薄煤层开采技术与装备研究

袁 亮

（煤矿瓦斯治理国家工程研究中心,淮南矿业集团公司,安徽淮南 232001）

薄煤层开采技术与装备研究

袁 亮

（煤矿瓦斯治理国家工程研究中心,淮南矿业集团公司,安徽淮南 232001）

以淮南矿区“三软”煤层和复杂地质条件下薄煤层开采设备为研究对象,采用理论分析、计算机辅助设计、现场实测相结合的综合研究方法,在总结分析国内外相关技术基础上,通过对综采设备关键技术的创新与集成,提出了液压支架、采煤机新型成套设备等选型和设计原则,并研发出薄煤层开采的液压支架、采煤机新型成套设备,实现了薄煤层开采的自动化和安全高效。

薄煤层;设备选型设计;自动化;安全高效开采

淮南矿区是我国高瓦斯复杂地质条件的典型代表,为高瓦斯、低透气性、煤层群开采条件。为有效地治理瓦斯,淮南矿区打破传统的自上而下的煤层开采程序,在煤层群中选择突出危险性较弱的薄煤层作为保护层首先开采,并且强制规定厚度大于0.8m的保护层必须开采[1-3]。

薄煤层安全高效综合机械化开采是当今煤炭生产中的世界性难题[5-7]。由于薄煤层赋存条件不稳定或极不稳定,工作面受开采高度限制、破岩及装备等因素影响,开采难度大[4-8]。据统计,我国薄煤层煤炭资源储量约占总储量的 20%,仅国有煤矿薄煤层储量就达 6.15Gt以上,85%以上的矿区均赋存有薄煤层[7]。目前,我国薄煤层开采存在采煤机械化程度低,工作面单产和效率低,开采成本高,工人劳动强度大等情况,薄煤层采出量仅占全国煤炭产量的 10.4%[4-6]。因此,开展薄煤层开采技术与装备研究,对于提高薄煤层煤炭产出量具有重要意义。

事实上,实现薄煤层安全高效开采,根本出路在于机械化[4-8]。必须研制出适合薄煤层开采的液压支架、采煤机、输送机 “三机”配套设备,设备须满足大功率、重型化、小体积和高可靠性的要求,实现工作面的自动化操作和控制。本文根据淮南矿区“三软”煤层和复杂地质条件下 0.85～1.6m厚煤层的赋存特点,对此展开了研究。

1 薄煤层液压支架的选型原则及设备研制

1.1 薄煤层液压支架选型原则

（1）适应淮南矿区薄煤层赋存条件,满足矿区长期发展的战略要求。

（2）支架设计在最新颁布的煤炭行业标准《液压支架通用技术条件》MT312-2000基础上,支架耐久性试验次数增至 30000次,达到国内同行业技术领先水平。

（3）支架结构简单、可靠,技术性能先进。

通过优化设计,改善力学特性,合理的梁体截面、筋板配置和焊缝设计,合理选材,在保证支架高可靠性的前提下,减轻支架重量。

（4）运用计算机辅助设计手段,对支架四连杆机构进行参数优化、受力分析和结构强度校核,满足支架高可靠性要求。

（5）总结多年支架设计经验,充分吸收国内外同类支架的先进结构,满足使用要求。

（6）支架组焊件材料选用满足性能要求的高强钢板,保证支架的高可靠性和耐久性。

（7）采用先进的大流量电液控制快速移架系统,提高工作面推进速度。

1.2 薄煤层液压支架研制

根据国内、外高产高效矿井的成功经验和发展方向,通过架型特点的分析,结合淮南矿区薄煤层工作面条件,根据薄煤层液压支架选型原则,选用掩护式 （二柱）液压支架,研发出适合 0.85～1.6m薄煤层开采的 ZY5000/8.5/17D型电液控制掩护式液压支架,其主要技术参数如表 1所示。

表1 ZY5000/8.5/17D型掩护式液压支架主要技术参数

1.3 过渡支架选型原则

过渡支架 （或称排头支架）主要是支护工作面上、下出口处的顶板,保护输送机机头、机尾电机、减速器等设备,提高工作面机头、机尾段推进速度以及管理质量。其选型不仅要满足工作面中部液压支架的选型原则,还应满足以下原则:

（1）支撑高度要能满足工作面上下巷高度。（2）工作阻力要比工作面中部液压支架高。

（3）过渡支架的液压油缸以及操作系统、阀类、附件等应与工作面中部液压支架尽量通用。

（4）过渡支架的结构件与工作面中部液压支架结构件形式尽量保持一致。

1.4 过渡支架设备设计

按照以上过渡支架选型原则,结合工作面中部液压支架参数及结构,针对试验工作面煤层厚度及配套设备,研发出 ZYG5000/11/26D型电液控制掩护式过渡液压支架,其主要技术参数如表 2所示。

