肖楊
(晉能控股煤業(yè)集團 四臺礦,山西 大同 037007)
國內(nèi)外地質(zhì)條件簡單的大型礦井綜采設(shè)備選型主要依據(jù)煤層厚度來確定支架參數(shù),進而配套其他設(shè)備。而地質(zhì)條件較差的礦井,則須優(yōu)先考慮支架的穩(wěn)定性,同時確保提高資源的回收率。山西大同四臺礦隨著礦井逐年的開采,侏羅系資源日益減少,逐步轉(zhuǎn)向石炭系,兩系煤層賦存條件相差較大。該礦石炭系太原組8號層煤賦存條件差,向背斜連續(xù)發(fā)育,且直接頂為炭質(zhì)泥巖,極易垮落,因此需要選擇一套適應(yīng)能力強的回采設(shè)備,保證礦井正常安全回采,提高資源回收率。以四臺礦8層煤802盤區(qū)首采80207工作面為研究對象,進行連續(xù)起伏煤層綜采設(shè)備選型設(shè)計。
四臺礦石炭系井田位于大同煤田北部邊緣,主采煤層為太原組8號層煤。煤的自然發(fā)火期為6個月,煤層埋深412~450 m,煤層厚度0~8.10 m,平均厚度3.52 m,煤層厚度變化較大。井田西南部煤層厚,東北部薄。直接頂板為1層深灰-黑灰色泥巖。區(qū)內(nèi)8號層煤有被古河流沖刷現(xiàn)象,頂板為中粗粒砂巖。煤層結(jié)構(gòu)較簡單,一般含0~1層夾矸。底板為一層淺灰色含砂高嶺巖,砂泥質(zhì)結(jié)構(gòu),泥質(zhì)為重結(jié)晶高嶺巖。煤層頂板以直接頂、基本頂雙層結(jié)構(gòu)為主,次為直接頂結(jié)構(gòu)且零星分布偽頂。
802盤區(qū)煤厚2.0~7.3 m,頂板炭質(zhì)泥巖為主,底板砂質(zhì)泥巖為主,厚度2.3 m,抗壓強度25.7~41.6 MPa,平均34.8 MPa。井田內(nèi)斷層、陷落柱、向斜、背斜等地質(zhì)構(gòu)造較多,煤層傾角變化較大,走向傾角約±16°,最大約20°。
首采80207工作面煤層厚度2.7~7.3 m,平均厚度5.5 m。共揭露斷層12個,落差0.6~7.5 m,工作面傾向傾角8°~16°,最大約20°,傾角變化很大。煤層起伏變化較大,順槽走向和工作面煤層成波浪狀態(tài)。如圖1所示。
圖1 首采80207工作面軌道順槽剖面圖Fig.1 Section map of the first 80207 working face track
地質(zhì)條件對回采主要有以下影響。
(1)因煤層起伏變化以及斷層較多,采煤機需要割大量巖石。
(2)彎段取直。因工作面走向起伏變化大,無論哪種采煤工藝,為減小起伏變化角度,須沿工作面走向采取留底煤或即留底煤又留頂煤的彎段取直措施。
(3)經(jīng)彎段取直后,有的地方無頂煤,有的地方頂煤很薄,雖然鉆孔揭露煤層較厚,但實際開采煤層變化較大。
下面就綜放與采全高兩種工藝作詳細對比。
2.1.1 資源回收率對比
(1)放頂煤開采。如選用13 000 kN支架,最大采高3.6 m,如選10 000 kN支架,最大采高3.3 m,最低采高2.7 m,遇斷層不能進一步減小采高,如遇更厚煤層因起伏變化大,頂煤很難回收,綜合考慮,整體資源回收率在60%左右。
(2)一次采全高開采。最小采高2.4 m,最大采高4.4 m,遇斷層可減小采高,少割矸石,如遇厚煤層可提高采高,盡可能提高資源回收率。所以采全高工作面資源回收率可達75%以上。綜合分析80207工作面資源回收率可達88%。
2.1.2 矸石混入對比
(1)放頂煤。因煤層走向連續(xù)起伏,仰俯采角度較大。俯采時頂煤與矸石混在一起,很難控制矸石進入后溜,頂煤回收率低、矸石混入比例大;仰采時頂煤直接掉入采空區(qū),放到后溜很少。因此頂煤矸石混入比可達到70%以上,并且導致后溜磨損加快。
(2)采全高??稍诓擅哼^程中根據(jù)煤層厚度靈活控制采煤高度,矸石混入比很小,設(shè)備磨損少。
2.1.3 俯采難度分析對比
