李子埡煤礦薄煤層綜采成套技術(shù)研究及展望

李子埡煤礦薄煤層綜采成套技術(shù)研究及展望

白虎，王麗，李紅梅

(四川華鎣山廣能集團(tuán) 嘉華機(jī)械有限責(zé)任公司，四川 廣安638600)

[摘要]針對(duì)李子埡煤礦下分層薄煤層工作面狹小的開(kāi)采空間、惡劣的地質(zhì)條件等實(shí)際情況，指出了薄煤層綜合機(jī)械化開(kāi)采的技術(shù)難點(diǎn)，提出了解決方案。介紹了李子埡薄煤層工作面綜采設(shè)備特征、開(kāi)采工藝、應(yīng)用成果及展望。

[關(guān)鍵詞]薄煤層；綜采；設(shè)備特征；開(kāi)采工藝

[中圖分類(lèi)號(hào)]TD823.97[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]B

[收稿日期]2014-05-08

DOI[]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.01.014

[作者簡(jiǎn)介]白虎(1986-)，男，四川廣安人，機(jī)械助理工程師，現(xiàn)在技術(shù)中心從事采煤機(jī)的研究工作。

Technology of Thin Coal-seam Full-mechanized

Mining Equipments and Prospect in Liziya Colliery

[引用格式]白虎，王麗，李紅梅.李子埡煤礦薄煤層綜采成套技術(shù)研究及展望[J].煤礦開(kāi)采，2015，20(1)：45-47.

我國(guó)已探明的煤炭可采儲(chǔ)量中，薄煤層占19%，全國(guó)84.2%的礦區(qū)均有薄煤層分布，薄煤層總量巨大、分布廣泛。面對(duì)煤炭資源日益枯竭的形勢(shì)和不可替代的價(jià)值，薄煤層煤炭資源已越來(lái)越被國(guó)家重視。然而薄煤層狹小的開(kāi)采空間、惡劣的地質(zhì)條件等因素嚴(yán)重制約著薄煤層機(jī)械化發(fā)展。為了解決薄煤層的機(jī)械化開(kāi)采問(wèn)題，廣能集團(tuán)嘉華機(jī)械公司以李子埡煤礦下分層工作面為試驗(yàn)場(chǎng)所，開(kāi)展薄煤層綜合機(jī)械化開(kāi)采技術(shù)和設(shè)備研究，開(kāi)發(fā)出了適應(yīng)于0.8～1.3m煤層的綜采成套技術(shù)。

1薄煤層綜采技術(shù)難點(diǎn)及解決方案

李子埡煤礦下分層11041工作面煤層厚0.51～1.36m，平均0.85m，屬薄煤層。煤層頂?shù)装逯饕獮槟鄮r和砂巖，礦井地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，有落差0.5m以上的斷層分布。該工作面若要實(shí)現(xiàn)綜合機(jī)械化開(kāi)采需要攻克開(kāi)采空間狹小和工作阻力大帶來(lái)的兩大技術(shù)難題。

1.1　全工作面機(jī)械化裝備難

李子埡煤礦下分層11041工作面煤層平均厚度僅0.85m，受礦壓影響，空間進(jìn)一步縮小，遇斷層、煤層厚度變化等地質(zhì)條件時(shí)，無(wú)法像中厚煤層那樣采用調(diào)整采高等方式處理，只能割巖石強(qiáng)行通過(guò)(圖1)，割巖量往往超過(guò)中厚煤層，所以雖然煤層薄、空間狹小，但是機(jī)組功率卻要求大；同時(shí)，要求機(jī)面高度盡量低，以適應(yīng)薄煤層采高;要求過(guò)煤空間大,否則反向割煤時(shí),煤炭不能順利從采煤機(jī)機(jī)身下通過(guò)。狹小的空間內(nèi)，機(jī)組功率大、機(jī)面高度低、過(guò)煤空間大，三者之間的矛盾十分突出。

圖1　薄煤層、中厚煤層工作面遇斷層割巖量對(duì)比

此外，該工作面“三機(jī)”難以形成有機(jī)整體，采煤機(jī)的平衡、導(dǎo)向等問(wèn)題無(wú)法解決，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性差，容易跑偏、飄刀、啃底。

采取的解決方案：

(1)采煤機(jī)采用截割部設(shè)置在煤壁側(cè)和牽引部外置在輸送機(jī)機(jī)頭、機(jī)尾等新型結(jié)構(gòu)來(lái)增大機(jī)組功率，降低機(jī)面高度，增大過(guò)煤空間。

