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工作面开采方法

2021-04-25 16:54:11

工作面开采方法

  技术领域

  本发明涉及地下矿物的开采工法,具体而言,涉及一种煤炭井工开采的开采工法或开采方法。

  背景技术

  如图1所示,公开号CN105240013A的中国发明专利中,公开了一种长壁开采N00工法,包括至少一个采区2,在采区2的一侧直接设置有回风下山通道25和轨道下山通道26,在采区井口到另一侧连通设置有皮带下山通道28。回风下山通道25、轨道下山通道26和皮带下山通道28都连通井口,而且皮带下山通道28环绕整个采区2后连通回风下山通道25,形成采区2的整体通风系统。

  采用以上开采模式作业,在工作面开采前,采区内需要提前掘进巷道用于满足工作面通风、行人和运输等功能的实现,巷道掘进导致煤炭生产工作量巨大、掘进过程中安全事故频发、巷道掘进耗时过长,往往造成矿井生产接续紧张的问题,且留设煤柱造成资源的大量浪费。

  在所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本发明的背景的理解,因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

  发明内容

  针对现有技术中存在的采区内采煤必须提前掘进巷道,造成的前期工程量大、采掘接续紧张、掘进过程中安全事故频发、留设煤柱造成的资源浪费等问题,本公开针对以上的局限性,需要解决以下技术问题:首采工作面必须提前掘进巷道。

  本发明的另一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷,提供一种工作面双侧留巷的开采方法,开采过程包括如下步骤:

  在采区的多个工作面范围内,首先掘出到达所述多个工作面中首采面的大巷;

  所述首采面从接近所述大巷一端向工作面另一端开采,在所述首采面开采过程中,所述首采面两端部分开采的同时进行沿空留巷,成为第一顺槽与第二顺槽,中间部分顶板垮落,成为采空区;所述首采面的第一顺槽和第二顺槽不提前掘巷;所述首采面的所述第一顺槽和第二顺槽均是在作业面两端后方留巷形成;

  围绕采空区进行沿空留巷作业的同时进行封闭采空区的作业;

  延伸大巷至相邻的下一工作面,工作面搬家,进行相邻的下一工作面的开采;

  在之后工作面开采过程中,大巷向相邻的下一个工作面延伸,上一工作面的第二顺槽沿空留巷成为该工作面第一顺槽,同时留巷位置仅为靠近下一工作面的部分,该留巷成为下一工作面的第一顺槽;

  依序开采相邻的下一个工作面,同时顶板随着开采连续地垮落成为采空区,并且围绕采空区进行沿空留巷作业的同时进行封闭采空区的作业。

  根据本发明的一实施方式,其中:开采前在工作面施工形成切眼,以形成工作面开采的起点;

  作业面两端在开采的同时进行沿空留巷,分别形成第一顺槽和第二顺槽;

  所述第一顺槽和第二顺槽形成作业面的通风与运输通道。

  根据本发明的一实施方式,其中所述工作面的所述第一顺槽和第二顺槽均是在所述作业面两端后方留巷形成。

  根据本发明的一实施方式,其中所述工作面的第一顺槽和第二顺槽不提前掘巷。

  根据本发明的一实施方式,所述沿空留巷采用切顶卸压自成巷工艺。

  根据本发明的一实施方式,在采煤机两侧加装摇臂,使得第一顺槽以及第二顺槽区域均由采煤机割出,由采煤机割出侧面巷帮。

  根据本发明的一实施方式,工作面开采中,采区第一顺槽以及/或者第二顺槽由一台小型采煤机或掘进机割出。

  根据本发明的一实施方式,工作面开采中,通过降低刮板机机尾高度,使得采煤机摇臂能在刮板机机尾开采作业,使得采区第一顺槽以及/或者第二顺槽由采煤机割出侧面巷帮。

  本发明另一方面,提供一种开采方法,用于对一个采区进行开采,所述采区包括多个工作面,包括如下步骤:

  形成连通至首个开采的工作面的大巷通道;

  所述首个开采的工作面采用如前所述工作面开采方法进行开采。

  根据本发明的一实施方式,采区设置有用于进风、回风以及运煤的两条或三条大巷。

  根据本发明的一实施方式,开采过程还包括步骤:下一工作面开采前在该下一工作面起点施工形成切眼,工作面搬家,之后进行下一工作面的开采。

  根据本发明的一实施方式,在之后工作面开采过程中,大巷向下一个工作面延伸,上一工作面的第二顺槽沿空留巷成为下一工作面第一顺槽,同时留巷位置仅为靠近下一工作面的部分,该留巷成为下一工作面的第一顺槽。

