1、1第一章 厚煤层开采理论第一节 我国厚煤层开采现状一、能源的重要性能源是国家经济发展的基础，是人类赖以生存的五大要素（阳光、空气、水、食物、能源） ，也是 21 世纪的热门话题。煤炭、石油、天然气等化石能源基础上的能源体系极大第推动了人类社会的发展。化石能源开采的不良后果：资源日益枯竭、环境不断恶化、水资源遭到破坏等。21 世纪目标：找寻清洁、可靠、安全的可持续能源系统。目前世界范围内，化石能源在能源消费总量构成中占 90%以上。我国是世界上能源开采与消费的大国，能源消费量占世界总消费量的 10%以上，仅次于美国，居世界第二位。但人均商品能源消费甚低，约为世界平均值的二分之一，美国的十分之一。
2、我国以往的经济增长主要是依靠投资和消耗大量能源。但投资对经济增长的贡献已经开始下降：1、20 世纪 90 年代初，全国投资增长 1%，国内生产总值（GDP）可增长约 0.8%。2、2003 年，投资每增长 1%，GDP 的增长却降至 0.4%。3、2004 年，我国 GDP 获得了 9.5%的高增长，总量达 13.65 万亿元，但 2004 年我国煤炭产量达 19.75 亿 t，较 2003 年增长了 16%；进口原油 12272 万 t，增长了34.8%；进口成品油 2788 万 t，增长了 34.1%；电力增长 15%。表明：我国能源的浪费严重，能源效率低，能耗高。4、我国能源效率约为 3
3、1.2%，比经济合作与发展组织(OECD)国家落后 20 年，相差近 10 个百分点。5、我国能源经济效益也很低，万元 GDP 能耗为美国的 3 倍，日本的 7.2 倍，也远高于巴西、印度等发展中国家。合理利用与开发能源，促进经济发展是我国今后能源战略的主要内容之一。二、我国能源现状当今世界能源结构：煤炭资源储量丰富，而石油、天然气相对贫乏。中国更是一个富煤贫油的国家，见表 1-1-1。2表 1-1-1 化石能源现状详查储量 储采比能源总类世界 中国 世界 中国中国占世界储量 /%煤炭 9842 亿 t 1145 亿 t 218 92 11.6石油 1534 亿 t 38 亿 t 41 24
4、2.6天然气 136.4 亿 m3 1.37 亿 m3 63 58 0.91. 煤炭1）煤炭是我国最主要的能源，我国常规能源（煤、油、气和水能，按使用 100 年计算）探明总资源量中，煤炭占 87.4%，石油占 2.8%，天然气占 0.3%，水能占 9.5%。2）截止到 1996 年末，全国深度在 2000m 以内，煤炭资源总量为 5.56 万亿 t累计探明煤炭储量为 1.02 万亿 t保有储量为 1.00 万亿 t烟煤：75%无烟煤：12%褐煤：13%西部地区煤炭资源总量为 43134 亿 t，占全国 78%“三西” （山西、山西、蒙西）储量为 6322 亿 t，占全国 64%。陕西、内蒙、
5、新疆、宁夏、甘肃、青海已发现资源总量为全国的 71.6%，查明储量的 44.18%。2. 石油天然气我国估计的地质储量石油为 940 亿 t,天然气为 38 万亿 m3。但探明储量都很低。世界能源委员会估计：我国的石油探明储量仅为 32.6 亿 t，天然气仅为 1.127 万亿 m3。目前找到的油气把部分是在新生代陆相沉积盆地中获得，对古生代和中生代海相油气资源的形成与演化还缺乏认识。3. 核能核电基本建设投资昂贵，未来二三十年内，核能不可能在能源结构中占较大比例。4. 水能资源预计全国蕴藏量达 6.76 亿 kW，可能开发达 3.78 亿 kW(年发电量 19000 亿 kWh)，3占世界首
6、位。水能资源主要集中于西南地区：占 67.8%，中南为 15.5%，西北为 9.9%，华东占3.6%，华北占 1.2%。目前开发利用仅 7.8%(世界平均为 20%，美国达 39%)5. 新能源与可再生能源国家经贸委制定的 20002015 年规划，将达到 4300 万 t 标准煤。6. 太阳能我国陆地每年接受太阳辐射相当于 2.4 万亿 t 标准煤。 （有人认为太阳能是未来能源的主流） 。7. 风能我国风能理论总储量约为 32.26 亿 kW，陆地上储量为 2.53 亿 kW。8. 地热能远景储量为 1353.5 亿 t 标准煤，探明储量相当于 31.6 亿 t 标准煤。我国地热资源以中低温
