CN113622914A - 提高急倾斜特厚煤层水平分段综放开采顶煤放出率的方法 - Google Patents

提高急倾斜特厚煤层水平分段综放开采顶煤放出率的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了提高急倾斜特厚煤层水平分段综放开采顶煤放出率的方法，包括以下步骤：工作面布置若干液压支架、后刮板输送机与前部刮板输送机，安装采煤机；采煤机割煤、移架后，支架后部进行顶煤放落准备；启动后部刮板输送机；进行初始顶煤放落工序；进行后续放煤过程；关闭第三架放煤口，依次打开剩余各架放煤口进行放煤，直至工作面放煤至顶板侧端头支架结束，完成循环放煤作业。本发明的有益效果：改变了急倾斜特厚煤层水平分段综放开采的传统放煤循环方向，大幅度增加了底板侧顶煤回收率，减小了损失，有效减小损失煤体煤矸分界线斜率，降低煤矸分界面坡度，增加煤体放出率，操作简单，易培训，工艺改进投入成本低，效果明显。

Description

提高急倾斜特厚煤层水平分段综放开采顶煤放出率的方法
技术领域
本发明涉及煤矿开采技术领域，具体为提高急倾斜特厚煤层水平分段综放开采顶煤放出率的方法。
背景技术
急倾斜特厚煤层是指地下开采时煤层倾角大于45°，厚度在8m以上的煤层，在我国新疆、甘肃、四川等地区的储量和产量中占有相当大的比重。传统急倾斜特厚煤层开采采用巷柱式综采放顶煤采煤法，该方法放煤量可控性差，常出现压死运输机等事故，单产低，安全性差，严重影响矿井的开采效率。
近年来，水平分段放顶煤开始应用于急倾斜特厚煤层的开采，该方法是将急倾斜煤层按一定高度分成若干水平分段，在分段内采用短壁后退式的机械化采煤方式，并辅以放顶煤工艺，先采出底部工作面的煤，随即放出上部顶煤，实现对整体水平分段的完全开采，该方法单产高，安全性好。
水平分段放顶煤开采时，巷道分别沿煤层顶底板掘进，习惯称为顶板巷、底板巷，因水平分段顶底板处存在三角煤堆积的情况，其顶煤放落要求不能完全按照近水平、缓倾斜煤层设定，否则将导致底板侧端头顶煤损失较大。因此，选择合理的放煤工艺，提高顶底板侧顶煤回收率，对于急倾斜特厚煤层水平分段综放高效开采具有重要意义和价值。
发明内容
本发明的目的在于提供提高急倾斜特厚煤层水平分段综放开采顶煤放出率的方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：提高急倾斜特厚煤层水平分段综放开采顶煤放出率的方法，包括以下步骤：
步骤一：工作面布置若干液压支架，液压支架后部连接后刮板输送机，前端连接前部刮板输送机，安装采煤机，形成壁式开采三机配套系统；
步骤二：采煤机割煤形成“放矿椭球体”、移架后，支架后部进行顶煤放落准备；
步骤三：启动后部刮板输送机；
步骤四：采用“双口初始放煤法”进行初始顶煤放落工序，打开底板侧两架端头放煤支架放煤口，进行工作面初次顶煤放落工序，放煤时间较长，充分保证顶煤的完全放落，以放煤口放煤混矸率超过20%为标准停止放煤；
步骤五：采用“底板侧向顶板侧单轮顺序放煤法”进行后续放煤过程，关闭底板侧端头两架支架放煤口，打开第三架放煤口进行放煤，本架仍以放煤口混矸率超过20%为标准关闭放煤口；
步骤六：关闭第三架放煤口，依次打开剩余各架放煤口进行放煤，放煤口关闭标准按照“见矸关窗”设定，直至工作面放煤至顶板侧端头支架结束，完成循环放煤作业。
优选的，所述步骤二中，“放矿椭球体”为矿石在采场破碎后按近似椭球体形状向下自然流动，即原来所占的空间为一旋转椭球体，在放矿过程中形成的椭球体，称为放出椭球体，停止扩展而最终形成的椭球体，为松动椭球体，放矿后形成放出漏斗和移动漏斗。
