水力采煤技术课件.docx
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水力采煤技术课件
水力采煤技术
水力采煤：
是指利用水力来完成矿井生产的采煤、运输、提升等生产环节的全部或部分工作的开采技术。
一、发展历史
自20世纪30年代，在苏联首次试验成功。
50年代中期，中国、波兰、德国、日本、英国、印度、美国和加拿大等国相继进行研究、试验。
而达到一定规模的有苏联、中国、日本、德国和加拿大。
90年代，年产量在8～10.0Mt左右的有中国、俄罗斯。
中国：
1956～1957在开滦、萍乡试用成功，然后在河北峰峰、安徽淮南、辽宁北票、南票、河南鹤壁、山东肥城、枣庄、吉林通化和黑龙江鹤岗十余个矿区推广使用。
水采是我国开采煤层条件较差地区实现机械化开采的重要技术途径之一。
二、水力采煤的生产系统
1、全部水力化矿井（枣庄八一矿）
1）、全部水力采、运、提的水力化矿井
如图1所示，井下的运输提升过程均采用水力完成。
辅助运输用旱采方式。
2）、分级运提的全部水力化矿井
如图2所示。
主要区别为：
运输、提升采用水旱分级方式。
从采区到地面，粒度小的用水力，大的用旱提、旱运方式。
2、水旱结合的部分水力矿井
1）、水旱两套生产系统的矿井
因井田内煤层赋存条件相差太大，有适于旱采的，有适于水采的，用两套生产系统。
2）、用水力完成部分生产环节的矿井
水旱结合如用水力落煤和运煤，用旱提方式提煤或用机采炮采落煤，用水运、水提的等。
三、水采生产系统
由三部分组成：
即高压供水系统、煤水运提系统、脱水系统。
1、高压供水系统
由供水源、高压供水泵、高压供水管路、水枪组成。
1）、供水源：
要充足适用（固体颗粒杂质少，酸度低、取用方便）。
有开式供水、闭式供水（循环处理供水）两种供水方式，目前闭式供水是绝大部分矿区必须采用的一种方式。
2）、高压供水泵：
系统的核心，有往复泵、离心泵，我国水采井（区）均采用分段式多级离心泵。
常见的高压供水泵及其技术参数见表1。
表1几种高压供水泵及其技术参数
型号
级数
扬程（m）
流量（m3/h）
效率（%）
电机功率（kW）
转数（r/min）
注
200D—65
6～10
369～610
280
68
680～850
1480
不能串联
DQ280—100
DZ280—100
8～12
800～1200
280
70
1000～1600
2950
DQ—前段泵，DZ—后段泵，串联运转时最高出口压力20MPa
150D—170
7～9
1138～1462
162
65
1000～1250
2980
不能串联
GZ270—150
5～9
750～1350
270
70
1000～1600
2980
可串联运转，最大允许高出口压力20MPa
DZW300—60
3～12
180～720
300
70
300～1050
1480
可串联运转，最大允许高出口压力12MPa
D300—65
DZ300—65
3～10
195～650
300
76
300～850
1480
D、DZ前后段泵串联运转时最高出口压力19
D300—80
DZ300—80
6～12
480～960
300
72
680～1250
1480
串联运转时最高出口压力19MPa
供水压为12～20Mpa，当煤较硬时，需高压，可多
泵串联，一泵一枪，泵设在地面或井下，一泵安装多枪，可轮流使用。
而掘进面一般用炮掘、水运，低压（0.6～2Mpa），需要单独设供水系统。
可分为以下几种：
（1）、污水泵供水（利用煤水仓之水）
（2）、排水泵供水（井下向地面排水）
（3）、地面静压清水
3）、高压供水管路
分为主干管、支干管、支管几种管路。
主干管为主要管路，铺设在井筒、井底车场、运输大巷和石门中，使用期限长，要用较大直径，内径250～300mm，壁厚10～15mm；
