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高产高效综合机械化放顶煤技术简析

发布日期:2013-04-21  来源:中国防爆设备网  浏览次数:2135【字号:
综采放顶煤是在综合机械化采煤技术基础上发展起来的新型采煤方式。该技术通过液压支架与顶板的挤压,利用矿山的自然压力,使通常需要23次分层方能采完的煤层一次就全部采出,具有高产、高效、低耗的优点。
1991年,阳泉矿务局应用该技术首创工作面月单产14t的记录,拉开了综采放顶煤技术在我国迅速发展的序幕,综放工作面的数量、开采产量和年产100t综放队的数量逐年上升,其中年产200t以上的综采队81%是采用这一技术实现的。作为世界范围内一种全新的采煤工艺,综采放顶煤也存在尚未攻克的难题,诸如煤尘量大、设备寿命短、工艺复杂等,制约其潜力的发挥。当时,这项技术在国外呈萎缩状态。国内80多个综放工作面中真正实现高产高效、年产达到200t的只是少数,大部分处于低指标水平。我国煤炭科技工作者围绕这一技术进行了多方面的攻关,取得了75项成果,极大地促进了该技术在我国的普及与应用。兖州矿业(集团)有限责任公司单个工作面的煤炭年产量超过了426t,工作面回采率达到85.17%
兖州矿区综合机械化采煤设备发展趋势
兖州矿业(集团)有限责任公司研究了兖州矿区综合机械设备的发展趋势,主要内容包括以下几点。
1)液压支架。放顶煤支架采用反四连杆形式,把四连杆机构放在两立柱间,以增大后部放煤空间;采用大尾梁、大插板形式,尾梁直接与顶梁铰接,顶煤的受控排放能力大为增强;采用整体顶梁带伸缩前梁的结构,以提高支架前端的承载能力,防止工作面冒顶;研制高性能密封件和液压元件,用以提高支架整体可靠性、结构件强度及焊接质量;采用由先导回路控制的大流量系统,移架的速度控制在10 m/s以内。分层开采则向两柱掩护式支架发展,因其具有工作高度调节范围大、液压系统简单、操纵阀少及易于自动化等优点,完全可以适应兖州矿区顶板要求。
2)采煤机。AM500型采煤机近几年内仍是主导机型,但要在泵箱、密封件、轴承和喷雾系统方面加以改进。MGTY-900/400D型电牵引采煤机采用多电机驱动、模块式结构、交流变频调速等先进技术,有望成为未来几年的主力机型。
3)工作面输送机。放顶煤工作面前后部都是830mm槽宽或前部960 mm(与电牵引采煤机配套)、后部830 mm槽宽,某些部位也需要加以改进。对于分层开采工作面,槽宽1 m、装机功率100 kW以上、小时运量大于2000 t、铺设长度大于220 m、采用十字交叉侧卸机头及埋链牵引方式的输送机将成为发展趋势。
4)顺槽运输设备。对转载机的要求,一是提高运量,二是增加可靠性。11.1 m槽宽的转载机将是未来几年的主导机型,还有小时运量要达到25003000 t,装机功率400 kW左右,铺设长度大于60 m,要解决自移问题。胶带机仍以1200 mm带宽为主,但要加大铺设长度,采用多点驱动,提高带速,与转载机能力相匹配。
兖州矿区综合机械化放顶煤开采技术的发展
兖州矿区的综采放顶煤开采技术大致经过3个发展阶段。第一阶段是1992—1995年试验推广,兴隆庄矿5306工作面试验成功后,在鲍店、南屯、东滩矿推广,主要设备有由ZZP5200型铺底网支架改制的ZFS5200型低位放顶煤液压支架、AM500型采煤机和SGB-764系列输送机,年生产能力达200t。第二阶段是1995-1998年完善提高,使用ZFS5600型液压支架,增大后部过煤空间,使用SGZ-830/630型输送机,提高了输送机功率,仍用AM-500型采煤机,年生产能力达400t。第三阶段是1999年后,以使用九五攻关的综采放顶煤工作面装备为标志,液压支架为ZFS6500型,采煤机为MGTY400/900-3.3D型电牵引采煤机,前、后输送机为SGZ-960/750型,工作面年生产能力达500t
