CN103939101B - 一种块煤开采方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种块煤开采方法，包括以下步骤：一、煤层超前预裂：沿煤层工作面推进方向，由近至远对需开采煤层进行工作面超前预裂；二、预裂煤层开采：由近至远对经超前预裂后的煤层进行开采，开采过程中同步对液压支架的支护力进行调节；过程如下：201、煤层开采：采用采煤机对当前采煤工作面进行开采，开采时采用的割煤方式为单向割煤方式；202、液压支架支护及工作阻力调节；203、按照步骤201至202中所述的方法，进行下一循环的煤层开采；204、多次重复步骤203，直至完成需开采煤层的全部开采过程。本发明方法步骤简单、设计合理且简单易行、使用效果好，能有效提高综采工作面的块煤率和回收率。

Description

一种块煤开采方法

技术领域

本发明属于煤层开采技术领域，尤其是涉及一种块煤开采方法。

背景技术

由于块煤生产受煤层自身强度、地质条件、采煤工艺、转载过程等诸多因素影响，产量只占原煤总产量的10％～30％左右。在煤炭运输过程中，由于转载点落差和落煤方式的不同，造成块煤跌落时相互碰撞冲击，使块煤损失严重，块煤率在运输过程中下降20％～30％以上。因此，现有综采工作面开采工艺条件下造成煤体过度粉碎，全矿的生产块煤率低下。据统计，现有煤矿全矿的块煤生产率不到15％，粉煤生产率为85％左右。粉煤价格最低，主要销往电厂，块煤价格是粉煤的2倍以上，市场销售前景好，且不同规格的块煤价格差价在100元/吨～150元/吨，详见表1：

表1原煤销售价格表

品名	规格(mm)	价格(元/吨)
			粉煤	＜15	210
煤丁	15～30	430
			小块	30～60	530
中块	60～90	750
			大块	＞90	900

影响综采工作面块煤率的因素很多，相应地提高块煤率的方法也多种多样。目前，比较流行的方法主要是从设备优化、采煤工艺改进、矿山压力利用以及煤层岩性的改变四方面作为切入点，进而提高综采工作面的块煤率。其中，设备优化方面，主要对滚筒截齿数量、滚筒截齿排列的方式、滚筒直径、叶片头数、叶片螺旋角等参数进行优化。采煤工艺改进方面，主要从降低滚筒转速、改变滚筒旋转方向、由双向割煤改为单向割煤、增大截割深度、适当增大切削厚度、适当增大采煤机牵引速度等方面进行改进，以提高块煤率。同时，通过炸药深孔爆破技术对煤层进行松动爆破，协同双滚筒采煤机割煤，从而达到提高综采工作面块煤率的目的。综上，提高块煤率是提高煤炭生产经济效益的一个重要途径。但上述提高块煤率的方法大多都处于理论研究阶段，可操作性较差，并且提高综采工作面块煤率效果不佳，现如今并未出现一种方法步骤简单、设计合理且简单易行、使用效果好的块煤开采方法，其能对综采工作面的开采过程进行具体指导，并能有效提高综采工作面的块煤率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种块煤开采方法，其方法步骤简单、设计合理且简单易行、使用效果好，能有效提高综采工作面的块煤率。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种块煤开采方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一、煤层超前预裂：沿煤层工作面推进方向，由近至远对需开采煤层进行工作面超前预裂；

步骤二、预裂煤层开采：步骤一中对需开采煤层进行工作面超前预裂过程中，由近至远对经超前预裂后的煤层进行开采，且开采过程中同步对液压支架的支护力进行调节；实际进行开采时，过程如下：

步骤201、煤层开采：采用采煤机对当前采煤工作面进行开采，开采时采用的割煤方式为单向割煤方式；

步骤202、液压支架支护及工作阻力调节：步骤201中当前采煤工作面的开采工作完成后，采用液压支架及时对采煤工作面端面进行支护；支护完成后，通过减小所述液压支架的工作阻力，使当前采煤工作面前方的煤层在所述采煤工作面顶板压力作用下进一步被压裂破碎；

步骤203、按照步骤201至步骤202中所述的方法，进行下一循环的煤层开采；

步骤204、多次重复步骤203，直至完成需开采煤层的全部开采过程。

上述一种块煤开采方法，其特征是：步骤一中对需开采煤层进行超前预裂时，采用深孔预裂爆破方法或水压致裂方法进行超前预裂，其中深孔预裂爆破方法为二氧化碳预裂或炸药爆破。

上述一种块煤开采方法，其特征是：步骤201中所述采煤机上安装有用于在煤壁上切割微型切槽的切槽件，所述微型切槽为平直矩形槽且其沿煤壁的长度方向布设；

所述切槽件为安装在所述采煤机的滚筒上的螺旋切割装置或高压水射流切割装置；

步骤201中煤层开采过程中，采用所述切槽件在煤壁上切割一道或两道所述微型切槽，两道所述微型切槽呈平行布设。

上述一种块煤开采方法，其特征是：步骤一中对需开采煤层进行超前预裂时，采用二氧化碳预裂与水压致裂相结合的方法进行超前预裂，且由近至远分多个节段进行超前预裂，多个所述节段的超前预裂方法均相同；其中，对任一个节段进行超前预裂时，过程如下：

步骤101、钻孔：在步骤201中当前采煤工作面前方50m～150m位置处钻取预裂钻孔，所述预裂钻孔的数量为一个或多个；所述预裂钻孔的钻进方向与当前采煤工作面呈平行和/或垂直布设；所述预裂钻孔的长度为50m～150m；

