厚煤层错层位巷道布置综放开采技术综述--本科生毕业设计.docx

大学2014届本科生毕业设计 第36页厚煤层错层位巷道布置综放开采技术综述摘要：随着安全、高产、高效矿井建设的推进，最大限度的节约、综合利用和安全开煤炭资源已经成为煤炭开采技术发展的必然趋势。本文通过介绍厚煤层错层位巷道布置综放采煤法，并与传统综放采煤法进行了比较，阐明了该方法对提高厚煤层回采率以及降低煤层自燃发火率具有的的重要意义。关键词：错层位巷道布置；厚煤层；综放；回采率；自燃发火率Asummary of full-thickness mining method of dislocated roadway layout in thick seamAbstract: With the development of of safe, high-yield and efficient mine construction, maxinize savings, and comprehensive utilization of coal resources in safe driving has become the inevitable trend of the technology of coal mining. This paper sets out the great significance of the method to inprove the recovery rate and reduce spontaneous combustion rate in inflammable thick coal seam by compared full-thickness mining method of dislocated roadway layout in thick seam and comparing with traditional full-thickness mining method.Keywords: dislocated roadway layout;thick seam ; recovery rate；spontaneous combustion rate引言煤炭是我们国家极为重要的能源，其中厚煤层所占比例达到44.8%。传统综放开采技术是高产高效开采厚煤层的一个主要技术之一，但是回采巷道都沿着煤层底板布置，巷道的顶部和两帮都是煤体，易造成冒顶片帮，而且回采巷道顶部和工作面端头不放顶煤，加上工作面回采工艺不可避免的煤层损失造成传统放顶煤回采率低，遗留的煤又可能自燃，这些问题是制约该种煤层使用传统综放开采技术的主要原因。如果巷道沿着煤层顶板或者采空区下方的金属网下布置，则能大大减少煤层损失，不会形成巷道高冒区，火灾事故也能够得到有效遏制。错层位巷道布置综放开采技术正是基于这样的理论产生的。 该技术的提出与绿色和谐开采理论相符，对于易燃厚煤层安全、经济开采有具有重要意义。1 传统综放开采技术1.1 传统综放开采的现状综放开采技术自上世纪80年代从国外引入以来，随着技术的日趋完善和进一步推广，因其高产高效的特点，在生产现场取得了一系列的显着效益，不断刷新着全国煤炭生产的记录。阳煤、潞安、兖矿集团更是有与其自身条件相适应的技术模式；难采煤层开采模式有大同忻州“两硬”模式、郑州米村“三软”模式、徐州的“较薄厚煤层模式”、石炭井乌兰的“大倾角模式”、淮南谢桥的“高瓦斯较薄厚煤层模式”、靖远魏家地“特厚煤层模式”、还有“边角煤”、“小块段”等不同条件的类型，以上类型包括了我国厚煤层赋存状况的大多数类型。理论研究方面，在国家自然科学基金、淮北集团、潞安集团的资助下，放顶煤开采技术的理论研究进一步加强，在综放工作面的巷道布置系统、安全开采技术和提高采出率措施等方面做了大量研究工作，也得到了不错的成果。1.2 传统综放开采的主要问题和解决措施1.2.1 提高综放采出率放顶煤开采的采出率能否达到国家规定标准，是关系综放开采能否可持续发展的关键问题，也是自使用综放开采技术以来最困扰综放发展的技术难题。除了工作面放煤工艺不可避免的造成遗煤损失以外，工作面端头过渡支架上方和区段平巷顶部不房顶煤，均是长期以来造成综放采出率低的主要因素1.2.2 自燃发火和防治放顶煤开采相较于分层开采来说，避免了反复揭露采空区，一定程度上有利于防灭火，但放顶煤开采也有其自身的缺点，增加了自燃防火的可能性和危险性。比如，回采巷道一般都是沿着煤层底板掘进，巷道顶部和周边都是煤层，以造成约占整个火灾2/3的巷道高冒区发火；此外，工作面两端不放顶煤、回采工艺自身的缺陷造成的遗煤都是防治火的不利因素。总之，综放开采的自燃发火有其自身的特点，已是生产中常见的安全隐患。我国最早试验的浦河矿就曾因发火而停产，再次试验仍然发火；大屯徐州矿安装支架过程中，没开始采煤已经发火；辽阳梅河三井平均每年发火20多次。所以，要从思想上高度重视放顶煤开采的自燃发火问题，事半功倍的办法是预防性的投入。1.2.3 瓦斯灾害综放开采时整层煤一次性全部采出，不存在分层开采的瓦斯析出不均匀现象，由于综放开采的进回风巷道都是沿着煤层底板布置，引起支架后上方在无风流区域。