兖州矿业(集团)有限责任公司承担的国家九五科技攻关项目缓倾斜特厚煤层高产高效综放开采成套技术与装备研究,把我国的综合机械化放顶煤开采技术推向世界先进水平。经过三年的努力,该课题总体、各专题和子专题的技术日臻成熟,达到了攻关合同规定的各项主要技术指标,已经于2000128由山东省科技厅主持会议通过了中国工程院院士范维唐、钱鸣高、周世宁和中国科学院院士宋振骐等14专家的技术鉴定。
目前,九五攻关综放面成套设备已在各生产矿普遍使用,成为兖州矿区煤炭生产的主要装备,基本形成了一矿一井一面或两面、年产450万~650t的格局。在综放生产技术不断发展和工作面装备水平不断提高的同时,为了合理集中生产、简化生产系统、降低巷道掘进率和提高经济效益,对采区巷道布置进行了研究与改革。在普遍使用单翼跨上下山采区巷道布置的基础上,先后推出了煤岩巷垂直布置和边界上下山布置等采区巷道布置方式,逐步形成了与大型化、集中化、系统化生产相适应的巷道布置方式。经过改革,采区及工作面的几何尺寸加大,工作面长度由140170 m加长到200220 m,工作面推进长度由1 000 m左右加大到1 800 m以上,采区及工作面储量大大增加,为提高工作面单产和合理集中生产创造了条件。同时,还进行了回采巷道锚网支护的探索,亦取得良好的效果。
兴隆庄矿总结综合机械化放顶煤开采工艺参数
兖州矿业(集团)公司兴隆庄煤矿对综采放顶煤开采时的放煤工艺参数进行了总结。根据该矿多年的开采经验,综放面的放煤工艺遵循以下规则:多轮、顺序、均匀放煤,大块破碎,见矸关门。放煤工序滞后于工作面移架工序的进行,滞后距离为3架。
1)同时打开的放煤口数量确定。以4326工作面为例,其顶煤厚度为5 m,每个支架的待放煤量为8.4t。按照九五攻关期间的工作面实测,单口放煤时间为6070 s,单口放煤能力为4 t/min。鉴于该面液压支架放煤口纵向尺寸已被加大,后部输送机受煤宽度亦由900 mm增加至1 200 mm,所以单口放煤的能力大为提高。但由于循环进尺由0.8 m增加到1.0 m,每架的放煤量自然也增加。如果考虑将单架放煤时间控制在70 s以内,则单口放煤的能力为7.2 t/min。为保证均衡生产和高产高效,采煤机割煤时间和工作面放煤时间应当近似相等。在采煤机平均割煤速度5 m/min、跑空刀速度10 m/min、斜切进刀速度3.5 m/min、包括反向割底煤的两端反向时间为5 min的情况下,循环割煤时间为96 min。循环放煤时间按90 min计算,单位时间放煤量等于18.4t/min5%的矸石量为1657 t)。考虑到多口放煤的不均衡系数,则同时打开的放煤口应为4个。
2)每轮单架放煤量的确定。放煤口打开以后,单位时间的出煤量无法计算,因而在分两轮放煤的情况下,每轮的放煤量只能以放煤时间来控制。计算中,每轮单架的放煤时间按单架放煤时间的一半考虑,应为35 s。在各工序正常运行的情况下,196架基本支架的实际放煤时间加上补放时间,约为6065 min
25°倾角松软煤层综合机械化放顶煤工作面回采工艺