其中，钻取与当前采煤工作面呈垂直布设的所述预裂钻孔时，先在钻孔位置处掘进施工一个硐室，再通过硐室钻取所述预裂钻孔；

步骤102、二氧化碳预裂：先在步骤101中所钻的各预裂钻孔内均安装二氧化碳预裂器并进行封孔，封孔长度8m～10m；之后起爆，对所述需开采煤层进行预裂；

步骤103、注水管安装：步骤102中二氧化碳预裂完成后，在各预裂钻孔内均安装高压注水管，并进行封孔且封孔长度为8m～10m；

步骤104、水压致裂：通过所述高压注水管向各预裂钻孔内注水，进行水压致裂；此时，完成当前节段的超前预裂过程；

步骤105、按照步骤101至步骤104中所述的方法，对下一节段进行预裂；

步骤106、多次重复步骤105，直至完成所述需开采煤层的全部超前预裂过程。

上述一种块煤开采方法，其特征是：当所述采煤机为单滚筒采煤机时，步骤201中采用单向割煤方式进行开采过程中，先进刀进行割煤，且回程过程中采用所述切槽件在煤壁上切割一道所述微型切槽；当所述采煤机为双滚筒采煤机时，所述采煤机的两个所述滚筒分别为前滚筒和后滚筒，所述前滚筒和/或后滚筒上安装有所述切槽件；步骤201中采用单向割煤方式开采过程中，先进刀进行割煤，且回程过程中采用所述切槽件在煤壁上切割一道或两道所述微型切槽。

上述一种块煤开采方法，其特征是：所述螺旋切割装置为螺旋钻头，所述螺旋钻头的直径为80mm～120mm且其长度为700mm～900mm，采用螺旋切割装置所切割微型切槽的槽宽和槽深分别为80mm～120mm和700mm～900mm；

采用所述高压水射流切割装置所切割微型切槽的槽宽和槽深分别为20mm～50mm和20mm～50mm。

上述一种块煤开采方法，其特征是：步骤201中所述采煤机的滚筒上所设置螺旋叶片的数量其中，D为螺旋叶片的宽度，P为螺旋叶片的螺距；其中，n＝2～4；并且，所述螺旋叶片的螺旋角为5°～30°；

所述螺旋叶片上所设置截齿的数量为m；其中m的取值由步骤一中所述需开采煤层的硬度系数f决定：当步骤一中所述需开采煤层的硬度系数f为2.5～3.5时，m＝7个～10个；当步骤一中所述需开采煤层的硬度系数f大于3.5时，m＝9个～17个；

所述螺旋叶片上所设置截齿的排列方式为棋盘式排列。

上述一种块煤开采方法，其特征是：步骤201中所述采煤机为双滚筒采煤机；开采之前，先对开采工艺参数进行设定，其参数设定过程如下：

步骤Ⅰ、滚筒转速设定：当步骤一中所述需开采煤层为层厚为0.8m～1.5m的薄煤层时，滚筒转速为50r/min～70r/min；当所述需开采煤层为层厚为1.5m～3.5m的中厚煤层时，滚筒转速为30r/min～50r/min；当所述需开采煤层为层厚为3.5m以上的厚煤层时，滚筒转速为20r/min～30r/min；

步骤Ⅱ、牵引速度设定：将所述双滚筒采煤机的牵引速度设定为3m/min～6m/min；

步骤Ⅲ、切削厚度设定：将所述双滚筒采煤机滚筒的切削厚度设定为40mm～80mm；

步骤Ⅳ、滚筒旋转方向设定：所述双滚筒采煤机前后两个滚筒的旋转方向相反，两个所述滚筒分别为前滚筒和后滚筒，其中前滚筒的旋转方向为顺时针旋转，所述后滚筒的旋转方向为逆时针旋转；

步骤Ⅴ、截割深度设定：将所述双滚筒采煤机滚筒的截割深度设定为50mm～100mm；

步骤201中进行预裂煤层开采时，按照步骤Ⅰ至步骤Ⅴ中所设定的开采参数进行开采。

上述一种块煤开采方法，其特征是：步骤101中所述预裂钻孔与水平方向之间的夹角不大于20°，所述预裂钻孔的孔径为Φ65mm～Φ105mm且其长度为80m～150m；步骤102中在所述预裂钻孔内安装所述二氧化碳预裂器时，各预裂钻孔内均沿中心轴线方向由前至后安装多个所述二氧化碳预裂器，所述二氧化碳预裂器的长度为1.5m～2.5m且其直径为Φ50mm～Φ55mm，所述二氧化碳预裂器内所注入二氧化碳为0.5kg～1.2kg的液态二氧化碳；步骤104中进行水压致裂时，注水压力控制在8MPa～10Mpa，注水渗透半径为9m～11m，各预裂钻孔的注水时间为8天～10天，各预裂钻孔的总注水量为556m³～600m³，且注水流量为0.3m³/h～2.0m³/h。

上述一种块煤开采方法，其特征是：步骤101中所钻取预裂钻孔均为与当前采煤工作面呈平行布设的钻孔；步骤一中采用二氧化碳预裂与水压致裂相结合的方法进行超前预裂时，每个预裂节段的长度为10m～15m。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、方法步骤简单、设计合理且简单易行，投入成本较低。

2、施工方便，可操作性强，且开采效率较高。

3、设计合理，从超前预裂、采煤机结构、采煤机开采工艺和围岩压力利用四个方面进行综合调整，能有效提高综采工作面的块煤率，并且超前预裂工艺参数、采煤机结构参数和采煤机开采工艺参数均设计合理，实现方便，并能对围岩压力进行有效利用。

4、超前预裂、煤层开采与围岩压力调节三个工序独立进行，互不干扰，因而开采效率高。煤层开采过程中，同步对采煤机运行姿态和液压支架的工作阻力进行调节，通过对液压支架支护的工作阻力调节控制煤壁破碎度。

5、采用节段方式进行超前定向预裂，预裂过程易于控制，预裂范围合理，能实现定向超前预裂，并能有效提高综采工作面的块煤率。

6、所采用的二氧化碳预裂与水压致裂相结合的超前预裂方法步骤简单、实现方便且预裂效果好，不仅能提高综采工作面的块煤率，而且实现方便，安全可靠。与传统的炸药爆破方法比较有安全、高效、清洁、经济等优势。

