CN105003269A - 一种巨厚煤层长壁工作面的开采方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种巨厚煤层长壁工作面开采方法，属于煤炭资源开采技术领域。该方法包括首先将巨厚煤层分为顶部分层、中部分层和底部分层，然后对顶部分层采用综合机械化采煤进行开采，在顶部分层采空区底板上同步铺设布置顶网、位移和压力监测系统。顶部分层开采完毕后，分析巨厚煤层顶板运移情况，进行底部分层的开采，最后逐步向上开采各分层，直至完成巨厚煤层全部开采完毕。本发明方法具有巷道布置系统简单，原煤含矸率低，经济效益显著，能实现20m以上的巨厚煤层安全高效可靠的开采。

Description

一种巨厚煤层长壁工作面的开采方法

技术领域

本发明涉及煤炭资源开采技术领域，具体涉及一种巨厚煤层长壁工作面的开采方法。

背景技术

随着东部矿区煤炭资源的枯竭，中部受资源与环境约束的矛盾加剧，我国煤炭资源开发重点已快速转移到西部地区。新疆煤炭资源极其丰富，是我国21世纪十分重要的能源基地接替区和战略能源储备区。新疆煤炭资源赋存的一个主要特点是厚煤层广泛分布且巨厚煤层多，如伊犁、吐哈、库拜等预测资源量超过100亿吨的煤田中都赋存有单层厚度大于20m以上的巨厚煤层，中国乃至世界上最大的整装煤田—准东煤田探明有单层厚度达80m以上的巨厚煤层，沙尔湖煤田更有单层厚度达200 m以上的巨厚煤层。

目前我国于20世纪70年代开始探索厚煤层开采技术，经过40多年对厚煤层开采方法的研究与实践，相继形成了大采高一次采全厚综采采煤方法、倾斜分层铺网下行垮落法开采、分层恒底式上行开采和综采放顶煤开采方法，上述几种采煤方法都有各自的优缺点和适用范围。厚煤层大采高一次采全厚综采采煤方法虽然对厚煤层资源回收率高，能实现高产高效，经济效益好，然而目前现有的大采高只可开采煤层厚度7～8m。综采放顶煤开采方法煤炭回收率较低，且只可采20m以下厚度的煤层。分层铺网下行垮落法开采就是将厚煤层分成若干与煤层层面相平行的分层，先采顶分层，依次下行回采各分层，垮落法管理顶板，该方法能有效解决中倾斜以下厚煤层开采时顶板支护和采空区处理问题，顶分层以下各分层矿压显现缓和，由于采取人工铺设假顶，该方法较安全，采出率高，技术经济指标较好；但是在开采过程中存在巷道系统布置复杂，巷道维护较困难，生产组织管理工作较复杂等缺点；分层铺网下行垮落法开采适用于煤层顶板不太坚硬，易于垮落、直接顶有一定厚度的缓、中倾斜厚煤层。分层恒底式上行开采就是将厚煤层划分为相当于中厚煤层的若干分层，各分层工作面依次沿煤层底板布置，第一分层工作面采后，上覆煤层垮落下沉，经注水压实，重新胶结后成为具有一定稳定性和强度的再生煤体，再仍沿煤层底板在再生煤体中重新布置第二和第三分层的工作面，这种厚煤层开采方法巷道系统简单，工艺简单，岩层活动对工作面影响小，有利于消除水患及冒顶的威胁，技术经济效益显著，然而该方法容易造成顶板岩石混入到原煤当中，不但增加了原煤的含矸率，而且还增加了煤炭的洗选量，导致生产成本大大提高。

经过多年的研究与实践，到目前为止，可以说我国煤炭资源开发已经形成了具有中国特色的厚煤层开采技术体系，但是大多数研究成果主要集中在煤层厚度为20m以下，针对像新疆地区厚度20m以上的巨厚煤层，目前还没有一种安全、可靠、高效的巨厚煤层开采方法，因此亟需一种巷道布置系统简单，降低原煤含矸率，提高经济效益，能确保20m以上的巨厚煤层安全高效开采的开采方法。

