煤矿开采学课件第一篇采煤方法第七章：放顶煤采煤法.ppt

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1、,第七章 放顶煤采煤法,1采煤机；2前部刮板输送机；3放顶煤液压支架；4后部刮板输送机；5平巷胶带输送机；6泵站、移动变电站等；7放煤窗口；8转载机；9破碎机A不充分破碎煤体；B较充分破碎煤体；C待放出煤体,工艺过程：在煤层（或分段）底部布置的综采工作面中，采煤机割煤后，液压支架及时支护并移至新的位置，随后将工作面前部刮板输送机推移至煤壁。操作后部刮板输送机使用千斤顶，将后部刮板输送机前移至相应位置。采煤机割过13刀后，按规定的放煤工艺要求，打开放煤窗口，放出已松散的煤炭，待放出的煤炭中含矸量超过一定限度后，及时关闭放煤口。完成采放全部工序为一个放顶煤开采工艺循环。,相关知识,一、放顶煤液压支

2、架的特点及性能,放顶煤液压支架有液压控制的放煤机构。放顶煤工作面生产的煤炭大多数由放煤口放出，要求放煤机构的液压控制性能好、开闭迅速、可靠，放煤口不易堵塞，有良好的喷雾降尘装置。工作面放煤时，不可避免地会有大块煤冒落，放煤机构必须有强力可靠的二次破煤性能。多数放煤支架采用两部刮板输送机，后部刮板输送机专门运送放出的顶煤，因而支架应有推移后部刮板输送机和清理后部浮煤的性能和机械。应考虑支架后部留有通道，作为维修后部刮板输送机和排矸使用。,由于邻近支架放煤时顶煤的运动，会使未放煤的支架受到侧向力，因此，支架结构必须有较强的抗扭和抗侧向力的功能。对于双输送机放顶煤支架，要求有足够的工作空间，因此支架

3、的控顶距较大，顶梁较长。放顶煤工作面的顶板为煤，在多次反复支撑作用下较为破碎，因此支架必须全封闭顶板，有更好控制端面冒顶和防止架间漏矸的性能。放顶煤工作面采煤机的采高是根据最佳工作条件人为确定的，采高大体在2.53.0 m之间。不需要使用双伸缩立柱或带加长段的立柱。由于放顶煤支架重量大，工作面浮煤较多，支架必须有较大的拉架力，拉架速度要快，能够带压擦顶移架。,二、放顶煤液压架分类,一般放顶煤支架可分为掩护式、支撑掩护式、支承式和简易式四种类型。这四种类型 又有：根据放煤窗口的位置不同，又有高、中、低三种放煤方式。按输送机数目可分为单输送机和双输送机两类。,1.单输送机高位放顶煤支架这类支架是指

4、单输送机、短顶梁、掩护梁开天窗高位放煤的掩护式支架。其主要型号有FYD4400-26/32、YFY3000-16/26、YFY3000-16/20、ZFD4000-17/33等。特点：支架结构简单，采煤机割煤与放煤由一部输送机运出，端头维护空间小，工作面整体布置与普通长壁工作面相同，便于维护管理，减少事故发生。支架的长度较短，结构紧凑，稳定性和封闭性较好。,掩护梁放煤口尺寸较大，有利于顶煤的放出，但放煤口位置高，丢煤多，采出率较低，煤尘大，支架通风断面较小。由于顶梁短，放煤口位置距煤壁较近，因此对煤层冒放性的要求较高。一方面要求梁端顶煤完整，不冒顶，不片帮；另一方面要求顶梁后顶煤破碎，即放煤口

5、能顺利放出。放煤槽在放煤状态时与底座呈35夹角，难以达到40。如果当仰角为10时，放煤不流畅，向左右溢出。采放同用一部输送机，不能平行作业，影响产量的提高。适用：煤质中硬，节理裂隙比较发育，煤层厚度7 m左右。,YFY2000-16/26型,2.双输送机中位放顶煤支架这类支架是指双输送机运煤，在掩护梁上开放煤口，中位放煤的支撑掩护式液压支架。特点：支架稳定性和密封性好，抗偏载和抗扭能力大，不易损坏。放煤口距煤壁远，有助于工作面前方顶煤的维护。支架顶梁长，有利于反复支承顶板，增加顶煤的破坏程度。,由于采煤和放煤使用两部输送机，可以实现采放平行作业，实现高产高效。放煤口位置较高，丢煤多，采出率较低

