红柳煤矿6m大采高工作面开采技术及设备选型研究.pdf

论文题目红柳煤矿 6m 大采高工作面开采技术及设备选型研究 专 业矿业工程 硕 士 生刘清宝 （签名） 指导教师黄庆享 （签名） 王昌傲 （签名） 摘 要 红柳矿井是宁东煤田鸳鸯湖矿区的骨干矿井，井田构造发育，含煤地层为侏罗系中 统延安组，可采煤层 14 层。顶部 2 号主采煤层厚度平均 6.1m，倾角一般为 6～18， 埋深 160m～1100m。我国开采高度超过 5m 的大采高工作面不多，且煤层倾角一般小于 5，在红柳矿井倾角 6～18煤层采用 6.0m 大采高实现“一井一面”8.0Mt/a，尚无成熟 经验。开展缓倾斜煤层 6m 大采高工作面的合理开采参数、设备选型、支架的防倒防滑 和煤帮控制等关键问题研究，十分必要，具有重要的工程实践意义。 本论文通过地质条件分析和煤岩物理力学参数测定，采用数值模拟、理论计算、工 程类比与现场实践等方法，确定了红柳煤矿 6m大采高工作面的合理面长为 300m，合理 走向长度为 2000m，合理的采煤工艺为端部斜切进刀单向割煤；确定了首采面的主要设 备选型为MG900/2210-GWD滚筒采煤机、 SGZ1250/3855 重型刮板输送机、 SZZ1350/525 型转载机、ZY10000/28/62D液压支架及相应的排头架和过渡架。提出了液压支架的防倒 防滑控制技术①采用液压支架设置底座调架千斤顶，设置双向可调的顶梁和掩护梁活 动侧板，提高支架防滑防倒调控能力；②采用工作面上下端头 4 架排头架组成移架“锚 固站” ，提高支架抗倾倒能力；③采用由两端头通过 5 架过渡支架加大到大采高的过渡 方式，解决两端头稳定性难题；④采用下端头运输顺槽超前上端头回风顺槽 18m的工作 面伪斜布置，解决支架及刮板输送机的下滑问题。提出了防治煤壁片帮技术措施①液 压支架设置二级护帮板，护帮高度 2m；②割煤后及时带压移架；③提高正规循环率， 加快推进速度。 红柳矿井采用了本研究方案和技术措施，开展了 1121 综采工作面施工与生产，工 作面顶板和煤帮控制良好，最高日产量 27200t，平均月产量 63 万 t，直接工效达 238t/ 工日。实践表明，开采技术工艺及设备选型合理，实现了 6m 大采高安全高效生产。 关 键 词大采高；综采；配套选型 研究类型应用研究 *本文得到国家自然科学基金项目（51174156）和陕西省重点实验室计划项目（2010JS019）资助 Subject The Study of Fully Mechanized High Cutting Technology and Type Selection with the depth of 6 metres in Hongliu Coal Mine Specialty Mining Engineering Name Liu Qing Bao Signature Instructor Huang Qing-xiang Signature Wang Chang-ao Signature ABSTRACT Hong Liu Coal Mine is located in Yuanyanghu mining areas of Ningdong, which is structure development.The coal-bearing strata belong to the Jurassic system of Yanan ation, the coal layer has 14 layers. The average thickness of the top 2nd main coal seam is 6.1miles, the dip is generally 6 to 18, and the depth is between 160miles and 1100miles. Chinas large mining height faces whose mining height are more than 5miles,and the seam inclination is generally less than 5. Under the conditions of the inclination of 6 18of the 2nd seam of the Hongliu mine mining,they used the 6.0miles large mining high achieving a well side of 8.0Mt/a.It needs research and design innovation to face mining technology, and service for mine safety efficient production. This paper is on the base of geology condition analysis and the detection of coal physical and mechanical parameters, and by the means of numerical simulation, theoretical calculation, engineering analogy and field practice, has ascertained that the rational length of large caving-height of 6m of Hongliu coal is 300m, strike length is 2000m, mining craft is unidirectional cutting technology at the end. And the selection of main equipment of the first coalface MG900/2210-GWD shearer, heavy SGZ1250/3855 scraper conveyor, SZZ1350/525 loader, ZY10000/28/62D hydraulic support and top and transition frame. Anti-skid Control technique for hydraulic support is proposed in this paper ① to improve anti-skid capability of support, setting the scheduling hoisting jack under the hydraulic support, and setting bilaterally adjustable canopy and shield-beam with board.