兖州矿业(集团)公司南屯煤矿通过对深部松软煤层日产万吨综放面回采工艺的研究,初步掌握了25°倾角大地压松软煤层条件下的安全回采,实现了复杂煤层条件下综放开采的高产高效。
回采工艺研究包括:(1)工作面端面顶煤和煤帮控制技术。9301工作面倾角和仰角较大,顶煤松软易冒落,回采过程中应采取控制机采高度,控制初次放煤步距、铺顶网及预置顶煤托架,及时支护等手段。
2)工作面设备防倒、防滑技术。支架顶梁、底座前后设有防倒放滑千斤顶,及时调整歪斜支架。支架歪斜过大,防倒放滑千斤顶不能调整时,使用单体支柱在拉移过程中调整支架。
3)回采工艺优化。煤机走刀。在正常生产期间对中部斜切进刀和端部斜切进刀两种方式分别进行了割煤两刀试验。结果表明,中部斜切进刀方式不能及时移架,工作面中部空顶时间2040 min,这样对端面顶煤控制芎蠖ッ浩扑椴焕6瞬啃鼻薪斗绞窖犯蠲菏奔浣隙蹋杉笆币萍埽欣诙嗣娑ッ何ず图芎蠖ッ浩扑榉懦觯迪植煞牌叫凶饕担恃≡穸瞬啃鼻薪斗绞健移架。9301工作面液压支架采用ZFQ6500-18/35型中间支架配合ZFPQ6500-20.5/35型端头支架,两种支架均配备400 L/min大流量快速移架系统,其设计工作时间12 s/·人。放煤工艺。放煤方式一般根据顶煤厚度、顶煤冒放性及采放比不同采用单轮放煤和双轮放煤。九采区煤层厚度小于6 m,采放比约为11,顶煤厚度较小且容易冒落,确定采用单轮放煤方式。不同的放煤顺序将影响放煤速度、顶煤回收率和含矸率。正常按2个放煤工进行放煤,则可进行的放煤方式确定一采一放单轮间隔放煤。
5.5m厚煤层网下综合机械化放顶煤开采工艺
兖州矿业(集团)公司鲍店煤矿有5个已采过第一分层的采区,剩余煤层厚度采用放顶煤开采。由于预采顶分层后网下综放面的支承压力相对较低,矿山压力自然破煤的能力相对减弱,支架后方存在大量大块煤,放煤过程中不便于放出,使大量顶煤丢失在采空区。经过对1303工作面网下综放开采工艺的研究,逐步摸清了网下顶煤的放出规律,并采取了相应的措施,使回收率超过80%,成本比分层综采下降50%,每班次回采工效达到84 t
放煤参数包括放煤顺序、放煤轮次、放煤步距及采放比等,许多参数在整层放顶煤时已有成熟的经验可借鉴,鉴于网下放顶煤的特点(顶煤硬度小、采放比为11、铺设顶网),主要对放煤步距进行了分析。根据观测统计,当放煤末期有拱结构存在时,全煤拱所占的比率最大达50%左右。对于此种结构一旦支架前移,全煤拱将失去前支撑点而垮落堆积于后部输送机及底板上,新冒落的顶煤堆积于组织全煤拱的煤炭上方。由于顶煤较薄,采用一刀一放方式放煤时,上循环垮落于底板的煤可以从放煤口放出。若采用二刀一放方式,则因底板浮煤距放煤口距离加大,相当一部分浮煤处于安息角内而不能放出,顶煤越薄丢失浮煤的比例越大,尤其是大块煤的安息角增大导致丢失煤更多。因此,在网下综放开采顶煤厚度不大的条件下,宜尽量减少底板浮煤的损失量,即采取一刀一放的放煤方式较好。采用网下综放开采后,工作面上方顶板由破碎的直接顶变成坚硬整体性好的煤体,从根本上消除了架前冒顶事故的发生,突破了网下坚硬煤体不可放的禁区,工作面平均月产量19.8t,最高达到25.6t
综合机械化放顶煤孤岛工作面回采技术
兖州矿业(集团)公司济宁二号煤矿针对2303孤岛综放工作面回采时遇到的各种困难制定了快速推进措施,实现了高产高效,为其他相似开采条件的孤岛综放工作面提供了经验。