(1)放頂煤工藝:①俯采時頂煤回收率低,矸石混入比大;②后溜與支架間的放口煤很難控制;③后溜在矸石的推動下很容易緊貼支架,后溜上竄下滑很難控制。
(2)采全高工藝:①俯采時要控制好采煤機穩(wěn)定性,三機配套中需采取特殊措施;②俯采最大角度16°,國內(nèi)類似俯采角度開采煤層很多;③俯采時也可根據(jù)煤層厚度增加采高盡可能提高資源回收率。
2.1.4 仰采難度分析對比
(1)放頂煤工藝:①仰采時頂煤回收率更低,矸石混入比大;②后溜與支架間的放口煤很難控制;③拉后溜困難,后溜上竄下滑;④煤壁也會存在片幫冒頂現(xiàn)象,需要適當降低采高。
(2)采全高工藝:①仰采難度大,容易片幫冒頂,需提高支架工作阻力和支架的支護效率,提高護幫高度,降低采高;②拉架困難,需降低支架重量,加大推移缸徑,提高拉架力。
2.1.5 端頭支護設(shè)備對比
(1)放頂煤工藝。前后2部刮板,配套后轉(zhuǎn)載機和端頭支架總長度較長,移架、推轉(zhuǎn)載機都很困難。
(2)采全高工藝。轉(zhuǎn)載機總長度短,約10 m左右,端頭支架長度短,拉架、推移轉(zhuǎn)載機方便靈活、機動性好,可更好適應(yīng)起伏不平的巷道條件。
通過以上5個方面對比,綜合考慮各種因素以及四臺礦煤層賦存條件,確定該礦8號層煤采用采全高采煤工藝,選用支架重量相對較輕、最大采高要達到4 m以上、俯仰采期間穩(wěn)定性均能滿足要求的設(shè)備。
2.2.1 采高確定
主要依據(jù)煤層厚度(包括煤層夾矸厚度),同時要考慮設(shè)備能力和礦山壓力顯現(xiàn)狀態(tài)。
8號煤層有效鉆孔37個,煤厚小于4.3 m的鉆孔11個,煤厚4.3~7.0 m的鉆孔26個,確定最小采高2.6 m,最大采高4.4 m,基本含蓋大部分煤層。通過80207工作面兩順槽實際揭露煤層情況,資源回收率可達到88%。最終確定支架最大高度4.6 m,支架最小高度2.2 m。
2.2.2 支架配套中心距的確定
因煤層起伏變化大,仰采角度16°左右,拉架困難,因此選用1.5 m中心距支架,重量輕,機動靈活,方便移架,適應(yīng)性好;刮板輸送機溜槽1.5 m槽長度,更好適應(yīng)工作面傾向起伏不平地質(zhì)條件。對于仰俯采16°,1.5 m中心距也可選用151大節(jié)距提高采煤機與刮板機的配套可靠性。
2.2.3 支架橫向穩(wěn)定性
首采80207工作面傾角達到16°,通過增加防倒防滑功能,1.5 m中心距支架也可以滿足4.4 m采高的橫向穩(wěn)定性要求。
根據(jù)以上綜合分析進行工作面設(shè)備選型,包括采煤機、刮板輸送機、液壓支架、轉(zhuǎn)載機、破碎機、順槽皮帶機等,形成一套綜采設(shè)備,具體設(shè)備型號如下。
采煤機:MG650/1630-WD
刮板輸送機:SGZ1000/2×855
轉(zhuǎn)載機:SZZ1000/525
破碎機:PCM400
液壓支架:中部ZZ12000/22/46;過渡ZZG120 00/22/46;端頭ZTZ10000/23/42
順槽皮帶機:DSJ120/100/2×400
根據(jù)煤層起伏變化大、仰俯采角度大的特點,采用遠距離供液、供電方式。
(1)頂梁防倒與防滑。側(cè)護千斤頂由φ80 mm增加到φ100 mm,增大側(cè)護板調(diào)架能力;機頭機尾部分支架頂梁安裝防倒機構(gòu),底座安裝防滑機構(gòu)。
(2)頂板、煤體較破碎,仰采時容易片幫冒頂,采取以下措施:支架采取頂梁、掩護梁、后連桿設(shè)計,全封閉式側(cè)護板防止漏頂、漏矸;前梁設(shè)計0.8 m行程伸縮梁??杉皶r支護頂板;選用高工作阻力支架,增大前立柱缸徑,提高頂梁前端接頂效果,有效防止片幫、冒頂;支架伸縮梁前設(shè)計一級護幫板,增加護幫高度。
(3)底座前端設(shè)計抬底機構(gòu),加大抬底量和過橋龍門高度。
