硬煤超大采高智能化綜放開采關(guān)鍵技術(shù)裝備研究

韓會(huì)軍，曾明勝，閆 躍，李申龍

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；2.兗州煤業(yè)股份有限公司，山東 鄒城 273500；3.陜西未來(lái)能源化工有限公司，陜西 榆林 719000)

我國(guó)厚煤層資源豐富，可采儲(chǔ)量占全國(guó)總可采儲(chǔ)量的45%左右。針對(duì)厚煤層開采主要有3種采煤方法，即分層開采、大采高一次采全厚綜采和綜放開采。分層開采生產(chǎn)效率低，巷道工程量大，易自燃，下分層開采時(shí)頂板維護(hù)難度大；大采高一次采全厚綜采經(jīng)歷30多年的發(fā)展，配套液壓支架最大支撐高度已達(dá)到8.8m，但經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)踐總結(jié)，采高超過7m時(shí)，工作面擾動(dòng)強(qiáng)度急劇增加，圍巖控制難度加大，開采效率下降；因此在目前技術(shù)背景下，對(duì)于8m以上特厚煤層，綜放開采方式適應(yīng)性更好。

金雞灘井田位于榆神礦區(qū)內(nèi)，賦存有大量厚度8～12m、平均硬度2.8的特厚煤層，采用分層或一次采全厚綜采，開采效率低，開采難度大，宜采用綜放開采。分析認(rèn)為，對(duì)硬質(zhì)特厚煤層綜放開采，增加采煤機(jī)割煤高度能有效改善頂煤冒放性[1-6]，因此，研發(fā)適應(yīng)硬煤超大采高智能化綜放開采的關(guān)鍵技術(shù)及裝備，改善頂煤冒放性，提高裝備智能控制水平，是實(shí)現(xiàn)硬煤特厚煤層綠色安全高效開采的必要手段[7-9]。

1 煤層賦存條件

金雞灘井田分東西兩翼回采。西翼煤層厚度在6～9m之間，采用8.2m超大采高綜采裝備開采，目前首采工作面已結(jié)束，正在進(jìn)行第二個(gè)工作面回采工作。東翼煤層厚度在8～13m之間，平均硬度f(wàn)=2.8，煤層傾角小于1°，可采儲(chǔ)量1650.6萬(wàn)t，首采117工作面范圍內(nèi)無(wú)落差較大斷層及褶皺發(fā)育，煤層埋深約240m，頂、底板巖性為泥巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖，煤層頂板屬于不穩(wěn)定至中等穩(wěn)定頂板，可隨采隨冒，可適應(yīng)綜放開采，必要時(shí)提前對(duì)頂煤爆破預(yù)裂處理，增加頂煤冒放性。

2 硬煤超大采高綜放開采關(guān)鍵技術(shù)

2.1 超大采高綜放開采理念

綜放開采采放比的確定應(yīng)綜合考慮煤炭資源回收率、煤壁穩(wěn)定性、礦壓顯現(xiàn)等因素。煤層厚度一定，工作面機(jī)采高度增加，機(jī)采部分煤炭資源回收率增大，超前支承壓力及影響范圍增加，頂煤垮落概率增加，頂煤回收率增加，工作面煤炭整體回收率增加；機(jī)采高度增加，礦山壓力顯現(xiàn)加劇，煤壁穩(wěn)定性降低，圍巖控制難度增加，煤質(zhì)較硬有利于圍巖穩(wěn)定性控制，但頂煤整體性強(qiáng)，因此，超大采高綜放開采理念認(rèn)為，增加機(jī)采高度，采用超大采高綜放開采，在保證圍巖控制的前提下可改善頂煤冒放性，提高資源回收率。

2.2 工作面開采工藝參數(shù)優(yōu)化

2.2.1 采放比確定

金雞灘東翼煤層平均厚度12m，平均硬度f(wàn)=2.8，應(yīng)用綜放開采，對(duì)不同采高下頂煤回收率進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果如圖1所示。借鑒西翼8.2m超大采高綜采及鄰近金雞灘煤礦的麻黃梁、神樹畔、雙山、千樹塔等煤礦綜放開采成功經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮煤炭資源回收率及圍巖穩(wěn)定性控制因素，采放比設(shè)定約為1∶1。通過增大割煤高度至6.0～7.0m、增大液壓支架初撐力和交變載荷支撐次數(shù)、頂煤預(yù)破碎等措施，提高資源回收率[10-13]。