该综放面设备配套采用九五攻关成果,有效发挥设备配套能力。普通综放面的转载机长度仅为40 m左右,由于孤岛综放面的超前支护长度增加,再加上巷道变形严重,破碎机距离面口不得小于40 m,因此孤岛综放工作面的转载机长度应为7080 m。转载机长度增加后,要改用大吨位的拉移千斤顶,拉移链子的强度也要增大。孤岛综放面的两顺槽均布置在煤层中,断面为矩形,都采用锚网梁(钢带)加锚索联合支护。顶部采用MLIV22/2400Q/YZK031型高强度等强钢筋树脂锚杆,矩形布置,间排距800 mm×800 mm,数量为6根。两帮窝处锚杆沿与水平方向呈70°倾斜向上并与钢带连接,距帮不大于250 mm,其余垂直顶板向上。两帮采用MLIV22/1800Q/YZK031型高强度等强钢筋树脂锚杆,矩形布置,间排距800 mm×800 mm,数量为4根。为了防止向老空漏风,两顺槽顶板靠沿空侧的1/2和沿空侧的巷帮喷C20混凝土。采煤机操作手割平端头处的顶底板,避免端头液压支架与顺槽出现错茬。顶板完整时,两端头的4组液压支架各铺设17 m的单层金属经纬网。顶板破碎时,两端头的4组液压支架各铺设17 m的双层金属经纬网,每推进1.5 m在两端头液压支架上的金属网与支架顶梁之间各支14 m长的工字钢棚。金属网必须与顺槽顶网搭接,并用联网丝连好,使端头顶板形成一个整体,便于顶板管理
济二矿3煤开采技术研究
此工作面的设备选型为133ZY6200/13.5/28型液压支架、SL300型可调高双滚筒电牵引采煤机、SGZ960/2X375型中双链刮板输送机、SZZ900/318型转载机、(顺槽)SSJ-2X200型胶带输送机、PCM200型破碎机、GRB-315/31.5型乳化液泵和HPB-315/10型喷雾泵。回采工序为割煤移梁推溜。双向割煤,往返一次割两刀,端头采用斜切割三角煤进刀。初次来压时的支护:工作面所有的液压支架均达到额定初撑力,并派专人二次注液;两顺槽加大支护密度,运输顺槽架一路按字铰接顶梁,轨道顺槽超前支护的距离由30 m加长到50m;两端头的密集支护由原来的单排改为双排,跨运输机的位置采用花边工字钢支护。此工作面的设备属于第一次配套,刚开始生产的时候发生采煤机割到液压支架顶梁的现象,后来通过调整支架与输送机之间的联结块解决了此问题。由于该工作面机械化程度高,推进速度快,月进尺可以达到240 m,加快了3上煤的解放速度。该矿的生产实践表明,此次配套装备的万吨设备故障率为0.35,可以作为矿井的一种主要生产设备配套和生产工艺,并且为同类条件下的煤层开采提供了经验。
综合机械化放顶煤开采工作面扇形回采技术
由于矿井生产地质条件和采区布置的不同,厚煤层采区经常会出现一些三角区域无法采用综采放顶煤的方式进行回采。最近,兖州矿业(集团)公司济宁二号煤矿成功地对11303工作面采用扇形工作面综采放顶煤回采,取得了高产高效的效果。
综放工作面扇形回采技术中的关键是工作面旋转调面。回采前,锁住所有液压支架的侧护板,使得液压支架的自由旋转有较大的空间。在液压支架的拉移过程中,采取自由旋转与强制旋转相结合的方法,保证液压支架始终处于良好的状态,现场没有发生挤架、咬架和液压支架错架的现象。当液压支架需要自由旋转的时候,要求采煤机司机割平工作面的顶底板,拉架之前清理干净架前及架间的所有煤粉,在工作面顶板较好的位置将液压支架降到完全脱离顶板以后再拉架。当液压支架需要强制旋转的时候,在工作面顶板较差处和工作面机头(170)液压支架转向较小段位拉架时使用单体支柱调架。生产过程中必须随时掌握前后部输送机的宽度与高度、液压支架与输送机的夹角、框架及鱼口的摆向、液压支架挤架或者咬架及输送机受挤压力的情况,前部输送机机尾和后部输送机机尾以及机尾最后一组端头液压支架到外帮的距离等数据,以便根据这些数据可以快速采取正确的措施。在旋转过程中,后部输送机正常运转,放煤步距0.75 m,放煤工正常放煤,见矸关门,保证回采率。此工作面平均日产6 000 t,最高日产达9 000 t,工作面轨道顺槽日推进最多15 m。该工作面是兖州矿业(集团)公司首次采用扇形旋转生产的综采放顶煤工作面,多回收边角煤8.8t
