关于薄煤层综采技术高产高效的探讨专题报告

关于薄煤层综采技术高产高效的探讨摘要:本文就综采工艺技术在薄煤层中如何实现高产高效通过实践探索在工作面设计、两巷支护、设备选型，回采工艺与劳动组织、队伍建设及现场管理方面提出了建设性建议和意见，值得同行业借鉴和探讨。关键词:薄煤层；设备；综采；高产高效1引言综合机械化采煤技术作为当今众多现代化煤炭企业的主要生产方式，具有生产能力强、效率高、机械化程度高、经济效益良好、安全系数稳定等显著优势，越来越受到煤炭企业的青眯和推崇。特别在中厚煤层的开采应用，取得了令人瞩目的成果。但很多企业都面临一个客观难题，那就是在12米的薄煤层的技术应用，不是很顺利，使用该技术的经济效益不佳。为此，提高综采技术在薄煤层的综合经济效益成为了急需解决的难题。煤炭是我国的主要能源，占一次能源生产和消费总量的76%和69%，未来相当长的时期内，我国仍将是以煤为主的能源结构。我国薄煤层资源分布广泛且煤质较好，一些省区薄煤层储量比重很大，如安徽占72%、四川占60%、山东占54%、黑龙江占51%、贵州占37%，其它产煤省份如山西、内蒙、河北、吉林等也有丰富的薄煤层资源。在全国近80个矿区中的400多个矿井中赋存着750多层薄煤层，保有工业储量98.3亿t，可采储量61.5亿t，其中，厚度在0.81.3m的总占8602%，开采条件相对较好的厚度0.81.3 m的缓倾斜薄煤层占73.4%，厚度小于0.8 m的占13.98%。我国煤炭工业经过几十年的发展,自 20 世纪80 年代特别是 90 年代以来中厚煤层开采技术日臻成熟，厚煤层、特厚煤层的开采技术也发展迅速；薄煤层虽然较长时间内一直在开采，但开采技术水平未能同步发展，原因是开采薄煤层经济效益相对较低，企业从提高经济效益出发，除非薄煤层赋存有特殊需要的优质煤或作为具有冲击矿压、煤与瓦斯突出危险的相邻厚煤层的解放层开采，否则多数薄厚煤层共存矿区为了追求高产和高利润的目标，优先开采中厚煤层和厚煤层，对薄煤层进行搁置使大量薄煤层积压未采，甚至有些矿井实施丢薄保厚的开采方式，严重浪费了煤炭资源。经过多年开采不少矿井中厚煤层已近枯竭，生产接替困难，薄煤层的开采被提到议事日程，发展薄煤层综采技术是开采薄煤层的必由之路，对保持薄煤层储量比重较大省区煤炭工业稳定、维护我国能源安全和实现我国能源工业的可持续发展具有重要意义。2国内外薄煤层综采技术发展及现状由于薄煤层开采的特殊性，造成薄煤层机械化开采发展缓慢。目前国内外薄煤层机械化开采主要集中于近水平及缓倾斜煤层，较成熟的工艺主要有：长壁综合机械化开采、螺旋钻机开采和连续采煤机房柱式开采。2.1长壁综合机械化开采长壁综合机械化开采薄煤层主要有2种技术途径：一是采用滚筒采煤机、刮板输送机和液压支架配套的采煤机综采机组；二是采用刨煤机、刮板输送机和液压支架配套的刨煤机综采机组。英国和美国主要采用滚筒采煤机进行长壁式开采，用连续采煤机进行房柱式开采；德国、法国、俄罗斯和比利时等国广泛采用刨煤机。从使用情况看，两种技术均能取得较好效果，各有特点与适应性。刨煤机综采设备由于可完全实现自动化,工作安全、块煤率高,适于开采厚度较小且地质条件变化不大的煤层;滚筒采煤机综采设备对地质条件适应能力强，适应于硬煤以及煤层厚度变化较大的薄煤层开采。目前,德国DBT公司研究开发的以液压支架PM4电液控制系统为基础的全自动化无人刨煤机综采工作面成套设备已经批量投入生产应用；英国Long-Airdox公司、美国Joy公司也研究开发了具有自动化功能的滚筒采煤机综采工作面计算机控制系统；澳大利亚正在研制远程控制全自动无人长壁工作面开采技术。由于我国煤矿开采条件复杂，煤层顶板条件差,适合刨煤机综采条件的煤层不多，因此,推广较少,主要应用于铁法矿区。与刨煤机综采机组相比，滚筒采煤机由于具有截割效率高、破煤岩能力强、适应性好等优点，适应于我国薄煤层赋存多样性的特点，因此，在我国发展较快,我国薄煤层采煤机最大装机功率已达925kW (MG2200/925-AWD型电牵引采煤机，适用于采高1250 2800mm，达到国际水平，但由于采煤机割煤尚不能实现远程自动控制，滚筒采煤机综采机组无法实现真正的全自动化控制。2.2螺旋钻机开采螺旋钻机采煤是20世纪60年代发展起来的采煤方法。美国首先将其用于地下开采，原苏联、英国、德国、法国都对此项技术的应用做过很多研究，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，并在山东枣庄、新汶得到了应用，但采用螺旋钻机采煤主要存在：要求巷道断面大，半煤岩巷道掘进困难；留设钻孔间煤柱，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，单产水平低。受上述因素影响，该种采法在国内没有得到有效的应用。2.3连续采煤机房柱式开采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。主要设备有连续采煤机、转载机、带式输送机和锚杆机。国外在极薄煤层中已试验了可遥控的连续采煤机,较好地解决了极薄煤层人员控制采煤的问题。