薄煤层安全高效开采技术

薄煤层安全高效开采技术 二0一0年八月 1 概述我国把厚度小于1 3m的煤层称为薄煤层 目前一般国有煤矿的最小开采厚度为0 8m 一些地方小煤矿的最小开采厚度为0 5m 现在华东华北许多矿井都面临薄煤层开采的技术难题 薄煤层开采设备与技术正在论证列为国家十二五科技支撑计划项目 1 1 我国国有重点煤矿薄煤层资源情况根据 十五 期间对我国97个国有重点煤矿的统计 其中有77个矿务局424个矿井中 赋存着765薄煤层 保有工业储量98 3亿t 可采储量61 5亿t 约占总可采储量的19 其中厚度在0 8 1 3m的占86 2 厚度小于0 8m的占13 8 1 2薄煤层开采的特点采高低 人员在工作面只能爬行 甚至以卧姿作业 工作条件差 设备移动困难 掘进率高 工作面接替紧张 长壁机械化工作面投入产出比高 单产 工效及经济效益低 由于薄煤层开采的特殊性 造成薄煤层长壁机械化开采发展缓慢 目前主要以炮采和机采为主 薄煤层机械化开采较成熟的工艺主要有长壁式开采 螺旋钻机开采 连续采煤机房柱式开采 急倾斜煤层钢丝锯开采 1 3薄煤层开采条件20世纪90年代 我国薄煤层的产量只占总产量的8 10 极薄煤层产量所占的比例更少 与厚煤层和中厚煤层相比 相应的采煤机械化程度要低得多 极薄煤层只有在以下条件才可能开采 属特殊需要的优质煤 相邻的主采煤层有冲击地压危险或有煤与瓦斯突出危险 极薄煤层可作为解放层 矿井或采区尚未报废 剩余的储量为极薄煤层 劳动力价格低廉的小煤窑 2 薄煤层开采技术现状国外薄煤层开采除俄罗斯等东欧国家采用过螺旋钻 气垫支护外 以德国 美国为代表的先进采煤国家大多采用刨煤机 综采 并发展薄煤层自动化工作面成套设备技术 部分实现了无人工作面 2 1美国薄煤层开采情况2004 2005年美国长壁综采工作面52个 其中煤厚小于2m的薄煤层矿井21个 刨煤机工作面1个 滚筒式采煤机20个 见表1 刨煤机工作面年产量159万t 工效18 7t 工 滚筒采煤机最大年产量927万t 最大工效81 9t 工 平均年产量44817t 平均工效35 3t 工 2 2中国薄煤层开采情况我国薄煤层资源可采储量61 5亿t 占煤炭总储量的19 其中薄煤层占重点煤矿总储量的17 6 采出量不足总产量的10 铁法矿区1 5m以下薄煤层储量6 2亿t 占总储量约26 大同煤矿集团主采煤层的侏罗系薄煤层储量6亿t 采出率仅有19 20 七台河矿区煤田面积1115km2 远景储量40亿t 保有储量11亿t 煤层平均厚度仅0 86m 是全国煤层最薄的矿区之一 1991年在我国薄煤层开采中率先实现千万吨年产量 鸡西矿区煤层厚度1 0 1 4m 永安煤业公司加福煤矿开采的煤层厚度均在0 6m以下 现已回采到0 3m左右的煤层 联合布置掘半煤岩巷道万吨掘进率76 1m 重庆永荣矿务局永川煤矿煤层厚度为0 4 0 6m 属极薄煤层 该局在重庆巴南区丰盛镇建100万t的大型煤矿 可采煤层为厚0 87 1 33m 预计资源量为6000万t 2 3中国薄煤层开采技术现状中国薄煤层的开采经历了三个发展阶段 20世纪50年代主要使用炮采工艺 20世纪60年代开始使用深截深截煤机掏槽 爆破落煤 平面环行式薄煤层输送机运煤 人工装煤 木支护顶板 回柱绞车放顶 20世纪70年代以来 鸡西 淄博等矿区在改装爬底式薄煤层采煤机的基础上 1974年开始研新型薄煤层采煤机 国有重点煤矿薄煤层的开采情况1985 1997年国有重点煤层薄煤矿开采情况如表 从表中可以看出 国有重点煤矿中薄煤层回采煤量的比例总的倾势是下降的 特别是在1993年以后 国有重点煤矿开展建设安全高效矿井活动 机械化 综合机械化生产的比例不断上升 综合机械化生产煤量不断上升的时候 薄煤层的产量和产量所占比例却是不断下降的 而且薄煤层工作面的平均月产量也是下降的 这说明在国有重点煤矿对中厚及厚煤层进行综合机械化开采时 薄煤层的综合机械化开采的问题没有解决或基本没有解决 由于产量低 效率低 效益不好 开采薄煤层的积极性不高 使有的薄煤层积压未采 有的则 采厚丢薄 有的则被注销 20世纪80年代以来 单体液压支柱的应用 促进了薄煤层机组的发展 BM 100 MLL 150 YRG型等采煤机相继出现 并在鸡西 双鸭山 七台河 开滦等局使用 取得了较好的技术经济效果 近年来 我国薄煤层开采取得了一定的进展 特别是综采在薄煤层开采中的应用 促进了薄煤层开采技术的发展 我国有10多矿井薄煤层实现了综合机械化开采 我国的薄煤层 煤层变化大 地质构造多 煤层结构复杂 顶底板条件不好 实现综合机械化开采的难度大 经过多年的努力 部分赋存较稳定 顶底板条件较好 厚度为1 3 1 5m的煤层采用了引进的刨煤机进行综合机械化生产 取得了较好的效果 但大部分1 3m以下薄煤层的综合机械化开采技术仍然没有解决 使用滚筒采煤机的综合机械化开采技术是大部分厚度在1 0m以上薄煤层的技术途径 这是因为滚筒采煤机的适应性强 但是 目前我国的滚筒采煤机最薄可采到1 1 1 2nl厚 最小厚度采到1 0m的滚筒采煤机正处在研究中 煤层越薄 滚筒采煤机的装煤效果越不好 要靠刮板输送机协助装煤 大同煤业集团有限责任公司下属晋华宫矿综采三队2003年使用国产薄煤层滚筒式MG200 