7、地热为主，主要分布在四川、华北、松辽、苏北等，可采资源量为 18 亿 t 标准煤。高温地热资源主要分布在云南、西藏、四川和台湾。我国喜马拉雅地带的高温地热系统达 255 处，总资源量为 0.058 亿 kW。地热泉水中，4060的温泉有 807 处，6080的温泉有 398 处。我国近几年能源消费结构见表 1-1-2。表 1-1-2 我国近几年能源消费结构以能源消费总量为 100%计算所占比例/%年份 能源消费量(标准煤)万 t 煤 炭 石 油 天然气 水 电1995 131176 74.60 17.50 1.80 6.101996 138948 74.70 18.00 1.80 5.5019
8、97 138173 71.50 20.40 1.80 6.301998 132214 69.60 21.50 2.20 6.701999 130119 68.00 23.20 2.20 6.602000 130297 66.10 24.60 2.50 6.802001 134914 65.30 24.30 2.70 7.702002 148000 66.10 23.40 2.70 7.802003 167800 67.10 22.70 2.80 7.40世界范围的能源消费结构以油气优质燃料为主，占一次能源结构的 64%。4我国以煤为主，占一次能源结构的 65%以上（我国的煤炭生产在一次能源生产
9、中占 70%以上） ，而世界平均仅为 26.2%。我国是世界上少数几个以煤为主要能源的国家之一，这是我国的能源特点所决定的，而且这种现状在今后相当长一段时间内不会改变，预计到 2050 年，煤炭在我国一次能源结构中的比重将维持在 65%左右。我国的能源开发必然重视煤炭资源的开发，研究煤炭开采的技术进步。三、我国煤炭资源的基本特征我国具有工业价值的煤炭资源主要赋存在晚古生代的早石炭世到新生代第三纪。特点：1. 分布广泛全国 33 个省级行政区划中，除上海和香港特备行政区外，都有不同质量和数量的煤炭资源，全国 63%的县级行政区中都分布着煤炭资源，到 1996 年底，经发现并做了不同程度地质勘探工
10、作的煤矿区达 5345 处（未计台湾地区） 。2. 西多东少，北多南少1996 年末，全国深度在 2000m 以内的 5.56 万亿 t 资源总量中，分布在大兴安岭太行山雪峰山以西的晋、陕、蒙、宁、青、新、川、渝、黔、滇、藏 12 个省的煤炭资源总量达 4.50 万亿 t，占总量的 89%，而该线以东的 20 个省只有 0.56 万亿 t，仅占全国的 11%。分布在昆仑山秦岭大别山一线以北的京、津、冀、辽、吉、黑、鲁、苏、皖、沪、豫、晋、陕、宁、甘、青、新等 18 个省的煤炭资源量达 4.74 万亿 t，占全国总量得 93.6%，而该线以南的 14 个省只有 0.32 万亿 t，仅占总量的 6
11、.4%。北煤南运、西煤东调。3. 相对集中1）1996 年末，全国深度在 2000m 以内的 5.56 万亿 t 资源总量中新疆：1.6 万亿 t内蒙古：1.2 万亿 t山西：0.68 万亿 t陕西：0.29 万亿 t宁夏：0.199 万亿 t甘肃：0.19 万亿 t贵州：0.186 万亿 t河北：0.115 万亿 t5河南：0.114 万亿 t安徽：0.104 万亿 t山东：0.1 万亿 t以上 11 个省、自治区具有资源总量 4.778 万亿 t，占全国煤炭资源总量的94.4%。2）在全国 10025 亿 t 的保有储量中山西：2578 亿 t内蒙古：2247 亿 t陕西：1619 亿 t
12、新疆：952 亿 t贵州：524 亿 t宁夏：309 亿 t安徽：245 亿 t云南：242 亿 t河南：227 亿 t山东：227 亿 t黑龙江：218 亿 t河北：147 亿 t甘肃：102 亿 t以上 13 个省、自治区共有 9367 亿 t，占全国煤炭保有储量的 96.1%。4. 优质动力煤丰富我国煤类齐全，从褐煤到无烟煤各个煤化阶段的煤都有赋存，能为各工业部门提供冶金、化工、气化、动力等各种用途的煤炭。但各煤类的数量不均衡，地区间的差别也很大。在 1996 年末的 1 万亿 t 保有储量中，各煤类的储量和所占比重，如表 1-1-3 所示。炼焦用煤 非炼焦用煤合计 气煤 肥煤 焦煤 瘦
