高等采矿学讲稿

高等采矿学讲稿,西安科技大学张恩强,绪论,所谓“高等采矿学”只是一种称谓，就内容而言与“采矿学”没有本质区别，其区别主要在于认识问题的角度不同、深度不同以及对问题认识的全面和系统性不同。就像高等数学和初等数学一样，区别不仅在于高等数学有极限和微积分的概念和方法，还在于两者看问题的角度一个为仰视、一个为俯视，一个只能解决部分问题，而另一个可解决更多问题。另外，研究生和本科生的区别在于一个重于学知识，另一个重于探索和研究问题。从这个角度讲，高等采矿学就是站在探索和研究采矿问题的角度上学习采矿知识。实际上本课程所讲内容并非完全意义上的采矿学的内容，而只是其中的一部分开采学，但既然已经有人叫了，也就不便和不必更改了，只是对其内涵必须进行澄清，不然就不知道该教（学）什么了。,第一讲影响煤炭开采的因素分析,煤炭是古代植物遗骸经过沉积、变质等地质作用而形成的一种固体矿产资源，呈层状分布，因此称煤层。煤层存在于地壳中，多数埋藏于地下，局部出露于地表（称露头）。根据煤层埋藏深度不同，采用的开采方法有地下开采和露天开采两类。具体的采煤方法因煤层赋存条件和其他条件不同而异。本课程只介绍地下开采相关内容。,一、煤层赋存条件及对开采的影响,（一）煤层赋存条件煤层赋存条件一般指煤层存在的自然状态，包括煤层状态、顶底板和覆岩状态，煤层、顶底板及覆岩中的含水、瓦斯状态，赋存区的地理和环境状态等，主要包括以下一些因素。1煤层厚度我国根据采煤方法不同，将煤层按照厚度分为三类：薄煤层（3.5m）。煤层的这种分类随采煤方法发展目前已经不够科学。2煤层倾角我国根据采煤方法不同，将煤层按照倾角也分为三类：缓倾斜煤层（45）。煤层的这种分类也随采煤方法发展目前已经不够科学。,3煤层结构指煤层中有无夹矸层以及夹矸层的厚度、层数等，按照夹矸情况将煤层分为简单结构和复杂结构两类。4煤层的稳定性指煤层的厚度、煤质（类）、构造、结构等变化情况，按此将煤层分为稳定煤层、较稳定煤层、不稳定煤层和极不稳定煤层四类，煤、泥炭地质勘探规范（DZ/T0215-2002）。5煤层构造构造是指地质构造，一般是指对煤层厚度、倾角、煤质等有影响的地质构造，包括断裂构造、褶皱构造、岩浆侵入、陷落柱等。按照构造复杂程度将煤层分为四种类型：简单构造、中等构造、复杂构造、及复杂构造，煤、泥炭地质勘探规范（DZ/T0215-2002）。,6煤层顶、底板条件煤层顶、底板指煤层顶部和底部一定范围的岩层，顶部称为顶板，底部称为底板。常见的煤层顶板岩层按照其厚度、稳定性和在煤炭开采中的表现有伪顶、直接顶、老顶之分，这些岩层在有些情况下可能会同时存在，而在另外一些情况下可能只有一种、或两种存在。在顶板岩层中一般直接顶和老顶比较重要。按照直接顶的特性（平均初次垮落步距、岩性和结构特征），将直接顶板分为四类（不稳定顶板、中等稳定顶板、稳定顶板、非常稳定顶板）；按照老顶来压当量，将老顶分为四级（老顶来压显现不明显、明显、强烈、非常强烈），老顶和直接顶通常是按照某种组合方式出现的。顶板对工作面的安全直接有关，也与覆岩与地表的控制有关。煤层底板也有直接底和老底之分，我国对缓倾斜煤层工作面底板也有一个分类方案。,7煤层水文地质条件按照直接充水含水层含水空间特征，把煤矿床水文地质勘查划分为三类：孔隙充水、裂隙充水和岩溶充水（又分顶板进水和底板进水）。按照直接充水含水层富水性及补给条件，并结合煤层与当地侵蚀基准面的关系等其他因素，将各类矿床划分为三型：水文地质条件简单、水文地质条件中等、水文地质条件复杂。8瓦斯矿井开采中的瓦斯管理按照矿井瓦斯等级不同进行管理，我国煤矿安全规程规定：“一个矿井只要有一个煤（岩）层发现瓦斯，该矿井即为瓦斯矿井，瓦斯矿井必须依照矿井瓦斯等级进行管理。矿井瓦斯等级，根据矿井相对瓦斯涌出量、矿井绝对瓦斯涌出量和瓦斯涌出形式划分为：低瓦斯矿井（矿井相对瓦斯涌出量小于或等于10m3/t且矿井绝对瓦斯涌出量小于或等于40m3/min）、高瓦斯矿井（矿井相对瓦斯涌出量大于10m3/t或矿井绝对瓦斯涌出量大于40m3/min）、煤（岩）与瓦斯（二氧化碳）突出矿井。,9煤的自燃趋势（自燃倾向性）煤的自燃倾斜性分为容易自燃、自燃、不易自燃三类。煤的自然发火对矿井开采的影响与自燃发火期有关。10煤尘爆炸性按照煤尘的爆炸性鉴定结果，将煤层分为有爆炸危险煤尘和无爆炸危险煤尘。矿井中只要有一个煤层的煤尘有爆炸危险，该矿井应该定为有煤尘爆炸危险的矿井。11煤层埋藏深度煤层埋藏深度对矿压、地温、瓦斯等有关，同时会影响矿井的提升方式等，因此矿井开采设计与生产管理必须注意煤层埋藏深度。12覆岩岩性、力学特性及组成关系覆岩可以理解为煤层之上的岩层，也可以理解为顶板之上的岩层，这里是指顶板以上的岩层。覆岩的特性及组成既对顶板安全有影响，又直接关系到覆岩与地表的控制。13矿区其他条件主要是生态环境条件、资源条件（水资源、土地资源、森林资源、草地资源）等,（二）煤层赋存条件对矿井开采的影响1影响采煤方法（采煤系统布置和采煤工艺选择）2影响矿井开采系统布置3决定矿井生产技术面貌4决定矿井生产规模和主要技术经济指标5影响矿井安全生产6增加开采困难,二、其他条件对矿井开采的影响其他条件是指人工条件，如地表村庄、建筑物、道路、管道、古墓及其他文物古迹等人工设施。人工设施一般存在于地表或地层浅表，属于保护对象。