7、经济效益及社会效益显著，能有效提高综采工作面的块煤率10％～30％，综合采出率达到85％以上，并且节能、环保，开采过程安全、可靠。

综上所述，本发明方法步骤简单、设计合理且简单易行、使用效果好，能对综采工作面的开采过程进行具体指导，并能有效提高综采工作面的块煤率。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的方法流程框图。

图1-1为本发明煤层超前预裂的方法流程框图。

图2为本发明采煤机滚筒的结构示意图。

图3为本发明螺旋叶片上截齿的排列状态示意图。

图4为本发明双滚筒采煤机的结构示意图。

图5为图4的俯视图。

图6为本发明螺旋钻头的安装状态示意图。

图7为本发明高压水射流切割装置的安装状态示意图。

附图标记说明:

1—机身；2—前牵引部；3—后牵引部；

4—电控箱；5—前摇臂；6—前滚筒；

7—前截割电机；8—后摇臂；9—后滚筒；

10—后截割电机；11-1—喷嘴；11-2—高压水管；

11-3—水压增压器；12—螺旋切割装置；13—螺旋叶片；

14—截齿；15—滚筒筒体；16—滚筒驱动轴。

具体实施方式

实施例1

如图1所示的一种块煤开采方法，包括以下步骤：

步骤一、煤层超前预裂：沿煤层工作面推进方向，由近至远对需开采煤层进行工作面超前预裂。

本实施例中，结合图1-1，步骤一中对需开采煤层进行超前预裂时，采用二氧化碳预裂与水压致裂相结合的方法进行超前预裂，且由近至远分多个节段进行超前预裂，多个所述节段的超前预裂方法均相同。其中，对任一个节段进行超前预裂时，过程如下：

步骤101、钻孔：在步骤201中当前采煤工作面前方50m～150m位置处钻取预裂钻孔，所述预裂钻孔的数量为一个或多个；所述预裂钻孔的钻进方向与当前采煤工作面呈平行和/或垂直布设。所述预裂钻孔的长度为50m～150m。

其中，钻取与当前采煤工作面呈垂直布设的所述预裂钻孔时，先在钻孔位置处掘进施工一个硐室，再通过硐室钻取所述预裂钻孔。

实际施工时，当需开采煤层的层厚不大于8m时，所述预裂钻孔仅为与当前采煤工作面呈平行布设的钻孔；当需开采煤层的层厚大于8m时，所述预裂钻孔仅为与当前采煤工作面呈垂直布设的钻孔，或者既包括与当前采煤工作面呈平行布设的钻孔，也包括与当前采煤工作面呈垂直布设的钻孔。

实际进行钻孔时，当需开采煤层的层厚大于8m时，所钻取预裂钻孔的数量为多个，且所钻取的多个预裂钻孔由上至下分层进行布设。

本实施例中，当所述预裂钻孔与当前采煤工作面呈平行布设时，钻取所述预裂钻孔时，在当前采煤工作面前方50m～150m位置处的上下顺槽各布置一个钻孔工作点，再由顺槽中直接往煤层打垂直于煤层走向的预裂钻孔。

本实施例中，步骤101中所述预裂钻孔与水平方向之间的夹角不大于20°，所述预裂钻孔的孔径为Φ65mm～Φ105mm且其长度为80m～150m。

实际施工时，可以根据具体需要，对所述预裂钻孔的孔径、长度以及所述预裂钻孔与水平方向之间的夹角大小进行相应调整。

本实施例中，需开采煤层的层厚为5m～6m，每个预裂节段所钻取预裂钻孔的数量均为一个。步骤一中所钻取预裂钻孔均为与当前采煤工作面呈平行布设的钻孔，每个节段的长度为10m～15m。

也就是说，相邻两个所述预裂钻孔之间的间距与预裂节段的长度一致，即相邻两个所述预裂钻孔之间的间距为10m～15m。

步骤102、二氧化碳预裂：先在步骤101中所钻的各预裂钻孔内均安装二氧化碳预裂器并进行封孔，封孔长度8m～10m；之后起爆，对所述需开采煤层进行预裂。

本实施例中，在所述预裂钻孔内安装所述二氧化碳预裂器时，各预裂钻孔内均沿中心轴线方向由前至后安装多个所述二氧化碳预裂器，所述二氧化碳预裂器的长度为1.5m～2.5m且其直径为Φ50mm～Φ55mm，所述二氧化碳预裂器内所注入二氧化碳为0.5kg～1.2kg的液态二氧化碳。所述二氧化碳预裂器的侧壁上开有径向喷发孔。起爆后，二氧化碳气体造成的冲击波沿侧向爆发。固定套的固定机构随爆破启动，防止所述二氧化碳预裂器自所述预裂钻孔中射出。

实际施工时，可以根据具体需要，对所述二氧化碳预裂器的长度和直径以及所述二氧化碳预裂器内所注入液态二氧化碳的重量进行相应调整。

本实施例中，在所述预裂钻孔内安装所述二氧化碳预裂器时，除所述预裂钻孔的封孔段外，在所述预裂钻孔的其余部分均安装所述二氧化碳预裂器，也就是说，所述二氧化碳预裂器安装在所述预裂钻孔的前端。

本实施例中，用炮泥进行封孔。爆破后，回收所述二氧化碳预裂器以备下次重复使用。

步骤103、注水管安装：步骤102中二氧化碳预裂完成后，在各预裂钻孔内均安装高压注水管，并进行封孔且封孔长度为8m～10m。

本实施例中，步骤102中二氧化碳预裂完成后，各预裂钻孔的封口段处于完好状态，且步骤103中安装所述高压注水管时，具体是在步骤102中二氧化碳预裂过程中的所述封口段内安装。

