利用综采技术在较薄煤层工作面实现高产高效的研究

2018-03-16王红智

机械管理开发 2018年2期

王红智

（西山煤电集团公司西曲矿通风二队，山西　古交　030200）

引言

随着我国经济的快速发展，对能源尤其是在能源中占据主导地位的煤炭需求越来越大，对煤炭企业的开采能力也提出了越来越高的要求。而随着煤田的逐步开采，矿井的地质条件也越来越复杂。综采技术是针对煤炭企业作业的一种现代开采方式，由于其具有高机械化、高安全性与高效率等优点，使其越来越受到煤炭企业的重视并广泛应用，但此种开采方式目前主要用于中厚煤层，在薄煤层鲜有应用。在我国，由于在很多煤矿中薄煤层资源储量丰富，且在很多地区所占比重都超过50%；另外，其具有分布广、煤质好的特点，受到设备移动困难、断层等投入产出比较低等影响，使得针对薄煤层的机械化开采进步较慢。从煤炭资源的可持续发展来看，通过积极开发薄煤层可以延长煤田的开采年限，所以如何将综采技术应用到较薄煤层的工作面中实现高效高产，是目前的重点研究内容。

1　薄煤层综采技术发展现状

在我国，针对煤层的厚度有不同程度的划分，当厚度在0.8m以下时，煤层属于极薄煤层，当厚度在0.8～1.3m时，煤层属于薄煤层，我国薄煤层的可采煤炭储量约为60万亿t。表1为我国主要产煤区中薄煤层的分布情况。

表1　我国主要产煤区中薄煤层的分布情况

目前我国针对薄煤层的综采技术还处于起步阶段，各煤炭企业主要采取滚筒采煤机与刨煤机配液压支架的综采法两种技术进行薄煤层的开采。其中滚筒采煤机是我国在1974年研制成功的，型号为BM-100，主要有如表2所示的4种薄煤层专用机型。

表2　几种薄煤层专用滚筒采煤机型

滚筒采煤机具有诸多优点，主要为：适应能力较强，能够在煤层厚度变化较大的工作面上平稳工作；对地形条件具有较强适应能力，在某些复杂情况下可强行通过；适用于当煤层含有夹矸时的回采，且不影响进度与煤产量；对工作面的长度要求较低。但也存在缺点，表现为一般采用液压控制，系统比较复杂，制作工艺繁琐，购买及运行维护成本较高，一线采煤工人需较长时间才能掌握运行技术。

刨煤机的主要特点包括：结构简单，运行、维护简单；可以使一线人员与机器分离，极大地缓解工人劳动强度与生产条件；采煤过程中的粉尘量少、能耗低；适用于可能存在瓦斯的煤层开采。

与中厚煤层相比而言，我国薄煤层的机械化长壁工作面主要存在以下几方面的问题：工作条件较差，采煤设备移动比较困难；采掘比大，采煤工作面经常出现接替的紧张局面；工作面布置较困难；经济效益相比较低。

所以，实现较薄煤层高产高效开采的主要途径还应实现综采机械化[1]。

2　综采技术分析

某煤矿为立井开拓，包含6层可采煤层，从上到下标记为1号、2号、3号、4号、5号与6号，其中1号、3号、5号为薄煤层。1号与5号煤层比较稳定，3号煤层不稳定。各煤层中顶板的主要成分为粉砂岩、砂质泥岩与细粒砂岩，条件中等。6个煤层中，前两个煤层中瓦斯浓度较低，后4个煤层的瓦斯浓度较高。

在薄煤层，综采技术的实现首先要考虑采煤设备的选择，主要包括支架、采煤机、转载机、运输机等部分。合理的设备可以使综采技术达到最优发挥[2]。

2.1　支架的确认

工作面中的采面顶板和开采高度共同决定了支架的类型，中等或以下的地质条件一般选择掩护式支架，其他情况地质条件选择支撑式支架[3]。与此同时，采面高度与支架高度间的关系是最大采高，应在支架下方10 cm处，而最小采高应在支架上方30 cm处。除了采面顶板和开采高度以外，在确定支架过程中，还需考虑顶底板比压，支架的支护强度应大于顶板压力，而支架对底板比压应小于实测底板比压，并且顶板压力与底板比压差越大越好。

本采区中，1号煤层的厚度平均为1.17m左右，为了提高效率、增大开采范围，确定支架的最大支撑高度为1.55m，最小支撑高度0.8m。与此同时，支架支护强度的经验公式为：

式中：M为开采高度，取1.55m；γ为顶板岩石容重，取2.6 t/m3。

代入数据，计算得P=0.24～0.32MPa

根据以上材料，选择ZY400/08/17型号的掩护式液压支架，他的支撑高度范围在0.8～1.7m之间，支撑的强度大于0.625MPa；与此同时，其工作阻力大于4 000 kN，推移行程为800m，此种型号的支架也适用于3号与5号煤层。

2.2　采煤机的确认

在决定使用何种采煤机的过程中，其主要决定因素为采面的高度、工作面煤层的软硬程度以及采面的倾斜角度等，最适合的采煤机一定是其采高能力、切煤力度以及牵引强度等都与其所在的综采工作面相符合[4]。现在比较常用的有滚筒式采煤机和刨煤机两种机型。其中滚筒采煤机一般适用于采高在0.8m以上、煤层倾角在25°以下，且不存在大断层和褶曲等的薄煤层。而刨煤机一般适用于煤层厚度变化较小、倾角在25°以下、无较大断层和陷落柱等的地质构造，煤不粘顶、顶底板起伏小、非松软型底板、可刨性强的薄煤层[5]。采煤机割煤速度与工作面单产水平间的关系主要是：

式中：Qd为某工作面平均一天的产量，取2 000 t；L为工作面的长度，取160m；H为开采的高度，取1.17m；B为截深，取0.8m；γ为煤层的容量，取1.35 t/m3；T为每个工作班组的工作时间，取6 h；I为采煤机工作过程中的开缺口行程，取40 m；K为开机率，取50%；C为回采率，取97%。

最后代入各数值，得到V=3.52m/min，最大割煤速度为4.58m/min，最大生产能力为361 t/h，根据计算的具体结果，结合3号与5号煤层的特点，选择MG132/310-BW型采煤机。

2.3　转载机、运输机型号确认

在将支架与采煤机的型号确定完成后，还需根据采面的最大生产能力来确定转载机与运输机的型号。根据环节能力的配套要求，最终选择SGW630/150C型号的刮板运输机，运输能力达到250 t/h；转载机型号为SZD730/40，运输能力达到400 t/h；破碎机型号为PEM1000650I，破碎能力为450 t/h。

2.4　两巷支护的确认

如果可以合理的进行两巷支护，此措施便能够极大地缩短过机头、机尾的时间。实际生产中，两端入刀的总时间约占总割煤时间的1/2，伴随着两巷支护质量的降低，其所占时间还将上升。如果采用锚网、锚索联合支护，那么其工作效率将是单纯工字钢支护的2～3倍。本煤井中的两巷超前支护均采用KQDZ-2800型单体液压支柱配合一排HDL-3000型的π字钢梁进行维护，与此同时，超前20m范围内采取一梁两柱的支护形式[6]。