13、煤 未分 类 合计 贫煤 无烟 煤 弱黏 煤 不黏 煤 长焰 煤 褐煤 天然 焦 未分 类分类不明储量/亿 t 2549 1036 458 598 403 54 7307 572 1156 170 1508 1617 1301 16 967 169所占比重/% 25.4 10.3 4.6 6.0 4.0 0.5 72.9 5.7 11.5 1.7 15.0 16.1 13.0 0.2 9.7 1.7我国虽然煤类齐全，但真正具有潜力的是低变质烟煤，而优质无烟煤和优质炼焦6用煤都不多，属于稀缺资源，应采取有效措施，切实加强保护和合理开发利用。5. 煤层埋藏较深，适于露天开采的储量很少1）根据全国第
14、二次煤炭预测结果埋深在 600m 以浅的预测煤炭资源量，占全国煤炭预测资源总量的 26.8%埋深在 6001000m 的占 20%埋深在 10001500m 的占 25.1%埋深在 15002000m 的占 28.1%2）据对全国煤炭保有储量的粗略统计煤层埋深小于 300m 的约占 30%埋深在 300600m 的约占 40%埋深在 6001000m 的约占 30%与世界主要产煤国家比较而言，我国煤层埋藏较深。同时，由于沉积环境和成煤条件等多种地质因素的影响，我国多以薄中厚煤层为主，巨厚煤层很少。我国适合露天开采的煤田主要有 13 个，已划归露天开采和可划归露天开采储量共计为 412.43 亿
15、 t，仅占全国煤炭保有储量的 4.1%。6. 共伴生矿产种类多，资源丰富含煤地层中有高岭岩（土） 、耐火黏土、铝土矿、膨润土、硅藻土、油页岩、石墨、硫铁矿、石膏、石英砂和煤层气等；煤层中除煤层气（瓦斯）外，还有镓、锗、铀、钍、钒等微量元素和稀土元素；地层的基底和覆盖层中有石灰岩、大理石、岩盐、矿泉水和泥炭等，共 30 多种，分布广泛、储量丰富。有些还是我国的优势资源。我国煤炭开发企业以开采煤炭为主，因此对其共生、伴生的矿产资源研究得不多，开发利用很少。7. 煤矿开采条件差我国煤矿的地质构造复杂，开采条件较差，在世界上产煤国家中属中等偏下，露天开采量达不到总量的 5%，矿井平均开采深度超过 40
16、0m，最深达 1160m，国有重点煤矿高瓦斯和煤与瓦斯突出的矿井占 48%，有自燃发火危险的矿井占 57.6%，煤尘爆炸危险的矿井占 88.1%。同时我国煤矿的煤岩赋存条件也给高效安全开采带来困难，如薄煤层比例较大，煤层软、顶板软、底板软煤层较多，部分坚硬顶板煤层，地质构造多，煤层的连续性差，大倾角煤层比例较大，受到底板水、顶板水的威胁等。7四、我国煤炭资源开采的现状1. 煤矿开采学科及采煤方法1）煤矿开采学科的形成煤矿开采是指综合运用煤矿开采学、矿山压力及围岩控制、煤矿安全科学与技术、自动控制与通讯技术等理论，按科学的工程程序，使用一定的机电设备及配套系统采出地下煤炭及伴生资源的一种工程活动
17、和科学技术。研究对象：安全、高效、高资源回收率地开采煤炭资源以及伴生的瓦斯气体等资源。研究目的：综合利用现代化科学理论与相关工程技术，深入分析、研究煤矿开采复杂多变的客观条件，掌握和利用煤矿开采的基本规律，系统地研究和开发高效、安全、高资源回收率和舒适作业条件的现代化煤矿开采的科学理论与工程技术。相关学科：采煤方法、矿山压力与围岩控制、机电设备、自动化与通讯技术，开采的安全技术，瓦斯伴生资源开采、地面沉陷保护、露天开采与边坡为定、矿区生态环境保护与重建、系统工程与信息化技术、经济评价等多个学科领域。学科基础：固体力学、岩石力学、流体力学、空气动力学、机电工程、系统科学与工程、电子科学与技术、计
18、算机科学与技术、通讯技术、环境保护、材料科学与工程、安全技术与工程、人工智能、经济学等多个学科门类。2）采煤方法现状采煤方法是煤矿开采的核心，它包括采煤系统和采煤工艺两项主要内容。采煤方法：壁式体系、柱式体系。我国国有重点煤矿壁式体系采煤法的产量占 95%以上；美国壁式采煤法占 50%，连续采煤机房柱式开采占 41%俄罗斯壁式采煤法小于 5%，传统房柱式采煤法占 65%，机械化房柱式采煤法占 30%澳大利亚壁式开采占 85%南非房柱式占 66.9%，壁式占 33%加拿大壁式为 85%除地下开采，还有露天开采。(1) 壁式体系采煤法壁式体系采煤法是以长工作面为其主要标志，根据工作面设备配置和采煤
19、作业方式不同，又分为炮采、普通机械化（简称普采）和综合机械化（简称综采）三种采煤工艺方式。8(2) 放顶煤开采工艺(3) 柱式体系采煤法柱式体系采煤法以短工作面为主要标志，其实质是在煤层内开掘一系列宽为57m 左右的煤房，开房时用短工作面向前推进，煤房间用联络行相连以构成生产系统，并形成矩形的煤柱，煤柱宽度由数米至 20m 不等。煤柱可根据条件留下不采（房式采煤） ，或在采玩煤房后再将煤柱按要求尽可能采出（房柱式采煤） 。(4) 露天开采方法我国 5%美国 60%印度 62.1%澳大利亚 60%南非 49.6%加拿大 91.26%俄罗斯 62.1%2. 我国煤矿开采现状1）机械化程度低虽然我国
