综采放顶煤技术

1、主要内容,1 概况 2 放顶煤的概念及其适应条件 3 综采放顶煤工作面的设备配套 4 高效长壁综放开采的工艺模式 5 综放工作面的矿压显现规律 6 综放开采提高顶煤回收率技术 7 综放开采的安全控制技术 8 综放开采的发展趋势,1.1 国外发展现状 20世纪50年代末60年代初，随着液压支架制造技术的发展，前苏联、法国等国才正式采用放顶煤开采厚煤层，并获成功； 20世纪70年代初，综放开采在世界范围内出现了两种发展趋势：一、前苏联、匈牙利等东欧国家，改进和完善放顶煤支架，但工作面仍使用一台刮板输送机；二、法国、德国等国，工作面布置两台输送机。 20世纪80年度初期，世界上有近10个产煤国家采用

2、放顶煤技术，取得了良好的技术经济效益，工作面日产达到20002600t，工作面采出率8091.9%; 20世纪90年代以后，由于适合放顶煤开采的资源枯竭、环保问题等，放顶煤开采在国外遇到了种种障碍，仅法国、俄罗斯等极少数国家使用放顶煤开采技术；,1 概况,1.2 国内发展阶段现状 探索阶段（19821990年）1982.9，北京开采研究所和沈阳煤研所首次进行综放工作面总体设计和放顶煤液压支架设计，1983年进行设备的加工制造； 1984.4，我国第1个60m长的综放工作面在沈阳矿务局蒲河矿进行缓倾斜长壁综放开采工业性试验； 1986.3，在窑街矿务局二矿进行了急倾斜特厚煤层水平分段综采放顶煤采

3、煤法的工业性试验，试验取得圆满成功； 逐渐成熟阶段（19901995年） 20世纪90年代以来，对综放开采中存在的瓦斯治理、火灾防治、粉尘治理、提高回收率、全煤巷锚杆支护等技术难题进行攻关研究，取得了可喜成果，我国的综放开采得到了迅速发展； 1994年制定了综合机械化放顶煤开采技术暂行规定，使我国综放开采技术走向正轨。 技术成熟和推广阶段（1996年至今）,1 概况,发展现状：,1 概况,表1 1995年2000年全国超100万t/a综放开采生产指标,注：产量比重指当年1Mt/a以上综放队产量之和占当年所有1Mt/a以上综采队产量总和的比例。,发展现状： 2001年东滩煤矿综采队应用综放开采技

4、术，年产量达55Mt。2003年，该队又创造了工作面年单产6.42Mt、最高月产0.6563Mt的两项世界新纪录。2004年该面年产达到658.15万t。 2007年，潞安王庄煤矿6203综放工作面，工业性试验期间，最高日产达到33186t，最高月产达到63万t，平均回采工效达到394t/工，回收率达到了92.1。,1 概况,2.1 概念： 放顶煤采煤法的实质，就是在厚煤层沿底部布置一个采高23 m的长壁工作面，用常规方法进行回采，并利用矿山压力的作用或辅以松动爆破等方法，使支架上方的顶煤破碎成散体后，由支架后方或上方的“放煤窗口”放出，经由刮板输送机运出工作面。,2 放顶煤的概念及其适应条件

5、,图1 综采放顶煤工作面设备布置 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待放出松散煤体,2.2 主要类型： 按照煤层赋存条件及相应的采煤工艺，放顶煤采煤法分为3类 ： 一次采全厚放顶煤 图（a） 适用于厚度在1214 m以下的缓斜厚煤层 预采顶分层顶网下放顶煤 图（b） 适用于厚度大于1214m， 直接顶坚硬或煤层瓦斯含量高 需预先抽放的缓斜煤层 倾斜分层放顶煤开采 图（c） 煤层厚度在1214m以上的煤层,2 放顶煤的概念及其适应条件,2.3 适应综放开

