本發(fā)明提出一種薄煤層綜合開采與瓦斯治理網(wǎng)絡(luò)一體協(xié)同控制系統(tǒng)及方法，尤其適用于深井煤層群首采薄煤層的綜合高效安全開采。

背景技術(shù)：

開采保護(hù)層能顯著降低鄰近被保護(hù)層的突出危險(xiǎn)性，是煤層群開采的首選措施，一般情況下，薄煤層突出危險(xiǎn)性小，因此許多薄或極薄煤層雖然開采條件差，但在深部礦井開采時(shí)，卻往往被選擇優(yōu)先開采，從而以較低危險(xiǎn)性實(shí)現(xiàn)采場采動卸壓，使得在薄煤層采動影響范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)鄰近上、下覆煤巖層的預(yù)先卸壓，降低鄰近卸壓煤層的突出危險(xiǎn)性，保證深部高突煤層的安全開采。

由于薄煤層煤層較薄，且受賦存條件影響，厚度變化較大，局部區(qū)域甚至出現(xiàn)尖滅，開采過程需要切割大量巖石，工作面往往需要煤巖同采，這就要求采煤機(jī)必須能夠?qū)崿F(xiàn)煤巖同采，由于頂板質(zhì)地堅(jiān)硬，因此需要采煤機(jī)的破巖能力和裝運(yùn)巖石的能力強(qiáng)、配套功率大、耐磨性和穩(wěn)定性好；煤層厚度較小使得裝機(jī)尺寸必須小，方便靈活；薄煤層開采工作面推進(jìn)速度較慢，開采效率低下，亟需對深部復(fù)雜薄煤層開采技術(shù)和裝備進(jìn)行研究，對采煤機(jī)、運(yùn)輸機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)以及液壓支架重新進(jìn)行選型選擇，開發(fā)出適合深部復(fù)雜薄煤層開采的成套技術(shù)和裝備，從而實(shí)現(xiàn)深井復(fù)雜薄煤層的綜合機(jī)械化安全高效開采；同時(shí)開采出的大量巖石，嚴(yán)重影響礦井產(chǎn)煤的煤質(zhì)，且大量矸石的提升增加了礦井的運(yùn)輸和提升負(fù)擔(dān)，增加了提升運(yùn)輸成本，不利于礦井的高效經(jīng)濟(jì)開采；而深部煤層群首采薄煤層開采后，保護(hù)層采動瓦斯和下覆被保護(hù)層卸壓瓦斯會大量涌入回采空間，巷道風(fēng)排能力不足，傳統(tǒng)通風(fēng)方式適應(yīng)性降低，瓦斯問題嚴(yán)重威脅工作面的生產(chǎn)安全，亟需針對性的措施強(qiáng)化瓦斯治理。因此如何實(shí)現(xiàn)薄煤層綜合機(jī)械化高效、綠色和安全開采成為深井煤層群開采的重要難題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明的目的是克服已有技術(shù)中存在的不足之處，提供一種安全高效、經(jīng)濟(jì)綠色的薄保護(hù)層開采系統(tǒng)及方法。

技術(shù)方案：

一種薄煤層綜合開采與瓦斯治理網(wǎng)絡(luò)一體協(xié)同控制系統(tǒng)，包括采煤裝置、井下矸石洗選處理倉、充填泵以及通風(fēng)系統(tǒng)；

所述采煤裝置在工作面上采煤形成采空區(qū)，并將采集的落煤運(yùn)輸至所述井下矸石洗選處理倉；

所述井下矸石洗選處理倉用于對落煤進(jìn)行破碎、洗選和分離形成中煤和矸石；并將所述中煤隨礦井運(yùn)輸系統(tǒng)經(jīng)主井運(yùn)送至煤倉；將所述矸石進(jìn)行粉碎形成充填原料運(yùn)輸至充填泵；

所述充填泵用于對所述充填原料以及地面生產(chǎn)的干混充填材料按一定配比混合形成充填材料并加水?dāng)嚢杈鶆?，并輸送至采空區(qū)一側(cè)的充填模進(jìn)行充填形成充填墻體；所述充填墻體與待采煤層煤壁之間構(gòu)筑形成采空側(cè)回風(fēng)巷；在所述工作面兩側(cè)設(shè)有主要進(jìn)風(fēng)巷和輔助進(jìn)風(fēng)巷；與所述采空側(cè)回風(fēng)巷連接有回風(fēng)巷，所述回風(fēng)巷與回風(fēng)井連通，所述回風(fēng)井通向地面；所述主要進(jìn)風(fēng)巷、輔助進(jìn)風(fēng)巷、采空側(cè)回風(fēng)巷、回風(fēng)巷與回風(fēng)井構(gòu)成所述通風(fēng)系統(tǒng)。