当顶煤放出、工作面顶板出现悬露时，该无风流区的瓦斯就会大量积聚，顶板垮落时，将其压入工作面，成为事故隐患。除此，工作面上余角、支架放煤口、放煤过程中瓦斯都很容易超标。1.2.4 巷道布置系统综放开采存在的问题有工作面端头、区段煤柱和回采巷道遗煤。另外，区段回风平巷沿着煤层底板，第一不利于排放上浮的瓦斯，第二顶煤之下的掘进和维护工作都相对困难。为了解决上述问题，开发更加合理的综放开采巷道布置系统意义重大。2 错层位巷道布置综放开采技术自从上世纪80年代从国外引入放顶煤开采技术以来，经过30来年的应用和发展，不仅从放顶煤设备而且回采工艺上都有了重大突破，并且处于世界领先地位。但是如上文提到的放顶煤存在的一些问题，制约着放顶煤技术的进一步发展。因为综放开采技术本身存在的不足，中国矿业大学（北京）赵景礼教授考虑回采巷道布置、采出率瓦斯、自燃发火防治的前提下，发明了错层位巷道布置综放采煤法。2.1 错层位巷道布置的简述采煤方法由回采巷道布置和回采工艺两项主要内容构成，先掘进回采巷道，后进行回采工作。可以选择用错层位巷道布置系统来开采厚煤层。该系统属于厚煤层一次采全高的巷道布置，即组成回采系统的两条回采巷道沿着不同的煤层层位布置掘进，如：下图所示的是我们最常见的是我们错层位巷道布置形式错层位巷道内错式布置。图2-1 错层位巷道布置图如图2-1所示，工作面进风巷沿着煤层底板布置，工作面回风巷沿着煤层顶板布置，内错一巷沿着上一个工作面采空区下方布置接续工作面进风巷，这样的巷道布置工作面之间不再有区段保护煤柱，仅仅是由上一个工作面靠近回风巷的地方起坡段过程造成的三角底煤的损失，该三角形的起坡段主要靠刮板输送机的逐节抬升形成的。另外，从图中可以看出，接续工作面进风巷3沿上一个工作面回风巷2内错一巷布置，从而巷道3和靠近它一侧的端头支架上方为采空区的垮落矸石后者人工假顶，而回风巷以2为例，因为巷道沿着煤层顶板布置，所以巷道以及端头支架上方不再是煤层，而是直接顶。可以看出，改变巷道布置系统，即改变相邻两工作面的间的巷道布置结构，就可以解决综放开采的回采巷道和端头支架上方不放顶煤的问题。因此，改变巷道布置系统是提高采出率的有效的绿色途径。从图2-1中可以看出，与传统综放开采有显着的不同，即传统综放开采的两条回采巷道沿着煤层同一层位的煤层底板布置，而错层位的两条回采巷道分别沿着煤层的不同层位，根据实际情况不同，又可细分为三种不同的布置方式，如图2-2所示。图2-2 错层位巷道布置的选择图2-2（a）表示了错层位巷道布置最具代表性的一种形式错层位巷道内错式布置。这种布置方式已经使用于煤层倾角045，自燃发火期在36个月的松软或者中硬煤层中。从图2-2（a）中可以看出，这种巷道布置形式的主要特点是完全取消了工作面之间的护巷煤柱、工作面两端头和两巷不放顶煤部分煤柱。回采巷道的顶板为岩层顶板，因此相对于煤层顶板来说，掘进和维护都会容易许多。上个工作面采空区下方布置接续工作面回采巷道，虽然接续工作面的顶板为再生顶板或者人工假顶，考虑到支护情况，对强度要求不高，采用“U”型棚等支护形式配合金属网防止漏矸即可。图2-2（b）为错层位巷道重叠式布置示意图。这种布置方式主要针对工作面端头支架数目较少以及煤层厚度略低于两巷高度的情况。无法实现接续工作面内存的要求可以采用两巷重叠式布置。从图中可以看出，错层位重叠式巷道布置的特点是取消了巷道上方不放顶煤的部分，但是端头支架上方仍存在不放顶煤的部分。回风巷不存在端头以及该巷道上方不放顶煤的问题。另外，为了实现重叠布置，回采巷道必须掘进部分顶板或者底板，虽然增加了掘进和成本，但有利于巷道维护。图2-2（c）为错层位巷道布置外错式布置示意图，这种布置方式主要针对煤层厚度不足以布置上下两巷的情况，或者煤层厚度仅仅可以布置两巷，但是本工作面开采期间没有形成人工假顶，所以，从回采的安全性考虑，采用这种方法比较合适。图2-3 跳采顺序图需要强调的是，由于需要时间形成人工假顶或再生假顶，因此错层位巷道布置内错式或者重叠式工作面的结题一般采取1-4-2-5-3的跳采方式，如图3-3a所示；如果采区采用双翼开采，那么可按图2-3b进行开采；采用外错式单翼开采，可以按照传统的回区顺序即可。因此，在实际回采中不允许这种跳采方式存在，可以考虑外错式布置。从图2-3中可以看出，及时工作面之间留设由于传统沿煤层底板相同的煤柱宽度，由于回风巷一侧沿顶板布置了，不存在巷道及端头上方不放的顶煤部分，因此在采出率方面依然不存在低于传统巷道布置的可能性，并且改善了巷道掘进与维护的条件。当每层厚度大于两巷叠加高度时，起坡段一侧的巷道具有如图2-4所示的布置方式。图2-4 煤层法线方向巷道布置的选择如图2-4所示，沿煤层方向不同层位间选择巷道布置的层位从而实现搭接情况。从图中可以看出，煤层厚度较大时，可以采取两种布置方式。如图2-4a所示，沿煤层顶板布置回风巷道，这样与接续工作面进风巷之间就必然会有一定厚度的煤皮，煤厚与两巷高度和之间的差值就决定了煤皮的厚度。如图2-4b所示，在上一工作面回采期间，回风巷道在煤层中部布置，其高度只要足够布置接续工作面相邻巷道即可。