优选的，所述步骤四中，“双口初始放煤法”为放煤循环过程中，首次放煤同时打开底板侧端部两架液压支架的放煤口进行放煤。
优选的，所述步骤五中，“底板侧向顶板侧单轮顺序放煤法”按照沿底板侧向顶板侧的方向进行放煤，放煤方式可选择单轮顺序、多轮间隔。
优选的，所述步骤六中，“见矸关窗”为放煤口放落体中发现一定数量的矸石时，关闭放煤口，停止放煤操作。
优选的，所述步骤二中，“放矿椭球体”总体积通过公式计算：
Figure 743328DEST_PATH_IMAGE002
Figure 129310DEST_PATH_IMAGE004
Figure 643468DEST_PATH_IMAGE006
Figure 710781DEST_PATH_IMAGE008
Figure 993995DEST_PATH_IMAGE010
，其中，a=空心椭球体长半轴，b=空心 椭球体短半轴，ε=空心椭球体偏心率，H=柱心椭球体高度，H=2a，D=放矿口直径，D=2r。
优选的，所述空心椭球体偏心率由散体内摩擦角及粘结力性质确定，并通过如下公式计算：
Figure 550878DEST_PATH_IMAGE012
Figure 988551DEST_PATH_IMAGE014
Figure 921872DEST_PATH_IMAGE016
，其中Q中=半个椭球短半轴外端移动角。
有益效果:
本发明所提供的提高急倾斜特厚煤层水平分段综放开采顶煤放出率的方法，改变了急倾斜特厚煤层水平分段综放开采的传统放煤循环方向，这种方式大幅度增加了底板侧顶煤回收率，减小了由采煤方法特点带来的工艺损失，该方法首次放煤时打开两个放煤口，有效减小损失煤体煤矸分界线斜率，降低煤矸分界面坡度，增加煤体放出率，操作简单，易培训，工艺改进投入成本低，效果明显。
附图说明
图1为本发明的放矿椭球体原理图。
图2为急倾斜特厚煤层水平分段开采层位示意图。
图3为实例中所用水平分段短壁综放采煤方法平面示意图。
图4为采用顶板侧向底板侧放煤煤矸分界线变化示意图。
图5为采用本方法放煤煤矸分界线变化示意图。
图6为本发明中具体方法流程示意图。
附图标记
1-放出椭球体，2-放出漏斗，3-松动椭球体，4-移动漏斗，5-顶板，6-底板，7-水平分段块段，8-顶板巷，9-底板巷，10-前部刮板输送机，11-后部刮板输送机，12-底板巷侧液压支架，13-顶板煤岩分界线，14-顶板侧向底板侧放煤法初始放煤后煤矸分界线，15-顶板侧向底板侧放煤法放煤过程中煤矸分界线，16-顶板侧向底板侧放煤法本次放煤结束后煤矸分界线，17-损失煤体，18-底板煤岩分界线，19-底板侧向顶板侧放煤法初始放煤结束后煤矸分界线，20-底板侧向顶板侧放煤法过程中煤矸分界线，21-底板侧向顶板侧放煤法放煤结束后远底板侧煤矸分界线。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例
煤层倾角平均为45°，设计水平分段段高10m，煤层厚度平均为17.7m，设计工作面长为25m，支架宽度为1.25m，工作面布置放煤支架20架，机采高度为2.5m，放煤高度7.5m，采放比为1:3。
如图2、图3所示，将顶底板回采巷道掘出、工作面布置完成后，开始进行正规作业循环，完成割煤工序后，启动后部刮板输送机，进行放煤准备；
将放煤支架沿顶板巷侧向底板巷侧的方向编号为1号-20号，首先，打开19与20号支架，放煤口开始放煤，当放煤口放煤混矸率超过20%后停止放煤，关闭19、20号放煤口；