对于人工设施，有一个建设时限问题，现有法律和规程规定如下：中华人民共和国矿产资源法第三十三条规定：在建设铁路、工厂、水库、输油管道、输电线路和各种大型建筑物或者建筑群之前，建设单位必须向所在省、自治区、直辖市地质矿产主管部门了解拟建工程所在地区的矿产资源分布和开采情况。非经国务院授权的部门批准，不得压覆重要矿床。中华人民共和国煤炭法第六十条规定：未经煤矿企业同意，任何单位或者个人不得在煤矿企业依法取得土地使用权有效期间内在该土地上种植、养殖、取土或者修建建筑物、构筑物。,中华人民共和国煤炭法第六十二条规定：在煤矿范围内需要建设公用工程或者其他工程的，有关单位应当事先与煤矿企业协商并达成协议后，方可施工。建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程第7条规定：根据中华人民共和国煤炭法、中华人民共和国矿产资源法规定，。否则，煤矿不负责赔偿。上述法律和规程条款对在矿区内修建人工设施作了一些规定，但对一些关键点规定不够明确。因为法律规定不够明确，就有人钻空子，如在矿区村庄拆迁前，突击建设，造成巨大浪费。,这些人工设施的存在，会对矿井开采带来如下影响：1.影响采煤方法主要是采煤参数和采煤工艺。2影响开采部署主要是井田划分参数。3使采煤难度和成本增加4煤炭采出率受到影响,第一章采煤方法及其发展,第一节采煤方法概述,一、采煤方法的概念及分类,（一）采煤方法的概念采煤方法，简单讲就是大量采出煤炭的方法。采煤方法包含两方面内容：一是回采巷道和其中生产系统的布置方式，即所谓工作面采煤系统（回采系统）；一是采煤工作面落、装、运、支、处等工序进行的方式和各工序之间在时间、空间上的配合方式，即采煤工艺。（二）采煤方法分类就采煤系统而言，目前在世界范围内使用的采煤方法有两大体系，一是长壁体系，一是房柱体系。就采煤工艺而言，按机械化程度分为“炮采”、“普采”、“综采”，虽然这些概念都来自于长壁体系，但我认为也可以用于房柱体系。,就采空区处理方式而言，采煤方法分为充填法、垮落法、煤柱支撑法。,采煤方法分类远不止这些，采煤工艺和采煤系统是由煤层开采条件决定的。煤层开采条件包括煤层厚度、倾角，煤层结构与构造，煤层稳定性，煤层埋藏深度，煤层顶底板条件，煤层瓦斯、自燃条件，煤尘爆炸性、矿井水文条件、矿区环境（生态）条件等。煤层开采条件不同，采煤方法不同。按煤层厚度和倾角条件，采煤方法有：薄煤层采煤方法、中厚煤层采煤方法、厚煤层采煤方法、缓倾斜煤层采煤方法、倾斜煤层采煤方法、急倾斜煤层采煤方法等。同一种煤层还有多种采煤方法，如厚煤层有倾斜分层采煤方法，放顶煤采煤方法等。陕北矿区由于煤层赋存和环境条件特殊，发展了很多新采煤方法。,二、采煤工艺,采煤工艺是指采煤工作面采煤工作（工序）进行的方式和相互之间在时间和空间上的配合方式。采煤工作是指落煤、装煤、运煤、支护和采空区处理等工作。其中落煤、装煤、运煤为主要工作，支护和采空区处理为辅助工作，过去把这两项工作合起来叫顶板管理，现在这种叫法已经不能完全反映其内涵。进行采煤工作的场所叫采场，直接采取煤炭的煤壁面叫采煤工作面。采煤工作是靠采煤装备完成的，这种装备称为采煤工艺装备。采煤工艺装备是采煤技术的核心，它影响和制约着整个采煤技术的发展。按照采煤工艺装备，采煤工艺分为炮采、普采和综采。,1.炮采以爆破落煤、人工装煤、可弯曲刮板输送机运煤、单体支架支护顶板的一种采煤工艺。2.普采以滚筒采煤机落煤和装煤、可弯曲刮板输送机运煤、单体支架支护顶板的一种采煤工艺。3.综采以滚筒采煤机落煤和装煤、可弯曲刮板输送机运煤、自移式液压支架支护顶板的一种采煤工艺。综采是一种先进的采煤工艺，发展很快。,三、采煤系统采煤系统是指直接为采煤工作服务的巷道系统和在其中建立的煤炭运输系统、辅助运输系统、通风系统、排水系统等生产系统和生产辅助系统。目前所使用的采煤系统有两大类：长壁系统和房柱系统。1.长壁系统最常见的长壁采煤系统如图所示：巷道系统由工作面和两条顺槽组成，煤炭运输系统由工作面刮板机和顺槽运输设备组成，辅助运输由设在一个顺槽中的辅助运输设备担负。特点：采煤工作面有完整的生产系统，采煤工作只要在时间和空间上相互配合，可以平行作业、连续工作；工作面生产的煤炭平行于工作面运输；煤柱少、掘进量小、通风效果好、效率高。,图1.1.5走向长壁综采面采煤系统图1绞车房回风斜巷；2采区回风石门；3绞车房；4采区上部车场；5采区中部车场；6联络巷；7区段运输顺槽；8，10区段回风顺槽；9开切眼,2.房柱采煤系统图示为一连续采煤机房柱采煤系统，是一典型的房柱系统。特点：采煤工作面空间有限，采煤工作不能平行作业、连续工作；工作面生产的煤炭垂直于工作面运输；掘进量大、煤柱多、通风效果不好、效率不高。,图17连续采煤机房柱采煤系统及采煤工艺过程图1连续采煤机；2锚杆机；3转车点；4纵向风障；5运煤车；6风帘；7铲车；8给料破碎机；9防火帘；10移动变电站；11永久风墙；12带式输送机,四、采空区处理方式采矿空间不可能连续不断、永久的用指护装备支撑下去，有两个原因：一是没有那么多的设备，也投资不起；二是即便想这么做，也达不到预期的效果。采空区处理的目的是为了：保证开采的安全；满足环境保护的要求。采空区处理的方式有三大类：垮落法、煤柱支撑法和充填法。