二者的区别在于：如果煤层自然发火倾向性级别较高，图3-4a可减少向采空区漏风，安全上更为有利；如果煤层属于“三软”的条件，图3-4b接续工作面进风巷安全摆脱了“三软”的影响，接续工作面进风巷以维护防治漏矸为主，仅仅对回风巷试试特殊支护即可。图2-5所示为煤层倾角较大情况下错层位巷道布置的选择。从图中可以看出，这两种布置方式的区别在于从采出率与安全的角度出来，图2-5a表示了接续工作面与采空区完全相切的情况，这种情况可以实现最高的采出率。图2-5b表示了两工作面之间留有一定宽度的煤皮（煤柱），即由图2-5a的位置乡下滑动选择的位置；外错式布置（图2-5b）采出率较图2-5a略低，但是可以减少向采空区的漏风，并且不需要在上一工作面回采期间进行形成人工假顶等工艺。图2-5 煤层倾角较大情况下错层位巷道布置的选择上述给出的错层位巷道布置可以分为煤层上下竖直移动和同一层位的移动两类，具体布置巷道时，需要结合实际的地址条件对上述情况进行组合。比如：煤间留煤皮可以分别采用内错、重叠以及外错三种情况，如图2-6所示。图2-6 几种不同搭接情况下的工作面布置平面图3 错层位巷道布置的评价和适用条件3.1 自然发火危险性评价3.1.1 自然发火防治分析煤层自然发火制约着综放开采工艺发展，多年来，对自然发火的防治形成了较为系统的研究。西山矿区先主采的2号、4号、8号煤层自然发火倾向均为易自然发火。为了保证安全生产，应制定有效的防灭火措施，将隐患消除在萌芽状态，因此需对火灾发生概率进行分析与定量评估。防灭火可分为三个步骤进行，依次是理论分析、定量分析以及提出工作面防灭火建议措施，力求尽量采取现场应用成熟的防灭火技术措施，以确保措施有效易行和经济适用，从而找到一种可行的实用方案。（1） 预测。采用人工监测的方法，动态监测工作面、采空区、工作面运输巷、工作面回风巷的自燃气体。实时进行气体成分化验。（2） 预报。在预测后，分析研究气体成分，确定危险的可能性等级。（3） 预防。基于预报得出的结论，针对性的采区相应的有效措施。比如：预防性注水、防止漏风、确保工作面安全可靠的推进速度。（4） 有效灭火。现场具备一旦回采煤层在发生自燃的初期即可采取切实有效的灭火措施（如灌浆、凝胶等），将火灾熄灭在萌芽状态，最大限度地减少损失。3.1.2 自然发火类别分析浮煤的存在，煤体损坏的程度，与O2接触蓄热的条件和时间。生产中无论采取何种防灭火方式，破碎媒体的存在以及与氧气接触是不可避免的。减短破碎媒体的存在，也减短其蓄热时间，就会降低自然发火的概率。由于这个原因，首先要研究回采煤层发生自燃的地点、容易易发生自燃的时期。1） 易发生自燃的区域在放顶煤回采系统下，煤层在各区域发生自燃的概率不同，可以将煤层可能发生自燃的区域进行等级划分：（1） 容易发生自燃的区域。巷道变坡顶板破碎区，巷道顶板局部垮落区，联络巷，巷道揭露相邻沿空侧的终采线，溜煤眼，和其他硐室等处。（2） 较易发生自燃区域。沿空侧煤柱破碎区，巷道顶煤离层破碎区。（3） 可能发生自燃区域。巷道巷帮破碎区和工作面的采空区。2） 根据对综合开采时自然发火事故出现的频繁程度，可以看出巷道发生自燃的因素很多，为此，合理的巷道布置显得尤为重要，如图3-1所示。易发生自燃的时期另外，要从不同的工作时期进行分析煤层自燃的可能性，分析得出的结果是最易发生自燃的阶段共有四个，分别是：图3-1 综放开采易燃区域（1） 掘进期间。巷顶易形成高冒区，也会形成碎煤裂缝带发育区，氧气在煤层中的扩散因为局部通风机的正压作用而相应的得到了进一步的加强，在深部蓄热的地方，散热比较不容易，更有可能发货，这是隐患之一。（2） 工作面安装期间。开切眼时，支架上方有很多的顶煤，综放工作面的安装时间也相对长许多，煤层自然发火可能会在工作面安装完之前发生。（3） 回采期间。第一，开切眼到初次放顶期间，相隔时间较长，支架上方煤体蓄热的条件好时间充裕；第二，刚安装完工作面，必须有设备需要磨合的过程，必然引起工作面推进速度变慢；第三，上、下端头支架下方堆起了许多的破碎煤块；第四，放顶煤期间，煤层顶板会垮落，形成导风通道。（4） 拆除期间。综放工作面拆除设备所需要的时间要长好多，支架上部的顶煤破碎，支架后方有松散的煤块，而且很多。以上自然发火的因素，影响着煤炭正常安全生产。3.1.3 不同巷道布置特征概述图3-2和图3-3.分别是厚煤层错层位巷道布置综放采煤法与传统放顶煤采煤法示意图。图3-2 错层位巷道布置采煤法巷道布置一般形式图3-3 传统综放开采巷道布置示意图图3-2中的错层位巷道布置和图3-3中的传统放顶煤沿煤层底板巷道布置方案进行比较，优势有：首先，取消了区段间存在的保护煤柱，提高了工作面端头煤炭的采出率，实现了真正意义上的无煤柱回采；其次，初、末采出在传统放顶煤回采中有一定的损失，错层位巷道布置区段间相互搭接，相同长度的工作面错层位巷道布置减少了顶煤所占体积，提高了初、末采的采出率；再次，上一工作面的采空区下方布置接续工作进风巷，沿煤层的顶板布置回风巷道，消除了巷道顶部发生高冒的危险由此防治巷道高冒发火。