受我国连续采煤机研制较晚及薄煤层开采不受重视等因素的影响，我国薄煤层一般不采用该种采煤方法。2.4急倾斜薄煤层综采急倾斜薄煤层综合机械化开采不但在国内是一个难题，在世界范围也没有十分成功有效的采煤方法。虽然国外也提出一些较好的急倾斜煤层机械化采煤方法，如俄罗斯提出的遥控钻机采煤法、长型气垛与刨煤机配套的采煤法；乌克兰提出的刮斗刨机采煤法、沿倾向推进的刨运综采机组采煤法；西班牙的沿走向推进的综采机组等。以上这些采煤方法，有的仅经过工业性试验，没有推广应用；有的还在试验阶段;有的仅是规划和设想，离真正工业性试验及生产还有一定的距离。目前乌克兰仍采用的型急倾斜薄煤层机械化采煤机组，为一套沿倾向推进的刨运综采机组，该设备包括型液压传动盾构式掩护支架、型刨煤运输一体机、液压泵站、通讯报警设备、自动化和遥控设备、辅助设备、工具及备件,集支护、控制顶板、采煤和运输等功能为一体，可完全实现急倾斜薄煤层的自动化机械回采。但由于沿倾向推进,工作面推进长度短，搬家频繁，生产效率较低；巷道掘进率高，采掘比大，且薄煤层中巷道全部为半煤岩巷,巷道工程量大；根据该采法回采工艺要求需沿空留巷，原设计在采空区一侧采用木垛支护，木材消耗量极大，如改用其他支护都存在一定的问题。支架设计不尽合理，移架时采空区矸石自架间漏入工作面。更大的问题是：AH型刨运机组是上个世纪80年代原苏联解体前研制的设备，至今没有太多的改动,其支架结构型式、稳定性、液压控制等方面已远远落后国内现有水平。20世纪80年代攀枝花煤业集团公司(原渡口矿务局)从原苏联进口了2套刨运综采机组，并进行了井下试验，但当时没有取得成功。2007年8月开始在其下属太平矿25113工作面进行工业性试验开采，经过3个月的安装、开采、撤架等工作，各项指标均达到预期目标，但同时也暴露有效服务时间短、安装及搬家的准备时间长、急倾斜煤层上山施工安全管理的难度大等一些问题。3薄煤层综采存在的主要问题3.1近水平及倾斜薄煤层开采近水平及倾斜薄煤层综采，存在的主要难题有：受工作面空间的限制,薄煤层综采设备装机功率小，难以适应薄煤层地质条件的变化，如断层、硬夹矸等。薄煤层综采工作面采煤机过煤空间小且装煤效果差，采煤机割煤速度较慢，且工作面人员通行困难，影响工作面快速推进,煤层生产能力低;工作面设备安装、检修、操作等均受到空间限制，影响综采设备能力的正常发挥；薄煤层工作面回采巷道为半煤岩巷,综掘设备使用效率低，炮掘时放炮一次又不可能进行全断面爆破，煤与矸石分装,掘进速度慢,造成采掘接替紧张；单产单进水平低,薄煤层综采经济效益差。受经济效益影响，我国多数矿井对煤厚小于1.0m甚至超过1.2m的薄煤层，存在弃之不采的现象，资源损失严重。3.2急斜薄煤层综采我国在急倾斜采煤方法改革方面进行过许多努力，取得了积极的效果，如在急倾斜特厚煤层中试验成功了水平分层综采放顶煤法、柔性掩护支架采煤法等，并得到了广泛的应用。但是对于急倾斜薄煤层，实现机械化开采仍有许多困难，采煤方法仍然很落后。急倾斜煤层由于倾角大而在岩层控制、设备布置、生产工艺和安全技术方面与缓倾斜煤层有所不同，为实现薄煤层长壁综合机械化开采带来难度,主要表现在以下几个方面：(1)倾角大可以实现煤的自溜运输，可以简化工作面煤的装运工作，但倾角大给行人造成困难和增加煤矸飞下伤人的不安全因素。(2)回采过程中，除顶板抽冒和垮落以外，煤层底板也产生位移和滑坡，给工作面支护带来一定难度。(3)由于倾角大,工作面设备受重力作用，稳定性差，易倾倒，给实现工作面机械化开采增加了困难。由以上特点所决定，急倾斜薄煤层应用的采煤方法主要有柔性掩护支架采煤法、钢丝绳锯采煤法、钻孔采煤法、长孔爆破落煤法、倒台阶工作面全部陷落法、矸石充填采空区全部陷落法、正台阶工作面全部陷落法、水力采煤法、房柱式(短壁爆破)采煤法、仓贮式采煤法等。这些采煤法普遍存在的问题是：采区巷道布置复杂,掘进率高,通风运输复杂；工作面支护和顶底板控制困难，甚至无支护；采煤机械化程度低，安全性差；资源采出率低，材料消耗大，经济效益差。4我国薄煤层综采技术的适应性和应用特点我国薄煤层综采技术的适应性如表4.1所示。我国薄煤层综采技术的应用特点如表4.2所示。薄煤层综采技术主要有薄煤层滚筒采煤机与刮板输送机和液压支架配套的综采技术，刨煤机与刮板输送机和液压支架配套的综采技术，螺旋钻综采技术。4.1 薄煤层滚筒采煤机综采及其适应性薄煤层综采工作面装备有薄煤层滚筒采煤机、刮板输送机和液压支架，可实现机械化落煤、装煤、运煤、移输送机、移架、支护和放顶，相关装备最好是成套配置以保证工作面“三机”配套，否则将无法正常生产或勉强生产也达不到良好效果。薄煤层滚筒采煤机与中厚煤层滚筒采煤机的采煤方式类似，一般采用双滚筒采煤机端部进刀方式割煤，前滚筒割顶煤、后滚筒割底煤，通过滚筒的螺旋叶片配合铲煤板装煤，不留三角煤，往返一次割两刀。采用全部垮落法管理顶板，工艺流程根据具体情况选用及时支护或滞后支护，直接顶较破碎稳定性差时选用及时支护，直接顶稳定性好时选用滞后支护。薄煤层滚筒采煤机综采适用于采高 0.8 m 以上、煤层倾角 25以下、无大断层和褶曲等地质构造的各种硬度的薄煤层，对煤层厚度变化、顶底板起伏、夹矸和硬煤的适应性较刨煤机强。