AHⅢ机组在急倾斜薄煤层开采中的应用.pdf

重庆大学 硕士学位论文 AHⅢ机组在急倾斜薄煤层开采中的应用 姓名刘四平 申请学位级别硕士 专业矿业工程 指导教师刘玉洲;黄正平 20081222 重庆人学丁程硕士学位论文中文摘要 摘要 目前，我国急倾斜煤层开采已形成相当规模。开采急倾斜煤层的矿井占我国 煤矿总数的2 0 ％左右，急倾斜煤层回采工作面数占回采工作面总数的8 ％左右，产 量约为全国总产量的4 ％左右。在西南和淮南地区及地方煤矿中急倾斜煤层的产量 比重还要大些。在我国西南矿区，急倾斜、薄煤层非常普遍，在开采中遇到的突 出问题是机械化开采困难。在急倾斜煤层尤其是6 0 0 以上急倾斜中实现走向长壁机 械化开采在国内乃至世界都是一个难题。 本文以现场试验最新引进和改造的A H I I I f g U 煤机组为研究对象，较为系统地研 究了急倾斜倾向长壁开采矿压显现基本特点和规律研究、急倾斜薄煤层倾向长壁 综合机械化回采工艺和急倾斜倾向长壁刨运机综采工作面安全保障技术。通过 A H I I I 机组对急倾斜煤层实施倾向长壁机械化开采进行工业性实验，在落煤机械、 支护设备及液压系统设计等方面进行探索研究，为急倾斜煤层实施走向长壁机械 化开采积累和总结经验。论文主要研究内容如下 ①通过在攀枝花煤电集团太平煤矿对A H I I I 刨煤机组的实验研究，掌握了急倾 斜倾向长壁开采矿压显现基本特点和规律。 ②通过现场试验确定了合理的急倾斜薄煤层倾向长壁综合机械化回采工艺。 ③开发和应用了急倾斜倾向长壁刨运机综采工作面安全保障技术。 本论文的创新之处在于将A H I I I 刨煤机组应用于倾角为4 2 度的急倾斜、薄煤 层的机械化开采中，通过现场实验研究，揭示了急倾斜、薄煤层的矿压显现机理， 为A H I I I 刨煤机组在急倾斜、薄煤层开采中的应用提供了重要的理论和实践指导意 义。 关键词煤矿开采，薄煤层，刨煤机，矿山压力，开采工艺 重庆大学工程硕士学位论文英文摘要 A B S T R A C T C u r r e n t l y ，s t e e pc o a ls e a mm i n i n gi si nal a r g es c a l ea st h en u m b e ro fm i n e s i n v o l v e di nm i n n gs t e e pc o a ls e a mi sa b o u t2 0 ％o ft o t a lc o a lm i n e s ．T h en u m b e ro f s t e e ps e a mm i n i n gf a c e si sa b o u t8 ％o ft o t a lc o a lm i n i n gf a c e s ．T h ep r o d u c t i o nf r o m s t e e ps e a mm i n i n gi sa b o u t4 ％．I nS o u t h e r n W e s t ．H u a i n a na n dn o n ．s t a t eo w n e dc o a l m i n e s ，t h ep e r c e n t a g ei sg r e a t e rt h a nt h o s em e n t i o n e da b o v e ．I nS o u t h e r n ．W e s t c o a l f i e l d s ，s t e e pt h i nc o a ls e a m sa r ev e r yc o m m o n ．T h ef i r s tp r o b l e me n c o u n t e di st h e d i f f i c u l t yt oa p p l ym e c h a n i z e dm i n i n g ．