1.垮落法分全部垮落法和部分垮落法,2.煤柱法煤柱的留法很多，煤柱支撑有临时支撑，如房柱采煤法中的房柱法中的煤柱；也有永久支撑，如“三下”开采中的条带煤柱。3.充填法有全部充填和部分充填之分。实际上煤柱法和充填法与垮落法相互有关联的，决定了垮落的多少，而垮落的多少是由顶板条件和环境保护要求决定的。,第二节采煤方法的发展概况,矿井开采技术的发展以采掘工艺装备机械化发展为龙头和主要标志。建国以来，我国的采掘机械化发展大致经历了以下四个阶段：,第一阶段为建国初期至1965年，是开始发展采煤机械、推行长壁采煤阶段,特征：1.引进并试制成功了苏联的截煤机、顿巴斯联合采煤机、刮板输送机、装煤机、装岩机、抓岩机等采、掘、运设备；2.改革了采煤方法，推行了长壁采煤方法成果：1.实现了采用爆破落煤、人工装煤、小功率刮板输送机运煤、木支架支护顶板炮采长壁采煤工艺；2.推行了正规循环作业的生产管理方法。,第二阶段为19651975年，是发展长壁采煤机械化阶段,特征：以发展滚筒采煤机和可弯曲刮板输送机为主。成果：1.1964年，首次实现了用滚筒采煤机、可弯曲刮板输送机和M-20型摩擦支柱配套的普通机械化长壁采煤工艺，顺槽运输采用吊挂式胶带输送机。促进了我国采煤机械化的发展；2.使采区结构和巷道布置发生了相应变化。,第三阶段为1975年至上世纪九十年代末期，是发展长壁综采阶段,特征：以自移式液压支架为主的“综采”装备的引进和国产化，推广“综采”及大规模矿井技术改造：1973年和1978年我国两次成批引进国外综采设备，后逐步实现了综采设备国产化并形成了一定的配套生产能力，“综采”得到快速推广。成果：1990年全国有综采工作面200多个，平均年产量已超过60万t，有相当一部分工作面年产量超过百万t，最高年产量已达到200多万t。,第四阶段为1990年至今，是发展高产高效及复杂条件综合机械化采煤技术阶段,随着改革开放进一步深入，一些条件好的矿井全面引进西方发达采矿国家的现代化采矿技术装备及管理方法，取得的巨大经济、社会和环境效益，极大地刺激和带动了我国采矿技术的全面发展。在这一时期，国产综采装备发展迅速，发展的主要特点是：设备重型化、能力大型化、运行可靠化、适用条件多样化和复杂化等。不仅使缓倾斜中厚煤层综采装备水平得到全面提升，更重要的是发展了放顶煤综采装备、大倾角综采装备、大采高综采装备等。,进入21世纪，我国采煤技术装备和矿井生产管理的发展已经达到了一个新的水平，一些先进的矿井率先迈入了世界先进行列，成为具有世界一流水平的矿井。这些矿井的建成标志着我国现代化矿井的建设和高速发展的开始。,目前，我国已进入现代化矿井建设与发展阶段。现代化矿井与高产高效矿井的不同在于对安全、环境保护、节能等指标有更高更全面的要求。,第二章矿井开采系统及其发展,第一节矿井开采系统所谓矿井开采系统是指矿井巷道系统和以此为基础，在其中建立的为开采服务的各种系统的总称。矿井巷道系统由各种巷道组成的由地表到达矿体的通道。矿井生产系统煤炭运输系统、辅助运输系统、通风系统、行人系统、排水系统、供电系统、供水系统、通信系统、安全保障系统等。,一、井田划分井田划分是建立矿井开采系统的前提，以矿井开采系统为基础。煤层单元为了便于开采，需要将煤层进行逐级划分，划分成便于开采的大小，在划分过程中会形成不同大小的煤层范围，这些范围内的煤层都叫煤层单元。煤田在同一地质年代形成的大面积含煤地带。煤田内煤层是最大的煤层单元。井田在煤田内，划归一个矿井开采的部分。矿井开采是在井田范围内进行的，井田是矿井开采的最大煤层单元，矿井开采设计是从井田划分开始的。,1.井田划分方式（1）井田划分为阶段（2）井田划分为盘区2.井田划分为阶段（1）划分程序。井田-阶段-采区-区段或井田-阶段-条带（2）几个概念阶段在井田范围内按一定标高将煤层划分为若干走向长条，每个长条为一阶段。采区在阶段内沿走向将煤层划分成若干段，每一段为一个采区。区段在采区范围内沿倾斜将煤层划分为若干走向长条，每个在阶段内沿走向将煤层划分成若干段，每一段为一个采区。长条为一区段。区段是最小的煤层单元，在区段内可以布置工作面进行开采，所以也叫回采单元。,条带在阶段内沿走向将煤层划分成若倾斜长条部分，每一部分为一个条带。在条带内也可以布置工作面进行开采，所以也叫回采单元。,3.井田划分为盘区（1）划分程序。井田-盘区-区段（条带）（2）盘区的概念在井田内划分的相当于采区大小的一个区域。就划分程序而言，盘区与采区有大的区别，就单元功能讲，盘区与采区完全相同。或者说盘区与采区的内涵系统，但外延不同。,二、矿井开采系统进行井田划分是为了便于开采，而要有计划的将井田内煤层采出，使划分具有实质意义，必须建立完善的矿井开采系统。矿井开采系统是矿井巷道系统与在其中建立的生产及生产辅助系统的统称。1.矿井巷道系统是由不同类型的巷道组成的。1）巷道分类按倾角分为垂直巷道、倾斜巷道、水平巷道按服务范围分为开拓巷道、准备巷道、回采巷道按围岩特性分为煤层巷道、岩石巷道、半煤岩巷道,2）巷道命名按用途命名按装备命名按倾角命名3）巷道布置要求巷道设计包括断面形状和尺寸、角度（坡度）、方位等巷道布置必须满足生产系统布置的要求。主要是煤炭运输、辅助运输和通风的要求。,2.煤炭运输系统煤炭运输是矿矿井生产最重要的系统。