煤矿新技术-综采工作面块煤开采技术课件.ppt

1、综合机械化采煤综合机械化采煤块煤开采技术块煤开采技术 中国煤炭开采现状中国煤炭开采现状 世界采矿方法现状世界采矿方法现状 块煤开采技术块煤开采技术中国煤炭开采现状中国煤炭资源的开采现状中国煤炭资源的开采现状 中国煤炭资源分布面广，全国中国煤炭资源分布面广，全国21002100多个县中，煤炭开采多个县中，煤炭开采的就有的就有11001100多个，占多个，占6060左右。左右。煤炭资源的分布区域，华北最多，占全国储量煤炭资源的分布区域，华北最多，占全国储量4949.2525，其次为西北地区，占全国的其次为西北地区，占全国的3030.3939，依次为西南地区，依次为西南地区，占占8 8.6464，华

2、东地区占，华东地区占5 5.7 7，中南地区，占，中南地区，占3 3.0606，东北地区，占东北地区，占2 2.9797。山西、内蒙、陕西、新疆、贵州和宁夏山西、内蒙、陕西、新疆、贵州和宁夏6 6省区最多，这省区最多，这6 6省的保有储量约占全国的省的保有储量约占全国的8181.6 6。国家级煤炭开发基地规划国家级煤炭开发基地规划国家级：神东、黄陇、宁东、陕北、蒙东（东北）国家级：神东、黄陇、宁东、陕北、蒙东（东北）、晋北、晋东、云贵、河南、鲁西、晋中、两淮、晋北、晋东、云贵、河南、鲁西、晋中、两淮、冀中等冀中等13个规划基地，含个规划基地，含98个矿区，分布在全国个矿区，分布在全国14个省，

3、总面积个省，总面积28.71万平方公里，含煤面积万平方公里，含煤面积20.45万平万平方公里。方公里。2010年末，保有资源储量年末，保有资源储量1.34万亿吨，动力万亿吨，动力煤煤8477.31亿吨，占全国保有资源储量亿吨，占全国保有资源储量85%。已生产矿井和在建矿井已生产矿井和在建矿井2058.61亿吨，占基地保有储亿吨，占基地保有储量的量的24.3%。其中，动力煤。其中，动力煤6102.7亿吨，占亿吨，占72%，炼，炼焦用煤焦用煤1361.2亿吨，占亿吨，占16.1%，无烟煤，无烟煤1013.4亿吨，亿吨，占占11.9%。1、神东基地、神东基地2、陕北基地、陕北基地3、黄陇基地、黄陇基

4、地4、晋北基地、晋北基地5、晋中基地、晋中基地6、晋东基地、晋东基地7、蒙东基地、蒙东基地8、两淮基地、两淮基地9、鲁西基地、鲁西基地10、河南基地、河南基地11、冀中基地、冀中基地12、云贵基地、云贵基地13、宁东基地、宁东基地全国十三个亿吨级煤炭基地全国十三个亿吨级煤炭基地世界采矿方法现状采矿工程采矿工程地下开采地下开采露天开采露天开采海洋开采海洋开采特殊采矿特殊采矿非非金金属属矿矿地地下下开开采采煤煤炭炭地地下下开开采采水水溶溶采采矿矿热热液液采采矿矿溶溶浸浸采采矿矿煤煤及及油油母母页页岩岩地地下下气气化化油油气气田田与与石石油油开开采采盐盐湖湖矿矿床床开开采采饰饰面面石石材材开开采采海

5、海底底基基岩岩矿矿床床开开采采海海水水化化学学元元素素提提取取海海底底热热液液矿矿床床开开采采海海底底锰锰结结核核开开采采海海底底砂砂矿矿开开采采沙沙矿矿床床露露天天开开采采固固体体矿矿床床露露天天开开采采金金属属矿矿地地下下开开采采全球矿山资源开采的基本类型全球矿山资源开采的基本类型地下采煤地下采煤采煤方法概念是采煤系统与采煤工艺的综合及其在时间和空间上的配合采煤方法采煤方法采煤系统采煤系统采煤工艺采煤工艺破煤、装煤、运煤支护和采空区处理回采工作回采工作在采煤工在采煤工作面内，为采取煤炭作面内，为采取煤炭所进行的各项工作所进行的各项工作回采巷道掘进和回采回采巷道掘进和回采工作之间在时间上的工

6、作之间在时间上的配合以及在空间上的配合以及在空间上的相互位置关系相互位置关系在采煤工作面内，按在采煤工作面内，按照一定顺序完成各项照一定顺序完成各项工序的方法及其配合工序的方法及其配合采煤方法分类采煤方法分类井工开采井工开采露天开采露天开采柱式体系柱式体系壁式体系壁式体系以长壁工作面采煤为主要特征以长壁工作面采煤为主要特征，是应用最普遍的一种采煤方法，是应用最普遍的一种采煤方法，占重点煤矿产量的占重点煤矿产量的95%以上。以上。又称为短壁采煤法又称为短壁采煤法，是以房，是以房柱间隔采煤为主要特征，柱间隔采煤为主要特征，常见巷柱式、房式、房柱式常见巷柱式、房式、房柱式现代短壁机械化开采技术的成功