I ti saw o r l d w i d ep r o b l e mt om i n es t e e ps e a m ， e s p e c i a l l yt h o s eg r e a t e rt h a n6 0 0 w i mm e c h a n i z e de q u i p m e n t ． T h i st h e s i sp r e s e n t sr e s u l t so ft h eu s eo fA H I I Ip l o u g hi nT a i p i n gc o a lm i n e ，t h e r e s e a r c hi n t ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fg r o u n dp r e s s u r ec a u s e db ym i n i n gs t e e pt h i nc o a l s e a m s ，t h em a n a g e m e n ta n do r g a n i z a t i o ni nl o n g w a l lm i n i n ga sw e l la st h es a f e t y a s p e c t sc o n s i d e r e dd u r i n gf i e l dt r i a l s ．T h ef i e l dt r i a l so fA H I I Ip l o u g he n a b l e dt o a c c u l a t ee x p e r i e n c e si np l o u g hd e s i g na n d a p p l i c a t i o ne t c ．T h em a i nr e s e a r c ha r e aa r ea s b e l o w O h af i e l dt r i a l so fA H I I Ip l o u g h ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so fg r o u n dp r e s s u r ea p p e a r a n c eo f s t e e pt h i nc o a ls e a l l l Si su n d e r s t o o dt h o r o u g h l y ． ②1 1 1 em i n i n gm e t h o df o rs t e e pt h i nc o a ls e a m si sf i r t h e rs t u d i e da n dp r a c t i c e da n d d e t e r m i n e d ． ⑧T l l es a f e t yg u a r dm e a s u r e si nm i n i n gs t e e pt h i nc o a ls e a m sa l ef o r m u l a t e da n d v e r i f i e di nf i e l dt r i a l s ． T h ei n n o v a t i o no ft h i st h e s i sl i e si na p p l y i n gA H I I It om i n i n gs t e e pt h i nc o a l s e a m s ．T h em e c h a n i s mo fg r o u n dp r e s s u r ed u r i n gm i n i n gs t e e pt h i nc o a ls e a m si s r e v e a l e db yf i e l dt r i a l so f A H I I I p l o u g ha n df i e l de x p e r i m e n t ． K e yW o r d s c o a lm i n i n g ，t h i nc o a ls e a m ，p l o u g h ，g e o m e c h a n i c s ，m i n i n gm e t h o d I I 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重庞太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学雠文储虢刨叶签字嗽纠钏月哆日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庆太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重麽太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密 ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于， 不保密 ＼／ 。 