超长采煤工作面布置
兖州矿业(集团)公司济宁三号煤矿根据井下采场情况和生产条件开展了超长工作面布置的研究。
兖州矿区兴隆庄煤矿4326工作面使用十五攻关设备,工作面面长已经达到了300 m,其经验为济三矿加大工作面长度在设备配套方面提供了理论和实践依据。此外,德国的杰兰德埃勒煤矿工作面长度为430 m,煤层厚度2.8 m,采用L300型艾柯霍夫滚筒采煤机、双柱式掩护支架、DF4/932型输送机,日生产能力20 262 t。济三矿煤层较厚,工作面加长后,选用合适的综放设备就能实现高产高效。由于工作面长度的增加,工作面内的断层条数可能增多,因此可以采取在工作面回采前利用井下物探和钻探手段查明断层的位置、产状和落差,在工作面回采过程中提前采取过断层措施使其对工作面回采的影响程度降到最低。由于工作面的加长,涌水量相对增加,为此可在工作面回采前采用井下物探等手段查明煤层顶板富水性,并进行有效疏放。有条件的地段挖泄水巷,并在工作面回采前完善排水系统。根据对已采工作面观测数据的分析,除了工作面两端头的支架工作阻力稍微偏小外,工作面中部的支架工作阻力并不会因为位置的不同而不同,这说明工作面的长度已经增大到对工作面支架的工作阻力没有明显影响的范围,因此工作面的长度增大到300 m以上支架工作阻力不会有明显的变化。但是,由于曾经出现过顶板压力突然增大造成支架压死的事故,因而所选支架的支撑能力应当有所加强。此项研究的结论是,在设备配套、地质条件、防排水、一通三防和矿压等方面采取相应的措施以后,济宁三号煤矿的超长采煤工作面布置是可以实现的。
超长综合机械化放顶煤开采工作面井下快速倒面
最近,兖州矿业(集团)公司兴隆庄煤矿成功地对432643282个超长综放工作面实施了井下快速倒面,取得了良好的效果。
4326工作面长300 m,安装十五配套设备、支架203组。4326面结束后,与其相邻的4328工作面接续。4328工作面长279 m,需要安装支架187组。煤层具有自燃发火倾向。为防止煤层自燃发火,保证工作面的正常接续,4326综放工作面需要快速撤除,而4328综放工作面则必须快速安装。根据兴隆庄矿安装九五设备工作面的安装和撤除时间统计,工作面设备安装时间平均为62.7天,撤除时间平均为47天。因十五攻关工作面设备有大型化、重型化的特点,与之配套的工作面前后的输送机、采煤机、转载机、破碎机、胶带机和乳化液泵站等设备的体积和重量相应增加,工作面在设备安装、撤除过程中需要组装、解体,井下倒面运输环节多,占用人员设备多,用时长。根据计划,4326工作面的设备撤除工期为50天,4328工作面的设备安装工期为72天。充分利用网络计划技术对工作面的撤除与安装工程进行总体规划和安排,绘制网络计划图组织施工,使得各个环节在一定条件下能相互配合,最大限度的节约人力和物力。4326综放工作面采用“W”型通风方式,设备从上下两头撤除最大限度地组织平行作业和交叉作业,提前7天撤除完毕,节约租赁费用143.33万元。由于4326综放工作面的快速撤除,有效地杜绝了煤层自燃发火的隐患,保证了矿井的安全生产4328综放工作面提前11天安装完毕并投入生产,保证了回采工作面的正常接续,多生产原煤7.9t