7、应用，逐渐引起大家的关注现代短壁机械化开采技术的成功应用，逐渐引起大家的关注块煤开采技术块煤开采技术定义块煤开采技术定义 块煤开采技术块煤开采技术是在现有的开采系统和开采是在现有的开采系统和开采工艺条件下，通过工艺条件下，通过采煤设备改进、采煤工采煤设备改进、采煤工艺优化、煤壁压力支护、煤层预裂艺优化、煤壁压力支护、煤层预裂等工艺等工艺提高工作面块煤生产比重的采煤方法。提高工作面块煤生产比重的采煤方法。块煤率指的是工作面原煤生产中块煤所占块煤率指的是工作面原煤生产中块煤所占的比重。的比重。目 录研究基础条件研究基础条件3块煤开采现状块煤开采现状1块煤开采方法块煤开采方法2一、块煤开采现状由于块

8、煤生产受煤层自身强度、地质条件、采煤工艺、转载过程等诸多因素影响，产量只占原煤总产量的10%30%左右。在煤炭运输过程中，由于转载点落差和落煤方式不同，造成块煤跌落时相互碰撞冲击，使块煤损失严重，块煤率在运输过程中下降20%30%以上。因此现有综采工作面开采工艺条件下造成煤体过度粉碎，全矿井的块煤生产率低下。据统计，现有煤矿全矿的块煤生产率不到15%，粉煤生产率为85%左右。市场市场表现表现：粉煤价格最低，粉煤价格最低，块煤价格是粉煤的块煤价格是粉煤的2倍以上，倍以上，市场销售前景好，且不同规市场销售前景好，且不同规格的块煤价格差价在格的块煤价格差价在100150元元/t，详见原煤销售价格表。

9、，详见原煤销售价格表。一、块煤开采现状 晋煤集团古书院矿通过控制吃刀量、滚筒改造、选择采煤机不同的开采方法增加块率。晋城煤业集团以粒径2580 mm块煤产品销路最好,最有竞争优势,价格也最高。吃刀量50 mm左右产生的块率较高,这正符合商品块煤的要求。近几年近几年,国内煤炭市场价国内煤炭市场价格总体水平经历了下降格总体水平经历了下降趋稳趋稳回升。煤炭产回升。煤炭产量由降转升。块煤市场量由降转升。块煤市场呈现供不应求的趋势呈现供不应求的趋势,各各煤矿增大了对提高块煤煤矿增大了对提高块煤率技术的研究。根据不率技术的研究。根据不同的煤层条件各矿采取同的煤层条件各矿采取的措施也各有侧重。的措施也各有侧

10、重。一、块煤开采现状 晋煤集团王台铺矿针对造成块率损晋煤集团王台铺矿针对造成块率损失的主要环节和原因失的主要环节和原因,着力于在原着力于在原煤入洗上下功夫煤入洗上下功夫,他们通过提高煤他们通过提高煤炭入洗上限炭入洗上限,提高筛分效率提高筛分效率,降低原降低原煤末煤煤末煤,不断改善煤炭贮、装、运不断改善煤炭贮、装、运条件条件,完善洗选工艺完善洗选工艺,提高分选效果提高分选效果等措施等措施,使煤炭原煤块率得到较大使煤炭原煤块率得到较大提高提高,取得了显著的经济效益。取得了显著的经济效益。一、块煤开采现状 永煤集团通过采取降低滚筒转速、改变滚筒截齿数量、改双向割煤为单向割煤和降低液压支架支护强度等方

11、法，块煤率有较大幅度提高，配合运输等环节的防破碎措施，综合块煤率提高一倍。晋城晋普山煤矿利用在大煤仓中安装的可伸缩小煤仓来解决煤仓高落差问题从而降低块煤损耗,小煤仓投入使用后,原煤经溜煤眼中转,块煤率损耗平均为4.6个百分点,比原来降低了5.2个百分点,效果十分理想。一、块煤开采现状 永煤顺和煤矿采用深孔永煤顺和煤矿采用深孔松动爆破法协同采煤机松动爆破法协同采煤机破煤，增大了煤体破碎破煤，增大了煤体破碎力度，同时减少煤体破力度，同时减少煤体破碎块度碎块度。通过采取调整通过采取调整滚筒牵引速度、改变滚滚筒牵引速度、改变滚筒截齿配置类型及型号、筒截齿配置类型及型号、改双向割煤为单向割煤、改双向割煤

12、为单向割煤、调整工作面倾斜角度和调整工作面倾斜角度和加强运输环节的管理等加强运输环节的管理等方法，块煤率有较大幅方法，块煤率有较大幅度提高。度提高。阳煤集团针对市场需求，阳煤集团针对市场需求，利用聚能定向断裂控制爆利用聚能定向断裂控制爆破技术，提高了块炭率。破技术，提高了块炭率。磁窑堡煤矿磁窑堡煤矿，通过优化巷通过优化巷道布置，优化采掘工作面道布置，优化采掘工作面爆破参数爆破参数，改造运输环节改造运输环节等等，使块煤率由平均使块煤率由平均32.43%32.43%提高到提高到46.49%46.49%。一、块煤开采现状 土耳其tire地区的煤矿和英国LongAirdox股份有限公司合作，采用该公司

