薄煤層開采技術(shù)與裝備研究

袁 亮

（煤礦瓦斯治理國(guó)家工程研究中心,淮南礦業(yè)集團(tuán)公司,安徽淮南 232001）

薄煤層開采技術(shù)與裝備研究

袁 亮

（煤礦瓦斯治理國(guó)家工程研究中心,淮南礦業(yè)集團(tuán)公司,安徽淮南 232001）

以淮南礦區(qū)“三軟”煤層和復(fù)雜地質(zhì)條件下薄煤層開采設(shè)備為研究對(duì)象,采用理論分析、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的綜合研究方法,在總結(jié)分析國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)上,通過對(duì)綜采設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新與集成,提出了液壓支架、采煤機(jī)新型成套設(shè)備等選型和設(shè)計(jì)原則,并研發(fā)出薄煤層開采的液壓支架、采煤機(jī)新型成套設(shè)備,實(shí)現(xiàn)了薄煤層開采的自動(dòng)化和安全高效。

薄煤層;設(shè)備選型設(shè)計(jì);自動(dòng)化;安全高效開采

淮南礦區(qū)是我國(guó)高瓦斯復(fù)雜地質(zhì)條件的典型代表,為高瓦斯、低透氣性、煤層群開采條件。為有效地治理瓦斯,淮南礦區(qū)打破傳統(tǒng)的自上而下的煤層開采程序,在煤層群中選擇突出危險(xiǎn)性較弱的薄煤層作為保護(hù)層首先開采,并且強(qiáng)制規(guī)定厚度大于0.8m的保護(hù)層必須開采[1-3]。

薄煤層安全高效綜合機(jī)械化開采是當(dāng)今煤炭生產(chǎn)中的世界性難題[5-7]。由于薄煤層賦存條件不穩(wěn)定或極不穩(wěn)定,工作面受開采高度限制、破巖及裝備等因素影響,開采難度大[4-8]。據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)薄煤層煤炭資源儲(chǔ)量約占總儲(chǔ)量的 20%,僅國(guó)有煤礦薄煤層儲(chǔ)量就達(dá) 6.15Gt以上,85%以上的礦區(qū)均賦存有薄煤層[7]。目前,我國(guó)薄煤層開采存在采煤機(jī)械化程度低,工作面單產(chǎn)和效率低,開采成本高,工人勞動(dòng)強(qiáng)度大等情況,薄煤層采出量?jī)H占全國(guó)煤炭產(chǎn)量的 10.4%[4-6]。因此,開展薄煤層開采技術(shù)與裝備研究,對(duì)于提高薄煤層煤炭產(chǎn)出量具有重要意義。

事實(shí)上,實(shí)現(xiàn)薄煤層安全高效開采,根本出路在于機(jī)械化[4-8]。必須研制出適合薄煤層開采的液壓支架、采煤機(jī)、輸送機(jī) “三機(jī)”配套設(shè)備,設(shè)備須滿足大功率、重型化、小體積和高可靠性的要求,實(shí)現(xiàn)工作面的自動(dòng)化操作和控制。本文根據(jù)淮南礦區(qū)“三軟”煤層和復(fù)雜地質(zhì)條件下 0.85～1.6m厚煤層的賦存特點(diǎn),對(duì)此展開了研究。

1 薄煤層液壓支架的選型原則及設(shè)備研制

1.1 薄煤層液壓支架選型原則

（1）適應(yīng)淮南礦區(qū)薄煤層賦存條件,滿足礦區(qū)長(zhǎng)期發(fā)展的戰(zhàn)略要求。

（2）支架設(shè)計(jì)在最新頒布的煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《液壓支架通用技術(shù)條件》MT312-2000基礎(chǔ)上,支架耐久性試驗(yàn)次數(shù)增至 30000次,達(dá)到國(guó)內(nèi)同行業(yè)技術(shù)領(lǐng)先水平。

（3）支架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠,技術(shù)性能先進(jìn)。

通過優(yōu)化設(shè)計(jì),改善力學(xué)特性,合理的梁體截面、筋板配置和焊縫設(shè)計(jì),合理選材,在保證支架高可靠性的前提下,減輕支架重量。