支干管铺设在上山、区段运输巷、分段上山中，服务时间较长，管的内径为150～200mm，壁厚7～10mm；
支管设在回采眼、回采巷中，要经常拆移，用小的管路，一般内径125～150mm，壁厚7mm。
4）、水枪
水枪型号
工作水压（MPa）
外形尺寸
（长宽高mm）
重量
（kg）
干管直径
（mm）
操作力矩（N•m）
5～15m间射流传输效率
上下
左右
L—W
16
1526×686×853
113.5
83
80
65
67%～75%
吕—4
16
1620×590×818
115
72
44
100
43%～44
QSSQ-200
20
1520×600×829
145
96
235
137～275
64%～75
上海—14
12
1480×620×815
120
90
147
110
52%～56%
YSS—2
20
1561×676×961
175
96
118
147
54%～57%
见图3，是水采的最主要采掘设备；可分为手动水枪、液控水枪、自移液控水枪。
手动水枪：
结构简单，维护方便，造价低，操作人员可直接监视破煤情况；但劳动强度大，冲采时易发生返煤伤人情况。
液控：
机械化程度高，动力单一，破煤效果好，可离枪操作。
自移液控水枪：
在研究中。
可以远距离操作，安全、高效。
几种水枪的技术参数如表2所示。
表2水枪的技术参数
2、煤水运提系统，可分为明槽自流水力运输系统、管道运输系统两种。
1）、明槽自流水力运输：
溜槽或巷道底板。
有坡度，2～3m/S以上的速度。
采区内部多用此方式。
自溜运输方式。
2）、管道运输：
煤水泵提供动力，是水采矿井广泛采用的运输方式，不受坡道限制，允许线路曲折变化，表3提供了几种煤水泵的技术参数。
表3几种煤水泵的技术参数
煤水泵型号
流量（m3/h）
扬程（m）
允许排煤粒度（mm）
电动机功率（kw）
12M×6×2A
800
300
50
1250
M450—150/200
450
450
150
200
50
50
500
650
M750—250/300
750
750
250
300
50
50
1050
1250
DM300—60×3—13
300
180～780
240～600
3
240～1050
320～800
DM360—75×3—12
360
225～900
240～600
3
360～1600
320～800
DMB—200/8或10
300
630、790
3
1000、1250
管道运输最大的问题是泵、管的磨损问题。
3、脱水系统
将煤、水分离的系统。
可以与选煤厂相结合，直接进行煤的洗选。
若无洗煤厂，则需要设地面专用脱水车间，或设简易脱水系统；
四、与旱采矿井相比水采矿井的开拓特点
1、井田划分上：
要大一些，使储量多一些，其原因是：
生产能力高，增产潜力大，采出率相对偏低；
2、水平划分：
加大垂高（因掘进率高，还应考虑煤水泵扬程、排量因素，适当）
3、大巷布置：
运输方式上的坡度。
若用溜槽自溜运输，则需要5～7%的以上坡度。
4、井巷断面：
比旱采要小，这要看与通风的关系，风量的大小，没有设备运输的要求。
水力落煤与水力采煤方法
五、射流的破煤作用与破煤能力
1、水枪射流：
分为低、中、高压和超高压射流。
当前基本用3～8Mpa（中），8～20Mpa（高）两种。
2、射流破煤：
分二步
1）、掏槽：
在煤体中切割出具有一定面积和深度的裂隙或空间；
2）、落煤：
破落洞隙周围的煤体；
3、破煤能力：
射流在单位时间内的破煤量称破煤能力；
4、影响破煤能力的因素：
1）、煤的力学特性：
煤体的强度、裂隙性、抗压、抗剪、抗拉、扭。
2）、射流的力学性能：
射流的工作压力、射程、流量。