13、的利用液态CO2代替炸药的改进型卡多克斯(Cardox)法，这种气体爆破法使用起来与传统爆破非常相似，能够在瞬间释放出大量的高压气体，使用结果证明，该项技术既能提高产量，又使粉煤量少于10%。大块煤产量增加，粉煤量减少，大大提高了产品质量，增加了效益，还带来更安全的工作条件。二、块煤开采方法 综综合国内外现状可见：合国内外现状可见：影响综采工作面块煤率的因素很多影响综采工作面块煤率的因素很多,提高块煤率的方法也多种多样提高块煤率的方法也多种多样。目前比较常见的方法主要是：目前比较常见的方法主要是：1)、采煤设备的改进、采煤设备的改进2)、采煤工艺的优化、采煤工艺的优化3)、煤壁压力的利用、煤壁

14、压力的利用4)、煤层的预裂改造、煤层的预裂改造1)、采煤设备的优化1）减少截齿数量）减少截齿数量 地质条件允许的条件下，地质条件允许的条件下，减少截齿数量是提高块煤率的有效途径减少截齿数量是提高块煤率的有效途径.截齿的安装数量应根据煤质情况来确定。对于截割性能好的煤层截齿的安装数量应根据煤质情况来确定。对于截割性能好的煤层,截齿的安装数量一般按截齿的安装数量一般按610个个/n安装安装,反之则应按反之则应按1016个个/n较为较为适宜。截齿的安装尺寸则应根据脆性煤和粘性煤的性能来选取。适宜。截齿的安装尺寸则应根据脆性煤和粘性煤的性能来选取。截齿性能的好坏直接影响煤的块度。截齿性能的好坏直接影响

15、煤的块度。2）截齿采用棋盘式排列）截齿采用棋盘式排列滚筒截齿排列的方式大致分为顺序式排列和棋盘式排列。滚筒截齿排列的方式大致分为顺序式排列和棋盘式排列。棋盘式棋盘式排列在进刀方向上截割排列在进刀方向上截割,两相邻截槽已先截出两相邻截槽已先截出,形成的截槽两侧对称形成的截槽两侧对称,切屑厚度大切屑厚度大,截获的块度和块率比顺序式提高近截获的块度和块率比顺序式提高近1倍倍,粉尘量明显减粉尘量明显减少。少。1)、采煤设备的优化（3 3）合理地选择采煤机滚筒直径）合理地选择采煤机滚筒直径选择直径大一些滚筒选择直径大一些滚筒,有利于降低临界转速有利于降低临界转速,提高装煤效果提高装煤效果,但直径过大时但

16、直径过大时,会增加能耗会增加能耗,减小煤的块度。当滚筒直径减小时减小煤的块度。当滚筒直径减小时,装煤效率会降低。因此应根据需要合理地选择滚筒直径。装煤效率会降低。因此应根据需要合理地选择滚筒直径。（4 4）合理地选择采煤机合理地选择采煤机筒体直径筒体直径 为提高滚筒装煤能力为提高滚筒装煤能力,在保证叶片与筒体的焊接强度在保证叶片与筒体的焊接强度,满足摇满足摇 臂头传动装置安装空间的前提下臂头传动装置安装空间的前提下,滚筒的筒体直径应取小一些滚筒的筒体直径应取小一些1)、采煤设备的优化(5)合理的合理的叶片头数叶片头数叶片头数决定了叶片的导程叶片头数决定了叶片的导程S，S=Pn(P为螺距为螺距;

17、n为叶片头数为叶片头数),而而导程应不小于叶片宽度导程应不小于叶片宽度D，即即Sh。因此。因此，头数必须满足头数必须满足PnD，即即nD/P。通常叶片的头数。通常叶片的头数n=2 4，如果头数过多如果头数过多，叶片的间距叶片的间距P减小减小，煤流空间狭窄煤流空间狭窄，将增加阻力和能耗将增加阻力和能耗，且头数过多也不利于且头数过多也不利于加工。加工。(6)合理选择叶片螺旋角合理选择叶片螺旋角 螺旋角越大螺旋角越大，排煤的能力也越大排煤的能力也越大，但螺旋角过大时但螺旋角过大时，容易引起煤容易引起煤 尘粉碎。螺旋角过小尘粉碎。螺旋角过小,叶片的排煤能力小叶片的排煤能力小，煤在螺旋叶片内循环煤在螺旋

18、叶片内循环,造成煤的重复破碎造成煤的重复破碎，使块煤率降低。使块煤率降低。实践证明实践证明,螺旋角在螺旋角在10 25比较适宜。比较适宜。2)、采煤工艺的改进滚筒转速、牵引速度与煤块率的关系图滚筒转速、牵引速度与煤块率的关系图1 1）降低滚筒转速提高块煤率）降低滚筒转速提高块煤率滚筒转速对滚筒的截割和装载滚筒转速对滚筒的截割和装载过程影响较大。过程影响较大。滚筒转速低可滚筒转速低可以增加切削厚度，提高块煤率，以增加切削厚度，提高块煤率，但转速过低，会降低装煤效果，但转速过低，会降低装煤效果，增加截割功率，易出现滚筒堵增加截割功率，易出现滚筒堵塞现象。塞现象。滚筒转速过高则切削滚筒转速过高则切削

19、太薄，将生成较多的粉煤，太薄，将生成较多的粉煤，同同时引起循环煤的增多，但转速时引起循环煤的增多，但转速高可以提高滚筒的装载能力。高可以提高滚筒的装载能力。2)、采煤工艺的改进2 2）增大采煤机牵引速度）增大采煤机牵引速度在滚筒转速一定的情况下，在滚筒转速一定的情况下，随着牵引速度的增大，块随着牵引速度的增大，块煤率增大煤率增大;反之，块煤率反之，块煤率减小。减小。从理论上分析从理论上分析,理理论最大切屑厚度与滚筒的论最大切屑厚度与滚筒的牵引速度成正比牵引速度成正比,而与滚而与滚筒转速成反比筒转速成反比;为此为此,为为获得较大块煤率获得较大块煤率,应使滚应使滚筒的转速尽量小筒的转速尽量小,牵引