发明内容

本发明为解决上述问题，提供一种简单高效、安全可靠的巨厚煤层开采方法，能解决20m以上巨厚煤层的开采问题。

为了实现上述目的，本发明技术方案如下：

一种巨厚煤层长壁工作面开采方法，该方法包括以下步骤：

a、对巨厚煤层分层：对所采巨厚煤层的顶板岩层、底板岩层和煤层的水文地质采矿条件进行分析，将巨厚煤层划分为顶部分层、底部分层和中部分层；顶部分层的厚度为2.5~4.5 m；根据综放支架参数对中部分层和底部分层进行平均分层；

b、对顶部分层进行开采：在顶部分层挖掘工作面运输巷Ⅰ、回风巷Ⅰ和开切眼Ⅰ，顶部分层工作面采用综合机械化采煤，在顶部分层工作面开采的同时，在顶部分层的底板上同步铺设顶网作为中部分层和底部分层开采时的假顶；同时在顶部分层采空区底板安装布置位移和应力监测点，形成巨厚煤层的位移监测系统和压力监测系统；顶部分层工作面自开切眼Ⅰ回采后持续监测顶板的位移和应力，对巨厚煤层顶板运移情况进行分析，当顶板位移和应力数值不再变化时，判断顶部分层回采后顶板已垮落移动稳定；

c、对底部分层进行开采：当顶部分层回采完毕并且采空区上覆顶板垮落稳定后，在底部分层中挖掘工作面的运输巷Ⅱ、回风巷Ⅱ和开切眼Ⅱ；底部分层工作面采用综合机械化放顶煤开采；底部分层工作面回采过程中采用注水软化上和采后爆破强制放煤的方法促使上覆中部分层垮落；

d、对中部分层进行开采：当底部分层工作面回采完毕后，其上覆中部分层垮落形成新的底部分层；利用顶部分层采空区中位移和应力监测系统对巨厚煤层顶板运移情况进行分析；当位移和应力数值不再变化时，判定新形成的底部分层已垮落移动稳定；此时根据顶板位移监测数据绘制巨厚煤层顶板岩层下沉空间曲线f（x，y，z）；在新形成底部分层中沿采空掘进工作面的运输巷Ⅲ、回风巷Ⅲ和开切眼Ⅲ，所述运输巷Ⅲ、回风巷Ⅲ与底部分层采空区之间设置宽度为10~15m煤柱；新底部分层工作面采用综合机械化放顶煤开采；根据巨厚煤层顶部下沉空间曲线f（x，y，z），确定新形成底部分层综放开采的放煤高度曲线h（x，y，z）=f（x，y，z）- i·m- c，其中i为底部分层和中部分层的第几次分层开采，c为综放支架采煤高度；重复步骤d，对采空区新形成的底部分层进行开采，直至巨厚煤层开采完毕。

上述中部分层和底部分层的分层数根据公式n=1+int（M/p）计算，其中n为中部分层和底部分层的分层数，M为中部分层和底部分层的总厚度，p为综放支架开采厚度上限。

上述中部分层和底部分层的分层开采高度根据公式m=M/n计算，其中m为中部分层和底部分层的平均分层厚度。

上述的位移和应力监测点为位移传感器和应力传感器。位移和应力监测点沿顶部分层工作面走向每隔30~40m布置一排，每排监测点由10个监测点组成，所述相邻监测点之间的间隔为20m。

上述的顶网由若干个长宽比为5:1的金属网组成。金属网之间的连接部位重叠宽度30cm，连接部位相扭接。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1）将巨厚煤层划分为顶部分层、中部分层和底部分层，首先对顶部分层进行综合机械化采煤，这样能降低顶部分层开采过程中原煤中含矸率，同时在顶部分层采空区的底板上铺设金属网，能够彻底避免剩下巨厚煤层开采过程的矸石混入原煤，降低了煤炭洗选量和生产成本；

2）在顶部分层工作面的采空区中布置位移和压力监测系统，有助于分析上覆煤岩层是否垮落运动稳定，为中部分层和下部分层的开采时机提供了合理的判断依据；同时根据位移监测数据绘制得出的顶板岩层下沉空间曲线，解决了底部分层开采由于煤层碎胀而形成不规则垮落难以确定煤层顶部位置的问题，可确定底部分层的综放开采放煤高度曲线，确保上覆煤层与岩层均布下沉；

3）顶部分层工作面采空区底板上的压力监测系统为中部分层和底部分层开采时提供了准确的顶板压力数值，一方面为中部和底部分层工作面的综放支架压力参数选型提供数值依据，另一方面压力监测系统还可动态显示预测中部和底部分层开采时工作面周围的压力分布情况，为中部和底部分层工作面的安全开采提供保障；

4）采取先开采巨厚煤层的顶部分层，再从底部分层逐步向上开采中部分层的分层开采顺序，巷道布置系统简单，降低了掘进率和生产成本，优化了采煤工艺，经济效益显著，实现了20m以上的巨厚煤层的安全可靠高效开采，该方法具有广泛的实用性和推广性。