常用的煤炭运输系统有两大类：1）轨道运输主要设备：轨道、电机车（绞车）、矿车轨道：600mm、900mm电机车：架线电机车、蓄电池电机车特点：可以担负全部运输任务，系统复杂，间断运输2）胶带运输主要设备：胶带输送机特点：连续运输，运输能力大。,3.辅助运输系统辅助运输一般包括设备运输、材料运输、矸石运输、人员运输等。常用的辅助运输系统有以下几类：1）轨道运输2）无轨运输3）其他运输,4.通风系统是由风机和通风设施组成的。风机提供通风动力，保证风流正常流动；通风设施保证风流按设计风量和线路分配和流动。,第二节矿井开采系统的发展一、巷道系统的发展岩石巷道煤层巷道二、煤炭运输系统发展由轨道运输胶带运输三、辅助运输系统发展窄轨（道）运输非窄轨（道）运输非窄轨（道）运输指无轨运输和其他运输其他运输指单轨吊运输、齿轨车运输、套胶轮运输、卡规车运输等。四、煤层开采单元划分,煤层单元参数由小大适当煤层单元参数由工作面参数决定，工作面参数由工作面采煤工艺装备决定。煤层单元参数也受矿井开采系统装备制约，主要是煤炭运输装备和辅助运输准备。强力胶带运输和非窄轨运输装备的发展是提高煤层单元参数的保证。煤层单元参数增加会带来很多好处：减少煤柱量，提高煤炭回收率；减少工作面、采区、开采水平接续的频度等。煤层单元参数增加也会带来一些不利影响：增加巷道维护工程量，增加工作辅助时间等。理性考虑煤层单元参数应该有一个合理值，这个合理值需要进行研究。煤层单元参数确定也受自然条件限制，主要是煤层倾角，构造和瓦斯、水、自然发火等。,第三章长壁综采技术,第一节综采面采煤工艺,一、综采的概念,1综采的定义综采是综合机械化采煤工艺的简称，因依靠采煤机、可弯曲刮板输送机和自移液压支架三种机械装备有机配合来完成工作面落煤、装煤、运煤、支护和（采空区处理）五项工作（工序），实现了采煤工作的完全机械化而得名。具体说综采就是利用采煤机落煤和装煤，利用可弯曲刮板输送机运煤，利用自移液压支架进行支护和采空区处理的一种采煤工艺。综采是在炮采、普采的基础上逐步发展而来的，炮采、普采、综采是长壁采煤由运煤机械化，落、装、运机械化到全部工作机械化发展所经历的三个重要阶段，目前在我国炮采、普采和综采三种工艺并行，分别用于不同煤层条件、不同经济条件和不同规模的矿井。综采是长壁采煤方法中机械化程度最高的一种采煤工艺。,2综采面主要装备及布置我国使用最多、效果最好的综采装备是由双滚筒采煤机、可弯曲刮板输送机和自移式液压支架组成的配套装备。最常见的综采面布置形式如图1所示。3综采面采煤工作（1）落煤与装煤。沿工作面往复行走的采煤机依靠前后两个滚筒的旋转、截齿不断切入煤体而破煤；破落的煤炭依靠采煤机滚筒的旋转，在与滚筒同轴的弧形挡煤板配合下将其沿滚筒上的螺旋沟槽顺滚筒轴线方向向外抛出，装入可弯曲刮板输送机上。（2）运煤。沿工作面布置的可弯曲刮板输送机将采煤机破落并装入其上的煤炭沿工作面运至端头，并装入运输顺槽中的运输装备上。,图1走向长壁综采面主要装备及布置1一运输平巷；2一胶带输送机；3一转载机；4一破碎机；5一电缆车；6一磁力开关；7一泵站；8一回柱绞车；9丛柱；10刮板输送机；11一液压支架；12采煤机；13一回风平巷；14一超前支护,（3）支护与回收支架。沿工作面全长布置的自移式液压支架，依靠液压系统实现支架升降和整体移动，完成支架支设回收重新支设的周期性工作，将支护与回收支架合二为一，实现机械化。4综采面采煤工艺过程综采面落煤与装煤作业都由采煤机完成，简称为割煤；煤炭运输作业由刮板机完成，简称为移溜；支护与支架回收作业均由液压支架完成，简称为移架。因此综采面的五项采煤工作被简化为割煤、移溜和移架三项作业。这三项作业按一定顺序进行就形成了综采面的采煤工艺过程。常见的采煤工艺过程有以下两种安排方式：（1）按照割煤移架移溜的顺序安排。（2）按照割煤移溜移架的顺序安排。,二、综采面采煤工艺技术,1双滚筒采煤机割煤方式通常把采煤机沿工作面将煤层全厚割完一次称为进一刀。将一刀割煤的深度称为截深。把采煤机在工作面往返行走时的状态以及割煤的刀数相结合称为割煤方式。双滚筒采煤机在正常工作时，一般前滚筒沿顶板割煤，后滚筒沿底板割煤（如图2所示），行走一趟就可完成一刀割煤任务。如果采煤机在往返中都在割煤，那么一个往返就可以完成两刀割煤任务，这种割煤方式称为双向割煤往返进两刀。如果采煤机在往返中只有一趟在割煤，一趟空行，那么一个往返就只能完成一刀割煤任务，这种割煤方式称为单向割煤往返进一刀。,图2综采面双滚筒采煤机割煤,（1）单向割煤。采煤机上（下）行割煤，滞后采煤机23个液压支架进行移架，直至端头；采煤机下（上）行清理浮煤，滞后采煤机10l5m进行移溜，采煤机往返一次进一刀，工作面推进了一个截深。单向割煤方式适用于以下条件：煤层倾角大，只能自下而上移架或自下而上移溜的综采面；煤层厚度大，采煤机不能一次采全高的综采面；采煤机装煤效果差的综采面。（2）双向割煤。采煤机上（下）行割煤，滞后采煤机23个液压支架进行移架，滞后采煤机1015m进行移溜，直至端头；采煤机在端头进刀后，下（上）行割煤、移架、移溜。往返一次进两刀，工作面推进了两个截深。这种割煤方式多用于煤层赋存稳定、倾角较缓和厚度适合于采煤机一次采全高的条件。,2采煤机进刀方式把采煤机割完一刀煤后，滚筒重新进入煤体的过程称为进刀，把完成这个过程的方式叫进刀方式。