薄煤层滚筒采煤机综采的优点是对煤层赋存的地质条件适应性较强，比刨煤机过断层能力高，破煤能力较高、机械化程度高、可有效控制和易于管理顶板、减少了安全隐患、改善了工人劳动条件和减轻了劳动强度，工作面推进速度快、生产效率高、产量高、效益好。最大缺点是最小采高受到一定限制，“小机身、大功率”问题很难有效解决，造成薄煤层综采一般只用于厚度大于 0.8 m 的薄煤层。4.2 薄煤层刨煤机综采及其适应性刨煤机系统主要由装有刨刀的刨头、刨头驱动装置、刨头运行导轨、牵引刨链、导护链装置、刮板输送机、调斜千斤顶、推移千斤顶、液压支架和相关电液控制系统等组成。刨煤机工作时，工作面两端头的刨头驱动装置带动刨链牵引刨头沿着刮板输送机中部槽上的运行导轨运行，刨刀以给定的刨削深度刨煤，刨落的煤通过刨头犁形斜面装入输送机运出工作面。进刀方式分人工开切口进刀和无需人工开切口的斜切进刀；人工开切口进刀时刨煤机从上切口向下切口运行刨煤，刨头通过后液压支架推移输送机槽和移架，刨头运行至机尾后反向运行，如此反复循环实现连续刨煤、运煤。斜切进刀时刨煤机从机头向机尾上行刨煤，刨头通过后液压支架按下行刨深推移输送机槽，刨头运行至机尾后反向下行至输送机弯曲段时逐渐斜切进入煤壁，液压支架按上行刨深推移输送机槽，输送机机尾由机尾端头支架按上行和下行刨深之和推移；刨头通过机头后反向上行至输送机弯曲段时逐渐斜切进入煤壁，液压支架按下行刨深推移输送机槽，输送机机头由机头端头支架按上行和下行刨深之和推移，工作面和端头所有支架全部动作一次为一个采煤循环。刨煤机综采适用于赋存条件比较稳定、煤层厚度变化小、倾角 25以下、无较大断层和陷落柱等地质构造、煤不粘顶、煤层顶底板起伏小、顶板无淋水、非松软型底板、煤的可刨性强、煤质中硬以下（f34）和硬度大但水平节理发育的薄煤层。薄煤层刨煤机综采的优点是驱动装置设于工作面端部的巷道中，仅刨头在工作面内运行，刨头结构简单、外形尺寸小、没有复杂的液压元件和液压系统，可开采厚度较小的煤层且易于维护；采用静力刨煤、装煤，采出原煤块率高、块度大，煤粉及煤尘少、粉尘浓度低、外在灰分混人少、原煤灰分下降，煤质和价格大大提高且减少了粉尘治理环节；采用小截深、多循环的方式紧贴着煤壁快速刨煤，利用矿压采煤、仅需刨落煤壁压酥区表层，破煤能耗少、对顶板的振动小，割煤后顶板暴露的面积小、时间短、所需液压支架梁端距小、顶板压力小、有利于顶板管理和减少因漏顶而混进煤中的顶板岩石量，使原煤的质量大大提高且可适应破碎顶板；刨头外形尺寸小对工作面通风断面影响甚微，静力刨煤、装煤极少产生火星，原煤块率高、块度大则释放瓦斯均匀，因此刨煤机可在高瓦斯煤层中使用；全自动化刨煤机同具有电液控制系统的液压支架配套后可采用定量推进替代传统的定压推进，保证了以固定刨深随时刨煤随时推进，实现了连续循环作业，工作时间利用率高、效率高、产量高；操作和监控系统设置在回采巷道内，工作面无人化、工人无需跟机作业、劳动条件好、劳动强度小、事故少、人员少、便于生产管理、有利于安全生产和降低用人成本；开采薄煤层时对长工作面有较强的适应性，相对减少了巷道掘进量，这对于薄煤层开采尤其重要。缺点是刨煤机铸件单一化、形状复杂、精度较高、自动化程度高，要求工作人员具备较高的知识水平；对工作面地质条件要求较高、适应性不如滚筒采煤机，不能随时调整刨头的高度、顶板起伏时要留顶板或通过困难，不能随时大量提高刨头起底量、底板起伏不平和调向装置灵敏度不够时会造成“飘刀”或“啃底”，底板松软或煤粘顶时移架困难会影响自动化程度，静力刨煤遇到煤层夹矸或煤质太硬（普氏系数 f4）时会降低生产率。4.3 螺旋钻综采及其适应性以三轴螺旋钻采煤机机组为例，其主要由三轴螺旋钻主机、螺旋钻杆、传动部件、操作台、动力设备、通风系统、液压系统和相关控制系统等组成。螺旋钻采煤机机组沿煤层走向布置在平巷中，其三个轴的头部都是装有截齿的钻头，两边轴是由 2 台电动机分别驱动的可旋转螺旋钻杆、一个左旋另一个右旋，中间轴不可旋转、仅中间轴上的钻头通过头部齿轮减速器由一侧钻杆提供动力而使三个钻头同时钻进；根据煤层厚度和赋存稳定性选用钻头、直径一般约比煤层厚度小 50100 mm，调整钻杆使其轴线与巷道中线垂直、与煤层倾向一致后向煤层钻进，钻头上的截齿割煤，螺旋钻杆上的螺旋叶片向钻孔外掏煤，煤装在与传动部件搭接的刮板输送机上运出，完成破煤、装煤和运煤等工序；不可旋转的中间轴作为通风、供水管道，通风管路与中间轴连接在钻进过程中不间断地向钻孔内供风，用瓦斯测量器测控以保证钻孔内瓦斯浓度达标，沿中间轴敷设水管向喷头供水喷雾以保证钻孔内的粉尘量达标和降温；钻采一节钻杆深度后停止主机运转，将螺旋钻和传动部件分离后开始接钻杆，接完后开始钻进，每隔若干节钻杆要接一节带联接筒的钻杆；钻采到设计深度或遇断层时退钻，螺旋钻机整体前移，视围岩具体情况在若干钻孔间留设一定宽度的煤柱以防止钻采过程中顶板垮落和保护巷道，在孔口内侧支设木柱或木垛后进行封闭以防止孔口岩石脱落和漏风，接着开始下一循环钻采。螺旋钻机开采薄煤层时一般采用独头掘进，只掘进一条回采巷道便可钻采其两侧煤层，实现了无人工作面独头采煤。