450 WD采煤机 最高日产量为6766t 最高月产量为160309t 年产量101万t 创国产薄煤层同类型设备产量新纪录 松藻矿务局打通一矿1993年使用从德国引进的2 200kW刨煤机 在平均厚度为0 93m的煤层中 最高日产量1700t 最高月产量23390t 最高月进度82 5m 阳泉矿务局三矿1991年试用国产刨煤机 BT26 2 75型 即达到了32795t的最高月产 在另一工作面使用了第二台刨煤机 最高日产量达到2290t 最高月产量达到42014t 此外 徐州矿务局的新河矿 庞庄矿和韩城矿务局的象山矿等使用刨煤机开采薄煤层 均取得很好的效益 3 薄煤层开采方法和设备薄煤层炮采 薄煤层综合机械化开采 薄煤层刨煤机开采 薄煤层螺旋钻开采 3 1薄煤层炮采炮采的采煤工艺主要包括 打眼 爆破 装煤 运煤 采回采工艺简单 适应性强 设备投入少 但安全性差 效率较低 难以实现高产高效 3 2薄煤层综合机械化开采对于赋存稳定 地质构造简单的薄煤层可采用薄煤层综采 是以采煤机为中心配合其他工序 完成割煤 装煤 运煤和顶板支护等整个开采过程的开采方式 薄煤层综采的主要配套设备 滚筒采煤机 液压支架 刮板输送机 液压泵站等 3 2 1滚筒采煤机开采薄煤层综合机械化开采的最大难点是采高小 因为我国薄煤层中煤硬度较大 有的时候作为瓦斯的卸压层开采的薄煤层可能出现割部分顶和部分底 以满足被解放层瓦斯释放的要求 因此 开采薄煤层时 不仅功率要大 而且机械装备的尺寸要小 主要的技术途径及要考虑的几个技术问题是 1 尽可能降低液压支架顶梁的厚度在保证支护强度的同时应尽可能降低液压支架顶梁的厚度 特别是与刮板输送机 采煤机同在一个垂直面上的部分顶梁的厚度 另外 整个液压支架也要考虑在保证支护强度和最低支护高度的情况下 保障采煤工作面的通风断面 也就是说 液压支架要使各个构件的断面要小 尽可能地减少占用通风断面及尽可能多地给人员通行 工作留下较大空间 2 降低采煤机整个机面高度现在的采煤机大部分都采用多电机驱动 横向布置有利于降低机面高度 由于截割功率较大 电机外形尺寸就大 影响了采煤机机面高度的降低 目前有的采煤机采用双电机拖动的方式来降低机面高度的方法 如MG200 456一WD型采煤机 每个截割部的截割功率是200kW 采用2个100kW电机来拖动 就减少了电机的外形尺寸 使整个机面高度降到853mm 使该采煤机一般可开采厚度为1 1 1 2m以上的煤层 同样 MG250 556一WD型采煤机 每个截割部的截割功率达到250kW 采用2个125kW电机来拖动 整个机面高度也降到853mm 也可以开采厚度为1 1 1 2m以上煤层 3 解决滚筒装煤问题由于是薄煤层 滚筒直径不可能大 而且随着煤层越薄 滚筒的直径要求越小 由此往往带来装煤效果不好 装不上煤或装不干净煤的问题 滚筒直径小 滚筒上螺旋叶片高度小 而割底矸 硬煤 硬矸要求截割头强度要高 不能通过减小轮毂直径的途径来提高叶片高度 由于螺旋叶片高度的降低 螺旋叶片对煤的推移面积减少 造成装煤效果降低 另外 由于刮板输送机本身的高度和要求保证一定的卧底量 与较低的螺旋叶片高度形成矛盾 只有通过对滚筒直径和结构形式 输送机高度 过煤空间 摇臂结构形式等进行综合考虑和协调 以求达到尽可能满足提高装煤效果和卧底量的要求 滚筒转速越高 滚筒叶片螺旋角过大时 煤易被沿切线方向抛出 不利于向刮板输送机上装煤 相反 滚筒转速过慢 滚筒叶片螺旋角过小时 煤被抛向刮板输送机上速度过小 也不利于装煤 因此要合理地确定滚筒的转速和叶片螺旋角的大小 4 尽可能缩短采煤机机身长度开采薄煤层对采煤机的要求除了降低机面高度之外 还应尽可能地减小机身的长度 以适应工作面高低起伏的条件 5 降低工作面刮板输送机的高度降低工作面刮板输送机高度的技术途径包括降低中部槽的高度 为了保证输送量和增加采煤机采煤时稳定性 可以增加刮板输送机的宽度 滚筒采煤机具有较高的破煤能力 目前 我国研制使用的薄煤层滚筒采煤机已有近20种 这些采煤机大致可分为骑溜式和爬底式两种 当采高大于0 8 0 9m时 采用骑溜式采煤机 当采高小于0 8m时 一般采用沿底板运行的爬底板式采煤机 目前 我国使用最多的是BM l00型薄煤层骑溜式滚筒采煤机 该采煤机适应于采高0 8 1 3m 煤的坚固性系数f 2 5 顶板中等稳定的薄煤层 矿用刮板输送机的溜槽最小高度为150 200mm 直接在底板上运行的爬底式滚筒采机空间高度可以减去溜槽的高度 这大大降低了对采煤机采煤空间的高度要求 我国重庆永荣矿区在煤层厚度0 5m的条件下使用国产YRG2爬底式滚筒采煤机生产已达十多年 该矿区荣冒矿四井采煤六队于1982年创造了年产原煤12 13万t 江苏宏安集团有限公司与中国矿业大学合作 在唐庄煤矿采空区上方对近距离极薄煤层进行了开采试验 2008年12月28日通过专家评审 为全国类似地质条件下极薄煤层的开采提供了宝贵的经验 世界各国主要采煤国家相继研制成功且技术先进的薄煤层滚筒式采煤机有 德国Eickhoff公司的EDW2170LN EDW2300LN 英国An2derson公司的AM420 AS270薄煤层电牵引采煤机 前苏联的K103和日本三井三池MCLE3002DR7575M等采煤机 