1、主 讲： 张东峰,采矿“系统工程”新动向,单 位： 太原理工大学,电 话：13835167435,无煤柱开采技术 层采煤方法新技术 绿色开采新技术,无煤柱开采技术,无煤柱护巷是采煤技术的一项重大改革，它对提高煤炭资源回收率、改善巷道维护、降低巷道掘进率、消除因留煤柱和丢煤而引起的井下灾害有明显效果。随着无煤柱护巷技术的应用和发展，在采区巷道布置方面产生了相应变化。 沿空掘巷与沿空留巷,沿空掘巷时巷道内矿压显现规律 井下观测表明，沿空掘巷时顶底板总移近量并不大，一般在300mm以下，但巷道两侧顶底板移近量明显不同，一般是靠采空区侧大于靠煤体侧，其比值约为（1.22.5）:1，此外沿空巷道两帮向巷
2、道内的水平移动也较明显。沿空掘巷时，除少数情况外，巷内支架受载也不大，一般巷内支架载荷约50120kN/m2或70200kN/架之间。多数巷道的两侧顶压大小也不均，一般是靠采空区侧的顶压大而靠煤体侧的顶压小，其比值约为（1.43.6）:1。此外巷道两帮侧压大小也不均，多数情况下是煤体侧大于沿空侧，表现为靠煤体侧的棚腿折损率大于靠采空区一侧，其比值约为（1.252.75）：1。,沿空留巷时区段之间始终只有一条巷道，故巷道布置比较简单。但由于维护困难，过去我国很少采用。沿空留巷可以减少大量的巷道掘进工程量、改善采掘接替关系，加之近几年来巷道支护手段的发展，一些矿井开始或相继采用。,沿空留巷矿压显现
3、的全过程 根据对我国多年井下实测资料的分析，可将沿空留巷时巷道从掘进到废弃的整个服务期内顶底板移动归纳如上图所示。 沿空留巷时巷道整个服务期内顶底板总移近量是由不同阶段内移近量累积而成，它可用下式表示：U总=U0+v0t0+U1+v1t1+U2 式中U0、 U1 和U2由巷道掘进，一次采动和二次采动引起的顶底板移近量，当采深为300m及采高为2m时其值分别为20、230和270mm； v0 、v1无采掘影响期内和一次采动后稳定期内顶底板移近速度，对一般情况可分别取为0.2和0.6mm/d； t0、t1无采动影响期及一次采动和二次采动之间的间隔时间，d。 利用上式，可预先对沿空留巷整个服务期内顶
4、底板移动总量作大致估计。,我国针对厚煤层的典型的采煤方法有两种分层开采整层开采。 整层开采有又三种方法：放顶煤大采高大采高综放,厚煤层采煤方法的分类,放顶煤,放顶煤开采是针对厚及特厚煤层开采发展起来的一种采煤工艺。它是在厚煤层的下部布置一个采高(23)m的工作面，随着工作面的推进，在前方支承压力的作用下，使工作面上部的煤体压裂破碎，并在支架尾部切顶线附近冒落放出的一种采煤方法。它与其它采煤方法的不同在于，除有一个包括破、装、运、支、控全部工序的普通长壁采煤工作面外，同时在支架的后部还有一套破、放、运等的顶煤回收系统，即前后两个采出煤炭的工作场所组成了一个完整的放顶煤工作面。,采煤方法新技术放顶
5、煤,综放开采技术发展现状 从20世纪70年代开始，综放开采支架沿两个方面发展， 一条是前苏联、前南斯拉夫、波兰、匈牙利等东欧国家在KTY支架基础上逐渐改进，把放煤口位置由顶梁前部改在顶梁后部，使用液压支柱控制放煤口开关，工作面采煤机采煤和放煤共用一部输送机，支架尾梁封闭，属支撑掩护式支架，如匈牙利的VHP系列支架； 另一条思路是法国、原西德、英国、等原西欧国家，在法国香蕉型支架基础上不断发展，工作面布置前、后两部输送机，放煤口用千斤顶带动开闭，如英国道梯公司的4O0t掩护式综放支架等。,采煤方法新技术放顶煤,综放开采矿压显现特点 综放工作面一次开采厚度大、支架直接支护的对象为相对较为松软的顶煤
