基于TBM的煤矿资源流相开发装备及开发方法

技术领域

本发明属于煤矿资源开采与利用领域，特别涉及基于TBM的煤矿资源流相开发装备以及基于TBM的煤矿资源流相开发方法。

背景技术

随着地球浅部煤矿资源的逐渐枯竭，煤矿资源的开发不断地走向地球深部。目前煤矿资源的开采深度已达到了1500米，现有煤矿资源开采都采用的是固相开发的方式，需要大量的人力下井开采，将开采出的煤矿运送至地表，配合地表的选矿厂对所开采出的煤矿进行筛选，配合地表的热力发电厂和气化车间进行发电和生产煤气，这种开发方式主要存在以下不足：

(1)将井下开采出的煤矿运送至地面，需要占用大量的地面空间来存放，在地面修建选矿厂、热力发电厂以及气化车间等设施也需要占用大量的空间，并且，热力发电会产生大量煤渣，而当煤矿品位较低时，选矿会产生大量的尾矿，这些煤渣和尾矿通常也是堆放在地面，等待另行处理，这也会占用大量的空间，以上这些会导致煤矿的开采及后续的转化利用需要大量征地，存在着成本高昂的问题；(2)将井下开采出的煤矿运送至地面，需要消耗大量的能量，并且，随着地面地质情况的不同，某些煤矿的开采点与地面上的选矿厂、热力发电厂、气化车间等的布置相对分散，通常需要依靠轨道在各个工序之间进行物质的转运，这些也会导致能耗过高的问题；(3)地面选矿厂、热力发电厂工作过程中产生的矸石、废渣、粉尘、CO₂等废气较多，会加重地表污染；(4)地面选矿厂、热力发电厂、地面运输轨道等设施的建设与维护都需要高昂的成本；(5)大量的人力下井开采，机械化程度低，劳动强度大，劳动密集程度高，加之井下条件恶劣，安全事故频发，人员伤亡率高；(6)由于需要大量的人力下井开采，而随着开采深度的增加，地下工作环境会变得越来越恶劣，例如，高温等问题，当开采深度增加到一定程度时，地下环境已不适合人力生存和工作，据估算，目前煤矿资源的固相开采方式的极限深度是无法超过6000米的，要实现对深度超过6000米的煤矿资源的开采利用是人类可望不可及的奢望。

基于上述技术现状，若能颠覆现有的煤矿资源开发技术，研发出煤矿资源流相开发装备及开发方法，实现人不下井、煤不升井的煤矿资源开采与利用，对于解决现有煤矿开采方式存在的能耗高、成本高、开采人员安全、环境污染以及无法实现深地开采等问题都将产生积极的意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供基于TBM的煤矿资源流相开发装备及开发方法，以提高煤矿资源开发的安全性、减轻劳动强度及环境污染，降低煤矿资源的开发能耗及成本，实现深地煤矿资源的开采。

本发明提供的基于TBM的煤矿资源流相开发装备，包括含有刀盘、流相开发箱的全断面掘进机，第一输送带、第五输送带、煤气输出管道，以及安装在流相开发箱内的煤矿选洗器、第二输送带、发电机组、第三输送带、第四输送带、充填料加工室、气化装置和无线输电设备；

所述第一输送带的一端与全断面掘进机中刀盘的煤矿输出端相接，另一端与煤矿选洗器的进料口相接；所述第二输送带的一端与煤矿选洗器的普通煤出口相接，另一端与发电机组的燃料室相接；所述第三输送带的一端与煤矿选洗器的精煤出口相接，另一端与气化装置的进料口相接；所述第四输送带的一端与发电机组的煤渣输出口相接，另一端与充填料加工室的进料口相接；所述第五输送带的一端与充填料加工室的出料口相接，另一端与煤矿采空区相接；所述煤气输出管道与气化装置的煤气输出口连接，将精煤气化形成的煤气输送至煤气储存室；所述无线输电设备与发电机组电连接，将发电机组生产的电力输送至地表面，所述全断面掘进机、煤矿选洗器、气化装置、充填料加工室和各输送带的动力部件分别通过传输线与发电机组电连接，从发电机组获取工作电流。

上述装备中，所述煤气储存室可设置在地表面，也可设置在接近地表面的地下。

上述装备中，所述充填料加工室中设有物料储存区和充填料加工区，物料储存区包括水泥、胶固粉和水储存区，分别用于储存水泥、胶固粉和水，各储存区分别通过管件与地表的水泥、胶固粉和水补充点连接，用于向充填料加工室补给水泥、胶固粉和水，为了适应地下开采面的不断向前推进，连接充填料加工室中的各储存区与地表面的水泥、胶固粉和水补充点的管件可在地表进行加长处理；所述充填料加工区中安装有混合设备，用于将煤渣、水泥、胶固粉和水混合形成充填料。

上述装备中，所述TBM(Tunnel Boring Machine的缩写)为全断面掘进机，全断面掘进机的型号根据工程的地质情况、开采深度等实际情况进行选择。

上述装备中，所述全断面掘进机自带信号控制系统，在使用该装备对煤矿资源进行开发时，全断面掘进机自带的信号控制系统与地表面设置的控制室之间进行信号的传送，实现对开发过程的控制和监控。