本实施例中，进行二氧化碳预裂时，其预裂原理与二氧化碳爆破原理相同，先将多个所述二氧化碳预裂器(也称所述二氧化碳预裂管，其为内部装有液态二氧化碳的高压管)由前至后逐一安装入所述预裂钻孔内，再采用引爆电流或加热方式，对所述二氧化碳预裂器内的二氧化碳迅速从液态转化为气态，在40ms左右的时间内，所装二氧化碳的体积膨胀达600多倍，所述二氧化碳预裂器内的管内压力增至270MPa～400MPa。此时，二氧化碳气体透过径向喷发孔，迅速向外爆发，利用瞬间产生的强大推力，沿钻孔壁自然裂隙引发煤体破碎，从而达到预裂效果，全过程在1s内完成。

所述二氧化碳预裂器的头部开有2～3个释放CO₂的卸压孔，且各卸压孔上均安装有泄压阀。

本实施例中，所述二氧化碳预裂器的CO₂气体释放体积为150L～600L，爆炸反应时间为40ms左右，爆破压力为270MPa～400MPa。

实际进行二氧化碳预裂时，所述二氧化碳预裂器安装在所述预裂钻孔的前端(也称始端)，并且相邻两个所述二氧化碳预裂器之间使用导线连接，所采用封口管的直径与所封预裂钻孔的孔径一致。实际安装时，所述二氧化碳预裂器最大深入预裂钻孔的深度为60米左右，采用人工进行安装。爆破后将封孔管和所述二氧化碳预裂器取出，进行复用。

实际使用过程中，二氧化碳预裂具有以下特点：

第一、爆破过程没有火花，对高瓦斯矿井的爆破作业，尤为安全；

第二、爆破威力大，量多块大，减少了工人的劳动强度，且不会造成放炮崩人事故的发生。爆破后，煤块成块率高，粉煤比率降低，基本不扬尘,大大降低了煤尘隐患。

第三、采用低压起爆器，起爆安全。

第四、没有具有破坏性的震荡或震波，减少了诱发突出几率。

第五、不需进行验炮，爆破后便可进人，可连续作业。

第六、二氧化碳预裂器不属于民爆产品，运输、储存和使用获豁免审批，也不需要专门的放炮员。

本实施例中，安装高压注水管时，还需安装与所述高压注水管相接的注液系统，所述注液系统由注水泵(含压力泵、水箱、压力表、安全阀、溢流阀等)、高压钢丝胶管、双功能高压水表和高压橡胶自动封孔器组成。

本实施例中，所述注水泵采用BRW200/31.5乳化液泵。

实际使用时，也可以采用其它类型的注水泵。

本实施例中，所述高压水管为D50高压软管。实际使用时，也可以采用其它类型的高压水管。

步骤104、水压致裂：通过所述高压注水管向各预裂钻孔内注水，进行水压致裂；此时，完成当前节段的超前预裂过程。

本实施例中，进行水压致裂时，注水压力控制在8MPa～10Mpa，注水渗透半径为9m～11m，各预裂钻孔的注水时间为8天～10天，各预裂钻孔的总注水量为556m³～600m³，且注水流量为0.3m³/h～2.0m³/h。

实际施工时，可以根据具体需要，对注水压力、注水渗透半径、注水时间、总注水量和单位时间内的注水量进行相应调整。

其中，对注水压力进行调整时，注水压力应控制到使煤体出现一定程度的渗水为止；各预裂钻孔的注水时间以煤体有水溢出和有明显出水量增加为准；根据实际注水情况来看，各预裂钻孔的总注水量以不小于煤层含水增量0.5％计算；所采用活性水的比例，根据现场煤层软化系数进行确定。

本实施例中，采用二氧化碳预裂与水压致裂相结合的方法进行超前预裂，与传统水压爆破不同的是：不再使用对煤矿安全构成威胁的水胶炸药，改用安全的二氧化碳预裂器，同样能取到煤层破碎预裂的效果，并且煤层预裂效果更佳，更安全、可靠。

本发明将二氧化碳致裂和水深孔爆破相配合，待二氧化碳致裂完成后实施水压致裂，利用二氧化碳爆破形成的人工裂隙，进行水压致裂使裂隙进一步扩展，从而达到更佳的煤层预裂效果。

本实施例中，实际进行注水时，所注水为活性水，并且采用单泵扇形混合注水方式。通过所注入的活性水能让煤体充分预裂和破碎，弱化煤层。

步骤105、按照步骤101至步骤104中所述的方法，对下一节段进行预裂。

步骤106、多次重复步骤105，直至完成所述需开采煤层的全部超前预裂过程。

实际施工时，步骤一中对需开采煤层进行超前预裂时，也可以采用采用深孔预裂爆破方法或水压致裂方法进行超前预裂，其中深孔预裂爆破方法为二氧化碳预裂或炸药爆破。并且，采用采用深孔预裂爆破方法或水压致裂方法进行超前预裂时，由近至远分多个节段进行超前预裂。

本实施例中，步骤101中所钻取预裂钻孔均为与当前采煤工作面呈平行布设的钻孔。步骤一中采用二氧化碳预裂与水压致裂相结合的方法进行超前预裂时，每个预裂节段的长度为10m～15m。也就是说，每一次超前预裂后，预裂的范围均为长度10m～15m的范围。此时，每个预裂节段仅需钻取一个预裂钻孔。

实际施工过程中，可以具体需要，对各超前预裂节段的长度进行相应调整。

本实施例中，每个超前预裂节段均采用一个与当前采煤工作面呈平行布设的预裂钻孔。并且，前后相邻两个所述预裂钻孔之间的间距为10m～15m。

步骤二、预裂煤层开采：步骤一中对需开采煤层进行工作面超前预裂过程中，由近至远对经超前预裂后的煤层进行开采，且开采过程中同步对液压支架的支护力进行调节；实际进行开采时，过程如下：