②To improve efficiency, 4 bent frames at top and end face is made to anchorage station.③To solve the stability problem of ends, the transition of 5 end bent frames rising to 6m is applied. ④ The false dip layout of up end conveyor gateway advancing down end ventilation entry with 18m is applied. The measures of controlling rib spalling is applied ① hydraulic support with face-sprag, and the height is 2m. ②Advancing support with the roof pressure after caving.③support in time and accelerating mining speed. Hongliu coal mine adopted the design scheme and technical measures, carrying out the 1121 fully mechanized coal face construction and production.Working face roof got good control,the highest daily output was 27200t, the average monthly production was 630000t,and the direct work efficiency is 238t/d.Practice shows that mining technology and equipment type selection is good, realizing the 6m high safety and high efficient production. Key words high cutting height；fully-mechanized mining；type selection Thesis Application Study 目录 目 录 1 绪 论..................................................................1 1.1 选题背景及意义.....................................................1 1.2 国内外大采高综采技术与装备发展状况.................................2 1.2.1 国外大采高综采技术与装备发展状况 .............................2 1.2.2 国内大采高综采技术与装备现状及发展趋势 .......................3 1.3 大采高采场支护理论的现状及发展.....................................5 1.4 研究方法及技术路线.................................................7 2 矿井地质和开采条件......................................................9 2.1 矿井地质条件.......................................................9 2.2 矿井生产系统 ......................................................9 2.3 首采工作面地质条件 ...............................................10 2.4 煤岩力学参数实验 .................................................13 3 工作面主要技术参数及回采工艺...........................................17 3.1 采煤方法选择......................................................17 3.2 工作面主要参数确定 ...............................................19 3.2.1 工作面推进长度的确定........................................19 3.2.2 工作面长度的确定............................................20 3.2.3 采高的确定..................................................21 3.2.4 工作面生产能力..............................................22 3.3 采煤工艺 .........................................................23 3.3.1 初采高度的确定..............................................23 3.3.2 采煤机进刀方式选择 ..........................................24 3.4 综采工作面设备的防倒防滑技术 .....................................24 3.4.1 刮板输送机的防滑措施........................................24 3.4.2 液压支架的防倒防滑措施......................................25 3.5 工作面片帮的防治措施 .............................................26 3.6 本章小结..........................................................27 4 