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郓城煤矿厚煤层开采设备选型研究
郓城煤矿厚煤层开采设备选型研
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研究报告
山东省郓城煤矿 中国矿业大学（北京）
二〇一三年一月
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郓城煤矿厚煤层开采设备选型研究 2国内外厚煤层开采状况
2.1 我国厚煤层采煤方法概况
我国煤矿开采的现状及其发展我国煤层赋存条件多样，开采条件各异。经过半个世纪的采煤方法改革，发展了以长壁采煤法为主并兼容柱式采煤法的多种采煤方法体系。据不完全统计,我国当前的采煤方法有50多种，是世界上采煤方法最多的国家。我国的国有重点煤矿近水平及缓斜、中倾斜及倾斜煤层的可采储量分别占85.95%、10.16%及3.88%;薄、中厚、厚煤层的可采储量分别占18.66%、36.07%及45.25%。20世纪末按不同煤层倾角产量比重为：近水平及缓斜煤层为87.98%(α<12°为57.89%)，中倾斜煤层为8.15%，急斜煤层为3.88%；按煤层厚度的产量比重为：薄煤层为6.73%、中厚煤层为47.88%、厚煤层为45.39%。2002年,我国原煤产量为13.93亿t，为1994年的40多倍,列世界首位。2002年，国有重点煤矿、国有地方煤矿和乡镇煤矿的原煤产量占全国原煤总产量的比重分别为51%、19%及30%。
我国采煤方法有单一长壁采煤法（走向长壁采煤法，倾斜长壁采煤法）、倾斜分层长壁采煤法（倾斜分层走向长壁采煤法，倾斜分层倾向长壁采煤法）、放顶煤、急倾斜煤层采煤法和柱式体系采煤法等。
长壁采煤法的发展为机械化采煤创造了条件随着长壁采煤法的发展，采煤机械化水平逐年提高。1975年及改革开放以来,国有重点煤矿采煤工作面主要生产指标取得显著进展我国是世界上应用水力采煤最早的国家之一。自1956年推广以来，逐渐稳定发展，产量占世界前列。特别是煤层厚度、倾角变化较大的不规则煤层中应用更能发挥其能力。2001年，国有重点煤矿综采工作面平均个数为298个，平均年产93.65万t；普采工作面平均个数为260个，平均年产为28.5万t；水采工作面19个，平均年产26.82万t；炮采工作面731个，平均年产15.76万t。
目前，我国针对厚煤层的开采方法主要有分层开采、放顶煤开采（特厚煤层采用大采高综放开采）、大采高开采三大类型。其中分层开采是指煤层厚度超过5m时，采场空间支护技术和装备无法合理解决时，为克服开采困难，把厚煤层分为若干中等厚度的分层来开采的采煤方法。
放顶煤开采是指在厚煤层中，沿煤层或分段底部布置一个采高2～3m的长壁工作面，用常规方法进行回采，利用矿山压力或辅以人工松动的方法，使支架上方的顶煤破碎成散体后由支架后方放出，并由刮板输送机运出工作面。
大采高是一个相对的概念，指与普通采高相比而言，大采高开采高度的值并没有严格的规定，有的文献将普采高度大于2.5m时称为大采高，也有个别文献将放顶煤开采也称为大采高，可见大采高这个词的用法并不规范，在大多数情况下，大采高指的是大采高综采，即使用与采高相同的综采支架及配套设备进行一次采全高，开采厚度在3.5m以上。 2.2 国内外分层开采研究现状
2.2.1 国内外分层开采技术分析
郓城煤矿煤层赋存较好，平均煤层厚度7.0m，如用分层开采技术，其开采技术主要有以下几个方面影响开采经济性因素：
(1) 分层开采巷道工程量以及施工维护费用高，是综放开采及一次采全高开采方法的1倍以上； (2) 分层开采的设备搬家费用较贵，比综放开采及一次采全高开采方法增加1倍以上；
(3) 采用分层开采方法时，需在下分层与上分层间留有0. 5~1. 0 m的煤，这样就相对减少了工作面煤炭的回收量，使煤炭可销售量减少，同时，在开采过程中还需采用铺网等方式制造假顶，必将增加开采的材料消耗量；
(4) 分层开采方法与综放开采及一次采全高开采方法相比，其通风与防火将变得更加复杂，将不等不增加通风及防火费用。
基于以上4点分析，分层开采同综放开采及一次采全高开采方法相比较，其经济性最差。
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郓城煤矿厚煤层开采设备选型研究 2.2.2 分层开采技术难题