步骤201、煤层开采：采用采煤机对当前采煤工作面进行开采，开采时采用的割煤方式为单向割煤方式。

实际开采时，降低采煤机滚筒转速，增大采煤机牵引速率。

步骤202、液压支架支护及工作阻力调节：步骤201中当前采煤工作面的开采工作完成后，采用液压支架及时对采煤工作面端面进行支护；支护完成后，通过减小所述液压支架的工作阻力，使当前采煤工作面前方的煤层在所述采煤工作面顶板压力作用下进一步被压裂破碎。

本实施例中，充分利用采场围岩压力，通过调节所述液压支架的工作阻力，利用围岩压力压裂工作面前方煤体。

实际施工时，在工作面煤壁硬度较大，顶板比较完整不易垮落的情况下，适当降低所述液压支架的支护强度，将顶板压力传递给煤壁，使煤壁受到的压力增大，在采煤机割煤时煤壁自然破碎垮落，形成大块煤，从而有效地避免了采煤机截齿14对煤体的大量切割。本实施例中，所述液压支架为二柱掩护式整体顶梁液压支架，整体顶梁带800mm行程的内伸缩梁，该支架的伸缩梁能及时伸出，对防止架前片帮、冒顶起着十分重要的作用，为降低支架支护强度、提高块煤率的生产工艺提供了安全保障。

步骤203、按照步骤201至步骤202中所述的方法，进行下一循环的煤层开采。

步骤204、多次重复步骤203，直至完成需开采煤层的全部开采过程。

实际施工过程中，步骤一中煤层超前预裂、步骤201中煤层开采和步骤202中液压支架支护及工作阻力调节过程相互独立，且三者同步进行，互不干扰。

本实施例中，步骤201中所述采煤机上安装有用于在煤壁上切割微型切槽的切槽件，所述微型切槽为平直矩形槽且其沿煤壁的长度方向布设。

步骤201中煤层开采过程中，采用所述切槽件在煤壁上切割一道或两道所述微型切槽，两道所述微型切槽呈平行布设。本实施例中，两道所述微型切槽均呈水平向布设。

实际开采时，采用所述切槽件在煤壁上切割一道所述微型切槽时，所切割的一道所述微型切槽位于所述采煤机的1/2采高位置处。

采用所述切槽件在煤壁上切割两道所述微型切槽时，所切割的两道所述微型切槽分别位于所述采煤机的1/3采高位置处和3/2采高位置处。

本实施例中，所述切槽件为安装在所述采煤机的滚筒上的高压水射流切割装置。

本实施例中，如图2所示，步骤201中所述采煤机的滚筒上所设置螺旋叶片13的数量其中，D为螺旋叶片13的宽度，P为所述螺旋叶片13的螺距；其中，n＝2～4；并且，所述螺旋叶片13的螺旋角为5°～30°。也就是说，所述采煤机的滚筒上设置有n个螺旋叶片13，n个所述螺旋叶片13形成多螺旋结构。

所述采煤机的滚筒上所设置螺旋叶片13的数量n决定了螺旋叶片13的导程S，其中S＝P×n，P为所述螺旋叶片13的螺距；而导程S应不小于所述螺旋叶片13的宽度D。因此，螺旋叶片13的数量必须满足P×n>D，即n>D/P。本实施例中，n＝2～4，如果螺旋叶片13的数量过多，相邻螺旋叶片13之间的间距减小，煤流空间狭窄，将增加阻力和能耗，且螺旋叶片13数量过多也不利于加工。

实际开采过程中，所述螺旋叶片13的螺旋角越大，排煤的能力也越大，但螺旋角过大时，容易引起煤尘粉碎；螺旋角过小，所述螺旋叶片13的排煤能力小，煤在螺旋叶片13的内循环，造成煤的重复破碎，使块煤率降低。本实施例中，将所述螺旋叶片13的螺旋角为5°～30°后，能有效提高块煤率。

实际加工时，每个所述螺旋叶片13上均由外至内安装有多个截齿14。

本实施例中，所述螺旋叶片13上所设置截齿14的数量为m；其中m的取值由步骤一中所述需开采煤层的硬度系数f决定：当步骤一中所述需开采煤层的硬度系数f为2.5～3.5时，m＝7个～10个；当步骤一中所述需开采煤层的硬度系数f大于3.5时，m＝9个～17个。

由于在煤层裂隙发育程度及地质条件允许的条件下，减少截齿14的数量是提高块煤率的有效途径，因而截齿14的数量应根据煤质情况来确定。本实施例中，所采用的截齿14为镐形和刀形且其安装方向为切向或径向。

实际施工时，可以根据具体需要，对所述滚筒上所设置螺旋叶片13的数量、所述螺旋叶片13的螺距、所述螺旋叶片13的螺旋角以及m和n的取值大小进行相应调整。

实际开采过程中，对所述采煤机的滚筒直径进行确定时，选择大直径滚筒，有利于降低临界滚筒转速，提高装煤效果，但直径过大时，会增加能耗，减小煤的块度；当滚筒直径过小时，装煤效率会降低。本实施例中，所述采煤机的滚筒直径为1m～3.5m。另外，为提高滚筒装煤能力，在保证螺旋叶片13与滚筒筒体15的焊接强度下，并满足采煤机摇臂传动装置安装空间的前提下，滚筒筒体15的直径应尽可能小。其中，滚筒筒体15的直径指滚筒筒体15的直径，滚筒直径指筒体上安装好螺旋叶片13及截齿14后的直径。因而，应根据具体需要，对滚筒直径及其滚筒筒体15的直径进行确定。

