煤矿开采新技术、新工艺和新设备

第二章煤矿开采新技术、新工艺和新设备

第一节煤矿综采工作面自动化、智能化新技术第二节厚煤层整层开采技术第三节煤矿绿色开采新技术

第二节煤矿综采工作面自动化、智能化新技术通过采用综采工作面智能控制技术和可视化远程干预控制技术，应用液压支架电液控制系统、智能集成供液系统、图像视频远程跟踪系统、采煤机和刮板输送机协同控制系统、远程智能控制平台等综采工作面智能成套装备，代替液压支架手工操作阀、传统采煤机刮板输送机泵站控制系统等手动操作平台，实现割煤、推移输送机、移架、运输、除尘等工艺过程智能化，可以减少工作面作业人员50％以上。第二节煤矿综采工作面自动化、智能化新技术一、综采工作面智能控制技术（一）、采煤机发展趋势随着智能化采煤机特别是电牵引采煤机的广泛应用，采煤机向着大型化、大功率、稳定性方向发展。在割煤高度已达到了0.8～8.8m的水平，倾角范围达到到60°。总装机功率监测的产品得到大程度改善，以238～2500kW功率设备为例，其牵引速度能达到20m/min以上，落煤速度达到6000t/h。采煤机的截割速度一直在增加，目前采煤机的截割速度一般为0.2～0.4m/s，一些新研究开发的采煤机截割速度达到0.4～0.6m/s，采用计算机人工智能控制的采煤机以及具备超前防护功能液压支架的应用，使长壁工作面生产能力和效率得到持续的改善。内置式多功能微处理机和控制系统的使用，是采煤机控制技术方面取得重大进步，微处理机的应用功能增加使采煤机生产能力和性能大为改进。人工智能装置的采用使采煤机增加了动态控制和故障处理能力，安装在采煤机上的计算机人工智能系统，可根据煤层地质条件的实际变化情况，自动地改变采煤机的运行状态参数，包括采煤机截割速度、截割滚筒和挡煤板的位置，截割速度可以通过程序进行控制。（一）、采煤机发展趋势【案例3-4】8.8m采高特厚煤层采煤机

世界首台8.8m采高特厚煤层采煤机即MG1100/2925\|WD型交流电牵引采煤机由天地科技股份有限公司上海分公司研制成功，进一步增大了采煤机一次采全高范围，提高了特厚煤层采出率和生产效率，引领了大采高、大功率采煤机技术发展方向。该采煤机在整机稳定性与连接可靠性、高强度轻量化截割部、高速高可靠性重载牵引行走系统等方面实现了技术突破，具有摇臂运行状态在线监测系统，可配置多种传感器，实现自动化采煤功能。该采煤机机身高度4200mm，机身长度9717mm，配置直径为4300mm的滚筒，配套刮板机型号为SGZ1388/4800，整机质量约220t。该机截割功率2×1100kW，牵引功率2×200kW，破碎机功率270kW，泵站功率55kW，采高达8.8m，年产煤能力超过1600万t。首台设备于2018年3月用于神东上湾煤矿四盘区，布置8.8m液压支架128台，投产后使上湾煤矿工作效率提高85％以上，成本降低30％，资源采出率提高30%，上湾煤矿也成为世界采高最大、工效最高、单井单面年产量超1600万t的特级安全高效矿井。（二）、工作面液压支架的发展趋势

