CN116696347A - 一种煤矿首采工作面高产高效生产方法 - Google Patents

一种煤矿首采工作面高产高效生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于煤矿开采领域，具体涉及一种煤矿首采工作面高产高效生产方法。所述方法首先基于传统首采面布置方式布置综采面，并将综采面轨道平巷与煤层露头之间的煤层设计为配采面，所述配采面根据厚度不同采用螺旋钻采煤机与单体液压支柱配合开采或者参考薄煤层开采工艺采用螺旋钻采煤机间隔开采，并在采用螺旋钻采煤机采煤时同时进行探测，进而确定煤层合适的钻采宽度，形成宽度变化的配采面；整个配采面无需掘进任何巷道，仅需利用综采面的轨道平巷作为工作空间即可，且无需进行钻探，完全不影响综采面的投产时间以及正常生产时的产量与效率。本发明所采用的方法投入少，在不影响综采面的情况下可以提高煤炭回采率增加经济效益。

Description

一种煤矿首采工作面高产高效生产方法
技术领域
本发明属于煤矿开采领域，具体涉及一种煤矿首采工作面高产高效生产方法。
背景技术
首采工作面一般是指煤矿开采中，一个采区中的第一个开采的工作面，位于所在采区标高最高处，即位于所在采区埋深最浅处。如果这个采区位于第一开采水平，则这个采区内埋深最浅的首采工作面通常靠近煤层露头，即靠近所属煤层发育的最浅处，煤层在靠近露头处一般厚度变化大，受风化影响大。
目前我国煤矿的开采已基本全部实现了机械化，普遍采用综采采煤工艺，优点是高产高效且安全，缺点是受综采采煤设备及其相关配套设备限制，一套综采设备一般仅适用于开采一定高度范围内的煤层，比如4.0-5.0m，而若煤层厚度变化大，低于4.0m则需要更换一套综采设备。
但是很多情况下整个煤层可能仅在靠近煤层露头处的煤厚度变化大，发育形状不规则，单独采购一套综采设备仅仅用于开采这一位置的煤显然是投入大于产出。同时这一位置的煤的范围大小并不足以布置出一个综采工作面。另外，每个采区在首采工作面回采之前都进行了长期的开拓与准备工作，已经投入了大量人力与物力，都希望首采工作面尽快投产，尽快产出大量的煤以实现经济效益。因此实际生产中首采工作面皆布置于煤层发育稳定远离露头一定距离，在首采工作面与露头之间的厚度变化大且不规整的煤层弃之不采。
但是将首采工作面与露头之间的煤丢弃又非常可惜，后期几乎没有复采的可能。因此，如何在低投入高生产效率的前提下回采这部分煤具有重要的意义。
发明内容
针对现有技术中将首采工作面与露头之间的煤丢弃不采造成的资源浪费问题，本发明在布置首采工作面时，将首个综采工作面与煤层露头之间的煤布置成一个不规则的配采工作面，配采工作面采用螺旋钻采煤机开采，可以在低投入的基础上保证高生产效率，具体的，本发明的煤矿首采工作面高产高效生产方法，主要包括以下步骤：
S1，基于所开采的煤层厚度整体情况以及矿井设计产能，选定合适的液压支架、滚筒采煤机和刮板输送机；
基于选定的液压支架以及滚筒采煤机确定综采面最小采高，在靠近煤层露头一侧，沿走向将煤层厚度基本大于综采面最小采高的位置设计为综采面轨道平巷；基于刮板输送机的长度以及矿井设计产能确定综采面宽度，进而确定运输平巷位置；
掘进运输平巷与轨道平巷，并基于设计的切眼位置掘进切眼连接运输平巷与轨道平巷；在切眼内布置液压支架，滚筒采煤机和刮板输送机；
优选的，步骤S1中，在运输平巷内布置可伸缩胶带输送机，所述刮板输送机通过转载机与可伸缩胶带输送机连接。
