《安全高效开采技术》PPT课件.ppt

安全高效开采技术 二 九年七月 中国矿业大学刘长友教授 博士生导师 一 安全高效开采的基础理论二 安全高效工作面支架与围岩体系监测技术三 中厚偏薄 1 5 2 5m 煤层安全高效开采的工艺及保障体系四 短壁 房柱式 开采的工艺及参数设计五 深部及复杂地质条件下开采六 大采高综采技术与装备的发展趋势七 高效长壁综采放顶煤技术 内容提纲 岩层控制的关键层理论 砌体梁 结构的 S R 稳定理论 采场直接顶稳定性研究的基础 岩层控制的关键层理论 一 安全高效开采的基础理论 支架支护阻力与端面顶板下沉量的关系 立柱支撑角度 水平力 支护质量对端面顶板稳定性的影响 不同硬度 软 中硬 硬 顶煤的端面顶板稳定性 直接顶的介质属性及整体力学特性 直接顶的破坏变形规律 承载分区和刚度分类 支架工作阻力与顶板下沉量关系新认识 采场端面顶板稳定性研究 综放采场支架与围岩关系研究 一 安全高效开采的基础理论 顶煤运移与破坏规律的理论研究 综放采场顶煤的破坏特征及分区 由现场实测及理论分析可知 作为传力介质的顶煤 其不同区域内的破坏程度不同 因此 不同区域内的顶煤将有不同的传力效果 其破坏程度和范围可用如图3 11所示 图3 11顶煤的分区 一 安全高效开采的基础理论 顶煤运移与破坏规律的理论研究 综放采场顶煤的破坏特征及分区 非承载区该区内顶煤在基本顶回转变形时发生变形破坏 并向采空区垮落 因而该区内顶煤不承受基本顶的载荷 不产生给定变形压力 因而对支架无传力作用 承载区该区内顶煤在基本顶回转变形过程中承受基本顶的载荷 产生给定变形压力 是支架承载的传力介质 弱承载区由于煤壁支撑影响角的存在 该区内顶煤在基本顶的回转过程中 承受基本顶的载荷很小 变形很小 因而对支架的传力作用很小 一 安全高效开采的基础理论 由综放采场顶煤的分区及其变形破坏特征可知 区直接顶在基本顶回转过程中 其承载和传力作用很小 因此 区直接顶的刚度实质上就是综放采场顶煤的刚度 是支架承载的主要传力区 可见 采场直接顶刚度与其弱化弹性模量和实际承载体的几何稳定性有关 一 安全高效开采的基础理论 支架承载特性分析支架的工况特征放煤前支架工作阻力普遍呈增阻状态 而且增阻幅度主要是前柱大于后柱 放煤后支架工作阻力普遍下降 但下降幅度后柱大于前柱 放煤前支架支护强度增加 但放煤后普遍下降 支架的承载状况支架前柱的阻力普遍大于后柱 顶煤的刚度 厚度 变化对支架前后立柱的承载产生影响综放开采工作面支架后柱还受到垮落煤岩的冲击的影响 一 安全高效开采的基础理论 图9综放采场支架 围岩整体力学模型与单元简图 采场支架与围岩整体力学模型 一 安全高效开采的基础理论 综放采场支架与围岩关系研究由于采场内煤壁支撑影响角的存在以及回采工作面不断推进的事实 使得老顶的回转是绝对的 因而其回转变形成为给定变形 因此 在支架与围岩这一相互作用体系中 老顶的运动及作用是具有主导性的 由于老顶是坚硬的岩层 因而老顶可视为刚性体 而直接顶 顶煤 支架及底板则具有一定的刚度 一 安全高效开采的基础理论 综放采场支架与围岩关系研究支架与围岩系统的刚度模型可简化为图4 1所示 图4 1支架与围岩系统刚度模型 一 安全高效开采的基础理论 综放采场支架与围岩关系研究支架与围岩系统的刚度K则由系统内各组份直接顶 顶煤 支架和底板的刚度共同决定 可由下式表示若忽略底板的影响 在支架围岩系统中 主要是直接顶 顶煤和支架的相互作用 对于直接顶 当直接顶比较坚硬 其刚度和顶煤相比相差很大时 从与顶煤的变形程度相比较 可认为直接顶类似刚性体 此时 认为1 Kr 0 当直接顶较软 其刚度和顶煤相比相差不大时 可认为Kr Kt 因此式 4 1 可简化为 一 安全高效开采的基础理论 由式 4 2 可知 若顶煤松软破碎 刚度则 此时系统的刚度为零 若顶煤刚度 则系统的刚度由顶煤的刚度和支架的刚度共同决定 支架围岩系统的总体变形量和支架及顶煤的变形量具有关系式令则 与的关系曲线如图4 2所示 图4 2 Ss S与n的关系曲线 一 安全高效开采的基础理论 