  根据本发明的一实施方式,每一所述工作面推进至停采线完成开采后,对作业面通道进行沿空留巷,该留巷与所述第一顺槽和第二顺槽保持连通。

  根据本发明的一实施方式,所述的多个工作面开采方向与所述大巷通道平行;或者,所述的多个工作面开采方向与所述大巷通道垂直。

  由上述技术方案可知,本发明的开采工法的优点和积极效果在于:本发明与现有技术相比,无需提前准备采区掘进准备巷道,而且在采区中每个工作面开采时,也不再需要提前掘进上下顺槽,而是在采煤过程中就形成了上下顺槽,因此,本发明大大减少了因提前掘进准备巷道和上下顺槽带来的巨大工作量,缩短了建井周期,同时不留设煤柱节约了资源。

  大巷掘进到首采面位置后,同步开展首采面的双侧留巷前进式开采,使得采区正式投产时间可以大大提前。具体的作业方法中,本方案不需要三个大巷开拓完成以及掘进围绕采区的一圈作业巷,采区包括两侧的采留一体与切顶留巷作业区以及中部的顶板自然垮落的采空区。

  这些技术思路在较早的一批N00专利中没有相关技术启示和教导,这是因为,本身N00工法主导的开采方法已经大大突破了原有长臂开采的行业作业标准与规范的范围,实际上也仅有申请人技术主导的科研矿区才敢于突破惯有思维进行了实际作业的试点,更何况本方案相比于原有N00工法主导的开采方法还要有更大一步的突破,可想而知,本领域技术人员在第一步都还没有明确可否实施的情况下如何再想到更有突破性的技术想法。

  本方案是针对大巷为掘进形成的矿井,也就是说,一些情况下,大巷出于地质条件限制或安全考虑不能采用采留一体的作业方式留巷形成,在这种情况下,仍需要采用掘进的形式来形成大巷。另一方面,本方案相对于全矿区无煤柱系列专利,由于不需要等待大巷维护完成,所以仍然具有采区投入作业快的技术特点。

  附图说明

  通过结合附图考虑以下对本发明的优选实施例的详细说明,本发明的各种目标、特征和优点将变得更加显而易见。附图仅为本发明的示范性图解,并非一定是按比例绘制。在附图中,同样的附图标记始终表示相同或类似的部件。其中:

  图1是现有技术中一种长壁开采开法中的平面布置示意图。

  图2是根据第一实施例示出的双侧留巷的开采工法首采面的平面布置示意图。

  图3是根据第一实施例示出的双侧留巷的开采工法第二个工作面的平面布置示意图。

  图4是根据第一实施例示出的双侧留巷的开采工法另一种首采面的平面布置示意图。

  图5是根据第一实施例示出的双侧留巷的开采工法另一种第二个工作面的平面布置示意图。

  图6是根据第二实施例示出的双侧留巷的开采工法首采面的平面布置示意图。

  图7是根据第二实施例示出的双侧留巷的开采工法第二个工作面的平面布置示意图。

  图8是根据第二实施例示出的双侧留巷的开采工法另一种首采面的平面布置示意图。

  图9是根据第二实施例示出的双侧留巷的开采工法另一种第二个工作面的平面布置示意图。

  图10为本申请实施例中工作面整体装备布局示意图。

  图11为本申请实施例中工作面双侧多点采煤整体装备布局示意图。

  图12为本申请实施例中工作面单侧多点采煤整体装备布局示意图。

  图13为本申请实施例中工作面模块式多点采煤成巷整体装备布局示意图。

  图14为本申请实施例中采掘一体化采煤机割巷工作面设备布置示意图。

  图15为本申请实施例中多点采煤成巷布置示意图。

  图16为本申请实施例中四机配套成巷示意图。

  具体实施方式

  现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而,示例实施方式能够以多种形式实施,且不应被理解为限于此阐述的实施方式;相反,提供这些实施方式使得本发明将全面和完整,并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构,因而将省略它们的详细描述。

  本发明实施例提供一种采区内无需掘进巷道且无煤柱的开采方法,从而降低成本、减少工作量的双侧留巷开采工法。

  为实现上述目的,本发明实施例的一种工作面双侧留巷的开采方法的基本技术方案包括如下主要步骤:

  第一步骤,开采前在首采工作面施工形成切眼,以形成该工作面开采的起点;

  第二步骤,该作业面两端在开采的同时进行沿空留巷,分别形成该作业面的第一顺槽和第二顺槽;

  第三步骤,所述第一顺槽和第二顺槽形成该作业面的通风与运输通道。

  在本发明实施例中,整个采区开采时,首先形成连通至首个开采工作面的大巷通道。大巷通道至少包括运输大巷和回风大巷,有些实施例中还会将大巷细化为皮带大巷、回风大巷与轨道大巷。大巷是指,地下采矿时,为采矿提升、运输、通风、排水、动力供应等而掘进的通道。