由上，改革巷道布置系统解决了传统综放开采劣势的地方，可是如果在不采取任何技术措施的前提下，也带来一定的消极影响。接续工作面进风巷道；再次，布置在上一工作面采空区下，区段间取消了保护煤柱，如果采空区封闭质量不良的话，就会比传统综放开采漏风问题更要严重。3.2 瓦斯涌出分析由于综放开采是全厚开采，瓦斯不会析出不均匀，因此不能按传统方法，即用第一分层瓦斯析出量来估计综放工作面瓦斯涌出量。同时，由于放顶煤开采的进、回风巷沿煤层同一层位布置，引起支架后上方处在无风流区。在放出顶煤，工作面顶板出现悬露状态时，该无风流区就会出现大量瓦斯聚积的现象，积聚的瓦斯随时有可能随顶板垮落被压人工作面，成为事故隐患。综放工作面的瓦斯析出分布情况如图3 -4所示。进行瓦斯治理时必须考虑这个高浓度瓦斯聚积区。此外，工作面上隅角瓦斯极易超限；支架放煤口也是瓦斯集中涌出点，放煤过程中常会出现瓦斯超限。 如图3-4所示，传统放顶煤回采巷道布置系统存在一个问题，即瓦斯排放问题。由于瓦斯比空气轻会上浮，会积聚在放顶煤后形成的空间中，而经过工作面的风流不会降低支架后方积聚的瓦斯浓度。当顶板垮落时，常将这部分瓦斯压人工作面， 造成工作面尤其是上隅角瓦斯严重超限，威胁正常生产。为了解决这问题，有的煤矿在接近回风巷道的煤层上部开掘一条专门用于排放瓦斯的巷道，但是这样会是巷道布置系统变得很复杂，错层位巷道布置系统中，回风巷道有传统综放开采瓦斯排放巷的作用，但是巷道系统简化，更有利于工作面的通风。图3 -4 放顶煤工作面析出瓦斯分布情况3.3 综合评价3.3.1 优越性 错层位巷道布置充分综合了分层开采与放顶煤开采的有利因素，其在技术和经济上的优越性如下：(1)高产高效。错层位巷道布置采煤工作面依然采用放顶煤为主的回采工艺，因此具有综放平行作业的特点，即能使一个工作面多点同时出煤，一个工作面可相当多个工作面同时生产。(2)巷道掘进率低，可以省去100%200%的工程量，巷道掘进费用和维护费用也会相应的的得到降低，另一方面采掘的接续状况也得到了优化，从而利于生产工作的高效开展。(3)吨煤成本低。(4)对地质条件和煤层赋存条件变化适应性强。可适应不同煤层倾角、厚度(2.720 m)变化，倾斜煤层厚度达到2.7 m即可实现工作面之间的搭接。考虑大采高综放开采，特别是急倾斜煤层，由于该方法存在起坡段，因此工作面内部即可提供一个侧向支撑力，有利于工作面设备的稳定。(5)采出率高。传统沿煤层底板布置巷道综合机械化放顶煤开采，除了放煤工艺产生煤炭损失不可避免外，工作面初末采损失、端头损失、区段巷道顶煤损失、护巷煤柱损失，均是长期没有很好解决的问题。因此，综放面采出率一般低于能够合理分层的综采面据统计，我国综放面的采出率平均达到81%83%，区段之间不留护巷煤柱，采区采出率可以达到75%以上，符合国家要求。留煤柱开采的采区采出率将低于75%，而错层位巷道布置可消除区段护巷煤柱、工作面端头及巷道上方不放顶煤部分煤炭，使采出率得到显着提高，采区采出率比传统综放开采高10%以上。(6)通风与瓦斯排放。传统沿煤层底板综合机械化放顶煤开采，因为瓦斯析出情况受到支架压力，顶煤运移和岩层移动的影响，而且与分层开采相比，采空区瓦斯的剧集情况也会发生很大的改变。高浓度瓦斯会聚集在液压支架后上方，当顶板破碎垮落后，瓦斯就将快速涌人工作区。在近水平煤层中采用错层位巷道布置一个起坡殷，按照瓦斯的密度及工作面风流的走向，该起坡段以及回风巷沿煤层顶板布置有利于通风与瓦斯的排放。(7)自然发火防治。综放开采的自然发火问题仍比较严重。自然发火必须具备三个条件，浮煤、氧气和蓄热时间。特别是传统沿煤层底板巷道布置煤炭采出率低，即存在大量的浮煤，因此其自然发火概率较高，特别是一些工作面因浮煤发生自燃，来不及撤出设备就被迫将工作面封闭。当下，煤矿防火措施有大概有一下几种：向采空区灌注黄泥浆、向采空区注入惰性气体（氮气）、用阻燃物质灌注高冒区、向采空巷道一侧灌阻燃物质封隔采空区、工作面终采线上方顶煤预注阻燃物质。如前所述，错层位巷道布置的采出率明显高于传统综放开采，因此，有效降低了煤炭自然发火概率。另外，据统计，巷道高冒区自然发火占2/3，错层位巷道布置首采工作面一条巷道布置在底板，另一条布置在煤层顶板，因此首先降低了巷道高冒区自然发火的50%；当形成接续开采后，由于一条巷道布置在采空区下方，另一侧依然沿煤层顶板布置，因此完全消除了高冒区的形成，实现了100%杜绝高冒区自然发火。另外，实践证明，加快工作面推进速度是防治煤炭自然发火最有效的技术措施。因此，在错层位巷道布置采煤工作面时应保证回采速度，以有效解决厚煤层一次全高开采自然发火问题。（8）巷道的矿压控制技术。传统的回采巷道沿煤层底板掘进，巷道上部均留有不同厚度的顶煤，与岩层顶板相比，巷道掘进与维护均比较困难，特别是“三软”煤层和深部煤层。 采用错层位巷道布置形成接续工作面后，由于一条巷道布置在采空区下方，因此理论上已经摆脱了“三软”与深部开采的制约，其承受载荷仅仅为垮落的岩石，巷道以维护不漏矸为主。 （9） 支架要求。液压支架是工作面的关键设备，对于不同的煤层地质条件，要求支护架型参数均不同。