6、，煤尘较大。后输送机放在支架底座上，后部空间有限，造成大块煤通过困难，移架阻力较大。掩护梁不能摆动，二次破煤能力差。适用：使用较广泛，在矿压显现剧烈，有悬顶危险的条件 下，具有较好的适应性。,F YS300019/28型放顶煤支架1伸缩梁；2伸缩梁千斤顶；3侧推千斤顶；4顶梁；5摆杆千斤顶；6摆动杆；7掩护梁；8放煤千斤顶；9底座；10后输送机千斤顶；11立柱；12推移千斤顶及框架；13放煤板,3.双输送机低位放顶煤支架这类支架是指双输送机运煤，在掩护梁后部铰接一个带有插板的尾梁，低位放顶煤的支撑掩护式液压支架。尾梁可上下摆动45左右，用于松动顶煤，并维持一个落煤空间。尾梁中间有一个液压控制的

7、放煤插板，用于放煤和破碎大块煤。主要特点：由于具有连续的放煤口，放煤效果好，采出率高。顶梁长，放煤口距煤壁远，经顶梁反复支撑，使顶煤充分破碎，对放煤极为有利。,后输送机沿底板布置，浮煤容易排出，移架轻快，同时尾梁插板可以破碎大块煤，放煤口不易堵塞。低位放煤，煤尘小，有利于降尘。支架的稳定性较差。适用：适应性强，在急斜煤层、缓斜中硬煤层和三软煤层综放开采中取得成功，是目前我国应用最广泛的放顶煤液压支架架型。,FZ3000-15/30型放顶煤支架1前梁；2梁千斤顶；3顶梁；4支柱；5上连杆；6掩护梁；7摆动尾梁；8支撑板；9后部千斤顶；10底座；11推杆；12操纵阀,4.轻型放顶煤液压支架放顶煤开

8、采工作面矿山压力显现一般不强烈，支架受力低于分层开采。针对国内普通放顶煤支架一般比较重、外形尺寸大、结构复杂、拆装运输困难且不适应复杂煤层地质条件的煤矿等特点，我国科技人员目前已研制和开发出单摆动杆和单铰接两大类轻型放顶煤液压支架，如图所示。,主要特点：支架结构简单、紧凑，重量轻，便于拆装运输。支架空间较大，便于清理浮煤和拆装检修后部输送机。支架稳定性好，造价低。单铰接轻型放顶煤液压支架，具有较高的封闭能力，能较好地解决“三软”煤层和较薄的厚煤层综放开采端面易冒落的问题。,适用条件：煤层普氏系数f2.5，来压强度不大，煤层厚度38 m，煤层倾角25。工作面尺寸较小，断层较多，地质条件较为复杂的

9、工作面。边角煤或煤柱的开采，厚度不稳定的煤层，较薄厚煤层。总之，轻型放顶煤支架，具有对不同条件适用性强的特点，特别适用于中小矿井较薄的厚煤层、三软煤层、煤层厚度变化大煤层，也适用于边角煤、残煤的放顶煤开采，轻型放顶煤液压支架是一类有发展前途的架型。,三、放顶煤工作面矿压显现特点及顶煤破碎机理,（一）岩层活动及矿压显现特点 放顶煤开采时，由于煤层一次采出厚度的增大，直接顶的垮落高度成倍增加，可达煤层采出厚度的2.02.5倍，其中1.01.2倍范围内的直接顶为不规则垮落带，而在上位直接顶中则可形成某种临时性“小结构”，其活动可对采场造成明显影响。,综放采场上方仍可形成稳定的“砌体梁”式基本顶结构，