基本上满足了采高0 6 1 7m煤层开采需要 其中EDW2300LD Electra电牵MCLE3002DR7575M型采煤机总装机功率都在300kW以上 3 2 2薄煤层刨煤机开采刨煤机用沿煤层切削的刨刀刨落煤炭 刨下的煤靠犁形板装入刮板输送机 其驱动装置设于工作面端部的平巷 刨煤机在生产中具有破煤能耗少 煤的块度大 粉尘少 产量和效率较高 劳动强度低等优点 另外 刨煤机本身还具有结构简单 造价低 检修方便等优点 刨煤机 工作面主要配套设备 刨煤机 工作面可弯曲刮板输送机 转载机与破碎机 液压支架 乳化液泵等 适用条件 1 煤质中硬或中硬以下 2 煤层顶板应中等稳定 3 煤层中无大的断层和褶曲 4 适合开采0 8 2m的缓倾斜煤层 七台河和双鸭山等薄煤层矿区 用刨煤机开采薄煤层取得了较好的效果 在薄煤层中曾使用过截煤机 滚筒采煤机 刨煤机和炮采等几种采煤工艺 其中以刨煤机采煤的经济效益最好 我国煤矿在20世纪60年代初期开始自行研制拖钩式刨煤机技术 60年代末期定型制造 70 80年代 我国制造了200多台刨煤机 在20多个煤矿使用 我国的刨煤机技术与国外相比 还有一定的差距 这主要表现在 部分元部件的可靠性低 大规格的矿用圆环链和接链环的破断强度和疲劳寿命 缓冲器的耐冲击次数 刨刀的耐磨性 刀体与硬质合金的联结强度 刨刀与刨刀座的连接方法等 这些元部件的寿命低 可靠性不高 直接影响到刨煤机的正常运行 过载保护装置落后 国产刨煤机的过载保护装置迄今仍采用剪切销保护方式 严重影响了刨煤机的开机率 德国目前已采用摩擦式过载保护装置和电液控制过载保护系统 刨头调向装置的灵敏度不高 刨煤机在推进过程中会出现 飘刀 或 啃底 现象 造成刨头推进过程中控制困难 刨头终端限位装置的可靠性不高 使刨煤机工作面的两端仍需人工控制停机 对于薄煤层回采 我国月产量一般都在1 2万t 到2001年从德国DBT公司引进全自动化刨煤机的核心技术 并与中国设备成功地配套 形成了中国模式的全自动化刨煤机系统后 中国的薄煤层开采技术才得到改善 目前 中国已经有6套全自动化无人工作面刨煤机系统在使用 如下表所示 3 刨煤机优缺点分析刨煤机对工作面要求是定量推进 锯齿型移架 全自动化无人操作 锯齿型布置是根据刨头位置和自身推移传感器行程来决定是否移架 根据立柱压力和推移行程传感器自动控制支架的降移升动作 可联动平衡 侧护 可实现平衡差动 侧护板抬底等功能 其优缺点如下 优点 刨煤机刨煤和装煤效率高 可随时推进实现连续采煤 自动控制参数设定后 无须操作者干预 在1m厚的煤层中 产量已经达到1500t h 实现自动化和远程控制的刨煤机不仅能达到高产 而且也能最大限度地保证人身安全 由于刨深小 刨头运行速度快 产生的粉尘和瓦斯量浓度低 对安全有利 据测算 当刨速为0 42m s时切削产生的粉尘浓度只有20mg m3 而炮采时产生的粉尘浓度则为100mg m3 滚筒采煤机割煤产生的粉尘浓度为600 900mg m3 大幅度降低了瓦斯积聚 改善了工作面的条件 由于是切削落煤 出块率高 刨煤机结构简单 使用维护方便 易掌握 刨头无动力 工作面不需随机铺设电缆水管等 管理方便 刨煤机由于浅截深多循环 静力落煤 对顶板的振动小 一次暴露的顶板面积小 有利于顶板的管理 人员在工作面采空区侧作业 不怕片帮 牵引刨链是封闭的 有利于安全生产 缺点 对地质条件的适应性不如滚筒采煤机强 刨头的高度不能随时调整 遇顶底板起伏要留顶或底板 遇煤黏顶 液压支架推进困难 刨头不能随时大量抬高挖底量 遇底板起伏不平 会造成 飘刀 或 啃底 影响产量 由于是静力落煤 遇煤层夹矸或煤质太硬 普氏系数f 4 生产率降低 铸件单一化且形状复杂精度较高 刨头制造成本高 自动化程度高 要求操作者具备较高的知识水平 刨煤方式如下图所示 根据煤层的硬度 煤层的可刨性 刨深 工作面采高等因素来确定的 反映在刨头运行速度 刨速 和输送机链速之间的关系 3 1 3薄煤层长壁开采工作面支护由于采高小 薄煤层和极薄煤层工作面矿压显现较轻 普采工作面支护多采用点柱或带帽点柱 支柱的间 排距可适当增大 采用液压支架支护时 液压支架的顶梁多为薄顶梁 3 1 4薄煤层长壁开采工作面气垛支架支护气垛支架是专为薄煤层长壁工作面支护而设计的 我国于1992年研制了PS型气垛支架 先后在枣庄 天府 北京 永荣 攀枝花等矿区的薄煤层工作面推广应用 而后又研制了薄煤层自移式气垛支架 在四川汪洋煤矿通过了工业牲试验 并推广应用 在大倾角煤层采用伪斜密集与分段密集布置气垛 形成伪斜工作面气垛采煤法 气垛作为支撑工作空间和隔离采空区的基本支架 原苏联曾试用过气垛支架配合创煤机的工艺方式 成功地采出了厚度为0 4m的极薄煤层 3 1 5薄煤层工作面对拉布置方式薄煤层半煤岩回采巷道维护容易 掘进困难 采用沿空留巷可以部分解决掘巷困难的问题 为提高工作面产量 减少回采巷道掘进量 缓解工作面接替紧张 对拉工作面布置在薄煤层中的应用较广 螺旋钻机采煤是20世纪60年代发展起来的采煤方法 美国首先将它用于地下开采 原苏联 英国 德国 法国都对此项技术的应用做过许多研究 我国20世纪90年代开始引进和研制用于薄煤层和极薄煤层开采的螺旋钻机 