20、速牵引速度尽可能大。度尽可能大。滚筒转速、牵引速度与煤块率的关系图滚筒转速、牵引速度与煤块率的关系图2)、采煤工艺的改进3 3）适当增大切削厚度）适当增大切削厚度滚筒的截齿截割煤岩时，由于滚筒的截齿截割煤岩时，由于受滚筒转动和牵引速度的影响受滚筒转动和牵引速度的影响，截齿作弧形截割，其切屑形状截齿作弧形截割，其切屑形状呈月牙形。如右图切削厚度与呈月牙形。如右图切削厚度与粉尘量呈双曲线趋势下降，相粉尘量呈双曲线趋势下降，相应的块煤率也随之增大。从煤应的块煤率也随之增大。从煤块的形成机理来看，块的形成机理来看，当切削厚当切削厚度加大时，与受截齿挤压形成度加大时，与受截齿挤压形成的煤粉核相接触的煤体

21、体积增的煤粉核相接触的煤体体积增大，从而使得破碎块和拉应力大，从而使得破碎块和拉应力向上的裂纹增多，块量增加，向上的裂纹增多，块量增加，煤尘减少。煤尘减少。切削厚度与单位粉尘量的关系图切削厚度与单位粉尘量的关系图1 1、2 2、3 3截割速度依次减小截割速度依次减小 2)、采煤工艺的改进4 4）改变滚筒旋转方向）改变滚筒旋转方向为增强采煤机工作稳定性为增强采煤机工作稳定性,双滚筒采煤机双滚筒采煤机2 2个滚筒转向个滚筒转向都采用转向相反的布置方式都采用转向相反的布置方式,布置方式有布置方式有“前顺后逆前顺后逆”和和“前逆后顺前逆后顺”2”2种。目前大种。目前大部分采用第一种方案，这种部分采用第

22、一种方案，这种方案适用滚筒直径大，采高方案适用滚筒直径大，采高大大，生产率高的工作面。装，生产率高的工作面。装煤效果好，煤块不易破碎，煤效果好，煤块不易破碎，前滚筒不向司机甩煤，飞扬前滚筒不向司机甩煤，飞扬的灰尘也较少的灰尘也较少.双滚筒采煤机的双滚筒采煤机的2 2种滚筒转向种滚筒转向6）适当增大截割深度）适当增大截割深度大截割深度可以提高块煤大截割深度可以提高块煤率率,降低煤尘降低煤尘，但过大的截但过大的截割深度会使截齿急剧磨损割深度会使截齿急剧磨损,单齿截割力增加单齿截割力增加，截齿的截齿的受力条件变坏受力条件变坏，从而降低从而降低了截齿的使用寿命。根据了截齿的使用寿命。根据大量试验，大量

23、试验，当截割深度在当截割深度在50100mm时块煤率较高时块煤率较高,在在4060mm时时，采煤比能采煤比能耗较低。耗较低。5）由双向割煤改为单向）由双向割煤改为单向割煤割煤双向采煤时，当采煤机从双向采煤时，当采煤机从机头向机尾割煤时，大量机头向机尾割煤时，大量煤堆积在采煤机前端，互煤堆积在采煤机前端，互相挤压造成破碎。为减少相挤压造成破碎。为减少堵塞，提高块煤率，可采堵塞，提高块煤率，可采用从机尾进刀的单向割煤用从机尾进刀的单向割煤方式方式。2)、采煤工艺的改进3)、矿山压力的利用（1）降低液压支架支护强度）降低液压支架支护强度 在工作面煤壁硬度较大，顶板比较完整不易垮落的情况下，在工作面煤

24、壁硬度较大，顶板比较完整不易垮落的情况下，适当降低支护强度，将顶板压力传递给煤壁，使煤壁受到适当降低支护强度，将顶板压力传递给煤壁，使煤壁受到的压力增大，的压力增大，破坏破坏裂隙增多。裂隙增多。在采煤机割煤时煤壁自然破在采煤机割煤时煤壁自然破碎垮落，形成大块煤，从而有效地避免了采煤机截齿对煤碎垮落，形成大块煤，从而有效地避免了采煤机截齿对煤体的大量切割体的大量切割。采用二柱掩护式整体顶梁液压支架，整体顶梁带采用二柱掩护式整体顶梁液压支架，整体顶梁带800 mm行程的内伸缩梁。伸缩梁能及时伸出，对防止架前片帮、行程的内伸缩梁。伸缩梁能及时伸出，对防止架前片帮、冒顶起着十分重要的作用，为降低支架支

25、护强度、提高块冒顶起着十分重要的作用，为降低支架支护强度、提高块煤率的生产工艺提供了安全保障。煤率的生产工艺提供了安全保障。3)、矿山压力的利用（2 2）利用煤壁稳定性与煤层性质的关系）利用煤壁稳定性与煤层性质的关系3)、矿山压力的利用（3 3）利用煤壁稳定性与工作面超前压力的作用关系）利用煤壁稳定性与工作面超前压力的作用关系煤层的预裂煤层的预裂改造技术改造技术1 1）炸药超）炸药超前预裂爆破前预裂爆破技术技术2 2）煤岩体）煤岩体水压致裂软水压致裂软化技术化技术3 3）气体预）气体预裂破碎技术裂破碎技术4)、煤层的预裂改造 由于煤层赋存条件和开采条件的差异，目前，国内外解决由于煤层赋存条件和