10、如图所示，但其形成的位置远离采场。由于直接顶垮落高度较大，在某些条件下，上位直接顶中可形成“半拱”式小结构，并与其上的“砌体梁”结构相结合，共同构成综放开采覆岩结构的基本形式。因而采场矿压显现不仅取决于上覆岩层的活动，更主要地取决于顶煤及直接顶的刚度。由于松软顶煤的参与，缓和了支架和基本顶之间的相互作用，因而支架阻力通常不大于分开采的支架阻力。这也是综放开采矿压显现的主要特点之一。,综放工作面顶板结构,需要指出，上位直接顶中“半拱”式结构的失稳可对采场造成来压，即直接顶来压。由于岩层的分层垮落特性，几乎所有综放工作面都不同程度地出现直接顶的初次来压，而是否出现直接顶周期来压则取决于两种结构的相

11、互作用关系。与分层开采相比，基本顶初次来压步距增大，一般可达50 m以上；而由于应力集中程度的提高和顶板超前破坏范围的增大，基本顶周期来压步距相对减小，约为其初次来压步距的三分之一。,（二）顶煤破碎机理综放开采时，实现顶煤的有效破碎和顺利放出是放顶煤工作的核心问题，而顶煤的有效破碎又是顶煤顺利放出的前提，同时也是支架选型及确定放顶煤工艺的依据。顶煤由原始状态到放煤状态，主要经历了变形、碎胀、移动和垮落等一系列复杂的过程。研究结果表明，顶煤的破碎既有顶煤内部的因素，也有外部因素。概括起来主要包括：开采深度、煤层的厚度和强度、煤层的夹矸层数和厚度、节理裂隙的发育程度、直接顶岩性及厚度、基本顶岩性及

12、厚度以及支架结构等。,煤的普氏系数f越小，表明强度越低，顶煤在煤壁前方的起始活动点越远，支承压力峰值距工作面亦较远，从而顶煤受力作用的时间也越长，有利于顶煤的放出。但如果顶煤太软，也会给工作面支架端面的维护造成困难。相反，f值越大，支承压力峰值越大，离工作面煤壁越近，顶煤的破坏过程越短，顶煤的变形、位移越小。因此，当f值大时，如采用放顶煤开采就要采取破煤的辅助手段，如注水软化、放炮预裂等使顶煤破碎，否则达不到理想的放煤效果。一般认为，煤的普氏系数f3的煤层更适合放顶煤开采。,顶煤中的夹矸不仅影响到放出煤的含矸率，而且影响顶煤的放出效果。顶煤夹矸对顶煤放出的影响比较复杂，其影响程度不仅与夹矸的岩

13、性、硬度、层数等有关，还与夹矸层与煤层的胶结性质有关。对于比较软而与顶煤胶结性差的夹矸层，则变成了顶煤的一个弱面，夹矸层的存在增加了顶煤的冒放性；对于比较硬且与顶煤胶结比较好的夹矸层，则对顶煤的冒放性有不利的影响。对于顶煤中的夹矸层处理，如果位于顶煤的上部，为保证放出煤炭的质量，一般不予放出。因此，位于顶煤中部的夹矸层则是应重点考虑的对象。,顶煤中节理发育，节理延伸性好，开张度大，充填物胶结性差，煤体相对松软，易破碎，冒落块度小，可放性好；相反，节理分布密度小，延伸不好，成闭合状，充填物胶结强度高，煤体的整体性好，不易破碎，冒落块度大，可放性差。支承压力的大小是煤体内产生次生裂隙的另一个主要因

14、素。,顶煤的破碎是支承压力、顶板运动及支架反复支撑共同作用的结果。其中，由于工作面回采所形成的支承压力对顶煤具有预破坏作用，是顶煤实现破碎的关键；顶板回转对顶煤的再次破坏使顶煤进一步破碎，但它是以支承压力的破煤作用为前提的，而支架的反复支撑只对顶煤下位2 m左右的范围有明显的破坏作用。支架反复支撑的实质是对顶煤多次加载和卸载，使顶煤内的应力发生周期性的变化，形成交变应力作用促使顶煤破坏发展。,支架对顶煤反复支撑的次数N与顶梁的长度L及采煤机截深B有关，可表示为 N=LB当顶煤强度小或节理裂隙发育时，顶梁宜短；相反，顶梁宜长。顶梁长度过短，对顶煤破碎不利；而顶梁过长，将使顶煤破碎加剧，易出现架前