(2)支架頂梁前段改為板式結(jié)構(gòu)，增大采煤機(jī)割頂量和過(guò)機(jī)高度。

(3)刮板輸送機(jī)通過(guò)增加寬度來(lái)降低高度，增大過(guò)煤空間；利用機(jī)、風(fēng)巷的空間布置輸送機(jī)機(jī)頭、機(jī)尾，保證采煤機(jī)能割穿機(jī)、風(fēng)巷三角煤。

(4)在采煤機(jī)靠采空側(cè)設(shè)置采煤機(jī)平衡裝置、導(dǎo)向裝置來(lái)保證機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定。

(5)研制出能回收機(jī)、風(fēng)巷浮煤的設(shè)備，并實(shí)現(xiàn)與綜采“三機(jī)”聯(lián)合作業(yè)。

1.2　發(fā)揮機(jī)械化裝備作用難

由于煤層厚度過(guò)薄，即使實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化，采用傳統(tǒng)的工藝技術(shù)，破煤、裝煤、運(yùn)煤、頂板支護(hù)等生產(chǎn)工序均難以發(fā)揮機(jī)械化裝備的作用，不能達(dá)到安全和高效的目的。

采取的解決方案：

(1)突破傳統(tǒng)薄煤層爬底板等單向割煤開(kāi)采方式，采用雙向割煤技術(shù)，提高效率，并實(shí)現(xiàn)對(duì)頂板的及時(shí)支護(hù)。

(2)研究出適合薄煤層的強(qiáng)制裝煤方法，提高裝煤效率。

(3)研究出克服輸送機(jī)機(jī)頭、機(jī)尾架高度影響，實(shí)現(xiàn)工作面上下出口段機(jī)械化開(kāi)采的方法和技術(shù)，提高效率并避免“人機(jī)混采”發(fā)生安全事故。

2薄煤層綜采設(shè)備特征和開(kāi)采工藝

為了解決薄煤層綜合機(jī)械化開(kāi)采難題，嘉華機(jī)械公司經(jīng)過(guò)多年的攻關(guān)研究，創(chuàng)新設(shè)計(jì)懸臂式“三機(jī)”配套方式，解決了薄煤層綜采空間狹小與大功率設(shè)備體積大的矛盾，并使“三機(jī)”形成有機(jī)整體，利用機(jī)、風(fēng)巷空間合理布置，實(shí)現(xiàn)工作面機(jī)械化開(kāi)采；采用雙向割煤技術(shù)，強(qiáng)制裝煤工藝，實(shí)現(xiàn)安全高效采煤。

2.1　薄煤層綜采設(shè)備特征及配套技術(shù)

(1)采煤機(jī)機(jī)組功率大，能適應(yīng)0.8m以上薄煤層開(kāi)采，采用將牽引部外置在輸送機(jī)機(jī)頭、機(jī)尾和懸臂式布置機(jī)身等新型結(jié)構(gòu)，使機(jī)面高度僅570mm，過(guò)煤高度達(dá)300mm，切割能力強(qiáng)、牽引力大，能夠滿足雙向割煤及截割煤層頂?shù)装搴瓦^(guò)斷層的需要。采煤機(jī)外牽引裝置，解決了采煤機(jī)牽引力不足以及牽引機(jī)構(gòu)損壞后維修、更換困難的技術(shù)難題。采煤機(jī)采用雙調(diào)高系統(tǒng)，可靠程度高，當(dāng)一套發(fā)生故障時(shí)便啟用第二套。

(2)工作面輸送機(jī)通過(guò)降低中部槽高度來(lái)降低采煤機(jī)機(jī)面高度、過(guò)煤空間，同時(shí)配套大功率雙速驅(qū)動(dòng)電機(jī)，解決輸送機(jī)運(yùn)輸能力不足的問(wèn)題。根據(jù)薄煤層的工作面與機(jī)、風(fēng)巷會(huì)形成高度差的特點(diǎn)，充分利用機(jī)、風(fēng)巷的空間，將機(jī)頭、機(jī)尾架上的鏈輪中心向下設(shè)置，降低工作面刮板輸送機(jī)機(jī)頭、機(jī)尾的高度，保證采煤機(jī)能割穿機(jī)、風(fēng)巷三角煤，全工作面實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。工作面輸送機(jī)通過(guò)將驅(qū)動(dòng)電機(jī)垂直布置來(lái)減小截面積，即增大輸送機(jī)機(jī)頭、機(jī)尾處過(guò)風(fēng)斷面，又為采煤機(jī)外牽引留夠安裝空間。刮板輸送機(jī)設(shè)有可靠的牽引鏈安全防護(hù)裝置，保證采煤機(jī)外牽引鏈條在運(yùn)行過(guò)程中不脫離導(dǎo)鏈座，有效防止彈鏈傷人、斷裂傷人事故的發(fā)生，在輸送機(jī)采空側(cè)設(shè)采煤機(jī)導(dǎo)向軌道、牽引鏈道，解決采煤機(jī)導(dǎo)向問(wèn)題。