6、采的采区（工作面）地质条件 煤层的赋存条件 顶底板性质 地质构造 水文地质条件 瓦斯 自然发火影响 工作面储量,2 放顶煤的概念及其适应条件,煤层的赋存条件 煤层赋存较稳定，煤层厚度以510m为宜，煤层倾角015，煤层普氏系数f 3 顶底板性质 煤层顶板能随采随冒，顶板冒落充填高度至少等于采放高度；煤层底板岩性较硬 地质构造 地质构造简单，无较大煤层起伏及褶曲，无陷落柱、火成岩侵入，断层落差不大；顶煤中无坚硬较厚夹矸，夹矸单层稳定厚度一般不大于300mm,2 放顶煤的概念及其适应条件,水文地质条件 地表或上覆岩层在采动影响范围内无水体或重要建筑物 瓦斯 自然发火影响 综放工作面除应加快工作面推

7、进速度外，还应采取相应的措施，以防止火灾的发生 工作面储量 综放工作面长度一般为150200m，连续推进长度10002700m，工作面地质储量100300万t,2 放顶煤的概念及其适应条件,主要设备选型及总体配套原则 工作面设备选型 配套实例,3综采放顶煤工作面的设备配套,3.1 主要设备选型及总体配套原则 3.1.1 设备配套的主要类型 采用国内研制的全套国产新型综采设备装备的综采工作面，年产300万600万t以上。 引进部分关键综采设备，如电牵引采煤机、重型刮板输送机等，配以国产液压支架和大运量带式输送机装备的大功率综采工作面，年产400万800万t以上。 全套引进国外大功率综采设备装备的

8、综采工作面。,3综采放顶煤工作面的设备配套,3综采放顶煤工作面的设备配套,3.1 主要设备选型及总体配套原则 3.1.2 设备选型的主要原则 综采设备的选型。高可靠性，技术先进性 提高综采装备的配置。保证各零部件生产质量，注重外购件的质量，选用国际上著名品牌且质量过关的产品 综采成套装备满足高产、高效、高回收率的要求，各设备的生产能力要留有足够的富裕系数。 各主要设备的技术性能要满足工作面设计年产量的要求，且相互之间协调与配合科学合理，发挥最佳的生产效能。 采煤机、运输机、转载机、可伸缩胶带输送机生产能力必须逐渐递增，形成“喇叭口”状，支架的推进速度必须满足采煤机割煤速度的要求。 设计科学合理

9、的端口支护，保证工作面快速推进。,3.2 工作面设备选型 3.2.1 原则 采用技术先进、性能优良，经过实践检验的高可靠性装备。 通过合理选型和正确配套，保证整个系统的性能协调和可靠。 提高综采设备的配套能力与生产协调性。,3综采放顶煤工作面的设备配套,3.2 工作面设备选型 3.2.2 液压支架选型 液压支架支护强度的确定 保证对工作面顶板实现有效控制，又要满足回采工艺的各种要求。 1）常见的顶板运动类型 考虑回采工艺、顶板运动和来压特征可以将顶板运动分为5类： 类型A：中厚煤层开采，直接顶为不稳定顶板，支架载荷主要由基本顶的级别和运动特征决定，直接顶主要作为传力介质，并将自重作用于支架。

10、类型B：中厚煤层开采，直接顶中等稳定和稳定，在与支架相互作用中具有不同的回转趋向，同时传递级和级基本顶形成的周期载荷。 类型C：中厚煤层开采，非常稳定的直接顶和级基本顶形成的剧烈载荷。 类型D：厚煤层采用放顶煤开采。采用放顶煤开采由于支架直接面对顶煤，顶煤在回采过程中要求最大限度地放出。 类型E：浅埋深煤层开采。,3综采放顶煤工作面的设备配套,3.2 工作面设备选型 3.2.2 液压支架选型 液压支架支护强度的确定 类型A顶板所需支护强度计算 由直接顶重量和基本顶来压时引起地控顶区下沉导致地载荷增量组成。 类型B顶板所需支护强度计算,3综采放顶煤工作面的设备配套,3综采放顶煤工作面的设备配套,