(4)優(yōu)化支架空間布局,加寬底座接地面積,降底底座前端比壓。
(5)加大推移機構(gòu)移架能力,加大推移千斤缸徑,由原φ160 mm增大到φ180 mm。
(1)選用151 mm大節(jié)距銷排,增加采煤機行走機構(gòu)強度、可靠性。
(2)如果連續(xù)大角度俯仰采長度超過100 m,考慮臨時更換專用的導向滑靴和支撐腿。
(3)采煤機牽引電控采用一拖一四象限的控制方式,保證連續(xù)下行割煤;同時采煤機加裝制動器,防止采煤機駐車時出現(xiàn)溜車現(xiàn)象。
(4)如遇全巖或者夾矸較多時,先放震動炮后用采煤機截割;若經(jīng)常需要割全巖或者夾矸,滾筒采用強力重型破巖滾筒。
(5)提高耐磨。搖臂行星頭處堆焊耐磨層;支撐滑靴采用進口耐磨鋼板焊接;導向滑靴導向面焊接復(fù)合耐磨鋼板確保耐磨性;行走輪增加滲碳層深度,提高耐磨性。
(6)潤滑。搖臂安裝強迫潤滑泵,確保采煤機搖臂行星頭的潤滑;液壓泵站針對俯仰采做優(yōu)化設(shè)計,確保順利透氣加注油。
(7)電氣元部件的防松防震。電氣元部件的安裝螺紋采用施必牢螺紋;安裝時螺釘螺栓均涂覆LOC-243螺紋鎖固膠;關(guān)鍵緊固件采用鬧得牢防松墊圈;關(guān)鍵元部件安裝采用定制的減震墊。
(1)為適應(yīng)工作面起伏采取的變化,選用1 500 mm中部槽,以靈活適應(yīng)工作面條件,同時與支架相配合。
(2)銷排選用151 mm強力鍛造銷排。
(3)中部槽中底板選用HARDOX450等高強度耐磨板,中板厚度由40 mm加厚到50 mm,底板30 mm,采用多層多道焊接工藝。
(4)針對槽幫不同工作部位的受力狀態(tài)和力學性能要求,槽幫采取分區(qū)淬火熱處理工藝,提高槽幫鏈道、鏟板、凸端、凹端等部位硬度指標,以滿足高強、高耐磨性能。
(5)加大推移耳根部圓弧,提高其沖擊韌性,以適應(yīng)支架的推拉作用。
(6)減少對起弧段的磨損措施,過渡段及變角度部位均采用大圓弧設(shè)計,升角小,可更換翼板。
(1)凸槽中板圓弧段采用可更換式中板。
(2)落地段槽體采用啞鈴聯(lián)接,槽體長度為1 m/件。
(3)轉(zhuǎn)載機配邁步自移,導軌長度調(diào)整為1 m/件,以適應(yīng)順槽起伏不平變化。
(4)加大端頭支架推移千斤頂缸徑,提高推轉(zhuǎn)載機能力。
(5)中部槽中底板選用HARDOX450等高強度耐磨板,中板厚度由40 mm加厚到50 mm,底板40 mm。
破碎機板材材料采用Hardox450,板厚加厚,中板厚度50 mm,底板厚度40 mm。破碎中板厚度80 mm。
(1)自移機尾頭端架兩側(cè)加裝壓帶裝置。
(2)四根立缸下方連接銷加粗由原φ40 mm改為φ60 mm。
(3)支撐滑架加固。
(1)巷道凹弧段機身增加生根的可調(diào)壓帶裝置,強行將上帶面凹弧段半徑縮小,并使凹弧段機身盡量降低。
(2)提供數(shù)量較多的可調(diào)支腿,以適應(yīng)上、下起伏不定巷道,達到與自移機尾的自然的過渡。
首采80207工作面回采以來,該套設(shè)備在過大傾角俯仰采、炭質(zhì)泥巖破碎頂板及各類地質(zhì)構(gòu)造時,有效的控制了頂板。回采期間工作面煤層起伏,采取彎段曲直,如圖2所示,圖中深色線為工作面頂?shù)装濉?/p>
圖2 工作面回采期間素描圖Fig.2 Sketch of working face during mining
目前,該套設(shè)備已回采360 m,工況良好,安全高效的完成了逐月生產(chǎn)任務(wù)。
針對四臺礦8層煤802盤區(qū)首采80207工作面煤層起伏變化較大以及斷層較多的難題,通過資源回收率、矸石混入比、開采難度等方面對比分析,確定了連續(xù)起伏煤層礦井成套綜采設(shè)備,最終安全高效的通過了斷層、向背斜等構(gòu)造,產(chǎn)量增加15%,為該礦今后工作積累了寶貴經(jīng)驗。