打开18号及后续放煤口开始放煤，当放煤口放煤混矸率超过20%后停止放煤；
接下来，依次打开17号、16号、15号、14号……放煤口放煤，可直接按照“见矸关窗”原理控制放煤口关闭并进行下一架的放煤，完成工作面作业循环。
结合实际生产过程中因煤软可能造成的顶板侧整体垮落问题，在后续顶煤放出过程中，顶板巷侧支架可以采用间隔放煤的方式，调整断裂块体的放落位置，防止增加煤体损失。
如图4所示，在急倾斜水平分段顶煤放落过程中，主要煤炭损失是由顶底板侧三角煤无法完全回收造成的，其中，因底板侧三角煤不能放出而造成的煤体损失占较大比重。
在开采过程中，一般放煤方式为顶板至底板方向单轮顺序放煤，放煤过程中，煤体放出后煤矸分界面由初始斜线逐渐向中间外凸、顶部向右前侧延伸的煤矸分界面变化，这是由急倾斜特厚煤层水平分段特点决定的，在承载上覆岩层重力外，较之底板侧煤体，顶板侧煤矸分界线因顶板侧密度、胶结程度更大的顶板岩体的影响，承受水平应力更大，下位顶煤将更快放出，根据散体介质流原理，破碎的岩体散体将沿着最小阻力流动路线侵入下位顶煤原位置，堆积于块段底部，向上托起密度较小的煤体，与此同时，上位顶煤流出速度较慢，更易被压实，故整体呈现外凸状煤岩交界面，该交界面随着放煤过程不断延伸，最终成为底板侧损失煤体前侧煤岩交界面，而因顶板侧及块段顶部岩体造成的较大水平应力作用，损失煤体另一煤岩交界面仍主要以原始水平块段底板煤矸分界面为主。
底板侧向顶板侧方向单轮顺序放煤方法，首先打开的是底板侧端的两架放煤口，结合放矿椭球体原理，如图5所示，放煤口垂直方向两侧、顶煤始动点两侧受水平应力较顶板侧放煤口更小，两侧煤岩交界线基本以放煤漏斗母线形态呈现，下部向内凹陷，上部逐渐趋于平滑。
而在煤体性质一定，采煤高度一定时，放煤椭球体的体积随着放煤口直径的增大而增大，因此，两放煤口组成的较大放煤口将进一步扩大放矿椭球体体积，即进一步减小放煤漏斗母线斜率，提高煤体的放出率。
因底板侧仅一处为两架放煤口，之后再无两架放煤口同时放煤，该漏斗母线与水平分段底板构成的煤矸分界面将近似成为底板侧损失煤体的初始煤矸分界面。经计算，该方法在单水平分段内可提高原始煤体的放出率10%以上。
随着放煤作业向顶板侧的不断进行，底板侧岩体对于损失煤体亦有同前述原理相同的流动规律，下部煤体流速较快，岩体散体进一步堆积于煤体下部，同时上位顶煤也随着岩体破碎散体的运移而被压实，煤矸分界面上部漏斗母线部分逐渐呈现凸起形状，分段底板侧顶端也呈现被压实的圆弧状分界面变化，底板侧煤体因后部矸石挤压更易破碎和放出，此时增加放煤时间，降低放煤口关闭的含矸率要求，将有利于损失煤体更多的放落。
此外，结合急倾斜水平分段放煤法“倾倒-滑塌”理论模型，本方法在顶煤放落过程中，更加充分地利用了放煤过程中上部岩体“倾倒未滑塌”后，因为岩体破碎不充分而互相铰接形成的铰接空间，给予煤体更大的冒落和放出空间，有利于损失煤体的进一步放出。
与之同理，随着下一水平分段的继续开采，上述方法中前一分段损失煤体对于下一分段该部分煤体的放出有一定的促进作用，上分段该区残留体平均密度不断变大，下分段放煤损失体也将不断减小，形成良性循环，而顶板侧单水平分段损失煤体亦可随下一水平分段上位顶煤回收。
如对底板三角区顶煤进行人工干预处理，采用爆破或水力压裂等方式，将进一步促进顶煤的裂隙发育和破碎，在放落过程中也可以通过适当反复支撑支架的方式增加放煤期间底板侧顶煤的裂隙发育和破碎程度，有效增加顶煤的流动性和冒放性。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明性的保护范围之内的发明内容。