26、开采条件的差异，目前，国内外解决煤层开采的预裂方法有以下三种：煤层开采的预裂方法有以下三种：1 1）超前松动爆破技术）超前松动爆破技术 预裂爆破法是采用炸药爆预裂爆破法是采用炸药爆破的方法人为将煤岩层破破的方法人为将煤岩层破碎的方法。有浅孔放顶、碎的方法。有浅孔放顶、深孔爆破、地面深孔放顶深孔爆破、地面深孔放顶和超前深孔预裂爆破等类和超前深孔预裂爆破等类型。型。超前深孔预裂爆破的主要超前深孔预裂爆破的主要作用是，切断坚硬顶板，作用是，切断坚硬顶板，减小顶板冒落面积。减小顶板冒落面积。具体做法是在上、下巷或具体做法是在上、下巷或特殊巷道特殊巷道(工艺巷工艺巷)向顶板向顶板打深孔打深孔,采用高威力

27、炸药，采用高威力炸药，在工作面前方一定距离进在工作面前方一定距离进行爆破，破坏顶板完整性。行爆破，破坏顶板完整性。1 1）超前松动爆破技术）超前松动爆破技术 裂隙扩展断裂力学模型裂隙扩展断裂力学模型爆破预裂的机理爆破预裂的机理：爆破后，炸药的能量转化成了爆轰波爆破后，炸药的能量转化成了爆轰波的能量，以爆轰波形式直接作用于介的能量，以爆轰波形式直接作用于介质上。爆生气体产生准静态应力场，质上。爆生气体产生准静态应力场，并楔入空腔壁上已张开的裂隙中，在并楔入空腔壁上已张开的裂隙中，在裂隙尖端产生应力集中，使裂隙进一裂隙尖端产生应力集中，使裂隙进一步扩展。在裂隙扩展过程中，爆生气步扩展。在裂隙扩展过

28、程中，爆生气体首先进入张开宽度大、较平直、对体首先进入张开宽度大、较平直、对气体楔入阻力小的大裂隙中，然后再气体楔入阻力小的大裂隙中，然后再进入与之沟通的小裂隙中，直到爆生进入与之沟通的小裂隙中，直到爆生气体压力降到不足以使裂隙继续扩展气体压力降到不足以使裂隙继续扩展为止。爆生气体在煤体内产生的准静为止。爆生气体在煤体内产生的准静态应力随距炮孔中心距离的增加而衰态应力随距炮孔中心距离的增加而衰减，在煤体内存在爆生气体应力梯度。减，在煤体内存在爆生气体应力梯度。1 1）超前松动爆破技术）超前松动爆破技术在在孔内压力作用下裂隙尖端的应孔内压力作用下裂隙尖端的应力强度因子为：力强度因子为：式式中：中

29、：L L裂隙扩展瞬间长度；裂隙扩展瞬间长度；PmPm孔壁压力；孔壁压力；地应力。地应力。由上由上式看式看出，随着地应力出，随着地应力增增大，大，应力强度因子应力强度因子KrKr呈现线性下降趋呈现线性下降趋势。在距爆破孔中心较远的位置势。在距爆破孔中心较远的位置，爆爆生气体准静态压力己大大降低，生气体准静态压力己大大降低，同样同样KrKr大大大减小，当大减小，当KrKr衰减到一衰减到一定值时，爆破裂隙将停止扩展。定值时，爆破裂隙将停止扩展。(1 2/)mKrLPRcRc压碎圈半径压碎圈半径 RpRp裂隙圈半径裂隙圈半径 1 1压碎圈压碎圈 2 2裂隙圈裂隙圈 3 3震动圈震动圈 爆破孔周围煤体裂

30、隙发生扩展区域爆破孔周围煤体裂隙发生扩展区域示图示图1 1）超前松动爆破技术）超前松动爆破技术预爆破是顶煤预破碎的一种行之有效的手段。其方法是超前预破裂煤体，然后利用矿山压力、支架反复支撑作用及煤体自重力作用使顶煤达到充分破碎，并达到放煤窗口所要求的块度。近年来岩石爆破理论有了较大进展，采用损伤力学的方法研究岩石爆破破岩机理、爆破损伤模型、爆破裂纹扩展过程和爆破破坏区大小及其分布特征是岩石爆破研究的热点之一，我国杨小林、王树仁、杨军等研究了岩石爆破损伤的细观机理和爆破损伤模型、爆生气体作用下岩石裂纹的扩展机理和规律，张继春采用损伤力学方法建立了一种节理岩体的爆破破碎块度预测方法等。1 1）超前

31、松动爆破技术）超前松动爆破技术松动爆破实例展示松动爆破实例展示B6巷护巷煤柱线地表塌陷 B3巷煤壁超前支护单体护顶煤线541B6巷+541B3巷+575.99m+550.772520053150447501800夹矸40002400600护顶煤柱线3000350014702350012345677531642孔间距/m护顶煤/m护巷煤柱/m装药装药方式方式封孔长度/m3.5/4.53.05.0正向装药大于3.01）1/2煤层厚度爆破方案煤层厚度爆破方案爆破孔由爆破孔由B3巷向煤体中心巷向煤体中心布孔，松动爆破范围布孔，松动爆破范围B3巷巷北帮向煤体侧北帮向煤体侧25.0m内超前内超前于工作面于