请只在上述一个括号内打“√“ 学位敝储徘。△- 签字日期6 年 夕月二3 H 导师签名麦1 孙- 旷 签字日期o 。必年，2 月。蟛日 重庆人学T 程硕十学位论文1 绪论 1 绪论 本章先总结了急倾斜薄煤层刨煤丌采方法和设备的研究现状，然后提出本文 的研究目的和意义，最后概述了本文的研究思路和研究内容。 1 ．1 急倾斜薄煤层开采 我国的煤炭资源丰富，储存量大，且赋存多样化，其中薄煤层的可采储量约 为5 0 多亿t ，约占全国煤炭总储量的1 5 ％。然而据1 9 9 6 年统计，我国薄煤层的产 量只占全国煤炭总产量的7 ．3 2 ％1 ，而且这个比例还在呈逐步下降的趋势。2 0 0 7 年，虽然薄煤层工作面数占全国工作面总数的2 0 ％，但薄煤层的产量只占全国煤 炭总产量的4 ．5 ％左右。近年来，我国中厚煤层和厚煤层机械化采煤装备不断发展， 以放顶煤开采方法厚煤层采煤工艺也不断进步，而薄煤层开采由于受技术条件和 开采工艺的限制，始终没有取得突破。目前，我国薄煤层开采的机械化程度还比 较低，大多还是采用炮采，产量低、事故多、工人的工作环境恶劣。落后的薄煤 层开采方法的经济效益相对较低，丢薄保厚的情况时有发生，造成采储比例失调， 资源丢失，在一定程度上影响了煤炭工业的可持续发展。 表1 ．1 为2 0 0 2 年我国部分省区薄煤层储量表【2 1 ，由于近几年薄煤层开采的比例 比以前有所降低，表1 ．1 中的比例也能基本反映现在的情况。 表1 ．1 我国部分省区薄煤层储量表 垦鱼 皇 垒i 翌曼Q 垒 璺 坚旦堡 曼 呈垒i 垡曼坐i 旦旦i 旦兰旦堡呈巳翌 望里皇 省区河北山两内蒙辽宁吉林黑龙江江苏 山东湖南贵州安徽河南四』 薄煤层采煤机作为薄煤层开采机械，由于受其本身结构的限制，0 ．8 m 已是其 开采下限，而且维修、操作不便，工人需在极低的工作面条件下跟机作业。在2 0 世纪8 0 ．9 0 年代，我国曾研制了多种型号的刨煤机 包括滑行刨煤机和拖钩刨煤机 ， 以解决薄煤层的丌采问题，并在一些局矿的使用中取得了较好的成绩。然而由于 推广的力度不够，以及用户对这种形式的采煤机种也有一个逐步认识的过程。由 于规模小，维修保养跟不上，这在一定程度上也影响了刨煤机的使用。因此国内 使用刨煤机的工作面还不多。近年来，刨煤机技术的开发取得了很大的进展，国 产刨煤机在一些局矿的成功使用，以及采用德国D B T 公司生产的刨煤机主机与国 重庆大学[ 程硕士学位论文1 绪论 内设备配套使用，取得的一些成功经验，使国内同行对采用刨煤机开采薄煤层有 了许多新的认识。 由于许多矿区的煤矿资源接近枯竭，如果不能够有效地开发薄煤层开采技术， 将给当地经济和社会带来严重影响。例如在美国著名的维吉尼亚矿区，如果不能 有效地解决O ．4 ．0 ．8 m 薄煤层的开采问题将会严重地影响当地采矿业和经济的稳定 性【3 1 。 攀枝花煤业集团太平煤矿煤层倾角在4 2 0 以下采用单体支柱走向长壁开采，倾 角在4 2 0 以上的工作面采用伪倾斜单体走向7 【型钢梁托伪顶采煤法或柔性掩护支架 采煤法。矿井机械化开采程度基本为零，工作面单产水平低，安全条件差，工效 偏低，为了达到矿井核定生产能力，采用多工作面、人员密集型的落后开采方式。 随着市场竞争的日趋激烈和集团公司高效集约化生产结构调整步伐的不断加快， 对现有采煤方法进行改革已迫在眉睫，针对太平矿地质构造复杂、煤层赋存条件 差、生产系统复杂的情况，在没有可以借鉴成功经验情况下，研究开发出适合急 倾斜煤层赋存条件，具有较强市场竞争力的安全高效开采技术已成为太平煤矿实 现又好又快发展的紧迫任务。 1 ．2 急倾斜薄煤层开采方法 急倾斜薄煤层开采方法可分为炮采、普采、水采及刨煤机开采等几大类。 1 ．2 ．1 薄煤层开采方法 ①综合机械化开采方法 综合机械化采煤是煤矿开采现代化的重要标志，近二十多年来，国内外综合 机械化开采发展迅速，对中厚煤层和厚煤层的综采已经到技术比较成熟阶段，特 别是放顶煤开采技术【3 】。在此方面，各大局矿在中厚煤层和厚煤层的综采也取得了 很大的成果。即使像兖矿集团这样的大型企业1 ．3 ．2 ．