本发明提供的基于TBM的煤矿资源流相开发方法，使用上述基于TBM的煤矿资源流相开发装备，工作流程如下：

全断面掘进机的刀盘智能化破割待开采煤矿，被割裂的煤矿经第一输送带进入煤矿选洗器，煤矿选洗器将来自第一输送带的煤矿分选为普通煤和精煤，普通煤经第二输送带运至发电机组的燃料室作为发电的能源，精煤通过第三输送带送入气化装置形成煤气，气化装置生产的煤气经煤气输出管道输送至煤气储存室，发电机组生产的电力通过无线输电设备输出地面并与电网连接以供使用，通过传输线为全断面掘进机、煤矿选洗器、气化装置、充填料加工室及各输送带提供工作电流，发电机组产生的煤渣经第四输送带送入充填料加工室，充填料加工室将煤渣与水泥、胶固粉和水混合形成充填料，充填料经第五输送带运至采空区，对采空区进行回填。

上述方法中，在使用所述装备对待开采煤矿进行开采前，需要先从地表挖掘通道至地下的待开采煤矿层，然后沿通道将所述装备的各部件吊装至待开采煤矿层并将所述装备安装好，将煤气输出管道从通道中与煤气储存室连接，将充填料加工室的物料储存区中的水泥、胶固粉和水储存区分别从通道中通过管件与地表的水泥、胶固粉和水补充点连接，定期向水泥、胶固粉和水储存区补给水泥、胶固粉和水。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明提供的基于TBM的煤矿资源流相开发装备是基于流相开发思路设计而成，该装备以全断面掘进机(Tunnel Boring Machine，TBM)为基础，在全断面掘进机的流相开发箱中配备煤矿选洗器、发电机组、无线输电设备、气化装置、充填料加工室以及相应的输送带和输送管道，将全断面掘进机与上述各设备及部件有机结合而成，该装备集煤矿资源的开采、筛选、产生电能和气能的功能于一体，同时还能实现对采空区的回填，使用该装备对煤矿资源进行开发，无需操作人员下井工作即可实现直接从地下向地面输出电能和气能，无需将开采的煤矿运输至地面进行选洗、发电等操作，因而该装备能够有效解决因人力下井、煤矿升井、地面选矿、发电等带来的能耗高、污染重、安全风险高、占用空间多、设施维护成本高等一系列的问题。

2.由于本发明提供的装备在开发煤矿资源时无需操作人员下井操作，因而使用该装备进行煤矿资源开发可不受开采深度及恶劣环境的限制，能实现对深度超过1500米、甚至是6000米的深地煤矿资源的开采，而随着地球浅部煤矿资源的逐渐枯竭，未来煤矿资源的开发会不断地走向地球深部，本发明提供的装备正好能适应未来煤矿资源开发的发展趋势。同时，本发明提供的装备同样适用于地球浅部煤矿资源的开始，适用范围广。此外，由于采用本发明所述装备开发煤矿资源无需操作人员下井操作、机械化程度高，不但能极大地降低劳动强度，还能有效避免安全事故造成的人员伤亡，安全性更高。

3.本发明提供的装备将煤矿选洗器、发电机组、无线输电设备、气化装置、充填料加工室以及相应的输送带和输送管道集中在全断面掘进机的流相开发箱中并配合全断面掘进机进行工作，该装备将原本相对分散的各开采和利用工序集中在全断面掘进机的流相开发箱中在地面以下完成煤矿资源的开采、筛选、产生电能和气能、回填采空区等功能，与现有技术先比，无需占用地面空间来存放煤矿、煤渣和尾矿，也无需占用大量的地面空间修建选矿厂、热力发电厂以及气化车间等设施，本发明所述装备不但能极大地减少征地，而且能减少对地面选矿厂、热力发电厂、地面运输轨道等设施的建设与维护费用，具有节约煤矿资源开发成本的优势。

4.由于本发明提供的装备能实现直接将地下的煤矿资源转化为电能和气能并输出，无需将开采的煤矿运输至地面、以及在地面进行煤矿选洗、发电等操作，因而可节约大量的煤矿以及其他物质转运的能耗，并且煤矿选洗、发电等过程中产生的废渣经过充填料加工室的处理后用于回填采空区，不会向地面排放废渣，而发电和气化过程也在该装备中进行，能有有效减少向地面排放的粉尘与废气，因此还具有能有效减轻地面污染的优势。

5.本发明还提供了一种基于TBM的煤矿资源流相开发方法，该方法使用本发明所述装备，在煤矿开采的同时实现对煤矿的选洗、利用煤矿生产电能和气能以及回填采空区，产生的电能部分用于保证整套装备正常运转，其他部分的电能直接输送至地面电网，产生的其能直接输出至煤气储存室储存，煤矿选洗和发电过程中产生的煤渣经充填料加工室处理后用于回填采空区，煤矿开发过程中无需操作人员下井操作，与现有的煤矿资源开发方法相比，本发明所述方法具有安全、劳动强度低、节能、环保、占用地面空间少和开采成本更低以及能实现深地煤矿资源开采的优势。

