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坚硬顶板松软薄煤层刨煤机开采可刨性研究 翟新献1 , 2, 李小军 1, 李宝富1 1. 河南理工大学 能源科学与工程学院, 河南 焦作 454003;2. 大连理工大学 土木水利学院, 辽宁 大连 116023 * 摘要依据目前国内外刨煤机开采实践,提出了煤层可刨性综合指标计算方法, 将薄煤层可 刨性划分为 5类,即极易刨、易刨、一般、难刨和极难刨.根据曹窑煤矿坚硬顶板松软薄煤 层地质条件和矿压显现规律, 计算出薄煤层可刨性综合指标值,表明该薄煤层的可刨性属于 一般类型.最后优化出了薄煤层刨煤机开采设备配套方案,为曹窑煤矿进行刨煤机开采提供 了理论基础. 关 键 词 薄煤层; 刨煤机开采;可刨性;坚硬顶板; 软煤 中图分类号TD 823 . 95 文献标识码A 文章编号1673- 9787 2009 04- 0424- 06 Plowability of plow m ining on thin and soft coal sea m w ith hard roof ZHAIXin- xian 1 , 2, L IXiao- jun 1, LIBao- fu 1 1. School of Energy Science and Engineering, H enan Polytechnic University, Jaozuo454003, H enan,China; 2. School of Civil and HydraulicEngineering, Dalian University of Technology, Dalian116023 ,Liaoning, China Abstract Based on the practices of plow m ining in China ,the calculationm ethod on aggregative indicator of seam plowability is put forward .Plowabilities of thin seam s are divided into five categories,.ie .most easy to plow,easy,nor m a, ldifficult and extremely difficul. t According to the geological condition of hard roo, f soft coal and thin seam and law of strata behaviors in Caoyao CoalM ine ,the value of aggregative indicator of plowability for thin seam calculated . The results show that plowability of thin seam belongs to nor ma.l F inally , the scheme of equip m ent coordination of plow m ining for thin seam is opti m ized ,which provides theoretical basis for carrying out plow m ining in Caoyao CoalM ine . Key words thin seam;plow m ining;plowability;hard roo; fsoft coal 0 引 言 刨煤机是一种较适合薄煤层、高瓦斯工作面中落煤、装煤自动化的采煤机械.与滚筒采煤机相 比, 刨煤机具有结构简单、随时刨煤随时推进, 实现了综合机械化连续采煤,适用于开采薄或中厚偏 下的煤层,煤层硬度小于 25MPa, 煤层的倾角一般小于 25 的地质条件. 德国 DBT 公司是世界上研 制刨煤机最早、产量最大、技术水平最高的一家公司,曾成功研制多种拖钩刨、滑行拖钩刨、滑行刨 等机型. 目前刨煤机的技术水平已发展到了采高 0 . 6 3 . 0m, 截深最大可达 300mm, 刨煤硬度 f 4 ,刨速最高可达 3m /m in , 刨链直径 42mm, 装机最大功率 2 800 k W,铺设长度达到 300m.