表2 ZYG5000/11/26D型过渡液压支架主要技术参数

本过渡支架在与之配套的 ZYG5000/11/26型掩护式工作面液压支架基础上,保持液压油缸以及操作系统、阀类、附件等与中部架通用,结构尺寸满足配套设备的需要的前提下设计、制造的,较好地保证了支架备件的通用性,便于管理。

但是,由于高度等不同,其结构件强度需相应加强。其与中部架主要不同点见表 3。

表3 过渡支架与中部架主要不同点

2 薄煤层采煤机的选型原则及设备研制

2.1 采煤机选型原则

（1）高可靠性。

（2）采用交流电牵引,加大装机功率。

（3）采用非机载变频调速系统。

（4）采用多电机横向布置驱动结构。

（5）机面高度低。

（6）具有一定的过煤空间。

（7）加大截深。

（8）机电设备和人身安全保护完善。

（9）功能全、性能好。

2.2 采煤机设备研制

结合国内目前薄煤层综采设备研制水平,工作面薄煤层综采机组应选用滚筒式采煤机进行开采,开发出大功率、矮机身、装煤效果良好的薄煤层电牵引滚筒式采煤机,技术参数如表 4。

表4 滚筒式采煤机主要技术参数

3 薄煤层刮板输送机的选型原则及设备研制

3.1 薄煤层刮板输送机选型原则

针对淮南矿区薄煤层赋存条件及本项目设备配套水平,刮板输送机的选型按照以下原则:

（1）输送量应与采煤机最大生产能力相适应,并有一定备用能力。

（2）以工作面生产能力上限为基础,加大装机功率及相关零、部件强度,提高设备可靠性,降低维修量。

（3）结合煤质硬度、块度、运量以及可靠性,选择链条结构形式。

（4）优先选用双电机驱动。

（5）电机功率大小及台数应根据采面倾角、输送机铺设长度及输送量大小而定。

（6）输送机铺设长度可根据刮板输送机技术特征,输送量、链速和采面倾角等因素确定。

（7）溜槽的结构选择整体铸焊槽帮、封底式溜槽,尽量提高溜槽中板的耐久性能。

3.2 薄煤层刮板输送机设备研制

根据刮板输送机的选型原则,研制出适应薄煤层的国内较大装机功率的 SGZ800/2×400刮板输送机,其主要技术参数如表 5。

表5 SGZ800/2×400刮板输送机主要技术参数

4 工作面设备总体配套

工作面设备总体配套的主要目标是按照已定选型配套原则,达到各设备生产能力、结构尺寸等方面的协调和优化配置。

设备生产能力的配套包括:工作面产量与设备能力间的一致、推进速度与设备性能间的协调。按照淮南矿业集团的生产组织及管理、技术水平,年生产月按 10个月,年工作日 300d计;“三八”制作业方式,平均每班生产时间 6.5h,每班进 7刀,采煤机截深 0.8m计,各设备生产能力如表 6。

表6 设备的生产能力

设备结构、尺寸的配套主要目的是在已选型设备基础上,保证各配套设备啮合、搭接形式、尺寸合理性和各设备的优化配置,使各设备发挥出各自的能力和性能,提高成套设备可靠性、稳定性、协调性。工作面 “三机”的配套包括液压支架、采煤机、输送机工作面中部、机头机尾段的配套。

5 其他配套设备

SZZ800/250型转载机,主要技术参数见表 7。

表7 SZZ800/250型转载机技术参数

PCM200型锤式破碎机,主要技术参数见表 8。

表8 PCM200型锤式破碎机主要技术参数

BRW-400/31.5型乳化液泵技术参数见表 9。

表9 BRW-400/31.5型乳化液泵技术参数

KBSGZY-1600/10/3.3（2台）和 KBSGZY-630/10/1.14型移动变电站,技术参数见表 10。

表10 移动变电站技术参数

DSJ1000/120/2×200型胶带机技术参数见表 11。

表11 DSJ1000/120/2×200型胶带机技术参数

6 采煤工艺

（1）采煤方法 走向长壁后退式布置,一次采全高全部垮落法处理顶板,工作面自西向东,见顶见底开采。在煤层变薄区煤层达不到 1.2m时,采煤机截割顶或底板通过。

（2）工作面顶、底板处理措施 割煤后,及时移架,防止顶板破碎冒落,以保证工作面顶板平整;确保支架初撑力,防止顶煤或直接顶过早离层破坏;加快工作面推进速度,提高循环速度,减少顶板暴露时间,使顶板易于控制;带压移架,防止顶煤或顶板由于卸载松动而造成破碎冒顶。