附图说明

图1是本发明所述基于TBM的煤矿资源流相开发装备的结构示意图，图中，1—第一输送带、2—被割裂的煤矿、3—煤矿选洗器、4—第二输送带、5—普通煤、6—发电机组、7—第三输送带、8—精煤、9—第四输送带、10—煤渣、11—充填料加工室、12—气化装置、13—无线输电设备、14—第五输送带、15—充填料、16—煤气输出管道、17—采空区、18—刀盘、19—连接件、20—流相开发箱、21—待开采煤矿。

具体实施方式

以下通过实施例并结合附图对本发明所述基于TBM的煤矿资源流相开发装备以及基于TBM的煤矿资源流相开发方法作进一步说明。

实施例1

本实施例中，基于TBM的煤矿资源流相开发装备的结构示意图如图1所示，该装备包括含有刀盘18、流相开发箱20的全断面掘进机，所述刀盘18通过连接件19与流相开发箱20连接，还包括第一输送带1、第五输送带14、煤气输出管道16，以及安装在流相开发箱内的煤矿选洗器3、第二输送带4、发电机组6、第三输送带7、第四输送带9、充填料加工室11、气化装置12和无线输电设备13。所述全断面掘进机为160系列155-274型全断面掘进机，由美国罗宾公司生产，所述煤矿选洗器3为ZKZ-4型直线振筛机，由山东泰安煤矿机械有限公司生产，所述气化装置12为QM1800型煤气发生炉，由郑州市德中重工机械制造有限公司生产，所述发电机组6的型号为N15-4.9，由山东青能动力股份有限公司生产，所述无线输电设备13是由美国WiTricity公司生产的电磁波无线输电系统；所述充填料加工室11中设有物料储存区和充填料加工区，物料储存区包括水泥、胶固粉和水储存区，分别用于储存水泥、胶固粉和水，各储存区分别通过管件与地表的水泥、胶固粉和水补充点连接，用于向充填料加工室补给水泥、胶固粉和水，所述充填料加工区中安装有搅拌混合设备，用于将煤渣、水泥、胶固粉和水搅拌混合形成充填料；所述煤气储存室可位于地表面，也可位于接近地表面的地下。

所述第一输送带1的一端与全断面掘进机中刀盘18的煤矿输出端相接，另一端与煤矿选洗器3的进料口相接；所述第二输送带4的一端与煤矿选洗器3的普通煤出口相接，另一端与发电机组6的燃料室相接；所述第三输送带7的一端与煤矿选洗器3的精煤出口相接，另一端与气化装置12的进料口相接；所述第四输送带9的一端与发电机组6的煤渣输出口相接，另一端与充填料加工室11的进料口相接；所述第五输送带14的一端与充填料加工室11的出料口相接，另一端与煤矿采空区17相接；所述煤气输出管道16与气化装置12的煤气输出口连接，将精煤气化形成的煤气输送至煤气储存室；所述无线输电设备13与发电机组6电连接，将发电机组6生产的电力输送至地表面，所述全断面掘进机、煤矿选洗器、气化装置、充填料加工室和各输送带的动力部件分别通过传输线与发电机组6电连接，从发电机组6获取工作电流。

上述装备中，全断面掘进机自带信号控制系统，在使用该装备对煤矿资源进行开发时，全断面掘进机自带的信号控制系统与地表面设置的控制室之间进行信号的传送，实现对开发过程的控制和监控。

实施例2

本实施例中，提供本发明所述基于TBM的煤矿资源流相开发方法，该方法使用实施例1所述装备，步骤如下：

①从地表挖掘竖井至地下的待开采煤矿层，沿竖井将实施例1所述装备的各个部件吊装至待开采煤矿层并将所述装备安装好，将煤气输出管道16从竖井中与煤气储存室连接，将充填料加工室11的物料储存区中的水泥、胶固粉和水储存区分别从竖井中通过管件与地表的水泥、胶固粉和水补充点连接，定期向水泥、胶固粉和水储存区补给水泥、胶固粉和水；

②全断面掘进机的刀盘18智能化破割待开采煤矿21，被割裂的煤矿2经第一输送带1进入煤矿选洗器3，煤矿选洗器将来自第一输送带的煤矿分选为普通煤5和精煤8，普通煤5经第二输送带4运至发电机组6的燃料室作为发电的能源，精煤通过第三输送带7送入气化装置12形成煤气，气化装置12生产的煤气经煤气输出管道16输送至煤气储存室，发电机组6生产的电力通过无线输电设备13输出地面并与电网连接以供使用，通过传输线为全断面掘进机、煤矿选洗器、气化装置、充填料加工室及各输送带提供工作电流，发电机组6产生的煤渣10经第四输送带9送入充填料加工室11，充填料加工室将煤渣与水泥、胶固粉和水混合形成充填料15，充填料经第五输送带14运至采空区17，对采空区进行回填。在该步骤中，全断面掘进机自带的信号控制系统与地表面设置的控制室之间进行信号的传送，实现对煤矿开发过程的控制和监控。