螺旋钻机采煤是一种最简单的薄煤层或极薄煤层开采方法 3 2薄煤层螺旋钻机采煤 螺旋钻采煤利用螺旋钻杆钻入煤层采煤 并通过钻杆将采落的煤运出 主要设备 螺旋钻机 刮板输送机 型转载机 皮带输送机等 螺旋钻采煤法能极大改善回采工人的工作条件和安全状况 但初期投资较高约是高档普采的1 6 2 1倍 从已开掘的平巷中 用螺旋钻机向巷道两侧的煤层中钻进 螺旋钻机的钻头上装有截齿 依靠截齿的钻进与截割 螺旋钻杆钻入煤体 螺旋钻头的直径视煤层厚度和赋存稳定性而定 一般约比煤层厚度小50 100mm 原苏联研制的B A 2M型螺旋钻机的钻头有 500 630 750 850mm四个系列 在钻进过程中螺旋叶片将煤带出钻孔 装入顺槽运输机向外运出 从回采巷道向两侧钻孔的深度一般在30 40m 为防止钻孔过程中顶板垮落 若干钻孔之问留有一定宽度的支撑煤柱 钻采工作面设备布置图 优点 生产人员在平巷内作业 改善了安全条件和作业环境 机械化程度高 回采工效较高 原苏联采煤工效达到15 17t 工 缺点 留设钻孔间煤柱和钻孔组间煤柱降低了采出率 接长和缩短钻杆所用的时间占工作总时间的比重较大 在装卸钻杆时劳动强度大 需要较长的时间 影响该设备的效率 虽然对钻孔偏斜问题采取许多的措施 但是钻孔一旦偏斜 很难立即发现 等发现时已经出现较大的问题 3 2 2螺旋钻机采煤优缺点 我国鸡西小恒山矿引进美国连续采煤机设备 开采厚度为0 7 1 3m的薄煤层 取得较好的经济效益 连续采煤机房柱式开采的特点是采掘合一 边掘边采 利用煤柱作为临时或永久支护支撑顶板 煤柱在回采过程中可以部分或全部回收 采厚较大的薄煤层房柱式工作面 主要设备有采煤机 转载机 带式输送机和锚杆机 房柱式开采的连续采煤机一输送机工艺系统 在薄煤层中使用的纵螺旋连续采煤机割煤方式 3 3连续采煤机房柱式采煤 房柱式开采的连续采煤机一输送机工艺系统如图 在薄煤层中使用的纵螺旋连续采煤机割煤方式如下图 国外在极薄煤层中已试验了可遥控的连续采煤机 作业人员在煤房外遥控连续采煤机 煤房间留有支撑煤柱 煤房内不支护 采出的煤由随机延伸的输送机运出煤房 许多学者认为遥控连续采煤机房柱式开采是解决极薄煤层开采的可能技术发展方向之一 3 4链斗采煤机无人工作面开采方法 落煤方式 放炮落煤 在工作面外部的上 下顺槽中平行于采场 向煤层内打深孔 爆破破碎煤体 装煤运煤 在采场内 由链斗采煤机一次直接完成装煤和运煤 并运送到工作面两端顺槽 顶板支护 采场内无需人员进入 采场宽度只需0 5m左右 稳定顶板无需支护 可省去顶板支护设备与顶板支护操作 链斗采煤机无人工作面开采的主要优点 设备工艺简单 投资少 开采成本低 生产效率高 采煤工人大幅度减少 工人只是在上 下顺槽内操作 无需进入采煤工作面内部 能够完全避免因顶板垮落引起的伤亡事故 属于本质安全型采煤工作面 能够开采1m到0 5m甚至更薄的煤层 使过去不能开采的极薄煤层变为可开采煤层 为国家和企业增加了可开采的煤炭资源 超前爆破 能解除冲击地压 煤与瓦斯突出危险性 爆破钻孔可一孔多用 抽放瓦斯 降低瓦斯突出危险 链斗采煤机市场前景广阔 4链斗采煤机的结构 链斗采煤机由机头 机尾 链条 扒斗四部分构成机头包括 电机 减速器 传动立轴 牵引绞车和固定装置 5链斗采煤机的研发进展 已完成了设备制造已完成了地面第一次试运行摄像007 3gp已获准一项发明专利和一项实用新型专利申报获得了国家 科技型中小企业技术创新基金 正寻求企业合作 进行矿井井下工业性实验 6链斗采煤机的市场前景 1 由于华东 华北和东北的不少矿井厚煤层已开采殆尽 迫切需要开采薄煤层 薄煤层开采的广泛性2 一般地方小型矿井开采的都是薄煤层 3 江西 湖南 湖北 云南 广西 重庆 四川等华南和西南各省开采薄煤层的矿井尤其众多 现有薄煤层开采方法存在的困境1 薄煤层综采 刨煤机开采 设备多投资高 2 炮采工艺落后 效率低用人多 安全性差 劳动强度大 萍乡青山矿采用钢丝锯采煤法开采厚1 2m 倾角85 的急倾斜薄煤层 工作面单产1600t 月 直接工效8t 工 工作面呈走向布置 斜长10m 走向长度150m 工作面下巷布置电机 绞车 对轮 导向轮和手动葫芦 工作面上巷布置尾轮 导向轮和手动葫芦 3 4急倾斜煤层钢丝绳锯采煤 绞车牵引的钢丝绳分两段 与煤壁接触段称锯绳段 锯绳上安装截齿 在上下两巷中运行的钢丝绳称牵引绳 锯绳在绞车牵引下沿工作面煤壁做往复运动 锯齿在煤壁上拉出两条沟槽 一次锯深约0 2m 随着沟槽加深 沟槽两帮的煤在矿山压力作用下自行破碎脱落 并沿工作面下滑 经溜煤眼滑到运输平巷的运输机上外运 采过后的空间不支护 工作面沿走向每推进15m 留2 3m宽的煤柱支撑顶板 并将正在工作的空间同采空区隔开 因此 在工作面前方每隔15m预先要掘好一个切割眼 优点 工人不进入工作面 在平巷中操纵绞车 支移立柱 通过手动葫芦移动绞车 尾轮和拉紧锯绳等 因此 减轻了工人的劳动强度 节约了坑木 提高了劳动效率 该采煤方法适用于顶底板坚硬 完整 稳定性好 煤质松软 不粘顶 不含夹石层的急倾斜煤层 薄煤层开采机械化程度低 缺点 开采具有采高低 工作面条件差 设备移动困难 掘进率高 工作面接替困难 长壁机械化工作面投入产出比高 单产 经济效益低 