在德 国 1 . 6m 厚度以下的薄煤层中,几乎全部采用刨煤机采煤,在厚度 1 . 6 2. 2m 中厚煤层中也大部分 第 28卷第 4期 2009年 8月 河南理工大学学报自然科学版 JOURNAL OF HENAN POLYTECHNIC UNIVERSI TY NATURAL SCIENCE Vo. l 28 No . 4 Aug . 2009 * 收稿日期2009- 02- 15 基金项目 国家重点基础研究发展计划 973 项目 2007CB209404; 国家重大自然科学基金资助项目 4063804/D0214; 河南 省教育厅自然基金资助项目 2008B440005. 作者简介 翟新献 1963- , 男, 河南偃师人, 博士, 教授, 博士生导师, 主要从事矿山压力教学和科研工作. E- mai lzhaixx1963 126. com 用刨煤机采煤.据统计, 德国厚度 1 . 8m以下薄煤层的 30多个高产工作面中,只有 1个滚筒采煤机 工作面, 其余全是刨煤机工作面, 刨煤机的日产量可达 5 000 t以上, 年产量达 200万 t以上 [ 1- 2]. 在 波兰,每年使用刨煤机的工作面平均 65个. 在俄罗斯,每年使用刨煤机的工作面达到 150多个.澳 大利亚、南非等主要产煤国薄煤层工作面也都使用了全自动化刨煤机. 使用刨煤机效率最高的是美 国, 它的薄煤层刨煤机工作面年产量可达 300万 t以上. 自 20世纪 60年代起,我国先后引进了一些国外刨煤机设备.由于煤层赋存条件不适合、刨煤机 性能和配套设备不合理、回采巷道布置和采区各生产系统的能力不足问题, 以及职工培训和管理问题 等原因, 各矿引进刨煤机的应用效果有所不同, 有的产量、效率较高, 但多数不太理想, 产量、效率 不高.我国先后研制出四种机型的刨煤机, 在徐州、丰城、邯郸、韩城等矿区进行使用. 徐州韩桥煤 矿开采极薄煤层, 煤层厚度 0 . 6 0 . 8m,1965- 2000年间使用刨煤机回采的工作面 90多个,累计产 量 600多万 . t1990年创出单产 2 . 7万 t/月的生产记录,矿井实现了极薄煤层高产、高效和低消耗开 采目的. 之后沈阳西马矿使用 BH30/2160型刨煤机取得年产 50万 t的优异成绩.国产刨煤机工作面 单产水平与炮采工作面相近,主要原因是国产刨煤机功率比较小、刨速低、对地质条件的适应性和元 部件的可靠性较差等, 造成刨煤机工作面事故多、效率低 [ 3- 6]. 直到 1998年,国产刨煤机在全国应 用的采煤工作面只有 4个,每年刨煤机出厂 3台左右,2003年仅生产 2台,所以目前国产刨煤机制 造业基本处于停滞状态. 2002年以来, 随着刨煤机技术的不断发展,我国陆续从德国 DBT公司进口了几套刨煤机,同时 配套国产设备在铁法小青矿和晓南矿、晋城凤凰山矿、大同晋华宫矿、西山马兰矿进行应用,取得了 良好的效益. 铁法矿区 1 . 5m 以下薄煤层储量 6 . 2亿 , t 其中小青煤矿薄煤层占总储量的 73. 75 . 2002年我国第 1套全自动化刨煤机综采在小青煤矿进行了实验. 实验工作面长度 150 200m,煤层 平均厚度 1 . 3m,煤层倾角 5 8 .工作面配套设备为 Gleithobel 9- 34ve/4 . 7滑行刨、PF 2 . 30/732型 运输机、SZZ764/160转载机和北京煤矿机械厂生产的 ZY6400 /09/ 20 D型掩护式支架.该套刨煤机 组平均日产 3 911 , t 最高日产 6 480 , t2002年年产 150万 , t 创造了国内薄煤层开采历史最好水平, 实现了薄煤层安全高效开采 [ 7- 8]. 刨煤机无人工作面开采技术的试验成功,使中国成为继德国、美国之后,第 3个拥有全自动化刨 煤机开采先进技术的国家. 随着铁法小青矿自动化刨煤机的成功使用, 极大地提高了全国煤炭行业使 用刨煤机的积极性,各矿对薄煤层开采也愈加重视.2001- 2005年,相继有西山、铁法、晋城、大 同、沈阳引进了 8套自动化刨煤机,后期引进的刨煤机相对第 1套技术性能进行了改进,刨煤机型号 为 GH9- 38Ve/5. 