附图说明

图1是本发明的巨厚煤层划分分层示意图；

图2是本发明巨厚煤层顶部分层回采示意图；

图3是本发明巨厚煤层顶部分层回采工作面平面布置示意图；

图4是本发明巨厚煤层底部分层回采示意图；

图5是本发明巨厚煤层底部分层回采工作面平面布置示意图；

图6是本发明巨厚煤层中部分层回采示意图；

图7是本发明巨厚煤层中部分层回采工作面平面布置示意图；

图中：1-顶板岩层；2-底板岩层；3-顶部分层；4-底部分层；5-中部分层；30-顶部分层工作面；31-回风巷Ⅰ；32-运输巷Ⅰ；33-顶部分层采空区；34-顶网；35-位移和应力监测点；36-开切眼Ⅰ；40-底部分层工作面；41-回风巷Ⅱ；42-运输巷Ⅱ；43-底部分层采空区；46-开切眼Ⅱ；50-中部分层工作面；51-回风巷Ⅲ；52-运输巷Ⅲ；53-中部分层采空区；56-开切眼Ⅲ；57-煤柱；A-工作面推进方向。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作更进一步的说明，以便本领域内的技术人员了解本发明。

如图1至图7所示，一种巨厚煤层长壁工作面开采方法，包括下述步骤：

a、对巨厚煤层分层：对所采巨厚煤层的顶板岩层1、底板岩层2和煤层的水文地质采矿条件进行分析，将巨厚煤层划分为顶部分层3、底部分层4和中部分层5；顶部分层3的厚度为2.5~4.5 m；根据综放支架参数对中部分层5和底部分层4进行平均分层。中部分层5和底部分层4的分层数根据公式n=1+int（M/p）计算，其中n为中部分层5和底部分层4的分层数，M为中部分层5和底部分层4的总厚度，p为综放支架开采厚度上限。中部分层5和底部分层4的分层开采高度根据公式m=M/n计算，其中m为中部分层5和底部分层4的平均分层厚度；

b、对顶部分层3进行开采：在顶部分层3挖掘工作面运输巷Ⅰ32、回风巷Ⅰ31和开切眼Ⅰ36，顶部分层工作面30采用综合机械化采煤，在顶部分层工作面30开采的同时，在顶部分层3的底板上同步铺设顶网34作为中部分层5和底部分层4开采时的假顶，顶网34由若干个长宽比为5:1的金属网组成，金属网之间的连接部位重叠宽度30cm，连接部位相扭接。同时在顶部分层采空区底板安装布置位移和应力监测点35，形成巨厚煤层的位移监测系统和压力监测系统。位移和应力监测点35为位移传感器和应力传感器，位移和应力监测点35沿顶部分层工作面30走向每隔30~40m布置一排，每排监测点由10个监测点组成，所述相邻监测点之间的间隔为20m。顶部分层工作面30自开切眼Ⅰ36回采后持续监测顶板的位移和应力，对巨厚煤层顶板运移情况进行分析，当顶板位移和应力数值不再变化时，判断顶部分层3回采后顶板已垮落移动稳定；

c、对底部分层4进行开采：当顶部分层3回采完毕并且采空区上覆顶板垮落稳定后，在底部分层4中挖掘工作面的运输巷Ⅱ42、回风巷Ⅱ41和开切眼Ⅱ46；底部分层工作面40采用综合机械化放顶煤开采；底部分层工作面40回采过程中采用注水软化上和采后爆破强制放煤的方法促使上覆中部分层5垮落；

d、对中部分层5进行开采：当底部分层工作面40回采完毕后，其上覆中部分层5垮落形成新的底部分层；利用顶部分层采空区33中位移和应力监测系统对巨厚煤层顶板运移情况进行分析；当位移和应力数值不再变化时，判定新形成的底部分层已垮落移动稳定；此时根据顶板位移监测数据绘制巨厚煤层顶板岩层1下沉空间曲线f（x，y，z）；在新形成底部分层中沿采空掘进工作面的运输巷Ⅲ 52、回风巷Ⅲ51和开切眼Ⅲ 56，所述运输巷Ⅲ 52、回风巷Ⅲ 51与底部分层采空区43之间设置煤柱57，煤柱57宽度为10~15m；新底部分层工作面采用综合机械化放顶煤开采；根据巨厚煤层顶部下沉空间曲线f（x，y，z），确定新形成底部分层综放开采的放煤高度曲线h（x，y，z）=f（x，y，z）- i·m- c，其中i 为底部分层和中部分层的第几次分层开采，c为综放支架采煤高度；重复步骤d对采空区新形成的底部分层进行开采，直至巨厚煤层开采完毕。