（4）運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)手段,對(duì)支架四連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化、受力分析和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核,滿足支架高可靠性要求。

（5）總結(jié)多年支架設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),充分吸收國(guó)內(nèi)外同類支架的先進(jìn)結(jié)構(gòu),滿足使用要求。

（6）支架組焊件材料選用滿足性能要求的高強(qiáng)鋼板,保證支架的高可靠性和耐久性。

（7）采用先進(jìn)的大流量電液控制快速移架系統(tǒng),提高工作面推進(jìn)速度。

1.2 薄煤層液壓支架研制

根據(jù)國(guó)內(nèi)、外高產(chǎn)高效礦井的成功經(jīng)驗(yàn)和發(fā)展方向,通過架型特點(diǎn)的分析,結(jié)合淮南礦區(qū)薄煤層工作面條件,根據(jù)薄煤層液壓支架選型原則,選用掩護(hù)式 （二柱）液壓支架,研發(fā)出適合 0.85～1.6m薄煤層開采的 ZY5000/8.5/17D型電液控制掩護(hù)式液壓支架,其主要技術(shù)參數(shù)如表 1所示。

表1 ZY5000/8.5/17D型掩護(hù)式液壓支架主要技術(shù)參數(shù)

1.3 過渡支架選型原則

過渡支架 （或稱排頭支架）主要是支護(hù)工作面上、下出口處的頂板,保護(hù)輸送機(jī)機(jī)頭、機(jī)尾電機(jī)、減速器等設(shè)備,提高工作面機(jī)頭、機(jī)尾段推進(jìn)速度以及管理質(zhì)量。其選型不僅要滿足工作面中部液壓支架的選型原則,還應(yīng)滿足以下原則:

（1）支撐高度要能滿足工作面上下巷高度。（2）工作阻力要比工作面中部液壓支架高。

（3）過渡支架的液壓油缸以及操作系統(tǒng)、閥類、附件等應(yīng)與工作面中部液壓支架盡量通用。

（4）過渡支架的結(jié)構(gòu)件與工作面中部液壓支架結(jié)構(gòu)件形式盡量保持一致。

1.4 過渡支架設(shè)備設(shè)計(jì)

按照以上過渡支架選型原則,結(jié)合工作面中部液壓支架參數(shù)及結(jié)構(gòu),針對(duì)試驗(yàn)工作面煤層厚度及配套設(shè)備,研發(fā)出 ZYG5000/11/26D型電液控制掩護(hù)式過渡液壓支架,其主要技術(shù)參數(shù)如表 2所示。

表2 ZYG5000/11/26D型過渡液壓支架主要技術(shù)參數(shù)

本過渡支架在與之配套的 ZYG5000/11/26型掩護(hù)式工作面液壓支架基礎(chǔ)上,保持液壓油缸以及操作系統(tǒng)、閥類、附件等與中部架通用,結(jié)構(gòu)尺寸滿足配套設(shè)備的需要的前提下設(shè)計(jì)、制造的,較好地保證了支架備件的通用性,便于管理。

但是,由于高度等不同,其結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度需相應(yīng)加強(qiáng)。其與中部架主要不同點(diǎn)見表 3。

表3 過渡支架與中部架主要不同點(diǎn)

2 薄煤層采煤機(jī)的選型原則及設(shè)備研制

2.1 采煤機(jī)選型原則

（1）高可靠性。

（2）采用交流電牽引,加大裝機(jī)功率。

（3）采用非機(jī)載變頻調(diào)速系統(tǒng)。

（4）采用多電機(jī)橫向布置驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。

（5）機(jī)面高度低。

（6）具有一定的過煤空間。

（7）加大截深。

（8）機(jī)電設(shè)備和人身安全保護(hù)完善。

（9）功能全、性能好。

2.2 采煤機(jī)設(shè)備研制

結(jié)合國(guó)內(nèi)目前薄煤層綜采設(shè)備研制水平,工作面薄煤層綜采機(jī)組應(yīng)選用滾筒式采煤機(jī)進(jìn)行開采,開發(fā)出大功率、矮機(jī)身、裝煤效果良好的薄煤層電牽引滾筒式采煤機(jī),技術(shù)參數(shù)如表 4。