6、，因此与中厚煤层或厚煤层分层开采相比，工作面矿压显现有明显的不同。根据文献大量研究结果，一般条件下的综放工作面矿压显现具有下述典型特点: (l)综放工作面支架载荷普遍较小。同一煤层综放开采与分采开采顶分层相比，工作面的支架载荷减少5%68%，来压强度减少15%20%。 (2)综放工作面支架所受动载荷普遍不强烈，动载系数较分层开采的顶分层工作面低，周期来压对支架的影响明显缓和，表明基本顶的活动对支架作用明显减弱。,采煤方法新技术放顶煤,(3)四柱式综放支架前柱的平均工作阻力在大多数情况下大于后柱的平均工作阻力。(4)综放开采老顶平衡结构将向高位转移。综放开采由于一次开采厚度大，顶板活动空间大，上
7、位岩层在工作面前方煤体、支架与采空区碎胀矸石支撑作用下形成平衡结构。,采煤方法新技术放顶煤,综放开采回收率现状 综放开采经过20多年的探索、完善与提高，在巷道支护、支架造型设计、一通三防、综放工艺等方面有了长足发展并日趋成熟，但在提高煤炭资源的回收率问题仍然是综放开采技术研究的关键，尤其是对于难冒煤层的回收率更应进行深入研究。 从综放工作面煤炭损失结构来看，煤炭损失主要由3个方面构成：一是工作面在初采和末采期间，由于不能放煤或不能充分放煤而引起的损失；二是工作面两端过渡支架和端头支架不能放煤而引起的损失；三是放煤工艺引起的损失，其中包括顶煤的冒放性、放煤方式、放煤步距的影响和储量管理工作的影响
8、，其中顶煤的冒放性起决定性的作用。 研究资料表明放煤工艺损失是综放工作面煤炭损失的主要构成成分，平均损失率为12.95%，占总损失率的67%。,采煤方法新技术放顶煤,综放开采基本原理 综放开采是在厚煤层的下部布置工作面，利用地压破煤与自重落煤，有些冒放性差的顶煤体采取人为措施改善顶煤体的冒放性，这样将顶煤体放出的一种开采方法，顶煤体的破坏与破碎靠支承压力和支架围岩相互作用。 顶煤破坏过程一般可分为4个阶段：顶煤强化阶段，支承压力峰值点之前的应力上升过程。随着三向应力的增加使顶煤发生损伤，而部分原有缺陷发展成新的微细裂隙，但各种裂隙均处于闭合状态；裂隙扩展阶段，支承压力峰值点之后至工作面煤壁的应
9、力迅速下降过程；破碎松动阶段，工作面控顶区的顶煤破碎阶段；冒放阶段，支架后顶煤的垮落放出阶段。 在顶煤的破碎过程中，第、阶段矿山压力作用是关键，它对顶煤的破坏发展起主导作用，而第、阶段顶煤的破坏、破碎主要靠支架围岩相互作用。可以看出，顶煤体在运移过程中的破坏发展是一个渐进的过程，是一个量变到质变的过程。,采煤方法新技术放顶煤,放顶煤综采较大采高有如下优越性： 在复杂地质条件下，不受煤层稳定性和厚度变化的限制，可实现一次采全厚，大大提高了煤层开采强度。 利用矿压破煤，是一种低能耗的采煤方法。 巷道布置简单，掘进工程量与维护工程量小,可以节省大量掘进和运输工作,缓解采掘接替紧张的矛盾,为提高矿井全
10、员效率创造了条件。 设备国产化，不需引进。 可提高块煤率, 提高了煤炭售价，减少了设备的运行费(如采煤机),相对减少了设备折旧费或租赁费。,采煤方法新技术放顶煤,放顶煤开采的主要缺点是： 放煤时粉尘较大，恶化了井下工作环境； 工作面容易局部积聚瓦斯； 工作面过风断面小,配风比较困难,风排瓦斯量少； 综采放顶煤工作面回采工艺相对复杂,既有前方采煤机割煤,又有支架后方放煤。割煤与放煤两道工序如不能有效协调将影响工作面效率,生产管理复杂； 采空区遗留的浮煤不利于防止自燃； 放顶煤相对于大采高顶煤回收率低，含矸率高。放顶煤可造成了5 %的灰分增加,工作面平均回采率80 %左右,阳泉、兖州、潞安矿区最高
11、达到85 % ,盘区回采率仅为71 %。,采煤方法新技术放顶煤,顶煤的冒放性是指顶煤本身冒落和放出及其难易程度的度量，亦即顶部煤体可冒性和可放性的总和。在什么条件下，顶煤冒放性好，可采用放顶煤开采，在什么条件下，顶煤冒放性差，不能采用放顶煤开采，必须有一个确定的评价。为了评价具体条件下顶煤的冒放性，则应该弄清影响顶煤冒放性的主要因素及其影响规律，并且根据诸因素的影响程度大小进行综合评价。影响顶煤冒放性的因素很多，从总体上可分为地质因素和技术因素两大类。,采煤方法新技术放顶煤,影响顶煤冒放性六大地质影响因素 开采深度 煤层厚度（最大煤层厚度和最小煤层厚度） 煤层强度 夹矸 顶板岩层 煤体中的节理
