“四控”式全面采煤方法.pdf

“四控”式全面采煤方法，‘四控’为控高(工作面破煤高度、支架高度)，控放(放顶煤高度和方式)，控顶(顶板有规律地沉降)，自控(采煤设备自控完成各项采煤工序)，全面(在煤层中不留煤柱，全面推进采出整个煤层)。在煤层开采过程中，掘进、生产准备、采煤三个区段向同一个方向推进，平行巷道相连。三个区段必须通过两套独立通风、运输、供电等系统与井筒相通。这样有利于行人、搬运和煤层瓦斯、地质构造等问题的处理，以提升安全生产环境，提高单产、单进水平和实现采煤过程高度机械化、自动化。

1.  “四控”式全面采煤方法是在新的观念和高新技术平台上，以最优化的方式处理采煤过程中的破煤，放顶煤、运煤、矿压、支护和工作面推进之间的关系。在煤层底部布置平行和垂直巷道：工作面的切眼或检查、准备巷道，将煤层划分成长方块，在煤层中不留煤柱。生产区域分为掘进、生产准备和采煤三个区段，按一个方向全面推进，并在掘进和生产准备区段中做好预排瓦斯和地质构造、矿井水等处理工作，确保生产工作正常进行。采煤时，联合自控采煤设备沿煤层底板全面连续承压推进，自控完成落煤、放顶煤、工作面运煤、设备推进等工序，有层次，有程序地采出整个煤层，对特厚煤层在开采时做到不破坏煤层的成层性，以利再次开采。按以上规则合理确定工作面的破煤高度，控制高度和宽度；确定放煤高度和放煤方式，确定顶板下的空高，控制顶板要求做到有规律地冒落和沉降；在放顶煤过程中做到煤矸线分明，以提高回收率。合理确定工作面支架高度、长度、宽度，减小工作面单位支架上的矿压总量，做到采用常规液压推进设备承压推进采煤设备(包括支护框架)，并实现采煤机械化、自动化，工作面生产时无人操作，快速推进，实现高产、高效、低消耗、低成本，安全地采出整个煤层。简称为：“四控”式全面(4KQ)采煤方法。“四控”为控高(工作面破煤高度，支架高度)，控放(放顶煤高度和方式)，控顶(顶板有规律沉降)，自控(采煤设备自控完成各项采煤工序)，全面(在煤层中不留煤柱，全面推进，采出整个煤层)。

2.  按权利要求1所述的“四控”式全面采煤方法，其特征在于破煤采用多刨头，小进度，循环刨煤的方式，这样有利于对工作面空间的控制，有利于机械和矿压破煤，使其单位能耗最小，同时机械破煤的高度要考虑顶煤的破碎，使之成为最有利于放出的破碎体。

3.  按权利要求1所述的“四控”式全面采煤方法，其特征在于要控制支护高度和放出顶煤的高度，以使直接顶不出现翻转冒落，老顶呈“砌体梁”结构有规律地沉降；这样不破坏煤层的完整性，提高采出率，并减少作用在支护框架上的矿压强度，使其在一般液压推进器作用下，能承压推进。简化开采工艺使之易于实现开采过程机械化，自动化，实现无人生产工作面，防止出现顶板事故。

4.  按权利要求1所述“四控”式全面采煤方法，其特征在于巷道沿煤层底板走向平行布置，并设置与其相垂直的巷道作行人、通风、运输、设备安装、检修等作用。在煤层开采的掘进、生产准备、采煤三个区段中，平行巷道相连，并且必须形成二套独立的系统与井筒相通，以增强与地面相联系的能力，改善各区段的生产安全环境，提高矿井生产能力，适应工作面快速推进的需要。在掘进和生产准备区段中，要有控制地做好瓦斯预排工作。对高、突瓦斯煤层要做好排放，抽放和煤层注水等工作，使进入采煤区段煤炭的相对瓦斯涌出量降低到2立方米/吨以下。不允许掘进，生产准备区段排出的瓦斯进入采煤区段中，在加强通风工作的条件下，做到瓦斯不超限，同时加强瓦斯监测、监控、综合治理、以避免瓦斯事故。在生产准备区段，要做好地质构造、水文地质等问题的处理和设备安装等工作，保证在采煤区段中生产正常进行。