他们成正比，即射流的工作压力大，则射程和流量也大；但射流的工作压力太大，经济上就不合理，应有一个合适的匹配。
3）、射程：
在射流的工作压力为一定值时，射程越大，破煤的能力就越小，存在一个有效射程，一般为15～20m；
4）、流量：
一般情况下，流量越大，能力越大，即射流的工作压力大，但太大，就不合理，当射流的工作压力为一定值时，可能会出现水量供应不足现象。
六、水力采煤方法
1、常用方法：
短壁无支护水力采煤法
1）、倾斜短壁式（漏斗式），见图4所示。
2）、走向短壁式，见图6所示。
2、特点：
1）、水射流实现落煤和运输两个主要生产环节成单一连续式；
2）、回采空间不支护，人员不进入工作面。
3）、短壁式布置，机动性、灵活性强。
3、巷道布置
1）、漏斗式（水枪位置）（图4）
（1）、参数：
1能力：
一套的能力。
2采区斜长：
阶段斜长。
3采区走向长：
不宜过大（过大则三角煤多，因有水力坡度问题）；也不宜过小（太小，则服务年限短，造成采区接替紧张），一般，缓倾斜煤层为：
单翼采区为500～800m。
急倾斜：
200～500m；目前，设备好，长度可适当增加，缓倾斜煤层达到1000m以上，即使是急倾斜煤层也达到600m以上；
④区段斜长，一般为120～150m；
（2）、生产系统
1运煤；
2
高压供水；
3运料（单轨吊、简易吊挂），
4通风
（3）、采煤工艺：
水力落煤、拆移水枪、管道及溜槽、支设护枪、支架重新安装水枪。
落煤时，采用的方式有两种：
开式和闭式。
如图5所示。
2）、走向短壁式
如图6所示
（1）、参数：
能力：
。
采区斜长：
阶段斜长。
采区走向长：
不宜过大（过大则三角煤多，因有水力坡度问题）；也不宜过小（太小，则服务年限短，造成采区接替紧张），一般，缓倾斜煤层为：
单翼采区为500～800m。
急倾斜：
200～500m；目前，设备好，长度可适当增加，缓倾斜煤层达到1000m以上，即使是急倾斜煤层也达到600m以上；
区段斜长，一般为120～150m；
（2）、生产系统
①运煤；
②高压供水；
③运料（单轨吊、简易吊挂），
④通风
（3）、采煤工艺：
水力落煤、拆移水枪、管道及溜槽、支设护枪、支架重新安装水枪。
落煤时，采用的方式有两种：
开式和闭式。
如图7所示。
3）、两者比较
（1）、漏斗式：
两侧冲采，掘进率低，拆移量小，效率高；当倾角大时，矸石易窜入工作面；用于倾角较小的煤层条件，一般用于煤层倾角为7～15°的条件；
（2）、走向短壁式：
不受倾角影响，对地质条件适应性较强；但冲采范围小，掘进率高，当
>12°～15°均可；
七、与旱采比较对水力采煤的评价
1、优点
1）、生产能力较高，增产潜力大，一套水采，年生产能力可达60～80万t，条件好的，100万t；如表4。
2）、工艺简单，效率高，工作面无人；
3）、设备简单，材料消耗少，成本低；
4）、安全条件好；
表4一套水采生产系统在不同煤层条件下的生产能力
煤层条件
生产能力（万吨/年）
备注
缓倾斜中厚煤层，顶板较好
缓倾斜厚及特厚煤层，顶板较好
急倾斜中厚煤层
倾斜、急倾斜厚及特厚煤层
地质条件复杂煤层
水力复采、残采
30～45
70～80
21～30
30～45
15～30
15～21
顶板条件较差时12～30万吨/年，各方面条件均好时，可以达到100万吨/年
5）、对地质条件适应性强；如
（1）断层切割较多，长壁面拉不开推不远，顶板稳定或中等稳定的倾斜、缓倾斜厚及特厚煤层。
（2）顶板稳定或中等稳定，倾角在30°以上的倾斜、急倾斜煤层。
（3）顶板稳定或中等稳定，倾角大于7°，产状不规则，煤层厚度变化大或地质破坏较多，稳定性较差的中厚以上的煤层。
这些条件的煤层，一般旱采不会取得好的经济效益的。
而水采却可以采用，并能达到好的生产水平及取得好的经济效益。
4、有待改进的问题及途径
1）、采出率较低：
冲采过程中，垛内顶板提前垮落或窜矸，挡住水枪冲采，使冲采提前结束；解决的办法：
（1）、提高水枪供水压力和流量，加快冲采速度；
（2）、合理确定煤垛参数，冲采顺序（开式、闭式、半闭式）
（3）、提高巷道支护质量，如U型钢，可缩支架；可减少煤垛的破坏；
2）、巷道掘进率高
发展掘进机械化，推广采用快速、高效的破煤水运掘进机，我国已有EMS1—30型，开吕—1型，EMS—75型。
3）、通风系统不够完善
采空区窜风，局部风机通风，风阻大，风量小，不稳定。
改进巷道布置，完善现有方法，高瓦斯煤层先预抽放，建立监测预警系统。
4）、电耗较大
高压水，水力运提。
一般吨煤炭40kw·
，应改进现有水采设备的效率，研制新型高效水采设备加强用电管理等。
八、水力采煤的适用条件
1、煤层倾角：
不小于7°，对于倾斜、急倾斜煤层，与旱采相比，水采更具优势；
2、顶板：
<35°时，顶板比较稳定时效果较好；
3、底板：
遇水不泥化，不底鼓的；
4、厚度：
>1.5m较好；
5、硬度：
中硬以下，裂隙较发育；
6、瓦斯；低瓦斯最好，高瓦斯则需采取适当措施。
九、我国水采发展趋势
1、在不稳定、倾斜、急倾斜煤层中，利用水采开采，优势明显；
2、其发展目标是紧密结合生产需要，提高单产，单进，实现高产、高效、节能、低耗；
3、开发新工艺，研制新设备，使技术进一步发展。
十、新世纪我国水采技术发展趋势及今后攻关重点
1、我国现有水采技术的发展趋势
当前水采技术所体现的一切优点都是与工作面短壁无支护、大射流冲采和水力运输密切相关的。
它具有系统装备简单、机械化程度高、生产连续性强、回采工序单一、体力劳动轻、易于操作和对地质条件适应性强等优点。
因此，在当前及今后相当长的一段时间内，预测我国水采发展趋势主要是：
（1）积极优先发展高产高效型水采。
在条件适合或基本适合无支护大射流水采工艺要求的厚及特厚、储量丰富的煤层中推行水采，肯定能取得好的效益，这类煤层基本条件是：
①煤层厚度在5m以上；②煤层赋存稳定或比较稳定；③顶板中等稳定；④瓦斯含量小；⑤煤质中硬以下；⑥煤层倾角在10°～30°左右。
山东省枣庄矿业集团八一矿、高庄矿，煤层厚度4～6m，2000年单枪能力达到90万t/a以上。
国外水采的发展经验也证明了这一点。
（2）发展经济型或区域化水采，在难以推行旱采机械化、或旱采机械化效益差的倾斜、急倾斜和不稳定煤层采用经济型或区域化水采工艺，能够取得优于旱采的技术经济指标。
2、积极开展技术创新工程
随着生产发展的需要，水采在技术上也将要有一个新的进展和突破。
综合分析国内外水采技术发展的动向和趋势及不同学科间相互交叉、渗透和融合，会出现一系列新的技术创新项目，归纳起来主要有以下几个方面：
（1）不断探索水采工艺的新形式和新工艺，以期构成一个完整的水力机械化体系。
“无支护大射流”水采工艺是现阶段水采领域的主要工艺形式，但绝非唯一的工艺形式。
面对井下各种各样的煤层条件，必须寻求和探索水采工艺的新方法和新途径。
当前的发展趋势是走水旱结合的路子，充分发挥水采和旱采的优点，克服相互之间的缺点，开展研究有支护水采工艺的新方法、新装备。
（2）深入开展研究高瓦斯含量煤层水采工作面通风新方式，创造完整可靠的回风通路。
由于采区作业点多，加之工作面上回风顺槽随采随废，因此回采工作面多靠采空区串风或局扇供风，导致通风不畅，特别是在高瓦斯煤层矿井，很容易造成工作面瓦斯超限，影响正常生产，甚至会造成事故，危及人身安全。
因此，深入研究用新型水力钻机打通风孔，以改善工作面通风条件是十分必要的，技术上也是切实可行，应加强该项目的开发力度。
该项目如获得成功，将彻底改变水采工作面靠老塘（采空区）窜风的通风条件。
（3）改革工艺流程，简化生产系统，以适应中小型矿井的发展需要。