O m 厚的薄煤层储量也十分丰 富。前些年来，由于煤炭行业不景气，许多煤炭企业从提高经济效益出发，优先 开采中厚煤层和厚煤层，造成生产接续和资源平衡开采的矛盾日益突出，使薄煤 层开采成为制约企业发展的一大难题。 煤炭科学总院北京开采所在国内最早开展薄煤层综采液压支架研究，早期研 制了K X 2 8 0 ／0 7 ／1 8 型支架，最小高度0 ．7 r n ，最大高度为1 ．S i n ，这种支架目前仍在 山西省汾西矿业公司等矿区使用。八十年代初，研制了Q Y 2 0 0 ／5 ．5 ／1 7 型，最小高 度仅为0 ．5 5 m ，最大高度达到1 ．7 m ，这是国产液压支架中伸缩值最大的一种架型， 这套支架在华莹山矿务局李子娅煤矿进行了现场试验，使用取得较好效果。近年 来为平顶山、邢台、淄博等矿区设计研制了Z Y 2 6 0 0 ／1 0 ／2 2 、Z Y 2 8 0 0 ／1 0 ／2 0 等多种 薄煤层支架，使用效果也比较好。 2 重庆人学T 程硕士学位论文1 绪论 ②炮采和普采 由于薄煤层开采高度小，工作面作业空间狭小，工人作业条件很差。因此， 目前薄煤层综采一般用于大于0 ．8 m 的薄煤层。随着国家和煤炭行业对安全生产要 求的不断提高，炮采和普采所占的比例在逐年下降。 1 ．2 ．2 薄煤层电牵引采煤机 ①滚筒式薄煤层电牵引采煤机 多年来，我国先后引进、改造和开发了多款薄煤层电牵引采煤机，其中具有代 表性【4 J 的为 表1 ．2 我国常用薄煤层电牵引采煤机主要技术参数 塾 曼 至M 垒i 里仑垒墅翌里璺 堡 垒 皇里堕里型垒堕∑呈望 旦望l 登 璺 兰垒呈 竖曼垡坚皇垒i 里￡垒i 翌璺 型号截高范围煤层倾角牵引功率牵引力牵引速度 重量 m 。 k W k N m ／s t ②刨煤机 薄煤层开采一直是煤炭行业研究的重要课题，寻找一种适合于薄煤层开采的 机械化采煤工艺，在薄煤层中实现安全、高产高效，一直是广大科技工作者努力 的目标。 在煤炭开采中机械化采煤是提高煤炭质量保证安全生产降低劳动强度和增加 经济效益的有效途径。目前采煤工业已迈进现代化机械化自动化时代。随着厚煤 层和中厚煤层的大量开采人们逐渐把目光投向了薄煤层和极薄煤层。国内煤矿生 产中采煤机是最重要的大型采煤设备。刨煤机也用于井下生产，但使用率较低【5 l 。 采煤机在开采薄煤层和极薄煤层过程中受到煤层高度的影响造成了煤炭资源的大 量浪费，而刨煤机恰能开采薄煤层和极薄煤层。此外，刨煤机也是较采煤机结构 简单的大型采煤设备，其技术水平的高低是煤矿现代化水平高低的标志。 重庆人学r 程硕十学位论文1 绪论 刨煤机采煤是薄和极薄煤层一种比较理想的开采工艺。刨煤机不但用于采煤， 还用于开采油母页岩等其他有用矿物，并可取得较好的效果。我国先后研制出四 种机型的刨煤机，主要有M B J 型，H I - 2 6 型拖钩刨，T 1 1 ．2 6 型滑行刨和少量的刮斗 刨等，在徐州，丰城、邯郸、韩城、淮南、鹤岗、鸡西等矿区进行使用，取得较 好的效果。特别是徐州矿务局韩桥矿刨煤机采煤工作面创出年产2 4 0 0 5 5t ，效率达 6 ．9 9 2t ／工的较好纪录。 刨煤机与采煤机的工作机构不同，刨煤机的工作原理是装有刨刀的刨头在无极 圆环链，即刨链的牵引下沿着采煤工作面将煤刨落。刨落的煤在刨头犁形斜面的 作用下被装入输送机送出采煤工作面。按刨头的牵引方式，刨煤机可分为拖钩刨 煤机和滑行刨煤机。由于拖钩刨煤机的工作效率低、摩擦损失严重，目前最常用 的是滑行刨煤机。 刨煤机的发展过程大致可以分为三个阶段1 初级刨煤机；2 5 0 ～6 0 年代发 展到拖钩刨煤机；3 7 08 0 年代滑行刨煤机占多数。1 9 9 2 年滑行刨煤机工作面已 占刨煤机工作面的7 8 ％。刨煤机的工作机构也0 头是刨煤机的主要工作部件，也是 衡量刨煤机性能的重要部件之一。所以刨头设计是否合理将直接影响整台刨煤机 的性能。迄今为止我国生产刨煤机的历史就其主体而言是仿制的历史。至于加工 过程中的局部改动也是由于制造厂工装设备局限，为了加工需要而对刨煤机设备 进行简化。一些厂家也在研制生产功率不同的系列化产品，但就其设计方法而言， 只能属于类比法。企业设计部门的主要工作是测绘国外弓J 进的设备然后基于本企 业的加工能力进行改图。 我国部分矿区刨煤机丌采情况如表1 ．3 所示。 表1 ．