5.  按权利要求1所述“四控”式全面采煤方法，其特征在于联合自控采煤设备：由一定长度的支护框架联接组成设备的基体。支护框架是落煤设施的支撑、导向、推移的构架。落煤采用多刨头、循环、变速的刨煤方式。长方形放煤槽口、运输机、液压推进设备与支护框架联合成一个整体。采用变频调速电机、乳化液泵站为动力设备，采用可编程控制器(或微型计算机)、传感测试技术、液压电控传动等高新技术实现采煤全过程自动控制。设备推进从有导向，推移和定位设施的两端机头和与巷道相通的中间框架起始，依次采用邻架相互推进。在开采生产能力较大的厚煤层时，采用双列设备。支护框架应设有一定高、宽的空间，满足在停止采煤时员工能进入其中做维修，调整工作。

6.  按权利要求1所述“四控”式全面采煤方法，其特征在于放顶煤方法：在支护框架顶面后部，设置平行于工作面的可控的长方形放煤槽口。在设备推进中，在工作面全长上实行有控放煤，根据煤层厚度及变化和推进速度来调整放煤槽口的宽度，做到全面的较完善地放出整个煤层，这样的放煤方式：顶煤的移动和排放将是一个平面问题，其放煤曲线趋近于地表下沉盆地曲线(半无限平面)，使煤矸分界面明显，在放煤控制合理，煤的回收率应达到理想的效果。如一次采完较厚煤层，由于放煤过量，使老顶下沉，直接顶冒落不能得到有效控制，破坏优化开采，影响采煤效益时，应合理安排进行分次开采。

“四控”式全面采煤方法
一、发明的名称及所属技术领域：
本发明称为：“四控式”全面(4KQ)采煤法，是开采地下层状煤层的一种新方法。是在进一步认识开采过程中的自然规律，在新的观念和高新技术平台上，以最优化的方式处理采煤过程中各个要素的关系，把采煤技术提升到一个新的水平的创新方法。
二、现有开采方法技术现状
(1)一般认为，现有的开采方法分成两种体系：柱式体系和壁式体系的采煤方法(见图2-4，图2-5)。柱式体系的采煤方法其特点是在煤层中留有大量煤柱支撑顶板，因此，不用进行采空区处理或者工作量较小，工作面矿压强度小、支护密度小、自由工作空间大，工作面短，生产地点多，巷道佈置和通风、运输系统复杂，掘进率高，煤炭回收率低等。而壁式体系的采煤方法其特点：采用较长工作面连续推进开采，生产集中，采空区中不留煤柱。当工作面推进到一定程度时需要进行采空区处理，工作面矿压显现大，需要强力支护，工作面支护和采空区处理工作量大，巷道布置和通风，运输系统简单，巷道掘进率低，煤炭回收率高等。两种体系的采煤方法其特点正好相反。
(2)两种体系的采煤方法都在不断的改进和发展，柱式体系的采煤方法采用了连续采煤机采煤和掘进，而壁式体系的采煤方法实现了综合机械化，使两种体系采煤方法的产量、效率都有很大的提高，生产安全进一步得到保障，成本降低。但仍局限在原框架内，问题没有得到根本解决。
(3)实现了放顶煤开采，说明用较小的开采高度可以采出较厚的煤层。
(4)在矿压方面，中国学者提出了“砌体梁”和“传递岩梁”假说。同时，在分析了采煤工作面矿压观测资料、顶板活动情况和数学回归分析后，提出了缓倾斜煤层采煤工作面计算矿压的经验公式：
P＝123.9306  K₁K₂K₃H^0.7454(KN/M²)..................(2-1)
式中：P为矿压强度(KN/M²)，H为采煤工作面开采高度(m)，K₁为观测矿压最大读数的离散系数平均值，为1.3762，K₂为顶板类型系数，其中I级顶板K₂＝1，II级顶板K₂＝1.3，III级顶板K₂＝1.6，IV级顶板K₂≥2。K₃为支柱位置系数，其最大值为1。按(2-1)式计算的数据，並作图，见图(2-1)。(2-1)式相关性达到信度要求。
说明：采煤工作面的矿压强度主要决定于工作面的开采高度，而顶板条件影响矿压的显现形式(周期来压等)