15、或架上冒空现象，并增加煤炭损失。根据顶煤的变形和破坏发展规律，沿工作面推进方向可将顶煤划分为图1所示的四个破坏区，依次为完整区A、破坏发展区B、裂隙发育区C和垮落破碎区D。由于工作面的移动特性，顶煤也将依次经历完整区、破坏发展区、裂隙发育区到垮落破碎区，由放煤口放出。,顶煤破坏区,四、放顶煤采煤工艺,（一）放顶煤综采主要工艺过程 采煤机割煤移架 推移前部输送机 移后输送机 放顶煤 放顶煤为综放开采的关键工序，一般要根据架型、放煤口位置及几何尺寸、顶煤厚度及破碎状况，合理确定放顶煤的步距与作业方式。一般情况下采用“二采一放”或“三采一放”，即采煤机割两刀或三刀放一次顶煤。顶煤的放出顺序，可以从工

16、作面一端开始，顺序逐架依次放煤，如果顶煤较厚，也可以隔架轮换或23架一组，隔组轮换放煤。,放煤时，要坚持“见矸关门”的原则。放顶煤时，有三种情况引起放煤不正常：一是碎煤成拱放不下来；二是大块煤堵放煤口，放不出来；三是顶煤过硬，难以垮落。处理碎煤成拱的主要方法：通过摆动支架的尾梁或掩护梁，一般情况下能破坏成拱的碎煤，亦可升降支架破坏成拱，但这种方法不可常用，对支架有所损害。,当大块顶煤堵塞放煤口时，可通过支架上的插板、搅动杆等结构破碎或松动顶煤，在工作面顶板稳定情况下，可以适当摆动支架尾梁将顶煤松动破碎。遇到特大块煤时，可以采用打眼放炮的方法破碎。放落的大块煤在输送机上要及时用人工或机械的方式进

17、行破碎，以免在工作面端头因输送机的过煤高度产生阻煤现象。顶煤过硬难以垮落时，必须预先对顶煤进行破碎处理，目前主要采取从工作面向顶煤打眼放炮的方法。若由工作面无法破碎顶煤或在高瓦斯矿井中，则应考虑布置工艺巷进行专门的爆破作业。另外，一些矿井采用高压注水软化顶煤，也取得良好的效果。,（二）初采和末采放煤工艺1、初采推出开切眼后即做到了及时放煤，根据采煤工作面顶板的结构和顶煤的性质，为减小初次放顶煤步距，提高初采回收率，常采用深孔爆破技术和切顶巷技术。方法是在工作面开采前在开切眼外上侧沿顶板开掘一条与开切眼平行的辅助巷道，称为切顶巷。同时，在巷道的一帮打眼放炮，扩大切顶效果。,2、末采一般可提前10

18、 m左右停止放顶煤并铺顶网，但应注意解决好两个问题：一是选择合理的停采线位置，使撤架空间处于稳定的顶板条件之下；二是有效地防止后方矸石窜入工作面，即矸石应能够压住金属网。如不铺网，应在综放设备允许的坡度范围内加大爬坡度，减少放煤量，在到停采线时，使支架基本贴近顶板，将易燃的碎煤变为底板上的实体煤。,（三）放煤步距放煤步距是指沿工作面推进方向前后两次放煤的间距。合理地选择放煤步距，对提高采出率、降低含矸率十分重要。放煤步距与顶煤厚度、破碎质量、松散程度及放煤口的位置有关。放煤步距过大时，所需放出煤的体积也较大，若打开放煤口，随破碎顶煤的放出，上方矸石也将不断向放煤口移动，由于待放的煤较多，在上方