常用的采煤机进刀方式有斜切进刀、钻入进刀、预做缺口推入进刀等。综采面双滚筒采煤机多采用斜切进刀方式，常用的斜切进刀方式有以下两种：（1）端部割三角煤斜切进刀。其进刀过程如图3所示。采用端部斜切进刀、双向割煤时，要求工作面上、下顺槽要有足够宽度，能使刮板机机头、机尾尽量伸向顺槽内，以保证采煤机能在无人工缺口的情况下割通工作面。（2）中部斜切进刀。其进刀过程如图4所示。,图3综采工作面双滚筒采煤机割三角煤斜切进刀过程（a）起始；（b）上行切入煤壁并移直输送机；（c）下行割三角煤；（d）上行准备正常割煤1双滚筒采煤机；2一刮板输送机,图4综采面中部斜切进刀过程（a）采煤机向左割煤至左端；（b）采煤机空返至工作面中部后切入煤壁；（c）采煤机向右正常割煤至右端头，同时将左半段刮板机移近煤壁；（d）采煤机空返至中部后向左割煤至左端，同时将右半段刮板机移近煤壁,中部斜切进刀的特点是：刮板机的弯曲段在工作面中部，左半段割煤时，右半段移溜；右半段割煤时，左半段移溜。与端部斜切进刀相比，中部斜切进刀可减少进刀作业时间，但只能用于单向割煤，且工程质量不易保证。,3液压支架的支护方式在综采面，把移架与移溜操作的配合方式叫支护方式。一般综采面的移架和移溜是通过在支架底座与刮板机之间的液压千斤顶的伸缩来实现的。支架与刮板机在移动时互为支点。如果在采煤机正常割煤时千斤顶处于完全伸出状态，在支架底座前端与刮板机之间有一个相当于千斤顶一个行程的距离，在割完煤后，可以先进行移架，完成移架后，再进行移溜。由于这种配合方式能够保证在采煤后对暴露的顶板进行及时支护，因此称为及时支护。及时支护适用于煤层顶板条件较差的工作面。相反，如果在采煤机正常割煤时千斤顶处于完全收缩状态，支架底座前端与刮板机之间无间隙，则只能先移溜，移好溜后再移架，这种配合方式称为滞后支护。滞后支护适用于煤层顶板条件较好的工作面。,4移架方式按同时移动的液压支架数目和顺序，液压支架的移架方式可分为依次顺序式、分组交错式和成组整体顺序式三种方式。（1）依次顺序式。按顺序依次移动支架，每次移动一台。这种方式操作简单，质量容易保证，但移架速度慢，适用于采煤机割煤速度慢的工作面。（2）分组交错式。将35台支架分为一组，组内支架按顺序移动，组间平行前移。这种移架方式速度快，适应于顶板较稳定的高产工作面。（3）成组整体顺序式。将23台支架分为一组，组内支架同时前移，组间顺序前移。这种方式移架速度快，对移架技术要求高，适用于顶底板条件好的工作面。,5端头支护工作面端头是指工作面与顺槽连接处附近的区域，这个区域是人员与设备出入工作面的出入口。一般端头设备和人员集中、控顶面积大、矿山压力复杂，而且随工作面推进，需要不断在这里拆除和更新顺槽中的支护，作业量大。端头支护即指这个区域的支护。端头支护是工作面顶板管理的重要内容之一，对工作面安全生产和设备能力的发挥有很大影响。常用的综采工作面端头支护方式有以下三种：（1）用单体支柱与长钢梁组成迈步抬棚支护。（2）用专用的自移式端头液压支架支护。（3）用与工作面相同的液压支架支护。,第二节走向长壁综采面采煤系统,一、采煤系统的构成,采煤工作面的采煤系统由直接为工作面服务的巷道系统、煤炭运输系统、辅助运输系统、通风系统、排水系统、供电系统、行人系统等组成。图5所示为一基本的走向长壁综采面采煤系统。,图1.1.5走向长壁综采面采煤系统图1绞车房回风斜巷；2采区回风石门；3绞车房；4采区上部车场；5采区中部车场；6联络巷；7区段运输顺槽；8，10区段回风顺槽；9开切眼,二、采煤系统布置要求,采煤系统的布置，最主要的是巷道系统的布置。巷道系统布置是按照煤炭运输、辅助运输、通风、排水等其他主要系统布置的要求进行的。1巷道系统布置要求巷道的坡度巷道方位巷道断面,2生产及辅助系统布置要求煤炭运输、辅助运输、通风、排水、供电等生产与辅助系统均布置在巷道之中，是巷道系统功能的实现。选择装备和布置这些系统时应该充分考虑巷道空间特点，按照巷道系统设计时的要求进行设备选型和安装。1）煤炭运输系统布置要求2）辅助运输系统布置要求（1）轨道运输系统布置要求。（2）无轨胶轮车运输系统布置要求。3）通风系统布置要求4）排水系统布置要求,第三节综采面设备选型与配套,综采面设备是指采煤机、刮板机和液压支架，即所谓“三机”。为了保证这些设备在工作面有限的空间内相互配合、协调运转、最大限度的发挥各自能力，并取得最好的整体效果，必须认真分析地质条件，做好每一个设备的选型工作，并应保证所选各设备在空间几何尺寸和生产能力等方面按一定要求配套。,一、综采设备选型,（一）影响综采面设备选型的主要地质因素及分析1煤层厚度2煤层倾角3顶板条件4底板条件5煤层硬度6煤层瓦斯条件,（二）综采面设备选型综采面“三机”选型是综采设备选型的重点。1采煤机选型影响采煤机选型的主要因素是煤层条件，包括煤层的厚度范围、煤层结构与构造、煤层及相关岩层的力学特性等。1）对采煤机的基本要求（1）功能全、性能好。（2）适应性强。（3）机电和人身安全保护完善。（4）工作可靠性高。（5）产量高、效率高、能耗低。,2）采煤机的基本参数及其选择（1）采高。2.7-5.4m（2）生产率。2800-3000t/h（3）牵引速度。0-26m/min（4）装机功率。