所述采煤機(jī)采用MG500/1120-WD型綜采雙滾筒電牽引采煤機(jī)。

所述地面生產(chǎn)的干混充填材料為礦自備電廠三級以上散裝粉煤灰、水泥和外加劑。

所述充填泵的初次布置位置為與所述工作面距離300米的范圍內(nèi)。

所述充填泵的安裝巷道高度不小于2.65m。

一種薄煤層綜合開采與瓦斯治理網(wǎng)絡(luò)一體協(xié)同控制方法，包括步驟：

(1)分析薄煤層開采中可能遇到的賦存不穩(wěn)定、煤層厚度變化大、局部存在尖滅情況，對采煤機(jī)進(jìn)行設(shè)備選型；選用液壓支架沿工作面傾斜方向成直線排列對工作面進(jìn)行支護(hù)；

(2)所述采煤機(jī)端頭斜切進(jìn)刀雙向割煤，根據(jù)煤巖層厚度比值優(yōu)化開采方式進(jìn)行采煤；

(3)所述采煤機(jī)采集的落煤運(yùn)輸至井下矸石洗選處理倉；所述井下矸石洗選處理倉(5)對落煤進(jìn)行破碎、洗選和分離后，形成中煤和矸石；

(4)所述中煤隨礦井運(yùn)輸系統(tǒng)經(jīng)主井運(yùn)送至煤倉，矸石經(jīng)粉碎后形成直徑小于25mm矸石顆粒充填原料運(yùn)輸至至充填泵處；

(5)所述充填泵將所述充填原料以及地面生產(chǎn)的干混充填材料按一定配比混合形成充填材料并加水?dāng)嚢杈鶆?，并輸送至采空區(qū)內(nèi)側(cè)的充填模進(jìn)行充填形成充填墻體，在充填墻體與待采煤層煤壁之間構(gòu)筑形成采空側(cè)回風(fēng)巷；

(6)在采空側(cè)回風(fēng)巷內(nèi)向采空區(qū)內(nèi)施工墻體埋管，向上施工頂板高位導(dǎo)流鉆孔和向下施工底板穿層導(dǎo)流鉆孔，導(dǎo)流抽采采場瓦斯；風(fēng)流從所述主要進(jìn)風(fēng)巷和輔助進(jìn)風(fēng)巷流入，從采空側(cè)回風(fēng)巷流出，然后經(jīng)回風(fēng)巷、回風(fēng)井流向地面，形成一面三巷的優(yōu)勢流動通道。

所述采煤機(jī)根據(jù)煤巖層厚度比值優(yōu)化開采方式進(jìn)行采煤具體為：

巖層厚度占采高的1/3以下時(shí)，采用所述采煤機(jī)破巖；巖層厚度占采高的1/3及以上時(shí)，通過打鉆松動爆破預(yù)裂的方式，先將巖層破碎，再采用采煤機(jī)進(jìn)行切割；松動爆破預(yù)裂時(shí)，巖層厚度為采高的1/3～2/3時(shí)，鉆孔采用單排孔布置方式；巖層厚度大于采高的2/3時(shí)，鉆孔采用雙排間隔布置方式。

有益效果：本發(fā)明提出一種薄煤層綜合開采與瓦斯治理網(wǎng)絡(luò)一體協(xié)同控制系統(tǒng)及方法，將薄保護(hù)層開采、矸石處理、巷旁充填和留巷瓦斯綜合治理技術(shù)相互結(jié)合，網(wǎng)絡(luò)一體，協(xié)同控制。實(shí)現(xiàn)了煤巖同采工作面高效開采，并通過在井下建立煤矸洗選系統(tǒng)將采出煤矸進(jìn)行高效分離，在提高煤質(zhì)、減輕礦井運(yùn)輸負(fù)擔(dān)的同時(shí)為保護(hù)層工作面的巷旁充填提供了原材料，最后巷旁充填在采空側(cè)構(gòu)建形成優(yōu)勢瓦斯通道，為保護(hù)層采場瓦斯的綜合導(dǎo)流治理提供了條件。本發(fā)明將薄保護(hù)層煤巖高效同采、采后煤矸井下高效分離、分離后矸石充填利用構(gòu)筑留巷及留巷內(nèi)展開采場瓦斯綜合治理相結(jié)合聯(lián)系，高效開采為巷旁充填和瓦斯治理提供條件，瓦斯治理又反過來為高效安全開采提供保證，使得薄保護(hù)層的開采變得安全高效、經(jīng)濟(jì)綠色，形成網(wǎng)絡(luò)一體化協(xié)同控制系統(tǒng)和方法，具有良好的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的薄保護(hù)層綜合開采立體示意圖。