  切眼是指沿采煤工作面始采线掘进,顺煤层掘进一条与运输大巷和回风大巷连通的巷道,使其形成一套独立的回风系统(进风和回风能形成有效循环),回风系统形成后才能布置采面开采设备进行采煤。

  工作面顺槽(也可称为开采巷道)有两条,即运输顺槽和回风顺槽,运输顺槽设有皮带输送机,负责将工作面出煤运出,同时运输顺槽进风,回风顺槽回风;其中的第一顺槽选择以运输进风为主,其中的第二顺槽选择以工作面回风为主,新鲜风流从工作面机巷进入,经工作面回风到回风巷,形成系统。

  本实施中所述“沿空留巷”是指,采煤工作面后方沿采空区边缘切顶形成巷道。有别于传统意义上所称“沿空留巷”,传统意义“沿空留巷”是指:采煤工作面后沿采空区边缘维护原回采巷道。可以看出,实质上的区别就是本实施例中不存在“原回采巷道”,没有相对工作面的任何超前作业(掘巷、护巷等作业)。

  应该理解的是,以上介绍的本发明实施例的工作面双侧留巷开采方法的主要步骤中,其中的第一步骤形成切眼,需要首先实施,其次第二步骤、第三步骤实质上是同时实施。

  根据本发明的一实施方式,其中所述工作面的所述第一顺槽和第二顺槽均是在所述作业面两端后方留巷形成。也就是说第一顺槽和第二顺槽在开采前不需要提前掘巷,在采煤作业的同时,将第一顺槽和第二顺槽空间内的煤同时采出,第一顺槽和第二顺槽均有两个巷帮,这两个巷帮一个为开采作业时形成的煤帮,另一个需要通过留巷作业形成。这里所称的“后方”是以开采作业前进方向的指向为基准,未开采一侧称为前,已开采一侧称为后。

  根据本发明的一具体实施方式,其中采区设置有用于进风、回风以及运煤的两条或三条大巷;具体的,下一工作面开采前在该下一工作面起点施工形成切眼,工作面搬家,进行下一工作面的开采;在之后工作面开采过程中,大巷向下一个工作面延伸,上一工作面的第二顺槽沿空留巷成为下一工作面的第一顺槽,同时留巷位置仅为靠近下一工作面的部分,该留巷成为下一工作面的第一顺槽。

  根据本发明的一实施方式,其中所述沿空留巷采用切顶卸压自成巷工艺。其中,涉及三个关键步骤,切顶、卸压与自成巷。

  回采后可选择采用爆破技术,对巷道正帮侧(更深入采空区一侧)的顶板采取定向预裂,缩短顺槽侧采空区顶板悬臂梁的长度,工作面推过后,在矿压作用下顶板将沿预裂切缝自动切落形成巷帮,可作为下一个工作面的顺槽使用。

  炮孔中可选择采用双向聚能装置进行装药,并使聚能方向对准控制断裂方向。炸药起爆后,冲击波和应力波优先沿设定方向集中释放,在炮孔壁上形成和聚能孔方向一致的径向初始裂缝。爆生气体涌入径向初始裂缝,在设定方向产生拉应力集中,断裂岩体,实现顶板预裂切缝。

  另外,采用恒阻大变形装置,使锚索/锚杆支护既具有恒阻条件下抵抗变形的功能,又具有抵抗冲击变形能量的功能。

  根据本发明的一实施方式,其中每一所述工作面推进至停采线完成开采后,对作业面通道进行沿空留巷,该留巷与所述第一顺槽和第二顺槽保持连通。作业面通道是布置开采设备的动态巷道,其内可布置有刮板机、采煤机、支架等作业设备。因地质条件、平面布置、生产系统等原因,设置有一个停采线,限制工作面向前开采长度,到此位置后便停采撤出开采设备,停采线一般要设在一个合理的位置上。本发明实施例中选择对此开采通道进行沿空留巷,以此形成一个联络巷,使得第一顺槽和第二顺槽仍能保持连通,以供下一工作面开采时使用。

  工作面回撤前采用爆破技术,可选择对开采作业通道正帮侧顶板采取定向预裂,切断开采作业通道上方老顶。待工作面设备撤出后,在矿压作用下顶板将沿预裂切缝自动切落,缩短了采空区侧顶板悬臂梁的长度,减弱了开采作业通道来压强度。

  本发明的实施例,具体来讲还可以如此介绍:在采区的N个工作面范围内,首先掘出到达该N个工作面中首采面的大巷。

  首采面从接近所述大巷一端向工作面另一端开采;在首采面开采过程中,工作面两端部分开采的同时进行沿空留巷,成为第一顺槽与第二顺槽,中间部分顶板垮落,成为采空区;

  围绕采空区进行沿空留巷作业的同时进行封闭采空区的作业;