圖1 不同采高與回收率關(guān)系數(shù)值模擬曲線

2.2.2 截深及工作面長(zhǎng)度確定

工作面截深的確定取決于工作面煤層地質(zhì)條件、工作面配套采煤機(jī)和液壓支架的性能。針對(duì)超大采高綜放工作面，減少頂板局部冒頂和煤壁片幫，通過提高采煤機(jī)開機(jī)率和運(yùn)行速度，比通過增大截深來(lái)提高產(chǎn)量更為有效，因此截深選擇865mm。

增加工作面長(zhǎng)度，可減少巷道掘進(jìn)量，提高工作面開采效率，目前薄煤層工作面長(zhǎng)度能達(dá)到400m。金雞灘煤層硬度較高，頂板較易管理，但采高較大時(shí)，工作面傾向布置過長(zhǎng)，將會(huì)使圍巖控制難度大幅增加，設(shè)備故障率升高，因此考慮工作面傾向長(zhǎng)度為300m。

2.3 超大采高綜放工作面設(shè)備配套研究

2.3.1 超大采高綜放工作面設(shè)備配套

金雞灘超大采高綜放工作面整體設(shè)備配套借鑒8.2m超大采高綜采設(shè)備配套的成功經(jīng)驗(yàn)，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求進(jìn)一步創(chuàng)新。工作面長(zhǎng)度300m，兩巷截面6000m×4200mm (寬×高)，工作面中部支架采用ZFY21000/35.5/70D型放頂煤液壓支架，最大割煤高度6.5m，采煤機(jī)滾筒直徑3.5m，截深865mm，前部采用SGZ1250/2×2000刮板輸送機(jī)，槽寬1250mm，裝機(jī)功率2×2000kW；后部采用SGZ1400/3×1600刮板輸送機(jī)，槽寬1400mm，裝機(jī)功率3×1600kW；轉(zhuǎn)載機(jī)型號(hào)SZZ1800/1200，槽寬1800mm，裝機(jī)功率1200kW。

2.3.2 工作面后部運(yùn)輸交叉?zhèn)刃都夹g(shù)

在綜放工作面后部輸送機(jī)與轉(zhuǎn)載機(jī)實(shí)現(xiàn)交叉?zhèn)刃恫贾茫档蜋C(jī)頭卸載高度，有利于機(jī)頭過渡架實(shí)現(xiàn)放煤。金雞灘工作面前部刮板輸送機(jī)卸載方式采用端卸，機(jī)頭電機(jī)平行布置，機(jī)尾電機(jī)垂直布置；后部刮板輸送機(jī)采用交叉?zhèn)刃缎遁d方式，機(jī)頭電機(jī)一個(gè)垂直一個(gè)平行布置，機(jī)尾電機(jī)平行布置如圖2所示。相對(duì)端卸，交叉?zhèn)刃斗绞骄哂兄T多優(yōu)點(diǎn)：①機(jī)頭架卸載高度低，機(jī)頭端面不進(jìn)行卸載煤炭；②機(jī)頭架中板升角小；③轉(zhuǎn)載機(jī)機(jī)尾相對(duì)輸送機(jī)機(jī)頭架滯后量??；④拉回煤現(xiàn)象較少；⑤工作面上竄下滑時(shí)，卸載距離不變。

圖2 后部交叉?zhèn)刃稒C(jī)頭電機(jī)布置方式

2.3.3 超大采高綜放工作面端頭區(qū)支護(hù)

工作面采高最大達(dá)到6.5m，巷道高度為4.2m，之間存在2.3m高度差，在過渡區(qū)設(shè)置中間過渡支架，高度與中部支架相同，在靠近巷道側(cè)安裝能覆蓋2.3m高差的側(cè)板，直接將高度過渡到巷道高度[14，15]。過渡支架在巷道側(cè)頂梁加可回轉(zhuǎn)90°的側(cè)翻板，在前部刮板運(yùn)輸機(jī)卸載點(diǎn)安裝單片超前支架，該超前支架安裝側(cè)翻板，用于支護(hù)垂直布置電機(jī)的上部空間，后部輸送機(jī)卸載點(diǎn)采用兩架巷尾支架進(jìn)行支護(hù)。機(jī)尾支護(hù)方式同樣采用大梯度過渡方式。超大采高綜放工作面端頭區(qū)支護(hù)如圖3所示。