以上实施方式仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此尽管本说明书参照上述的各个实施方式对本发明已进行了详细的说明，但是本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或者等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种巨厚煤层长壁工作面开采方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

a、对巨厚煤层分层：对所采巨厚煤层的顶板岩层（1）、底板岩层（2）和煤层的水文地质采矿条件进行分析，将巨厚煤层划分为顶部分层（3）、底部分层（4）和中部分层（5）；所述顶部分层（3）的厚度为2.5~4.5 m；根据综放支架参数对中部分层（5）和底部分层（4）进行平均分层；

b、对顶部分层（3）进行开采：在顶部分层（3）挖掘工作面运输巷Ⅰ（32）、回风巷Ⅰ（31）和开切眼Ⅰ（36），顶部分层工作`面（30）采用综合机械化采煤，在顶部分层工作面（30）开采的同时，在顶部分层（3）的底板上同步铺设顶网（34）作为中部分层（5）和底部分层（4）开采时的假顶；同时在顶部分层采空区底板安装布置位移和应力监测点（35），形成巨厚煤层的位移监测系统和压力监测系统；顶部分层工作面（30）自开切眼Ⅰ（36）回采后持续监测顶板的位移和应力，对巨厚煤层顶板运移情况进行分析，当顶板位移和应力数值不再变化时，判断顶部分层（3）回采后顶板已垮落移动稳定；

c、对底部分层（4）进行开采：当顶部分层（3）回采完毕并且采空区上覆顶板垮落稳定后，在底部分层（4）中挖掘工作面的运输巷Ⅱ（42）、回风巷Ⅱ（41）和开切眼Ⅱ（46）；底部分层工作面（40）采用综合机械化放顶煤开采；底部分层工作面（40）回采过程中采用注水软化上和采后爆破强制放煤的方法促使上覆中部分层（5）垮落；

d、对中部分层（5）进行开采：当底部分层工作面（40）回采完毕后，其上覆中部分层（5）垮落形成新的底部分层；利用顶部分层采空区（33）中位移和应力监测系统对巨厚煤层顶板运移情况进行分析；当位移和应力数值不再变化时，判定新形成的底部分层已垮落移动稳定；此时根据顶板位移监测数据绘制巨厚煤层顶板岩层（1）下沉空间曲线f（x，y，z）；在新形成底部分层中沿采空掘进工作面的运输巷Ⅲ（52）、回风巷Ⅲ（51）和开切眼Ⅲ（56），所述运输巷Ⅲ（52）、回风巷Ⅲ（51）与底部分层采空区（43）之间设置煤柱（57）；新底部分层工作面采用综合机械化放顶煤开采；根据巨厚煤层顶部下沉空间曲线f（x，y，z），确定新形成底部分层综放开采的放煤高度曲线h（x，y，z）=f（x，y，z）- i·m- c，其中i 为底部分层和中部分层的第几次分层开采，c为综放支架采煤高度；重复步骤d对采空区新形成的底部分层进行开采，直至巨厚煤层开采完毕。

2.如权利要求1所述的一种巨厚煤层长壁工作面开采方法，其特征在于，所述的中部分层（5）和底部分层（4）的分层数根据公式n =1+int（M/p）计算，其中n为中部分层（5）和底部分层（4）的分层数，M为中部分层（5）和底部分层（4）的总厚度，p为综放支架开采厚度上限。

3.如权利要求2所述的一种巨厚煤层长壁工作面开采方法，其特征在于，所述的中部分层（5）和底部分层（4）的分层开采高度根据公式m =M/n计算，其中m为中部分层（5）和底部分层（4）的平均分层厚度。

4.如权利要求3所述的一种巨厚煤层长壁工作面开采方法，其特征在于，所述的位移和应力监测点（35）为位移传感器和应力传感器。

5.如权利要求4所述的一种巨厚煤层长壁工作面开采方法，其特征在于，所述的位移和应力监测点（35）沿顶部分层工作面（30）走向每隔30~40m布置一排，每排监测点由10个监测点组成，所述相邻监测点之间的间隔为20m。

6.如权利要求5所述的一种巨厚煤层长壁工作面开采方法，其特征在于，所述的煤柱（57）宽度为10~15m。

7.如权利要求6所述的一种巨厚煤层长壁工作面开采方法，其特征在于，所述的顶网（34）由若干个长宽比为5:1的金属网组成。

8.如权利要求7所述的一种巨厚煤层长壁工作面开采方法，其特征在于，所述的金属网之间的连接部位重叠宽度30cm，所述的金属网连接部位相扭接。