主要以炮采和机采为主 急倾斜煤层钢丝绳锯采煤优缺点 3 5急倾斜煤层刨运机采煤 4 1薄煤层综采展望发展薄煤层开采机械化 其核心是研制适应我国煤矿需要的薄煤层电牵引采煤机 我国薄煤层电牵引采煤机今后将从以下几个方面得到发展 1 总装机功率得到进一步提高 总装机功率达到600 700kW 装机功率 机面高度与过煤空间三者之间的矛盾仍然是研制大功率薄煤层采煤机的主要技术难题 除发展新型高效电机外 采用特殊的总体布置方式仍是一条有效途经 4 薄煤层开采技术展望 2 以发展交流变频调速电牵引技术为主 根据不同用户的需求 其他电牵引方式如开关磁组和电磁滑差调速也将得到发展 3 发展的机型主要以骑刮板输送机采煤机为主 爬底板采煤机虽然具有机面高度低 功率大等优点 但是由于这种机型对地质条件的适应性差 使用范围受到限制 4 简化采煤机结构 采用先进工艺与技术 提高采煤机的工作可靠性 5 改进截割机构 提高截割效率 降低工作面粉尘生成量 采用中高压喷雾降尘 改善工作面生产环境 增加滚筒截深 增大截深可提高每一循环产量 截深从目前的0 8m增到1m左右 6 完善采煤机自动控制系统与故障诊断系统 利用煤岩识别技术 自动调整截割高度 利用交流变频电牵引技术 自动调整牵引速度 利用红外技术和电液阀技术 引导液压支架和工作面输送机自动推移 工作面巷道集中控制站与采煤机 液压支架 输送机 工作面巷道设备以及地面调度室的双向远程通讯 工作面巷道集中控制站 地面调度室对采煤机等工作面设备的远程集中控制 实现薄煤层工作面自动化开采 7 开发能适应较大倾角薄煤层生产需要的薄煤层电牵引采煤机 加大牵引速度 4 2刨煤机技术展望为加快我国刨煤机开发 推广使用 能够在一个不太长的时期内赶上世界先进水平 提出以下几点建议 1 组织有关单位制定开发我国刨煤机的系列型谱 使刨煤机按照系列开发研制 逐渐形成我国刨煤机系列产品 2 加强开发刨煤机总体设计的研讨 使开发研制的刨煤机适应我国煤矿的地质条件 3 加快研制适合于刨煤机配套的支护设备 增大巷道断面 加大刨煤机功率 提高刨煤机刨硬煤的性能 4 关键零部件研究技术的攻关要先行 如大规格的圆环链 高强度的接链环 过载自动保护装置 煤层可刨性的测量等都要组织力量研究 试验 试制 为提高刨煤机的整机总体水平创造条件 打好基础 5 加强宣传报道 使各矿区了解国内刨煤机的发展 研制 使用动态 建立刨煤机使用培训基地 传授生产管理技术和经验 5 薄煤层开采方法比较 地质条件 普采对煤层赋存的地质条件适应性较综采强 煤层条件 煤层厚度 0 6m 煤层倾角 30 各种硬度的薄煤层 开采特点 与综采相比设备投资少 机械化程度较综采低 劳动强度较综采大 采煤机完成落煤和装煤工序 工作空间支护和采空区处理都需人工 1 薄煤层高档普采 地质条件 地质构造简单 无大断层 褶曲 对地质条件的适应性较刨煤机和螺旋钻强 煤层条件 采高 0 8 1 0m 煤层倾角 25 各种硬度的薄煤层 煤层起伏变化小 开采特点 采煤机机身矮 整机长度尽可能短 要有较高的整体结构强度和稳定性 输送机中部槽要低 破 装 运 支 处全部实现机械化 2 薄煤层综采 地质条件 顶板稳定性好 顶板不粘顶煤 煤层中硫化铁块度小 含量不多 或分布位置不影响刨煤机刨煤 夹石层厚度要小于200mm 底板平整 起伏不超过7 10 没有底鼓 煤层沿走向及倾斜方向无大的断层 断层落差小于0 3 0 5m 及褶曲 煤层条件 煤层厚度 2m 煤层倾角 25 最好 15 煤质中硬以下 f 1 8 硬煤及特粘性煤不宜用刨煤机 3 薄煤层刨煤机开采 开采特点 刨煤机结构简单可靠 便于维修 截深小 一般为4 15cm 刨落煤的块度大 劳动条件好 工作面可实现无人操作 移架和移输送机工人的工作位置相对固定 通常刨进10次 600mm 移一次液压支架 劳动强度小 对地质条件的适应性不如滚筒采煤机强 自动化程度高 要求操作者具备较高的知识水平 地质条件 BSHK22DM型螺旋钻采煤机组可用于有瓦斯和煤尘爆炸危险的薄煤层开采 也可用于不规则煤层和保安煤柱的开采 但不允许在有突出危险和自燃危险的煤层中应用 煤层条件 煤层厚度0 4 1 0m 煤层倾角 15 煤层走向起伏 8 各种硬度的薄和极薄煤层 主要开采0 7m以下的极薄煤层 4 薄煤层螺旋钻采煤 开采特点 螺旋钻采煤机布置在运输顺槽中 钻头割煤 螺旋钻杆掏煤 煤直接落在运输顺槽的刮板输送机上运出 采宽1 905 2 105m 采深可达85m 向上钻深85m 向下钻深45m 工作面无人开采 劳动条件好 达到设计采深或遇断层时退出钻杆 预留0 5 1 0m煤柱后开始下一循环钻采 6 薄煤层安全高效开采实例6 1兖州北宿煤矿含硬夹矸薄煤层安全高效开采技术兖州北宿煤矿煤层厚度为0 89m 0 97m 煤层中因含有坚硬夹矸 使开采机械化程度降诋 而采用炮采 由于采用了适合薄煤层炮采工作面现场条件的工艺枝术 使薄煤层炮采工作面的开采工艺有了质的飞跃 采煤工人基本上从繁重的体力劳动中解放出来 通过使用挡装煤和铲装煤 人工装煤量减少80 以上 装煤时间缩短60 每个循环时间由原来的8小时左右 缩短为6小时 通过使用转载机 胶带机尾液压自移系统 每个循环时间可节省半小时以上 安全高效开采工艺技术的成功应用 