在这方面，应首先积极开展对高压供水、落煤技术及装备的研究，研究的核心是如何把供水流量和装机功率降下来。
目前我国水采矿井装机功率均在2000～2500kW，与其配套的供水管道、供水设备相应增大，这就增加了基建投资和生产成本，目前当务之急是研究开发小流量供水设备。
其次是开展煤水硐室的小型化、多功能化的研究，实现一机多能、一室多用的使用效果，达到简化系统，减少投资的目的，以满足生产能力不大的中小型矿井的需要。
实际上我国和有关国家已先后开展了这方面的工作，并在某些环节上收到了一些成效。
在这方面新西兰做的比较突出。
（4）走与水选结合的路子，不断提高水采煤炭质量。
随着市场竞争的加剧和环境要求的日趋严格，用户对煤炭质量和品种的要求也不断提高，因此提高水采煤炭质量已迫在眉睫。
过去我们在水采和选煤厂结合方面做过一些工作，也取得了一定的成效。
单从水采和选煤工艺分析，将选煤的一些成熟设备改进后移植井下，在井下将水采煤水处理与选煤技术结合起来具有一定优势和条件，特别是重介分选工艺，如在井下与水采筛分系统结合，无论是投资上、工艺上、管理上，还是运转费用上都比较有利。
这一点需要进一步开展研究工作，在这方面取得的任何一点进展，对加强水采自我发展能力都具有十分重要的意义。
3、加强技术装备研究
根据需要应在以下几个方面开展工作：
（1）研制高效远距离落煤水枪，使其有效射程达25m左右。
目前我国水枪有效射程在15～20m，这样就限制了回采顺槽间距的加大，不仅增加了采后掘进巷道，提高了生产成本，同时也导致采掘接续紧张。
日本正在研究远距离落煤水枪，采面漏斗布置可达30m左右。
（2）研究开发井下煤水固液分离设备，将硐室功能转变为设备功能，达到一机多用，重复使用之目的。
这方面已有方案设想，如果试点落实可进行试验。
（3）研究新型水力钻机，为水采工作面打通风孔提供可靠设备。
（4）研制小流量高压供水泵，以满足中小型矿井的生产需要。
（5）开展有支护水采专用设备的研究，主要是近距离落煤水枪和液压支架。
4、加大水采管理创新工作力度
随着知识经济的发展和信息社会的进步，我们已经进入了一个物质财富生产和精神财富生产的社会。
在这个社会里，无论是生产运营、科学研究、创造发明和娱乐体育活动都离不开科学管理。
因此，在日趋激烈的市场竞争中，水采如何进一步提高管理水平，已经成为一项十分重要的工作。
过去水采简单的生产管理模式，已不适应生产发展的要求，甚至有一些管理方式可能会妨碍生产力的发展，所以在水采生产管理方面，要结合实际，勇于改革大胆创新，不断完善水采管理运行机制，提高水采生产现代化管理水平。
5、加强水采理论研究
主要开展以下几个方面的工作：
（1）水力破煤机理及最佳落煤参数的研究；
（2）固液两相流水力输送参数的研究；
（3）短壁无支护水采工作面矿压显现规律的研究；
（4）水采工作面采掘过程中沼气涌出规律的研究。
6、加强国际交流，参与国际竞争。
我国水力采煤技术自1956年开始，至今已经历了四十五年的生产实践，无论从生产规模上，还是从技术工艺及装备上，在世界上都具有一定的影响，有些科研成果达到了世界先进水平，每年都有一些国外水采专家和企业家前来考察和交流。
但是我们所取得的成绩，只能说明过去，不能说明将来。
因此今后我们要充分发挥我国的水采技术优势，不断完善提高水采技术水平，就必须加强对外交流合作，采用请进来，走出去的方法，有计划、有重点地加强同日本、俄罗斯、新西兰、澳大利亚等国技术交流，取长补短，积极参与国际竞争。
复习思考题
1、什么是水力采煤？
与一般的开采方法有什么不同？
有什么优缺点？
2、水力采煤有哪几种？
今后我国应该如何走发展水力采煤的路子？
3、谈一谈我国发展水力采煤的前景。
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