(1) 分层开采方法比其他两种开采方法的巷道系统更复杂，易导致矿井采掘接替紧张。 (2) 分层开采方法要求巷道掘进围岩控制技更苛刻，大大增加了巷道围岩变形控制难度。 (3) 采用分层开采时，上分层开采需要增加铺网工序，下分层开采机道容易发生冒顶事故，这都将严重影响工作面推进速度，导致作面开采效率低下。
(4) 分层开采由于分层间需要留有一定的煤层厚度，以提高开采的安全性，这将严重影响了工作面开采的回收率。
(5) 与综放及一次采全高相比较，分层开采方法的效率最低。
总之，对郓城煤矿特厚煤层开采时，采用分层开采从技术、经济、生产安全性以及高产高效方面均合考虑，均不是最佳的开采方法，因此不适宜采用此方法。 2.3 国内外综放开采研究现状
2.3.1 国内外综放开采现状
放顶煤开采最早起源于欧洲。为了解决不稳定特厚煤层的煤炭开采问题，1964年综合机械化放顶煤采煤法首先在法国的布朗齐矿试验成功，随后这一方法在前苏联、前南斯拉夫、罗马尼亚等国得到推广应用，取得了较好的技术经济效果。
我国放顶煤开采主要是指长壁综合机械化放顶煤开采(以下简称综放开采)。1982年9月，煤炭科学研究总院北京开采研究所和沈阳煤研所首次在我国进行综放工作面总体设计和放顶煤液压支架设计，1983年进行设备的加工制造。1984年4月，我国第1个60m长的综放工作面在沈阳矿务局蒲河矿进行缓倾斜长壁综放开采工业性试验，由于支架设计、生产管理经验不足、自然发火等原因，直到1986年9月才进行鉴定。1986年3月在窑街矿务局二矿进行了急倾斜特厚煤层水平分段综采放顶煤采煤法的工业性试验，该项目由北京开采所承担，窑街矿务局和郑州煤机厂协作，试验取得圆满成功，为急倾斜特厚煤层机械化开采开辟了新途径。在此基础上，综放开采技术先后在乌普木齐、阳泉、平顶山、晋城、潞安、辽源、鹤岗、充州、枣庄、淮南、铜川、大同等国有重点煤矿以及许多地方煤矿推广应用，取得了良好的技术经济效果。与此同时，综放技术在不断地提高、经验在不断地积累和丰富，尤其是阳泉一矿综放面于1991年取得了月产14万t的创记录成绩以后，人们看到了综放开采高产高效的前景，为放顶煤技术发展打下了良好的基础。
进入20世纪90年代以来，对综放开采中存在的瓦斯治理、火灾防治、粉尘治理、提高回收率、全煤巷锚杆支护等技术难题进行攻关研究，取得了可喜成果，我国的综放开采得到了迅速发展，特别是1994年制定了(综合机械化放顶煤开采技术暂行规定)，使我国综放开采技术走向正轨。自1994年以后，综放工作面个数逐年增加，产量也在逐年上升，百万吨综放队个数也在逐年增加。据统计，我国1994年有28个矿务局的60个综放工作面投产，年产煤炭约36.80Mt，1995年约有73个综放工作面，1996年综放的总产量为57Mt，已占国有重点煤矿总产量的10%左右。1997年全国有92个综放工作面，占总工作面数的4.4%，放顶煤总产量为“.094Mt，占总产量的13.54%。1999年有n个综放工作面年产超过2Mt，占全国同类指标总数的68.8%。2000年度78个创水平综采队中，综放开采占32个，其中年产超过2Mt的有12个。1995-2000年间全国重点国有煤矿年产超过IMt/a的综放队的生产情况如表1所示。2001年东滩煤矿综采队应用综放开采技术，年产盆达5.5Mt。2003年，该队又创造了工作面年单产6.42Mt、最高月产0.6563Mt的两项世界新纪录。
2.3.2 我国综放开采有待解决的技术难题
(1) 坚硬顶板和硬顶煤条件下的综放开采工作面的回采率，目前还不能达到令人满意的水平，需要针对顶板及硬煤采取特殊技术措施，以提高顶煤的回收率。
(2) 对于瓦斯突出的厚煤层，目前(煤矿安全规程)禁止采用放顶煤开采。如果采取瓦斯预抽放措施，还不能保证工作面瓦斯不超限，或采用开采解放层的方法，不能解决煤的瓦斯突出问题，是不可以进行放顶煤开采的，因此放顶煤开采的瓦斯治理仍然是安全开采的首要问题。对于瓦斯含量
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郓城煤矿厚煤层开采设备选型研究 高的煤层，除采取预抽排、开解放层等综合措施外，还可以沿顶板在煤层中开掘专用的瓦斯排放巷是排放工作面，但上述措施大大增加了工作面开采的费用，降低了工作面开采效率。