依靠技术创新提高煤炭资源回收率
兖州矿业(集团)公司济宁二号煤矿在复杂的地质条件下,依据地质条件合理选用不同类型的放顶煤支架,开展技术创新研发适应较薄煤层的综采设备,实现多工艺开采,促进了煤炭资源回收率的稳步提高。
煤矿的主采煤层3下煤的厚度为017.9 m,变化非常大。有的时候一个工作面的煤层厚度甚至能从2 m变化到5 m。为了能够做到煤层厚的地方不丢煤、薄的地方全采出。兖州矿业与科研院校和生产企业联合攻关,开发出了适合2.55.5 m不稳定煤层轻型液压支架放顶煤综采设备。4303放顶煤综采工作面设计宽度为164.20m,采面长度为1 116.75 m,顺槽揭露煤层厚度变化为1.35.3m。如果按照综采设计仅可以回采煤量65.7t,而采用2.55.5 m不稳定煤层轻型液压支架放顶煤综采设备以后,多采出7.2t煤,取得了很好的经济效益。另一方面,这个煤矿的3煤层与3下煤层的间距为050.7 m,平均厚度为28.2 m。严格按照先采3煤后采3下煤的开采程序,虽然增加了开采的难度,但是提高了煤炭开采率。3煤层为局部可采煤层,煤层的厚度为06.0 m,平均2.1 m,主要分布在矿井西部和中部,在东北和东部出现沉积缺失区。为了开采3煤,还引进了中厚煤层小采高综采设备,在二采区先后开采了2301工作面和2302工作面,总共采出煤炭93.5t。九采区3煤层的厚度仅为1.22.2 m,平均1.5 m,煤层顶板中的泥岩和粉砂岩比较厚。根据其煤层偏薄的特点,这个矿与科研单位联合研制出了适合1.22.2 m中厚偏薄煤层的电牵引综采设备,开采了9305工作面和9308 工作面,共采出煤炭26t
通过研究地质条件复杂的矿井总结出提高资源回收率的有效方法,强化过断层技术措施,减少断层丢煤。
1)断层与工作面推进方向近平行。这类断层是比较理想的,能减少过断层的时间,但顶板管理难度最大。下降盘先揭露断层很容易造成片帮冒顶,要特别加强支护,遇到断层逐步提刀,尽量少割底或不割底,2303综放面过落差9.5 m断层时影响40组支架。进入影响区后要加强支护,断层面附近12°提刀,加大放煤力度,多采出煤炭0.4t。上升盘先揭露断层时提前3倍落差距离刹刀割底找对盘煤层,可大幅度减少三角煤丢失。1307综采面过落差2.0 m断层时提前6 m刹刀,断层面与对盘煤层顶板对接,多采出煤炭0.2t。(2)断层与工作面推进方向近似垂直。这类断层对生产影响时间最长,长距离伴随工作面,但影响支架数量最少,对顶板控制有利。落差小时沿下降盘底板回采,可不丢资源。落差大时顶板易破碎,沿上升盘底板回采,断层断开煤层时采用割底板回采,尽量减少资源损失。3301面揭露断层27条,其中14条是这种断层,坚持沿底板和少量破顶过断层,多采出煤炭2.8t。(3)断层与工作面推进方向成夹角。这是遇到最多的断层。如断层向运输顺槽方向延伸,在工作面机头侧提前510个支架漂刀或卧刀,反之向机尾方向提前漂刀或卧刀。11303面过落差5.02.8 m正断层,斜穿整个工作面,在工作面延展260 m。断层先揭露下盘。揭露断层前30 m开始机尾的20个支架沿10°开始提刀,推进到断层位置割底约1 m再向前推进,机头方向提前20组支架先漂刀,依次向前推进。断层面始终割底1 m左右。断层附近仍能放煤,断层上升盘煤炭没有损失,下降盘也相应减少了损失,多采出0.8t煤炭。
 
 
 
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