3 我国部分矿区刨煤机开采情况1 2 l 唑 皇 垒2 巳 i 里型i 里里旦 巳 Q 坚g 垒i 翌兰Q 堡里璺Q 型墅曼 垒 i 旦g 垒i 翌垒 矿区采高，1 9 7 2 单产，1 9 7 8 单产，1 9 8 0 单产，1 9 8 2 单产， mt ／月t ／月t ／月t ／月 4 重庆人学工程硕士学位论文1 绪论 目前，国外的刨煤机技术已经发展到了很高的水平，尤其是德国的刨煤机技术 更是如此。德国是刨煤机的故乡，其刨煤机技术处于国际领先水平，现在正向 着大功率、高强度、高效率、自动化、紧凑型方向发展。德国刨煤机采煤技术的 机械化程度已能达到9 5 ％以上。其他国家，如法国、美国、捷克、比利时、波兰 的刨煤机应用也很广泛。德国的刨煤机产量占煤炭总产量的6 2 ％，法国占3 0 ％，其 余国家均占1 1 ％．1 5 ％之间。美国使用的德国刨煤机单个工作面年产达到2 4 8 万吨 商品煤。最近由德国D B T 公司生产的大功率高速连续刨煤机在德国鲁尔矿区1 ．3 米厚的煤层开采中，工作面小时生产能力最高达到1 8 9 0t ／h 。整个工作面实现了智 能化自动化控制。 尽管我国的刨煤机薄煤层开采技术与德国和美国还有一定的差距，但近几年的 发展势头比较好，成为继德国和美国后第三个实现刨煤机自动化的国裂6 1 。 1 ．2 ．3 液压支架 液压支架是综采工作面主要设备之一。近二十多年来，液压支架的主要发展趋 势是逐渐向两柱掩护式和四柱支撑掩护式两种架型发展，架型结构进一步完善， 设计方法更加先进，参数向高工作阻力、大中心距 1 ．7 5 m 、2 m 发展，结构件材料 越来越多地采用高强度、高寿命钢材，如屈服极限为6 9 0 M P a 以上的钢板，支架的 寿命和可靠性要求大大提高，有些公司还要求支架的耐久性试验循环次数达5 0 0 0 次。支架的寿命达1 4 年以上[ 7 1 。 薄煤层工作面对液压支架的要求之一是支架的高可靠性。液压支架是综采设备 中数量最多、投资最大的关键设备，其可靠性高低直接影响综采工作面的产量、 效率和安全【8 】。因此，提高支架的可靠性，保持设备的功能、性能、寿命和成本的 均衡，是提高综采工作面长时间正常运转的关键。美国、澳大利亚等国家的煤机 制造商对支架的可靠性十分重视，不仅液压支架的安全系数高，而且对液压支架 的结构、密封及支架用阀甚至制造工艺都有非常严格的质量标准。 美国薄煤层长壁综采工作面的产量一直处于世界比较领先地位。美国井工开采 煤层厚度不大【引，从最小开采厚度到0 ．9 m 的占1 0 ．4 5 ％，0 ．9 1 ．2 m 的占1 0 ．4 5 ％， 1 ．2 ～1 ．5 m 的占1 9 ．3 1 ％，1 ．5 ．1 ．8 m 的占1 9 ．1 1 ％，1 ．8 2 ．1 m 的占1 4 ．7 4 ％，2 ．1 ．2 ．3 m 的 占1 ．7 1 ％，2 ．3 ．2 ．6 m 的占7 ．9 3 ％，大于2 ．6 m 的占1 0 ．3 l ％。有2 6 个煤厚在1 ．3 ．2 ．0 m 的综采工作面 厚度在1 ．3 m 以下的占4 个 ，最高年产2 ．8 6 M t ，工作面效率4 1 1 吨／ 工。说明使用大功率综采设备在采高较小的煤层条件下，完全能够取得良好的技 术经济效果。 1 ．3 薄煤层开采方法的研究现状 作为世界性难题之～的薄煤层开采，广大工程技术人员试图从不同角度、采 5 重庆人学T 程硕士学位论文l 绪论 用不同方法进行研究。开采薄煤层的技术包括煤的液化／气化，水力采煤，滚筒 式采煤机采煤，刨煤机采煤等。 煤的液化／气化是开采薄煤层的理想方法。包括我国在内的一些主要采煤国家 都进行了半工业性或工业性试验，取得了一定的效果。目前存在的主要问题是低 开采效率和高成本。 薄煤层的水力开采早在上个世纪5 0 年代就进行了工业性试验。水力开采薄煤 层存在的主要问题是排水和安全。目前，我国已经没有水力开采的矿井了。 现在我国和世界上其他国家主要采用滚筒式采煤机和刨煤机开采薄煤层。应 当指出的是，我国还用相当数量的薄煤层工作面采用炮采。 1 ．4 研究目的和意义 刨煤机是解决我国薄煤层开采有效途径，是我国今后薄煤层开采的主流设备。 因此应大力开发和推广具有当代先进水平的国产刨煤机组，为实现煤炭行业科技 发展和产业振兴，完成新型工业化道路的历史使命做出应有的贡献。 薄煤层在我国西南矿区占有较大比重，例如攀枝花煤业集团太平煤矿主要可 采煤层为急倾斜煤层，占矿井可采储量的7 0 ％，其中急倾斜薄煤层占4 2 ％左右。 