曹家灘煤礦大采高智能化綜放面工藝優(yōu)化

雷亞軍，閆少宏，王 銳，申宇鵬，華照來，周小坡

(1.陜西陜煤曹家灘礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083)

綜放開采技術(shù)是我國現(xiàn)階段厚煤層開采主要手段之一，也是我國煤炭開采技術(shù)引領(lǐng)世界的重要標(biāo)志[1-4]，伴隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的成熟與智能化裝備的普及，煤炭企業(yè)致力于推動綜放開采智能化建設(shè)，從工作面裝備及智能化系統(tǒng)構(gòu)建等多角度入手積極推動了大采高綜采和大采高綜放開采智能化的進(jìn)步與發(fā)展，煤礦井下逐步從“少人化”向“無人化”目標(biāo)邁進(jìn)[5，6]。我國綜放工作面智能化建設(shè)已取得了顯著的成果，從綜放工作面采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)等裝備到智能化操控均取得了良好的效果[7-11]，伴隨著智能化裝備的普及綜放工作面的高產(chǎn)高效進(jìn)入了“精準(zhǔn)化”開采新局面，綜放工作面亟待符合智能化開采水平的工藝優(yōu)化研究[12-15]，由于開采環(huán)境特殊性及圍巖結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性造成綜放工作面開采過程中各設(shè)備的運(yùn)行能力無法得到充分發(fā)揮[16-18]，針對這一難題，結(jié)合曹家灘煤礦綜放工藝及裝備特點(diǎn)，對井下各工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)測，通過大量的實(shí)測數(shù)據(jù)研究各設(shè)備運(yùn)行的情況，分析各個工序所用時間和工作面采煤機(jī)開機(jī)率，提出了曹家灘綜放工作面工藝優(yōu)化提高的主要途徑，為綜放工作面開采智能化建設(shè)提供理論依據(jù)。

1 工程概況

曹家灘煤礦122107綜放工作面位于12盤區(qū)西翼，開采煤層2-2煤，工作面傾向長度300m，走向長度6012m，煤層總厚度11.8m，煤層硬度2.0～3.0，煤層平均埋藏深度317m，煤質(zhì)為長焰煤、不粘煤，煤層傾角0°～4°，煤層結(jié)構(gòu)簡單，基本頂中粒砂巖厚3.7～30.8m，直接頂細(xì)粒砂巖厚1.38～18.6m，直接底砂質(zhì)泥巖厚1.41～5.1m，基本底細(xì)粒砂巖厚2.0～14.23m。122107綜放工作面采用走向長壁后退式綜放采煤法，工作面放煤為單輪順序放煤，單日推進(jìn)10m，端面距790mm。

2 綜放面工藝參數(shù)實(shí)測研究

2.1 采煤機(jī)工藝參數(shù)實(shí)測

工作面割煤方式為端部斜切進(jìn)刀雙向割煤?；夭晒に嚳煞譃槭げ椒ǎ枰O(shè)置首部支架號、尾部支架號、采煤機(jī)長度、機(jī)頭折返點(diǎn)、機(jī)尾折返點(diǎn)五個參數(shù)，如圖1所示，可以將工作面劃分為機(jī)頭端部區(qū)、機(jī)頭進(jìn)刀區(qū)、中間段、機(jī)尾進(jìn)刀區(qū)和機(jī)尾端部區(qū)等五個區(qū)段，其中機(jī)頭進(jìn)刀區(qū)、中間段、機(jī)尾進(jìn)刀區(qū)又是放煤區(qū)段，采取跟班實(shí)測，并將測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析。

圖1 采煤機(jī)端部斜切進(jìn)刀雙向割煤工藝空間順序

2.1.1 機(jī)頭、機(jī)尾進(jìn)刀距離實(shí)測

統(tǒng)計(jì)綜放面采煤機(jī)割煤169刀煤過程中機(jī)頭、機(jī)尾進(jìn)刀距離分布特征，如圖2所示。由圖2可以得出：采煤機(jī)從機(jī)頭、機(jī)尾進(jìn)刀距離均呈現(xiàn)出明顯的正態(tài)分布特征；機(jī)頭進(jìn)刀最短距離28.7m，機(jī)頭進(jìn)刀最長距離55.35m，機(jī)頭進(jìn)刀最佳距離36.9m，距機(jī)頭煤壁內(nèi)側(cè)距離為55.4m；機(jī)尾進(jìn)刀最短距離28.7m，機(jī)尾進(jìn)刀最長距離49.2m，機(jī)尾進(jìn)刀最佳距離38.95m，距機(jī)尾煤壁內(nèi)側(cè)距離為57.45m。