放顶煤工作面的矿压强度.采用松散介质力学来建立放顶煤工作面矿压强度计算模型(见图2-2)。在底板—支架—顶煤—顶板的支撑结构中，由于顶煤体强度减小，使整个支撑结构刚度降低，从而使在相同地质生产条件下，放顶煤工作面的矿压强度比采顶层工作面的矿压强度要小。
根据矿压强度计算模型(图2-2)，经过分析，推导得出下列放顶煤工作面矿压强度计算式：
P = K 4 ( 2 a - L a ) af l a · r . . . . . . ( 2 - 2 ) ]]>
式中：a＝k₅[L+Tg(90°-φ)h_控]
               La＝0.5L_k+Tg(90⁰-φ)h_控
L_k为支护宽度(m)，h_控为工作面支架高度(m)，f为顶煤普氏系数，取f＝0.7，a为压力拱之半，取相近于顶板周期来压步距L(m)，k₄为矿压观测不均匀系数取1.4，k₅为压力拱轴线变化系数，取1.3，K₆为周期来压系数取1.18～1.3。
按(2-2)式计算的数据并作图(见图2-3)，根据上述分析可以得出以下认识：在相同的生产地质条件下，放顶煤开采工作面的矿压强度小于进行顶层开采工作面的矿压强度；放顶煤工作面的矿压强度主要决定于h_控、L_k，而L变化的影响仅在10％以内，在一般情况下，L_k相对稳定，因此放顶煤工作面的矿压强度主要决定于h_控，即放顶煤工作面的支护控制高度。
两种不同体系的开采方法是由于采煤过程中“采”和“控”这对基本矛盾的主要方面不同而形成的。以“控”为基本矛盾的主要方面，形成“房柱式体系的采煤方法”，而以“采”为基本矛盾的主要方面形成“壁式体系的采煤方法”。从采煤发展史看：“壁式体系的采煤方法”是采煤科学技术发展到一定历史阶段的产物，是对房柱式体系采煤方法的“否定”。采煤的生产实践和科学技术总是在不断向前发展的，采煤方法也是不断改进的，与一般事物发展规律一样，它也是按螺旋方式而不是直线方式进行的。采煤方法由房柱式发展到壁式，再向前发展的第三阶段，它应在更高的发展阶段上，以“控”为基本矛盾的主要方面，仿佛是第一阶段特征的重复(否定之否定)。它就是本发明提出的“四控”式全面采煤方法。
三、发明“四控”式全面采煤方法的目的
(1)实现采煤过程机械化、自动化；
(2)提高采煤劳动的生产率，减少井下生产员工；
(3)较大地改善生产安全环境，消除高危作业，降低事故率，确保安全正常生产；
(4)提高效益，增加煤矿员工收入，为国家和社会做贡献。
四.“四控”式全面采煤方法的内容
“四控”式全面采煤方法(见图4-1图4-2)的基本点为：在煤层底部布置平行和垂直巷道：工作面的切眼或检查、准备巷道，将煤层划分成长方块，在煤层中不留煤柱。生产区域分为掘进、生产准备和采煤三个区段，按一个方向全面推进，并在掘进和生产准备区段中做好预排瓦斯和地质构造、矿井水等处理工作，确保生产工作正常进行。采煤时，联合自控采煤设备沿煤层底板全面连续承压推进，自控完成落煤、放顶煤、工作面运煤、设备推进等工序，有层次、有程序地采出整个煤层，对特厚煤层在开采时做到不破坏煤层的成层性，以利再次开采。按以上规则合理确定工作面的破煤高度，控制高度和宽度；确定放煤高度和放煤方式，确定顶板下的空高，控制顶板要求做到有规律地冒落和沉降，在放顶煤过程中做到煤矸线分明，以提高回收率。合理确定工作面支架高度、长度、宽度，减小工作面单位支架上的矿压总量，做到采用常规液压推进设备承压推进采煤设备(包括支护框架)，并实现采煤机械化、自动化，工作面生产时无人操作，快速推进，实现高产、高效、低消耗、低成本、安全地采出整个煤层。简称为：“四控”式全面(4KQ)采煤方法。“四控”为控高(工作面破煤高度，支架高度)，控放(放顶煤高度和方式)，控顶(顶板有规律沉降)，自控(采煤设备自控完成各项采煤工序)，全面(在煤层中不留煤柱，全面推进，采出整个煤层)。