表4 滾筒式采煤機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

3 薄煤層刮板輸送機(jī)的選型原則及設(shè)備研制

3.1 薄煤層刮板輸送機(jī)選型原則

針對(duì)淮南礦區(qū)薄煤層賦存條件及本項(xiàng)目設(shè)備配套水平,刮板輸送機(jī)的選型按照以下原則:

（1）輸送量應(yīng)與采煤機(jī)最大生產(chǎn)能力相適應(yīng),并有一定備用能力。

（2）以工作面生產(chǎn)能力上限為基礎(chǔ),加大裝機(jī)功率及相關(guān)零、部件強(qiáng)度,提高設(shè)備可靠性,降低維修量。

（3）結(jié)合煤質(zhì)硬度、塊度、運(yùn)量以及可靠性,選擇鏈條結(jié)構(gòu)形式。

（4）優(yōu)先選用雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

（5）電機(jī)功率大小及臺(tái)數(shù)應(yīng)根據(jù)采面傾角、輸送機(jī)鋪設(shè)長(zhǎng)度及輸送量大小而定。

（6）輸送機(jī)鋪設(shè)長(zhǎng)度可根據(jù)刮板輸送機(jī)技術(shù)特征,輸送量、鏈速和采面傾角等因素確定。

（7）溜槽的結(jié)構(gòu)選擇整體鑄焊槽幫、封底式溜槽,盡量提高溜槽中板的耐久性能。

3.2 薄煤層刮板輸送機(jī)設(shè)備研制

根據(jù)刮板輸送機(jī)的選型原則,研制出適應(yīng)薄煤層的國(guó)內(nèi)較大裝機(jī)功率的 SGZ800/2×400刮板輸送機(jī),其主要技術(shù)參數(shù)如表 5。

表5 SGZ800/2×400刮板輸送機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

4 工作面設(shè)備總體配套

工作面設(shè)備總體配套的主要目標(biāo)是按照已定選型配套原則,達(dá)到各設(shè)備生產(chǎn)能力、結(jié)構(gòu)尺寸等方面的協(xié)調(diào)和優(yōu)化配置。

設(shè)備生產(chǎn)能力的配套包括:工作面產(chǎn)量與設(shè)備能力間的一致、推進(jìn)速度與設(shè)備性能間的協(xié)調(diào)。按照淮南礦業(yè)集團(tuán)的生產(chǎn)組織及管理、技術(shù)水平,年生產(chǎn)月按 10個(gè)月,年工作日 300d計(jì);“三八”制作業(yè)方式,平均每班生產(chǎn)時(shí)間 6.5h,每班進(jìn) 7刀,采煤機(jī)截深 0.8m計(jì),各設(shè)備生產(chǎn)能力如表 6。

表6 設(shè)備的生產(chǎn)能力

設(shè)備結(jié)構(gòu)、尺寸的配套主要目的是在已選型設(shè)備基礎(chǔ)上,保證各配套設(shè)備嚙合、搭接形式、尺寸合理性和各設(shè)備的優(yōu)化配置,使各設(shè)備發(fā)揮出各自的能力和性能,提高成套設(shè)備可靠性、穩(wěn)定性、協(xié)調(diào)性。工作面 “三機(jī)”的配套包括液壓支架、采煤機(jī)、輸送機(jī)工作面中部、機(jī)頭機(jī)尾段的配套。

5 其他配套設(shè)備

SZZ800/250型轉(zhuǎn)載機(jī),主要技術(shù)參數(shù)見表 7。

表7 SZZ800/250型轉(zhuǎn)載機(jī)技術(shù)參數(shù)

PCM200型錘式破碎機(jī),主要技術(shù)參數(shù)見表 8。

表8 PCM200型錘式破碎機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

BRW-400/31.5型乳化液泵技術(shù)參數(shù)見表 9。

表9 BRW-400/31.5型乳化液泵技術(shù)參數(shù)