圖2 機(jī)頭和機(jī)尾進(jìn)刀距離分布特征

2.1.2 采煤機(jī)循環(huán)時間實(shí)測

將采煤機(jī)運(yùn)行過程中各階段所對應(yīng)的時間進(jìn)行分解，對回采工藝中“十二工步法”對應(yīng)的時間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并求取平均值，得出采煤機(jī)雙向斜切進(jìn)刀工藝時間關(guān)系，如圖3所示。由此可得：采煤機(jī)機(jī)頭(機(jī)尾)進(jìn)刀及直線段范圍內(nèi)用時規(guī)律呈現(xiàn)出明顯的對稱性，機(jī)頭(機(jī)尾)在進(jìn)刀過程中時間主要集中在5～7min范圍內(nèi)，平均時間分別為5.4min、5.7min，機(jī)頭(機(jī)尾)在割三角煤過程中時間主要集中在8～11min范圍內(nèi)，平均時間分別為9.4min、8.7min，機(jī)頭(機(jī)尾)在直線段割煤過程中時間主要集中在60～80min范圍內(nèi)，平均時間分別為72.9min、71.9min，采煤機(jī)完成一個循環(huán)所用時間88～90min。

圖3 采煤機(jī)雙向斜切進(jìn)刀工藝時間關(guān)系

2.1.3 采煤機(jī)運(yùn)行速度實(shí)測

將采煤機(jī)運(yùn)行過程中各階段所對應(yīng)的距離與時間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并求取平均值，得出采煤機(jī)雙向斜切進(jìn)刀工藝速度關(guān)系，如圖4所示。由此可得：采煤機(jī)機(jī)頭(機(jī)尾)進(jìn)刀速度7.1～7.2m/min，機(jī)頭(機(jī)尾)割三角煤速度4.1～4.6m/min，機(jī)頭(機(jī)尾)直線段割煤速度4.0m/min。

圖4 采煤機(jī)雙向斜切進(jìn)刀工藝速度關(guān)系

2.1.4 工作面開機(jī)率實(shí)測

由采煤機(jī)運(yùn)行開機(jī)率統(tǒng)計(jì)情況可知，早班生產(chǎn)時間均值184.9min，生產(chǎn)誤時55.1min，開機(jī)率為77.1%；中班生產(chǎn)時間均值為354.2min，生產(chǎn)誤時為125.8min，開機(jī)率為73.8%；晚班生產(chǎn)時間均值為358.1min，生產(chǎn)誤時為121.9min，晚班開機(jī)率為74.6%，將早、中、晚開機(jī)率求均值可得平均開機(jī)率為75.2%，綜放工作面三班開機(jī)率的統(tǒng)計(jì)分析曲線如圖5所示。

圖5 采煤機(jī)開機(jī)率變化規(guī)律

2.2 放煤工藝參數(shù)實(shí)測

綜放支架放煤時間實(shí)測曲線如圖6所示，由圖6可以得出：綜放支架放煤時間呈現(xiàn)出“類梯形”分布特征，兩端頭頂煤破碎不充分造成放煤時間短，從兩端頭至工作面中部放煤時間明顯增大；為了便于數(shù)據(jù)分析，選取頂煤破碎效果較好的中部區(qū)域進(jìn)行研究，此區(qū)域內(nèi)放煤時間在100～140s范圍內(nèi)隨機(jī)分布，其均值為介于110～120s范圍內(nèi)，這個實(shí)測數(shù)據(jù)為智能化放煤工藝優(yōu)化提供了有益參考。

圖6 支架放煤時間空間分布特征

2.3 支架移架工藝實(shí)測

1)支架移架時間實(shí)測。移架時間如圖7所示，由圖可知：移架時間為15.5～17.3s，平均16.7s。

圖7 工作面支架移架時間分布特征

2)支架伸、收護(hù)幫板時間實(shí)測。支架伸、收護(hù)幫板時時間實(shí)測如圖8所示，由圖8可知：伸護(hù)幫板時間為8.6～10.2s，平均9.6s；收護(hù)幫板時間為17.1～25.7s，平均21.6s。

圖8 支架推移刮板機(jī)及伸護(hù)幫板時間

3)推、拉前后刮板輸送機(jī)時間實(shí)測。推、拉刮板輸送機(jī)實(shí)測如圖9所示，由圖9可知：推前部刮板輸送機(jī)時間為8.2～9.6s，平均8.9s；拉后部刮板輸送機(jī)時間為8.1～10.2s，平均9.3s。

圖9 支架移架及收護(hù)幫板時間

3 綜放面工藝優(yōu)化研究

3.1 工作面開采參數(shù)優(yōu)化研究

綜放工作面日產(chǎn)量與工作面長度、推進(jìn)度、采高、回采率等因素有關(guān)，計(jì)算公式如下：

Qd=L×n×B×M×γ×K

(1)