20、国有重点煤矿的机械化程度高，达 78%，其中综采程度达 63%，但与国外先进采煤国家相比，任然处于落后状态。图 1-1-1 国有重点煤矿机械化程度变化趋势2）安全生产形势严峻3）资源回收率低全国煤矿资源回收率总体不足 50%，乡镇、个体煤矿不足 30%。4）管理和技术人才短缺9五、我国厚煤层开采的主要方法1. 厚煤层开采的主要方法1）分层开采图 1-1-2 分层开采示意图2）放顶煤开采放顶煤开采的实质就是在厚煤层底部布置一个采高 23m 的长壁工作面，用常规方法进行开采，利用矿山压力作用护辅以松动预爆破等方法，使支架上方的顶煤破碎成散体后，由支架尾部的放煤口放出，经由工作面后部刮板输送机将放出
21、的顶煤运出工作面，见图 1-1-3。图 1-1-3 放顶煤开采示意图综采放顶煤、简易放顶煤。3）大采高开采MT550-1996大采高支架技术条件：最大采高大于或等于 3800mm，用于一次采全高工作面的液压支架称为大采高液压支架，对应的回采工作面称为大采高工作面。102. 放顶煤开采1982 年引入我国，在我国获得巨大发展，取得了举世瞩目的成绩。1990 年以来，综放开采步入迅速发展阶段，主要表现：1）在条件适宜矿井，综放开采技术的应用范围迅速扩大，综放的常量迅速提高。2）难采厚煤层的综放开采技术取得了突破性进展。3）轻型支架（支架总量8t）的综放开采技术得到广泛应用。3. 大采高开采1500
22、 万 t/a。4. 厚煤层开采急需解决的主要问题1）提高煤炭资源回收率厚度损失、放煤工艺损失、区段煤柱损失等使得回收率降低。2）架型确定3）瓦斯防治技术。11第二节 放顶煤开采方法分类与基本原理一、对放顶煤开采的基本认识综放开采与单一煤层开采的差异就是一次采高成倍增大，支架上方存在着一层破碎的、强度低的顶煤，因此采场上覆岩层及其结构所形成的载荷需要通过直接定传递给顶煤，然后再施加到支架上，顶煤起到了传递上覆岩层载荷的媒介作用，见图 1-2-1。图 1-2-1 综放采场围岩支撑系统1、支承压力分布在相同地质、岩层条件下，与单一煤层开采相比，综放开采的支承压力分布范围大，峰值点前移，支承压力集中系
23、数没有显著变化，见图 1-2-2。这就导致工作面两巷受采动影响范围大，超前加强支护距离长。煤层愈软、愈厚，支承压力分布范围愈大，峰值点距离煤壁愈远。图 1-2-2 综放与单煤层开采的支承压力分布2、综放面支架工作阻力不大于单一煤层工作面的支架工作阻力3、支架前柱的工作阻力大于后柱的工作阻力一般为 10%15%，最高的可达 40%。4、采高对煤壁片帮有很大影响。5、顶板瓦斯排放巷是解决放顶煤开采局部瓦斯排放最有效的措施6、保证工作面推进度是防止采空区发火的根本措施二、放顶煤开采的分类放顶煤法是一种高产、高效的开采厚煤层的采煤方法，其实质就是在厚煤层中，12沿煤层（或分段）底部布置一个正常采高的长
24、壁工作面，用常规的方法进行回采，利用矿山压力作用或辅以人工松动方法，使支架上方的顶煤破碎成散体后，由支架后方（或上方）的放煤口放出，经由工作面后部刮板输送机送出工作面，见图 1-2-3。1采煤机；2前输送机；3放顶煤液压支架；4后输送机；5平巷胶带输送机；6配电设备；7安全绞车；8泵站；9放煤窗口；10转载破碎机A不充分破碎煤体；B较充分破碎煤体；C待放出散体煤图 1-2-3 综采放顶煤工作面设备布置1. 按工作面布置方式分类1）一次采全厚的放顶煤开采对于煤层厚度介于 515m 的厚煤层，当煤层硬度、顶板条件合适时，可采用一次采全厚的放顶煤法，见图 1-2-4。图 1-2-4 一次采全厚的放顶
25、煤开采2）预采顶分层的放顶煤开采先沿煤层顶板布置一个正规的长壁工作面回采，并铺设金属网作为下部放顶煤工作面掩护层，而后沿煤层底板再布置一个房顶煤工作面，其余的中层顶煤在底层工作13面至支架尾部放出，如图 1-2-5。图 1-2-5 预采顶分层的放顶煤开采3）多层放顶煤开采当煤层厚度超过 20m，甚至达几十米、上百米时，就可以布置多个分层的放顶煤工作面进行开采。自煤层顶板向底板划分为 1015m 厚的分层，一次进行房顶煤开采，多层放顶煤开采示意图见图 1-2-6。图 1-2-6 多层放顶煤开采4）急倾斜厚煤层水平分段放顶煤开采对于急倾斜厚煤层，在垂直方向上分成若干个水平分段，分段高度 815m，