发展急倾斜煤层机械化开采是像太平煤矿这样的矿井谋取自身发展的需要，是实 现矿井合理集中生产、建设安全高效矿井的需要。 本论文选择具有代表意义的太平煤矿进行现场实验研究对推动我国薄煤层开 采的研究具有重要的意义。上世纪8 0 年代，太平矿从乌克兰引进两套A H I I I 机组， 并在该矿 1 1 0 0 m 水平南四采区4 撑煤层进行试采，由于技术、经济效益及首采面选 择等方面的原因，造成A H I I I 机组开采下马，设备一直闲置。 在急倾斜煤层尤其是6 0 0 以上急倾斜中实现走向长壁机械化开采在国内乃至 世界都是一个难题，太平煤矿本着“先易后难、先薄后厚”的原则，提出了在急倾斜 薄煤层中采用走向长壁刨煤机开采及倾向长壁刨运机开采两种采煤机械化发展思 路。经过技术分析和论证发现在急倾斜煤层中实施走向长壁刨煤机开采在落煤机 械及采场支护等方面的技术课题很难取得突破。由于A H I I I 机组在乌克兰等国家有 成功的应用经验，本研究课题决定重新启用A H I I I 机组对急倾斜煤层实施倾向长壁 机械化开采进行工业性实验，在落煤机械、支护设备及液压系统设计等方面进行 探索，为急倾斜煤层实施走向长壁机械化开采积累和总结经验。该机组试产成功 对在急倾斜薄煤层中实施机械化开采具有重要意义。 太平煤矿地质条件复杂，现有开采方法以四边型柔性掩护支架采煤法为主， 单体支柱走向长壁开采和伪倾斜单体走向兀型钢梁托伪顶采煤法为辅，采煤工作 面劳动强度大、单产水平低，不能更好的满足企业发展需要。该课题的研究成功 6 重庆大学T 程硕十学位论文1 绪论 能够解决太平煤矿急倾斜薄煤层机械化开采难题，通过急倾斜薄煤层倾向长壁开 采矿压显现规律研究及急倾斜薄煤层倾向长壁综合机械化回采工艺的研究，实现 矿井急倾斜薄煤层采煤机械化，从根本上解决太平煤矿采掘头面多、管理难度度 大、工人劳动强度大和矿井机械化水平低的问题。与此同时，该项目还盘活了价 值约1 0 0 0 万元的闲置资产，提高了回采工效，经济效益显著。该项目引领国内急 倾斜薄煤层机械化开采发展方向，对煤炭科学技术发展具有重大意义。 1 ．5 本文研究思路和研究内容 本文的研究思路为以攀枝花煤业集团太平煤矿作为试验矿井，采用A H 刨煤 机在急倾斜薄煤层工作面进行现场试验，找出急倾斜倾向长壁工作面开采矿压显 现基本特点和规律、确定急倾斜薄煤层倾向长壁工作面综合机械化回采工艺和工 作面生产安全保障措施。 本文研究内容如下 ①急倾斜倾向长壁工作面开采矿压显现基本特点和规律研究； ②急倾斜薄煤层倾向长壁工作面综合机械化回采工艺研究； ③急倾斜倾向长壁刨运机综采工作面安全保障技术研究； ④A H I I I 机组在急倾斜、薄煤层机械化开采中的应用研究。 7 重庆人学工程硕七学位论文2 薄煤层开采方法 2 薄煤层开采方法 2 ．1 简介 我国薄煤层的开采经历了几个标志性的发展阶段，5 0 年代主要使用炮采工艺。 6 0 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，木对柱或丛柱支护顶板，回柱绞车放项的工艺系统。在鸡西、淄博等矿 区出现了爬底式改装M L Q 一6 4 型薄煤层采煤机。面单产达6 0 0 0 ．8 0 0 0 t ／月，回采工 效达2 - 4 t ／T _ ，比炮采工作面提高了O ．5 ．1 倍。本章简单介绍我国目前采用的薄煤层 采煤方法及其选择。 2 ．1 ．1 薄煤层开采方法研究中所遇到的困难 在前面章节中简单介绍了一些薄煤层的采煤方法，它们包括炮采、高档普采、 滚筒式综合采煤机联合采煤、刨煤机开采、水力开采和煤的液化和气化等等。各 种采煤方法都有其适用性，当一个矿区确定了采用某一开采方法后，很难改变。 一直以来，在薄煤层开采方法研究方面有许多主要障碍。采煤方法的选择受到许 多因素的影响，包括传统的开采方法。人们的习惯思维认为过去可行的采煤方法 在将来也是可行的。很少有人愿意冒险去采用新的采煤方法。不但是国内的煤炭 企业这样，国外的企业也是这样1 9 ] 。许多 虽然不是所有的 美国和澳大利亚采矿 企业都非常保守，除非看到某项开采技术在其他地方被成功地应用，否则非常不 愿意采纳。例如放顶煤开采技术在中国和其他国家都取得了巨大成功，但美国和 澳大利亚还迟迟不能采用。对于薄煤层，许多煤炭企业不愿意采纳新的开采技术 是因为薄煤层开采的利润低。