大采高支架工作阻力分析.................................................28 4.1 经验估算法确定支护强度............................................28 4.2 基于顶板分类的支架支护强度计算 ...................................29 4.3 FLAC 3D数值模拟计算 ................................................30 4.3.1 基本原理 ....................................................30 I 目录 4.3.2 模型的建立..................................................32 4.3.3 采场围岩支承压力分布........................................33 4.3.4 支架的载荷的计算............................................37 4.4 ABAQUS数值模拟分析法 .............................................38 4.4.1 数值模型的建立..............................................38 4.4.2 模拟方案设计................................................39 4.4.3 数值模拟结果分析 ............................................39 4.5 支架工作阻力的确定 ...............................................41 4.6 本章小结 .........................................................42 5 大采高工作面主要设备配套选型...........................................43 5.1 设备选型配套原则..................................................43 5.2 液压支架..........................................................43 5.2.1 支架高度的确定 ..............................................44 5.2.2 支架中心距的确定............................................44 5.2.3 支架底座对底板比压的要求....................................45 5.2.4 液压支架基本架型的选择......................................45 5.2.5 液压支架的其它要求 ..........................................45 5.2.6 端头支架和过渡支架..........................................46 5.2.7 支架主要参数汇总............................................46 5.3 采煤机 ...........................................................47 5.3.1 滚筒截深的选择..............................................47 5.3.2 最大截割高度 ................................................47 5.3.3 滚筒直径的选择..............................................48 5.3.4 牵引速度的选择..............................................48 5.3.5 采煤机功率计算..............................................49 5.4 工作面刮板输送机..................................................50 5.4.1 刮板输送机的能力计算 ........................................50 5.4.2 刮板输送机选型..............................................51 5.5 工作面转载机和破碎机 .............................................52 5.6 其它设备 .........................................................53 5.6.1 乳化液泵站..................................................53 5.6.2 喷雾泵站....................................................53 5.6.3 带式输送机 ..................................................53 5.7 本章小结......................................................54 II 目录 6 开采实践与效果评价.....................................................55 6.1 大采高工作面开采实践 .............................................55 6.2 矿压观测及矿压显现规律............................................55 6.2.1 矿压观测方法 ................................................55 6.2.2 矿压显现规律 ................................................56 6.3 工作面推进过程中出现的问题及处理措施 .............................58 6.4 