32、工作面3.0m进行预爆破；进行预爆破；一组一组7个眼同时起爆。个眼同时起爆。来源：神华新疆能源公司科技项目来源：神华新疆能源公司科技项目B6巷地地 表表 塌塌 陷陷B B3 3巷巷煤 壁超前支护单体3 35 5护顶煤线B6巷B3巷6001 17 71 12 23 34 45 56 67 78 89 91 10 09 94 46 62 28 81 10 03 35 514 42 26 68 81 10 07 79 9护顶煤线护巷煤线夹矸层采采 空空 区区孔间距/m护顶煤/m护巷煤柱/m装药装药方式方式封孔长度/m4.03.05.0正向装药大于6.02）全煤层厚度爆破方案）全煤层厚度爆破方案由由B

33、3巷向巷向B6巷垂直于煤层走巷垂直于煤层走向布置向布置100mm单向扇形松单向扇形松动爆破孔，每组钻孔为动爆破孔，每组钻孔为10个，个，贯穿整个煤层，实施单组全贯穿整个煤层，实施单组全煤层爆破。超前于工作面煤层爆破。超前于工作面13m进行预爆破；一组进行预爆破；一组10个个眼同时起爆。眼同时起爆。1 1）超前松动爆破技术）超前松动爆破技术松动爆破实例展示松动爆破实例展示来源：神华新疆能源公司科技项目来源：神华新疆能源公司科技项目全煤层爆破工作面全煤层爆破工作面CH4CH4与与COCO曲线曲线1/21/2煤层爆破工作面煤层爆破工作面CH4CH4与与COCO曲线曲线 1 1）超前松动爆破技术）超前

34、松动爆破技术松动爆破实例展示松动爆破实例展示结果分析结果分析1）气体监测统计）气体监测统计 工工作面作面瓦斯有瓦斯有一定幅度增加一定幅度增加，或发生短时超限；或发生短时超限；CO气体持续时气体持续时间超过间超过10分分钟以上；最短下降时间钟以上；最短下降时间25分分钟。钟。采采用超前爆破时用超前爆破时，出现巷道，出现巷道锚杆支护失效，巷道变形破锚杆支护失效，巷道变形破坏严重情况。坏严重情况。2.1、方案整体设计、方案整体设计 煤层赋存及开采条件煤层赋存及开采条件分段顶煤可放性研究分段顶煤可放性研究煤层软化性研究对策煤层软化性研究对策实施条件及系统装备实施条件及系统装备沿煤层走向沿煤层走向压裂软

35、化方式压裂软化方式利用压裂平台沿煤层利用压裂平台沿煤层走向长距离软化层走向长距离软化层高压注水软化方式高压注水软化方式深化深化设计基础工作设计基础工作煤层压裂煤层压裂设计方式设计方式煤层压裂煤层压裂设计方案设计方案2 2）煤体水压致裂软化技术）煤体水压致裂软化技术2 2）煤体水压致裂软化技术原理）煤体水压致裂软化技术原理 技术原理：是充分利用地应力条件，以增加煤层裂缝数目，并且严格控制裂缝发展形态为主要特征的新型压裂浸润软化技术。通过物理压裂和软化作用工艺途径，达到软化煤体、改变顶煤的整体结构和力学特性，预先软化煤体的目的。来源：西安科技大学自主知识产权的专利项目来源：西安科技大学自主知识产权

36、的专利项目2 2）煤体水压致裂软化技术）煤体水压致裂软化技术 煤层水压致裂软煤层水压致裂软化技化技术工艺流程术工艺流程来源：西安科技大学自主知识产权的专利项目来源：西安科技大学自主知识产权的专利项目1、水管 2、混合水箱 3、注水泵 4、控制系统 5、封孔器 6、煤层 煤层高压注煤层高压注水软化技术原理装备系统示意图水软化技术原理装备系统示意图2 2）煤体水压致裂软化技术）煤体水压致裂软化技术注水压力和注水流量随时间变化曲线图注水压力和注水流量随时间变化曲线图2 2）煤体水压致裂软化技术）煤体水压致裂软化技术+618B1+2煤层300m平台注水软化工程实例2 2）煤体弱化技术）煤体弱化技术实例

37、展示实例展示 -神华新疆公司小红沟煤矿来源：神华集团自主创新项目来源：神华集团自主创新项目2 2）煤体注水弱化技术）煤体注水弱化技术 工作面走向长度1230米，工作面长度30.6米，分层高度22米。B1+2煤层厚度37.45m，倾角8789,含夹矸。硬度系数f=1.5-3，其中B2比B1煤层硬；顶底板：伪顶炭质泥岩，厚0.10.2m；直接顶为粉砂岩或砂质泥岩，厚0.55m；老顶为粉砂岩，细砂岩或厚砂岩；伪底为泥岩或炭质泥岩，厚0.10.3m；直接底为粉砂岩，很少随煤层垮落。实例展示实例展示利用一个注水平台注水软化方案图天 槽+618B1皮带巷+618B2轨道巷+618m+645m上 部 采 空