7 ,刨链直径 38mm,功率为 2 400 k W,生产能力 900 t/h ;配套输送机型号为 PF3/822 , 功率 2 400 k W, 双中链规格 34mm 126mm,采用交叉侧卸机头, 可以实现工作面自动 化操作和远程控制. 2003年 8月, 山西焦煤集团马兰煤矿引进德国 DBT 公司刨煤机生产技术进行试验,工作面最高 日产量 8 600 , t 年产量可以达到 100万 t [ 9]. 2008年 3月铁法小青煤矿第四套刨煤机组安装成功.配 套设备由北京煤机厂和德国 DBT公司联合生产,ZY4800/06/16 .5D型薄煤层掩护式液压支架, 是目 前国际上先进的薄煤层支架,满足支护 0 . 6 1 . 65m 煤厚的薄煤层自动化开采需要. 2 薄煤层可刨性研究 2 . 1 刨煤机可刨性影响因素分析 刨煤机采煤是利用带刨刀的煤刨靠工作面输送机导向,刨头在刨链的牵引下,沿着工作面全长往 复牵引, 刨刀以给定的刨削深度将煤从煤壁上刨落下来, 通过刨头的犁形斜面将刨落下来的煤装入刮 板输送机,然后由刮板输送机将煤运出采煤工作面. 所以刨煤机采煤是薄煤层开采的一种较理想的采 煤工艺. 但由于煤层赋存条件的变化, 如煤层厚度、倾角、煤层结构、硬度、节理裂隙, 以及煤层顶 底板等地质条件的不同,这些因素影响到刨煤机的可刨性,而刨煤机的可刨性又影响到刨煤机设备的 选型,甚至刨煤机自动化开采技术实施的可行性. 影响煤层可刨性的因素很多, 归纳起来主要有以下几个方面 煤层倾角、厚度; 煤层硬度、 425 第 4期 翟新献, 等 坚硬顶板松软薄煤层刨煤机开采可刨性研究 结构和节理裂隙发育程度; 煤层顶底板围岩条件;地质构造及其它因素. 2 . 2 煤层可刨性分类 根据国内外薄煤层刨煤机开采实践,刨煤机采煤在薄煤层开采技术中的难易程度,将薄煤层可刨 性分为五类即极易刨、易刨、一般、难和极难刨. 影响刨煤机采煤的主要因素是煤层硬度、煤层结构、地质构造、煤层底板、直接顶、老顶、煤层 厚度、煤层节理裂隙、煤层倾角和其它因素,但各单个影响因素的重要程度是不相同的, 在综合评判 影响程度时, 采用 权重 来决定单因素的重要性.通过各个单因素无量钢化处理以后, 采用加权 求和的方法来获得最终的综合量化值, 最后确定煤层使用刨煤机采煤的可行性程度. 各个单因素的权 重由专家打分法赋值, 然后采用数理统计方法最后确定得到. 统计结果如表 1所示 [ 10]. 表 1 各个单因素对煤层可刨性影响的权重 kn Tab. 1 W eight coefficientknabout plo wability of coal seam for single influencing factor 影响 因素 煤层 硬度 煤层 厚度 节理 裂隙 煤层 结构 煤层 倾角 煤层 底板 直接 顶 老顶 地质 构造 其它 因素 权重 kn 0. 183 5 0. 068 5 0 . 08420 . 149 40 . 097 3 0. 102 4 0. 095 3 0. 044 8 0 . 12210 . 052 5 为了更好地进行定量分析, 对各个单因素参数进行量化处理. 根据煤层可刨性分类研究的结果即 把煤层按可刨性分为五类, 采用 10分制表示可刨性指标 I 以 0表示煤层最难刨,以 10表示最易刨. 按照单因素可刨性分类指标的大小,从 0到 10将煤层可刨性划分为 5个类型, 如表 2所示 [ 10]. 表 2 煤层可刨性分类 Tab . 2 Classification on the plowability of coal sea m 类型极难刨难刨一般易刨极易刨 分类指标值 I0 I 22 I44 I 66 I 88 I 10 事实上, 上述 10个单因素对煤层的可刨性都有影响, 但各个单因素影响的程度不同,因此煤层 可刨性综合指标 I为各个单因素对煤层可刨性指标与其权重乘积之和, 即 I n 1 10 kn In. 对于薄煤层开采在新上刨煤机采煤之前,应全面考虑各种单因素对刨煤机采煤的影响. 首先依据 薄煤层开采的地质条件,计算各个单因素对煤层可刨性指标的影响,得出 In值;然后考虑各个单因 素的权重,计算出煤层可刨性综合指标 I; 最后按照 I值较直接地预测刨煤机的使用效果.该方法 简单易行,可操作性强,具有广泛的应用价值. 由于刨煤机具有结构简单、操作和维护方便;电动机在工作面两端,不拖动电缆,工人不需要追 机作业, 劳动强度低; 工作面块煤率高且粉尘浓度小等许多优点, 所以在开采薄煤层时, 只要条件适 宜, 应优先选用刨煤机采煤.