“四控”式全面采煤方法的实质就是进一步认识采煤过程自然规律的基础上，采用高新技术，在更高的技术平台上，以“控”为矛盾的主要方面，科学地处理“采”和“控”这对基本矛盾，以最优化的方式协调采煤工艺各因素之间的关系，使采煤生产技术实现跨越式的发展，达到一个更高的水平，并创造出巨大的经济和社会效益，根本地改变煤矿企业的面貌。
4.1各控制要素地确定
4.1.1工作面控制高(h_k)的确定
工作面控高即工作面支护高度的确定。支护高度的确定主要决定的因素为：<1>作用在支护框架(支护采用框架形式)上的矿压强度，<2>考虑在停机时职工能进入工作面进行作业需要的最小高度，<3>考虑工作面的通风断面和框架强度的要求，因此，支护高度应在1.0米左右。用(2-1)式进行矿压强度计算，并进行支护框架结构的强度设计。落煤高度和每次进度应有利于框架推进和工作面空间的控制，因此，采用刨煤方式，每次进度控制在0.1米左右。
4.1.2控制顶板有规则地沉降
做到顶板有规则地沉降，关键在于控制顶板岩层下的空高。对直接顶板有：
Δh₂≤Kh₂                      ......(4-1)
Δh₂≤Δh₁+(KP₁-1)h₂        ......(4-2)
Δh₂取(4-1)式和(4-2)式求出中的小数。
上式中：h₂为直接顶板厚度，Δh₂为直接顶板下的控高。
K为系数，可取为2.0～2.5，一般应通过实际观测确定。对老顶下允许的空高，按“砌体深”结构的“S-R”稳定性理论[8]
          Δh₁≤L(sinθ₁+sinθ₂)             ......(4-3)
式中： θ 1 ≤ sin - 1 [ 1.5 i - 0.25 i + 2 ( h + h 1 ) r / 0.15 σc . . . . . . ( 4 - 4 ) ]]>
      θ₁≥sin^-1[4/3(i-tgφ)]                 ......(4-5)
i＝h/L，h为计算承载老顶的厚度(m)，L为老顶周期垮落步距(m)，Δh₁为老顶下的控高(m)
θ₂＝θ₁/4，θ₁，θ₂为“砌体深”B，C块转角，
h₁为承载层负载岩层的厚度(m)，σ_C为承载层抗压强度，r为岩体容重
tgφ为岩块间的磨擦系数，一般取0.3。
4.1.3.放顶煤方式和采、放煤控制高度
放顶煤现一般采用放煤口单轮顺序，双轮顺序和单轮间隔等放煤方式，其实质就是以放煤口进行点式放煤，在顶煤中形成放煤椭球体及相应地松动椭球体和矸、煤漏斗，其矸石易串入煤中，造成煤炭含矸率增加，甚至成为煤矸石，另外还丢失放煤口之间的三角煤和两放煤体之间的脊背煤，回收率低。这种放煤方式是手工操作的产物，必须要改变。要在工作面全长上，同时进行有控地放煤，这样顶煤的移动，排放将是一个平面问题。松散体的放出平面曲线，根据模型实验、概率分析，它趋近于正态分布曲线^[3]。放出松散体形成的下沉曲线图(见图4-3)
图(4-3)中，I线为在1处放出一定量松散煤体的下沉曲线，也是煤、矸分界线。其放出量为：I线与顶板线构成平面(量值)的体积量(其厚度为单位长度，以下同)，而再在2处放煤(各处放煤量相同)时，II为下沉曲线。放出量为I、II线间构成的平面(量值)的体积量，依此类推。从图(4-3)中可见IV，V线基本相同，也就是说随工作面的推进，采用在工作面全长、有控、均匀地放顶煤，当工作面推进到一定程度后，其放煤形成的煤体下沉曲线(煤矸分界线)，以一基本相同的形式推进。并有下列关系：