（3）煤壁控制措施 充分发挥支架的支撑能力,切实保证支架有效初撑力,减小煤壁中的支承压力;针对煤壁及端面顶煤的重力与煤壁自由面的角度关系,合理布置工作面,减小煤体主动下滑力;合理掌握进尺。根据上、下巷的标点,控制工作面机头超前量,实行班班验收制。采用合理的割煤、移架和推溜工艺控制支架下滑和倾斜,由机头开始移架推溜控制下滑;由机尾开始移架推溜控制输送机上窜;加快工作面推进速度,防止煤体因水泡的时间过长而出现松软现象。

（4）提高采出率措施 减少初、末采煤炭损失。工作面开切眼沿煤层底板掘进是减少工作面初采损失的重要途径;工作面末采时,取消爬坡收尾方法;采用工作面巷道沿空掘巷技术。根据矿压理论,沿采空区掘进巷道时,巷道位于应力降低区,有利于巷道维修。采用沿空留巷可利于减少护巷煤柱损失,提高煤炭资源采出率[4];提高工作面设备装运煤效果。采煤机和输送机的装煤距及过煤高度要适应,滚筒装煤叶片的结构及布置要合理。

7 应用情况

研发的薄煤层开采装备,经谢一、新庄孜、潘二矿等 5个工作面试验,结果显示,“三机”配套基本合理,支架控顶距、梁端距控制较好。采用100%国产化装备,基本达到了采高 1.4m;适应煤层最大倾角 30°;满足年产 1.0Mt的要求。

薄煤层装备的具体使用效果如下:

（1）谢一矿 5121B10工作面 该工作面自2008年 4月 18日正式开始回采,采高 1.6m,截止2009年 7月 24日,共进尺 790m,剩余可采长度270m,采煤 443800t,开采保护层面积 134300m2,单月最高产量为 2008年 7月份 85459t,单日最高产量 7月 18日 3725t（9刀）,平均月产量 56kt。

（2）潘二矿 12125工作面 该工作面 2008年6月投产,截止到 2009年 6月底,工作面已进尺500m,生产原煤约 326kt,开采保护层面积约77500m2。最高月产量 48kt,平均月产量 27kt。

（3）新庄孜矿 62114工作面 该工作面 2009年 3月投产,截止到 2009年 6月底,工作面已进尺 225m,生产原煤约 129kt,开采保护层面积约36000m2。最高月产量 48kt,平均月产量 32kt。

（4）谢一矿 5121C15工作面 自 2008年 11月 1日正式开始回采,采高 1.6m,截止 2009年 7月 24日,共进尺 480m,剩余可采长度 1200m,共采煤 426500t,开采保护层面积 115200m2,单月最高产量为 2009年 1月份 60168t,最高日产 2009年7月 1日 3847t,平均月产量 47kt。

（5）潘二矿 11125工作面 受首采面 12125工作面推进缓慢影响,2009年 7月份投产,2010年 8月收作,合计产量 474kt,平均月产 34kt。

8 结论

结合淮南矿区薄煤层工作面煤层开采技术条件,对在“三软”煤层和复杂地质条件下进行薄煤层开采的设备总体要求和功能特点、工作面采煤机、输送机和液压支架的综合配套参数和选型等问题进行了研究分析,研制开发出了大功率、矮机身、高可靠性薄煤层滚筒式采煤机;大工作阻力、高可靠性薄煤层电液控制液压支架;大断面、高可靠性工作面输送设备。在此基础上满足合理和必要的行人和工作空间,研究开发出适应淮南矿区具有代表性的薄煤层赋存特点的薄煤层综采机组。该技术和装备分别在谢一矿、新庄孜矿、潘二矿等 5个工作面进行了试验和推广应用,最高日产 3847t,最高月产 85kt,年产量约 800kt,最高年开采保护层面积 130000m2。基本达到了采高 1.4m、适应煤层最大倾角 30°、年产 1.0Mt的攻关要求。

[1]袁 亮 .淮南矿区现代采矿关键技术 [J].煤炭学报,2007,32（01）:8-12.

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[9]杨怀敏 .复杂地质条件下薄煤层综采技术的研究与实践[J].矿业研究与开发,2009（01）.

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

国家“十一五”科技支撑计划资助项目:矿井深部开采安全保障技术及装备开发 （2007BAK28B00）

袁 亮 （1960-）,男,安徽金寨人,中国工程院院士,煤矿瓦斯治理、煤炭安全高效开采专家。现任煤矿瓦斯治理国家工程研究中心主任,淮南矿业 （集团）有限公司董事、副总经理,中国矿业大学安全工程学院院长,中国煤炭学会副理事长,中国岩石力学与工程学会副理事长。

[责任编辑:邹正立 ]