11、类型C顶板所需支护强度计算,类型D顶板所需支护强度计算,类型E顶板所需支护强度计算,3综采放顶煤工作面的设备配套,液压支架支护强度的确定,（1）按采场直接顶（含顶煤）为具有一定刚度的可变形介质时计算,图1 直接顶为松散介质时给定变形压力分布,当采场直接顶为中间型刚度时，基本顶的给定变形主要是由直接顶的变形和支架的变形来承担，支架的载荷包括两部分，即支架上方直接顶的重量和基本顶给定变形作用于直接顶而产生的给定变形压力。,3综采放顶煤工作面的设备配套,（1）按采场直接顶（含顶煤）为具有一定刚度的可变形介质时计算的支架最大支护强度,3综采放顶煤工作面的设备配套,（2）根据采场顶板分类确定支架支护强度

12、 工作面顶板为级2类顶板。根据采场围岩分类，、级基本顶的额定支护强度下限按下式计算：,式中：Ps为额定支护强度下限，kPa；Bc为控顶宽（其值为梁端距加上顶梁长度），m；hm为煤层采高，m；Lp为老顶周期来压步距，m；N为直接顶充填系数。,3.2.2 液压支架选型液压支架额定工作阻力确定 工作面支护强度确定以后，支架工作阻力值主要取决于支护顶板的控顶面积。支架控顶面积主要与工作面“三机”配套设备的断面纵向尺寸有关；工作面“三机”配套设备的断面纵向尺寸在采煤机、刮板输送机定型配套后才能准确确定。 F 额定工作阻力； P首采区工作面额定支护强度； L支架中心距； 控顶距，包括支架顶梁长度和梁端距离

13、； 支撑效率。,3综采放顶煤工作面的设备配套,3.2.2 液压支架选型支架架型确定 液压支架架型的确定必须与矿山地质条件相适应，与工作面其他设备相配套，与回采工艺相配合，并且满足安全高效生产的要求。 液压支架选型不仅包括支架的架型及额定支护强度、工作阻力，而且设计到顶梁、护帮、底座、侧推、防倒防滑等主要部件的选型及参数确定。,3综采放顶煤工作面的设备配套,3.2.2 液压支架选型支架架型确定的流程 根据采煤方法论证结果确定采煤方法； 根据顶板岩（煤层）石力学性质、厚度及岩层结构和弱面发育程度确定直接顶（煤层）类型； 根据基本顶岩石力学特性及矿压显现特性确定其级别； 根据底板岩性及底板抗压入强度

14、和刚度确定底板类型； 根据矿压实测数据计算额定工作阻力或根据采高、控顶距离及来压步距估算支架支护强度； 根据顶底板类型、级别初选支架额定工作阻力和支架架型； 考虑工作面风量，行人断面，煤层倾角修正支架架型和参数； 考虑煤壁片帮条件确定顶梁及护帮机构 。 除以上常见条件外，还要考虑如下特殊因素：上下部采动条件；相邻区段或两侧开采条件 ；地质构造、断层、褶曲等分布和参数 ；开采深度的影响 ；顶底板含水 。,3综采放顶煤工作面的设备配套,3.2.2 液压支架选型放顶煤液压支架架型发展趋势 主导架型有正四连杆四柱支撑掩护式低位放顶煤支架、反向四连杆四柱支撑掩护式低位放顶煤支架和单摆杆四柱支撑掩护式低位

15、放顶煤支架。 开发研制新型两柱掩护式放顶煤支架 放顶煤液压支架架型发展的新趋势： 大采高放顶煤液压支架，最大高度3.84.5m以上的两柱式放顶煤支架和四柱式放顶煤支架； 强力放顶煤液压支架，工作阻力10 00015 000 kN的大工作阻力支架，适应硬煤和特厚煤层大放采比放顶煤工艺要求的支架； 分体组合式直线型轻型放顶煤液压支架，一种适应中小煤矿和边角煤回收的多用途支架。,3综采放顶煤工作面的设备配套,液压支架选型放顶煤液压支架主流架型及分析 ZFS13000/25/38型强力放顶煤液压支架,3综采放顶煤工作面的设备配套,液压支架选型放顶煤液压支架主流架型及分析 ZFY6800/18/35两柱