我国自20世纪60年代末开始液压支架研发。80年代初，三次大规模引进国外支架，尤其是第一批引进100套先进综采设备，液压支架参数和性能明显提高。我国科研人员通过消化吸收国外技术，自主研发多种液压支架，如QY和YZ系列。80年代以来，我国开发适用于各种条件的液压支架，如大吨位支架、分层开采自动铺连网支架等。90年代中期开始，我国液压支架快速发展，性能、可靠性明显提高，架型不断丰富。目前，国产液压支架适应我国安全高效需求，有20余种架型，其中一半用于缓倾斜中厚煤层和特厚煤层。适用于缓倾斜厚煤层的液压支架分为机械化铺连网支架、一次来至间采放预煤支架。（二）、工作面液压支架的发展趋势特种液压支架大采高综放液压支架7～8.8m超大采高液压支架ZZ9000型特种液压支架大大提高了液压支架撤出工作的安全性，降低了支架撤出成本，提高了回撤速度。其特点有：使用四连杆或其他机构，保持梁端和煤壁之间的基本安全距离；使用整体自移式结构和智能自控系统，便于支架操作及自动控制和远程控制。ZF15000/28/52型四柱大采高综放液压支架，工作阻力达15000kN，采用铰接前梁和高可靠性伸缩梁加二级护帮的结构以防止工作面片帮和冒顶；采用新型双四连杆中通式大空间放顶煤支架稳定机构和扰动式高效放煤机构，整体材料以Q690为主，并研制了360mm恒阻抗冲击立柱。该设备在塔山煤矿8105工作面进行了工业试验，工作面设备平均开机率为92.1％，煤炭资源采出率达88.9％，平均月产超过0.9Mt。ZY18800/32.5/72D型掩护式电液控液压支架，采用整体顶梁带内伸缩式伸缩梁和三级协动护帮装置，采用500mm缸径立柱，采高范围3.25~7.2m，工作阻力达到18800kN，可实现远程自动成组控制，极大降低综采工作面工人劳动强度，已经达到国内高端水平，一次采全高，资源采出率可提高到90％以上；其独特的双平衡千斤顶设计更是能够保证支架抗扭转力，确保支架稳定，更好适应煤层开采条件。（三）、工作面输送机的发展趋势随着采煤工作面长度和产量的增加，工作面输送机链直径也在增大。目前，高产长壁式综采工作面的输送机中部槽通常为1342mm，采用423mm的中双链，总装机功率在1400kW以上，电压为3300V。这种输送机适用于长度在300m及以上的工作面，每小时输送能力超过3000t，为了保证达到这一输送能力，必须具备较高的启动电压和启动功率。我国刮板输送机起步较晚，但目前已有数十种品种。发展经历了四个阶段：第一阶段代表产品有SGB型、SGWD|17型、SGD|20型；第二阶段代表产品有SGW|44型、SGW|80T型；第三阶段是综采机械自动化阶段，70年代初引进了一批刮板输送机，经过改进适应了我国煤矿实际情况；第四阶段代表产品有SGZ1000/1710型、YBSD|855/430型。近年来，我国刮板输送机发展迅速，从端卸式到侧卸式，适应范围从中厚煤层发展到特厚和薄煤层。功率和链条直径不断增加，设备寿命提高，实现了矿井安全高效生产，为综采机械化水平提升和经济效益增长做出了贡献。【案例3-6】厚煤层一次采全高综采工作面用刮板输送机

张家口煤矿机械有限责任公司设计生产的SGZ1400/3×1600型刮板输送机，适用于厚煤层一次采全高综采工作面，运输能力超过6000t/h，能够满足工作面长度300m以上、单一工作面产量20Mt以上、服务寿命50Mt以上智能工作面的配套使用要求。该型号系列的成套输送设备于2016年上半年在金鸡滩矿得到成功应用，使用半年以来，创出了平均每月110万～130万t煤的产量。（三）、工作面输送机的发展趋势（三）、配套设备的发展趋势主导技术带动相关技术群创新发展，使用大功率设备和先进电气控制，如矿用低压组合开关、乳化液泵、乳化液自动配比系统和带式输送机的集中控制系统，取得显著进展。煤层优质矿区已实现综采工作面智能化开采，包括采煤机记忆截割、液压支架自动跟机移架、刮板输送机变频协同控制等，但仍存在技术瓶颈。针对此，研究包括采煤机功率协调、自适应控制系统、姿态感知技术、自动调高系统、多机协同控制技术等，以提高综采设备自适应性和协同性，实现安全、高效、绿色、智能化、少人化开采，逐步实现无人化开采目标。【案例3-7】上湾煤矿大采高综采配套设备