式中，Qd為工作面產(chǎn)量，t/d；L為工作面長度，m；n為工作面進(jìn)刀數(shù)，次；B為采煤機(jī)截深，m；M為工作面采高，m；γ為實(shí)體煤容重，t/m3；K為工作面采出率， %；V為采煤機(jī)在直線段平均截割速度，m/min；k1為工作面當(dāng)日開機(jī)率，%；t1為在上端頭部所用時間，min；t2為在下端頭所用時間，min；L1為在上端頭斜切進(jìn)刀距離，m；L2為在下端頭斜切進(jìn)刀距離，m。

從式(1)—式(2)可以看出，為了增加工作面產(chǎn)量，可以從以下幾方面入手：在設(shè)備能力滿足的條件下加大工作面長度；加大采煤機(jī)的截割速度；加大采煤機(jī)每刀進(jìn)尺；提高工作面的當(dāng)日開機(jī)率；適當(dāng)加大工作面采高。

3.2 工作面開采參數(shù)優(yōu)化措施

曹家灘大采高綜放工作面目前采高已達(dá)到6.0m，再增加將會帶來片幫冒頂?shù)娘L(fēng)險；目前工作面的開機(jī)率已達(dá)到了75.2%，設(shè)備可靠性與管理水平已相當(dāng)高了，再提高潛力不大，因此，可從加大工作面長度、提高采煤機(jī)截深、提高采煤機(jī)割煤速度三個方面提高曹家灘煤礦大采高綜放工作面產(chǎn)量，當(dāng)三個參數(shù)調(diào)整后其他的工藝應(yīng)做協(xié)調(diào)性調(diào)整。

3.2.1 適度加大工作面長度

1)我國工作面開采強(qiáng)度逐漸增大。隨著我國煤機(jī)裝備與開采技術(shù)的快速發(fā)展，工作面長度參數(shù)也逐漸增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1978年我國綜采工作面平均長度為124.5m，一般為150m左右，目前已達(dá)到了400m(大采高綜采)，300m(綜放)，260m(刨煤機(jī)綜采)，這些礦井大都集中在我國榆神礦區(qū)，目前我國典型大采高綜放工作面開采參數(shù)統(tǒng)計(jì)見表1，可以看出，綜采工作面長度大部分集中在300～400m，綜放工作面200～350m。因此，曹家灘煤礦可適度加大工作面長度至350m。

2)美國井工煤礦工作面長度呈增大趨勢。近40年來，美國長壁工作面的尺寸越來越大，往往要滿足1a的回采期。工作面長度介于152～482m，大部分工作面長度大于366m。工作面推進(jìn)長度介于976～6860m之間，而一半以上的工作面推進(jìn)長度在2439～4268m之間，并且工作面尺寸還有繼續(xù)增大趨勢。

表1 我國典型大采高綜放工作面開采參數(shù)

3.2.2 提高采煤機(jī)截深

我國綜采面采煤機(jī)截深大多為0.6m、0.8m，從表1就可看到，大采高綜放開采采煤機(jī)截深全為0.8m，鮮有1.0m截深的報到，而美國采煤機(jī)的截深逐漸增大，據(jù)調(diào)研統(tǒng)計(jì)一次割煤進(jìn)刀量為0.76～1.07m，其中70%以上的進(jìn)刀量為1.07m，2017年美國井工煤礦233座，有近163座煤礦工作面的截深在1.07m以上，這也是因?yàn)槊绹C采面采高在1.2～2.5m范圍內(nèi)，片幫冒頂容易控制。因此，曹家灘煤礦可提高采煤機(jī)截深至1.0m。

3.2.3 提高采煤機(jī)割煤速度

通過對曹家灘122107綜放面一個多月的現(xiàn)場實(shí)測，采煤機(jī)在進(jìn)刀時平均速度為7.1～7.2m/min，瞬時最大值12m/min(集中于10m/min)，割三角煤區(qū)運(yùn)行速度平均4.1～4.6m/min，瞬時最大值8m/min(集中于6m/min)；在中部割煤速度平均為4.0m/min，瞬時最大值為8m/min(集中于6m/min)，遠(yuǎn)低于采煤機(jī)的性能指標(biāo)，良好的采煤機(jī)性能沒有得到充分發(fā)揮和挖掘，影響工作面產(chǎn)量和效益。因此，曹家灘煤礦可將采煤機(jī)割煤速度提高到6～8m/min。