16、放顶煤液压支架,3综采放顶煤工作面的设备配套,液压支架选型放顶煤液压支架主流架型及分析 ZFY6800/18/35两柱放顶煤液压支架主要特点 支架采用整顶梁和挑梁结构，顶梁前端支护力大，有利于保持梁端顶板的完整，防止冒顶，挑梁采用小四连杆机构连接，挑梁上挑角度大，挑梁收回平； 单排立柱，操作简单，移架快速，提高生产效率； 支架采取双前连杆，单后连杆结构，支架稳定性好，可靠性高； 双侧活动侧护板，灵活方便，适应性强； 底座为分体式刚性底座，底座上有抬底机构。抬底机构可整体拆卸。 在相同配套尺寸条件下，此支架比四柱支掩式支架顶梁长度减小约600mm；减小了支护面积，可以以较小的工作阻力达到要求的支

17、护强度； 支架选用电液控制系统，立柱配双安全阀，配备快速回液阀，提高了移架速度。,3综采放顶煤工作面的设备配套,液压支架选型放顶煤液压支架主流架型及分析 ZFH12000/23/35型四柱反四连杆低位放顶煤液压支架,3综采放顶煤工作面的设备配套,液压支架选型放顶煤液压支架主流架型及分析 ZFH12000/23/35型四柱反四连杆低位放顶煤液压支架结构和性能特点 采用双前连杆和单后连杆结构的宽形反向四连杆机构，布置在前后立柱之间，提高了支架的抗偏载能力和整体稳定性； 大插板式尾梁放煤机构，其尾梁千斤顶可双位安装，既可支设在顶梁上，也可支设在底座上； 支架采用整体顶梁或者带回转前梁结构的顶梁，并带

18、伸缩梁和护帮板，通风断面大； 后排立柱支撑在顶梁与四连杆机构铰接点的后端，可适应外载集中作用点变化，切顶能力强； 底座对底板比压分布合理，前端比压小，能适应软底板条件，移架阻力小，有利于顺利移架； 反向四连杆机构经过总体参数优化设计，连杆力较小，是一般正向四连杆结构连杆力的5070，支架的机构可靠性高； 低位放煤，配套大截深采煤机，实现工作面“一采一放”追机作业，工序紧凑合理，能有效提高开机率； 低位大插板放顶煤支架窗口连续，不存在脊背损失，同时减少了架后丢浮煤损失，大尾梁摆动，有利于落煤，放煤口调节灵活，采出率明显高于其他架型。,3综采放顶煤工作面的设备配套,液压支架选型放顶煤液压支架主流架

19、型及分析 ZFH12000/23/35型四柱反四连杆低位放顶煤液压支架与中位和低位小插板放顶煤支架的对比 稳定性 有其宽形反向四连杆结构保证了支架的纵向稳定性，梁端距稳定。 对底板比压 底座比压分布较均匀，一般前端略小，后端较大的倒梯形分布，支架升降时对底板比压变化很小，支架移架顺利。 放煤作业空间 工作空间大，便于发挥设备能力和放顶煤作业，便于设备的检修和事故处理。 支架重量 与同参数、同强度可靠性的中位放顶煤支架相比，减少510。,3综采放顶煤工作面的设备配套,3.2.5 采煤机选型 采煤机选型应依据煤层赋存条件和工作面参数，生产能力能够达到工作面设计能力的要求，并满足与刮板运输机、液压支

20、架相配套。 选择采煤机时，根据采高、截深、牵引速度和功率进行选型，同时采煤机应能满足并实现工作面两端斜切进刀自开缺口的要求。,3综采放顶煤工作面的设备配套,3.2.4 排头放顶煤液压支架,3综采放顶煤工作面的设备配套,排头放顶煤支架与一般放顶煤支架一样，支架应有足够的工作阻力、顶得住；有足够的拉架力、推移力，走得动，还要有合理的结构形式使顶煤放得下来，又有适当的维护空间。 排头放顶煤支架的设计与工作面中间支架相比难度较大，其一是工作面两端为输送机的机头和机尾，它们位置较高，要想把顶煤放在输送机槽内，要求支架后部空间特别大，一般比较难以满足，其二是两端头位于工作面与上、下顺槽的交叉口，空顶面积较