综放采场支架与围岩关系研究支架的变形在系统总体变形中所占的比重 取决于顶煤的刚度与支架刚度的相对大小 支架的刚度相对顶煤越小 则支架的变形量越大 反之亦然 在综采放顶煤条件下 由于控顶区范围顶煤的破碎 其刚度难以呈类似刚性状态 因此 支架的工作状态更多的是呈 给定载荷 状态和由顶煤刚度和支架刚度决定的相互作用状态 此时 支架应有较高的初撑力 使支架具有足够的稳定性 一 安全高效开采的基础理论 下位顶煤 中位顶煤 上位顶煤 细砂岩 下位直接顶 成拱 成拱 图3中上位顶煤流动过程中成拱 顶煤的破断块度是矿山压力与煤的自然条件综合作用的体现 块度理论框架包含了以顶煤块度为特征量的顶煤可放性评价与分类 煤矸的运移和流动场规律 煤矸的放落成拱机理和条件 合理放煤工艺参数的确定 顶煤稳定性和冒放性控制以及顶煤回收率的分析评价等内容 为低位综放开采技术的完善和发展奠定了基础 综放开采顶煤破断冒放的块度理论 刘长友 2005 一 安全高效开采的基础理论 基本观点破断块体的大小与煤层的赋存条件 如采深H 采动影响条件 如采动应力集中系数k 煤的完整性 节理裂隙发育程度 以及煤的力学特性 如煤的硬度 等有关 由于顶煤块度的不同以及矸石块度与顶煤块度的相对差异 使得煤矸在放落流动过程中又不同于理想散体的流动 顶煤块度与矸石块度的相对大小 影响顶煤放出过程中的混矸和回收率 放煤工艺方式不同对不同块度顶煤的冒放规律 混矸率和顶煤回收率有着不同的影响 以顶煤块度为特征量 分析评价煤层的可放性 分析顶煤 矸石 的放落流动特性 合理确定放煤工艺参数 提出相应的控制措施 分析评价顶煤回收率 综放开采顶煤破断冒放的块度理论 一 安全高效开采的基础理论 顶煤破断冒放的块度理论框架 一 安全高效开采的基础理论 综放开采顶煤破断冒放的块度理论 关键技术基于块度理论的放顶煤开采顶煤冒放性评价 高产高效综合机械化放顶煤提高煤炭采出率技术 提高初 末采期间的顶煤回收率技术提高端头区顶煤回收率技术 基于工艺参数优化的提高面内顶煤回收率技术 提高坚硬顶煤破断冒放的水力致裂弱化技术 一 安全高效开采的基础理论 安全高效开采的围岩控制技术 矿山压力及其显现规律研究 支架与围岩关系研究 工作面围岩的稳定性机理研究 工作面围岩稳定性控制技术 二 安全高效工作面支架与围岩体系监测技术 1 支架与围岩体系监测的目的综采工作面支护质量监测的目的是保障支架的完好性及保持支架与围岩的良好作用关系 减少支架与围岩事故率 从而辅助工作面的生产管理 保障工作面主要综采设备安全 可靠 高效运行 确保综采工作面的安全生产和高产高效 二 安全高效工作面支架与围岩体系监测技术 2 支架压力监测系统工作特点神华大柳塔煤矿采用WSl 7 210 450型电液控制掩护式液压支架 使用中具有下列特点 1 大大提高了支架推移速度 支架降柱 移架 升柱的工作循环时间控制在6s 8S 最快为3 55s 为提高采煤机割煤速度提供了保证 2 保证液压支架额定初撑力 该支架在主控阀与立柱之间加装一压力传感器 自动监控立柱下腔液压力 当立柱下腔的压力达到设计的额定初撑力时 压力传感器即将信号反馈到控制箱 停止向立柱供液 该系统还可以利用系统软件 延长向立柱下腔供液的时间来保证实现支架额定初撑力 二 安全高效工作面支架与围岩体系监测技术 3 采用电液控制系统 在移架过程中 易于实现定压 带压移架 避免对工作面顶板和液压支架间产生频繁冲击载荷 延长液压支架的使用寿命 4 使用更可靠和方便 电液控制系统的元件体积小 操作力小 支架间可采用较细的多芯电缆实现架间连接 从而避免了用多芯胶管或高压胶管过架时被砸伤 挤破及细孔易堵塞的毛病 5 提高工作面输送机推移质量 采用电液控制 可实现多架同时推移输送机 可使输送机缓慢弯曲 避免油槽连接处产生过大的应力 同时可以保持工作面输送机直线性 实现工作面平直 而且可与采煤机和输送机的自动控制系统配合联动 实现全自动化综采工作面和整个矿井的自动化管理 二 安全高效工作面支架与围岩体系监测技术 3KGJ B型工作面综合监测系统应用实例为了对整个工作面实行全方位监测 根据基本顶结构的破断及矿压显现规律 兖州兴隆庄煤矿沿5318 5319工作面面长方向分上中下三个部位布置监测单元 以监测工作面两端及中部的顶板压力及支架的支护质量 在5318工作面上部测量单元在117 支架 中部在90 60 和30 支架 下部在4 支架 每个测量单元的支架数可根据需要确定 选用KBE56型矿用压力数据采集仪对支架前后立柱和前梁千斤顶的压力进行采集 并将监测结果送往地面主机 利用监测系统分析软件处理 监测信息分析项目如下 二 安全高效工作面支架与围岩体系监测技术 1 支架立柱及前梁压力动态监测及分析 反映支架的受载状况 支架所受合力作用位置的变化以及支架后部连杆的受力状况等 该部分通过柱状图形式给以动态对比显示 并给出量化分析 2 支架立柱工作特性实时监测及分析 受顶板运动和支护质量的影响 支架立柱的工作特性可呈初撑型 一次增阻型 二次增阻型 多次增阻型以及恒阻型等 3 支架循环阻力频率分布及支架适应性分析 随工作面推进 可对每个循环内支架的支护质量 顶板运动对支架的影响以及支架对顶板的控制程度等给出具体评价 进而对支架的适应性给出总体结论 4 顶板压力分布动态监测及分析 通过动态监测就可以及时掌握压力变化的实际状况 分析原因 采取相应措施给予及时有效地控制 二 安全高效工作面支架与围岩体系监测技术 5 基本顶活动规律分析 通过分析支架支护阻力 p0 pt pm 随工作面推进循环的变化 为在基本顶来压期间及时采取有效措施维护围岩稳定奠定基础 6 监测结果综合分析 为了能对工作面监测信息给予总体分析评价 本系统软件以日报表的形式给出主要参数 日报表主要有 支架阻力的大小 支架支护阻力区间分布 支架支护阻力的趋势分布图等 使决策部门对工作面24小时范围的支护质量及顶板压力情况 有一个准确地了解 二 安全高效工作面支架与围岩体系监测技术 1 工作面在线监测特点 监测内容针对性 信息采集传输与分析实时性 监测结果处理 决策以及意见反馈及时性 最大限度地实现在工作面生产过程中实时监测 监测系统 支架与围岩动态监测内容和指标 支架与围岩在线实时监测 支架受力监测 二 安全高效工作面支架与围岩体系监测技术 二 安全高效工作面支架与围岩体系监测技术 地面监测主机 联网 显示器 通信模板 人工取数 工作面支架与围岩监测系统 回采巷道顶板离层及围岩变形监测系统 根据矿井和开采工作面的具体实际 采用工作面支架与围岩信息自动采集存储 人工提取 地面计算机分析与处理的监测过程 2 工作面非在线监测 二 安全高效工作面支架与围岩体系监测技术 综放支架受力监测技术 主要研究高产高效放顶煤工作面支架和围岩的相互作用关系支架可组合变换结构件 以实现不同的试验要求实现顶部加载 支架阻力与顶板位移的自动采集处理实验模型比例按1 15模拟 二 安全高效工作面支架与围岩体系监测技术 矿用磁性应力测试仪 综放支架受力监测技术 二 安全高效工作面支架与围岩体系监测技术 1 工作面的煤层条件煤层煤厚0 8 2 6m 平均1 93m 煤层倾角2 12 平均6 工作面断层发育 2 项目研究的关键技术 中厚 1 5 2 5m 煤层高产高效工作面工艺 中厚 1 5 2 5m 煤层高产高效工作面保障系统工作面煤层赋存状况的地质预报工作面支架位态与支护质量监测工作面矿山压力及支架适应性分析综采面快速过断层技术 3 经济效益最高日产13454t 平均月产量20 6万t 平均回采工效达到157 7t 工 研究成果达到国际水平 三 中厚偏薄 1 5 2 5m 煤层安全高效开采的工艺及保障体系 四 短壁 房柱式 开采的工艺及参数设计 关键技术房柱式开采的采区 盘区 巷道布置设计 煤房 煤柱合理尺寸及支护参数确定 煤柱回收工艺及采区 盘区 回采顺序 房柱式开采的矿压控制及监测 五 深部及复杂地质条件下开采 关键技术深部及复杂地质条件下的巷道围岩综合控制新理论 新技术 特别是煤巷锚杆支护理论与技术的突破 建立 地应力测试等地质力学评估 数值计算分析 设计 现场应用实测及信息反馈 岩层控制体系 