(3) 综放开采工作面防火一直是不得不面对的难题，采空区浮煤的自然发火也是放顶煤开采遇到的重要安全问题之一。目前常用防止采空区浮煤自然发火的措施是注入惰性气体、黄泥灌浆、避免向采空区漏风等，但是保证工作面的推进度不低于35 m/月，对于防止采空区浮煤自然发火具有根本性效果。对于软煤层，全煤巷道的及时封闭,避免冒顶是防止巷道发火的基本措施。一旦巷道冒顶，不及时封闭、充填，就会形成冒顶区内风流不畅、氧化、发火，随开采高温煤落入采空区后，会引燃采空区浮煤。
(4) 上覆岩层下沉导致地面塌陷问题。放顶煤开采将分层开采中2次甚至3次采出的煤量一次采出，因此其引起的上覆岩层离层具有范围大、岩层活动强烈等特点，但是引起的地表沉降量与分层开采的累计沉降量相当，实验和工程实践均证明了上述事实。但是利用放顶煤开采引起的离层量大、宏观易于把握的特点可进行离层内注浆，控制地面沉降。这较分层开采中每次的离层量小，浆体不易注入而言，更易于工程实现。 2.4国内外大采高发展状况
2.4.1 国内外大采高技术发展概况
国外早在60年代就开始了大采高综采技术的研究，德国早在1970年使用贝考瑞特垛式支架开采了热罗林矿4m厚的煤层，1980年前西德赫姆夏特公司开发出GS50-22/60掩护式支架，最大高度6m，在威斯特伐伦矿使用并取得了成功。20世纪70年代末，波兰设计开发了P10MA系列两柱掩护式大采高支架，也取得了较好的使用效果，美国1983年在怀俄明州卡帮县1号矿采用长壁大采高综采技术开采厚煤层，工作面采高达到4.5～4.7m，日产达6200t，工效达260t～360t/工，实现了高产高效。捷克的LAZY矿从1993年开始使用DBT公司的大采高支架，经过不断对支架的改进，采高从4m增加到6m，在顶板较为破碎的情况下，回采工效为38t/工，工作面正常条件下单产为7500t/d，平均4500t/d，最高单产达到了8000t/d。国外使用大采高的国家还有前苏联，英国等。
我国大采高开始于70年代，1978年引进德国赫姆夏特公司6320-23/45型掩护式大采高支架及相应的采煤运输设备，在开滦范各庄矿1477工作面开采7号煤层，在煤层厚度3.3m～4.5m、倾角10°的条件下，平均月产达到了70819t，最高月产达到94997t，达到我国当时的最好水平。与此同时，我国开始研究大采高支架和采煤机。1984年西山矿务局官地矿在18202工作面使用我国自行研制的大采高综采设备进行工业性试验，综采支架为BC520-2/47型支掩式，采煤机为MXA-300/45无链牵引采煤机，在采高4.0m及II级3类顶板条件下，综采工作面3个月采煤11.2万t。1986年邢台矿务局东庞煤矿使用BY3200-23/45国产掩护式液压支架配套大采高综采设备，在2702工作面进行了工业性试验并取得了成功，1987～1988年东庞煤矿又与北京煤机厂合作，研制了BY3600-25/50型掩护式大采高液压支架，成功地用于2号煤层开采，在采高4.8m情况下，平均月产104350t，最高月产142211t，1989年以来，该矿一直保持了大采高综采队年产百万吨以上水平。80年代到90年代初期，我国先后在铜川、开滦、西山、充州、徐州、邢台、双鸭山等矿区使用了大采高开采方法，采高均未超过5m。1981年至1994年，全国累计有359个年产超百万吨的综采队，其中大采高综采队仅有19个，占5.3%。
随着高产高效矿井建设的深入，人们普遍认识到高产高效工作面是矿井高效高效的基础，近十余年，大采高工作面得到长足的发展，其优势越来越得到普遍认可，大采高开采技术发展到一个新的阶段。开采高度突破5m，日产量达到了万t级水平，个别工作面的产量及效率达到并超过国际水平，成为国际一流的大采高工作面。神东公司祈连塔矿2003年综采工作面年产原煤924万t，采高4.5m～4.8m。2004年，神东公司上湾煤矿大采高工作面年产原煤1075万t，矿井回采工效达到了927t/工，实际采高达到了5.4m。晋城煤业集团寺河矿则在高瓦斯矿井条件下，采高达到了5.5m，为我国首次达到采高5.5m的矿井，最高日产达3.332万t，最高月达到了57.3101万t。大同煤矿集团公司四老沟矿则在“两硬”条件下，使用国产ZZ9900-29.5/50液压支架成功地开采了平均5.lm厚的14号煤层，实际采高4.5m,工作面最高月产为31.55万t，为普通综采的3.26倍，最高日产达15114t，最高
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