使薄煤层采煤工作面劳动生产率大幅度提高 炮采年产量60万t 1 1生产工作面概况工作面走向长度1318m 倾斜长度246m 煤层平均厚度0 97m 煤层倾角3 9度 均采深368m 设备配置 支护采用单体液压支柱和切顶墩柱 每隔4节溜子安设一台SQD 1200型双伸缩墩柱 工作面运输使用SGW 150型运输机 推移运输机千斤顶行程1300mm 运输顺槽采用转载机 吊挂式可缩式输送机 打眼用SMZ 12型手持式煤电钻 炮眼布置为对眼 与煤壁平面夹角80度左右 使用煤矿2号硝铵炸药 装药量上眼300克 下眼450克 采用瞬发电雷管串联爆破 1 2输送机前煤体铲装技术利用安装在输送机后的推移千斤顶使输送机前移 靠安装在输送机前的铲煤板铲入输送机前煤体 利用煤的自然堆积角 将煤沿铲煤板滑面挤落入输送机内 实现铲装煤 1 铲煤板的改进原铲煤板高度和刮板输送机槽帮高度一致 长度与溜槽长度一致 1500mm 铲煤面高度中心线上下各采用45 铲煤面下插角10 在铲煤过程中容易扎底 且阻力大 后长度缩短为1460mm 铲煤板钝角由100 改为92 下插角由10 改为2 铲煤面高度中心线以上采用45 中间部分圆弧过渡 改变了原来的折线形结构 改进后的铲煤板在铲煤过程中受到阻力的合力在中心线以上产生一个与后部千斤顶推力力矩相反的力矩 利用力矩的平衡 减少扎底力 同时铲煤板下部铲角变小 铲煤面圆弧过渡 也减小了铲煤板铲入阻力 2 刮板输送机的改进工作面使用SGW 150型输送机 溜槽宽度不变 增加溜槽的厚度 链条直径由16mm变为22mm 电机由50kw改为90kw 解决了SGW 40T型能力低 爆破后运煤时启动困难等问题 为解决刮板输送机前移铲煤过程中的脱节 溜槽全部更换了端头 实现了哑铃销连接 增强了溜槽整体性能 为降低输送机的运行阻力 减小刮板链与底板的摩擦 防止大块煤矸进入输送机底部 对溜槽底部进行了全封闭 1 3工作面输送机应用挡煤板工作面输送机如无挡煤板 爆破后落煤溜前约占45 溜后约占40 15 的煤直接被溜子拉出 这时 工作面出煤需要人工用大锨攉煤 每循环出煤需3个多小时 且浮煤回收率低 采空区浮煤丢失严重 工人劳动强度大 安全性差 在刮板输送机靠近采空区侧溜槽的护管架上 安装聚乙烯档煤板后 当爆落煤时把冲向采空区的煤挡在刮板输送机内运走 实现工作面后煤自动挡装的目的 1 对挡煤板的基本要求挡煤板的作用是挡住爆破落煤时冲向采空区方向的煤 挡煤板瞬间承受的爆破冲击力相当大 所以要求档枞既能挡住煤 又不能产生塑性变形 同时还必须便于操作 更换 不增加工人额外劳动强度 因此挡煤板材料迭择高分子聚乙稀 2 挡煤板的几何尺寸为便于安装和高度调节 以适用不同采高的煤层 确定挡煤板几何尺寸 长1 5m 高0 4m 厚0 03m 同时为减少爆破冲击力 在板上布设卸力孔 3 档煤板的安装档煤板采用一挡加二挡的安装方式 当工作面煤层变薄时 放低二挡 当工作面煤层变高时 升高二挡 以达到档煤板既能有效全封闭又能适应不同的采高变化 为便于人员跨越刮板输送机和搬运支护材料等 工作面每6m设一个安全出口 一挡下部用规格为 20mm 90mm的螺栓穿过档煤板上的卸力孔 与两个圆环链固定在护管架的孔上 二挡敷设在一挡的采空区侧 一挡和二挡通过档煤板上的卸力孔用两条锚链和锁板联接 二挡沿锚链上下移动 起到调节高度的目的 当二挡达到预定高度后 利用锁板旋转锚链锁住二挡 二挡就牢固固定在一挡上 1 4顶板控制措施推进铲煤后 为增加铲装力 改善输送机的受力状态和铲装时安全性 工作面支护方式为 工作面最小控顶距时采用 322 支护方式 即输送机后笫一排支柱为3棵 笫二 三排支柱均为2棵 最大控顶距时采用 1222 支护方式 即输送机前一排临时支护为单柱 输送机后第一 二 三排支柱均为2棵对柱 基本支护柱距1 0m 排距1 0m 每3m设一千斤顶和墩柱 1 5千斤顶和推进操作阀组选型 改进过去采用SQD 1200型千斤顶 采用推进铲煤后存在两个方面的问题 一是推进缸的行程不够 二是操作阀在最前端与输送机相连 推进铲煤操作时人员在支护不完善的临时空顶区施工 存在不安全隐患 经研制采用SDY160 70 1300型千斤顶 其行程1300mm 选用ZC型操作阀组 其位置根据现场情况选在千斤顶的中部 即与工作面笫二排支柱一致 便于操作 6 2 唐庄煤矿采空区上部极薄煤层开采技术江苏宏安集团有限公司与中国矿业大学合作 在唐庄煤矿采空区上方对近距离极薄煤层进行了开采试验 2008年12月28日通过专家评审 为全国类似地质条件下极薄煤层的开采提供了宝贵的经验 唐庄煤矿的18号煤层为极薄煤层 煤层厚度0 50 0 8m 煤层倾角为20度以下 由于该矿先行开采了下部的20号煤层 其采高为0 67m 而上部的17煤层 其采高0 71m 18煤层与上 下邻近煤层间岩石组合特征见图 6 2 1唐庄煤矿上行开采上部极薄的18号煤层的可行性采用比值判别法确定上行开采的可行性当下部先采一个煤层时 用比值K的大小来判别上层煤层是否可安全开采 其公式即 式中 K 上 下煤层层间距与下煤层采厚的比值 H 上下煤层层间距 m M2 下煤层的采高 m 采用垮落上行顺序开采时 当比值K 7 5时 是可以的 18煤与20煤层之间间距为6 