KBSGZY-1600/10/3.3（2臺(tái)）和 KBSGZY-630/10/1.14型移動(dòng)變電站,技術(shù)參數(shù)見表 10。

表10 移動(dòng)變電站技術(shù)參數(shù)

DSJ1000/120/2×200型膠帶機(jī)技術(shù)參數(shù)見表 11。

表11 DSJ1000/120/2×200型膠帶機(jī)技術(shù)參數(shù)

6 采煤工藝

（1）采煤方法 走向長(zhǎng)壁后退式布置,一次采全高全部垮落法處理頂板,工作面自西向東,見頂見底開采。在煤層變薄區(qū)煤層達(dá)不到 1.2m時(shí),采煤機(jī)截割頂或底板通過。

（2）工作面頂、底板處理措施 割煤后,及時(shí)移架,防止頂板破碎冒落,以保證工作面頂板平整;確保支架初撐力,防止頂煤或直接頂過早離層破壞;加快工作面推進(jìn)速度,提高循環(huán)速度,減少頂板暴露時(shí)間,使頂板易于控制;帶壓移架,防止頂煤或頂板由于卸載松動(dòng)而造成破碎冒頂。

（3）煤壁控制措施 充分發(fā)揮支架的支撐能力,切實(shí)保證支架有效初撐力,減小煤壁中的支承壓力;針對(duì)煤壁及端面頂煤的重力與煤壁自由面的角度關(guān)系,合理布置工作面,減小煤體主動(dòng)下滑力;合理掌握進(jìn)尺。根據(jù)上、下巷的標(biāo)點(diǎn),控制工作面機(jī)頭超前量,實(shí)行班班驗(yàn)收制。采用合理的割煤、移架和推溜工藝控制支架下滑和傾斜,由機(jī)頭開始移架推溜控制下滑;由機(jī)尾開始移架推溜控制輸送機(jī)上竄;加快工作面推進(jìn)速度,防止煤體因水泡的時(shí)間過長(zhǎng)而出現(xiàn)松軟現(xiàn)象。

（4）提高采出率措施 減少初、末采煤炭損失。工作面開切眼沿煤層底板掘進(jìn)是減少工作面初采損失的重要途徑;工作面末采時(shí),取消爬坡收尾方法;采用工作面巷道沿空掘巷技術(shù)。根據(jù)礦壓理論,沿采空區(qū)掘進(jìn)巷道時(shí),巷道位于應(yīng)力降低區(qū),有利于巷道維修。采用沿空留巷可利于減少護(hù)巷煤柱損失,提高煤炭資源采出率[4];提高工作面設(shè)備裝運(yùn)煤效果。采煤機(jī)和輸送機(jī)的裝煤距及過煤高度要適應(yīng),滾筒裝煤葉片的結(jié)構(gòu)及布置要合理。

7 應(yīng)用情況

研發(fā)的薄煤層開采裝備,經(jīng)謝一、新莊孜、潘二礦等 5個(gè)工作面試驗(yàn),結(jié)果顯示,“三機(jī)”配套基本合理,支架控頂距、梁端距控制較好。采用100%國(guó)產(chǎn)化裝備,基本達(dá)到了采高 1.4m;適應(yīng)煤層最大傾角 30°;滿足年產(chǎn) 1.0Mt的要求。

薄煤層裝備的具體使用效果如下:

（1）謝一礦 5121B10工作面 該工作面自2008年 4月 18日正式開始回采,采高 1.6m,截止2009年 7月 24日,共進(jìn)尺 790m,剩余可采長(zhǎng)度270m,采煤 443800t,開采保護(hù)層面積 134300m2,單月最高產(chǎn)量為 2008年 7月份 85459t,單日最高產(chǎn)量 7月 18日 3725t（9刀）,平均月產(chǎn)量 56kt。