38、 区通风孔注水平台注水平台天槽通风孔注水孔注水孔注水孔中部（注水区域）爆破孔+631m注水孔注水孔注水孔注水孔注水孔注水孔10m5m+618 B1 皮 带 巷+618 B2 轨 道 巷方案一：沿煤层走向方向一方案一：沿煤层走向方向一个注水平台注水方式个注水平台注水方式将试验工作面的27m的分层阶段高度人为的划分为2个小分层，高度分别为13m和14m。在阶段高度13m处，沿煤层倾向方向施工一个10m左右长度的注水平台，平台上布置两组注水孔，其中一组钻孔朝东（向工作面方向）；另一组钻孔朝西（背工作面方向）。每组钻孔有3个注水孔，角度均为3，长度为100m，每个钻孔间距在5m左右，两顺槽巷道各施工一

39、个天槽眼和通风孔与注水平台连接，已解决注水平台上的设备运输和局部通风问题。2 2）煤体注水弱化技术）煤体注水弱化技术实例展示实例展示来源：神华集团自主创新项目来源：神华集团自主创新项目+618 B1 皮 带 巷+618 B2 轨 道 巷+645m上 部 采 空 区+618B2轨道巷+618B1皮带巷注水孔注水孔注水孔注水孔注水孔+618m+627m+636m 注 水 平 台天 槽 注 水 平 台通风孔通风孔天 槽通风孔通风孔 注水平台 注水平台天 槽天 槽注水孔注水孔注水孔注水孔5m注水孔注水孔注水孔注水孔注水孔注水孔注水孔注水孔注水孔 利用两个注水平台注水软化方案方案二：沿煤层走向方方案二：

40、沿煤层走向方向二个向二个注水平台注水方式注水平台注水方式将试验工作面的27m的阶段高度均分为3小分层，高度为9m。在上部两个小分层处，沿煤层倾向方向施工一个10m左右长度的注水平台，每个平台上布置两组注水孔，其中一组钻孔朝东（向工作面方向）；另一组钻孔朝西（背工作面方向）。每组钻孔有3个注水孔，角度均为3，长度为100m，每个钻孔间距在5m左右，两个注水平台用斜天槽进行连接，两个注水平台各施工一个天槽眼，构成局部通风系统2 2）煤体注水弱化技术）煤体注水弱化技术实例展示实例展示来源：神华集团自主创新项目来源：神华集团自主创新项目煤层注水参数的确定根据煤层注水软化实施方案，从理论上确定注水软化的

41、各项参数：（1）注水方式+618B1+2煤层综采工作面煤层注水软化方案选择，沿煤层走向长距离高压低流量的注水软化方式为主体，协同工作面超前采动支承压力的破煤作用,完成顶煤软化的控制性工程。（2）钻孔布置根据B1与B2煤层中间夹矸位置，钻孔沿煤层走向布置，分别在B1和B2煤层及在煤层夹矸中，每个平台施工6个注水孔，注水孔与水平成3，注水孔水平长度100米，间距5米。ZY-650型煤矿用全液压钻机钻孔深度(m)终孔直径(mm)钻杆直径(mm)钻孔倾角（）输出速度(r/min)15065500-9075输出扭矩(N.m)推力(kN)拉力(kN)功率(kW)整机质量(kg)1003022151200Z

42、Y650型全液压钻机主要技术参数液压钻机液压钻机2 2）煤体注水弱化技术）煤体注水弱化技术实例展示实例展示2 2）煤体注水弱化技术）煤体注水弱化技术实例展示实例展示BZW63/31.5型注水泵驱动功率(kw)额定排出压力(Mpa)额定流量(L/min)4531.563输出轴转速(min-1)柱塞行程（mm)单泵重量（kg)148095140 BZW63/31.5型注水泵主要技术参数注水泵注水泵ZF-A38型封孔器内径(mm)外径(mm)适用外径(mm)385465膨胀范围(mm)自由状态压力(mpa)实验压力（mpa)71412ZF-A38型封孔器主要技术参数封孔器封孔器 试验工作面 液压钻机

43、 注水泵 煤层注水软化 现场试验情况现场试验情况2 2）煤体注水弱化技术）煤体注水弱化技术实例展示实例展示煤层注水软化工艺流程图煤层注水软化工艺流程图 2 2）煤体注水弱化技术）煤体注水弱化技术实例展示实例展示结果分析注水孔压力变化分析图煤层平均含水率分析图煤层平均含水率分析图从右图中分析看，从右图中分析看，进入煤层注水区域进入煤层注水区域时，煤层的平均含时，煤层的平均含水率达到了水率达到了6-7%之间，与注水前没之间，与注水前没有较大的变化。有较大的变化。通过连续观测分析，通过连续观测分析，煤体裂隙少，整体性煤体裂隙少，整体性较好时，随着煤体的较好时，随着煤体的含水量增加，注水压含水量增加，

44、注水压力逐步上升。压力增力逐步上升。压力增长缓慢。随着压力增长缓慢。随着压力增加到的一定的值，压加到的一定的值，压力处于一恒值状态。力处于一恒值状态。工作面回采率分析图 原煤产量分析图原煤产量分析图工作面在煤层注水前的工作面在煤层注水前的回采在回采在78%左右，当进左右，当进入两个平台注水区域时，入两个平台注水区域时，回采率达到最大，在进回采率达到最大，在进入注水区域后，工作面入注水区域后，工作面的回采在的回采在87%左右。左右。工作面的原煤产量工作面的原煤产量3850t/d左右。注水软左右。注水软化后，原煤产量增加化后，原煤产量增加270t/d,在在4120t/d左右。左右。2 2）煤体注水