21、大，顶板比较难以维护，要求支架的稳定性好。,1)排头放顶煤支架的特点 排头放顶煤支架是用于厚煤层综放工作面两端的支护设备，用它支护和管理输送机机头机尾区域顶板，冒落顶煤、隔离采空区，并能自动移置和推拉输送机。其特点为： 工作面两端部是进出工作面内部的必经之路，所需支护面积较大，要求支架具有较强的支护力和较高的可靠性，当沿空掘巷时支架的支护能力更应加强； 工作面两端部设备多、体积大、空间紧张，要求尽量压缩支架立柱及稳定机构等占用空间，加大前、后输送机机头(尾)安装及工作空间； 放顶煤排头支架工作时，一般尾梁处在较高位置(与水平线夹角较小)，垮落的顶煤作用在尾梁上，对支架形成了较大的附加外载，并增

22、大了移架阻力，因此在确定支架工作阻力及移架力时应充分考虑尾梁附加外载的影响； 由于前、后输送机机头(尾)较重，受结构限制支架顶梁较长，底座较短，造成底座前端的底板比压较大，因此要求支架具有可靠的推移机构及足够的推移力； 通常放顶煤排头支架处的工作顺序为先推溜、后移架(即滞后支护)。,3综采放顶煤工作面的设备配套,2 )排头放顶煤支架的主要技术参数 工作阻力。放顶煤排头支架工作阻力的大小，可依据与之配套的工作面支架的工作阻力及端头支护方式来确定。在不配用端头支架的放顶煤工作面，作为整个工作面的排头支架，对整个工作面起锚固作用，支架工作状况恶劣，受力复杂，此时放顶煤排头支架工作阻力应高于工作面支架

23、工作阻力。 在配用端头支架的综采放顶煤工作面，一般排头支架均可放煤，放煤后支架受力状况与工作面支架基本相同，此时排头支架工作阻力可与工作面支架工作阻力相同。 调高范围。放顶煤排头支架最大高度可依据巷道、端头支架、工作面支架的高度确定。由于输送机过渡段设备升高，一般放顶煤排头支架最大高度不小于工作面支架高度，但也不大于端头支架高度。放顶煤排头支架最小高度的确定原则与工作面支架相同，以能方便运输为准。 移架及推拉溜力。一般放顶煤排头支架架体都大于工作面支架，底座前端比压也比工作面支架要大，移架时阻力较大，需较大移架力。另外，输送机机头(尾)的重量也较大，需较大推(拉)溜力。一般应采用正推式推移机构

24、，移架力应大于3倍的支架重量，推溜力应大于1.5倍移架力。拉后溜力也应大于中部架拉后溜力。,3综采放顶煤工作面的设备配套,3)排头放顶煤液压支架的设计要求 为可靠提供安全空间，支架应具有较强的支护能力及较高的可靠性； 要有足够的前、后输送机机头(尾)安装及工作空间，并保证足够的过煤高度，水平方向极限位置最小安全空间应大于50mm，支架在工作高度时垂直方向净空间应大于电机直径； 应留有必要的行人空间； 尽量压缩顶梁长度，减少控顶面积并增大顶梁前端承载能力； 要有可靠的推移机构及足够的推移力； 应能与工作面放顶煤支架平稳过渡，避免或减少侧向窜矸； 不配用排头支架尺寸，应有利于转载机机尾工作空间的维

25、护； 配用排头支架时，应协调好与端头支架的相应关系； 通常应带有防倒、防滑装置； 一般应具有高效可靠的放煤机构(当配套和工艺不要求在排头支架处放煤时，也可不设放煤机构)； 排头支架处通常为不及时支护，因此排头支架的顶梁(或前梁)宜带伸缩梁； 一般放煤排头支架的稳定机构为窄形结构，该稳定机构应采取必要的加强措施； 所用的架型、立柱千斤顶和液压元件等应尽量与基本支架采用的相同。,3综采放顶煤工作面的设备配套,4)排头放顶煤液压支架架型及放煤机构 依据支架稳定机构形式，可将排头放顶煤液压支架分为反四连杆式及单摆杆式2种。依据尾梁支撑形式，可将排头放顶煤液压支架分为悬伸尾梁式、两级悬伸尾梁式、托梁式及