开采方式有两种，一种是采用前进式钻采回采巷道上帮煤层，掘进和钻采平行作业，前面掘进螺旋钻机紧随其后采煤，到停采位置后调头采用后退式钻采回采巷道下帮煤层，同时回撤巷道支架；另一种是采用前进式钻采下帮，前面掘进螺旋钻机滞后一段距离采煤，这样可将掘进时起底、破顶产生的矸石充填到下帮钻孔中，可实现掘进矸石不上井的绿色开采，到停采位置后调头采用后退式钻采上帮，同时回撤巷道支架。螺旋钻综采适用于煤层走向稳定、构造以断层为主、厚度 0. 40. 8 m、倾角 15以下、非自燃性、岩石夹层普氏系数 f 6、围岩较稳定和无煤与瓦斯突出危险的薄煤层，对开采松软煤层和保护层有极高的推广应用价值，亦可用于开采边角煤、三下压煤和回收各种煤柱。螺旋钻综采的优点是回采工艺简单，钻孔内破煤、装煤和掏煤等工序合并由螺旋钻机完成，实现了传统多元开采模式转变为单一模式；钻孔内无需输送机、支架等设备，减少了设备和相关材料、配件的投入，比其他薄煤层综采投资约低60%；工人在平巷中操作、机械化程度高、劳动强度小，杜绝了占煤矿事故达 50%的顶板事故；使用无火花型钻头和采用通风、喷雾及相关监控措施杜绝了瓦斯、煤尘事故，实现了工作面无人化、开采车间化和安全生产；钻采中遇断层退出钻杆可减少煤中矸石量，提高了煤炭质量和实现了煤层洁净开采；单巷开采，掘进率低，有利于采掘接替且巷道维护费少；将掘进矸石充填钻孔可减少矸石排放量和控制地面沉降，降低了成本且有利于保护环境；可采煤层范围广，将原来大量不可采或弃采薄煤层资源转化为可采资源，合理利用和保护了煤炭资源，产生的经济效益相当可观。缺点是接长和缩短钻杆所用时间占工作总时间的比重较大，降低了钻进效率和减少了煤炭产量；井下矸石处理增加了部分处理费用，矸石充填体的接顶问题如处理不好，大面积应用后，顶板冒落可能会出现少量的地表沉降；钻孔间留煤柱降低了采出率。5综采高产高效优化5.1综采设备的选型与使用综采设备选型是否正确直接关系着能否发挥综采技术的优势。因此设备选型时必须根据工作面地质条件、运输能力等因素选择。5.1.1顶板支架的选型选型依据：根据矿压观测结果及工程类比选择初撑力、工作阻力及支护强度；根据顶板冒落选择顶梁长度及伸缩梁长度；根据底板特性选择推溜力、拉架力、底座面积及比压；根据煤厚选择支架最大、最小高度，支架高度要保证三机配套的合理参数和最小过机空间；根据倾角选择防倒、防滑结构；根据通风要求选择支架断面。首先，要根据工作面顶板类别进行支架类型选择，一般中等及中等以下顶板应选择掩护式，否则选择支撑式。其次，要根据井下的采掘高度确定支架的高度范围，应以支架最大高度大于最大采高0.1m以上为宜，支架最小固定小于最小采高0.3m以上为宜。另外还要认真核对支架的顶底板比压指标。支架支护强度应以大于顶板压力而支架对底板比压应小于实测底板比压，并且差值越大越好，越有利于安全生产。近几年来，国内对国产液压支架的可靠性的研究也取得了很大的进步，其主要表现为：各研究设计单位对液压支架的主要易损件进行了标准化，减少了因重复设计或选用不当而造成的隐患；结构件材料的强度等级不断提高，各部件的安全系数得到进一步提高，有些液压支架生产厂家还进行了强度极限达到700Mpa的钢板焊接工艺试验，且获得成功；能有效地对液压支架的结构件进行有限元计算，确保结构件各点均达到预定安全系数；液压缸使用寿命比橡胶密封圈能提高一倍以上；提高了备部件联接点的强度等。目前，液压支架的操纵方式有手动和电液控制两种方式，北京开采所研制出的KS2大流时手动快速移架系统，是目前国内比较先进的手动控制系统，已在全国大面积推广应用。电液控制是新一代薄煤层液压支架的主要控制方式，极大地提高了煤炭生产的自动化程度，有效地增加了工作面的生产效率，对于保护顶板围岩的稳定非常有利。降低了工人的劳动强度，大大改善了煤矿在人们心目中的形象和工作环境。液压支架采用电液控制系统是实现薄煤层高产高效，并最终实现工作面无人控制自动化的首要条件。Eg.开滦荆各庄矿1015工作面液压支架实例工作面液压支架选型计算：根据矿压实际监测资料，11煤层老顶初次来压步距为192m，周期来压步距为102m，直接顶为类，老顶为级。底板为泥岩，允许比压31.09Mpa。支架架型初选掩护式液压支架。(1)支架工作阻力根据估计法公式：P=nm9.810-6式中：P支护强度，Mpa；n安全系数（取9）；岩石容量（取2.5t/m3）；m采高，1.45m；P91.4525009.810-60.32(Mpa)(2)支架高度选择本掌最小煤厚Mmin=0.8m，最大煤厚Mmax=2.1m支架最小结构高度Hmin=Mmin-0.3=0.5(m)考虑行人、工作空间情况选择1.0m。支架最大结构高度Hmax=Mmax+0.2=2.3(m)考虑煤层情况选择2.3m。机型选择：依以上参数选择综采支架为ZY4000-10/23型掩护式支架。具体主要参数为支护强度0.540.61 Mpa；支架高度10002300mm，支架宽度14201590mm，支架中心距1500mm，初撑力3090kN，工作阻力4000kN，底板比压1.722.16 Mpa，支架重量11970kg，操作方式为邻架控制，适应倾角15以下。