圖2是本發(fā)明的薄保護(hù)層工作面開采與巷旁充填示意圖。

圖3是本發(fā)明的采空側(cè)回風(fēng)巷瓦斯導(dǎo)流鉆孔布置立體示意圖。

圖中：1-煤倉，2-主井，3-副井，4-充填管路，5-井下矸石洗選處理倉，6-輔助進(jìn)風(fēng)巷，7-主要進(jìn)風(fēng)巷，8-工作面，9-采空區(qū)，10-充填墻體，11-側(cè)回風(fēng)巷，12-回風(fēng)巷，13-回風(fēng)井，14-皮帶，15-充填管路泵，16-轉(zhuǎn)載機(jī)，17-采煤機(jī)，18-刮板運(yùn)輸機(jī)，19-充填模板，20-液壓支架，21-墻體埋管，22-頂板高位導(dǎo)流鉆孔，23-底板穿層導(dǎo)流鉆孔，24-上覆鄰近層，25-下覆鄰近煤層，26-頂板高位導(dǎo)流鉆孔施工方向，27-頂板高位導(dǎo)流鉆孔內(nèi)瓦斯流動方向，28-底板穿層導(dǎo)流鉆孔施工方向，29-底板穿層導(dǎo)流鉆孔內(nèi)瓦斯流動方向。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。

圖1是本發(fā)明的薄保護(hù)層綜合開采立體示意圖。如圖1所示，本發(fā)明的薄煤層綜合開采與瓦斯治理網(wǎng)絡(luò)一體化協(xié)同控制系統(tǒng)包括煤倉1、主井2、副井3、井下矸石洗選處理倉5、采煤裝置、充填泵15以及通風(fēng)系統(tǒng)。采煤裝置包括采煤機(jī)，采煤機(jī)17在工作面8上工作，采煤形成采空區(qū)9；采煤機(jī)采集的落煤運(yùn)輸至井下矸石洗選處理倉5，井下矸石洗選處理倉5對落煤進(jìn)行破碎、洗選和分離形成中煤和矸石；其中，中煤隨礦井運(yùn)輸系統(tǒng)經(jīng)主井2運(yùn)送至地面煤倉1，矸石在井下矸石洗選處理倉5經(jīng)粉碎后形成直徑小于25mm矸石顆粒充填原料運(yùn)輸至至充填泵15位置處；由地面專門生產(chǎn)線生產(chǎn)出干混充填材料，以袋裝或?qū)Ｓ眉b箱散裝運(yùn)至井下泵站，充填原料與井上經(jīng)副井3輸送的其他原材料混合形成充填材料；其中充填材料除了經(jīng)粉碎形成的矸石顆粒外主要還有礦自備電廠三級以上散裝粉煤灰、水泥和外加劑等；充填材料在充填泵15中加水?dāng)嚢杈鶆蚝蠼?jīng)充填管路4送至充填模19內(nèi)進(jìn)行充填，充填材料在采空區(qū)9一側(cè)的充填模19內(nèi)凝固形成充填墻體10，充填墻體與待采(未開采)煤層煤壁之間構(gòu)筑形成了采空側(cè)回風(fēng)巷11，如圖2所示。在整個(gè)工作面8的兩側(cè)設(shè)有主要進(jìn)風(fēng)巷7和輔助進(jìn)風(fēng)巷6；風(fēng)流從主要進(jìn)風(fēng)巷7和輔助進(jìn)風(fēng)巷6流入，從采空側(cè)回風(fēng)巷11流出，形成一面三巷的優(yōu)勢流動通道；與采空側(cè)回風(fēng)巷11連接有回風(fēng)巷12，回風(fēng)巷12與回風(fēng)井13連通，回風(fēng)井13通向地面；主要進(jìn)風(fēng)巷7、輔助進(jìn)風(fēng)巷6、采空側(cè)回風(fēng)巷11、回風(fēng)巷12與回風(fēng)井13構(gòu)成通風(fēng)系統(tǒng)。