91m 而20煤层采高仅为0 67m 代入上式 可得K 10 3 7 5 由此可以判断唐庄煤矿在先采20煤层后 可以安全开采上部的18煤层 6 2 2极薄煤层开采技术 1 采煤方法由于18煤层厚度只有0 55m左右 上下相邻煤层均已开采 其顶底 板受到扰动 顶板岩石严重破碎 过去曾使用过炮采工艺进行四采 由于落煤需要经过打眼 装药 放炮等工序 造成顶板随放炮随冒落 顶板控制不住 因此炮采无法实施顺利开采 因此决定在807工作面采用机械化开采 807工作面走向长168m 倾斜长约90m 平均倾角19度 工作面使用30kw刮板输送机运输 顺槽采用30kw刮板输送机配合皮带输送机运煤入仓 由于顶扳易冒 选用走向长壁后退式采煤方法 单体液压支柱配合工字钢梁 梁长2 4m 走向棚对梁交替迈步式支护顶板 用正悬臂齐梁直线柱支护 三 四排控顶 全部垮落法处理采空区 机采工艺方式A 采煤机割煤高度采用重庆永荣煤机厂生产的YRG3 100型爬底板采煤机 由于该机最低采高0 55m 为了工人在工作面中容易作业与尽量保证煤质两个方面 确定采高为0 7m 割底板0 15 0 2m 因18煤底较软采煤机容易割动 B 预开采煤机的进刀口由于YRG3 100型爬底板采煤机采煤是自牵引 机体部分电机抽头有液压传动系统 锚链经过传动齿轮与之联接 锚链固定在工作面煤壁侧与煤壁平行 采煤机在这样平行固定的锚链上做上下爬行 没有侧向力 故不能斜切进力 因此 必须在工作面上下端头预开进刀口 使用煤电钻打眼 放炮做进刀口 上端头处缺口长7m宽0 8m 下端头缺口长2m宽0 8m 采用千斤顶或单体液压支柱推移采煤机 将滚筒推入切口内 然后正常割煤 C 锚链的固定针对煤层顶 底岩层相对破碎的特点 事先在工作面上巷 上帮 下巷 下帮 的预定位置打好固定的用树脂锚杆 然后将锚链固定在锚杆上 用2 5T的葫芦拉紧 同时在工作面上下出口内用单体液压支柱固定在专用的带槽口的马蹬里 二次双重固定 以保证足够的紧固力 同时避兔了锚链穿顶 D 采煤机正常切割方式工作面采用双向割煤 往返各进一刀 采煤机为液压自牵引 在固定的锚链上往返爬行 正常割煤长度为剔除了工作面上下切口的长度 一般为90m 落煤方式 使用单滚筒爬底板采煤机上下穿梭割煤 滚筒截800mm 落煤高度 18煤层厚度仅为0 5 0 55m 为极薄煤层 顶极受采动与垃动 为极差顶板 故不能采用割顶 而只能踉顶割底板 割底0 15 0 2m 采高0 7m左右 循环进度1 6m 2 煤的风选因为采煤机割底煤对煤质的影响 原煤发热量只有3000 3500大卡 采用河北省唐山市神州机械有限公司生产的FGX 6左型复合式干选机进行风选 煤质得到了提高 精煤占70 次煤20 矸石10 精煤发热量达到4800大卡以上 风迭系统弥补了极薄煤层开采过程中由于割底煤混入原煤中的矸石带来的影响 避免了由于煤质差 经济不合理对极薄煤层开采的否定 6 3 四川广能李子垭煤矿开采薄煤层1985年前主要采煤方法为炮采 工作面长80 100m 年产量为10万t 回采工效为4t 工 存在的主要问题是劳动强度大 安全性差 工效低 从l985年开始使用机采 工作面支护采用单体液压支柱 采煤机为MIQ5 80型 BMl 100型 因为工作面有伪顶和软底 采用大底座丛柱 长钢梁作临时支护 用木垛等特殊支护形式来加强顶板管理 但因工作面支护效果差 曾发生过伪顶垮落伤人事故 工作面年产15万t 工效为7t 工 机采比炮采技术先进 但回柱工作量仍然很大 安全性差 产量低 工效低 1992年开始进行薄煤层综采试验 支架采用双通道两柱掩护式 重6t 采煤机采用BMl 100型有链牵引 开采取得初步成功 但由于该套设备支架工作阻力小 采煤机 输送机功率小 使用效果不好 设备开机率低 综采产量仅为20万t a 工效为8t 工 为了提高综采的效率和效益 提高采煤工作面的安全性 此后李子垭煤业公司加强了与科研单位的合作 在尽可能利用现有设备的情况下 改造了ZY2000 08 22支架 新设计了ZY2600 07 22液压支架 配上MG200 450 WD电牵引采煤机和SGZ730 320工作面刮板输送机 实现了薄煤层采煤工作面中等能力的综采设备配套 经2003年10月13日至2004年8月31日结束的23052工作面的工业性试验 在试采299d中生产原煤506099t 工作面推进1240m 平均月产45853t 最高月产65786t 平均工效12 53t 工 最高工效23 34t 工 设备基本无故障 开机率达到80 以上 2 煤层地质条件和工作面条件李子垭北井田煤系地层为二叠纪龙潭组 为海陆交相的含煤沉积 含煤1 4层 分别为K K1 K2 K K 煤层 主要开采煤层为K K K 煤系地层总厚度114 135m 见煤层综合柱状图 图6 1 矿井地质构造主要由李子垭向斜和龙王洞背斜的一部分组成 地质构造复杂 向斜部分两翼岩层陡直 盆底平缓 并伴随有小褶曲 由于向斜轴线的起伏 使煤层沿轴线降落在 571m水平以下 背斜部分 浅部标高 500rn以上 东缓西陡 深部标高 500m以下 东陡西缓 尤其是东翼煤层急转部分 倾角80 左右 区内断层发育 均为走向大角度逆断层 其走向基本与主要褶曲轴向一致 