H₁＝r·tgβ  ..........(4-6)
式中：H₁为放煤高度(m)，r为下沉曲线的影响范围(m)，tgβ为曲线拐点处的斜率。β、r值应通过实践和观测确定。
上述放顶煤的方法由下而上逐步放煤，直接顶板随着顶煤下沉，顶板下不出现空高。因此，矸煤分界明显，煤的回收应有理想的效果。
应采用机械破煤创造条件，再通过矿压破煤使顶煤逐步成为最有利放出的松散体。
采用高位放煤的方式，即在支护框架顶上后部设置可控的平行于工作面的槽形放煤口放煤。这样“4KQ”采煤方法的采放高度就可由三部分组成：h_k，顶煤碎胀增厚的部分和Δh₂或由放煤下沉曲线确定的H₁值，则有：
h₃＝h_k+Δh₂+(k_p2-1)(H-h_k)        ......(4-7)
或h₃＝h_k+H₁+(k_p2-1)(H-h_k)        ......(4-8)
式中：H为煤层厚度(m)，h_k为工作面控高度(m)，h₃为采放煤高度(m)，KP₂为顶煤碎胀系数。
对不同煤层的放顶煤参数应根据放煤和顶板控制两个方面进行分析比较得到合理数值并制订最优的方案。如一次采完较厚煤层，由于放煤过量破坏优化开采时，应考虑分次开采问题。
4.2.“4KQ”采煤方法的巷道布置
“4KQ”采煤方法的特点是可以进行多点落煤，全面放顶煤，快速推进提高工作面单位长度上的生产能力，因此，工作面的长度应适当，在100米左右，这样可减少设备的占用量，提高利用率。由于推进速度快，巷道在采煤时保留期短，不需留煤柱维护，“4KQ”采煤方法井巷部署的原则是沿煤层底部布置平行的巷道作行人，运输，通风，管线敷设等，布置垂直于平行巷道的通道作行人、设备管理、安装维修、管线敷设等。巷道系统(见图4-2)分为掘进区，生产准备区和采煤区，三个区段必须有两套独立的通风、运输、提升、供电等系统与井筒相通，以增强与地面的联系能力，改善生产安全环境。掘进区和采煤区朝一个方向推进，巷道连通有利于生产设备的调整，搬运，减少巷道维持时间。在生产准备区中应该处理好矿井瓦斯、水和地质构造等问题，同时做好生产准备工作，“4KQ”采煤方法的井巷布置由煤层分布，地质条件等来进行区域的划分，并应以整个煤田来考虑。它影响到井筒位置和地面生产、生活区域的设置。
4.3.“4KQ”采煤方法工作面的通风
“4KQ”采煤工作面的特点是通风断面小，产量大，需风多。但工作面除放煤口和煤壁外其他方面基本上为封闭状态。因此，采煤工作面的瓦斯主要来源为煤壁和破落及放顶煤产生的煤块在工作面停留时释放出来的瓦斯。为加大通风能力采用“W”型通风方式(见图4-2)，工作面最大风速采用5m/S(按规程规定)，则工作面年通风生产能力为：
       A＝31.1×η_s1/q_cH4×Q   万吨/年    ......(4-9)
式中：Q为通风量(m³/s、Q＝10S)，η_s1为时间利用系数，取η_s1＝0.9，q_cH4为相对瓦斯浓度(m³/t)，S为工作面有效利用断面(m²)，当工作面支护框架高为1.0米或1.1米采用单列支护框架时S为0.75m²和0.85m²，采用双列支护框架时S为1.5m²和1.7m²，则工作面的年通风生产能力见表4-1，
工作面风量、瓦斯与年产量表   表4-1单位：万吨/年

从表4-1可见关键的问题是要将工作面的相对瓦斯涌出量控制在2m³/t以内。在实际生产中，开滦唐山矿在采高2.5米，工作面长100米，III级瓦斯矿井条件下供风660～780米³/分，最高日产达6600吨/日。
上述说明，4KQ采煤工作面的通风能力与采煤能力基本上相适应，现场实际相应通风能力已达到相当高的产量水平。在相对瓦斯含量小的情况下，100米长的工作面的年通风能力可达200多万吨。