圖2是本發(fā)明的薄保護(hù)層工作面開采與巷旁充填示意圖，其中液壓支架20支撐工作面8上方的頂板，采煤機(jī)17和刮板運(yùn)輸機(jī)18相連，刮板運(yùn)輸機(jī)18和轉(zhuǎn)載機(jī)16相連，轉(zhuǎn)載機(jī)16和皮帶14相連，皮帶14和矸石洗選處理倉5相連。所述采煤機(jī)17采用大功率、高強(qiáng)度、強(qiáng)耐磨、低采高、直接破巖的MG500/1120-WD型綜采雙滾筒電牽引采煤機(jī)；液壓支架20沿工作面8傾斜方向成直線排列，對工作面8進(jìn)行支護(hù)。

圖3是本發(fā)明的采空側(cè)回風(fēng)巷瓦斯導(dǎo)流鉆孔布置立體示意圖，在采空側(cè)回風(fēng)巷11內(nèi)穿過充填墻體10向采空區(qū)內(nèi)水平施工墻體埋管21，向上以一定角度施工頂板高位導(dǎo)流鉆孔22打入上覆鄰近層24的裂隙帶內(nèi)，向下以一定角度施工底板穿層導(dǎo)流鉆孔23穿過下覆鄰近煤層25。

本發(fā)明的一種薄煤層綜合開采與瓦斯治理網(wǎng)絡(luò)一體協(xié)同控制系統(tǒng)及方法，步驟包括：

薄保護(hù)層煤厚為平均煤厚0.5m，采長150m，計(jì)劃采高1.8m，需煤巖同采，煤巖同采工作面8采用綜合機(jī)械化采煤法采煤，巖石切割難度大，煤層開采效率低；采煤過程中產(chǎn)出大量矸石，礦井運(yùn)輸負(fù)擔(dān)加重，處理困難；采動瓦斯和卸壓瓦斯大量涌入回采空間，瓦斯問題嚴(yán)重。

對薄保護(hù)層工作面8開采，在綜合分析薄煤層開采中可能遇到的賦存不穩(wěn)定、煤層厚度變化較大、局部存在尖滅等情況的基礎(chǔ)上，首先對采煤機(jī)進(jìn)行設(shè)備選型，在薄保護(hù)層煤巖同采工作面8內(nèi)采用大功率、高強(qiáng)度、強(qiáng)耐磨、低采高、直接破巖的MG500/1120-WD型綜采雙滾筒電牽引采煤機(jī)，選用液壓支架20沿工作面8傾斜方向成直線排列對工作面8進(jìn)行支護(hù)，采煤機(jī)17端頭斜切進(jìn)刀雙向割煤，根據(jù)煤巖層厚度比值優(yōu)化開采方式進(jìn)行高效采煤。由于煤層較薄且厚度變化較大，因此不同位置巖層厚度對采高的占比不同，巖層厚度占采高的1/3以下時(shí)，采用采煤機(jī)17破巖；巖層厚度占采高的1/3及以上時(shí)，通過打鉆松動爆破預(yù)裂的方式，將較厚及完整的巖層破碎，再采用采煤機(jī)17進(jìn)行切割。松動爆破預(yù)裂時(shí)，巖層厚度為采高的1/3～2/3時(shí)，鉆孔采用單排孔布置方式；巖層厚度大于采高的2/3時(shí)，鉆孔采用雙排間隔布置方式。