S2，将轨道平巷与煤层露头之间的可采煤体设计为配采面，所述配采面的长度与综采面的长度一致；在切眼与轨道平巷相交处布置一个螺旋钻采煤机，所述螺旋钻采煤机出煤处采用转运输送机与综采面的刮板输送机相搭接；
优选的，步骤S2中，所述可采煤体指的是未受风化，且煤层厚度沿倾向方向与轨道平巷处相比减少不大的煤体。
优选的，步骤S2中，超前螺旋钻采煤机，在轨道平巷靠近配采面一侧布置硐室用于存放螺旋钻采煤机用螺旋钻杆；所述硐室布置于配采面煤层厚度较薄处。
S3，综采面采用滚筒采煤机采煤，同时配采面采用螺旋钻采煤机钻采煤。
优选的，对于配采面，当煤层厚度均匀且厚度较大时，配采面回采进度与综采面回采进度一致，并在配采面采用单体液压支柱与金属铰接顶梁配合进行支护。
优选的，配采面采用螺旋钻采煤机钻采煤时，基于钻采现象对钻遇区域进行钻探判断，当钻遇大量岩层或者煤层风化区时停止钻进，单体液压支柱的列数根据配采面的开采宽度实时调整。
优选的，高度方向上自上而下钻采。
优选的，对于配采面，当煤层厚度较小时，配采面回采进度超前综采面，配采面沿走向间隔钻采煤体，形成钻采空区和支撑煤柱，钻采空区通过支撑煤柱支护。
优选的，配采面采用螺旋钻采煤机钻采煤时，基于钻采现象对钻遇区域进行钻探判断，当钻遇大量岩层或者煤层风化区时停止钻进。
优选的，高度方向上自上而下钻采。
本发明的有益技术效果为：本发明首先基于传统首采面布置方式布置综采面，并将综采面轨道平巷与煤层露头之间的煤层设计为配采面，所述配采面根据厚度不同采用螺旋钻采煤机与单体液压支柱配合开采或者参考薄煤层开采工艺采用螺旋钻采煤机间隔开采，并在采用螺旋钻采煤机采煤时同时进行探测，进而确定煤层合适的钻采宽度，形成宽度变化的配采面；整个配采面无需掘进任何巷道，仅需利用综采面的轨道平巷作为工作空间即可，且无需进行钻探，完全不影响综采面的投产时间以及正常生产时的产量与效率。本发明所采用的方法投入少，在不影响综采面的情况下可以提高煤炭回采率增加经济效益。
附图说明
图1是本发明实施例中首采工作面布置示意图(布置单体液压支柱时)；
图2是图1中局部放大图；
图3是本发明实施例中首采工作面布置示意图(留设支撑煤柱时)；
图4是图3中局部放大图；
图中，综采面1；配采面2；运输平巷3；轨道平巷4；液压支架5；刮板输送机6；可伸缩胶带输送机7；转运输送机8；螺旋钻采煤机9；单体液压支柱10；金属铰接顶梁11；钻采空区12；支撑煤柱13；硐室14；采空区15。
具体实施方式
禹州煤田梁北二井是平煤集团近期计划开采的大型重点矿井之一,根据矿井建设的初步设计方案，拟建矿井年生产能力120万吨/年,梁北二井井田属华北地层区豫西分区嵩箕小区,属隐伏型，基岩全部被新近系、第四系掩盖。根据地质勘探确定梁北二井共有可采煤层4层，二1煤层基本全区可采，偶见不可采点，四6煤层大部可采，二3、七2煤层局部可采，各可采煤层发育特征见表1。二1、二3煤均为黑色，四6煤为黑褐色，七2煤为灰黑色。二1、二3煤层以粉状为主，次为鳞片状；四6、七2煤以粒状为主，次为块状。煤层受压固结成块状，手指轻压易碎，具挤压和揉搓现象。各煤层的视密度、真密度、孔隙率见表2。
二1煤层赋存于山西组底部，上距砂锅窑砂岩45～70m，平均60m，二1煤层直接顶板以泥岩、砂质泥岩为主，部分为细、中粒砂岩；底板以泥岩、砂质泥岩为主，偶为细、粉砂岩或炭质泥岩伪底。煤厚0.42～12.50m，平均5.08m；夹矸1～3层，厚0.06～0.64m，夹矸为炭质泥岩。二1煤层结构简单，煤层可采性指数(K)为94.1％，厚度变异系数(γ)为53.4％，属较稳定的厚煤层，基本全区可采。二1煤层埋深350～1215m，赋存标高-245～-1100m。二1煤层为4层可采煤层中最厚且埋深最浅的煤层，因此被选为我矿井的首采煤层。