针对荆矿公司1015工作面为采塌区储量挖潜薄煤层工作面，支架顶梁选用高强度材板整体顶梁，以减小支架重量和顶梁厚度，满足薄煤层综采设备的配套及支架强度的要求，增加工作面的通风断面。预想采塌区复采工作面顶板破碎，支架增设了伸缩梁，用于割煤后、移架前的临时支护，防止破碎顶板冒落。支架侧护板为双向可调活动侧护板，以适应不同推采方向支架调节。前、后连杆上下分别与掩护梁、底座铰接，共同形成四连杆机构，使支架在调高范围内，梁端距变化尽可能小，更好的支护顶板。前连杆为分体式双连杆，后连杆为整体双连杆，均为钢板焊接的箱型结构，具有很强的抗拉、抗压、抗扭能力。底座采用刚性整体底座，具有很高的强度和刚度。根据薄煤层空间狭小，行人易误碰阀组操作手把使支架下降而造成事故，厂家专门增加了阀组闭锁装置.5.1.2采煤机的选用选型依据：（1）采煤机机身高度要适应薄煤层空间要求，有一定强度和生产能力及功率要足够大，同时要尽可能机身短，以适应煤层薄及复杂地质条件等；（2）薄煤层开采，存在着采煤机在过断层时带来的强烈的震动和冲击。因此，对整机的功率和重量以及强度和稳定性都有很高要求。（3）由于煤层较薄，架内空间小，行人不便，为便于采煤机司机的操作和开采时采煤机有一定的牵引速度，实现高产，要求薄煤层采煤机必须具有远方控制的特点。目前我国使用的薄煤层采煤机基本上是在MG系列薄煤层采煤机基础上研制的，大都为液压牵引方式。近年来，随着电子技术的发展，薄煤层采煤机已由液压牵引向电牵引方向发展。相对于电牵引来说，液压牵引虽然牵引特性较软，但对液压油的清洁度要求很高，且牵引力相对较小。采煤机一旦发生故障，维修不便。电牵引采煤机的牵引力大，液压系统简单可靠，维修方便。电牵引采煤机有机载和非机载两种布置方式，相对机载布置方式(变频器和变压器直接安装在机身上)来说，非机载布置方式虽然在一定程度上减小了整机的长度，降低了电控箱的高度，但增加了牵引电缆，会造成牵引电压下降以及控制信号受干扰等问题(特别对于极薄煤层采煤机影响更大)，同时，对于变频器的复位等操作均不方便。机载布置方式的采煤机只拖曳1根主电缆，采煤机的结构紧凑，对变频器的操作管理方便可靠。目前国内采煤机厂家生产的几种主要薄煤层采煤机如表5.l所列。冀中能源股份有限公司经过近十年的实践，探索出一整套薄煤层采煤工艺，采煤装备水平也逐步提高。薄煤层采煤机功率由316 kW、376 kW、456 kW发展到710 kW，由滑差电牵引采煤机发展到交流变频薄煤层采煤机，采煤机的适应能力越来越强。目前该公司各矿使用的薄煤层采煤机及配套情况如表5.2所列。薄煤层采煤机的发展方向：随着薄煤层开采机械化的发展，该公司根据实际情况及矿井现状来选择薄煤层采煤机，今后发展应从以下几个方面进行考虑。(1)向大功率重机型方向发展。采煤机功率的增大，有利于提高采煤机的机械安全裕度和增大其适应范围。对于薄煤层采煤机来说，可靠性是第一位，只有在可靠的基础上，才能增大其适应性。薄煤层地质条件变化较大，使用大截割功率重机型采煤机，有利于强行通过各种不利的地质条件(如断层、夹矸与局部变薄带)。(2)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。薄煤层采煤机应适当增加滚筒截深，增大截深可提高每一循环的产量，截深可从目前的630 mm增加到8001 000 mm。(3)进一步完善采煤机自动控制系统与故障诊断系统，实现薄煤层采煤机远距离操纵和故障的早期处理，并采用自动调高技术，实现薄煤层工作面自动化开采。(4)装机功率、机面高度与过煤空间三者之间的关系仍然是选择大功率薄煤层采煤机的关键。除生产厂家采用新型高效电动机外，采用特殊的总体布置方式是一条有效途径。5.1.3转载机和运输机的选择选型依据：刮板输送机的输送能力与采煤机的生产能力匹配，并留有一定的备用能力以满足工作面出现片帮、过载等特殊情况下的运输能力；刮板输送机的结构形式及附件必须与采煤机相配套，输送机槽的结构应与工作面底板条件相适应，并应考虑能与采煤机底托架和行走结构尺寸相匹配；刮板输送机的溜槽长度要与液压支架的宽度相匹配，并且溜槽结构要坚固耐磨，具有可弯曲性。支架、采煤机选好后，要根据三机配套要求选择运输能力大于工作面最大生产能力的机型。一般都使用SGZ764/500W型中双链刮板输送机及SZZ764/200型桥式转载机运煤。需要说明的是，支架、采煤机、转载机、运输机等设备选型必须根据井下工作面的地质条件而科学选定，不能一味单纯靠产量指标作为依据来衡量。5.2工作面的设计工作面设计时应根据工作面地质、水文等资料进行科学合理设计。现在综采技术发展趋势是普遍采取大走向、大采长。充分发挥综采生产能力强的特点，减少搬家倒面的次数，降低万吨掘进率，从而为实现高产高效打下良好的基础。但走向和采长也不是越大越好，还要根据实际情况来定。如果过大会造成巷修费用急剧增高、工作面构造增多的不利影响。因此工作面设计必须综合多方面因素考虑和决定。5.3两巷的支护技术综采工作面两巷支护情况对机头、机尾的生产影响很大，如果支护合理可以大大缩短过机头、机尾的时间。