26、每个分段布置一个放顶煤，即在分段的底部沿顶底板各布置一条分段平巷，见图 1-2-7，分别作进回风和运输用，连接两条平巷即为放顶煤工作面，工作面沿走向推进，其上部的顶煤通过支架尾部放出。14图 1-2-7 急倾斜厚煤层水平分段放顶煤开采2. 按机械化程度分类按采煤工作面落煤、支护的方式不同，放顶煤采煤方法分为炮采放顶煤、普通机械化放顶煤和综合机械化放顶煤。1）炮采放顶煤开采采用单体液压支柱支护，打眼放炮落煤，并用一台（或两台）输送机运输，见图1-2-8。1-2-8 炮采放顶煤开采a、b双排空间但输送机布置，a放煤后，b放煤前；c多排空间双输送机布置2）普通机械化放顶煤普通机械化放顶煤开采是指采用
27、单体液压支柱支护，采煤机割煤，代替放炮落煤，工作面前后各布置一台刮板输送机的开采工艺。153）滑移顶梁支架放顶煤开采164）悬移支架放顶煤开采5）综合机械化放顶煤开采三、放顶煤开采的基本原理与工艺1. 放顶煤开采的基本原理放顶煤开采最初在国外主要用于边角煤、煤柱回收、赋存条件不稳定的煤层开采等，后来随着对该项技术认识的深入、技术发展、支架设备进步等，这种方法已称为正规开采方法，尤其是在我国已经成为厚煤层开采的主要方法之一。放顶煤开采的基本原理就是在厚煤层中，沿煤层（或分段：急倾斜）底部布置一个正常采高长壁工作面（一般为 2.53m，最近在个别工作面采高达 3.54.5m0） ，用常规采煤方法进
28、行回采，利用矿山压力和煤岩的力学特征等，使支架上方的顶煤破碎成散体后由支架后方（上方）放煤口放出，并经过刮板输送机运出工作面，其示意图见图 1-2-12。17图 1-2-12 放顶煤开采示意图放顶煤开采过程中，顶煤及时冒落、不出现悬臂、高效快速破碎成块度适中、适于放煤与运出的散体是关键，通常情况下，可以依靠矿山压力作用，以及顶煤逐渐接近采空区，横向约束减弱，顶煤受力状态变化，又三向约束变为二向约束等原因，使顶煤自行破碎。但是对于煤体较坚硬或裂隙不发育煤层，通常需采用人工辅助破煤措施，如人工爆破，注水软化等，以使顶煤破碎成合适的块度，以此来提高顶煤回收率。放顶煤开采过程中，提高全厚煤层的回收率是
29、主要研究内容之一，通常的技术措施是尽可能增大割煤高度，减少放煤高度，增大工作面长度，减少工作面两端不放煤长度的比例，壹基金增加顶煤破碎效果等。2. 放顶煤开采的基本工艺回采工作面的采煤工艺是指在回采工作面进行采煤工作所必须实施的各个工序之间，以及完成这些工序所需的机械装备和所需要的各工种之间在空间和时间上的相互关系总和。回采工作面的空间一般包括上下顺槽、端头、工作面机道道采空区在内的整个作业区。有的工作面将这一空间扩展到液压泵站和移动变电站或采区装车点。工作面在空间上的变化是指煤壁和采空区位置的变化。在时间上，一个采煤循环可以从数小时变化道 24h 以上。不同的采煤方法要求有不同的采煤工序并要
30、求不同的时空配合关系。除与普通长壁综采一样的割煤、移架、推溜工序外，长壁综采放顶煤工作面还增加了放煤工序，其中一般情况下，工作面一半以上的煤量来自于放煤，因此从时间和空间上合理安排采煤与放煤的关系就成为放顶煤工作面生产工艺中必须解决的基本问题。如图 1-2-13 所示。18图 1-2-13 综采放顶煤工作面布置1采煤机；2前部刮板机；3放顶煤支架；4后部输送机；5端头支架；6桥式转载机；7可伸缩带式输送机；割煤；移架；推前溜；放顶煤；拉后溜这种布置方式的一般工艺是：采煤机割煤，其后跟机移驾，推移前部输送机，然后打开放煤口放煤，最后拉后部输送机，工作面全部工序完成后，即完成了一个完整的综放循环。
31、图中 AA 剖面为最小控顶距 lx 时的设备位置，支架底座前端与前部输送机之间至少有一个截深的距离，后部输送机靠近支架底座的后部。图中 BB 剖面为采煤机割煤后，移架前的设备位置，此时为最大控顶距 ld的状态。图中 CC 剖面为放煤时的设备位置，后部输送机处于最后位置，前部输送机已经推移。综采放顶煤工作面的顺槽运输设备与普通综采相同，有桥式转载机和可伸缩带式输送机，其不同点是在桥式转载机上必须安装破碎机，且要求破碎机的能力要强，尤其是对于硬度较大，裂隙不发育的煤层。因为后部输送机运出的大块煤很多，若无二次破碎，将导致胶带跑偏，煤仓堵塞，使工作面生产能力不能发挥。综放工作面由于是前后双输送机布置