  延伸大巷至相邻的下一工作面,工作面搬家,进行相邻的下一工作面的开采;

  在之后工作面开采过程中,大巷向相邻的下一个工作面延伸,上一工作面的第二顺槽沿空留巷成为该工作面第一顺槽,同时留巷位置仅为靠近下一工作面的部分,该留巷成为下一工作面的第一顺槽;

  依序开采相邻的下一个工作面,同时顶板随着开采连续地垮落成为采空区,于此同时围绕采空区进行沿空留巷作业的同时进行封闭采空区的作业。

  在一可选的实施例中,沿空留巷工艺可以采用切顶卸压自成巷工艺。切顶卸压自成巷工艺主要包括工作面采煤、顶板定向切缝、留巷顶板支护、挡矸支护等几个过程列出所有过程。通过顶板定向切缝,在一定范围切断巷道顶板与采空区顶板应力传递,减弱巷道顶板压力。同时,利用巷道支护控制顶板下沉,使所成巷道围岩能够最大限度地发挥自身承载作用,减少巷道变形量。最后,利用挡矸支护对采空区垮落矸石进行支护,防止矸石窜入巷内,保证成巷达到设计要求。

  在一可选的实施例中,开采的同时进行沿空留巷的操作方法可以选用以下方案,但不限于以下方案。如:1)采煤机两侧加装摇臂,使得上、第二顺槽区域均由采煤机割出;2)第一顺槽由另一台小型采煤机或掘进机割出,采用加强支护、人工出煤等方法;3)降低刮板机机尾高度,第二顺槽由采煤机割出。

  在一可选的实施例中,封闭采空区可以选用喷浆处理等方式,但不仅限于此方式,目的是为了防止新鲜风流在进风巷中流入采空区,确保其到达工作面生产使用。

  本发明的有益效果在于,本发明与现有技术相比,本发明不但可以保证整个采煤区的通风,不需绕采区掘进准备巷道,而且在进行采区中每个工作面开采时,不再需要提前掘进顺槽,而是在采煤后形成顺槽,从而大大减小了因提前掘进顺槽带来的巨大工作量,大大缩短了建井周期,同时也不再需要留设煤柱而节约了资源。

  以下结合几个具体实例,结合附图对本发明实施例具体示例性说明如下:

  实施例一:

  如图2、图3所示,本发明实施例的双侧留巷的开采工法,当前采区可以包括N个工作面,在N个工作面的一侧直接设置有回风大巷通道29、皮带大巷通道24和轨道大巷通道28,都连通井口,构成完整的通风、运输系统,随着工作面的交替,三条大巷向新工作面延伸,接着与新工作面连通,形成完整的运输和回风系统。其中图中虚线部分为后序形成的巷道,而实线部分是首采面作业前或作业中形成的巷道。

  该实施例中,每一工作面在开采过程包括:

  开采前在首采面20施工形成切眼31,以形成该工作面开采的起点;切眼31一端与皮带大巷通道24连通,切眼31另一端依次与轨道大巷通道29、回风大巷通道28连通。一种实施例中,切眼31可选择是以上述三种大巷其中一个的前端一部分,开采后还可以再进行沿空留巷进行保留。切眼31只需挖掘很短的联络通道实现与轨道大巷通道29、回风大巷通道28的连通。

  在首采面20开采过程中,从所述皮带大巷通道24一侧向采区另一侧正向开采。如图3所示,工作面20两端的第一顺槽25、第二顺槽27由双侧带有摇臂的采煤机割出,开采作业中在第一顺槽25以及第二顺槽27进行切顶留巷作业,工作面两端即成为巷道,中间部分垮落成为采空区。在该过程中可选择以第一顺槽25连通轨道大巷通道29成为整个首采面20的进风通道,第一顺槽25还可以连通皮带大巷通道24,成为首采面的运煤通道,可选择以第二顺槽27连通回风大巷通道28、轨道大巷通道29,成为首采面的运料、回风通道。

  参照图2所示,工作面推进至停采线32完成开采后,选择对作业面通道进行沿空留巷,该留巷可与所述第一顺槽25和第二顺槽27保持连通。本发明实施例中选择对此开采通道进行沿空留巷,以此形成一个联络巷,使得第一顺槽25和第二顺槽27仍能保持连通,以供下一工作面开采时使用。

  以上所有留巷作业后,对留巷的两个帮侧采用喷浆和护帮作业,当然主要是对主帮侧进行喷浆和护帮,以封闭采空区。

  首采面20完成,第一顺槽25成为采区上部皮带大巷通道24与下部皮带大巷通道22的连接部分,作为整个采区的运煤、进风通道,同时延伸大巷到第二工作面21,工作面搬家至第二工作面21起点,第二工作面21起点可选择仍位于靠近大巷(三条大巷)的这一侧,以进行第二工作面21的开采;