在实际生产中采煤机两端入刀时间之和约占总割煤时间的一半，如果机头、机尾支护质量差则要占更大的时间比例。因此两巷支护对能否实现高产高效意义重大。现在综采面一般采用锚网、锚索联合支护。在采面实际生产过程中，锚网支护段的班产量是工字钢支护段的2倍。因此薄煤层综采面的两巷支护应尽量采用锚网、锚索联合支护。Eg.山东某矿锚杆支护实例山东某矿6212工作面为2煤首采工作面，工作面煤层厚度0.591.50m，平均1.20m，硬度f=3.5，煤层结构简单，赋存稳定；煤层倾角319，平均70，属近水平煤层;工作面煤层产状总体成一宽缓向斜，总体趋势为南北高、中间低，西高、东低;煤层瓦斯涌出量低。工作面两区段平巷均为实体巷道，正南北向平行布置，矩形断面，锚网支护。走向长度为1308 m，工作面平均长度为180 m，采用综采一次采全高后退式长壁开采。根据综采设备安装、运输、生产检修及施工的要求，两区段平巷设计净宽均为4.1m，区段轨道平巷净高2.6m，区段运输平巷净高2.2/2.6m，施工时破煤层底板约400 mm，不足高度破煤层顶板。A支护方案 (1)巷道顶板选用5根22x2200mm螺纹钢锚杆。顶板锚杆间距为1000 mm，中间3根锚杆垂直顶板布置，靠边锚杆倾斜布置，角度为250；两帮各选用3根20 x 1800 mm螺纹钢锚杆。帮锚杆下角2根锚杆垂直煤帮布置，上角锚杆布置角度为250，且距顶板700 mm。下角锚杆距底板1000 mm，初步确定间距为1000 mm, (2)为加强支护，设计每3排锚杆布置1根锚索，锚索布置在顶板中间。锚索长度均为6.0 m，外露300 mm。 (3)顶板采用钢丝经纬网，长x宽=4300 mm x1100 mm，搭接长度为100 mm，网孔50 mm x 50mm;两帮网采用钢丝经纬网或钢筋网，长x宽=2600 mm x 1100 mm，搭接长度为100 mm;在巷道顶板和两帮采用钢筋梯子梁，顶板梯子梁长度为4.3m，两帮梯子梁长度为2.6m。钢筋梯一般采用“一”字形布置，顶板泥岩厚度较大，且破碎时顶板采用“十”字形布置。 (4)采用加长锚固方式，其中顶板锚杆采用3支规格为CK2360的超快速树脂药卷。两帮则采用1支规格为CK2360的超快速树脂药卷，以保证锚杆的锚固质量。锚索采用2支CK2360的超快速树脂药卷锚固，锚索的预紧力为100 kN。B支护效果 (1)高预应力锚杆(索)在巷道的支护初期就对围岩施加一个强大的主动支护抗力，最大限度地发挥出围岩的自承能力，有效地控制了松软煤层的顶、帮。 (2)巷道表面位移量较小。根据矿压观测可知，顶底板移近量最大值仅为80 mm，两帮移近量最大值仅为70 mm，断面利用率较高。掘进至回采期间顶板未出现离层冒顶现象，两帮未出现片帮及较大的位移，达到了理想的支护效果。 (3)由于锚杆、金属网、钢带、锚索联合支护，使被锚固的岩层形成一个整体支护结构，有效地控制了巷道围岩的早期离层和回采动压的剧烈影响。5.4回采工艺选择与劳动组织的要求回采工艺应根据工作面顶板类型及采长合理选择，回采工艺应为：割煤推溜移架，采煤机入刀方式为端部斜切进刀割三角煤方式，支架工跟机移架，顶板破碎时可先拉超前架。劳动组织应为四、六制作业，三班出煤一班检修，六小时工作制。5.4.1鹤煤公司王河煤矿回采工艺实例鹤煤公司王河煤矿开采石炭系太原群一1煤层，煤层平均厚度1.09m。根据薄煤层综采工作面地质资料和实际生产中需要，对工作面生产系统进行合理优化研究。（1） 10902工作面布置概况及优化根据工作面倾向长在115186m之间，为避免在生产过程中回收支架，因此工作面设计安装80架ZY3300/7.5/15D型支架，切眼长度为186m，安装时支架下部20m和上部46m为液压单体支柱支护。由于10902综采工作面采煤机2010年11月25日更换新滚筒，使工作面回采工艺发生变化。故10902工作面回采工艺分为两个阶段，第一个阶段为投产至2010年11月25日，第二个阶段为更换新滚筒后至今。（2）第一阶段回采工艺第一阶段为增加采煤机拾煤率，采煤机采用中部斜切进刀，一次采全高。上行割煤至上顺槽后返空刀回到中部，然后下行割煤至下顺槽，返空刀回到中部。往返一次割一刀。回采工艺流程机组斜切进刀留三角煤（采全高）返空刀至中部清煤移架（端头支护）推移溜（滞后20m）割煤至下顺槽返空刀至中部清煤移架（端头支护）。落煤方式采煤机双向割煤，即前滚筒割顶煤、后滚筒割底煤，往返一次进一刀。装煤方式采煤机割煤同时将煤装入运输机约30%，剩余浮煤部分由返空刀进入10%，部分由人工清入运输机。运煤方式工作面采用SGZ630220型刮板运输机运煤下顺槽采用SGB620/40T型溜子配合DTL-800胶带运输机运输，将煤运至109采区煤仓。支护形式采用及时支护方式,本架操作,先降后移,带压擦顶移架支护顶板。一般情况下，移架滞后采煤机后滚筒35架追机作业。顶板破碎时,可滞后前滚筒12架追机移架,及时支护顶板。移架步距0.6m。单体柱支护随工作面推进长度变化而增减。工作面液压支架上、下两端使用单体柱支护的排距为1.2m，柱距0.8m，老塘侧为一排密集支护，柱距0.3m。采空区处理工作面采用全部垮落法处理采空区。