柱式采煤法是什么?关于柱式采煤法的详细介绍

创闻科学2020-11-17 12:29:51

我国是一个煤炭资源丰富的大国,煤炭是我国重要的基础能源物质,加快煤炭事业的发展是我国科技事业发展进步的最重要的一步。房柱式采煤法是采煤过程中常用的方法,这种采煤方法技术难度低、成本容易控制,故房柱式采煤法成为很多地方采煤方式的首选。如何才能在继续使用房柱式采煤法采煤的同时能提高采煤经济效率和安全性的问题,还有待继续探讨和研究。

定义及分类

柱式体系采煤法是一种以短壁工作面开采为主的采煤方法,其主要包括房式采煤法和房柱式采煤法。其中房式采煤法只采煤房不回收煤柱,房柱式开采既采煤煤房又回收煤柱。

房式采煤法

房式采煤法,又称为巷柱式开采,它的特点是只采煤房不回收煤柱,用房间煤柱支撑上覆岩层。煤房宽度取决于采高、采深、顶底板稳定性及设备。采用连续采煤机开采时的煤房宽度多为5~7m,钻眼爆破开采时的煤房宽度多小于4m。

1)盘区巷道布置及主要技术参数

(1)盘区巷道布置示例

美国某矿采用房式采煤方法的巷道布置如图1所示,主巷5条,盘区准备巷道3条,在盘区巷两侧布置煤房,形成区段。区段内6个煤房同时推进。房宽7m,煤柱尺寸为8m×8m。区段间煤柱宽度为8m,因受地质构造影响,煤房长约220m。

1——进风平巷;2——回风平巷;3——胶带运输平巷;

4——盘区进风平巷;5——盘区回风平巷;6——盘区胶带运输平巷;

7——转载机; 8——地质破坏不可采区域; 9——风桥; 10——风墙。

(2)房式采煤法技术参数

①平巷数目

根据运输、行人、工作面推进速度、顶板管理方式及通风能力综合确定平巷数目,因为掘进和采煤合一,因而多条巷道并列布置对生产及通风更有利。通常主副平巷为5~8条,一般中间数条进风,两侧回风,区段平巷为3~5条。由于通风和安全的要求,还需同时开掘横向联络巷贯通每条平巷。

②煤柱尺寸

煤柱尺寸由上覆岩层厚度、煤层和底板强度确定,常留设8~20m宽的煤柱。

(3)煤房采高、采宽及截深

连续采煤机采高可达4m,当煤层厚度小于4m时应一次采全高;对于厚度过大的煤层,只能开采优质部分,其余弃于采空区。煤房因采用锚杆支护,宽度一般不应超过6m,否则,应采用锚杆和支柱两种支护方式;如果煤层顶板破碎时,宽度通常仅为5m。截深应确保采煤机司机始终处于永久锚杆支护的安全范围内,即最远时司机刚好在最后一排锚杆之下,这样,要求截深一般为5~6m。

2)采煤工艺

房式开采一般采用连续运输工艺系统。

典型的连续采煤机间断运输工艺系统配套设备包括: 1台连续采煤机、1台锚杆机、2台梭车或蓄电池运煤车、1台给料破碎机、1台蓄电池铲车、1套移动变电站、充电设备和足够的蓄电池。

连续采煤机间断运输工艺系统主要用于中厚煤层和厚煤层中,有时也用于厚度较大的薄煤层中,这种系统是将采煤机采落的煤,通过多台输送机转运至胶带输送机上,其工艺系统如图2所示。

1——连续采煤机;

2-5——万向接长机;

6——胶带输送机。

房柱式采煤法

通常把4-5个以上煤房组成一组同时掘进,煤房宽5-6m,煤房中心距为20-30m,每隔一定距离用联络巷贯通,形成方块或矩形煤柱,煤房掘进到预定长度后,即可回收煤柱。煤柱回收方式因工艺方式、煤柱尺寸和围岩条件的不同而异,主要有带翼式、外进式、劈柱式三种。其特点如下:

1)袋翼式

采煤时在煤柱中采出2-3条通道作为回收煤柱时的通道;回收其两翼留下的煤,通道的项板用锚杆支护通道不少于两条,以便采煤机和锚杆机能轮流进入通道进行采煤工作;当穿过煤柱的通道打通时,连续采煤机斜过来对着留下的侧翼煤柱采煤,侧翼采煤时不再支护,边采边退出,然后顶板冒落,如图3。

2)外进式当煤柱宽10-12m左右时,可直接在房内向两侧煤柱进刀。如下图4。

3)劈柱式劈柱式是在煤柱中间形成一条通路,连续采煤机与锚杆机分别在两个煤柱通路中交叉轮流作业,然后再分别回收两侧煤柱。当煤柱尺寸较小时,一般采用劈柱,如图5。

4)“旺格维利”采煤法针对传统的房柱式采煤法随采深增加出现的地压增大、采出率下降等问题,澳大利亚首先在“汪格维里”煤层中发展了“汪格维里”采煤法,在巷道布置、煤体切割及煤柱回收方面有所不同。在盘区准备巷道一侧或两侧布置长条形房柱,如图6所示,因此此采煤法也叫条状煤柱房柱式采煤法。长条形房柱宽约15m,长约65-95m。条形房柱内先采房,房宽6m,到边界后,后退回出9m宽的煤柱。盘区准备巷道长度按地质条件和胶带输送机长度确定。长条房柱间的回采顺序一般用后退式两侧布置时,也可以一侧前进式,另一侧后退式,如图6。