煤炭企业不愿意采纳新的薄煤层开采方法的后果就 是煤炭企业缺乏自主创新的科研动力。造成这种现象的另一种原因是煤炭行业的 周期性所致，当煤炭价格高时企业不能认识到科研的重要性，而当煤炭价格低时， 企业又负担不起科研的费用。 薄煤层开采方法研究滞后的另一个原因是国有研究单位的改制和撤销。美国 早在1 9 9 6 年就撤销了美国矿业局。国内也在2 0 世纪9 0 年代术对煤炭科学院的体 制进行改革，煤科院逐步变成了自负盈亏的企业。这种改变的问题之一是使薄煤 层采矿方法的研究投入更加不足。本章在对薄煤层采煤方法进行简单介绍的同时， 对过去所做的研究工作进行总结。 不能指望攀枝花煤业集团的薄煤层开采工作面的效率和开采厚煤层的效率一 样高。 2 ．1 ．2 选择薄煤层采煤方法的影响因素 选择采煤方法的最关键因素是煤层地质条件。煤层及其顶底板条件决定能够 8 重庆大学丁程硕士学位论文2 薄煤层开采方法 还是不能采用某一种采煤方法。例如，长壁工作面开采的条件是在大面积范围内， 煤层的厚度均匀，每层顶板比较坚硬，岩层控制较容易。但对于放顶煤开采来说 上述条件就适用。在选择煤层开采方法时还要考虑到煤层底板条件，断层，开采 深度和矿井水等因素。煤层埋藏深度是一个非常重要的选择因素，因为随着开采 深度的加深，矿上压力显现明显，所需的煤柱尺寸也会加大。 煤层开采的经济性贯穿在煤层开采方法选择的各个方面。综采工作面的投资 大，资本回收周期长，适用于储量大的煤田，常被经济实力雄厚的大公司采用。 而炮采和普采投资较小，适用于储量较小的煤田，常被中小煤炭公司采用。 采矿所带来的环境影响往往也是决定选择采煤方法的因素之一。综采工作面 的产尘量和瓦斯涌出都很集中，但通风容易控制。水力采煤带来的环境问题很难 解决，逐步被淘汰了。 另外一个考虑的因素是采煤设备的独立性。虽然在综采工作面采煤机、刮板 运输机、液压支架、皮带运输机等都是相对独立的，但其中一种设备出现故障， 整个生产系统都会受到影响而造成停产。有些采煤方法，例如房柱式采煤法，各种 设备的依赖性不高，当一种设备出现故障时，其它设备仍可以正常运转。 2 ．2 长壁开采方法 2 ．2 ．1 走向长壁开采方法 在煤层项板控制比较困难，煤层达到一定厚度且范围较大的情况下应该采用 长壁式开采方法。由于长壁式开采工作面被液压支架覆盖，安全条件好。长壁工 作面的另一个优点是回采率高，浪费少。除此之外，长比开采适合于不同埋藏深 度，可以多层同时开采及降低永久支护费用【Io J 。长壁开采的缺点包括投资费用高， 一旦系统出现故障对生产的影响巨大，工作面搬家的时间较长。目前我国长壁放 顶煤开采的效率已经达到世界先进水平，例如大同煤矿集团塔山矿和神华集团大 柳塔矿的工作面单产都己超过3 0 ，0 0 0 t ／d 。 目前煤层条件较好的矿井基本上都采用综采长壁工作面开采，而一些煤层地 质条件较差的矿井还在采用炮采或普采。 长壁工作面开采分为前进式和后退式两种方式。前进是工作面在有些国家还 在采用，但我国基本上全部采用后退式开采方式。长壁工作面的落煤基本采用滚 筒式采煤机。采煤机割下的煤炭通过刮板运输机运送至皮带，然后通过运煤系统 运往地面。 2 ．2 ．2 倾斜长壁开采方法 有些地质条件不适合走向长壁开采而采用倾斜长壁开采。倾斜长壁工作面沿走 向布置切眼，工作面刮板机在纵向上基本处于水平状态，只在横向上沿煤壁倾斜， 9 重庆人学T 程硕十学位论文2 薄煤层开采方法 俯采煤壁即可阻止。另外，倾斜长壁工作面的支架一般不发生挤架、咬架现象， 不存在支架和其他设备的下滑问题，开采工序不受制约，有利于工作面设备的管 理，从而提高工作面效率【1 。 倾斜长壁俯采工作面的支架有向前倾斜的趋势，有较强的指向煤壁的水平工作 阻力，在此过程中给煤壁施加了挤压力，减少了煤壁受到的拉应力，增加端面煤 的自稳能力。因此，倾斜长壁工作面有利于防止端面片帮、掉顶。 倾斜长壁工作面有利于巷道布置。倾斜布置工作面两巷，即使遇断层、褶曲等 地质构造时也可不改变方向一次将巷道送至切眼，巷道不积水，较易布置等长综采 工作面。 倾斜长壁工作面的缺点是不利于巷道的施工。倾斜长壁工作面巷道一开切就 存在起坡，需要使用提升设备，中间环节多，占用时间长，不利于巷道的施工，掘进速度 低。 倾斜长壁工作面也不利于水的防治。