上湾煤矿12401综采工作面8.8m一次采全高配套采用江苏天明机械集团生产的SZZ1588/700型转载机和PLM7000型破碎机，满足运输能力6000t/h、破碎能力6000t/h的需要。神东设备维修中心维修二厂自主设计制造的大采高数字自移机尾装置，适用于1.8m带宽的带式输送机，配套上湾煤矿8.8m超大采高综采工作面，可实行自动、手动等控制，自动储存各类信息数据，增加了油缸位移、机身倾角、输送带偏移位移等传感器，实现了油缸调高、调偏和推移自动化。（三）、工作面输送机的发展趋势二、采煤工作面端头及巷道超前支护自动化（一）、综采工作面端头液压支架布置方式无端头液压支架：适用于稳定完整的运输巷顶板，不需要端头液压支架。一架中置及时支护端头液压支架：用于相对稳定的运输巷顶板，一架支持工作面，装在凹槽内。两架一组及时支护端头液压支架：适用于破碎底板，两架端头液压支架一组。两架一主一副偏置及时支护端头液压支架：用于破碎底板的工作面，主副支架布置方式。三架一组中置及时支护端头液压支架：适用于巷道断面小的工作面，中间支架较宽。两架或三架滞后支护端头液压支架：用于稳定的巷道顶板，滞后布置方式。超前支护＋端头液压支架：适用于破碎底板，超前支护加端头液压支架布置方式。综采放顶煤端头液压支架：设计较长，用于解决放顶煤工作面的支护问题，一般采用即时支护端头支架布置方式。【案例3-8】小保当煤矿450m超长智能开采工作面一、主要建设内容：针对中厚煤层小采场效益低等问题，采用450m智能化超长工作面方案，实现小保当二号井2~3m煤层年产10Mt/a目标，形成了成套装备及关键技术。（一）超长工作面高速截割智能控制工艺：采用分段控速工艺，创新提出前半部分推一半刮板输送机跟紧采煤机的方式，实现刮板输送机直线推移。（二）超长工作面高可靠性支—采—运和控制成套装备与系统：采用液压支架、采煤机、刮板输送机等国产设备，并配合自动化控制系统，实现高效、可视化的综采工作模式。（三）基于真实数据驱动的监控系统：通过智能截割软件、数字孪生技术等实现了全作业循环的智能截割，并建立了机—液耦合移架运动学模型，辅助远程开采决策及控制。二、智能化建设成效：实现了减人、增产、保安、提效目标，生产效率提高了15%，并标志着我国在智能高效开采方面取得了突破性进展。（一）、综采工作面端头液压支架布置方式第二节厚煤层整层开采技术一、综采放顶煤技术(一)综放放顶煤开采类型主要分为高、中、低位放顶煤综采，目前主要采用低位放顶煤综采。高位放顶煤综采：放煤口位于支架顶部，使用单输送机运送煤，简化了运输系统，但产量低，煤尘大，支架稳定性差。中位放顶煤综采：支架放煤口位于中部，采放作业互不干扰，可实现平行作业，提高了单产。低位放顶煤综采：支架放煤口位置低，尺寸大，放煤效果好，煤尘少，后输送机运行顺利，支架尾梁可摆动，有利于提高顶煤回收率。一、综采放顶煤技术(二)综放放顶煤工艺特点及过程（特点）

初采放煤工艺：通常在工作面推进10~20m前不放顶煤，以防止顶板垮落威胁采煤工作面，有时需要采取松动措施。

末采放煤工艺：通常在工作面收作前20m左右铺双层网停止放煤，或将工作面向上爬至顶板时再收作，近年来普遍缩小了不放顶煤的范围并提前10m左右停止放顶煤，并铺顶网，但需解决好停采线位置选择和防止矸石窜入的问题。

放煤步距：在工作面推进方向上，两次放顶煤之间的推进距离称为循环放煤步距，应根据顶煤厚度和采煤机截深的整倍数合理确定，与顶板冒落和顶煤破碎程度相关。放煤方式：放顶煤工作面放煤顺序、次数和放煤量的配合方式称为放煤方式。放煤方式不仅对煤炭采出率、含矸率影响较大，还影响总的放煤速度和工作面单产。一、综采放顶煤技术(二)综放放顶煤工艺特点及过程（过程）割煤：采用双滚筒采煤机沿工作面全长割煤，截深一般为0.60.8m，采高一般为1.83.2m，近年来出现了大采高综放液压支架，采高可达4m。移架：液压支架装有伸缩前探梁和防片帮装置，割煤后立即伸缩前探梁支护新暴露顶煤，采煤机通过后及时移架，并伸出防片帮板护住煤壁。移前输送机：移架后移置前输送机，可一次推移到位或分段移动，确保输送机推移后呈直线状，不得出现急弯。放顶煤：根据架型、放煤口位置及几何尺寸、顶煤厚度及破碎状况，合理确定循环放煤步距，多为“一刀一放”或“两刀一放”，也可采用多轮放顶煤，要掌握好“见矸关口”的尺度。拉移后输送机：顺序拉移后输送机，严禁相向操作，拉移一般滞后放煤的液压支架10～15m，并确保弯曲段长度。二、大采高开采技术(一)大采高综合机械化采煤工艺特点1、初采高度较小，一般为3.5m。在工作面推进至直接顶初次垮落后，逐渐沿走向将采高调整至全高。沿倾斜方向则在直接顶初次垮落之前，先将工作面两端7.5m范围内的采高由巷道高度渐增至3.5m，直接顶初次垮落后，在工作面15~20m范围内，将采高渐增至正常采高。2、煤壁片帮甚至架前漏顶是大采高开采应解决的关键性技术问题。