梁北二井目前尚未开始投产，仍处于矿井建设的开拓与准备阶段，设计首采区位于第一开采水平且靠近主副井，以期尽快投产。矿井采用长壁综合机械化采煤技术进行开采，根据综采设备可以开采的煤层最小厚度4.2m，大致可以确定首采区的首采工作面开采上限(标高最高、埋深最浅处)。但是在首采工作面开采上限与煤层露头之间还有部分厚度很大(平均3.0m以上)，形状不规整的可采区域，受综采设备影响以及矿井尽快投产且高效生产的要求，这部分煤按照常规方式会弃之不采，不符合节约资源的要求，且会产生巨大经济损失。
表1可采煤层赋存情况一览表
表2各可采煤层视密度、真密度、孔隙率一览表
注：表中数据为
对于上述问题，我公司通过研究得出一种方案，既能保证整体的首个综采工作面生产效率，又能回采首个综采工作面与露头之间部分可采煤体，不浪费资源的同时可以产生更大的经济效益。梁北二井具体采用的首采工作面高产高效生产方法，参考图1-图4，具体如下步骤：
S1，基于所开采的二1煤层厚度整体情况以及矿井设计产能，选定合适的综采设备，包括液压支架5、滚筒采煤机(图中未示意出)和刮板输送机6；
基于选定的液压支架5以及滚筒采煤机可以确定综采所能开采的最小采高为4.2m，在靠近二1煤层露头一侧，沿走向将煤层厚度基本大于4.2m的标高位置，作为首采区的最浅开采边界，也是首个采用综合机械化开采的工作面(简称综采面1)的最浅开采边界，将该开采边界设计为轨道平巷4的位置；基于刮板输送机6的长度以及矿井设计产能确定综采面1宽度，此处综采面1宽度不包括综采面倾向两侧的运输平巷3和轨道平巷4的宽度，本发明的实施例中综采面1宽度约为180m，进而可以确定运输平巷3的位置；
传统综合机械化开采时首采工作面(基本对应本发明的综采面1相)轨道平巷4的位置一般低于本发明所设计的轨道平巷4位置，以尽可能的使得首采工作面内的煤层厚度大，单位时间内采出的煤量多，减少液压支架5与滚筒采煤机采煤时的调整次数；且对于轨道平巷4与露头之间的煤皆弃之不采；
掘进运输平巷3与轨道平巷4，并基于设计的切眼位置掘进切眼连接运输平巷3与轨道平巷4，在切眼内布置液压支架5，滚筒采煤机和刮板输送机6，在运输平巷4内布置可伸缩胶带输送机7，所述刮板输送机6通过转载机(图中未示出)与可伸缩胶带输送机7连接，形成走向长壁综合机械化采煤工作面，即综采面1，其中液压支架5、滚筒采煤机、刮板输送机6、可伸缩胶带输送机7及其相关的配套设备布置方式属于现有技术，在此不再赘述；
S2，对于轨道平巷4与煤层露头之间的可采煤体，此处的可采指的是未受风化(煤层露头处的煤一般受风化影响不具备开采价值)，且煤层厚度沿倾向方向与轨道平巷处相比减少不大的煤体，将轨道平巷4与煤层露头之间的可采煤体设计为配采面2，所述配采面的长度与综采面1的长度一致，初步设计约820m；
在切眼与轨道平巷4相交处布置一个螺旋钻采煤机9，所述螺旋钻采煤机9是本领域用于开采薄煤层的螺旋钻采煤机9，利用螺旋钻采煤机9钻采配采面2，所述螺旋钻采煤机9出煤处采用转运输送机8与综采面1的刮板输送机6相搭接，以将配采面采出的煤转运至刮板输送机6；超前螺旋钻采煤机9，在轨道平巷9靠近配采面一侧布置硐室14用于存放螺旋钻采煤机9用螺旋钻杆；所述硐室14优选布置于配采面煤层厚度较薄处；所述转运输送机8可以选用转载机或者刮板输送机；