據(jù)調(diào)研統(tǒng)計(jì)美國采煤機(jī)割煤速度可以達(dá)到45.7m/min。2016年在澳大利亞Bebody煤礦下井調(diào)研時，實(shí)測采煤機(jī)割煤速度10m/min，空刀運(yùn)行18m/min(采高3.5m，JOY設(shè)備)，因此從趨勢來看，加快采煤機(jī)割煤速度是實(shí)現(xiàn)工作面高產(chǎn)高效的有效途徑。

3.2.4 綜放工作面產(chǎn)能確定

按以下參數(shù)計(jì)算：工作面長度350m、采煤機(jī)截深1.0m、采煤機(jī)割煤速度按6～8m/min，煤層厚度11m，采放比1∶1(底煤1m，機(jī)采高度5m，放煤高度5m)。

通過提高采煤機(jī)運(yùn)行速度至6～8m/min，工作面傾向長度350m、采煤機(jī)截深1.0m，單刀循環(huán)時間縮短為51.3～68.4m/min，單班生產(chǎn)刀數(shù)為5.6～7.5刀，每天生產(chǎn)刀數(shù)14.0～18.75刀，生產(chǎn)單班產(chǎn)量為21631.1～28970.3t，每天產(chǎn)量提升為54077.8～72425.8t，每月產(chǎn)量為162～217萬t，每年產(chǎn)量1784～2390萬t，效率是現(xiàn)階段的1.8～2.4倍。

3.2.5 提高支架移架和推溜速度、護(hù)幫板收放速度

通過對曹家灘122107綜放面一個多月的現(xiàn)場跟班實(shí)測，得到循環(huán)移架時間為16.7s、推前刮板輸送機(jī)時間為8.9s、拉后刮板輸送機(jī)時間為9.3s、伸護(hù)幫板時間為9.6s、放護(hù)幫板時間為21.6s。據(jù)統(tǒng)計(jì)美國目前在電液控制系統(tǒng)下支架的移架循環(huán)時間已經(jīng)減少到6～8s。只有提高這些設(shè)備的動作時間才能保證與采煤機(jī)快速割煤速度相適應(yīng)。因此，按采煤機(jī)運(yùn)行速度6～8m/min計(jì)算，循環(huán)移架時間應(yīng)為8.4～11.1s、推前刮板輸送機(jī)時間應(yīng)為4.5～5.9s、拉后刮板輸送機(jī)時間應(yīng)為4.7～6.2s、伸護(hù)幫板時間應(yīng)為4.8～6.4s、放護(hù)幫板時間應(yīng)為10.8～11.4s。

3.3 綜放工作面放煤方式優(yōu)化研究

結(jié)合曹家灘煤礦的地質(zhì)條件，采用PFC2D模擬軟件對單輪順序成組放煤、單輪間隔成組放煤、兩輪順序成組往返放煤三種放煤方式進(jìn)行研究，三種放煤方式條件下各階段頂煤回收率的時空分布特征如圖10所示。通過對比三種放煤方式的頂煤回收率變化特征可知，“兩輪順序成組往返放煤”的頂煤回收率遠(yuǎn)高于單輪順序、單輪間隔放煤，曹家灘煤礦放煤方式可以調(diào)整為兩輪順序成組往返放煤。

圖10 三種放煤方式下綜放面頂煤回收率分布曲線

4 結(jié) 論

1)通過實(shí)測得出：采煤機(jī)在機(jī)頭側(cè)斜切進(jìn)刀距離55.4m；在機(jī)尾側(cè)距離為57.45m；采煤機(jī)完成一個采煤循環(huán)所用時間88～90min；采煤機(jī)機(jī)頭(機(jī)尾)進(jìn)刀速度7.1～7.2m/min、機(jī)頭(機(jī)尾)割三角煤速度4.1～4.6m/min、機(jī)頭(機(jī)尾)直線段割煤速度4.0m/min；工作面平均開機(jī)率為75.2%；每個支架放煤時間在100～140s范圍內(nèi)隨機(jī)分布，均值介于110～120s。

2)曹家灘綜放工作面工藝再優(yōu)化提高的主要途徑：適度加大工作面長度至350m、提高采煤機(jī)截深至1.0m、提高采煤機(jī)割煤速度至6～8m/min、同時循環(huán)移架時間應(yīng)為8.4～11.1s、推前刮板輸送機(jī)時間應(yīng)為4.5～5.9s、拉后刮板輸送機(jī)時間應(yīng)為4.7～6.2s、伸護(hù)幫板時間應(yīng)為4.8～6.4s、放護(hù)幫板時間應(yīng)為10.8～11.4s，工作面月產(chǎn)量可以達(dá)到162～217萬t，年產(chǎn)量可以達(dá)到1784 ～2390萬t，放煤方式調(diào)整為兩輪順序成組往返放煤，開采效率將是現(xiàn)階段的1.8～2.4倍。