12、与裂隙 影响顶煤冒放性技术影响因素 采放比、工作面长度、放煤方式、放煤步距,采煤方法新技术放顶煤,大采高,采煤方法新技术大采高综采,大采高综采一般认为是指分层高度和采煤机割煤高度大于3.5m的综采。大采高采煤法适合煤层厚度为3.55.5m ,煤层及顶底板中硬以上的地质条件。目前大采高工作面最大采高在国内外已达6m。随着大采高设备和技术的进步,大采高综采已成为我国高产高效矿井的主要采煤方法之一。 我国从八十年代中期开始试验大采高综采，直到1995年才有所发展，超百万吨的大采高工作面数目占7.7%，产量占7.4%，最高单产为邢台东庞矿，1997年达260万吨，其最大采高为4.5m。国外大采高支架的
13、最大高度为5.5m，但工作面采高最大仅5m，且高产高效的效果并不显著。,大采高综采的矿压显现特征 大采高综采工作面支护强度高，工作面支护强度平均 达到8320kN/m2，较我国顶板分类所要求的支护强度高1030。 动载系数小，虽然统计工作面的顶板类型不同，但动载系数差别不大，一般为1.21.3，均较普通综采的动载系数小。支架载荷分布以正态为主，与普通采高随顶板级别不同而出现的四种分布不同。,采煤方法新技术大采高综采,大采高综采的主要特点： 1、矿井井型大型化（最高神东补连塔2700万/a） 2、开拓布置单一化（一个水平、一层煤、一个工作面） 3、煤炭生产集中化（工作面长度300m左右，顺槽60
14、00m左右） 4、设备选型配套合理化（三种：纯国产、 国-外、全进口） 5、培训管理科学化美国的格言:培养一个可靠的人比创造一台可靠的机器更难 6、工作面搬迁快速化 7、通风系统简单化 8、巷道掘进联合机组化,采煤方法新技术大采高综采,大采高综采较综放有以下优点： 大采高采煤法工作面及进风巷和回风巷过风断面大,通风阻力小,容易配风，风量大(断面的增大使工作面风量增2030m3/ s) ,回风上隅角的瓦斯容易被稀释掉； 大采高采煤法工作面主要产尘源就是机组割煤。只要加强机组内外喷雾,在提高机组喷雾的雾化程度的情况下加适当比例的降尘剂,并利用抽放钻孔进行煤尘注水,降尘效果会更好； 大采高采煤法利用
15、大功率高效能重型成套机电设备,移架速度快 工作面直接生产成本低，经济效益好； 大采高采煤法的回采工艺单一,管理简单； 工作面可靠性高，采、装、运和支护设备综合开机率达90 %以 可提高工作面回采率。,采煤方法新技术大采高综采,大采高工作面存在如下问题： 若采高大，易片帮，增大了工作面冒顶的几率, 影响产量和生产安全。 工作面的机动性变差, 对地质条件的适应性差, 资源损失增大。 设备更大型化、复杂化，维护量和管理难度增加。为实现高产,大采高工作面的采煤机等主要设备目前需要引进，设备投资大。 对巷道断面要求比较高，掘进工程量大，掘进成本高。 对管理水平及工人操作技能要求高。,采煤方法新技术大采高
16、综采,大采高综采的局限性及相应的解决办法1) 工作面冒顶问题采用改进的二柱掩护式支架已经成功的解决了工作面冒顶问题,这是由于二柱式液压支架的结构及工作原理极大改善了工作面的围岩受力条件。2）工作面煤壁片帮问题采用两柱式液压支架可以有效防止工作面片帮,同时还可根据情况确定采取以下防片帮措施： 液压支架设护帮装置,护帮高度不小于800mm，必要时可设置二级护帮板,最大护帮高度可达2m以上，采煤机上方设45挡煤板；采煤机采用遥控操作；刮板机设侧帮挡板；液压支架遥控操作；煤壁化学加固法；加打木锚杆等方法来控制煤壁片帮问题；变截深采煤机的应用；倾斜煤壁等。,采煤方法新技术大采高综采,神东上湾32301工