冲击矿压的机理 预测及控制技术 深部高应力条件下的采场矿压显现规律及上覆岩层的移动规律等 深部围岩应力测试试验研究平台 围岩状态探测仪 天线分为 100MHz 600MHz探测深度 6 30m和1 5 3m 五 深部及复杂地质条件下开采 KBJ 8 16型智能数字应变仪可进行大规模的先进的岩体应力和状态测试研究工作 深部围岩应力测试试验研究平台 地应力测试 五 深部及复杂地质条件下开采 深部围岩应力测试试验研究平台 数值模拟软件 五 深部及复杂地质条件下开采 频率 1 100Hz拾震器 6个连续监测时间 测试试验研究平台 微震测试系统 五 深部及复杂地质条件下开采 测试试验研究平台 地面钻孔电视系统 五 深部及复杂地质条件下开采 六 我国大采高综采技术与装备的现状及发展趋势 1国外大采高综采技术与装备发展现状2我国大采高综采技术与装备现状3我国综采工作面主要装备与国外存在的主要差距4大采高综采技术与装备发展趋势 1国外大采高综采技术与装备发展现状 我国厚煤层资源丰富 厚煤层开采在保障煤炭生产供应能力中占有重要地位 厚煤层高效综采是实现高产高效矿井的主要技术途径之一 目前我国年产600万 1000万t具有国际领先技术水平的高产高效矿井和综采工作面都是在厚煤层开采条件下实现的 目前 我国厚煤层大采高综采装备仍然主要依靠进口 设备价格昂贵 配件供应困难 这影响和制约了煤炭生产和供应能力提高 20世纪末期以来 高新技术不断向传统采矿领域渗透 美 澳 英 德等国家采用了大功率可控传动 微机工况检测监控 自动化控制 机电一体化设计等先进适用技术 研制出适应不同煤层条件的高效综采大型设备 实现了从普通综合机械化生产向高产高效集约化生产的根本性转变 目前 国外综采成套设备的生产能力已经达到3000t h以上 在适宜的煤层条件下 采煤工作面可实现年产800万 1000万t 出现了 一矿一面 一个采区 一条生产线 的高效集约化生产模式 1国外大采高综采技术与装备发展现状 为最大程度地占领市场 世界主要采矿设备制造商在综采设备方面展开了激烈竞争 加快了煤机企业的兼并重组 形成了以德国的DBT Eick hoff和美国JOY公司为代表的国际采矿设备供应商 基本垄断了综采高端产品市场 国外大采高技术与装备的主要技术特点 1国外大采高综采技术与装备发展现状 1 新型电牵引采煤机 最大采高达6m 总功率达到1500 2000kW 装备了以微型电子计算机为核心的电控系统 采用先进的信息处理技术和传感技术 实现了机电一体化 表1是国外2种型号采煤机的主要参数 1国外大采高综采技术与装备发展现状 2 大采高强力液压支架 国外综采液压支架的架型主要为高工作阻力的两柱掩护式支架 其支护工作阻力6 10MN 最大12MN 最大支护高度6m 支架立柱缸径一般为300 400mm 最大已经达到480mm 支架中心距1 5 1 75m 最大2 0m 降 移 升循环时间小于10s 寿命试验5万次以上 3 重型刮板输送机 转载设备 工作面重型刮板输送机 转载设备采用了大功率软启动 铸焊结合重型中部槽 交叉侧斜等先进技术 世界上最大的重型刮板输送机运量为6000t h 装机功率4 800kW 过煤能力达到2000万t以上 1国外大采高综采技术与装备发展现状 4 长距离工作面巷道带式输送机 长距离 大运量 高带速的大型带式输送机已成为矿井煤炭运输的主要方式 目前 煤矿带式输送机装机功率可达4 970kW 运输能力已达5500t h 带速为5m s以上 输送机运行可靠性 设备开机率 生产能力与生产效率均不断提高 5 综采工作面自动化生产技术 国外研究开发并应用采煤机滚筒自动调高技术 液压支架电液控制技术 计算机集中控制技术 可自动完成割煤 运输 移架和顶板支护等生产流程 通过计算机网络系统实现了工作面自动化生产和信息监测控制 1国外大采高综采技术与装备发展现状 6 综采工作面中高压供电技术 国外采煤发达国家先后将工作面输送机和采煤机等机械的供电电压从原有1 14kV等级分别提高到2 3 3 3 4 16 5 0kV等级 