在煤层可刨性分类研究过程中, 若出现薄煤层属于极难刨类型时, 应考 虑采用其他采煤工艺, 也可以采取特殊措施处理后再采用刨煤机开采. 3 坚硬顶板松软薄煤层可刨性研究 鉴于义马矿区西部陕渑煤田的 4个生产矿井已经进入后期生产,各矿井剩余储量有限, 为了提高 矿井机械化程度、降低工人劳动强度, 提高工作面安全生产能力和经济效益,需要进行薄煤层综合机 械化开采研究. 3 . 1 曹窑煤矿薄煤层赋存地质条件 曹窑煤矿属于义马矿区西部四个中、小型煤矿之一,开采陕渑煤田二叠系山西组二1煤层.曹窑 426 河南理工大学学报自然科学版 2009年第 28卷 井田位于煤田的东部, 矿井设计生产能力为 30万 t/a .2006年矿井 核定生产能力 42万 t/a ,2007年矿井年产量 23. 16万 , t 矿井剩余 服务年限 13 . 1 a , 目前曹窑煤矿已经进入后期深部生产. 井田内可采煤层为二1煤层,煤层综合柱状如图 1所示.煤层 的倾角为 13 18 ,平均 15 . 煤层厚度 0 . 5 5 . 0m,通常在 0 . 8 2 . 0m,厚度变化较大, 属于缓倾斜薄 中厚不稳定松软煤层.煤 层顶板为厚度 5 . 34 28 . 38m,平均厚 17 . 00m 的大占砂岩,岩性 为灰白色中厚层状粗 中粒长石、石英砂岩,具有交错层理和波状 层理.岩石单向抗压强度为 46 . 6 212 . 4MPa 、抗拉强度为 5 . 97 MPa . 煤层底板为黑色泥岩、炭质泥岩及砂质泥岩,其中泥岩占 62. 9 ,炭质泥岩占 30 , 砂质泥岩占 7 . 1 ,富含黄铁矿结核及 少量植物化石碎片,岩性较软,强度较低,岩石单向抗压强度为 18. 43MPa ,容重 2 . 53 t/m 3. 3 . 2 曹窑煤矿薄煤层可刨性及刨煤机组配套设备 依据曹窑煤矿 2503长壁工作面煤层赋存条件和现场矿压显现 规律可知,该薄煤层地质构造一般,其他因素对薄煤层开采影响程 度一般; 二1煤层普氏系数为 0 . 16 ,煤层厚度为 0 . 8 2 . 0m,煤 层倾角 8 18 ; 煤层中主节理面层理面 与刨刀运行的夹角取 90 ,煤层中夹矸的普氏系数为 4 , 煤层底板岩石普氏系数为 1 . 843 ; 老顶周期来压步距为 11m, 直接顶的强度指标 D 为 D 10RC C1 C2 10 115 . 19 0 . 34 0 . 27 105 . 74 MPa, 式中RC为直接顶岩石单向抗压强度,115 . 19MPa ;C1为节理裂隙影响系数,0 . 34 ;C2为分层厚度 影响系数,0 . 27 . 依据上述地质条件,可以计算出曹窑煤矿二1薄煤层可刨性综合指标为 [ 10] I n 1 10 kn In k1I1 k2I2 k3I3 k4I4 k5I5 k6I6 k7I7 k8I8 k9I9 k10I10 k1 10- 2 . 4f k2- 13 . 33h 28 . 69 k3 15 10 k4- 2 . 25fg 10 k5 90 . 5le - 208 k632f 2 d/45- 44fd/45 k7 3 . 797 e 0. 0092D k85 k95 k10 10- Q 0 . 183 510- 2 . 4 0. 16 0 . 068 5- 13 . 33 1 . 4 28 . 69 0 . 842- 90 15 10 0 . 149 4- 2 . 25 4 10 0 . 097 3 90 . 5le - 20818 0 . 102 432 1 . 843 2 /45- 44 1 . 843/45 0 . 095 33 . 797 e 0. 009 2105. 74 0 . 044 8 5 0. 122 1 5 0. 52510- 5 5 . 2569 曹窑煤矿薄煤层煤层为缓倾斜松软煤层,煤层底板松软, 煤层结构复杂,煤层直接顶强度较高稳 定性较好,有利于采场顶板的支护,这些对煤层的可刨性有利,但煤层赋存不稳定, 厚度变化大,且 煤层松软易片帮, 这些对煤层的可刨性不利.依据该煤层可刨性综合指标值,参照可刨性分类表,将 曹窑煤矿薄煤层可刨性划分为一般类型,鉴于此曹窑煤矿可以在煤层赋存较稳定的区域进行刨煤机机 械化开采工业性试验 [ 11]. 