26、辅助支撑式4种。依据支架放煤口及放煤机构形式，可将排头放顶煤液压支架分为天窗式和插板式2种。组合后，使用较多的有以下几种架型： (1)反四连杆辅助支撑天窗式； (2)反四连杆托梁天窗式； (3)反四连杆悬伸尾梁插板式； (4)反四连杆两级悬伸尾梁插板式； (5)单摆杆悬伸尾梁插板式。 应根据工作面支架结构型式、工作阻力、调高范围、顶煤破碎程度及压力大小等条件选择排头放顶煤液压支架架型。 通常为便于设备配套及生产管理，排头放顶煤液压支架架型及放煤机构应尽量与工作面支架架型及放煤机构相类似。,3综采放顶煤工作面的设备配套,3综采放顶煤工作面的设备配套,3综采放顶煤工作面的设备配套,图 ZTF650

27、0/19/32排头放顶煤液压支架,3.2.5 端头放顶煤液压支架,3综采放顶煤工作面的设备配套,1）端头支架架型选择 以往的端头支架有三种类型：三架一组；二架一组(前、后架型式)；主架一组，付架一组。这几种架型在不同局矿均有使用，使用效果均不理想，主要是端头支架重量太重，结构复杂，移架不顺利。兴隆庄煤矿结合自身的地质条件及端头区的顶底板维护情况，通过调研、分析研究，确定了端头支架架型为两架一组，左右架型式的简易式端头支架。,3综采放顶煤工作面的设备配套,图 ZT9800/16/30端头液压支架,3综采放顶煤工作面的设备配套,ZT9800/16/30端头液压支架主要技术参数,3综采放顶煤工作面的

28、设备配套,2）端头支架的组成 端头支架主要由金属结构件、执行油缸和液压控制元件三大部分组成。 1)主要金属结构件有：左右前梁、左右前顶梁、左右中顶梁、左右后顶梁、左右掩护梁、左右连杆、左右后底座、左右中底座、左右前底座等。 2)执行油缸有：前立柱、后立柱、前架防倒千斤顶、后架防倒千斤顶、底座侧推千斤顶、推移千斤顶。 3)液压控制元件主要有：液压控制阀、操纵阀、单向锁、安全阀、截止阀及液压辅助载元件。,3）端头支架的特点 1)该支架型式为：简易式两架一组的左右架型式端头支架。 2)端头支架由两组单独支架组成，结构简单、重量轻、移架方便。 3)两组单独支架均有四连杆机构，稳定水平位移。 4)每架最

29、前顶梁带铰接前梁，适应前端顶板的变化。 5)两架顶梁处设置四组拉架千斤顶，防止支架拉移时支架歪斜，起稳定作用。 6)在其中一架底座上，设置调底千斤顶，以便调整底座。,3综采放顶煤工作面的设备配套,适应巷道和工作面宽度变化； 前推后拉与转载机同步前进； 与转载机、运输机、排头支架不接触； 结构简单，管理使用简便，适应性强。,特点,潞安王庄煤矿研制了位于外帮的ZDWX-07型侧向自移式端头液压支架。,3.2.6 工作面前部刮板输送机的选型 主要原则是以采煤机最大生产能力为基数，保证工作面运煤能力和运输设备的可靠性和耐用性，兼顾设备启动、保护和控制性能。主要有以下几个方面： 运送量应与采煤机最大生产能力相适应，并且有一定备用能力。 结合煤质硬度、块度、运量选择结构型式（单链、双边链、双中链等）、煤质较硬、块质较大时优先选用双边链；煤质较软时可选用单链或双中心链。 输送机溜槽的结构选择铸焊结合高强度溜槽，一般选用封底式。封底式阻力小，主要用于底板较松软条件。 为了