总功率1875kW2刮板机选型（1）生产率。3500t/h（2）铺设长度。（3）功率。3855kW,3液压支架选型在工作面“三机”选型中，液压支架是核心。液压支架选型既要考虑顶板条件，又要考虑采高。1）I12、12顶板综采面对支架选型的要求I12与12顶板综采面矿压显现特点是老顶来压步距小，来压强度低，直接顶稳定性差，特别是端面难控制，移架影响范围大，因而对支架有以下要求：（1）初撑力高，支撑效率高，以减小顶板早期移动量，提高端面顶板的稳定性。（2）选用四连杆机构，使其双纽线最佳段为支架的工作范围，确保支架对端面有较强的控制能力。,（3）利用伸缩粱或可旋转180挑粱及时支护刚暴露出的顶板，减小顶板早期破坏，并利用顶梁侧护板等装置提高支架护顶能力，防止顶板岩块窜入工作空间。（4）设计有护帮装置和完善的挡矸装置，以减小煤壁片帮深度和面积，防止采空区矸石窜入工作空间。（5）设置灵活快速的操纵阀，保证快速的邻架操作移架。2）大采高综采面对支架选型的要求随着采高加大，老顶初次来压和周期来压步距均有增大，来压强度剧烈。采高加大后，煤壁片帮的深度和面积也随之加大，大采高支架的稳定性和刚度十分重要，因而对支架有以下要求：（1）应有较高的初撑力和足够富裕的工作阻力，有较高的支架刚度。,（2）支架的工作范围应处于四连杆机构双扭线的最佳段，支架对工作面端面有较强的控制能力，并利用外套式伸缩梁或可旋转180挑梁及时支护顶板。（3）必须有完善的防倒防滑装置，增加支架抗歪斜倾倒的能力。必须装备有效的防煤壁片帮装置，以保证煤壁的稳定性。（4）尽量采用非插腿式底座，并加大底座面积，必要时可增加提底装置。（5）提高泵站压力和流量，满足数架支架成组快速移架或同时动作的要求。美国高产综采工作面广泛采用电液控制液压支架，其中绝大多数为两柱掩护式，工作阻力平均在5000kN以上。,神东公司千万吨工作面液压支架：型号24319kN，支护高度2.55-5.5m，支架中心距1.75m，工作阻力8638kN，移架速度8s/架，推移行程960mm。,二、综采面设备配套,综采面采煤机、刮板机和液压支架通常是由不同厂家生产的，其型号多种多样，参数和性能差别很大。在“三机”成套使用时，其选型不仅要考虑每个设备的性能参数满足要求，而且各设备之间必须在性能参数、结构参数、工作面空间尺寸以及相互连接的形式、强度和尺寸等方面互相匹配。（一）综采面“三机”横向几何尺寸要求及配套关系采煤机、刮板机和液压支架之间横断面配套尺寸如图6所示。,图6综采面设备横断面配套,从顶板管理角度出发，支架前柱到煤壁的无立柱空间宽度越小越好。无立柱宽度为：FB+e+G+b+x式中B截深，mm；e煤壁与铲煤板间所留间隙，以防采煤机在输送机弯曲段工作时滚筒切割铲煤板，一般取el00200mm；b支架前柱与输送机电缆槽之间的间隙，以防输送机倾斜时前柱挤压电缆和便于司机安全操作，一般b200400mm；x支架前柱倾斜时的水平投影值，mm；G输送机宽度，mm，G=f+s+a；,f铲煤板宽度，视其结构和作用而定，当铲煤板兼作采煤机滚轮支承导轨时，宽度要大一些，一般f=150240mm；s输送机中槽宽度，mm，由输送机型号确定；a电缆槽和导向槽的宽度，一般a=360mm。支架前柱到梁端的顶梁悬臂长度L为：L=FBDX式中D梁端到煤壁的距离，即端面距。从顶板管理考虑，D值越小越好；但由于沿工作面推进方向底板起伏不平，输送机发生偏斜会导致采煤机滚筒截到顶梁，需留一定的端面距。一般端面距为200400mm，煤层薄取小值，煤层厚取大值。采煤机的截深应与液压支架的移架步距相等。,（二）综采面“三机”纵向几何尺寸要求及配套关系（1）采煤机参数确定采煤机的最大采高与其几何参数如图7所示。（2）液压支架参数确定（3）采煤机与液压支架纵向配套（三）综采面“三机”能力要求及配套关系（1）工作面设备应具有的生产能力（2）采煤机实际生产能力及要求（3）刮板机实际运输能力及要求（4）液压支架应达到的移架速度和液压系统流量,图7采煤机几何尺寸与最大采高的关系Mm采煤机最大采高/m；A采煤机机身高度/m；C机体厚度/m；D滚筒直径/m；E底托架过煤高度/m；S机槽高度/m；L摇臂长/m；U底托架高度/m；x最大下切量/m；,摇臂向上及向下的最大摆角/。,（四）综采面“三机”寿命配套,第四节工作面生产组织与管理,一、生产组织1.作业方式工作面采煤工作与准备工作的配合方式叫作业方式。（1）“三八”制：“两采一准”，“三班采煤，边采变准”。（2）“四六”制：“三采一准”。（3）“八二七七”，“八八六二”2.劳动组织在不断提高工人素质和技术熟练程度的基础上，积极推行兼职兼岗，为工作面减人增效创造了条件。一般一个工作面生产班配9个人，其中采煤机司机、溜子工、三机司机个2人，电工、班长、队长各一人。检修班15人，一个采煤队出勤人数42人。神东公司千万吨面劳动组织见下表。,神东公司千万吨工作面劳动组织表,二、生产管理技术1.工作面过断层顶板管理技术一般为了减少工作面搬迁次数，当断层落差小时，采用强制过断层；遇到坚硬岩层要用爆破松动方式松动岩层，然后让采煤机截割通过；过断层带支架应带压移动；为了减少过断层截割量，应降低采高；应注意断层水，采取探水措施。2.来压期间顶板管理技术保证工作面质量，做到“三直、两平、两畅通”；保证支架初撑力；保证液压系统压力；减小端面空顶距，及时支护；加快推进速度，避免停采。