(3)工作面液壓支架采用電液控制技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。工作面液壓支架頂梁前段創(chuàng)新設(shè)計(jì)為板式結(jié)構(gòu)，增大了采煤機(jī)割頂量和過(guò)機(jī)高度，減少了采煤機(jī)停機(jī)事故的發(fā)生；設(shè)置的抬底機(jī)構(gòu)，有效避免底板過(guò)軟而造成支架底座扎底，便于移架，該機(jī)構(gòu)兼做采煤機(jī)平衡裝置，使采煤機(jī)機(jī)身穩(wěn)定和平衡得到有效保證，解決了采煤機(jī)采高難控制的問(wèn)題；采用倒裝式結(jié)構(gòu)推移千斤頂，增大了拉架力，可以確保破碎頂板條件下實(shí)現(xiàn)帶壓移架。

(4)端頭液壓支架創(chuàng)新性地將頂梁和掩護(hù)梁之間的連接裝置改為十字過(guò)渡梁，使端頭支架頂梁能自動(dòng)調(diào)斜，適應(yīng)工作面煤層傾角和頂板起伏的變化；在底座前、后部設(shè)有調(diào)架耳座和調(diào)架千斤頂，分別控制左、右立柱，使頂梁能夠自動(dòng)調(diào)斜，適應(yīng)煤層傾角變化，保證頂梁與頂板的面接觸，提高了支護(hù)可靠性。

(5)為了解決薄煤層工作面管纜在電纜槽中易掛卡等不利于降低采煤機(jī)高度等技術(shù)難題，嘉華機(jī)械公司創(chuàng)新研制了管纜張緊裝置，使管纜在電纜槽內(nèi)移動(dòng)順利可靠。

(7)設(shè)備配套如圖2所示。工作面“三機(jī)”通過(guò)支撐滑靴、導(dǎo)向裝置、鏈接推桿和調(diào)節(jié)千斤頂聯(lián)結(jié)成有機(jī)整體，使采煤機(jī)得到動(dòng)態(tài)平衡和可靠導(dǎo)向。解決了采煤機(jī)跑偏、飄刀、啃底和輸送機(jī)上竄下滑問(wèn)題，保障大功率設(shè)備安全高效可靠運(yùn)行。

圖2　工作面三機(jī)配套

工作面的輸送機(jī)機(jī)頭機(jī)尾向下彎曲并進(jìn)入機(jī)、風(fēng)巷分別與裝載機(jī)和浮煤回收機(jī)固接。裝載機(jī)和浮煤回收機(jī)與端頭支架的推桿鉸接，通過(guò)液壓支架的推溜拉架作用，實(shí)現(xiàn)邁步式移動(dòng)。采煤機(jī)在刮板輸送機(jī)上移動(dòng)，在行盡工作面時(shí)，煤層受滾筒擠壓而片幫。風(fēng)巷片幫的煤通過(guò)浮煤回收機(jī)回收到輸送機(jī)中運(yùn)出，機(jī)巷片幫的煤則直接落入裝載機(jī)中運(yùn)出。

2.2　薄煤層綜采工藝

(1)創(chuàng)新使用采煤機(jī)、輸送機(jī)聯(lián)合強(qiáng)制裝煤技術(shù)，取代單一的滾筒螺旋葉片拋灑式裝煤技術(shù)，裝煤率由30%以下提高到90%以上，解決了薄煤層裝煤效果差的難題。

(2)采用空間限位的強(qiáng)制裝煤方法，將采煤機(jī)截割滾筒由側(cè)面布置改為端面布置，滾筒后方設(shè)犁煤機(jī)構(gòu)，由輸送機(jī)、采煤機(jī)、煤壁、頂?shù)装骞餐饔?，在空間上限定煤炭只能向輸送機(jī)方向運(yùn)動(dòng)，配合內(nèi)旋式滾筒使煤炭能順利裝載，裝煤率達(dá)到傳統(tǒng)方法的3倍以上。

(3)采用薄煤層雙向割煤技術(shù)，及時(shí)跟機(jī)前移液壓支架支護(hù)頂板，解決薄煤層破煤效率低、頂板安全事故多兩大難題。

(4)輸送機(jī)機(jī)頭機(jī)尾段向下彎曲并進(jìn)入機(jī)、風(fēng)巷布置并與設(shè)備配套，實(shí)現(xiàn)全工作面機(jī)械化開(kāi)采，避免“人機(jī)混采”發(fā)生安全事故。