控制片帮的措施：①采煤机割煤后，及时擦顶移架并立即打开护帮板，必要时将第一段护帮板用千斤顶使其向上翻转，临时支护顶板，以减小端面距，并以第二段护帮板支撑煤壁，采煤机通过前收起；②加快工作面推进速度；③用快硬膨胀水泥尼龙绳等锚杆加固煤壁；④在地质条件允许时，采用俯斜开采方式；⑤提高液压支架的初撑力，以求改善近煤壁处围岩的应力状态，减小端面顶板的下沉量及减轻煤壁片帮程度。二、大采高开采技术(一)大采高综合机械化采煤工艺特点3、支架防倒、防滑工作显得尤为突出。由于支架高度大，当工作面倾角增大时，支架倾倒、下滑的概率增加。4、端头支护及超前支护工作比一般综采更为重要。加强端头和超前支护具体做法是：①上、下端头的巷道末端采用丛柱切顶、挡矸；②排头、排尾各三架，采用伸缩梁或护帮板作临时支护，其移架落后于中间支架一个步距，待移机头、机尾后再移架，使工作面梁端保持一致；③上、下顺槽采用单体液压支柱配铰接顶梁超前支护20m，平行巷道架设，一般回风巷道设两排，运输巷设三排，均为一梁二柱。5、厚煤层一次采全高综采与分层综采相比，有以下优点：①工作面产量和效率大幅度提高；②回采巷道的掘进量比分层开采减少一半，并减少了假顶的铺设；③减少了综采设备的搬迁次数，节省搬迁费用，增加了生产时间；④虽其设备投资比分层综采大，但由于产量大、效益高、巷道掘进量少、无假顶铺设、工作面搬家少等因素，其综合经济效益明显高于分层综采。一、综采放顶煤技术(二)大采高开采适用条件工作面地质构造简单，无大的褶曲和断层，水文地质条件简单。工作面煤层的煤质较硬（普氏系数大于1.5），煤层厚度3.5～6.0m，煤层赋存稳定，厚度变异系数小。煤层倾角一般小于12°，最大不超过18°。煤层顶板属于稳定或较稳定的类型，能够随采随冒，冒落后能够充满采空区;煤层底板较坚硬。矿井生产能力大，辅助运输及提升条件能够满足重型支架的运送要求。一、综采放顶煤技术(三)大采高发展的主要影响因素1、大采高围岩控制理论研究不能满足生产实践要求我国普通采高和放顶煤开采的围岩控制理论已成熟，对生产实践起到重要指导作用，但大采高的围岩控制理论研究不足，限制了其推广应用。2、辅助运输系统落后，巷道断面及布置先天不足，阻碍了大采高的发展大采高需要高效的辅助运输系统，但传统轨道运输系统效率低，容易出现事故，且不适用于大采高工作面的设备搬运，同时，现有巷道断面小，无法适应大采高的设备运输需求，改造工作量大，限制了其在许多矿井的应用。3、国产设备的可靠性影响大采高发展大采高要求综采设备可靠性高，尤其是液压支架需要稳定性好。国产设备与国外先进产品相比仍有差距，如果设备可靠性不高，则无法发挥大采高的优势，有时甚至比不上普通采高的经济指标。煤矿绿色开采是指考虑环境与资源保护的煤炭开采方法。具体来说，煤矿绿色开采以及相应的绿色开采技术，在基本概念上是从广义资源的角度认识和对待煤、瓦斯、水、土地、矸石等一切可以利用的资源；基本出发点是从开采的角度防止或尽可能减轻开采煤炭对环境和其他资源的不良影响；基本手段是控制或利用采动岩层破断运动；目标是取得经济效益的同时，实现最佳的环境效益和社会效益。三个内涵与特点

对原有矿井废