通过第一阶段的实践可以看出，10902工作面配套机械中，影响工作面高产高效的因素主要是采煤机滚筒。为提高煤炭自装率，我们矿有矿长组织成立了攻关小组，对割煤机滚筒进行改造，基本达到目的。工作面前后三次对采煤机滚筒进行改造。第一阶段为2010年10月22日至2010年11月25日采煤机滚筒直径900mm，叶片外缘直径766mm,中径650mm，筒毂直径400mm,导程560mm，无挡煤板。第二阶段为2010年11月25日至2010年12月5日，采煤机滚筒直径1000mm，叶片外缘直径876mm,中径580mm，筒毂直径370mm,导程620mm无挡煤板。第三阶段为2010年12月5日至今，前采煤机滚筒直径1000mm，叶片外缘直径876mm,中径580mm，筒毂直径370mm,导程620mm无挡煤板后滚筒直径900mm，叶片外缘直径766mm,中径650mm，筒毂直径400mm,导程560mm，有挡煤板。（3）滚筒的旋向分析滚筒的旋转方向的确定要考虑装煤效果、产生的煤粉量、采煤机的工作稳定性和操作安全等因素：逆转与顺转：滚筒截煤时分逆转和顺转两种情况，如图5.1所示。（a） 逆转 （b） 顺转图5.1 滚筒的顺转与逆转逆转是刀具截煤方向与碎煤落下的方向相反（图a）。逆转时，碎煤落下受到叶片阻挡，不仅落下的时间长，而且随落随装、因此碎落的煤堆积在滚筒前面装煤区和截煤区是重合的。逆转可以避免多余的搬运和重复破碎，装煤单位能耗也较低，但由于被截煤壁表面呈槽形，因而装煤阻力增大。逆转时，即使不用挡煤板，也有较好的装煤效果。顺转是刀具截割方向与碎煤下落的方向相同（图b）。顺转时叶片加速碎煤下落。大部分煤通过滚筒下面被带到滚筒后面挡煤板侧堆积，再依靠螺旋叶片运走，截割区与非截煤区分开，因此运煤距离长。煤被重复破碎的可能性大，装煤单位能耗也大。顺转时必须用挡煤板，否则工作面浮煤较厚。采煤机滚筒转向。图a图b图5.2 双滚筒采煤机筒转向对双滚筒采煤机（图5.2），为了使两个滚筒的截割阻力能相互抵消，以增加机器的工作稳定性，必须使两个滚筒的转向相反。滚筒的转向分两种方式：反向对滚（图a）和正向对滚（图b）。10902工作面采煤机滚筒采用的是正向对滚。（4）螺旋叶片参数图5.3 螺旋叶片示意图螺旋升角是指螺旋线的切线与垂直螺旋轴心平面的交角。其计算式为：Tg=L/D如图5.3所示，导程（L）是螺线旋转一周的轴向距离。滚筒的三个直径指滚筒中径D、螺旋叶片外缘直径Dy及筒毂直径Dg。（5）滚筒装煤能力分析为了分析小直径滚筒采煤机的装煤能力，必须分析小直径滚筒采煤机在装煤过程中的运动。为了简化起见，这里取煤流中的一质点作为运动学研究对象。取与叶片外缘相接触的煤粒，并假设煤粒间为粘滞体，相互间无相对滑动，只考虑煤粒与叶片的摩擦。这样煤流的速度则为叶片中煤粒速度的最大值。图5.4 滚筒及速度矢量分析则叶片中径处的煤粒的速度可比照写为：2=Dnsincos（+）/cos式中2叶片中径处煤流的切向速度和轴向速度；D叶片中径；n滚筒截割转速，rmin；叶片中径处的螺旋升角；煤与叶片的摩擦角。=arctanfm，fm为螺旋叶片与煤的摩擦系数（见表5.3）；故取fm=0.29。表5.3 螺旋叶片与煤的摩擦系数滚筒的装煤能力为：Q=F02式中：F0煤口的面积；散煤密度，=1.5。F0=KF式中F滚筒的最大出煤断面积（大圆面积减去轴面积）；K充满系数，无挡煤板时，K=0.20.25；有挡煤板时，K=0.40.5可以得到滚筒的装煤能力的表达式：Q=KF0Dnsin（+）/cos计算结果见表5.4。表5.4 滚筒装煤能力计算结果（6）结果及建议第一阶段煤炭自装率仅有30%，返空刀后增加到40%。第二阶段煤炭自装率有70%，推移输送机后达到80%。第二阶段煤炭自装率有80%，推移输送机后达到85%。可知，对采煤机滚筒进行改造后煤炭自装率为85%，对于薄煤层而言，基本达到高产高效。提高滚筒装煤性能的措施：建议前滚筒也增加挡煤板。适当增大叶片的螺旋升角。适当增大滚筒转速。但当滚筒转速过高时，煤的切向速度V1也很大，这会造成滚筒装煤过程中切向抛煤量增加，反而会降低装煤效率。（7）第二阶段回采工艺第二阶段通过更换新滚筒后采煤机拾煤率明显提高，约60%。采煤机采用端部斜切进刀割三角煤，一次采全高。往返一次割两刀。回采工艺流程。机组上（下）行割三角煤（采全高）清煤移架（端头支护）推移溜（滞后20m）机组下（上）行斜切进刀割三角煤清煤移架（端头支护）推移溜（滞后20m）。落煤方式：采煤机双向割煤，即前滚筒割顶煤、后滚筒割底煤，往返一次进两刀。装煤方式：采煤机割煤同时将煤装入运输机，剩余浮煤部分由推移输送机将煤推入输送机，部分由人工清入运输机。运煤方式。工作面采用SGZ630220型刮板运输机运煤，下顺槽采用SGB620/40T型溜子配合DTL-800胶带运输机运输，将煤运至109采区煤仓。支护形式。采用及时支护方式,本架操作，先降后移，带压擦顶移架支护顶板。一般情况下，移架滞后采煤机后滚筒35架追机作业。顶板破碎时，可滞后前滚筒12架追机移架，及时支护顶板。移架步距0.6m。单体柱支护随工作面推进长度变化而增减。