Claims (7)

1.提高急倾斜特厚煤层水平分段综放开采顶煤放出率的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：工作面布置若干液压支架，液压支架后部连接后刮板输送机，前端连接前部刮板输送机，安装采煤机，形成壁式开采三机配套系统；
步骤二：采煤机割煤形成“放矿椭球体”、移架后，支架后部进行顶煤放落准备；
步骤三：启动后部刮板输送机；
步骤四：采用“双口初始放煤法”进行初始顶煤放落工序，打开底板侧两架端头放煤支架放煤口，进行工作面初次顶煤放落工序，放煤时间较长，充分保证顶煤的完全放落，以放煤口放煤混矸率超过20%为标准停止放煤；
步骤五：采用“底板侧向顶板侧单轮顺序放煤法”进行后续放煤过程，关闭底板侧端头两架支架放煤口，打开第三架放煤口进行放煤，本架仍以放煤口混矸率超过20%为标准关闭放煤口；
步骤六：关闭第三架放煤口，依次打开剩余各架放煤口进行放煤，放煤口关闭标准按照“见矸关窗”设定，直至工作面放煤至顶板侧端头支架结束，完成循环放煤作业。
2.根据权利要求1所述的提高急倾斜特厚煤层水平分段综放开采顶煤放出率的方法，其特征在于：所述步骤二中，“放矿椭球体”为矿石在采场破碎后按近似椭球体形状向下自然流动，即原来所占的空间为一旋转椭球体，在放矿过程中形成的椭球体，称为放出椭球体，停止扩展而最终形成的椭球体，为松动椭球体，放矿后形成放出漏斗和移动漏斗。
3.根据权利要求1所述的提高急倾斜特厚煤层水平分段综放开采顶煤放出率的方法，其特征在于：所述步骤四中，“双口初始放煤法”为放煤循环过程中，首次放煤同时打开底板侧端部两架液压支架的放煤口进行放煤。
4.根据权利要求1所述的提高急倾斜特厚煤层水平分段综放开采顶煤放出率的方法，其特征在于：所述步骤五中，“底板侧向顶板侧单轮顺序放煤法”按照沿底板侧向顶板侧的方向进行放煤，放煤方式可选择单轮顺序、多轮间隔。
5.根据权利要求1所述的提高急倾斜特厚煤层水平分段综放开采顶煤放出率的方法，其特征在于：所述步骤六中，“见矸关窗”为放煤口放落体中发现一定数量的矸石时，关闭放煤口，停止放煤操作。
6.根据权利要求1所述的提高急倾斜特厚煤层水平分段综放开采顶煤放出率的方法，其特征在于：所述步骤二中，“放矿椭球体”总体积通过公式计算：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
Figure DEST_PATH_IMAGE004
Figure DEST_PATH_IMAGE006
Figure DEST_PATH_IMAGE008
Figure DEST_PATH_IMAGE010
，其中，a=空心椭球体长半轴，b=空心椭球体短半轴，ε=空心椭球体偏心率，H=柱心椭球体高度，H=2a，D=放矿口直径，D=2r。
7.根据权利要求6所述的提高急倾斜特厚煤层水平分段综放开采顶煤放出率的方法，其特征在于：所述空心椭球体偏心率由散体内摩擦角及粘结力性质确定，并通过如下公式计算：
Figure DEST_PATH_IMAGE012
Figure DEST_PATH_IMAGE014
Figure DEST_PATH_IMAGE016
其中Q中=半个椭球短半轴外端移动角。
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