根据目前国内外刨煤机开采成功的经验,结合曹窑煤矿薄煤层地质条件,设计出了 2套刨煤机全 自动工作面设备配套方案,2个方案的主要区别在于刨煤机的不同, 一套选用德国刨煤机,一套选用 国产刨煤机, 分别如表 3和表 4所示. 427 第 4期 翟新献, 等 坚硬顶板松软薄煤层刨煤机开采可刨性研究 表 3 曹窑煤矿薄煤层刨煤机工作面配套设备 德国刨煤机 Tab. 3 Coordination equipmentw ith plow made in Ger many at thin sea m coal face in Caoyao coalmine 序号设备名称设备型号技术参数生产厂家 1刨煤机 G leithobel 9- 34ve/4 . 7 刨链直径 34mm, 功率 2 315 k W, 生产能力 900 t/h , 煤层厚度 800 1 675mm 德国 DBT 公司 2输送机PF 2 . 30 /7322 315 k W, 额定生产能力 900 t/h德国 DBT 公司 3转载机SZZ764/160功率 724 k W, 输送能力 1 000 t/h张家口煤矿机械有限责任公司 4破碎机PCM 110功率 110 kN, 破碎能力 1 000 t/h张家口煤矿机械有限责任公司 5液压支架 ZY4400/09 / 21D 工作阻力 4 400 kN, 支护高度 0. 9 2. 1m 郑州煤矿机械集团有限责任公 司 6乳化液泵站BRW315/31 . 5 功率 200 k W, 额定压力 31. 5MPa, 额定流量 315L /m in 平顶山煤矿机械有限责任公司 表 4 曹窑煤矿薄煤层刨煤机工作面配套设备 国产刨煤机 Tab. 4 Coordination equipmentwith plow made in China at thin sea m coal face in Caoyao coalm ine 序号设备名称设备型号技术参数生产厂家 1刨煤机BH34/2 200 功率为 2 200 k W, 生产能力 264 990t/h ; 煤层厚度 0 . 85 1. 8m 张家口煤矿机械有限责任公司 2输送机PF3/822 功率为 2 400 k W, 双中链规格 34 mm 126mm 德国 DBT 公司 3转载机SZZ764/160功率 724 k W, 输送能力 1000t/h张家口煤矿机械有限责任公司 4破碎机PCM110功率 110 kN, 破碎能力 1000t/h张家口煤矿机械有限责任公司 5液压支架 ZY4400 /09 / 21D 工作阻力 4400 kN, 支护高度 0 . 9 2 . 1m 郑州煤矿机械集团有限责任公 司 6乳化液泵站BRW315/31 . 5 功率 200 k W, 额定压力 31. 5MPa, 额定流量 315L /m in 平顶山煤矿机械有限责任公司 4 结 论 刨煤机是一种较适合薄煤层落煤、装煤自动化的采煤机械.在开采薄或中厚偏下的煤层中得到了 较广泛应用. 目前德国 DBT公司是世界上研制刨煤机技术水平最高的一家公司. 在德国、波兰、俄 罗斯、澳大利亚、南非等主要产煤国,薄煤层工作面也都使用了全自动化刨煤机.2002年以来,我 国陆续从德国 DBT公司进口了几套刨煤机, 同时配套国产设备在铁法小青矿、晓南矿和西山马兰矿 等进行应用, 取得了良好的效果, 推动了刨煤机配套设备及刨煤机开采技术在我国的快速发展. 依据目前国内外刨煤机组开采的实践, 根据影响刨煤机可刨性的主要影响因素和各因素的重要程 度, 提出了煤层可刨性综合指标 I计算方法, 将薄煤层可刨性划分为五类即极易刨、易刨、一般、 难和极难刨. 根据曹窑煤矿二1薄煤层赋存地质条件和矿压显现规律,计算出薄煤层可刨性综合指标 值, 该薄煤层的可刨性属于一般类型. 最后优化出了两套曹窑煤矿薄煤层刨煤机开采设备配套方案, 为坚硬顶板薄煤层条件适宜的区域进行刨煤机械化工业性试验提供了理论基础, 研究成果对于义马西 区薄煤层衰老矿井的稳产高产和可持续发展具有重要的现实意义. 参考文献 [ 1] 刘占胜, 马英. 国内外刨煤机发展状况及前景展望[ J]. 煤矿机械,2006,27 101- 3. 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