如图3所示，所述螺旋叶片13上所设置截齿14的排列方式为棋盘式排列。

实际开采过程中，采用截齿14采用棋盘式排列方式时，在进刀方向上截割过程中两个相邻截槽已先截出，形成的截槽两侧对称，切屑厚度大,截获的块度和块率比顺序式排列方式提高近1倍，粉尘量明显减少。

本实施例中，步骤201中所述采煤机为双滚筒采煤机，详见图4和图5；开采之前，先对开采工艺参数进行设定，其参数设定过程如下：

步骤Ⅰ、滚筒转速设定：当步骤一中所述需开采煤层为层厚为0.8m～1.5m的薄煤层时，滚筒转速为50r/min～70r/min；当所述需开采煤层为层厚为1.5m～3.5m的中厚煤层时，滚筒转速为30r/min～50r/min；当所述需开采煤层为层厚为3.5m以上的厚煤层时，滚筒转速为20r/min～30r/min。

实际进行开采时，滚筒转速对滚筒的截割和装载过程影响较大。滚筒转速低可以增加切削厚度，提高块煤率；但转速过低，会降低装煤效果，增加截割功率，易出现滚筒堵塞现象。滚筒转速过高则切削太薄，将生成较多的粉煤，同时引起循环煤的增多，但转速高可以提高滚筒的装载能力。本实施例中，根据煤层厚度，对滚筒转速进行设定，能有效提高工作面块煤率。

步骤Ⅱ、牵引速度设定：将所述双滚筒采煤机的牵引速度设定为3m/min～6m/min。

在采煤机滚筒转速一定的情况下，随着牵引速度的增大，块煤率增大；反之，块煤率减小。从理论上分析，理论最大切屑厚度与滚筒的牵引速度成正比，而与滚筒转速成反比。为获得较大块煤率，应使滚筒转速尽量小，牵引速度尽可能大。本实施例中，将牵引速度设定为3m/min～6m/min，能最大程度上提高块煤率。

步骤Ⅲ、切削厚度设定：将所述双滚筒采煤机滚筒的切削厚度设定为40mm～80mm。

采煤机滚筒的截齿14截割煤岩时，由于受滚筒转动和牵引速度的影响，截齿14作弧形截割，其切屑形状呈月牙形。经分析得知，采煤机切削厚度与粉尘量呈双曲线趋势下降，相应的块煤率也随之增大。从煤块的形成机理来看，当切削厚度加大时，与受截齿14挤压形成的煤粉核相接触的煤体体积增大，从而使得破碎块和拉应力向上的裂纹增多，块量增加，煤尘减少。本实施例中，滚筒的切削厚度设定为40mm～80mm，能有效提高块煤率。

步骤Ⅳ、滚筒旋转方向设定：所述双滚筒采煤机前后两个滚筒的旋转方向相反，两个所述滚筒分别为前滚筒6和后滚筒9，其中前滚筒6的旋转方向为顺时针旋转，所述后滚筒9的旋转方向为逆时针旋转。

为增强采煤机工作稳定性，所述双滚筒采煤机的前后两个滚筒的转向采用转向相反的布置方式，布置方式有“前顺后逆”和“前逆后顺”两种。本实施例中，采用第一种方式，即前滚筒6的旋转方向为顺时针旋转，所述后滚筒9的旋转方向为逆时针旋转，该方式适用于滚筒直径大、采高大且生产率高的工作面，装煤效果好，煤块不易破碎，前滚筒6不向司机甩煤，飞扬的灰尘也较少。

步骤Ⅴ、截割深度设定：将所述双滚筒采煤机滚筒的截割深度设定为50mm～100mm。

实际开采时，采煤机滚筒的截割深度大于其切削厚度。

实际进行开采时，大截割深度可以提高块煤率，降低煤尘，但过大的截割深度会使截齿14急剧磨损，单齿截14所受截割力增加，截齿的受力条件变坏，从而降低了截齿的使用寿命。本实施例中，将截割深度设定为50mm～100mm，能有效提高块煤率，并且能耗较低。

步骤201中进行预裂煤层开采时，按照步骤Ⅰ至步骤Ⅴ中所设定的开采参数进行开采。

另外，实际进行开采时，采用单向割煤方式。由于双向割煤方式时，当采煤机从机头向机尾割煤时，大量煤堆积在采煤机前端，互相挤压造成破碎。本实施例中，为减少堵塞，提高块煤率，采用从机尾进刀的单向割煤方式。

实际施工时，可以根据具体需要，对所述双滚筒采煤机的滚筒转速、牵引速度、切削厚度、滚筒旋转方向和截割深度进行相应调整。

本实施例中，通过对所述双滚筒采煤机的滚筒转速、牵引速度、切削厚度、滚筒旋转方向和截割深度进行限定，能开采出最高的块煤率。

本实施例中，如图4和图5所示，所述双滚筒采煤机包括机身1、分别安装在机身1内部前后两侧的前牵引部2和后牵引部3、分别安装在机身1外部前后两侧的前截割部和后截割部、分别安装在机身1下方前后两侧的前行走机构和后行走机构以及安装在机身1内的摇臂调高液压系统和电气控制系统。所述电气控制系统包括安装在机身1上的电控箱4和安装在电控箱4内的控制器。所述前截割部包括铰接在机身1上的前摇臂5、安装在前摇臂5前端的前滚筒6和对前滚筒6进行驱动的前截割电机7，所述前截割电机7安装在前摇臂5内且其与前滚筒6之间进行传动连接。所述后截割部包括铰接在机身1上的后摇臂8、安装在后摇臂8前端的后滚筒9和对后滚筒9进行驱动的后截割电机10，所述后截割电机10安装在后摇臂8内且其与后滚筒9之间进行传动连接。所述摇臂调高液压系统分别对前摇臂5和后摇臂8进行升降控制。所述前截割电机7、后截割电机10、前牵引部、后牵引部、前调高液压系统和后调高液压系统均由所述控制器进行控制。