切眼近于水平，不利于排水，若顶板有淋水 将积于煤壁附近，运煤时，水混煤进入带式运输系统，造成带式输送机故障多，机巷环 境差，甚至发生窜仓事故。 2 ．3 刨煤机开采 刨煤机是集采煤和运输于一体的开采装备。从技术角度看，它是最适合于薄煤 层的采运装备，其开采技术不仅可用于普采，而且可用于综采。现代刨煤机集机 械、液压、电子、网络控制等多学科专业领域的科技成果，技术含量高，但研制 难度很大。我国在刨煤机产品开发和制造方面虽然取得了某些研究成果，但总体 进步缓慢，大约每隔十年才产生一种新的机型，与国际先进水平相比差距很大。 目前，自动化刨煤机组是国外厂商的一统天下，国产刨煤机总体技术仅相当于国 外上个世纪8 0 年代的水平【1 2 1 。为了实现我国煤炭行业的可持续发展，解决薄煤层 作为保护层 解放层 开采难题，实现高瓦斯薄煤层的安全开采，加强国产刨煤机研 究创新工作，开发具有先进水平的国产刨煤机组具有重大的现实意义。 我国刨煤机发展缓慢的原因之一是对煤层可刨性程度判断缺乏科学性，导致使 用效果不佳。能否采用刨煤机开采，一个重要因素是煤层刨削力的大小。目前我 国是按煤层的抗压强度f 值 普氏系数 来衡量煤层的强度，但是实践证明把f 值作 为煤层可刨性 可截割性 的指标并不可靠【1 3 】。实际上，f 值只是用煤岩抗压强度的 相对量来表示其在各种受力破坏时所具有的强度，并不真实地代表煤岩的坚固性 程度。即使是同一种煤质，由于裂隙度、层节理、含水率等的不同，同一种指标 1 0 重庆大学T 程硕十学位论文2 薄煤层开采方法 测定值的差别也会很大。由于煤岩的坚固性f 值是一个综合性指标，只是从总体上 反映了煤岩的坚固程度。因而当涉及到不同类别的煤岩破碎方法，采用坚固性系 数f 值来作为一种统一的衡量尺度，就具有很大的局限性，也常常会导致不确切的 结果。 我国刨煤机发展缓慢的另一个原因是支护配套不协调。我国的刨煤机工作面绝 大部分是普采和高档普采工作面，工作面的支护是采用单体支柱 或摩擦支柱 和金 属铰接顶梁配合使用，由于刨煤机的特点之一是小截深开采，因此开采时金属顶 梁不可能随着刨头的逐步推进而及时支护，从而产生空顶，这就对顶板的管理带 来问题，特别是处在上、下顺槽的机头和机尾处，空顶面积更大，如果遇到破碎 项板，管理维护就更加困难。有时在一个班的采煤过程中，通常要化费7 0 ％一8 0 ％ 的时间来管理和维护顶板【1 3 】，真正用于刨煤的时间仅为2 0 ％一3 0 ％，这就限制了 刨煤机性能的发挥，缩小了刨煤机的使用范围 要求工作面顶板不破碎 。 我国刨煤机发展缓慢的第三个原因是回采工作面的设计往往不适应刨煤机的 特点。由于我国大多数刨煤机的功率比较小，而且大部分使用在薄煤层，考虑到 薄煤层采煤的经济效益，刨煤机工作面一般都取较小的顺槽断面，仅为6m 左右， 而把刨煤机的机头机尾放置在工作面。这种布置方式，减小了顺槽开拓的工作量， 无需机头机尾台架，但是工作面两端缺口就必须由人工来开出，而且随着刨煤机 的推进，两端各长6 m 左右的缺口长度还必须超前开出，这不但增加了工人的作业 量，而且使工作面两端的空顶面积增大，留空时间增加，造成支护困难。往往还 因端头顶板维护不善，造成顶板冒落砸坏设备和伤人事故，甚至造成停产。 除上述原因之外，刨煤机自身的技术水平有待进一步提高。在6 0 ．7 0 年代， 我国的刨煤机曾面临发展的机遇，当时采煤机尚未在国内大量推广使用，而刨煤 机由于其结构简单，操作方便，成本较低等优点而成为发展机械化的首选机型， 但由于受当时生产工艺手段的限制，刨煤机的一些关键零部件如圆环链、接链环、 链轮、刨刀和刨刀座、导链架、缓冲器等，可靠性差，损坏率高，因而影响了刨 煤机的进一步推广使用。 国外的刨煤机技术发展相当快，位于当前刨煤机研制水平前沿的德国，正在向 刨煤机工作面的自动化方向发展，这个发展的特点是以采用高技术为特征的。随 着计算机技术在煤矿的推广使用，传感技术、自动监测与在线控制、遥控和集中 控制等技术都得到了广泛采用。与国外的技术相比，我国的刨煤机技术还有不少 差距【1 3 1 。 重庆大学T 程硕士学位论文 2 薄煤层开采方法 图2I 德国D B T 刨煤机在长壁工作面开采中的应用 F i 9 21 A p p l i c a t i o no f G e r m a n y D B T p l o u g h i n l o n g w a l l f a c e 全自动化刨煤机系统的核心技术设备是薄煤层回