3.工作面超前平巷超前支护技术点柱支护、棚子支护，专门的超前支护支架支护。,三、工作面正规循环作业长壁采煤工作面的采煤工作是周而复始进行的，把这种工作进行方式叫循环作业，其中完成一个周期叫一个循环。如果在规定时间保质保量完成一个循环叫正规循环。由于受煤层条件、工作面设备条件以及矿井其他环节和系统等影响，并不是每个循环都能按期完成，超期完成的循环叫非正规循环。工作面的循环作业为工作面生产管理提供了方便，按照循环进行工作面生产管理对保证工作面的产量、效率、质量等十分有利。用在计划期（月）内实际完成的循环数与计划的循环数的比值（用百分数表示）表示循环完成的情况，叫正规循环率，一般该值大于85%。,工作面的正规循环是按循环作业图进行的，循环作业图在时间和空间两维坐标系种规定了每一种作业的位置及其变化。循环作业是工作面生产管理的重要依据。四、工作面技术经济指标表工作面条件以及生产情况都可以通过工作面技术经济指标反映出来，这些指标包括煤层厚度、倾角、工作面长度、推进长度、工艺装备的型号、主要技术参数、采煤工作面工艺参数（截深、采高、循环进尺）、工作面产量、效率、材料消耗等。,神东公司千万吨工作面主要技术经济指标,工作面循环作业图、劳动组织表、技术经济指标表合称为工作面循环作业图表，是工作面设计的重要内容，是工作管理的主要依据。,第五节综采工作面快速搬家技术,工作面搬迁是矿井生产准备工作的组成部分，是矿井实现高效、安全生产的重要环节，也是直接制约综采面单产水平提高的关键因素。大型综采设备价格昂贵，对于“一井一面”的矿井，一般不配备备用综采设备，在综采面搬迁期间矿井将停产。而综采面由于设备多、体积大，搬迁任务重，若没有相应的措施，搬迁时间会很长，对矿井生产会造成严重影响。实现工作面快速搬迁是综采技术发展的重要组成部分。近年来我国一些现代化矿井在这方面做了大量工作，取得了丰富的经验。其中神东公司采用的辅巷多通道综采面快速搬迁技术最具代表性。,一、神东公司辅巷多通道综采面快速搬迁技术的提出1传统搬迁技术及存在问题1）传统搬迁技术特点（1）综采设备搬迁采用轨道运输。在我国，绝大多数矿井的辅助运输方式为轨道运输，因此综采设备的搬迁也采用轨道运输。（2）工作面用于回撤设备的回撤空间由采煤机截割形成。当工作面接近停采线时，停止移架并拆除支架与刮板机之间的连接千斤顶，采用专门设备将刮板机按正常步距逐次向前移动，采煤机按正常割煤方式逐刀割煤，对暴露的顶板用单体支架进行临时支护，直到支架前端形成能够满足设备调向与回撤的宽度后停止采煤作业，进行正式支护。,（3）综采设备由工作面轨道顺槽一端撤出或进入。形成回撤空间后按照拆卸采煤机拆卸输送机拆撤液压支架的顺序由工作面轨道顺槽一端逐个回撤设备，撤出的设备经新工作面轨道顺槽运入新工作面。2）传统搬迁技术存在的主要问题（1）搬迁一次耗时长。搬一个设备总重不足2000t的综采工作面，需要时间约35d左右，投入工时约1500个。,（2）综采面末采期间，需要在工作面预留综采设备的回撤空间，铺设钢丝绳和金属网，在液压支架不移动的前提下，采煤机与刮板机需整体前移割煤，且需增加悬露顶板空间的支护工作，生产进度慢，安全问题突出。（3）采用轨道运输，工作面需安装设备装车平台、铺设轨道和安装数台绞车。设备的回撤、装运、新工作面重新安装环节多，无法实现快速回撤和安装。（4）为了减少工作面搬迁对矿井正常生产的影响，矿井必须有备用工作面和备用设备。我国很多矿井采用“二保一”或“三保二”的办法来解决搬迁时间长、产量波动大的问题，结果造成设备浪费，高产不高效。（5）由于上述问题，导致工作面搬迁费用高。,2辅巷多通道综采面快速搬迁技术的提出大柳塔煤矿建设初期试生产的1209综采面使用的是国产设备，当时工作面综采支架80以上被压死，部分立柱折断、顶梁开缝、立柱洞穿顶梁，工作面架前煤壁垮落，顶板开裂，工作面既无法继续生产，又无法撤出支架。在研究回撤这部分支架的技术安全措施时，从救灾应急和解决矿区长远发展问题两个方面的需要出发，提出了辅助巷道多通道综采面搬迁方案。,二、辅巷多通道综采面快速搬迁技术的设备回撤专用巷道系统布置及支护在工作面停采线处和煤柱中分别预先掘出两条平行于工作面的辅助巷道，然后根据煤层的地质条件、搬迁的技术装备、人员配置等情况在两条辅助巷道之间，掘出若干条联巷，构成辅助巷道多通道系统。在停采线处的一条辅助巷道用作工作面液压支架回撤时的调向通道（回撤通道），当工作面与此巷道采通后即停采；开在煤柱中的另一条辅助巷道作为工作面设备撤出时的运输通道；两条辅助巷道之间的联络巷道是工作面多头作业的设备运输通道和安全出口。两条巷道几何尺寸为净宽4.55.0m，净高3.63.8m。辅巷多通道布置形式如图所示。,回撤通道一般采用锚、网支护，并配以单体液压支柱、矿用工字钢粱、专用垛式支架补强支护。专用垛式支架纵向支设在回撤通道中，一方面支护顶板，另一方面作为工作面支架回撒时的掩护支架。其具体支护方式为：巷道顶板采用锚网支护，金属网为菱形金属网，80#铁丝编织，靠近工作面采空侧采用双层网支护，金属网错茬200mm搭接，锚杆间排距均为1m。锚杆及金属网下使用11#工字钢粱支护，工字钢梁间距为0.865m（每台液压支架挑两根工字钢粱）。