32、，工作面两部输送机并列搭在桥式转载机的机尾水平装载段，随着工作面推进，转载机的拖移较普通综采面频繁得多，几乎每班都要拖移一次。根据割煤和放煤工序的配合不同，综放开采主要有四种工艺方式：根机顺序放煤工艺、跟机分段放煤工艺、割煤放煤交叉工艺和割煤放煤独立工艺。1）跟机顺序放煤工艺采煤机在前方割煤，距采煤机 15m 后，开始逐架放煤。其工艺过程是：割煤、推19移前部输送机、移架、放煤、拉移后部输送机。为了及时控制顶煤，严防架前漏顶，也可采取割煤、移架、推移前部输送机、放煤、拉移后部输送机的工艺过程。这种工艺一般在工作面端头进刀，多为“一刀一放” ，劳动组织简单，是较为广泛采用的工艺方式。为了使放煤不
33、影响采煤机的割煤速度，可采用多人多架同时放煤的组织形式。2）跟机分段放煤工艺采煤机在前方割煤，沿工作面分上、中、下三段，每段由一组放煤工放煤，其工艺过程是：割煤、移架、推移前部输送机、拉移后部输送机、放煤。特点是放煤工序与其他工序互不影响，分段分组放煤，但是每段必须在下一个循环割煤完成前完成全部放煤作业。缺点是可能出现多段同时放煤，后部输送机负荷大，造成停机，这种工艺的进刀位置可以视工作面顶煤状况而定，可实现“二刀一放”或“多刀一放” ，视顶煤的冒放特征的顶煤厚度等改变放煤步距。3）割煤放煤交叉工艺工作面分为上、下两部分，上半部分割煤，下半部分放煤；下半部分割煤，上半部分放煤，交叉作业。这种工
34、艺方式一般为工作面中部进刀，多为“一刀一放” ，采煤机往返一次进一刀，特别在长工作面中更为有利。4）割煤放煤独立工艺上述三种工艺对于长工作面均可实现采、放平行作业，以提高开采效率。当工作面较短时或急倾斜煤层分段放顶煤开采时，一般采取割煤不放煤，放煤不割煤的采放单一作业，其工艺过程是：割煤、移架、推移前部输送机、拉移后部输送机、放煤。这种工艺多为“二刀”或“三刀一放” ，进刀方式和位置不受放煤工序影响。3. 放煤方式放煤方式是指沿后部输送机进行放煤的方式，主要又单轮顺序放煤、多轮顺序放煤、单轮间隔放煤、多轮间隔放煤和移架放煤等，考虑到与放煤步距（“一刀一放” 、“二刀一放” 、 “三刀一放” ）
35、进行组合，实际的放煤方式有 20 多种，见表 1-2-1。放煤步距放煤方式 一刀一放 二刀一放 三刀一放单轮顺序放煤 一刀一放单轮顺序放煤 二刀一放单轮顺序放煤 三刀一放单轮顺序放煤多轮顺序放煤 一刀一放多轮顺序放煤 二刀一放多轮顺序放煤 三刀一放多轮顺序放煤单轮间隔放煤 一刀一放单轮间隔放煤 二刀一放单轮间隔放煤 三刀一放单轮间隔放煤多轮间隔放煤 一刀一放多轮间隔放煤 二刀一放多轮间隔放煤 三刀一放多轮间隔放煤移架放煤 一刀一放移架放煤所谓单论放煤是指在一个采放循环中依一定规律（顺序或者间隔）打开支架放煤口，一次将顶煤放完，见矸关门为止。20多轮放煤是指在一个采放循环中支架的一个放煤口要多次
36、打开多次关闭，每次只放部分顶煤，直到放完为止。一般为两轮或三轮，即两次或三次打开放煤口，一次只放出顶煤的 1/2 或 1/3。顺序放煤是指工作面下端或者上端，依次顺序地进行放煤，例如自工作面下端向上将支架依次标号为：1、2、3、4、5，若工作面放煤自下而上顺序放煤是指放煤支架为 1、2、3、4、5。间隔放煤是指放煤时进行隔架放煤，如首先放煤支架为 1、3、5、7，然后再进行 2、4、6、8 等支架的放煤。1）单轮顺序放煤单轮顺序放煤示意见图 1-2-14，按支架编号顺序依次逐架放完顶煤，并关闭放煤口，在放下一架，如此将全部工作面支架上的顶煤全部放完并关闭放煤口。这种方式操作简单，但是容易混矸，
37、即第一架放完后，留下漏斗状的矸石堆，第 2 架放煤时，第 1 架放煤后留下的矸石堆部分会混入到第 2 架放煤中，容易导致放出顶煤的含矸率，放出率低。图 1-2-14 单轮顺序放煤示意图2）多轮顺序放煤多轮顺序放煤示意见图 1-2-15，即支架顺序放煤，但是每次仅放出部分顶煤，如1/3、1/2 等，依次放完一轮后，再返回来放第 2 轮、第 3 轮等。这种方式容易使煤矸面保持平稳下降，减少混矸，实际上这种放煤方式，每个放煤口由于多次打开关闭，加之放出煤量难以控制，故形成多次扰动煤矸界面，混矸层加厚，可能会造成煤损失量大，或放出顶煤的含矸率高。其次是多次开闭放煤口，轮返操作频繁，放煤速度慢，影响生产