降低采煤工作面相对瓦斯含量的措施：
(1)增加通风量：采用W型通风方式，可比U型通风方式提高通风生产能力一倍。
(2)在掘进、生产准备区段中的巷道要有一定的停留时间，一般在100天以上，充分利用巷道预排煤层中的瓦斯，两区段要有独立的通风系统，风流不进入采煤工作面的通风系统中。这样可预排煤层中的瓦斯50％左右。
(3)减少采空区，邻近煤、岩层中的瓦斯进入采煤工作面。
(4)在生产准备区段中采用钻孔排放、瓦斯抽放和煤层注水等措施降低煤层中的瓦斯含量。使进入采煤区段煤炭的相对瓦斯涌出量降低到2m³/t以下。
4.4、“4KQ”采煤方法的适应范围
(1)、主要适应于开采顶板为I、II、III级的缓倾斜中、厚煤层，特厚煤层。
(2)、适应于急倾斜特厚煤层的开采。采用水平分段放顶煤开采。
(3)、有利于对煤层厚度有变化的煤层开采，对煤厚不同地段调整放煤能力，以适应煤厚的变化。
(4)、有利于对坚硬顶板(IV级)煤层的开采，采取先沿底板采出较薄一层煤，不放顶煤，使顶煤垮落破碎，坚硬顶板断裂有控下沉，做到不产生冲击地压，並保持煤层的完整性以利再次采出整个煤层。
(5)、有利于进行“三下一上”开采，由于可以采用小采高(不放顶煤)全面快速开采，在煤层中不留煤柱，因此，在顶、底板中形成的“上、下三带”的相对变形和矿压及显现的相对量值都会减小，地表的下沉，水平变形的相对量值也会变小，因而有利进行于“三下一上”开采，采用间隔开采，逐步将煤层全部采出。
(6)、增强了抵抗煤层发火的能力。由于在煤层中不留煤柱和工作面快速推进，在发火期内可以推进工作面几百米，甚至上千米，脱离空气的补给，而难于产生自燃。
(7)、有利于对软底板煤层的开采。支护框架底板为全封闭，设计底板比压为1MPa以下，而软底板允许比压为达3MPa，因此，可以满足开采软底板煤层的需要。
五、联合自控采煤设备的基本内容
一定的采煤方法需要相应的生产手段。“4KQ”采煤方法的实现必须要有能完成其工艺要求完全能实现采煤过程机械化、自动化的采煤设备—联合自控采煤设备。
联合自控采煤设备的基本点：由一定长度的支护框架联接组成设备的基体。支护框架是落煤设备的支撑、导向、推移的构架，并与控放煤槽口，运输机，液压推移设备联合为一整体，采用变频调速电机，乳化液泵站为动力设备，采用可编程控制器(微型计算机)、传感测试技术、液压电控传动技术等实现全过程自动控制。
六、“4KQ”采煤方法的比较优势和积极效果
(1)改造、提升传统的煤层开采技术，实现采煤工艺最优化，实现采煤过程高度机械化、自动化，实现无人采煤工作面。
(2)我国中厚煤层、厚煤层、特厚煤层的储量占80％以上，适应用“4KQ”采煤方法开采。这样联合自控采煤设备也有广阔的市场。
(3)联合自控采煤设备结构简单，制造方便，造价低，装备相同的工作面费用比综采低。提升煤机产品水平和发展煤机制造行业。
(4)联合自控采煤设备体积小，重量轻，有利于搬运安装，因此可以把在井下的一些作业量在井上实现，减少井下工作人员。并比综采有更大的适应范围，如对煤层厚薄变化较大和只能布置较短工作面的煤层开采。
(5)有利于“三下一上”、坚硬顶板和软底板煤层的开采和防止煤层自燃。
(6)由于实现了机械化、自动化、无人生产工作面，提高了工效，减少了作业人员，改善了生产的安全环境，提高了安全生产的水平，较大地减少安全事故。
(7)“4KQ”采煤方法的积极效果：
提高单产、效率、效益：矿井平均工效提高五倍左右，吨煤生产成本降低20％左右，生产安全环境极大改善，消除高危作业，较大降低事故率。具体数据见表(6-1)
矿井生产能力、效率，职工人数表表                            6-1