浅埋坚硬煤层6.0m大采高关键装备参数优化确定.ppt

浅埋坚硬煤层6.0m大采高 关键装备参数优化确定 郭佐宁 黄永安 党春才 刘韩勇,浅埋坚硬煤层6.0m大采高关键装备参数优化确定,作者简介： 郭佐宁（1965-），男，陕西韩城人，高级工程师, 主要从事矿井建设与矿井安全生产管理等工作； 黄永安（1973-），男，陕西韩城人，高级工程师； 党春才（1964-），男，陕西韩城人，工程师； 刘韩勇（1972-），男，陕西韩城人，高级工程师；,浅埋坚硬煤层6.0m大采高关键装备参数优化确定,摘要：浅埋坚硬煤层大采高开采中,工作面关键设备的配套稳定运行是大采高开采的技术关键,文章系统介绍了工作面关键设备的配套选型过程,为实现浅埋坚硬煤层大采高工作面安全高效开采提供了有力的保障。 关键词：浅埋煤层，坚硬煤层，大采高，参数优化,浅埋坚硬煤层6.0m大采高关键装备参数优化确定,大采高综采工作面装备配套是实现安全高产高效的关键技术之一。要使采煤机和刮板机的生产能力满足工作面的产量要求，支架的移动速度要跟得上采煤机的牵引速度。采煤机、液压支架和刮板机在性能、结构、采面空间要求、联接形式、强度和尺寸等方面，必须互相适应和匹配。,0 前言,浅埋坚硬煤层6.0m大采高关键装备参数优化确定,陕煤集团神木张家峁矿业有限公司张家峁矿井位于陕西神木县店塔镇，设计年生产能力600万吨。首采面开采的是主采煤层5-2煤，该煤层位于延安组第一段中部或上部，工作面煤层埋藏深度88.6132.9m，底板标高1075.491079.28m，煤层近水平赋存，属沉积稳定的厚煤层。,1 工程概况,浅埋坚硬煤层6.0m大采高关键装备参数优化确定,5-2煤层直接顶板以泥岩为主，其次为粉砂岩、砂质泥岩，厚0.7m，呈深灰色，团块状，含大量植物茎、叶化石，易风化破碎。岩石平均抗压强度为23.10MPa，属不稳定较稳定型（）；煤层的基本顶以细粒砂岩为主，次为粉砂岩，厚6.6m，浅灰色，成份以长石、石英为主，泥钙质胶结，夹黑色条带，分选区性较好,原生结构有块状层理、槽状层理、大型板状交错层理。单层厚度大，构造结构面不发育。抗压强度为10.948.2MPa，平均27.44MPa，属半坚硬类不易软化岩石，岩体较完整。,1 工程概况,浅埋坚硬煤层6.0m大采高关键装备参数优化确定,5-2煤层底板以粉砂岩为主，泥岩次之，厚2.3m，深灰色，块状，含植物根部化石，泥质胶结，夹细粒砂岩薄层。岩石平均抗压强度26.37MPa，基本属不稳定型较稳定型（）。 张家峁煤矿的5-2煤层煤层赋存特征，即浅埋深、煤层与顶板坚硬。首采工作面设计为6.0m大采高工作面，设计为两进一回，其中辅运长度1648m，运顺长度1613m、回顺长度1578m，切眼长度265m，回采面积1483265m2。,1 工程概况,浅埋坚硬煤层6.0m大采高关键装备参数优化确定,2.1支架架型确定 在复杂开采地质条件下，回采过程中，采高大，支架重心高，稳定性与可靠性问题是难题1,2。为确保支架在工作过程中各部件受力，对支架进行了三维数值计算分析，如图1和图2所示。,2 大采高工作面支架参数确定,浅埋坚硬煤层6.0m大采高关键装备参数优化确定,图1 液压支架数值计算模型,图2 液压支架荷载和约束,浅埋坚硬煤层6.0m大采高关键装备参数优化确定,顶梁上加均布压力，前段大小P1=1.56MPa，后端P2=6.36MPa，合力大小等于支架工作压力12000kN。支座底面全部约束。如图3所示，支架在顶板压力P(合力为P)、支架自重W、上下邻架挤靠力PS，PX，初撑力q(合力为Q)、底板反力R作用下处于平衡状态。假设倾斜顶板对支架产生的压力仍认为它沿重力方向，当顶板压力不断增大，支架立柱达到额定载荷，开启安全阀门调整后，立柱的支撑力就表现为顶板压力的分力，支架所受合力作用点可能要偏出支架下边缘，导致支架倾覆。