45、弱化技术）煤体注水弱化技术实例展示实例展示煤层注水软化前后(全尘)粉尘浓度变化分析图煤层注水软化前后(呼吸性)粉尘浓度变化分析图工作面在煤层注水工作面在煤层注水软化后，移架、采煤机软化后，移架、采煤机割煤、架前打眼和架后割煤、架前打眼和架后放煤工序中全尘浓度降放煤工序中全尘浓度降低到原来低到原来81%、72%、80%和和64%，呼吸性粉，呼吸性粉尘浓度降低到注水前的尘浓度降低到注水前的80%、66%、63%和和87%。粉尘浓度降低最粉尘浓度降低最明显的为架后放煤工序，明显的为架后放煤工序，在注水软化前，全尘浓在注水软化前，全尘浓度为度为15.6 mg/m3左右，左右，注水软化后，浓度在注水软化

46、后，浓度在10 mg/m3左右。左右。2 2）煤体注水弱化技术）煤体注水弱化技术实例展示实例展示水压致裂技术创新点水压致裂技术创新点 煤体水压致裂软化技术是煤体水压致裂软化技术是定向压裂为主定向压裂为主的煤层软化技术。的煤层软化技术。考虑煤体亲水性和软化性的差异，煤层孔隙结构特殊性，考虑煤体亲水性和软化性的差异，煤层孔隙结构特殊性，利用利用压裂软化剂，改善煤层亲水性和注水难易程度压裂软化剂，改善煤层亲水性和注水难易程度，控制，控制煤层压裂软化性变化的规律，实现煤层压裂软化性变化的规律，实现“高压压裂，低压软化高压压裂，低压软化”的效果。这是本技术与经典水压致裂理论、传统煤层注水的效果。这是本技

47、术与经典水压致裂理论、传统煤层注水防尘工艺的重要区别。防尘工艺的重要区别。煤层水压致裂技术，在煤层水压致裂技术，在软化顶煤软化顶煤，提高采出率提高采出率，增加工作，增加工作面连续生产的保障能力同时，对面连续生产的保障能力同时，对预防顶板的冲击灾害预防顶板的冲击灾害，控控制工作面煤尘制工作面煤尘，预防采空区瓦预防采空区瓦斯和斯和煤层自燃发火灾害煤层自燃发火灾害等方等方面具有重要保障作用，体现了本技术的重要特色。面具有重要保障作用，体现了本技术的重要特色。超前松动爆破相较于水压致裂软化的弊利超前松动爆破相较于水压致裂软化的弊利 深孔爆破能够起到松动原始煤体，达到提高渗透率的作用，深孔爆破能够起到松

48、动原始煤体，达到提高渗透率的作用，但在高瓦斯煤层中采用时常常会但在高瓦斯煤层中采用时常常会诱发突出诱发突出灾害的发生灾害的发生，爆爆破产生破产生高温、高压高温、高压，同时爆破后的裂隙面还会闭合，因此，同时爆破后的裂隙面还会闭合，因此与水压致裂比较，若不采取一定的措施，爆破达不到应有与水压致裂比较，若不采取一定的措施，爆破达不到应有的提高渗透率效果，易于的提高渗透率效果，易于诱发巷道变形诱发巷道变形和和工作面气体异常工作面气体异常。国内外在这种方法的采用上出现了逐步减少的趋势，相比国内外在这种方法的采用上出现了逐步减少的趋势，相比之下，从安全的角度考虑，采用水力化措施更为合理。之下，从安全的角度

49、考虑，采用水力化措施更为合理。水压致裂软化技术具备水压致裂软化技术具备安全、清洁、高效、经济安全、清洁、高效、经济的特点。的特点。3 3）CO2CO2预裂技术预裂技术 二氧化碳预裂技术是一种无火花、威力大、不扬尘、安全二氧化碳预裂技术是一种无火花、威力大、不扬尘、安全高效的冷爆破技术，高效的冷爆破技术，是以是以CO2作为激发源形成水压破碎性作为激发源形成水压破碎性质的冷气体压裂破岩新方法质的冷气体压裂破岩新方法。20 世纪世纪50 年代，英国为了降低高瓦斯矿井采煤工作面的年代，英国为了降低高瓦斯矿井采煤工作面的风险，研发了二氧化碳炮，代替了传统的炸药，由于二氧风险，研发了二氧化碳炮，代替了传统

50、的炸药，由于二氧化碳炮在爆破中不产生明火，使危险性大大降低。目前该化碳炮在爆破中不产生明火，使危险性大大降低。目前该项技术在国外已推广至岩石、混凝土和其他物质的快速安项技术在国外已推广至岩石、混凝土和其他物质的快速安全爆破。全爆破。在国内芦岭煤矿和清水煤矿进行了利用二氧化碳代替炸药在国内芦岭煤矿和清水煤矿进行了利用二氧化碳代替炸药进行回采工作面放顶煤的试验，取得显著效果。神东矿区进行回采工作面放顶煤的试验，取得显著效果。神东矿区大柳塔矿活鸡兔井大柳塔矿活鸡兔井12312综采工作面机尾三角区进行了二综采工作面机尾三角区进行了二氧化碳爆破试验，解决了三角区悬顶的难题。氧化碳爆破试验，解决了三角区悬