并大量采用高集成度的负荷中心或更高集成度的配电变压器和负荷中心一体化的新型设备 改善了采区电网和工作面大功率电气设备的运行工况 提升了工作面装备的生产能力和可靠性 1国外大采高综采技术与装备发展现状 为适应我国煤矿综采机械化的发展 国内综采设备科研设计和制造企业已研制开发出具有较先进技术水平的大功率电牵引采煤机 重型刮板输送机 电液控制强力液压支架和多点驱动大运力带式输送机 配套设备的生产能力达到1500 2500t h 在适宜的煤层和矿井条件下 综采工作面可实现年产300万t以上 天地科技股份有限公司成功研制的MG750 1815 GWD型交流电牵引采煤机 总装机功率达到1815kW 鸡西煤矿机械有限公司研制成功的MG800 2040 WD型电牵引采煤机 总装机功率达到2040kW 西安煤矿机械厂研制成功的MG750 1910 WD型和MG900 2210 WD型交流电牵引采煤机 总装机功率分别达到1910kW和2210kW 2我国大采高综采技术与装备现状 张家口煤矿机械制造公司 西北奔牛集团公司研制成功的SGZ1200 1575型刮板输送机 输送能力最大达到2500t h 总功率达到1575kW 我国近期研制成功了ZY8800 26 50型两柱掩护式液压支架 ZZ9900 20 45四柱支撑掩护液压支架 郑州煤机厂为晋城研制成功ZY9400 28 62型两柱掩护式液压支架 整体结构强度高 调高范围3 6m 支护高度最大可达到6 2m 工作阻力9 4MN 立柱缸径380mm 采用电液控制技术 寿命试验达5万次以上我国新研制开发的新型大采高综采装备技术参数已经接近国外先进水平 综采工作面年产能力达到300万t以上 2我国大采高综采技术与装备现状 我国综采设备设计制造 检测虽已有一定基础 但限于目前研究设计 制造水平和国内高强度优质材料供应等基础条件 大采高综采设备仍不能满足厚煤层高产高效综采生产要求 近年来新研制开发的综采设备在技术性能 工作可靠性和使用寿命方面仍和国际先进水平有明显差距 我国创造综采年产世界纪录的神华 兖矿等煤炭企业的高端综采装备目前仍然以引进为主 2我国大采高综采技术与装备现状 煤矿使用的高端煤炭生产装备几乎被国外厂商所占领 年产600万t以上综采成套技术与装备基本被德国DBT公司和美国JOY公司所垄断 重点矿区4 6m厚煤层一次采全高综采装备主要依靠进口 我国综采工作面成套设备平均生产能力 300万t左右 仅相当美国 澳大利亚的50 采煤机开机率也仅为50 60 美国 澳大利亚综采工作面全部采用了计算机网络化自动化控制技术 而我国仅有个别综采工作面采用 我国综采设备 尤其是大采高重型综采设备在制造设计 加工工艺 高强度材料和关键质量指标方面同国际先进水平存在较大差距 3我国综采工作面主要装备与国外存在的主要差距 3 1大功率大采高电牵引采煤机技术比较与差距国内采煤机在总装机功率 生产能力和工作可靠性 交流变频电牵引技术 工况检测与故障诊断 自动控制技术以及整机可靠性方面与国外采煤机尚有差距 见表2 表2大功率大采高电牵引采煤机技术比较 3我国综采工作面主要装备与国外存在的主要差距 3 2大采高液压支架技术比较与差距国产液压支架与进口支架在结构件选材 焊接工艺技术及质量控制 液压密封元件 电液控制系统等方面都存在亟待解决的技术难题 见表3 3我国综采工作面主要装备与国外存在的主要差距 3 3大功率重型刮板输送机技术比较与差距分析国产工作面刮板输送机 转载机 破碎机仅能满足年产300万t的综采工作面的设备配套要求 国产设备与国外先进设备的差距除生产能力 性能参数偏低外 在元部件可靠性 在软启动技术 在线实时监测监控和自动控制技术方面差距更大 技术性能参数比较见表4 3我国综采工作面主要装备与国外存在的主要差距 3 4大运力长距离工作面带式输送设备技术比较与差距在带式输送机动态设计分析与监测技术 可控软启动技术与多点驱动功率均衡技术 机尾自控张紧技术和阻燃输送带 输送机托辊 输送带寿命和可靠性方面存在差距 技术性能参数比较见表5 3我国综采工作面