S3，综采面1采用滚筒采煤机进行采煤，同时配采面2采用螺旋钻采煤机9钻采煤，钻采出的煤经转运输送机8转运至自刮板输送机6，与综采面1采下的煤一起在经过转载机、可伸缩胶带输送机7运出；采用三班倒工作制度，两班采煤一班检修；
综采面1平均采高4.8m，采煤班每班采煤2刀，根据滚筒采煤机的截割深度0.8m，可得综采面1日推进3.2m，根据表2可知，二1煤层密度为1.34t/m3，根据综采面1宽度180可得每日采煤约3704t,矿井生产全年不休，除工作面搬家外每日都可以采煤，按照年均搬家用时30天，特殊情况停产5天，则每年的生产时间约330天，累计可产煤122.3万t，满足120万t的设计产能。
如图1-2所示，对于配采面2，当煤层厚度均匀且厚度较大时，本实施例配采面厚度较大指厚度在2.7-4.2m之间，配采面2回采进度与综采面1回采进度一致，并在配采面2内布置单体液压支柱10与金属铰接顶梁11；具体的，沿走向布置3-4排单体液压支柱10，沿倾向布置若干列单体液压支柱10，每列单体液压支柱10之间通过金属铰接顶梁11连接，金属铰接顶梁11支撑煤层顶板，单体液压支柱10立于煤层底板之上；单体液压支柱10的列数根据配采面的开采宽度实时调整，配采面2采用螺旋钻采煤机9钻采煤时，同时基于钻采现象对钻遇区域进行判断，即采用螺旋钻采煤机9钻采煤还要起到钻探作用；当钻遇大量岩层或者煤层风化区时停止钻进，钻遇大量岩石说明煤层厚度明显变薄；本发明实施例中，螺旋钻采煤机9选择钻径(直径)约1.0m，单次钻进沿走向平均进尺取0.8m，与综采面1匹配，高度方向上单次钻厚取0.8-0.9m之间，采用自上而下钻采，钻采后的钻采空区12采用单体液压支柱10与金属铰接顶梁11配合进行支护；
如图3-4所示，当煤层厚度较小时，本实施例配采面厚度较大指厚度在1.0-2.7m之间时，配采面2回采进度超前综采面1，并参考螺旋钻采煤机9开采薄煤层的开采工艺进行开采，沿走向间隔钻采煤体，形成钻采空区12和支撑煤柱13，其中钻采空区的宽度为3.2m，支撑煤柱13的宽度为0.8m，支撑煤柱13优选布置于煤层厚度较薄的位置。所述配采面2回采进度超前综采面1的距离能够使得综采作1回采至支撑煤柱13前支撑煤柱13基本保持稳定，至少保证螺旋钻采煤机9的安全回采，同时在综采面1回采至与某一支撑煤柱13倾向正对时该支撑煤柱13失稳，与综采面1后方一样形成采空区15。配采面的开采宽度实时调整，配采面2采用螺旋钻采煤机9钻采煤时，同时基于钻采现象对钻遇区域进行判断，即采用螺旋钻采煤机9钻采煤还要起到钻探作用；当钻遇大量岩层或者煤层风化区时停止钻进，钻遇大量岩石说明煤层厚度明显变薄；本发明实施例中，螺旋钻采煤机9选择钻径(直径)约1.0m，单次钻进沿走向平均进尺取0.8m，与综采面1匹配，高度方向上单次钻厚取0.8-1.0m之间，采用自上而下钻采，钻采后的钻采空区12通过留设的支撑煤柱13支护。当配采面的煤层厚度小于1.0m无需开采。
此外，为了提高配采面2螺旋钻采煤机9操作工人的工作环境，超前螺旋钻采煤机9在轨道平巷4的煤壁施工工作硐室(图中未示出)，自运输平巷沿煤层施工通风钻孔至该工作硐室，则运输平巷3中的风可自通风钻孔抵达该工作硐室。
预计增加的经济效益，施工周期上：配采面2没有增加任何巷道，仅需利用综采面的轨道平巷作为工作空间即可，不增加掘进工作量，同时配采面无需进行钻探，利用螺旋钻采煤机9边采边探即可，不增加钻探工作量；因此完全不影响综采面的投产时间以及正常生产时的产量与效率。