为N25 E N38 E 以F1 F F F Fl JF 为主 断层最大落差200m左右 多为隐伏断层 并伴生有小断层 对开采有一定影响 煤层赋存状态见图6 2 矿井开采李子垭向斜缓倾斜K1煤层 Ki煤层为单一复合煤层 含夹矸1 2层 夹矸厚0 03 0 3rn 以上部夹矸为主 且较稳定 一般厚0 15 0 2m 以泥岩为主 煤层瓦斯含量高 相对涌出量为17 4m3 t 绝对涌出量为30 6m3 min 为高瓦斯突出煤层 自然发火倾向属三类 煤尘爆炸指数为17 28 有爆炸危险 试验期间 从2003年5月到2005年2月先后开采了23041西 23052东 23051东等3个工作面 各采煤工作面主要生产条件 生产情况和工作面产量及工效情况如表6 25 表6 26所列 23052东工作面倾向长170m 走向长1240m 煤层厚度为0 75 2 25m 一般煤厚1 1 1 5m 煤层倾角o 14 机巷局部段煤层变薄 长度约40m 厚度0 7 0 8m 直接顶为泥质粉砂岩 细粒砂岩 砂质泥岩 厚l4 29m 基本顶为石灰岩 燧石结核 底板为砂质泥岩 厚为0 6 3 39m 构造 工作面由南往北煤层逐渐提高 东西方向煤层约向下倾伏 工作面风巷揭露4条断层 机巷揭露3条断层 开切巷一条断层 对回采有一定的影响 其中F401等落差达1m以上的有5条 F403落差达1 2 1 7rn 水文 工作面煤层顶板隔水条件较好 但采空区面积增大后 顶板冒落 破坏隔水层 有一定的水渗透到该面 对回采有一定影响 实际回采过程中采空区涌水量高达180m3 h 瓦斯 该工作面属瓦斯突出威胁区 煤尘具有爆炸性 3 主要配套设备 1 ZY2000 08 22型薄煤层液压支架支架型式 支撑掩护式高度 800 2200m宽度 1450mm中心距 1500mm初撑力 874 1880kN p 31 5MPa 工作阻力 1093 2352kN p一39 3MPa 支护强度 0 31 0 43MPa H 1 2m 对板比压 0 81 1 67MPa H 1 2m 适应倾角 25 泵站压力 31 5MPa支架质量 5759kg 2 MG200 456 WD型电牵引采煤机 使用煤层采高范围 1 1 2 1m倾角 25 煤质硬度 f 3 5 采煤机总体参数机面高度 850mm输送机上 853mm摇臂长度 1942 5mm摇臂回转中心距 5170mm滚筒中心距 摇臂水平时 9055mm行走轮中心距 4170mm截深 630mm机器质量 约22t 3 SGZ730 320型输送机出厂长度 170m 链轮中心距 输送量 700t h装机功率 2 160kW刮板链速 1 16m s卸载方式 端卸式紧链方式 闸盘式牵引方式 齿轮一销轨式中部槽 500mm 长 690mm 宽 263 高 铸焊结构 4 工作面设备配套 工作面配套设备见表6 27 三机配套轮廓图见图6 3 4 回采工艺及劳动组织工作制度为 三八 制 作业方式为两采一准 工作面劳动组织如表6 28 1 回采工艺 落煤方式采煤机落煤 往返一次割两刀煤 截深O 6m 装煤 运煤方式装煤 采煤机组装煤 人工辅助装煤和工作面输送机移机装煤 运煤 采煤工作面使用SGZ730 320型刮板输送机 机巷使用SGD730 90型刮板输送机和SSJ80 2 55型带式输送机运至煤仓 采煤工作面支护形式工作面使用了两种液压支架 其中ZY2000 08 22型支架71架 ZY2600 07 20型支架40架 液压支架的中心距都为1 5m 工作面推进方向工作面由东向西后退式开采 回采工艺流程割煤准备一割煤一移架一推溜 移架推溜工艺在采煤机割煤后 滞后采煤机后滚筒6 9m及时移架 移架步距0 6m 滞后采煤机后滚筒15 20m移溜 在工作面正常情况下 支架采取降柱移架 降柱不得超过200mm 以能移动支架为准 但在顶板破碎 压力大或护伪顶开采的情况下可采取带压移架 割煤后要追机移架 移架距离采煤机后滚筒4 6m 若移架速度太慢 必须停机移架 推溜推溜要滞后采煤机后滚筒15 20m 弯曲段长度不小于15m 推溜要做到平 直 稳 移工作面刮板输送机机头 机尾时 顶板要支护好 割煤机 工作面刮板输送机均应停机 5 采煤工作面矿压观测与支护质量监测根据23052工作面的地质及生产技术条件 工作面矿压观测及支护质量监测的主要内容有两个 即 工作面矿压显现规律 顶板一支架一底板 系统的稳定性和适应性 1 测区及测站布置将工作面支架由下端头开始编号 依次在工作面机头段布置测区I 支架编号 5 6 7 工作面中部布置测区 支架编号 58 59 60 机尾段布置测区 支架编号 100 10l 102 每个测区内布置一条测线对支架工作阻力进行连续观测 支架号分别为 6 59 101 同时对支架工作状态如接顶状态 底座下陷等进行了观测 鉴于薄煤层工作面的自身特性 在每个测区的观测内容中还应包括支架底座对底板的适应性 因底板软而造成支架底座下陷的可能性 以及采煤机 输送机的适应性 采煤机 输送机和支架间的相互配合情况 2 监测手段及方法工作面支架阻力观测使用抗震压力表 钢尺等工具 3 主要观测结果通过58d的观测 共收取各类数据1000余组 进行整理及处理后 可得到主要结果如下 矿压显现规律薄煤