圖3 超大采高綜放工作面端頭區(qū)支護(hù)

3 硬煤超大采高智能化綜放成套裝備研究

3.1 采煤機(jī)關(guān)鍵技術(shù)

煤層硬度較高，需較大截割功率，117工作面采高最大6.5m，采用MG1000/2650-GWD型采煤機(jī)，具備智能遠(yuǎn)程控制、狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷等功能，通過優(yōu)化各部結(jié)構(gòu)型式，形成高可靠性結(jié)構(gòu)總體。

采煤機(jī)主要參數(shù)及特點(diǎn)：①滾筒截割功率為2×1000kW，裝機(jī)總功率為2650kW，滾筒直徑為3500mm；②按照所記錄的工作方向與位置參數(shù)、姿態(tài)參數(shù)、滾筒高度軌跡，進(jìn)行智能化運(yùn)算，形成記憶截割模板，實(shí)現(xiàn)記憶截割；③具備就機(jī)操作、遠(yuǎn)程自動(dòng)控制兩種模式互鎖功能，實(shí)時(shí)通訊狀態(tài)檢測(cè)，提高采煤機(jī)運(yùn)行可靠性；④配置慣導(dǎo)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)工作面直線度調(diào)整。

3.2 大運(yùn)量運(yùn)輸系統(tǒng)

硬煤超大采高綜放開采，煤炭產(chǎn)量高、塊度大，需要大運(yùn)量的智能化運(yùn)輸系統(tǒng)保證工作面運(yùn)輸流暢。117工作面經(jīng)過多次設(shè)備配套研討，制定工作面設(shè)備配套原則，實(shí)現(xiàn)了前、后部刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)以及帶式輸送機(jī)高速運(yùn)行參數(shù)匹配，優(yōu)化了后部刮板輸送機(jī)及轉(zhuǎn)載機(jī)交叉?zhèn)刃斗桨福ㄟ^智能調(diào)速實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸系統(tǒng)煤流負(fù)荷平衡，研發(fā)了可靠性高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的連續(xù)破碎技術(shù)，建立了刮板機(jī)煤流卸載口、轉(zhuǎn)載機(jī)入料口、破碎機(jī)及轉(zhuǎn)載機(jī)卸料口四級(jí)破碎系統(tǒng)，解決工作面輸送機(jī)卸載點(diǎn)和轉(zhuǎn)載機(jī)入口點(diǎn)大塊煤堵塞的問題，實(shí)現(xiàn)大塊煤的連續(xù)破碎，降低人工破碎大塊煤的勞動(dòng)強(qiáng)度和不安全因素，保障工作面智能化方案順利實(shí)施，實(shí)現(xiàn)了超大采高綜放開采智能化高速煤流運(yùn)輸。

3.3 超大采高放頂煤液壓支架

根據(jù)公式估算、經(jīng)驗(yàn)類比及數(shù)值模擬，確定支架支護(hù)強(qiáng)度不小于1.6MPa，支架中心距選取2050mm，工作阻力確定為21000kN，采用兩柱掩護(hù)式支架。

1)片幫控制是超大采高工作面圍巖控制的關(guān)鍵，提高支架初撐力和前端支頂力，增加對(duì)煤壁支護(hù)面積和支護(hù)強(qiáng)度，可減輕煤壁壓力，有利于煤壁穩(wěn)定性[16，17]。支架采用整體頂梁加伸縮梁，前部防片幫采用二級(jí)護(hù)幫機(jī)構(gòu)，護(hù)幫高度達(dá)3.0m，二級(jí)護(hù)幫采用液壓聯(lián)動(dòng)技術(shù)，能更好的自動(dòng)貼合煤壁，可有效防止煤壁片幫，保證工作面的安全性。

2)支架頂梁、底座柱窩采用高強(qiáng)度材料鍛造，柱窩下部采用“并”字型箱型結(jié)構(gòu)，雙層U型板加固，支架立柱壓板采用上位壓板型式，保證了支架關(guān)鍵受力部位的結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度，伸縮梁采取內(nèi)伸縮式，5腔結(jié)構(gòu)增強(qiáng)伸縮梁抗彎能力，保證結(jié)構(gòu)高可靠性。