,2 大采高工作面支架参数确定,浅埋坚硬煤层6.0m大采高关键装备参数优化确定,图3 支架与围岩相互作用关系,在力矩极限平衡条件时，底板反力作用点在O点处，此时有 .(1) (2) 式中，h为支架高度；为工作面煤层倾角；B为支架底座宽度；b为支架自重作用方向与支架底座下边缘的水平距离；h为重心高度。 从式(2)可看出b与成反比。当支架底座越宽、支架重心越低、支架越稳定，适应性越强。降低支架的重心，增加底座与底板接触面积，使整台支架有稳定性基础。图4图6分别描述各机构的应力与位移计算结果。,浅埋坚硬煤层6.0m大采高关键装备参数优化确定,浅埋坚硬煤层6.0m大采高关键装备参数优化确定,图4 位移分布,图5 顶梁等效应力布,浅埋坚硬煤层6.0m大采高关键装备参数优化确定,图6 连杆的应力分布,浅埋坚硬煤层6.0m大采高关键装备参数优化确定,2.2支架高度确定 支架支护高度按下式计算确定： 最大高度： HmaxMmax+S1 (3) 式中：Mmax-工作面设计最大采高，取6.0m；S1-伪顶厚度或浮煤冒落厚度，取0.2m。 最小高度： HminMmin -S2 . (4) 式中：Mmin-工作面设计最低采高，取3.2m；S2-顶板最大下沉量和支架前移时的最小可缩量，取0.25m。 根据以上公式计算，液压支架的最大高度为6.2m，最小高度2.95m左右。,浅埋坚硬煤层6.0m大采高关键装备参数优化确定,2.3支架工作阻力确定 支架与围岩相互作用是个双馈动力学过程。随着开采高度增加，直接顶和基本顶垮落和运移空间增大，使得基本顶悬臂长度、回转角度和活动程度增加，支架将承受破断岩层大范围运动引起的动载荷，支架易失稳3,4。支架最大工作阻力初步确定为12000kN。基于物理模拟和三维数值计算表明：工作面实验支架的工作阻力普遍都在8000kN左右工作，个别支架工作阻力比初撑力还低。在非来压期间，工作面实验支架的工作阻力并不高，绝大部分支架是在初撑力附近工作，在裂隙贯通地表时实验支架阻力超过11000kN，达到最大为11668kN，小于支架最大工作阻力12000kN。,浅埋坚硬煤层6.0m大采高关键装备参数优化确定,2.4支架支护强度的校验 支架支护强度按以下经验公式计算： P=(68)M 式中：P-支架支护强度，t/m2；M-采高，取6.0m； -顶板岩石容重，取2.5t/m3。 经计算，液压支架的支护强度为：90120t/m2。 根据支架支护强度的计算，借鉴国内外液压支架选型经验及高产高效工作面的特点，5-2煤回采工作面液压支架的技术参数确定为：架型为掩护式，支撑高度2.86.2m，支护强度不小于120t/m2，工作阻力大于1000t，推移行程不小于950mm，支架中心距1750mm。移架方式采用电液阀控制并要求能与采煤机联动，能显示支架工作状态、故障情况；具有随机操作和成组操作功能；移架速度低于10s。 根据以上技术要求，最终确定ZY12000/28/63D型掩护式液压支架，主要技术参数为：支撑高度2.86.3m，支架中心距1750mm，工作阻力12000kN。,3.1 采煤机稳定性控制 张家峁大采高工作面开采过程中，采煤机重心高，稳定性差；煤层硬，采煤机稳定性差。因此必须考虑采煤机的性能参数(采高、截深、最大牵引速度和最大牵引力等)以及在走向上要和支架与刮板运输机推移(距离与速度)保持最佳匹配。采煤机的采高应与煤层厚度变化范围相适应。在实际开采中，由于浮煤和顶板下沉的影响，工作面的实际高度会在开采过程中变小，为保证采煤机正常工作，采高应满足下列关系： Hmin=(1.11.2)Htmin (5) Hmax=(0.90.95)Htmax (6) 式中，Hmin、Hmax、Htmin和Htmax分别为采煤机和支架的最小与最大采高。