工字钢梁下采用垛式支架与单体液压支柱联合支护的方式。一个综采面回撤通道共布置60台垛式液压支架，有垛式支架的工字钢梁下采用一梁四柱支护，没有垛式支架的工字钢梁下采用一粱六柱支护。回撤通道支护如图所示。,回撤辅助运输通道及联络巷采用锚杆及单层金属网联合支护，金属网规格与回撤通道相同。为了便于胶轮车运行，辅助巷道和通道底板均需要铺设200mm厚的混凝土。3辅巷多通道系统的特点（1）以“掘”代“采”，预先形成了液压支架回撤的调向通道，节约了搬家所需要的工时。（2）“多通道”创造了工作面平行作业的空间，同时也为工作面搬家回撤提供了更为可靠的安全环境。（3）搬家通道的预先超强支护，改善了工作面支架在回撤时的工作环境，有利于设备回撤作业，降低了这一区间作业的安全风险。,三、辅巷多通道综采面快速搬迁技术的搬迁工艺神东公司综采面快速搬迁的技术特点是：采用专用无轨重型支架搬运车搬运工作面液压支架、采煤机、刮板机、破碎机、转载机，利用辅助巷道多通道进行多头平行作业，实现工作面快速回撤；设备运输和安装充分利用了综采面上、下顺槽双巷布置的特点，经多通道将设备运送到新工作面，实现快速安装。当工作面推进到停采线并与回撤通道贯通后，工作面液压支架迅速前移，其顶梁替代通道内的第一排单体液压支柱，挑上支护顶板的工字钢梁棚，完成工作面回撤空间的贯通支护。随后工作面回撤工作即可按照回撤采煤机回撤输送机回撤液压支架的顺序进行，由旧工作面撤出的设备利用无轨胶轮车快速运至新工作面重新安装。,在设备的回撤与安装过程中，尽可能采用整机、整件、整体搬运，减少了设备拆分和对接工序。一般情况下采煤机只分解为左、右摇臂及滚筒和机身三部分进行搬运。溜槽和挡煤板整体运输。26m长的转载机一般只解体为6部分进行搬运。每个联络巷口附近的液压支架由支架搬运车直接装运搬走。距离联络巷口较远的液压支架由绞车牵引到回撤通道联络巷口，再装入支架搬运车运走，工作面中部支架由联络巷撤出，工作面两端支架由上下顺槽出口处撤出。,四、实现辅巷多通道综采面快速搬迁技术的保障建立专业化队伍和配备专门化装备工作面快速搬迁是综采面高产高效生产的重要组成部分，是一个复杂的系统工程。为了实现原煤生产的均衡稳定，减少非生产时间，于2000年初，从公司各生产矿井抽调了56名综采精英，组织成立了专职搬迁准备队，同时配备全套引进的支架搬运车、多功能运输车等，负责公司各生产矿井综采面的回撤、安装及调试工作，基本形成了综采搬迁特种作业专业化的格局。从旧工作面停采、挂网、6000余吨重型综采设备的回撤、搬运到新工作面的设备安装、调试，并达到生产条件，仅需要10d左右，最快7d，真正实现了综采搬迁快速、安全、优质和高效。因此，专业化搬迁是实现快速搬迁的保证。,五、辅巷多通道综采面快速搬迁技术应用效果神东公司创立的“一井一面一套综采设备”的高产高效矿井生产组织方式，改变了国内传统矿井综采设备“二保一”、“三保二”的生产组织模式，其中的主要原因是成功开发并推广应用了快速搬迁技术。公司的骨干矿井没有备用工作面和备用综采设备。就矿井而言，少购置一套综采设备就可以节约投资2亿元。工作面搬迁时间每节约一天，就可以为矿井创造数百万元的经济效益。显然，综采面设备的快速搬迁是矿井实现高产高效的必要条件。神东公司从1997年采用辅巷多通道配无轨胶轮车快速搬迁新工艺以来，工作面搬迁时间记录不断创新，达到了世界领先水平。,第五节倾斜长壁综采面采煤系统及采煤工艺特点,（a）仰斜工作面（b）俯斜工作面图10倾斜长壁综采面采煤系统1-阶段运输大巷；2-阶段回风大巷；3-切眼；4-工作面运输顺槽5-工作面回风顺槽；6-工作面煤仓,一、倾斜长壁综采面采煤系统,倾斜长壁综采面采煤系统如图10所示。在图10(a)中，采煤工作面自下而上推进，称仰斜开采；在图10(b)中，采煤工作面自上而下推进，称俯斜开采。1工作面巷道系统工作面巷道系统由运输顺槽4、回风顺槽5和切眼（工作面）3组成，三条巷道均沿煤层底板布置在煤层中。2煤炭运输系统3辅助运输（1）绞车运输（2）无轨胶轮车运输（3）其他运输,4通风系统新鲜风流由运输顺槽4进入工作面，清洗工作面后由回风顺槽5排出。5排水系统对于俯斜开采的工作面，工作面水可沿顺槽自流排出，但若工作面有起伏，会在工作面积水，影响工作面作业环境，水大时需要采用小水泵排水；对于仰斜开采的工作面，工作面水可自流排入采空区。,6.对拉工作面布置对拉工作面布置是倾斜长壁采煤法中被普遍采用，是因为这种布置有很多优点：可有效增加工作面长度，减少顺槽数目和顺槽设备，减少人员，提高效率。采用对拉工作面布置的理由：无下行风，无煤炭上运。,二、倾斜长壁综采面采煤工艺特点,倾斜长壁综采面采煤工作以及循环过程与走向长壁综采面完全相同。所不同的是采煤机、刮板机和液压支架在工作面所处的空间状态。1刮板机的空间状态及分析在倾斜长壁综采面，刮板机沿长度方向是水平的，因此不存在防滑问题，也不存在煤炭向上运输的问题，从这一点讲，刮板机能够较好的发挥能力。但是刮板机沿宽度方向是倾斜的，这种倾斜会带来如下问题：（1）刮板机装不满，影响运输能力发挥；（2）刮板机受载不均匀，会导致一侧易断链、溜槽磨损严重；（3）不利于采煤机的运行和工作。,2采煤机的空间状态及分析在倾斜长壁综采面，采煤机沿长度方向也是水平的，因此也不存在防滑问题和上、下行割煤的差别，