失大。瓦斯巷适用于高瓦斯、煤厚大于适用于高瓦斯、煤厚大于6m6m。四巷布置方式四巷布置方式适用于煤层厚适用于煤层厚度度6m6m，对顶，对顶煤和顶板进行煤和顶板进行处理的厚煤层处理的厚煤层原始状态：爆破前原始状态：爆破前碎裂区：爆破后碎裂区：爆破后顶煤顶煤碎裂碎裂区区工作面及支架工作面及支架工作面推进方向工作面推进方向支承压力分布图支承压力分布图2m0.7m施工巷道内钻施工巷道内钻孔布置孔布置20m20m（四）（四） 放顶煤支架放顶煤支架放顶煤液压支架是放顶煤开采技术成功的关键，由于放顶煤放顶煤液压支架是放顶煤开采技术成功的关键，由于放顶煤开采的特点，对其支架的基本要求是：开采的特点，对其支架的基本要求是：具有足够的支撑能力、具有足够的支撑能力、良好的护顶护帮功能、能及时封闭机道、放煤口和过煤空间良好的护顶护帮功能、能及时封闭机道、放煤口和过煤空间大、快速移动等。大、快速移动等。在放顶煤开采技术初期（在放顶煤开采技术初期（20世纪世纪80年代），我国曾经研制出多年代），我国曾经研制出多种放顶煤支架，并且以模仿国外产品为主，由于国外的放顶煤种放顶煤支架，并且以模仿国外产品为主，由于国外的放顶煤支架并不成熟，因此我国在放顶煤支架的研制过程中也经历了支架并不成熟，因此我国在放顶煤支架的研制过程中也经历了一段的摸索阶段。目前已经形成了具有我国特色的支架统一定一段的摸索阶段。目前已经形成了具有我国特色的支架统一定型，并走在了世界前列。型，并走在了世界前列。我国放顶煤液压支架是从低位放顶煤液压支架开始，经历了高我国放顶煤液压支架是从低位放顶煤液压支架开始，经历了高位、中位，现在又回到了低位。位、中位，现在又回到了低位。支承压力冒落的松散顶煤损伤和破坏的顶煤煤层图 放顶煤开采技术由于放顶煤开采的支架由于放顶煤开采的支架上方存在一层厚而破碎上方存在一层厚而破碎且随采随放的顶煤，因且随采随放的顶煤，因而与分层开采相比，其而与分层开采相比，其矿压显现也有一些其自矿压显现也有一些其自身的特点。身的特点。运输系统顶煤顶板岩层工作面支架（五）放顶煤工作面矿山压力显现特征（五）放顶煤工作面矿山压力显现特征 放顶煤开采时，放顶煤开采时，一次性采出厚度增大，直接顶的垮落高一次性采出厚度增大，直接顶的垮落高度成倍增加度成倍增加，并且与煤层的采出厚度显著相关。综放开，并且与煤层的采出厚度显著相关。综放开采时，采场上方仍可形成稳定的砌体梁式老顶结构，但采时，采场上方仍可形成稳定的砌体梁式老顶结构，但其形成的位置相对远离采场，其稳定性也发生了相应的其形成的位置相对远离采场，其稳定性也发生了相应的变化。变化。 顶煤运移规律及对矿压显现有显著影响顶煤运移规律及对矿压显现有显著影响。支架上方的顶支架上方的顶煤经过了支承压力作用发生了破碎，刚度降低，但破碎煤经过了支承压力作用发生了破碎，刚度降低，但破碎程度与顶煤强度，裂隙分布和支承压力分布情况等有关，程度与顶煤强度，裂隙分布和支承压力分布情况等有关，坚硬顶煤的运移始动点距煤壁距离较小，累计位移量较坚硬顶煤的运移始动点距煤壁距离较小，累计位移量较小，顶煤的破碎效果较差，传递上覆岩层作用的能力较小，顶煤的破碎效果较差，传递上覆岩层作用的能力较强，则表现出的矿压显现明显。强，则表现出的矿压显现明显。 支承压力分布区前移。支承压力分布区前移。放顶煤开采时，工作面前方的支承放顶煤开采时，工作面前方的支承压力区距煤壁距离较大，发生前移。对软煤而言，支承压压力区距煤壁距离较大，发生前移。对软煤而言，支承压力峰值点距煤壁距离较硬煤的大，峰值小，分布平坦。力峰值点距煤壁距离较硬煤的大，峰值小，分布平坦。 支承压力冒落的松散顶煤损伤和破坏的顶煤煤层图 放顶煤开采技术支架工作阻力变化不大支架工作阻力变化不大。放顶煤工作面的支放顶煤工作面的支架阻力不大于单一煤层或分层开采的顶分层架阻力不大于单一煤层或分层开采的顶分层开采的工作面的。来压的动载系数也没有明开采的工作面的。来压的动载系数也没有明显变化，支架以初撑和一次增阻工作状态为显变化，支架以初撑和一次增阻工作状态为主。主。前柱工作阻力普遍大于后柱的，一般为前柱工作阻力普遍大于后柱的，一般为10 - 15%10 - 15%，对于软顶煤而言，顶煤的破碎和，对于软顶煤而言，顶煤的破碎和放出较充分，支架顶梁后部上方的顶煤较少，放出较充分，支架顶梁后部上方的顶煤较少，不利于传递上覆岩层的作用不利于传递上覆岩层的作用，因此相对硬顶，因此相对硬顶煤而言，软煤支架前柱的工作阻力大于后柱煤而言，软煤支架前柱的工作阻力大于后柱的工作阻力这一特点表现的更明显。的工作阻力这一特点表现的更明显。（4）瓦斯上浮及其运移规律）瓦斯上浮及其运移规律和有效治理技术和有效治理技术（5）特厚煤层大采高综放开采成套技术与装备）特厚煤层大采高综放开采成套技术与装备 roof strata顶板broken coal破碎煤体rock矸石high gas 高瓦斯main air fluid 主风流high gas and no air fluid高瓦斯无风流Top-coal顶煤（6 6）放顶煤开采岩层和支架围岩相互作用）放顶煤开采岩层和支架围岩相互作用机理研究机理研究 研究放顶煤开采力学模型、研究放顶煤开采力学模型、围岩应力、顶煤破碎机理、支架与围岩围岩应力、顶煤破碎机理、支架与围岩相互作用关系；运用离散元等方法研究相互作用关系；运用离散元等方法研究顶煤放落规律，提出放煤优化准则和提顶煤放落规律，提出放煤优化准则和提高顶煤回收率的途径。高顶煤回收率的途径。（7 7）放顶煤工作面的自动化技术、自动）放顶煤工作面的自动化技术、自动放煤技术放煤技术