目前，我国已经生产了以低位放煤为主的多种新型综放支架。对于传统沿着煤层底板巷道布置，工作面的过渡支架与端头支架的研制是一个薄弱环节。因为工作面端头没有恰当的支架也没有有效的放煤方法，工作面的采出率就必然不高，加上遗煤又加重了接续工作面发火的可能性。错层位巷道布置工作面回采工艺真正意义上的避免了工作面端头与巷道上方不放顶煤的问题，所以，工作面不会受到端头支架和过渡支架的不好影响。3.3.2 存在的问题与传统沿煤层底板布置综放工作面相像，现在煤尘的治理也是错层位巷道布置存在的重要问题。放顶煤工作面的煤尘比分层开采高12倍。采煤机割煤、支架操作时的架间漏煤及放煤均为粉尘的来源。高位放煤时放煤工序产生的粉尘较大，顶煤破碎严重时架间漏煤产生的粉尘也对工作面产生严重影响。在低位放煤时，割煤是造成粉尘过大的主要的不可避免的因素。尽管采取了综放工作面防尘措施，但与一般综采工作面和炮采工作面一样，远达不到国家工业卫生标准的要求，防尘方面仍有大量工作要做。3.4 适用条件（1）煤层厚度。一般认为一次采出的煤层厚度以510 m为佳。顶煤厚度过小易发生超前冒顶，增大含矸率，煤层平均厚度小于5 m时严禁放顶煤；煤层太厚破坏不充分，会降低采出率。放采比应控制在13之间，轻型支架放顶煤的厚度可适当减小。对于厚度变异系数大的煤层，采用放顶煤工艺比用其他方法能取得更高的采出率和更好的经济效益。（2） 煤层硬度。顶煤破碎主要依靠顶板岩层的压力，其次是支架的反复支撑作用。因此，放顶煤开采时，煤的坚固性系数f一般小于3，否则需采取顶煤预破碎或其他弱化措施。（3）煤层埋深。煤层埋深不宜小于100 m。（4）煤层结构。煤层中含有坚硬夹石会影响顶煤的放落。因此，硬夹石层厚度不宜超过0.4 m，否则需采取破碎措施。顶煤中夹石层厚度占煤层厚度的比例也不宜超过10%15%。煤层节理裂隙越发育对放煤越有利。（5）顶板条件。直接顶应具有随顶煤下落的特性，其垮落高度不宜小于煤层厚度的1.01.2倍，基本顶悬露面积不宜过大，以免工作面支护设备受到顶板冲击压力的影响。（6）煤层倾角。综放采煤方法在缓（倾）斜和中斜煤层中均可采用，由于错层位巷道布置采煤工作面起坡段，因此错层位可应用的倾角范围要大于传统综放开采适用范围。（7）水文地质条件。水文地质条件复杂，采放后有可能与地表水、老窑积水和强含水层导通的煤层，以及煤与瓦斯突出危险的煤层区域，为保证安全，需要选择合理的巷道布置形式。但是从错层位巷道布置的原理来看，考虑控制采场裂隙带发育高度而留设一定宽度的护巷煤柱时，由于沿煤层顶板布置，因此煤柱的留设尺寸要小于传统沿煤层底板巷道布置。错层位巷道布置综放采煤法是凭借矿山压力碎煤，必然受到自然条件的限制，其适用条件可概括如下：综上所述，错层位巷道布置综放采煤法对于传统综放开采来说是一个进步，不仅使用于所有采用传统沿煤层底板综放采煤工作面的条件，而且在很多方面改善了传统综放开采的弊端，其使用范围更广。4 工程实例斜沟煤矿井型15 Mt/a，其中全区可采的仅有8号和13号煤层，选择一个合适的采煤方法是矿井高产高效的重要前提条件。因为传统综放采煤方法有一定的劣势，斜沟煤矿要改变原有的巷道布置系统，选择错层位巷道布置综放采煤法，从而提高工作面采出率、降低巷道维护成本和煤的自燃概率。4.1 试验现场条件4.1.1 地质条件1) 煤层条件13号煤层煤层厚度为5. 9516. 68 m，平均厚度为13. 88 m，首采区煤层倾角平均为10，结构较为简单，属于稳定煤层，全区可采，是该井田的主采煤层，煤层密度1. 41 t/m3。一般含夹矸为03层，夹矸厚度为00. 90 m，一般为0.080.43 m。13号煤层平均抗压强度22. 67 MPa，煤的坚固性系数f约为2.3，夹矸岩石强度相对较低，和煤层的强度基本相近。2) 瓦斯、煤尘及自然发火条件根据钻孔瓦斯资料，斜沟煤矿各可采煤层均为低瓦斯。但根据邻近的孙家沟矿井实际开采情况知道：随着开采深度增加，在开采至+700 m标高以下时，矿井瓦斯涌出量急剧增加，矿井为高瓦斯矿井，且在地面建立了瓦斯抽放系统。斜沟煤矿煤层有煤尘爆炸危险性。由所测试结果可知，斜沟煤矿各可采煤层一般为不易自燃煤层，但是各可采煤层不同程度地在采样测试过程中出现易自燃级煤，且主采的13号煤层是厚煤层，根据我国的回采经验知道厚煤层均具有自燃倾向性，因此需要进行判定煤的自然发火危险性，并且制定相应的预防措施。3）地温由钻孔结果分析得：斜沟煤矿恒温带在100300 m之间，实际变化范围在10.515之间，根据测试结果知，在此基础上随着季节的不同略有变化，地温变化梯度一般为0. 052.98100 m，平均为1.09100 m，斜沟煤矿属地温正常区。4）煤层顶底板岩性13号煤层的直接顶板以砂质泥岩为主，局部为砂岩。砂质泥岩为顶板时，经过测试得到：抗拉强度平均为4.3 MPa，抗压强度平均为125. 03 MPa，饱和抗压强度为70.10 MPa，该岩层的RQD值为21,顶板基本稳定。砂岩为顶板时，以0801孔资料分析，抗拉强度为18.5 MPa，抗压强度变异范围在90.739.1 MPa之间，平均为109.53 MPa，该岩层的RQD值为67，顶板稳定。 