（2）潘二礦 12125工作面 該工作面 2008年6月投產(chǎn),截止到 2009年 6月底,工作面已進(jìn)尺500m,生產(chǎn)原煤約 326kt,開采保護(hù)層面積約77500m2。最高月產(chǎn)量 48kt,平均月產(chǎn)量 27kt。

（3）新莊孜礦 62114工作面 該工作面 2009年 3月投產(chǎn),截止到 2009年 6月底,工作面已進(jìn)尺 225m,生產(chǎn)原煤約 129kt,開采保護(hù)層面積約36000m2。最高月產(chǎn)量 48kt,平均月產(chǎn)量 32kt。

（4）謝一礦 5121C15工作面 自 2008年 11月 1日正式開始回采,采高 1.6m,截止 2009年 7月 24日,共進(jìn)尺 480m,剩余可采長(zhǎng)度 1200m,共采煤 426500t,開采保護(hù)層面積 115200m2,單月最高產(chǎn)量為 2009年 1月份 60168t,最高日產(chǎn) 2009年7月 1日 3847t,平均月產(chǎn)量 47kt。

（5）潘二礦 11125工作面 受首采面 12125工作面推進(jìn)緩慢影響,2009年 7月份投產(chǎn),2010年 8月收作,合計(jì)產(chǎn)量 474kt,平均月產(chǎn) 34kt。

8 結(jié)論

結(jié)合淮南礦區(qū)薄煤層工作面煤層開采技術(shù)條件,對(duì)在“三軟”煤層和復(fù)雜地質(zhì)條件下進(jìn)行薄煤層開采的設(shè)備總體要求和功能特點(diǎn)、工作面采煤機(jī)、輸送機(jī)和液壓支架的綜合配套參數(shù)和選型等問題進(jìn)行了研究分析,研制開發(fā)出了大功率、矮機(jī)身、高可靠性薄煤層滾筒式采煤機(jī);大工作阻力、高可靠性薄煤層電液控制液壓支架;大斷面、高可靠性工作面輸送設(shè)備。在此基礎(chǔ)上滿足合理和必要的行人和工作空間,研究開發(fā)出適應(yīng)淮南礦區(qū)具有代表性的薄煤層賦存特點(diǎn)的薄煤層綜采機(jī)組。該技術(shù)和裝備分別在謝一礦、新莊孜礦、潘二礦等 5個(gè)工作面進(jìn)行了試驗(yàn)和推廣應(yīng)用,最高日產(chǎn) 3847t,最高月產(chǎn) 85kt,年產(chǎn)量約 800kt,最高年開采保護(hù)層面積 130000m2?；具_(dá)到了采高 1.4m、適應(yīng)煤層最大傾角 30°、年產(chǎn) 1.0Mt的攻關(guān)要求。

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Thin Coal-seam Mining Technology and Equipment Research

YUAN Liang
（State Engineering Research Center ofMethane Treatment,Huainan Mining Group Corporation,Huainan 232001,China）

Aiming at thin coal-seam miningwith soft roof,soft coal-seam,soft floor and complex geological condition,applying theoretical analysis,computer aid design,on-the-spot survey to innovating and integrating key full-mechanized mining technology,on the basis of analyzing domestic and foreign technologies,new equipments lectotype and design principles of powered support and coal cutter was put forward and new powered support and coal cutter for thin coal-seam was developed to realize automatic,safe and high-efficiency thin coal-seam mining.

thin coal-seam;equipment lectotype;automation;safe and high-efficiencymining

TD823.25 1;TD823.97

A

1006-6225（2011）03-0015-04

2011-04-18

國(guó)家“十一五”科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目:礦井深部開采安全保障技術(shù)及裝備開發(fā) （2007BAK28B00）

袁 亮 （1960-）,男,安徽金寨人,中國(guó)工程院院士,煤礦瓦斯治理、煤炭安全高效開采專家?，F(xiàn)任煤礦瓦斯治理國(guó)家工程研究中心主任,淮南礦業(yè) （集團(tuán)）有限公司董事、副總經(jīng)理,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院院長(zhǎng),中國(guó)煤炭學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng),中國(guó)巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)。

[責(zé)任編輯:鄒正立 ]