17、作面长度为301m，走向推进长度为5220m，工作面煤层平均厚度为7.1m，倾角为1-3，采高为6.1m，年生产能力1200万。 （1）液压支架选用郑州煤机厂生产的ZT10800/28/55D型双柱掩护式支架，一共176架，其中中间工作面支架166架，端头支架10架。 （2）工作面采煤机选用艾柯夫公司SL1000型采煤机一部。 （3）工作面刮板输送机及其配套转载机和破碎机选用DBT公司的运输设备一套。 （4）乳化液泵采用RMI公司生产的S375径向柱塞泵，喷雾泵选用RMI公司生产的S300径向柱塞泵。 （5）组合开关是由常州联力公司生产，其控制负荷大，多驱动器可供选择，液晶显示，灵活可靠。 （
18、6）通讯控制装置由天津华宁公司制造，控制工作面三机的启停以及工作面通讯，运行可靠。 （7）两台4000KVA移变是由江苏中联制造，将10000V变为3300V高压电供给采煤机、刮板运输机、转载机和破碎机，其工作可靠，寿命长，各种保护灵敏,大采高综采实例,大采高综放,采煤方法新技术大采高综放,我国具有相当大一部分煤田煤层厚度大于15m。对于大于15m的特厚煤层开采如果采用目前传统的采煤方法有两种分层综采分层放顶煤。就分层综采而言对于一个厚度大于15m的特厚煤层分层综采需56个分层，即使采用分层放顶煤也需23个分层。上述两种采煤方法有其共性即分层。分层开采有很大弊端：目前分层开采均留设顶、底煤皮，
19、资源回收率低，而且下分层开采时巷道维护困难、工作面搬家频繁等增加开采成本，而且上分层采空区会留残煤、积水、积气给开采下分层开采增加许多不安全隐患。,采煤方法新技术大采高综放,对于特厚煤层，关于能否实现大采高综放一次采全厚问题，毛德兵提出了大采高综放开采的概念，但其开采的厚度仅限于10m。大采高综放可以有效地克服上述两种采煤方法的缺点，而且有其自身的优点：放煤自由空间大，有利于顶煤的冒落。可增大通风断面，降低风阻，有利于工作面安全生产。可提高采出率，有利于提高资源回收率。为充分利用当前大功率采煤机与输送机创造了条件。 可以打造千万吨级工作面，实现高产高效。 对煤层厚度大及地质条件复杂的煤层适应性
20、强等优点。,主要研究内容 采高综放工作面顶煤变形规律及特点 大采高综放支架-围岩关系 大采高综放工作面煤壁片帮及端面冒顶控制 大采高综放顶煤冒放性研究,采煤方法新技术大采高综放,绿色开采技术,煤矿绿色开采技术-生产现状,我国目前的煤矿生产是在以下两种情况下进行： 一是生产成本不完全。如投入不足，技术装备落后，安全设施欠帐，工人工资太低。 二是相关费用支付不全。如矿产资源费以及植被恢复, 地面塌陷与水损失污染治理等。为此中国矿业大学钱鸣高院士提出并形成绿色开采技术，是为了使我们正视开采对环境造成的影响和破坏, 并有清醒的认识与足够的估量, 以便提出必要的对策和对政府提出必要的政策建议。,煤炭开采
21、形成的环境问题为以下三个方面： 一、对土地资源的破坏和占用煤炭开采对土地资源的破坏损害, 井工开采以地表塌陷和矸石山压占为主, 而露天开采则以直接挖损和外排土场压占为主。 二、对水资源的破坏和污染煤炭开采过程中, 进行的人为疏干排水和采动形成的导水裂隙对煤系含水层的自然疏干, 破坏了地下水资源同时开采还可能污染地下水资源 三、对大气环境的污染主要来自矿井排出的煤层瓦斯和煤矿矸石山的自燃。,煤矿绿色开采技术-环境问题,以山西省为例, 1949-1998年共生产原煤46亿多吨, 地面塌陷破坏面积达100多万亩, 其中40%是耕地，矸石山占地3万多亩。至1998年煤炭地下采空面积达1300km2。煤
22、破坏地下水4.2亿, 地表水逸流减少， 导致井水水位下降或断流共计3218个, 影响水利工程处、水库40座、输水管道造成433个村庄, 812715万人, 108241万头牲畜饮水困难，使本来缺水的山西环境受到进一步破坏。平均每采万吨原煤造成塌0.2ha。,煤矿绿色开采技术-实例,一、减少井下排矸量的有效措施 1、煤矿生产进行总体合理规划 2、改革巷道布置方式，减少岩巷掘进量全煤巷开拓方式，除主要硐室外，所有巷道均布置在煤层中利用自然边界划分矿井和采区施行搭配开采（薄厚搭配、煤种搭配）取消岩石集中巷 3、合理选择采煤方法及生产工艺 4、矸石充填不出井,煤矿绿色开采技术技术途径和措施,二、减少井