13号煤层底板多为泥岩，饱和抗压强度平均为46.1 MPa，RQD值为21，岩层软化系数为0. 76，在遇水作用下有底鼓现象。5）水文地质条件煤系地层、水文地质条件简单，仅煤系底部的奥陶系灰岩岩溶水为具承压的强含水层，水位标高在+850+854 m之间，井田范围内大部分开采地段属带压开采，奥灰水对各开采煤层的生产安全有一定影响，13号煤层底板等高线+645 m以东区域突水系数小于0.06 MPa/m属于突水性安全区；13号煤层底板等高线+645 +330 m之间区域突水系数介于0. 060.15 MPa/m之间，属于岩层完整块段突水性安全区，受奥灰影响较大。综上所述，从安全开采出发，开拓中将主水平设在13号煤层中，水平标高+640 m。并且，根据钻孔资料，太原组13号煤层以上是一套以泥岩为主的地层，厚25. 5645. 63 m，平均厚33. 60 m，井田内沉积连续稳定，是山西组8号煤层与太原组13号煤层之间较好的隔水层。矿井达严时开采13号煤层正常涌水量为200 m3/h，最大涌水量为300 m3/h。4.1.2 设计回采条件根据初步设计，矿井年工作日为330天，井下四六制作业，每天三班生产，一班准备，日净提升时间16 h。13号煤层强度低，设计中确定13号煤层采用综采放顶煤开采，工作面长度295 m推进距离为5.8 km左右，机采高度3.5 m，放煤10. 38 m，采放比1：2.96，符合国家规定。原设计工作面采用双滚筒采煤机双向割煤、端头斜切进刀的工作方式，采煤机截深为0.8 m，放煤步距为0.8 m，每日6个循环。工作面配套设备见表4-1。表4-1 工作面配套设备表采煤机7LS3前刮板输送机SGZ1000/2000后刮板输送机SGZ1200/2000转载机SZZ1200/700破碎机PCM400可伸缩式输送机BLT1400-3.5/33752液压支架ZFS8000/23/37端头支架ZFG8000/23/37乳化液泵站LRB-400/31.5; KPB360/16探水钻机MYZ-2004.1.3 拟解决的问题（1）设计中未见到工作面之间留设保护煤柱的尺寸，通过分析8号煤层煤柱的损失及相应参数，推断出8号煤层留设煤柱宽度应为15 m。，8号煤层平均厚度为4.87，则煤柱留设的宽度为 B =2h +x （4-1）式中h煤层厚度，m； x煤柱的塑性区宽度，m。13号煤的平均厚度有13.88 m，由式(4-1)得到：应该设的煤柱宽度是27.76+x，这里取30 m，这种情况下煤炭损失较大。因此应提高该地质条件下的采出率。(2)设计采用放顶煤回采13号煤层，但是该地质条件下，顶煤冒放性如何？(3)采用放顶煤的前提下，按照设计的采一放一及其配套的其他回采工艺是否合理。(4)综合机械化放顶煤设备的选择问题。(5)设计放顶煤回采巷道为沿底板煤巷布置，采用锚网支护，但是在该地址条件下，巷道布置是否合理。件下，巷道布置是否合理。(6)相关的安全技术措施。4.1.4 顶煤冒放性分析1）顶煤冒放性研究放顶煤开采方法实现了厚煤层的整层开采，使厚煤层的储量优势得以充分发挥，与留煤柱护巷形式综放开采相比，单产高，效率高，成本低，巷道掘进量小，工作面搬迁以及安装的次数和费用也相应的降低，更能适应煤层不同程度的地质条件变化。斜沟煤矿13号煤的平均厚度有13. 88 m，其顶煤是否具有可放性直接影响到采煤方法的选择，进一步影响到该矿济效益和社会效益，因此需要首先对13号煤层的可放性进行科学论证。2）顶煤冒放性分析结果顶煤坚固性系数f为2.3，中等强度，结构简单，含夹矸，夹矸强度与煤层相近，虽然夹矸局部厚度偏大，但是可以作为定额米一次性采出，并且13号煤层节理裂隙发育，煤层厚度13.88m ，20m 厚度的顶板能随放随冒i，采深较大，同时考虑工作面的长度及日推进度均有利于顶煤的冒放，与相邻的安家岭矿井进行工程类比，认为3.5m 采高在近似相同煤厚的条件下放顶煤的效果更优于3.3 m，因此对13号煤层的归类属于2类和3类之间，但更趋于2类。4.2 巷道布置方案针对设计中建议在13号煤层采用综放回采，对于顶煤冒放性完成了相关的研究，结论认为，有较好的顶煤冒放性。设计中给出采用综放开采，采区采出率可达到83.1%，工作面的回采率可达到87.6%，未见到有关工作面之间的煤柱尺寸留设的依据和具体数值，但从8号煤层煤柱的损失进行计算可得煤柱宽度为15 m，反推认为其基础公式为B=2h+x式中 B煤柱宽度，m h煤层厚度，m x煤柱的塑性区宽度，m。8号煤的平均厚度大约有4.87米，应该留设煤柱是15米，13号煤的平均厚度大约是13.88米，由以上的公式能够得到煤柱的宽度不能少于30 m，在此按照30 m进行研究，为了解决综放开采的低采出率问题，需改革巷道布置 ，提出三种方案。1.方案一 方案一（图4-1）：沿着煤层的底板掘进工作面进风巷和工作面回风巷道，本工作面进风巷和接续工作面回风巷道之间的留设保护煤柱宽度设置为30 m，通过分析可以得到，在煤柱和巷道上方不放顶煤的部分，在13号煤层地质条件下的剖面面积为629.1m3，所占整个工作面的比例为15.6%，而且放煤与初、末采均会造成一部分煤炭损失，所以认为初步设计中给出的工作面采出率为87.6%和采区采出率为83.1%不太容易实现。