3)為改善硬煤冒落性能，支架采用強(qiáng)擾動(dòng)、高強(qiáng)度放煤機(jī)構(gòu)，改變傳統(tǒng)低位放頂煤“尾梁+插板”放煤機(jī)構(gòu)型式，變?yōu)椤岸?jí)尾梁+插板”的三級(jí)放煤機(jī)構(gòu)，增大放煤口尺寸，采用基于多傳感識(shí)別技術(shù)的控制系統(tǒng)，優(yōu)化硬煤綜放智能控制系統(tǒng)，如圖4所示。

圖4 超大采高放頂煤液壓支架

4)支架配置姿態(tài)感知自適應(yīng)系統(tǒng)，自主研發(fā)立柱自動(dòng)增壓初撐力保證系統(tǒng)，提高支護(hù)質(zhì)量和支護(hù)速度。

3.4 工作面智能化控制系統(tǒng)架構(gòu)

智能化開采通過開采環(huán)境、工況的主動(dòng)感知，集控中心分析決策，開采設(shè)備群智能聯(lián)動(dòng)調(diào)控，實(shí)現(xiàn)回采作業(yè)的自適應(yīng)過程。工作面智能化控制系統(tǒng)集采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、泵站等系統(tǒng)與其監(jiān)測(cè)通信及集中控制于一體，如圖5所示。采煤機(jī)憑借實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、工作面找直、記憶割煤功能實(shí)現(xiàn)高可靠性遠(yuǎn)程控制，液壓支架以電控系統(tǒng)為基礎(chǔ)，通過多傳感裝置感知、自適應(yīng)姿態(tài)調(diào)整、群組放煤智能控制實(shí)現(xiàn)采放協(xié)調(diào)，刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)相結(jié)合對(duì)煤流負(fù)荷實(shí)現(xiàn)智能控制，配套工作面語(yǔ)音通訊、泵站控制、工作面巷道帶式輸送機(jī)控制、組合開關(guān)監(jiān)測(cè)、移變監(jiān)測(cè)等底層感知、執(zhí)行基礎(chǔ)，工作面巷道帶式監(jiān)控中心及地面分控中心為中心決策，輔以工作面智能降塵、人員識(shí)別、設(shè)備故障診斷等保障措施，通過工作面以太系統(tǒng)為脈絡(luò)進(jìn)行聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)工作面設(shè)備群智能聯(lián)動(dòng)，形成高效的超大采高綜放工作面智能化控制系統(tǒng)。

圖5 智能化控制系統(tǒng)架構(gòu)

4 結(jié) 論

金雞灘煤礦117工作面采用超大采高綜放開采實(shí)現(xiàn)了硬煤特厚煤層安全高效開采，工作面投產(chǎn)后累計(jì)推進(jìn)超過3000m，最高日產(chǎn)量達(dá)到5萬(wàn)t，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)良好，除開采初期工作面端頭部頂煤進(jìn)行預(yù)破碎外，開采過程中頂煤冒落情況良好。

1)增加割煤高度，適當(dāng)減小采放比，可有效改善硬煤特厚煤層頂煤冒放性，采用三級(jí)放煤機(jī)構(gòu)，加大后部放煤空間，有利于頂煤體放出效率提高。

2)采用前部端卸、后部交叉?zhèn)刃兜墓伟遢斔蜋C(jī)卸載方式，配合刮板機(jī)煤流卸載口、轉(zhuǎn)載機(jī)入料口、破碎機(jī)及轉(zhuǎn)載機(jī)卸料口四級(jí)破碎系統(tǒng)可有效改善大塊煤冒落造成的煤流堵塞等問題，提高煤流運(yùn)輸效率。

3)合理的開采工藝及設(shè)備參數(shù)配套，準(zhǔn)確的環(huán)境及工況感知，系統(tǒng)的中心決策，精準(zhǔn)的機(jī)構(gòu)動(dòng)作控制，結(jié)合完善的信息反饋，通過先進(jìn)的信息化、智能化技術(shù)促進(jìn)工作面“采—支—放—運(yùn)”協(xié)同推進(jìn)，是智能化綜放開采的必要條件。