  在之后工作面的开采中,以第二工作面21为例,如图3所示,将回风大巷通道28和轨道大巷通道29延伸至第二工作面21,此时首采工作面20的第二顺槽27成为第二工作面21的第一顺槽,连通下部皮带大巷通道22和轨道大巷通道28,成为第二工作面21的运煤、进风通道;此时留巷作业的位置仅为靠近第三工作面23的部分,切顶留巷形成顺槽26,连通回风大巷通道28,作为工作面21的回风、运料通道,同时该留巷成为第三工作面23的第一顺槽。

  其中,具体实施例中,在首采工作面20作业面通道内选择布置有刮板机、采煤机与多个支架,多个支架支撑在首采工作面顶板与底板之间,并且,在刮板机与采煤机上方提供支护,且多个支架能随刮板机与采煤机的步进移动而进行移架。刮板机一般包括机头动力部、机尾动力部与多个模块机体,采煤机沿刮板机的轨道进行采煤作业。

  并且,第一顺槽25内还可布置有转载机、破碎机、皮带输送机,以与刮板机对接进行转载输送作业,且主帮侧设置有多组切顶护帮支架,以对主帮侧进行支护。转载机、破碎机、皮带输送机位于煤帮侧,而多组切顶护帮支架位于主帮一侧,第一顺槽内即可以进行转载输送作业和沿空留巷作业。第二顺槽27内还布置有设备列车,且主帮侧设置有多组切顶护帮支架,以对主帮侧进行支护。

  另外,该实施例中,留巷是在切顶卸压的同时实现,该实施例中,在切顶卸压以及沿空留巷前,需进行定向切缝,并且需对巷道的顶板采用锚杆、普通锚索以及/或者恒阻锚索进行支护,同是还可以选择采用液压支柱、木托盘等进行综合支护,以保证其安全性。

  如图4、图5所示,采区也可以只设置有皮带大巷通道24和轨道大巷通道28,皮带大巷通道24用于整个采区的运煤、回风,轨道大巷通道28用于整个采区的进风、运料。相比会少掘一条大巷,具体的开采方法实施例,包括采煤、工作面双侧留巷、密闭采空区、工作面搬家等过程。这种布置方式不再需要提前掘进顺槽,而是在采煤后形成顺槽,从而大大减小了因提前掘进顺槽带来的巨大工作量,大大缩短了建井周期,同时也不再需要留设煤柱而节约了资源,达到的效果与本公开的预期效果相符,且相比实施例一少掘一条大巷,节省成本。

  实施例二:

  如图6、图7所示,本申请的实施例二中与实施例一的区别为,将工作面延皮带大巷通道24和轨道大巷通道28布置,其他过程与实施例一相同,都要经过采煤、工作面双侧留巷、密闭采空区、工作面搬家等过程。这种布置方式不再需要提前掘进顺槽,而是在采煤后形成顺槽,从而大大减小了因提前掘进顺槽带来的巨大工作量,大大缩短了建井周期,同时也不再需要留设煤柱而节约了资源,达到的效果与本公开的预期效果相符。

  如图8、图9所示,本申请的实施例二中与实施例一的区别为将工作面延皮带大巷通道24和轨道大巷通道28布置,其他过程与实施例一相同,都要经过采煤、工作面双侧留巷、密闭采空区、工作面搬家等过程,这种布置方式不再需要提前掘进顺槽,而是在采煤后形成顺槽,从而大大减小了因提前掘进顺槽带来的巨大工作量,大大缩短了建井周期,同时也不再需要留设煤柱而节约了资源,达到的效果与本公开的预期效果相符。

  由实施上述第一实施例双侧留巷的开采工法为例,某矿年产1800万吨煤,与CN105240013A公开的一种长壁开采N00工法开采相比,就此采区而言用双侧留巷的开采工法可以减少掘进长度4700m,节约掘巷费用1880万元,减少的掘进可使工作面提前1.5年产煤,且掘进过程中安全事故频发,从而减少巷道掘进也有利于保障工人的生命安全。

  整体装备实施例

  本申请实施例整体装备布局

  相比无煤柱自成巷一代N00工法工作面开采单侧留巷,新式N00工法进一步升级为工作面开采双侧留巷,将实现整个盘区的无煤柱开采和采留一体化。新式N00工法采用了全新的采煤工艺,改变了传统采煤工作面的装备布局。根据不同的煤层条件,可以选择采煤机或多点采煤装备完成巷道留设工作,同时,新式N00刮板机系统、新式N00支架系统和新式N00辅助装备系统,包括NPR锚索钻机、切缝钻机,也进行相应的功能和结构方面的改进,从而完成新式N00工法割煤、装煤、运煤、移架、推溜、巷道支护、顶板切缝、挡矸支护等工序。为了更好地适应不同煤层厚度和顶底板岩层条件,新式N00工法提出了不同的工作面装备布局,从技术方面扩大了新式N00工法的适用范围。