38、效率。211-2-15 多轮顺序放煤示意见图1第 1 轮煤矸分界线；2第 2 轮煤矸分界线；3第 3 轮煤矸分界线3）单轮间隔放煤单轮间隔放煤示意见图 1-2-16，即先放 1、3、5号支架，依次放完后关闭，再次放 2、4、6号支架。这种方式操作简单，煤矸界面扰动小，混矸少，顶煤放出率较高，一旦单号支架的上部煤挤压成拱，双号放煤时可破坏拱脚，重新冒落放出，或者采取补救措施，大大提高了顶煤放出率，特别是对中硬以上的顶煤放出比较有效。图 1-2-16 单轮间隔放煤示意图4）多轮间隔放煤多轮间隔放煤是指先单号架部分顶煤放出，再双号架部分顶煤放出，再双号架部分顶煤放出，然后重复 2、3 轮放煤。这种方
39、式理论上煤矸界面下降平稳，可减少混矸，顶煤成拱后可以破坏等，放出率较高，但是实际操作时每轮放出煤量难以控制，作业十分频繁，混矸量和混矸层均有所增加，放出率反而不高，且减慢了放煤速度，实践认为是一种不可取的放煤方式。5）移架放煤在坚硬顶煤条件下，由于上位的顶煤呈悬臂状态，单靠正常的插板低位放煤，易使上位悬煤丢失在采空区，因此利用移架期间，悬煤失去了平衡而冒落的机会，开动后部输送机，自动冒落放煤，不失为一种提高效率的好方式。实践证明，f3.0 的硬煤中，约 1/3 的顶煤是用这种方式放出的。4. 工作面参数确定综放工作面参数主要指采煤机割煤高度、工作面长度、工作面推进长度、采放比、顶煤厚度、采煤机
40、截深和放煤步距等。1）割煤高度综放工作面的出煤量有采煤机和防顶煤两部分组成，一般而言，防顶煤的回收率要低于割煤。影响采煤机割煤高度的主要因素有煤壁稳定性、工作面通风要求、液压支架稳定22性、回收率的要求、合理操作空间、采放比的要求等。目前我国缓倾斜综放工作面的采煤机割煤高度一般为 2.53.0m，但也有根据煤壁稳定和提高回收率情况适当降低或加大割煤高度情况。对于软煤层，采用较低的割煤高度，一般不大于 3，对于硬煤层，稳定性较好的煤层，可采用较大的割煤高度，一般在 34.5m。近年来，随着支架工作阻力提高，满足高产高效的要求、适应特厚高瓦斯煤层改善通风条件和增大通风断面的需要，以及机为了满足煤矿
41、安全规程 （第六十八条第二款规定：采放比大于1：3 的，严禁采用防顶煤开采（采放比大于 1：3 的是指 1：4、1：5 等，是煤矿目前约定俗成的叫法） 。目前有增大采煤机割煤高度的趋势，如潞安王庄煤矿、淮北涡北煤矿的割煤高度为 3.5m，大同塔山煤矿的采煤机割煤高度目前是 3.5m，准备提高到 4.5m等，即使在一些较软煤层，随着煤壁控制技术进步，为了提高回收率、改善生产和通风作业条件等，有有增大采煤机割煤高度的趋势。图 1-2-17 是对极软煤层采用 UDEC 离散元软件模拟不同采高煤壁稳定情况，煤层基本条件为煤厚 7.5m。煤层硬度系数 f0.3，从模拟计算结果可以看出，当割煤高度大于 2
42、.5m 时，煤壁整体失稳，发生破坏。图 1-2-17 不同割煤高度的煤壁位移矢量分布图a煤壁高 2m；b煤壁高 2.5m由于割煤回收率与防顶煤回收率有一定差别，一般而言防顶煤回收率 低于割煤d回收率 ，因此增大割煤高度有利于提高煤层的回收率 ，垂直工作面走向剖面的煤g 层回收率计算见式（1-2-1） ，煤层回收率示意如图 1-2-18 所示。23图 1-2-18 煤层回收率计算示意图（1-2-1）HHgdgddd ggg)()()(。防 顶 煤 高 度 ，；割 煤 高 度 ；煤 层 厚 度 ， m Hdg, 。在实际生产中，防顶煤时间占很大比例，防顶煤高度大小决定着循环放煤时间，见式（1-2-
43、2-）：（1-2-2）fdfQLBHT60。工 作 面 平 均 放 煤 能 力 ，。工 作 面 长 度 ， ；煤 层 容 重 ， ；放 煤 步 距 ；循 环 放 煤 时 间 ， htQmLt BT/ /,in 。f 3f顶煤高度过大，放煤时间过长，必须增加循环作业时间，影响工作面推进速度，这对预防自燃发火不利。然而过低的顶煤高度有时会大幅度降低顶煤回收率，增加含矸率。一般认为顶煤高度不应小于 2m，介于 28 m 比较合理。由于防顶煤工作面增加了工作面出煤点，工作面粉尘浓度高于普通综采工作面，因此工作面风速不能过高，以免扬尘，给防尘带来不利影响。一般工作面风速应控制在 2.5m/s 以下，由此