开采特点

在煤层内开掘一系列宽为5~7m左右的煤房,煤房间用联络巷相连,形成近似于长条形的煤柱,煤柱宽度由数采至十多米不等。回采在煤房中进行。煤柱可根据条件留下不采,或在煤房采完后,再将煤柱按要求尽可能采出,前者称为房式采煤法,后者称为房柱式采煤法。由于房式采煤法与房柱式采煤法巷道布置基本相似,因此美国现在将这两种方法统称为房柱式采煤法,前者称为这种采煤方法的“部分回采”方式;后者在煤柱回收相对较彻底时称为“全部回采”方式。

国内外应用概况

1)柱式体系各种短壁采煤法在美国、澳大利亚、加拿大、印度、南非等国已获得广泛应用。美国井工开采中,约84%的煤是由这种类型的采煤法采出的。

2)在美国,经过30多年对机械化采煤不断改进和配套,已形成整套适应房柱式采煤法的以连续采煤机为中心的设备体系。美国目前井工开采中,采用连续采煤机的产量约占64%;采用爆破落煤一装载机的产量约占20%,长壁采煤约占16%。澳大利亚、印度等也均是以短壁为主,长壁产量不到10%。

3)澳大利亚、南非引进美国连续采煤机,在美国房柱式采煤法的基础上,结合其具体条件试验成功了一种采煤方法,这种采煤方法在澳大利亚称为“汪格维利”采煤法,在南非称为“西格玛”采煤法,均获得良好的技术经济效果。

4)全世界使用的连续采煤机有3000多台,90%左右在美国。其中,澳大利亚使用约300台左右,占井工产量的90%以上;南非使用近百台,占井工产量的75%左右;此外,印度、日本也有一些矿区使用。

5)我国传统的柱式体系采煤多用于中小煤矿,20世纪80年代以来我国先后引进了20多套连续采煤机,在西山矿区、鸡西矿区、黄陵矿区、大同矿区、兖州矿区等试验。目前,在神华神东等矿区仍在使用。

柱式开采优缺点及适用条件

优点

柱式开采主要有以下优点:

1)设备投资少

一套短壁采煤设备的价格为长壁综采的1/5~1/6,而其单产一般为长壁的1/2~1/3左右。因此建设一个规模相同的矿井,短壁采煤法的设备投,资较低。

2)采掘合一,建设期短,出煤快

由于采、 掘使用同一类型的机械设备,采掘基本合一,多巷(房)掘进即为采煤,矿井开拓及准备工作量很小,建井期短,出煤快。特别对于用平峒开拓的中、小型矿井,在一年左右或更短的时间内即可很快投入生产。

3)设备运转灵活,搬迁快

由于利用煤柱来维护顶板,采场压力小,支护较简单,这就为设备搬迁创造了有利条件。美国的采煤设备多用履带或胶轮,可自行行走,移动十分方便灵活,提高了搬迁、折、装效率。因此可以在不规则地带、综采不宜连续推进的条件下采用。

4)巷道压力小,便于维护,出矸量少

通常为单一煤层开采,开采速度快,加上压力小,巷道变形小,用锚杆即可支护顶板,一般不使用昂贵的U型钢支护;也不开岩巷,矸石量很小。少量矸石即在井下处理不外运,生产系统简单,地面也无矸石山,有利于环境保护。

5)留设煤柱保护地表农田水利设施及建筑物时,可减少总的生产费用

如在美国采后地面造田,有关建筑物搬迁费用昂贵,如果采用房柱式采煤法部分回采方式,有时可使总的吨煤成本下降。

6)全员效率较高

特别是中、小型矿井,生产效率比一般机采,炮采高,并上下人员少,易于管理。

缺点

柱式开采主要有以下两个缺点:

1)采出率低

房柱式开采, 矿井采出率一般为50~60%左右,损失率高达40%以上。在某些条件下,若采用全部回采方式尽可能回采煤柱,采出率也可达70%以上。澳大利亚一些矿井在采用美国连续采煤机时,在采煤方法上作了改进,据称开采深度在300~ 500m时,采出率可达80~90%。但从国外总的情况采看,采出率仍较低。

2)通风条件差

进、回风巷并列,通风建筑物多,漏风大。掘进及回收煤柱时多头串联通风,有采空区串风现象,通风与长壁相比条件较差。

适用条件

柱式开采适用条件为:

1)开采深度较浅,一般不宜超过300~500m。

2)顶板较稳定的薄及中厚煤层。

3)倾角在10°以下,最好为近水平煤层,煤层赋存稳定,起伏变化小,地质构造简单。

4)底板较平整,不太软,且顶板无淋水。

5)低瓦斯煤层,且不易自然发火。