图4-1 方案示意图结合实际地质条件与图6-1分析知，在13号煤层地质条件下还有下列问题：(1)两条回采巷道沿着煤的底板掘进，这样巷道的周围都是煤，由最初的地质资料报告，煤层比较松软，裂隙比较多，造成巷道不太容易维护。(2) 13号煤层经鉴定处于易燃和不易燃之间，但是生产实际经验告诉我们厚煤层均有自燃发火倾向性，13号煤层节理裂隙发育，维护不易，因此巷道周围容易形成高冒区，此部分在实际中自然发火所占比重较大，因此这种布置方式对于不利于自然发火的防治。(3) 13号煤层倾角为10，尽管角度不大，不需要额外的防倒防滑措施，但是工作面较长，设备高度较大，因此必然从上至下形成一个较大的侧向推力，特别是靠近工作面进风巷一侧的端头支架，因此整体稳定性并不是很理想。为此，结合前边分析，在13号煤层地质条件下，沿煤层底板巷道布置综放工作面在采出率、防灭火、巷道的维护及设备的稳定性方面都不是很理想。所以巷道布置需要改革，来尽可能改善上述问题。2方案二方案二（图4-2）：巷道布置时，沿着煤顶板和底板掘进两条回采巷道，因为在不同的水平，属于在煤层中不同层位布置。进风巷与工作面沿煤层底板布置之间的关系是通过刮板输送机的抬升实现的，具体步骤如下所述。从工作面进风巷一侧端头开始，刮板输送机逐渐下降3、 6、 9、12及15，保持几节15的刮板输送机实现继续向底板延伸，然后将刮板输送机逐渐抬升3，直到形成水平为止。此处刮板输送机形成水平是为了下一工作面布置回风巷作准备，其高度应该满足回风巷的高度，两工作面形成相切，可以保证两工作面之间的三角煤损最小，进而尽可能的增高采出率，通过分析，三角煤损的剖面积大约有21，其占整个工作面的比例为0.5%，与图4-1损失 相比，采出率相对来说提升很高，因此从采出率的单方面分析，该布置方案具有极强的优点。对比图4-1及图4-2，该方案存在如下特点：图4-2方案二示意图(1)工作面的进风巷道沿煤层顶板掘进，巷道的上方以及侧帮的上方都是顶板岩层，与煤层相比，硬度大，从而稳定性优，更有助于两条回采巷道的维护和掘进；工作面回风巷的布置，从图4-2可以看出，方案二的优越性体现在接续工作面的布置上，下一工作面回风巷沿上一工作面采空区下方布置，当上一工作面回采稳定后，掘进下一工作面回风巷，从开始至最终下一工作面回风巷均处于上一工作面采空区下，因此避免了方案一中靠近煤壁一侧及顶板的维护问题。这里需要注意的是必须在上一工作面回采稳定后进行下一工作面。回风巷的掘进与维护，并且由于下一工作面回风巷是紧贴上一工作面进行沿空掘巷，因此在上一工作面回采时，应注意采取必要的注浆等措施，以形成再生顶板，对于回采更为有利。(2)由于工作面进风巷顶板及侧帮上部均为实体岩，从而避免了高冒区形成的可能性，因此杜绝了进风巷道的自然发火问题；工作面回风巷沿上一采空区下布置，巷道顶部上万为上一工作面垮落的岩石，因此同样不存在巷道上方的高冒区；从图4-2可以看出，回风巷右侧为两工作面之间的三角煤损，其稳定性要优于方案一中的煤柱，尤其是煤层厚度较大的情况下，三角煤损的直角边高度与巷道高度相同，而方案一中煤柱的高度与煤层厚度相同，从力学的角度讲，三角煤损的稳定性要好于煤柱，因此巷道实体煤一侧对于降低自然发火概率是有利的。综上所述，错层位巷道布置在自然发火防治问题上，相对于传统巷道布置来说是有利的。 (3)从图4-2可以看出，起坡段右侧工作面虽然较长，设备高度大，累计向下侧的挤压力较大，但是下一工作面回风巷上方为水平布置，并且其左上方部分向右侧倾斜，因此整个工作面整体稳定性要好于方案一。但是该方案也存在不足之处，从图4-2可以看出，下一工作面回风巷是沿空掘巷，紧贴上一工作面，因此回采下一工作面时存在着向采空区漏风的可能性，并且如果上一工作面没有形成良好再生顶板，不仅漏风严重，并且给巷道的维护造成一定的困难。3.方案三方案三（4-3）：该方案回采巷道布置原则上与方案二相同，区别在于下一工作面 互作面保留23 m的煤厚。其工作面起坡机理与方案二相同，只要刮板输送机部可布置下一工作面回风巷道。图4-3 方案三示意图该方案经过计算，图6-3中煤损剖面面积为80. 67 ，占工作面面积的2%，因此在采出率上相对于方案一来说具有较大的优势，相对于方案二来说具有下列特点： (1)由于下一工作面回风巷与上一工作面之间纵向保留23 m厚的煤皮，并且在上一工作面回采稳定后，形成的再生顶板与煤皮可以有效地隔离采空区，能更好的限制向采空区漏风，这样，安全性更佳更可靠。 (2)保留的煤皮对于巷道的掘进与维护相对来说也是有利的。4.方案选择分析综合考虑采出率、巷道的维护与掘进、自然发火概率及设备稳定性等因素，确定了三种不同的巷道布置方案，经过理论分析，认为沿煤层底板巷道布置综放煤回是最不利的，方案二和方案三最大的不同之处在于采出率与安全的不协调，方案二采出率可以实现最大，而方案三安全性最好，因此从不需要额外投入的角度考虑，方案三更有利，但是如果在上一工作面回采时，在相应的下一工作面回风巷上部采取一些相应的技术措施形成更有利的再生顶板，则方案二最优，因此选择何种方案，需要结合现场实际情况考虑。