经济上：所需额外采购的设备主要包括螺旋钻采煤机9，单体液压支柱10，和转运输送机8，其中螺旋钻采煤机9的成本远低于综采面用滚筒采煤机，单体液压支柱10的价格远远低于液压支架的费用，而且单体液压支柱在巷道掘进时，临时支护时，平巷生产期间的支护时都有需要，后期可继续用于这些生产工序，因此实际额外增加的设备仅有螺旋钻采煤机9和转运输送机8，预计这两个设备加上单体液压支柱的损耗共需1000万，生产过程中配采面的吨煤生产成本预计50元/吨，假设配采面平均宽62m，采高3.5m，工作面长度820m，密度按照1.34t/m3，按照市价800元/t计算，配采面共可采煤约23.84万t，直接经济效益19075万元，去掉设备投入以及人力等带来的吨煤生产成本，预计可带来收入16883万元。
当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的指导下，所做出的所有等同替换、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。

Claims (8)

1.一种煤矿首采工作面高产高效生产方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，基于所开采的煤层厚度整体情况以及矿井设计产能，选定合适的液压支架、滚筒采煤机和刮板输送机；
基于选定的液压支架以及滚筒采煤机确定综采面最小采高，在靠近煤层露头一侧，沿走向将煤层厚度基本大于综采面最小采高的位置设计为综采面轨道平巷；基于刮板输送机的长度以及矿井设计产能确定综采面宽度，进而确定运输平巷位置；
掘进运输平巷与轨道平巷，并基于设计的切眼位置掘进切眼连接运输平巷与轨道平巷；在切眼内布置液压支架，滚筒采煤机和刮板输送机；
S2，将轨道平巷与煤层露头之间的可采煤体设计为配采面，所述配采面的长度与综采面的长度一致；在切眼与轨道平巷相交处布置一个螺旋钻采煤机，所述螺旋钻采煤机出煤处采用转运输送机与综采面的刮板输送机相搭接；
S3，综采面采用滚筒采煤机采煤，同时配采面采用螺旋钻采煤机钻采煤；对于配采面，当煤层厚度均匀且厚度较大时，配采面回采进度与综采面回采进度一致，并在配采面采用单体液压支柱与金属铰接顶梁配合进行支护；当煤层厚度较小时，配采面回采进度超前综采面，配采面沿走向间隔钻采煤体，形成钻采空区和支撑煤柱，钻采空区通过支撑煤柱支护。
2.根据权利要求1所述的煤矿首采工作面高产高效生产方法，其特征在于，步骤S1中，在运输平巷内布置可伸缩胶带输送机，所述刮板输送机通过转载机与可伸缩胶带输送机连接。
3.根据权利要求1所述的煤矿首采工作面高产高效生产方法，其特征在于，所述可采煤体指的是未受风化，且煤层厚度沿倾向方向与轨道平巷处相比减少不大的煤体。
4.根据权利要求1所述的煤矿首采工作面高产高效生产方法，其特征在于，步骤S2中，超前螺旋钻采煤机，在轨道平巷靠近配采面一侧布置硐室用于存放螺旋钻采煤机用螺旋钻杆。
5.根据权利要求4所述的煤矿首采工作面高产高效生产方法，其特征在于，所述硐室布置于配采面煤层厚度较薄处。
6.根据权利要求1所述的煤矿首采工作面高产高效生产方法，其特征在于，配采面采用螺旋钻采煤机钻采煤时，基于钻采现象对钻遇区域进行钻探判断，当钻遇大量岩层或者煤层风化区时停止钻进。
7.根据权利要求6所述的煤矿首采工作面高产高效生产方法，其特征在于，单体液压支柱的列数根据配采面的开采宽度实时调整。
8.根据权利要求6所述的煤矿首采工作面高产高效生产方法，其特征在于，高度方向上螺旋钻采煤机自上而下钻采。
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