44、应根据工作面煤炭产量和稀释瓦斯供风要求，确定工作面风量以及工作面应具有的最小割煤高度，若工作面供风量按 12001500m 3/min 计算，工作面割煤高度应达到2.63.2m。一般来说，割煤高度越大，支架高度越大，造价也就越高，且稳定性越差，尤其当支架高度达到一定高度后，支架重量和造价会大幅度增加，因此确定工作面割煤高24度时，应考虑支架一次性投入多少的因素。综放工作面生产能力不同，对割煤机，前后部刮板输送机的能力和尺寸要求也不尽相同。对于高产高效综放工作面而言，由于后部刮板输送机能力、溜槽宽度和高度增加，要求液压支架后部有较大过煤空间，支架高度应相应的提高，一般应不小于2.8m。2）工作面
45、长度工作面长度是防顶煤工作面重要参数之一，对于地质条件较简单的工作面，防顶煤工作面长度主要是根据工作面合理的日推进度和要求的日产量来确定。较短的工作面，可以加快工作面推进度，保证采空区较快地进入窒息带，有利于防止采空区浮煤自燃。但是工作面较短时，工作面两端辅助作业时间所占的比例较大，如端部进刀时间、巷道维护时间、皮带与转载机移动时间等，工作面每米推进度的产量较低，且由于工作面两端的顶煤回收率较低，工作面短时，其在工作面回收率中所占比例较大，也将影响工作面整体回收率。因此在保证工作面推进度条件下，尽可能加大工作面长度，有利于提高工作面回收率，减少煤柱损失量，增加工作面产量与开采效率。但是工作面长
46、度受到刮板输送机的能力、要求的工作面推进度、工作面通风条件及地质条件等影响。在高瓦斯矿井中，工作面通风能力则是限制工作面进度的重要因素。目前我国潞安、阳泉、兖州等矿区的防顶煤工作面长度一般为 120180m，少数工作面长度超过 200m，个别的高产高效综放面长度已达 300m 以上，甚至开始设计和实施 400m 以上的工作面。工作面长度在通常情况下按下式计算：（1-2-3）HSQLr。煤 层 容 重 ，。工 作 面 回 收 率 ，；煤 层 厚 度 ， ；工 作 面 日 推 进 度 ，；工 作 面 日 产 量 ；工 作 面 长 度 ， 3/ % , 。mtHStQmLs工作面日推进度与煤层厚度和
47、煤层自燃发火期以及顶煤的稳定性有关，当煤层的自燃发火起期短，要求工作面保持较快的推进速度；煤层厚度大，放煤时间长，工作面推进速度慢；当工作面控顶区顶煤稳定性较差，煤壁易片帮时，要求工作面保持较高的推进速度，以利于工作面围岩管理。按煤层自燃发火期确定工作面日推进度，见式（1-2-4）（1-2-4）nTBS。，煤 层 最 短 自 燃 发 火 时 间；采 空 区 窒 息 带 宽 度 ， d TmBn。如果工作面日推进度无法确定，可以通过计算采煤机循环割煤时间和循环放煤时间来确定工作面日产量，然后由日产量反算工作面的长度。25采煤机的循环割煤时间与采煤机的进刀方式有关。当采用端部斜切进刀时，采煤机完成
48、一刀割煤的循环时间按下式计算：（1-2-5）tfxksmcsg DTvLT3。m/in i in。tm采 煤 机 空 刀 牵 引 速 度采 煤 机 正 常 割 煤 速 ；端 头 作 业 影 响 时 间 ；采 煤 机 反 向 时 间 ， ；采 煤 机 两 滚 筒 中 心 距 ，；斜 切 进 刀 段 长 度 ，；工 作 面 长 度 ， ；采 煤 机 循 环 割 煤 时 间 ，kcfxsgvDTL当采煤机采用端部斜切进刀单向割煤时，采煤机循环割煤时间按下式计算：（1-2-6）fxkscsg TvLvLT2式中各参数的意义同前。工作面放煤循环时间按下式计算：（1-2-7）fdfQnLHBT。工 作 面
49、 放 煤 长 度；煤 体 容 重 ；放 煤 步 距 ，同 时 放 煤 支 架 数 ， 个 ； ；单 架 放 煤 能 力 ，；顶 煤 厚 度 ， ；循 环 放 煤 时 间 ， m /t in/ mi 。3ffdfLBntQHT为了实现综放工作面的高产高效，必须使工作面的采煤机割煤工序和放煤工序能最大限度地平行作业。实践证明，采煤机单向割煤要比双向割煤更能充分实现采放平行作业。一般来说，随着煤层厚度增加，采放比加大，工作面放煤工序所占的时间加长。当放煤时间大于采煤机割煤时间时，则工作面的生产能力主要由工作面的放煤能力来决定，平均日产量为：26（1-2-8）dwfHKQT60。顶 煤 厚 度；单 架 放 煤 能 力 ；修 水 平 有 关 ， 一 般 可 取 各 设 备 的 故 障 率 和 维， 与 工 作 面 生 产 系 统 中工 作 面 生 产 系 统 可 用 度；工 作 面 回 收 率；煤 层 厚 度 ， ；工 作 面 日 采 煤 时 间 ， ；工 作 面 日 产 量 ，m /int85.07 % /。dfHQBmHhTtQ