,浅埋坚硬煤层6.0m大采高关键装备参数优化确定,3 采煤机主要参数确定,3.2 采煤机关键参数确定 基于工作机构牵引力、输送机牵引阻力和摩擦阻力影响等，通过计算(公式(7)，装机功率2300kW，截深0.865m。 (7) 式中，-采煤机牵引力;-工作机构牵引力;-将煤装入输送机牵引阻力;-机器重量,随机移动电缆,水管重量与机器移动时产生摩擦阻力;-煤层倾角引起下滑力;-滑靴被卡等产生附加阻力。,浅埋坚硬煤层6.0m大采高关键装备参数优化确定,3 采煤机主要参数确定,据统计，国外高产高效工作面的开机率一般在70%以上，最高达97%；国产高产工作面的开机率平均50%，神东矿区引进设备已达到80%以上。考虑本矿井为新建矿井，初期管理水平及开采经验较少，设计确定采煤机组每班开机率为55%。按矿井设计生产能力6.0Mt/a考虑，首采5-2煤层长壁综采工作面年日产量应在18000t/d左右，则采煤机的平均截割牵引速度可按下式计算： .(8) 式中： L-工作面长度，m；取260m H-采高，m；平均取6.0m B-截深，m；取0.8m -煤层容重，t/m3；取1.32t/m3 T-每班工作时间，h；取6h I-采煤机开缺口行程，m；取50m K-采煤机组开机率，%；取55% C-工作面回采率，%。取93,浅埋坚硬煤层6.0m大采高关键装备参数优化确定,经计算，采煤机的平均截割牵引速度V6.11m/min，平均割煤能力2700t/h。采煤机的实际截割牵引速度应根据煤层厚薄变化适当调整，空载时要求其速度不小于20m/min，以减少辅助工作时间。国外“双高”工作面采煤机的实际截割速度普遍都在811m/min以上，最高达13m/min。根据国内外采煤机割煤能耗资料，开采1t煤所需能量为0.80.9kW.h，按照能耗系数法，根据以上计算的采煤机平均截割牵引速度及割煤能力，求得5-2煤采煤机功率为21602430kW。 根据以上计算，并考虑切割硬煤的要求，应适当加大采煤机的切割功率。设计5-2煤选用引进的大功率电牵引双滚筒采煤机，滚筒直径3.2m，装机功率2300kW左右，截深0.865m，最大采高6.3m，额定生产能力大于2700t/h，牵引方式为销排式无链电牵引，额定电压3300V，频率50Hz。,浅埋坚硬煤层6.0m大采高关键装备参数优化确定,根据环节能力配套的原则，并考虑一定的峰值富余系数，工作面刮板输送机、转载机、破碎机的生产能力为2220t/h。表1是主要设备技术参数。,浅埋坚硬煤层6.0m大采高关键装备参数优化确定,4 配套三机参数确定,浅埋坚硬煤层6.0m大采高关键装备参数优化确定,表1 大采高工作面主要设备选型及技术参数,浅埋坚硬煤层6.0m大采高关键装备参数优化确定,图7 大采高工作面采煤机、支架与刮板输送机,浅埋坚硬煤层6.0m大采高关键装备参数优化确定,依据张家峁煤矿5-2煤的复杂赋存条件，所有配套装备在设计方面首先集成了国内不同生产厂家的先进技术与经验，实现配套装备设计的国产化；联合国内技术力量雄厚的装备制造企业，针对张家峁生产目标协同制造。图7描述了矿区使用的大采高工作面采煤机、支架与刮板输送机。,4 配套三机参数确定,浅埋坚硬煤层6.0m大采高关键装备参数优化确定,浅埋坚硬煤层大采高开采中,工作面关键设备的配套稳定运行是大采高开采的技术关键,通过科学和合理选型，得出大采高工作面关键设备参数： (1)大采高工作面选择国产ZY12000/28/63D型掩护式液压支架，主要技术参数为：支撑高度2.86.3m，支架中心距1750mm，工作阻力12000kN。,5 结论,浅埋坚硬煤层6.0m大采高关键装备参数优化确定,(2)大采高工作面采用大功率电牵引双滚筒采煤机，滚筒直径3.2m，装机功率2300kW左右，截深0.865m，最大采高6.3m，额定生产能力大于2700t/h，牵引方式为销排式无链电牵引，额定电压3300V，频率50Hz。 (3)工作面刮板输送机