割落的煤采用刮板運(yùn)輸機(jī)18運(yùn)輸至機(jī)巷的轉(zhuǎn)載機(jī)16，接著通過皮帶14運(yùn)輸至井下矸石洗選處理倉5；落煤經(jīng)破碎、洗選和分離后，形成中煤和矸石，中煤隨礦井運(yùn)輸系統(tǒng)經(jīng)主井2運(yùn)送至地面煤倉1，矸石經(jīng)粉碎后形成直徑小于25mm矸石顆粒充填原料輸送經(jīng)皮帶14運(yùn)輸至至充填泵15位置處；由地面專門生產(chǎn)線按設(shè)計(jì)配合比生產(chǎn)出干混充填材料，以袋裝或?qū)Ｓ眉b箱散裝運(yùn)至井下泵站，充填原始材料與井上經(jīng)副井3輸送的其他原材料按一定配比混合，其中充填材料除了經(jīng)粉碎形成的矸石顆粒外主要還有礦自備電廠三級以上散裝粉煤灰、水泥和外加劑等，其中，水泥采用散裝普通硅酸鹽水泥，質(zhì)量應(yīng)符合GBl75-1999《硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥》的要求；石子為碎石，質(zhì)量必須符合GB/T14685-2001《建筑用卵石、碎石》的要求，最大粒徑25mm，含水率小于1％，石粉含量小于3％；粉煤灰采用電廠二級以上散裝粉煤灰，質(zhì)量必須符合GB1596-91《用于水泥和混凝土的粉煤灰》的要求，放射性應(yīng)符合GB6566-2001《建筑材料放射性核素限量》的要求。外加劑是向?qū)I(yè)的外加劑生產(chǎn)廠訂購，摻量為水泥質(zhì)量的0.5％～1.2％。經(jīng)試驗(yàn)測試，該充填材料通過膏體充填料泵送特性試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了充填材料的最佳配比及最優(yōu)含水量，保證了膏體充填料的質(zhì)量，材料泵送距離可達(dá)500m，滿足礦井實(shí)際生產(chǎn)中巷旁充填作業(yè)需要。通過強(qiáng)度測試實(shí)驗(yàn)，充填材料凝固成型1天后其抗壓強(qiáng)度測試值為4～7MPa，3天后為12～16MPa，28天后強(qiáng)度值均大于30MPa，具有良好的早強(qiáng)性和抗壓性，滿足強(qiáng)度要求。在充填泵15中加水?dāng)嚢杈鶆蚝蠼?jīng)充填管路4送至充填模19內(nèi)進(jìn)行充填，充填材料在充填模19內(nèi)凝固形成充填墻體10，構(gòu)筑形成了采空側(cè)回風(fēng)巷11；充填泵15的初次布置位置應(yīng)控制與工作面8距離300米的范圍內(nèi)。充填泵15安裝巷道高度不小于2.65m。充填泵15擺放要平整，臨時(shí)料場必須具有防潮措施。

通風(fēng)系統(tǒng)采用Y型通風(fēng)方式，風(fēng)流從主要進(jìn)風(fēng)巷7和輔助進(jìn)風(fēng)巷6流入，從采空側(cè)回風(fēng)巷11流出，形成一面三巷的優(yōu)勢流動通道，巷道和工作面的瓦斯經(jīng)采空側(cè)回風(fēng)巷11高效排出，經(jīng)回風(fēng)巷12、回風(fēng)井13流向地面，形成一面三巷的優(yōu)勢流動通道，改變了瓦斯流場，優(yōu)化了巷道通風(fēng)，同時(shí)解決了上隅角瓦斯超限的問題，形成對薄保護(hù)層工作面8瓦斯高效引排治理；

采空側(cè)回風(fēng)巷11的形成為對采空區(qū)9及上下覆煤巖層24、25瓦斯富集裂隙區(qū)的瓦斯導(dǎo)流治理提供了有利場所，在采空側(cè)回風(fēng)巷11內(nèi)向采空區(qū)內(nèi)施工墻體埋管21、向上以一定角度施工頂板高位導(dǎo)流鉆孔22和向下以一定角度施工底板穿層導(dǎo)流鉆孔23，分別對開采層采空區(qū)9內(nèi)的瓦斯、上覆鄰近層24巖石裂隙內(nèi)瓦斯和下覆鄰近煤層25裂隙內(nèi)瓦斯進(jìn)行導(dǎo)流抽采，在對薄煤層工作面8采場瓦斯的綜合導(dǎo)流治理的同時(shí)實(shí)現(xiàn)對下覆鄰近煤層25瓦斯預(yù)先導(dǎo)流卸壓治理，為深井煤層群的安全有序逐層開采打下了基礎(chǔ)。通過在采空側(cè)構(gòu)筑充填墻體將薄保護(hù)層煤巖同采工作面煤巖開采及矸石處理與薄保護(hù)層煤巖同采工作面的瓦斯治理結(jié)合起來，同時(shí)解決了煤巖同采、矸石處理和首采薄煤層瓦斯治理難的問題，形成對薄保護(hù)層工作面的高效安全一體化綜合開采。

本系統(tǒng)將薄保護(hù)層開采、矸石處理、巷旁充填和留巷瓦斯綜合治理技術(shù)相互結(jié)合，網(wǎng)絡(luò)一體，協(xié)同控制，使得薄保護(hù)層的開采變得安全高效、經(jīng)濟(jì)綠色。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。