本实施例中，所述控制器采用无级变速控制系统，对牵引速率和截割速率(即滚筒转速)进行控制，以提高采煤机的破煤效率，达到节能效果。该无级变速控制系统能对采煤机的牵引速度和截割速率进行调整，而且能有效的降低工作面煤尘。

如图7所示，所述高压水射流切割装置包括固定安装在采煤机滚筒的滚筒驱动轴16上的喷嘴11-1，所述喷嘴11-1通过高压水管11-2与水压增压器11-3相接。

实际安装时，所述喷嘴11-1与滚筒驱动轴16呈平行布设，所述喷嘴11-1的喷口位于滚筒驱动轴16外侧。图7表示出前滚筒6上所述高压水射流切割装置的安装状态，而后滚筒9上所述高压水射流切割装置的安装状态与前滚筒6相同。

实际使用时，通过水压增压器11-3将水加压至3000bar，然后通过通道直径为0.3mm的喷嘴11-1产生一道约3倍音速的水射流进行切缝。

实际使用过程中，当所述采煤机为单滚筒采煤机时，步骤201中采用单向割煤方式进行开采过程中，先进刀进行割煤，且回程过程中采用所述高压水射流切割装置在煤壁上切割一道所述微型切槽；当所述采煤机为双滚筒采煤机时，所述采煤机的两个所述滚筒分别为前滚筒6和后滚筒9，所述前滚筒6和/或后滚筒9上上安装有所述切槽件；步骤201中采用单向割煤方式开采过程中，先进刀进行割煤，且回程过程中采用所述高压水射流切割装置在煤壁上切割一道或两道所述微型切槽。

本实施例中，采用所述高压水射流切割装置所切割微型切槽的槽宽和槽深分别为20mm～50mm和20mm～50mm。

实际使用过程中，在采煤机回程过程中(即跑空刀过程中)，通过所述高压水射流切割装置在煤壁上切割出所述微型切槽后，所述微型切槽能充当煤层裂隙，使得采煤机滚筒截割落煤时更易破碎煤壁，并且所获得大块煤块的概率更高，从而能有效提高采煤工作面的块煤产出率。

实施例2

本实施例中，如图6所示，与实施例1不同的是：所述切槽件为安装在所述采煤机的滚筒上的螺旋切割装置12；所述螺旋切割装置12由推移驱动机构带动进行前后推移，所述螺旋切割装置12与所述推移驱动机构之间进行传动连接。

本实施例中，所述螺旋切割装置12为螺旋钻头。

实际使用时，所述螺旋钻头的直径为80mm～120mm且其长度为700mm～900mm，采用螺旋切割装置12所切割微型切槽的槽宽和槽深分别为80mm～120mm和700mm～900mm。

本实施例中，所述螺旋钻头的直径为100mm且其长度为800mm，采用螺旋切割装置12所切割微型切槽的槽宽和槽深分别为100mm和800mm。实际施工时，可以根据具体需要，对螺旋切割装置12的直径和长度进行相应调整。

实际施工时，当所述采煤机为单滚筒采煤机时，步骤201中采用单向割煤方式进行开采过程中，先进刀进行割煤，且回程过程中采用螺旋切割装置12在煤壁上切割一道所述微型切槽；当所述采煤机为双滚筒采煤机时，所述采煤机的两个所述滚筒分别为前滚筒6和后滚筒9，所述前滚筒6和/或后滚筒9上安装有螺旋切割装置12；步骤201中采用单向割煤方式开采过程中，先进刀进行割煤，且回程过程中采用螺旋切割装置12在煤壁上切割一道或两道所述微型切槽。

实际安装时，所述螺旋钻头与采煤机滚筒的滚筒驱动轴16呈同轴连接且其同轴安装在滚筒驱动轴16外端。

本实施例中，其余方法步骤和工艺参数均与实施例1相同。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (9)

1.一种块煤开采方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一、煤层超前预裂：沿煤层工作面推进方向，由近至远对需开采煤层进行工作面超前预裂；

步骤二、预裂煤层开采：步骤一中对需开采煤层进行工作面超前预裂过程中，由近至远对经超前预裂后的煤层进行开采，且开采过程中同步对液压支架的支护力进行调节；实际进行开采时，过程如下：

步骤201、煤层开采：采用采煤机对当前采煤工作面进行开采，开采时采用的割煤方式为单向割煤方式；

步骤202、液压支架支护及工作阻力调节：步骤201中当前采煤工作面的开采工作完成后，采用液压支架及时对采煤工作面端面进行支护；支护完成后，通过减小所述液压支架的工作阻力，使当前采煤工作面前方的煤层在所述采煤工作面顶板压力作用下进一步被压裂破碎；

步骤203、按照步骤201至步骤202中所述的方法，进行下一循环的煤层开采；

步骤204、多次重复步骤203，直至完成需开采煤层的全部开采过程；

步骤一中对需开采煤层进行超前预裂时，采用二氧化碳预裂与水压致裂相结合的方法进行超前预裂，且由近至远分多个节段进行超前预裂，多个所述节段的超前预裂方法均相同；其中，对任一个节段进行超前预裂时，过程如下：

步骤101、钻孔：在步骤201中当前采煤工作面前方50m～150m位置处钻取预裂钻孔，所述预裂钻孔的数量为一个或多个；所述预裂钻孔的钻进方向与当前采煤工作面呈平行和/或垂直布设；所述预裂钻孔的长度为50m～150m；