(5) 采用電液控制技術(shù), 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離自動(dòng)控制成組移架，實(shí)現(xiàn)跟機(jī)自動(dòng)化作業(yè)，減輕作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率。

在接近市郊而環(huán)境條件又允許時(shí), 城市軌道交通多采用地面或高架線路, 以節(jié)約投資。本文利用Civil 3D快速建立橋面模型，通過(guò)Revit軟件土木工程結(jié)構(gòu)擴(kuò)展模塊對(duì)橋梁上部和下部結(jié)構(gòu)(橋跨結(jié)構(gòu)、支座、橋墩臺(tái)、橋面和欄桿等)進(jìn)行詳細(xì)建模。Revit橋梁詳細(xì)建模效果如圖3所示。集成在Civil 3D中橋梁模型效果如圖4所示?？筛鶕?jù)需要修改橋梁模型屬性參數(shù)，以建立不同橋梁形式。

3應(yīng)用成果

薄煤層綜合機(jī)械化成套技術(shù)成功應(yīng)用于李子埡煤礦下分層11041工作面以來(lái)，單個(gè)工作面月平均產(chǎn)量2.5×104t，月最大原煤產(chǎn)量達(dá)3.5×104t，實(shí)現(xiàn)利潤(rùn)1233.78萬(wàn)元/年，全面提升了0.8～1.3m薄煤層綜合機(jī)械化開(kāi)采技術(shù)和裝備水平。該成果已在四川攀枝花煤業(yè)、威達(dá)煤業(yè)、達(dá)竹煤電，貴州世紀(jì)公司等單位推廣應(yīng)用，使棄之不采或采用落后方式開(kāi)采的薄煤層資源得到開(kāi)采利用。薄煤層綜合機(jī)械化成套技術(shù)在提高煤炭資源的采出率、促進(jìn)煤炭企業(yè)安全高效生產(chǎn)、延長(zhǎng)礦井開(kāi)采年限和保護(hù)資源等方面具有重要意義。

4展望

嘉華機(jī)械公司開(kāi)發(fā)的薄煤層綜采成套技術(shù)，雖然解決了我國(guó)0.8～1.3m煤層綜合機(jī)械化開(kāi)采難題，但相比中厚煤層綜采技術(shù)還較落后，需進(jìn)一步開(kāi)發(fā)研究如下幾項(xiàng)技術(shù)：

(1)研發(fā)出適應(yīng)薄煤層開(kāi)采的無(wú)鏈牽引采煤機(jī)鏈牽引采煤機(jī)雖能有效地降低機(jī)面高度，增大過(guò)煤空間，卻存在因斷鏈故障帶來(lái)的安全隱患，當(dāng)工作面較長(zhǎng)時(shí)，難以實(shí)現(xiàn)連續(xù)、穩(wěn)定生產(chǎn)，且不能實(shí)現(xiàn)多機(jī)同時(shí)作業(yè)。因此，研發(fā)出具有較低機(jī)面高度，較大過(guò)煤空間的薄煤層無(wú)鏈牽引采煤機(jī)是實(shí)現(xiàn)薄煤層安全、穩(wěn)定、高效生產(chǎn)的重要途徑。

(2)研發(fā)出能適應(yīng)大傾角工作面的薄煤層綜采成套技術(shù)嘉華機(jī)械公司擁有成熟的大傾角中厚煤層綜采成套技術(shù)，為了開(kāi)發(fā)有限的煤炭資源，嘉華機(jī)械公司正著手研發(fā)大傾角薄煤層綜采成套技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)大傾角薄煤層綜合機(jī)械化開(kāi)采。

(3)薄煤層綜采自動(dòng)化研究隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，綜采工作面遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)控制以及無(wú)人工作面已逐漸成為煤礦生產(chǎn)的重點(diǎn)發(fā)展方向之一。為此，嘉華公司已逐漸開(kāi)展綜采自動(dòng)化研究，先完善薄煤層工作面液壓支架的電液控制技術(shù)和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)控制技術(shù)，然后實(shí)現(xiàn)薄煤層工作面的遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)控制，最終實(shí)現(xiàn)無(wú)人化工作面。

5結(jié)束語(yǔ)

薄煤層綜合機(jī)械化成套技術(shù)成果獲得國(guó)家教育部科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)、四川省科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)，關(guān)鍵技術(shù)達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，徹底改變了薄煤層開(kāi)采的落后局面，引領(lǐng)了我國(guó)薄煤層開(kāi)采技術(shù)發(fā)展方向，對(duì)推動(dòng)我國(guó)煤炭行業(yè)科技進(jìn)步起到重大作用。

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[責(zé)任編輯：鄒正立]

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