4.3 工作面采放工艺及设备选型4.3.1 回采工艺及参数 错层位巷道布置系统下综合集成放顶煤、上分层铺网和下分层网下三种回采工艺于一个工作面，三种工艺用于工作面的不同位置，形成独特的三段式回采工艺。图4 -4中的a段，即工作面在沿顶板布置的进风巷道一侧采用分层采的上分层回采工艺，有一段距离需要铺网，铺网宽度按能覆盖下一工作面回风巷道和过渡支架来考虑，为下一工作面巷道的掘进与回采作准备。这时的铺网适宜铺顶网，支架顶梁的前端最好有一定的圆角，以免挂坏金属网。与上分层选择铺顶网或铺底网有一定区别。相邻的本工作面过渡支架段，其下将在垮落矸石稳定后掘进下一工作面回风巷，需要注意铺网的质量，并将该部分的铺网长度超过一定的余量，以保证下一工作面回风巷的顺利掘进。图4-4中的c段，即在相邻采空区侧的一段工作面则采用网下回采工艺，这一段不需要铺网，但需要控制好采煤机割煤高度，防止漏矸。13号煤的开采方式决定选用错层位巷道布置综放采煤法回采，选择以放顶煤工艺为基础的三段式回采工艺，放煤步距，分工作面各段，放煤方式，采高成了重点考虑因素，此外还有移架方式，作业方式，工作面初、末采等。1.三段式回采工艺 在图4-4中的b段，即除去以上两部分外，在工作面中部采用放顶煤回采工艺。这时在工作面上部端头放煤的第一道支架，应注意顶煤一侧的混矸。如果上一工作面铺网的质量好，可减轻这种混矸，这一段的放顶煤效果有放出率高的显着优点。如果采用下一工作面回风巷与上部23 m煤皮的方案，则上端可不用铺网。在图4-4所示的错层位巷道市援系统中，由于形成了无煤柱护巷的条件，中段顶煤压裂效果显着改善。同时上段上方没有顶煤、在中段和上段分界处的顶煤增加了一个自由面，从第一道放煤支架开始就能有较好的放出效果。上段由上一工作面铺设的金属网向中段的顶煤如有一定的搭接余量，可起到防止顶煤侧面混入矸石的作用。图4-4 三段式回采工艺示意图2.放煤方式放煤方式就是沿工作面方向安排放煤口放煤的轮次及顺序的方式，目前主要有单轮顺序放煤、多轮顺序放煤、单轮间隔放煤三种方式不同的放煤方式应考虑的主要因素有顶煤的厚度，煤质的软、硬程度，以及裂隙发育程度等。它影响的主要技术经济指标有顶煤的放出率、有效工时利用率、煤炭含矸率及操作难易程度等。当煤层较厚或煤质较硬时，采用单轮放煤方式，可能会出现部分顶煤还没有放出，邻近已。放空支架上方的矸百将会先期到达放煤口，使这部分顶煤不能放出而损失掉，同时，顶煤和顶板下沉不均匀，易造成冲击，对工作面的支护不利。因此采用多轮顺序放煤，一方面有可使用顶煤和顶板均匀下沉，有利于工作面的支护安全，另一方面对顶煤多次扰动，有助于较硬的顶板破碎，有利于顶煤的放落。当顶煤较厚或者煤质较硬时，适于采用多轮顺序放煤。根据13号煤层平均厚度13. 88 m，煤的坚固性系数f为2.3，割煤高度3.5 m，可以采用多轮顺序放顶煤，可为上部层位的顶煤提供进一步碎裂的空间和时间，第一轮按时间控制放出1/31/2，第二轮见矸停止放煤。3.放煤步距放煤步距是工作面沿推进方向进行一次放煤的距离，是影响放煤效果的重要参数。合理的放煤步距能使顶煤上方的矸石与采空区垮落矸石同时到达放煤口，这样才能最大限度地放出顶煤。不同放煤步距的煤炭损失如图4 -5所示。图4-5 不同放煤步距的煤炭损失当采用放煤步距过小时，准箭放出的煤体在支架前移后，顶煤完全垮落，上方与后方基本被矸石所包围，当打开放煤口开始放煤时，破碎顶煤与矸石一同向放煤口移动，由于放煤步距较小，顶煤尚未完全放出时，后方矸石已到达放煤口，一部分顶煤被支架隔在上方，造成煤炭损失。如果加大放煤步距，那么所需放出的煤体体积也比较大。在支架不断前移时，堆积在采空区的待放破碎顶煤范围就比较大，这时若打开放煤口放煤，随着碎煤的不断放出，上方矸石也在不断的向放煤口移动，由于待放的顶煤较多，在上方矸石到达放煤口后，其采空区后方仍有一部分顶煤没有被放出，也造成了顶煤的过多损失。合理的放煤步距与顶煤厚度，破碎煤体的特性（黏结度、含水性、破碎顶煤的块 度），采煤机截深等多项因素有关。按照目前的顶煤厚度，并考虑深部新工作面煤层进一步加厚的趋势，放煤步距的合理范围为两刀一放与三刀一放，偏近于三刀，即按顶煤厚度的0.15 -0.2倍计算，为1.6 2.1 m。初步设计中按照0.8 m的步距，一刀一放，不太合理，按照计算数据，应采用两刀一放。4采高确定采高需要考虑的因素有合理的采放比、支架外形尺寸等。煤层平均厚度为13. 88 m，由于煤层厚度较大，因此采高确定为3.5 m，采放比接近1：3，进风巷道高度为3.2 m，3.5 m采高可以保证选择支架质量与外形尺寸不至于太大，便于工作面搬家和过断层，采放比也适宜。5移架方式采用综放开采技术以后，顶煤的损坏会加剧，这样就必须要时刻预防架前端面冒顶，需要做的是：及时移架，移架要紧跟采煤机进刀后，并且要带压移动，紧跟着快速伸出伸缩梁，支撑住端面顶板。6作业方式 所选作业方式应使工作面有