其中，钻取与当前采煤工作面呈垂直布设的所述预裂钻孔时，先在钻孔位置处掘进施工一个硐室，再通过硐室钻取所述预裂钻孔；

步骤102、二氧化碳预裂：先在步骤101中所钻的各预裂钻孔内均安装二氧化碳预裂器并进行封孔，封孔长度8m～10m；之后起爆，对所述需开采煤层进行预裂；

步骤103、注水管安装：步骤102中二氧化碳预裂完成后，在各预裂钻孔内均安装高压注水管，并进行封孔且封孔长度为8m～10m；

步骤104、水压致裂：通过所述高压注水管向各预裂钻孔内注水，进行水压致裂；此时，完成当前节段的超前预裂过程；

步骤105、按照步骤101至步骤104中所述的方法，对下一节段进行预裂；

步骤106、多次重复步骤105，直至完成所述需开采煤层的全部超前预裂过程。

2.按照权利要求1所述的一种块煤开采方法，其特征在于：步骤一中对需开采煤层进行超前预裂时，采用深孔预裂爆破方法或水压致裂方法进行超前预裂，其中深孔预裂爆破方法为二氧化碳预裂或炸药爆破。

3.按照权利要求1或2所述的一种块煤开采方法，其特征在于：步骤201中所述采煤机上安装有用于在煤壁上切割微型切槽的切槽件，所述微型切槽为平直矩形槽且其沿煤壁的长度方向布设；

所述切槽件为安装在所述采煤机的滚筒上的螺旋切割装置(12)或高压水射流切割装置；

步骤201中煤层开采过程中，采用所述切槽件在煤壁上切割一道或两道所述微型切槽，两道所述微型切槽呈平行布设。

4.按照权利要求3所述的一种块煤开采方法，其特征在于：当所述采煤机为单滚筒采煤机时，步骤201中采用单向割煤方式进行开采过程中，先进刀进行割煤，且回程过程中采用所述切槽件在煤壁上切割一道所述微型切槽；当所述采煤机为双滚筒采煤机时，所述采煤机的两个所述滚筒分别为前滚筒(6)和后滚筒(9)，所述前滚筒(6)和/或后滚筒(9)上安装有所述切槽件；步骤201中采用单向割煤方式开采过程中，先进刀进行割煤，且回程过程中采用所述切槽件在煤壁上切割一道或两道所述微型切槽。

5.按照权利要求3所述的一种块煤开采方法，其特征在于：所述螺旋切割装置(12)为螺旋钻头，所述螺旋钻头的直径为80mm～120mm且其长度为700mm～900mm，采用螺旋切割装置(12)所切割微型切槽的槽宽和槽深分别为80mm～120mm和700mm～900mm；

采用所述高压水射流切割装置所切割微型切槽的槽宽和槽深分别为20mm～50mm和20mm～50mm。

6.按照权利要求1或2所述的一种块煤开采方法，其特征在于：步骤201中所述采煤机的滚筒上所设置螺旋叶片(13)的数量其中，D为螺旋叶片(13)的宽度，P为螺旋叶片(13)的螺距；其中，n＝2～4；并且，所述螺旋叶片(13)的螺旋角为5°～30°；

所述螺旋叶片(13)上所设置截齿(14)的数量为m；其中m的取值由步骤一中所述需开采煤层的硬度系数f决定：当步骤一中所述需开采煤层的硬度系数f为2.5～3.5时，m＝7个～10个；当步骤一中所述需开采煤层的硬度系数f大于3.5时，m＝9个～17个；

所述螺旋叶片(13)上所设置截齿(14)的排列方式为棋盘式排列。

7.按照权利要求1或2所述的一种块煤开采方法，其特征在于：步骤201中所述采煤机为双滚筒采煤机；开采之前，先对开采工艺参数进行设定，其参数设定过程如下：

步骤Ⅰ、滚筒转速设定：当步骤一中所述需开采煤层为层厚为0.8m～1.5m的薄煤层时，滚筒转速为50r/min～70r/min；当所述需开采煤层为层厚为1.5m～3.5m的中厚煤层时，滚筒转速为30r/min～50r/min；当所述需开采煤层为层厚为3.5m以上的厚煤层时，滚筒转速为20r/min～30r/min；

步骤Ⅱ、牵引速度设定：将所述双滚筒采煤机的牵引速度设定为3m/min～6m/min；

步骤Ⅲ、切削厚度设定：将所述双滚筒采煤机滚筒的切削厚度设定为40mm～80mm；

步骤Ⅳ、滚筒旋转方向设定：所述双滚筒采煤机前后两个滚筒的旋转方向相反，两个所述滚筒分别为前滚筒(6)和后滚筒(9)，其中前滚筒(6)的旋转方向为顺时针旋转，所述后滚筒(9)的旋转方向为逆时针旋转；

步骤Ⅴ、截割深度设定：将所述双滚筒采煤机滚筒的截割深度设定为50mm～100mm；

步骤201中进行预裂煤层开采时，按照步骤Ⅰ至步骤Ⅴ中所设定的开采参数进行开采。

8.按照权利要求1所述的一种块煤开采方法，其特征在于：步骤101中所述预裂钻孔与水平方向之间的夹角不大于20°，所述预裂钻孔的孔径为Φ65mm～Φ105mm且其长度为80m～150m；步骤102中在所述预裂钻孔内安装所述二氧化碳预裂器时，各预裂钻孔内均沿中心轴线方向由前至后安装多个所述二氧化碳预裂器，所述二氧化碳预裂器的长度为1.5m～2.5m且其直径为Φ50mm～Φ55mm，所述二氧化碳预裂器内所注入二氧化碳为0.5kg～1.2kg的液态二氧化碳；步骤104中进行水压致裂时，注水压力控制在8MPa～10Mpa，注水渗透半径为9m～11m，各预裂钻孔的注水时间为8天～10天，各预裂钻孔的总注水量为556m³～600m³，且注水流量为0.3m³/h～2.0m³/h。

9.按照权利要求1所述的一种块煤开采方法，其特征在于：步骤101中所钻取预裂钻孔均为与当前采煤工作面呈平行布设的钻孔；步骤一中采用二氧化碳预裂与水压致裂相结合的方法进行超前预裂时，每个预裂节段的长度为10m～15m。