  采煤机割双巷

  对于煤层厚度在2.5-4.0m范围内,或煤层厚度为1.0-2.5m且顶底板岩层的普式系数f﹤3时,新式N00工法可通过采煤机直接割双巷完成自成巷工作,煤矸由刮板机运出,无需另外增加掘巷、运输装备。此时,工作面布置有采煤机,可转弯刮板输送机,液压支架,相比一代N00工法,将转载机转移至已经形成的巷道空间,为留巷部分腾出支护及切顶设备作业空间,机头与机尾均布置有端头支架,过渡支架和钻机支架等功能,钻机支架与端头支架为N00辅助装备提供安装平台和工作空间,NPR锚索钻机与N00切缝钻机安装在液压支架下方,随支架一起移动,不仅可以降低设备搬运成本,而且减小了工人劳动强度,提高了工作面采煤和留巷作业安全性。

  当工作面高度小于留巷高度时,采煤机运行至机头与机尾采煤时,机头与机尾侧滚筒需从过渡支架位置开始逐渐升高并进行一定厚度的破顶割岩,破顶厚度0.5-1m,滚筒运行至留巷位置后,滚筒停止升高并保持水平继续割岩,直至到达设计的弧形帮位置。为实现上述目标,需对采煤机、刮板机及其配套方式进行相应的技术和功能改造,通过增长或设计可伸缩式摇臂使滚筒能够升高至设计高度进行破岩,同时滚筒截齿需进行特殊设计或加工处理,避免因割岩导致损坏率过高;通过降低采煤机机尾高度,限位装置前移,增大采煤机运行和割巷空间。采用采煤机直接割双巷时,由于转载机移至已形成的运输顺槽处,机头处的刮板输送机须设计成可转弯的形式,刮板链由双链转变为单链驱动。在机头处,新式N00锚索钻机设计为可伸缩悬臂式,负责完成部分顶板NPR锚杆/锚索施工;切缝钻机固定于支架一侧,用于完成顶板切缝钻孔1305;支架后方设计智能NPR锚杆/索钻车,完成剩余设计锚杆/索的安装。工作面整体装备布局如图10所示。

  多点采煤成巷

  1)组合式多点采煤成巷

  对于开采厚度为1.0-2.5m的煤层,且其顶底板岩层的普氏系数为3﹤f﹤5时,新式N00工法可通过多点采煤装备完成双侧成巷工作,采煤机与刮板输送机完成破煤与装煤工作,设计专门的多点采煤装备、端头支架和新式N00锚索钻机完成运输顺槽与回风顺槽的成巷以及支护工作,整体系统简单,采煤和成巷工作相对独立,平行作业程度高。相对一代N00工法采煤机切割成巷,多点采煤成巷时,采煤机只负责落煤,不参与破岩成巷工作,刮板输送机的形式与传统的采煤工艺相同,转载机搭接在刮板输送机的机头处,且位于端头“一主两副”液压支架形成的支护空间下,无需向巷道空间移动,由于刮板机的输送功率不再受采煤机割双巷时的限制,工作面的长度可增加至260m左右,可提高工作面生产效率。多点采煤成巷时,运输顺槽和回风顺槽由多点采煤装备超前工作面一定距离掘出,掘进处采用扩散通风方式,根据《煤矿安全规程》,扩散通风的长度不超过6m,超过则需加设局部通风机进行通风。因此,多点采煤装备掘进时应保持与工作面的距离满足通风安全要求。受多点采煤装备凿岩能力影响,当工作面顶板较软时,可进行破顶;当工作面底板较软时,可进行破底。多点采煤装备、新式N00锚索钻机均安设在“一主两副”自移式液压支架下方,随支架一同移动。“一主两副”液压支架工作时交替前移,为锚索钻机提供工作空间的同时,始终对工作面端头提供支护作用,保证多点采煤装备成巷和锚索施工安全进行。新式N00切缝钻机布置在“一主两副”液压支架后方的巷道空间内,与前方工作不互相干扰。各装备布局如图11所示。

  2)模块式多点采煤成巷

  对于开采厚度为1.0-2.5m的煤层,且其顶底板岩层的普氏系数为f>5时,新式N00工法通过四机一体化成巷系统模块1300完成多点采煤和双侧留巷工作。四机一体化成巷系统模块1300主要由割巷装备、端头支护装备、NPR锚杆/索支护装备1304、顶板切缝装备构成,可以实现快速的自动化成巷作业。四机一体化成巷系统模块整体配备履带式自移装置,即可与工作面采煤模块相互配合前进,也可灵活调整实现独立化作业。具体装备特点和功能包括:

  (1)模块式四机一体化的割巷装备。主要包含自主研发的可伸缩式割巷滚筒1302和伸缩臂,该装置除具备采煤模块的功能外,还需具备高效破岩特性,以满足薄煤层半煤岩巷成巷任务。另外,割巷装备还应包括敛煤装置1301,及时将割落的煤岩体装入运输系统。

  (2)模块式四机一体化的端头支护装备。每个模块由一主两副支架组成,主架除了要完成支护任务外,还需为割巷装置、敛煤装置1301提供搭接平台,并为两装置前移和工作提供动力;同时,主架上搭载运煤装置1306,后方与转载装置连接,实现前方落煤向后方运输的功能;副架主要为NPR锚杆/索支护装备1304、顶板切缝装备提供工作平台和空间。

  (3)模块式四机一体化的NPR锚杆/索支护装备1304。主要包含自动化NPR锚杆/索钻机和操作平台,钻机具备自动换钻杆功能和伸缩臂操作模式,可灵活调整锚杆/索施工位置,及时高效地完成顶板支护作业。

  (4)模块式四机一体化的顶板切缝装备。主要包括自动化顶板切缝钻机和操作平台,在巷道形成后及时完成顶板切缝任务。

  工作面双侧三机配套协同采煤技术

  一代N00工法通过新型的采煤机、刮板输送机和支架系统之间的“三机配套”技术,在工作面端头机尾处,操作采煤机前滚筒伸出刮板运输机在拟留巷位置上下摆动,割出巷道空间,形成弧线形实体煤帮,实现了一代N00工法的单侧自动成巷。要实现采区(盘区)无巷道掘进的目标,需将单侧自动成巷技术进一步升级,在新式N00工法中进一步改进工作面机头部“三机配套”形式,实现双侧成巷模式。

  1)工作面双侧采煤机割巷

  新式N00工法的工作面双侧割巷与一代N00工法的工作面机尾侧割巷相比要增加机头侧割巷部分,需要对机头传统的设备布局进行改进形成采掘一体化,使采煤机端头能够伸出到刮板机机头割出巷道空间,采掘一体化采煤机割巷工作面设备布置如图14所示。该技术利用采煤机割出机头、机尾巷道空间,机头、机尾落煤和矸石由工作面刮板输送机运出,无需另外增加掘巷运输设备。同时,刮板输送机机头采用直角转盘结构,省去了刮板输送机机头传动部和转载机机尾链轮,该设计实现了从工作面到顺槽不需转载的连续运输,简化了设备配套环节,有助于减少底链回煤和井下煤尘浓度;设计的转盘式导向结构,实现了链条刮板输送的连续直角变向的运动,直角转盘的设计保证了刮板和煤流能够顺利转弯,从而在工作面端头让出空间,可在该空间内进行采煤机割巷和支护作业。

  双侧采煤机割巷技术在实现采掘一体化的同时也存在局限性。首先,由于刮板运输机要在工作面端头转弯,作为传动构件的刮板链将必须由中双链改为中单链,运输功率降低,工作面长度将受到限制。除此之外,由于巷道高度和煤层厚度不等,在煤层厚度低于巷道高度的情况下,要割出巷道就不可避免在工作面两端头处割掉呈三角形的顶板岩体,巷道空间上部同样也要割岩,煤层厚度越小割岩量越大,不利于采煤机维护。

  2)多点采煤成巷技术

  在薄煤层条件下,采用工作面双侧采煤机割巷技术割岩量增大,将导致采煤机损耗严重,同时刮板输送机的转弯导致工作面长度受限,针对该条件,何满潮院士提出了在工作面两端布置独立采煤(破岩)设备,通过多点采煤的方法来实现工作面双侧自成巷。多点采煤成巷技术工作面示意图如图15所示。

  采用多点采煤成巷技术的工作面为常规三机配套采煤,只需将煤层厚度以内的煤体割出运走,不需要采煤机在靠近工作面端头处抬高摇臂割岩,为割出巷道空间做准备,减少了薄煤层条件下大量的割岩出矸问题。在工作面两端头分别布置独立采煤(破岩),进行与工作面割煤并行的多点采煤成巷,多点采煤成巷的端头部要超出工作面一定距离,在这段空间内采煤(破岩)设备、液压支架和刮板机完成独立的破煤(岩)和运输工作,最终形成工作面端头超前硐室巷。这种成巷方法的优点在于整体系统简单,采煤和成巷工作相对独立,平行作业程度高。