19、矸石到放煤口后，其采空区后面仍有一部分顶煤没有放出，造成顶煤的过多损失。放煤步距过小时，后方矸石易混入放煤口，影响煤质，并容易误认为煤已放尽而停止放煤，造成上部顶煤的丢失。合理的放煤步距只是把煤炭采出率和混矸率控制在一定范围内，图所示为不同放煤步距下的混矸状况。,不同放煤步距下煤矸运动状态,放顶煤支架架型确定后，放煤步距应考虑与支架放煤口的纵向尺寸的关系。对于综放工作面，放煤步距应与移架步距（或采煤机截深）成整倍数关系，即割一刀、两刀或三刀煤放一次顶煤，也就是说，支架放煤口的纵向尺寸应与采煤机循环进刀量成整倍数关系。如果放煤步距大于支架放煤口的纵向尺寸，则会有一部分冒落的顶煤留在支架放煤口的后

20、方而丢到采空区；如果放煤步距小于支架放煤口的纵向尺寸，则必然有一部分矸石处于放煤口的上方，放煤时这部分矸石被一并放出。,根据我国放顶煤工作面的实际情况，确定放顶煤步距时可借鉴以下经验公式 L=（0.150.21）h式中 L 放顶煤步距，m；h放煤口至煤层顶部的垂高，m。,（四）放煤方式放煤可分为连续放煤和不连续放煤两种，其中低位放顶煤支架为连续放煤，中、高位放顶煤支架为不连续放煤。放煤方式按放煤轮次不同，可分为单轮放煤和多轮放煤。打开放煤口，一次将能放出的顶煤全部放完的称单轮放煤；每架支架的放煤口需打开若干次才能将顶煤放完的称多轮放煤。放煤方式按放煤顺序不同，可分为顺序放煤和间隔放煤。顺序放煤

21、是指按支架排列顺序（1、2、3、）依次打开放煤口的方式；间隔放煤是指按支架排列顺序每隔1架或几架（如1、3、5、或1、4、7、）依次打开放煤口。无论是顺序放煤还是间隔放煤都可以采用单轮或多轮放煤。,1.单轮顺序放煤单轮顺序放煤方式是一种常见的放煤方式，从端头处1号支架开始放煤，一直放到放煤口见矸，顶煤放完后关闭放煤口；再打开2号支架放煤口，2号支架放完后再打开3号支架放煤口，直到最后支架放完煤为一轮。优点：操作简单，工人容易掌握，放煤速度也较快。放煤时，坚持“见矸关门”的原则，但并不是见到个别矸石就关门，只有矸石连续流出，顶煤才算放完；见到矸石连续放出，必须立即关门，否则大量矸石将混入煤中，造

22、成含矸率增加。,为提高单轮顺序放煤的速度，实现多口放煤，可采用单轮顺序多口放煤方式。多个放煤口同时顺序单轮放煤方式可将放煤能力提高，而含矸率反而可能降低。实际操作中，经常23个放煤口同时放煤，三个放煤工同时工作，第一个放煤工负责顺序打开放煤口放煤，第二个放煤工负责中间支架的正常放煤，第三个放煤工负责在放煤中出现混矸时，关闭后面的放煤口。这种放煤方式当顶煤强度不大、放煤流畅、煤流均匀时，可获得较高的产量和较低的混矸率。双放煤口同时放煤适用于煤层厚度小于8 m的工作面；多口放煤滞后关闭放煤口的方式适用于810 m的厚煤层。,2.多轮顺序放煤多轮顺序放煤是将放顶煤工作面分成23段，每个段内同时开启相

23、邻两个放煤口，每次放出1/3到1/2的顶煤，按顺序循环放煤，将该段的顶煤全部放完，然后再进行下一段的放煤，或者各段同时进行。优点：可减少煤中混矸，提高顶煤回收率。主要缺点：每个放煤口必须多次打开才能将顶煤放完，总的放煤速度较慢；每次放出顶煤的1/2或1/3，操作上难以掌握。对于煤层厚度大于10 m的工作面采用多轮顺序放煤，混矸率较低；顶煤太厚的工作面移架后中部顶煤冒落破碎情况一般较差，多轮放煤可使上部顶煤逐步松散，有利于放煤。,3.单轮间隔放煤单轮间隔放煤是指间隔一架或若干支架打开一个放煤口。每个放煤口一次放完，见矸关门，如图所示。具体操作时，先顺序放1、3、5号支架的煤，相邻两架支架间将形成