工作面液压支架上、下两端使用单体柱支护的排距为1.2m，柱距0.8m，老塘侧为一排密集支护，柱距0.3m。采空区处理。工作面采用全部垮落法处理采空区。5.4.2劳动组织（1）工作面内专业工作组定岗追机作业。（2）上、下端头为专业工作组定岗定点作业。（3）检修班为专业工作组定岗定额作业。5.4.3提高回采率的措施1提高资源回收率的主要技术措施（1）矿井集中生产，减少煤柱损失在开拓巷道布置方面，本着不压煤或者少压煤的原则,实行集中开拓,联合布置。采区以断层为界，不留人为边界，尽量利用自然条件划分采区，合理加大采区走向长度，以减少煤柱损失，使矿井资源回收率和采区回采率得到很大的提高。（2）采用沿空留巷，实现无煤柱开采将机轨双巷布置为单巷，全部采用采后砌石墙或金属支架等沿空留巷等护巷措施。使每一片盘减少了10m左右阶段煤柱，大大提高了回采工作面产量，降低了掘进率。无煤柱开采是在一定空间范围内获得最佳经济效益的重要措施。（3）因地制宜地使用先进的采煤方法因煤矿地质构造复杂，工作面大小断层纵横。在采面遇小断层较多的地块，为减少搬家次数和丢煤,凡落差小于采高1/2的断层,采煤工作面可挑顶拉底直接通过。对于落差大于采高1/2的又小于采高的煤层，掘进巷道追踪处理，采取沿断层送巷道，从而减少煤量的损失。（4）坚持残煤回收对于边角残煤和以往的采区煤柱及报废的井筒煤柱，千方百计予以回收，力争做到无残煤。2.强化技术管理，严格执行开采技术政策(1)为防止“吃肥丢瘦”的短期行为，矿总工程师严格执行开采技术政策，要求各级工程技术人员千方百计地减少损失，防止丢煤，处理好资源回收与安全生产的关系。为发挥资源监督作用，还进一步规定：采掘设计和作业规程必须经地测部门审核，签字同意后方可施工。采掘工作面开竣工审查，验收由地测科负责。地测科每月组织地测人员对采煤工作面，掘进工作面进行实测验收。发现浮煤超限和任意丢煤者下发预防丢煤通知书，并扣其产量。将防止丢煤提高回采率工作直接与采、掘队领队和工人的经济效益挂钩，使地测科真正起到监督作用，促进资源回收率的提高。(2)坚持浮煤的清理工作，采煤面每班有专人负责用耙子、扫帚清理浮煤。(3)对于半煤岩巷道严格要求煤岩分装。(4)定期审查“三量”和损失量。建立和健全一套完整的图纸、台账等，确保统计数字的准确,定期检查。分析三量、储量和采区回收率，找出造成损失的原因，及时处理和解决。5.5操作人员必须具有过硬的专业技能加大综采设备的使用率是提高煤炭企业现代化开采的有效手段，必须有一支作风硬、技术素质较高的队伍来操作，否则再好的机器也是摆设，再好的设备也只能是一个空壳。因此必须加强对操作人员的专业技能培训，特别是干部职工的综采技术的培训。尤其要对岗位转变和安全资格证过期失效的人员，进行专项的脱产培训，使他们做到持证上岗、安全作业；要认真学习所在的岗位的操作规范和手指口述，熟悉设备的技术参数、运行原理，使用维护等理论和实践知识，提高自身的专业素质。另外还应及时总结在现场管理中的许多教训和宝贵经验，为今后实现安全生产和发展良好的借鉴依据。5.6规范现场安全与生产管理薄煤层工作面的开采，实现高产高效就必须有足够的推进速度，加强现场的管理非常重要。应用综采技术不仅是综采设备的使用，还包括一通三防、过地质构造、顶板管理等技术的综合配套。以很多煤矿的综采工作面地质条件复杂、顶板破碎制约了生产，针对这些问题，我们要采用有效措施：加强顶板管理、及时拉超前架等措施，扭转了生产的被动局面，加快了工作面的快速推进。由于薄煤层工作面采高底的空间狭小，设备较大，调整起来十分困难。日常不规范的操作就有可能造成严重的生产事故。因此必须加强现场的安全和生产管理，杜绝各类安全生产事故的发生。6薄煤层综采实例6.1华丰煤矿大倾角薄煤层综采6.1.1东综采工作面概况1煤层赋存条件及可采储量华丰煤矿1611东综采工作面位于井田中东部，-1100m水平一采区第三区段，6层煤埋藏深，在-920-1010m之间，厚度一般在1.01.2m之间，平均1.1m,煤层倾角大，在3135之间,平均32。结构单一，厚度稳定，全区可采，小断层较多。工作面走向平均长745m，倾斜平均长155m，工业储量16.3万t，可采储量15.8万t。2煤层顶底板状况直接顶为粉砂岩，抗压强度17.3526.2MPa，顶板为b类。基本顶为中砂岩，抗压强度44.5971.25MPa，顶板分类为级。直接底为粉砂岩，抗压强度平均48.6MPa，a类,容许比压7.28MPa。3地质构造地层走向自西向东变化较大，从西部的111变至82，走向拐弯较明显。地层倾角从西部的32变至中部的31，东部边界块段达35。1610工作面开采中和1611上下平巷掘进过程中共揭露断层19条，6条逆断层，13条正断层,落差在0.43.5m之间，其中落差1.0m的7条，大于1.0m的8条，对回采影响较大。4巷道布置采区巷道布置采用煤层群分组巷道联合布置方式，即在采区内布置上、下山并划分区段,在区段内布置岩石集中巷及石门和回采工作面，由石门揭露各煤层,各煤层共用区段石门和岩石集中巷。采区内布置有-920m岩石集中巷、-1010m岩石集中巷通过区段石门和1611中工作面顺槽相联接。5工作面装备及采煤工艺