  N00工法四机配套成巷技术

  工作面单侧四机配套成巷技术

  三机配套协同采煤技术以实现采煤机“割得透”为主,即采煤机能超越机尾在预定位置割出弧形巷帮。当通过“三机配套”技术形成弧形巷帮后,工作面端头部分顶板岩层在端头支架1303和钻机支架支撑作用下保持稳定,此时通过锚索钻机及时对顶板采用NPR恒阻锚索支护,并采用位于钻机支架上的切缝装备对顶板实施切缝,切断部分顶板之间的应力传递,使切缝线外侧顶板岩层在矿山压力作用下沿切缝面自行垮落并充填采空区,切缝面内侧顶板在NPR恒阻锚索和门式护巷支架等支护结构的支护作用下保持稳定,而采空区垮落矸石在门式护巷支架、金属网等支护作用下保持稳定。由此,通过锚索钻机、切缝装备和支架系统之间的配套技术,即所谓“四机配套”技术,形成了N00工法自成巷道另一巷帮。四机配套成巷示意图如图16所示。

  由此,通过“四机配套”技术实现“拉得住、切得开、下得来、护得好”的总体目标。其中,“拉得住”是指NPR恒阻锚索应能将巷道切顶范围以内的直接顶岩层重力荷载传递到其上位基本顶岩层;“切得开”是指能通过N00工法顶板定向切缝技术将切顶高度范围以内巷道顶板和采空区顶板彻底分开,切断二者之间的应力传递,减弱巷道围岩应力集中;“下得来”是指对顶板实施切缝后,切缝线外侧采空区顶板应能在矿山压力作用下沿切缝线自行垮落,而切缝线内侧顶板仍能保持稳定,这就要求巷内采空区侧应具备一定切顶能力的支护结构来支撑巷道顶板,以切落采空区侧顶板岩层;“护得好”是指对于采空区垮落的矸石,应提供足够的侧向支撑以防止向巷内鼓出产生过大变形或失去稳定。

  工作面双侧四机配套成巷技术

  新式N00工法在工作面机头侧通过新的“三机配套”技术形成巷道空间后,对一代N00工法中的“四机配套”技术按照新式N00工法设计进行适应性改进,将N00锚索钻机和N00切缝钻机安装在N00钻机支架顶梁,实现钻机和支架的一体化,进一步提出新式N00机头侧四机配套成巷技术。

  1)采煤机割巷条件下四机配套成巷技术

  该开采条件下,工作面配套采用可转弯刮板输送机,在机头转弯处布置N00钻机支架进行控顶支护,N00锚杆/索钻机安装在支架顶梁,该锚杆/索钻机配套可伸缩臂,并以钻机支架为中心旋转一定角度,可在一定面积范围内进行钻孔锚固作业。巷道由采煤机割出后,在端头支架和钻机支架的控制下保持稳定,待采煤机离开让出空间后,锚杆/索钻机伸出伸缩臂到设计位置对顶板进行NPR锚杆/索支护。工作面后方的钻机支架上配套安装切缝钻机,随着工作面向前推进,切缝钻机对顶板进行切缝,在切顶护帮支架配合下,切缝外侧顶板在矿山压力下沿切缝垮落形成散体巷帮。

  2)多点采煤条件下四机配套成巷技术

  新式N00工法采用多点采煤成巷技术后实体煤帮侧不再是采煤机割出,而是由多点采煤装备施工形成。与采煤机割巷四机配套相比,多点采煤成巷四机配套锚索钻机安装于巷道端头支架上,在多点采煤设备割出巷道空间后,可伸缩式钻机摇臂伸出进行钻锚和顶板切缝作业。工作面端头支架采用“一主两副”形式,在支架前移时,巷道中部的主支架先降架-移架-升架,之后两侧的副支架才降架前移,如此可保证巷道顶板始终处于被支护状态。

  1.本方案为按顺序的连续开采,同时控制顶板连续垮落形成采空区,这样才能实质上规避传统留煤柱开采、充填式沿空留巷等开采方式导致的采空区附近应力集中,矿压显现剧烈的问题;

  2.工作面按顺序连续开采,能够做到随采随垮,上覆岩层和地表依次按顺序产生沉降,避免了因留设传统煤柱或现有技术中所述的间隔式开采导致的地表不均匀沉降问题,对于地表破坏最小;

  3.本方案工作面可进行规范化设计,每个工作面均可采用一套装备系统,避免了现有技术中因工作面宽窄不同需要更换装备的问题;

  4.本方案大巷随开采向前推进,缩小了开拓周期;

  5.本方案顶板连续垮落形成采空区,同时采空区持续进行封闭和管理,才能有效防止发火等灾害发生。

  尽管已经参照某些实施例公开了本发明,但是在不背离本发明的范围和范畴的前提下,可以对所述的实施例进行多种变型和修改。因此,应该理解本发明并不局限于所阐述的实施例,其保护范围应当由所附权利要求的内容及其等价的结构和方案限定。

《工作面开采方法.doc》
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