24、脊背高度较大，两侧对称，暂放不出的脊背煤。放单号放煤口时，一般不混矸，放完全或部分单号支架后，在顺序打开2、4、6号支架放煤口，放出单号架之间的脊背煤。当煤层厚度大于12 m时，可采取间隔两架或三架打开放煤 口再放脊背煤的放煤方式。优点：扩大了放煤间隔，避免矸石窜入放煤口，减少混矸；顶煤放出率高于上述两种放煤方式，工作面采出率接近90%；单轮间隔放煤可实现多口放煤，提高了工作面产量和加快了放煤速度，易于实现高产高效，是一种好的放煤方式。,单轮间隔放煤,（五）端头放煤由于特种端头支架架型很少，大多数放顶煤工作面用改进过渡支架或正常放顶煤支架进行端头维护，再加上输送机在端头过渡槽的加高，支架放煤后

25、过煤困难，因此只有在工作面两端各留24架不放煤，增加了煤炭损失。随着工作面输送机和支架的不断改进，使端头设备布置也不断更新。目前解决端头放煤的途径主要有以下三种：加大巷道断面尺寸，将工作面输送机的机头和机尾布置在巷道中，取消过渡支架；使用短机头和短机尾工作面输送机或侧卸式工作面输送机；采用带有高位放煤口的端头支架，实现端头及两巷放顶煤。,五、优缺点及适用条件,优点：（1）放顶煤工作面单产高。（2）放顶煤工作面效率高。（3）放顶煤工作面成本低。（4）放顶煤开采巷道掘进量小。（5）放顶煤开采工作面搬家次数少。（6）放顶煤开采对地质构造、煤层构造、煤 层厚度变化适应性强。,开采技术中的问题：,（1）

26、煤炭采出率低。放顶煤工艺损失、工作面初未采损失、端头过 渡支架不放煤与区段煤巷顶煤损失、护巷煤柱损失等。（2）放顶煤开采易发火。由于放顶煤开采煤损较多，在回采期间采 空区的碎煤就可能发生自燃。（3）放顶煤开采煤尘大。煤尘的来源有采煤机割煤、支架放煤及架 间漏煤等。（4）放顶煤开采瓦斯易积聚。放顶煤开采时产量集中，瓦斯散发面 大，采空区高度大，易于瓦斯积聚，在工作面后方采空区上部 积聚的部分高浓度瓦斯随顶煤的冒落将涌入工作面。（5）工作面支护困难。工作面设备稳定性以支架为核心。随煤层倾 角增加，支护时要求较大的支护强度克服下滑力。移架时,则以 邻架为稳定基础克服下滑力。,为克服上述问题，部分矿区

27、在大倾角放顶煤工作面采用了错层位巷道布置系统,即下区段平巷沿顶板布置,上区段平巷沿底板布置，如下图。下区段工作面回风巷道上方与采空区之间留有23m 的煤皮,以减少向上区段采空区漏风,安全系数更高。,1工作面运输平巷；2工作面回风平巷；3下区段工作面回风平巷4上下区段间留设小煤皮,适用条件,（1）煤层厚度。一次采出的煤层厚度以68 m为佳。预采顶分层综 采放顶煤开采时，最小厚度为78 m。（2）煤层硬度。放顶煤开采时，煤的普氏系数一般应小于3。若煤层 层理、节理发育，可适当增大。（3）煤层倾角。（4）煤层结构。每一夹矸层厚度不宜超过0.5 m，其普氏系数也应小 于3。顶煤中夹矸层厚度占放煤厚度的比例不宜超过10%15%。（5）顶板条件。直接顶应具有随顶煤下落的特性，其冒落高度不宜 小于煤层厚度的1.01.2倍，基本顶悬露面积不宜过大。（6）地质构造。地质破坏较严重、构造复杂、断层较多和使用分层 长壁综采较困难的地段、上下山煤柱等。（7）自然发火、瓦斯及水文地质条件。先要调查清楚，并有相应措 施后才能采用放顶煤开采。,本课题结束,