23、下废气、粉尘污染的措施1、井下抽放瓦斯综合利用（既可减少瓦斯涌出量同时可以瓦斯二次利用）抽放分为本煤层抽放、邻近层抽放、采空抽放、钻孔抽放、巷道抽放、综合抽放2、井下粉尘防治今后一个时期，在我国主要研究解决厚及特厚煤层注水工艺技术及配套装备3、井下防灭火技术（阻化剂、黄泥灌浆、注凝胶、均压防灭火、注氮、束管检测系统）,煤矿绿色开采技术技术途径和措施,三、煤矿污水处理技术 1、矿井水分类排放。（岩溶水、矿井污水） 2、水采矿井的闭路循环。 3、煤矿用化工材料污染治理。（例乳化油）目前，为了防止乳化液污染水主要从以下几个方面着手：通过开发新液压传动介质代替乳化液同时降低或除去原乳化油中的矿物油，并
24、选择易于被生物降解的添加剂，减少乳化油对环境的污染研究开发水介质单体液压支柱，完全不用乳化油完善各类用油设备的密封性能，防止石油产品泄露。,煤矿绿色开采技术技术途径和措施,四、建筑物下采煤与减沉技术基于岩层控制的关键层理论提出，可将保证覆岩主关键层不破断失稳作为建筑物下采煤设计的基本原则。为了保证建筑物下采煤既具有较好的经济效益，同时又确保地面建筑物不受到损害，关键在于根据具体条件下覆岩结构与关键层特征来研究确定合理的减沉开采技术及参数。确定覆岩中的关键层位置，掌握其离层与破断特征参数，是注浆减沉技术应用可行性分析、钻孔布置与注浆工艺设计及减沉效果评价的基础。（通过向开采煤层上覆岩层的离层带内
25、打孔，并向其空隙中注入泥浆，可以减缓地表下沉。该项技术已经进行了工业性试验，其效果比水沙充填减少了30%-60%，最大下层速度保持在0.5mm/a）,煤矿绿色开采技术技术途径和措施,五、采空区充填开采技术采空区充填开采技术是绿色开采技术的重要组成部分，尤其在经济发达地区解决建筑物下开采更应受到重视。从理论上来说，充填采矿是解决煤矿开采环境问题的理想途径，但由于目前充填采矿的成本相对偏高，限制了该项技术在煤矿的试验与应用。在市场经济条件下，充填技术的关键是充填材料的选取及如何降低成本。另外就是充填技术本身，它应该包括充填系统与开采系统的协调；充填运输系统的畅通；充填后材料的力学特性等。顺利解决上
26、述问题将根本改变将来我国经济发达区域的开采技术。,煤矿绿色开采技术技术途径和措施,六、煤与瓦斯共采我国煤层普遍具有变质程度高、渗透率低和含气饱和度低的特点，70%以上煤层的渗透率小于110-3m，这对我国开展煤层瓦斯采前预抽是极为不利的。正因为如此，我国已钻的200多口采前地面煤层气井中，稳产高产井很少，单井产量超3000 m3/d的也只有约30口。实践表明，一旦煤层开采引起岩层移动，即使是渗透率很低的煤层，其渗透率也将增大数十倍至数百倍，为瓦斯运移和抽放创造了条件。因此若在开采时形成采煤和采瓦斯两个完整的系统，即形成“煤与瓦斯共采”的技术，则不仅有益矿井的安全，而且采出的还是洁净能源。因此在
27、开采高瓦斯煤层的同时，利用岩层运动的特点对煤层气进行开采将是我国煤层气开发的一条重要途径。,煤矿绿色开采技术技术途径和措施,煤矿绿色开采技术技术途径和措施,七、煤炭地下气化煤炭地下气化是一种整体绿色开采技术。它是将地下煤炭通过热化学反应在原位将煤炭转化为可燃气体的技术，是对传统采煤方式的根本性变革。不仅极大地减少了井下工程及艰苦作业，而且消除了煤炭开采对环境的污染和煤炭燃烧对生态环境的不利影响和危害。（复采、薄煤层）无井式气化方法就是用钻孔代替井筒，然后贯通两个钻孔，并点燃形成火道，进行“燃烧”一系列化学反应。火力贯通：在煤层中用燃烧源烧穿两钻孔间煤层电力贯通：在两钻孔中放入电极，利用电能的热效能烧穿定向钻进通道：钻具（前苏联 ）中国矿业大学（实验室）水力压裂贯通,谢谢大家！,