开采效果分析与评价................................................59 6.4.1 对开采技术及工作面参数的评价 ................................59 6.4.2 装备稳定性与可靠性评价......................................59 7 结 论................................................................61 致 谢..................................................................62 参考文献.................................................................63 附 录................................................................66 III 目录 IV 1 绪论 1 绪 论 1.1 选题背景及意义 我国西北地区煤炭资源总量约为 4.7 亿万t，占全国总资源量的 84.5。国家批建的 13 个大型煤炭生产基地中，西北占 4 个（宁东、陕北、黄陇和神东） ，占总数的 30。 其中，宁夏回族自治区煤炭资源远景储量 2029 亿t，已探明储量 313.6 亿t，居全国第六。 宁夏的煤炭主要分布在宁东、贺兰山、香山、宁南，其中，宁东煤田探明储量占全区探 明储量的 88．6％，含煤面积 3500km2，远景储量达 1394.3 亿t，探明地质储量 273．14 亿t，是国内少有的整装煤田。宁东煤田包括灵武、鸳鸯湖、横城、马家滩、积家井、萌 城、韦州七个矿区和石沟驿一个独立井田。近年来宁夏回族自治区煤炭工业迅速发展， 为我国西部地区建设作出了巨大贡献[1-3]。 鸳鸯湖矿区是宁东煤田中最大的一个矿区，批准建设规模 44.00Mt/a，规划建设五 对矿井。鸳鸯湖矿区是宁东能源工业基地的对口供煤矿区，能否顺利达产直接影响到宁 东能源工业基地中化工项目的经济效益和社会效益， 而红柳矿井又是鸳鸯湖矿区中的骨 干矿井，设计生产能力 8.00Mt/a，井田位于宁东煤田鸳鸯湖矿区的南部。 红柳井田含煤地层为侏罗系延安组， 井田内褶曲和断裂构造发育， 煤层倾角 0～40。 2 号煤层为井田主要可采煤层，可采厚度 0.85～10.71m 平均 6.10m，煤层倾角多在 6～ 18之间，属缓倾斜～倾斜煤层，煤层埋深 160～1100m。2 号煤层顶板主要由粗粒砂岩、 细粒砂岩和泥岩构成，孔隙发育、易风化，抗水浸能力差，强度较低，为不稳定岩体； 2 号煤层底板主要由粉砂岩、泥岩组成，抗风化和抗冻能力差，易软化，岩石坚固性差， 属松软类底板。 红柳矿井按“一井一面”模式设计，投产时在 11 采区 2 号煤层布置一个大采高综采 工作面。11 采区 2 号煤层厚度 4.76m～7.59m，平均厚度 6.0m，煤层倾角 6～18。红柳 矿井是鸳鸯湖矿区第一个采用 6.0m 采高开采的矿井，它的建设对鸳鸯湖矿区乃至宁东 煤田特厚煤层的开采具有指导和示范作用，因此研究其开采技术问题、进行合理的工艺 参数选取和综采设备配套选型，具有十分重要的意义。 目前我国大采高综采工作面采高超过 5.0m 的矿井为数不多，主要集中在神东矿区 和晋城矿区，其中神东公司补连塔矿井为我国目前大采高采煤高度最大的矿井，支架最 大支护高度 7.0m，最大割煤高度 6.8m；晋城矿区寺河矿井，支架最大支护高度 6.3m， 最大割煤高度 6.0m。补连塔矿井综采工作面单产已超 10.00Mt/a，寺河矿井综采工作面 单产已达到 8.00Mt/a，其产量指标在国内同类矿井中均处于领先地位。但这两个矿井开 采的煤层均为近水平煤层，补连塔井田煤层倾角一般小于 3，寺河井田煤层倾角一般小 1 西安科技大学工程硕士学位论文 于 5。红柳矿井 2 号煤层大采高综采工作面要实现 8.00Mt/a，需要解决以下主要问题 （1）6～18条件下，6m 采高综采工作面回采工艺参数的合理确定； （2）6～18条件下，6m 采高综采工作面综采设备成套关键技术参数； （3）6～18条件下，6m 采高综采支架防倒防滑技术和煤壁片帮防治措施。 1.2 国内外大采高综采技术与装备发展状况 1.2.1 国外大采高综采技术与装备发展状况 俄罗斯、德国、波兰、捷克、英国、日本等国从上世纪 60 年代开始就采用大采高 综采。60 年代，日本曾设计了一种 5m采高并带中间平台的液压支架，获得了日本国家 设计奖。 德国早在 1970 年使用贝考瑞特垛式支架成功地开采了热罗林矿 4m厚的 7 号煤 层。70 年代末，波兰利用三年的时间在 7 个采煤工作面装备了DOMA-25/45 型两柱掩护 式支架，另外还设计开发了PLOMA系列两柱掩护式大采高支架。1980 年前西德郝母夏 特公司开发出G550-22/60 掩护式支架，最大采高 5.8m，在威斯特伐伦矿使用并取得了 成功。 美国 1983 年开始在怀俄明州卡帮县 1 号矿采用长壁大采高综采技术开采厚煤层， 工作面采高达 4.5～4.7m，日产达到 6200t，实现了高产高效。1987 年底，前苏联煤矿 有 43 个采煤工作面装备KM130-4 型大采高支架，另外还研制了KM142 型、YKM-4 型、 YKM-5 型大采高支架； 澳大利亚在已经探明的煤矿储量中有 60 亿t以上储量的煤层厚度 在 4.5m以上，其中至少三分之一的储量在昆士兰州，主要采用长壁一次采全高综采。 Goonyella Riverside煤矿、Moranbah North煤矿、West Wallsend煤矿和Dartbrook煤矿为澳 大利亚典型的采用长壁大采高综采工艺的煤矿。其中Moranbah North煤矿是澳大利亚最 先进的厚煤层开采煤矿[4-10]。 目前国外综采成套设备的生产能力已经达到 3000t/h 以上，在适宜的煤层及地质条 件下，采煤工作面可实现年产 800 万～1000 万 t，出现“一矿一采区，一个面，一条生产 线”的高效集约化生产模式。为最大程度地占领市场，世界主要采矿设备制造商在综采 设备方面展开了激烈竞争，加快了煤机企业的兼并重组，形成了以美国 JOY 公司，德 国 DBT、Eickhoff 为代表的国际采矿设备供应商，这些公司基本垄断了国际大采高综采 高端产品市场。 国外当前大采高综采技术与装备的主要技术特点[11-20] （1）新型大功率电牵引采煤机，总功率可达 2000～3000kw，并采用先进的信息处 理技术和传感技术。德国 Eickhoff 公司生产的 SL1000 系列采煤机采高范围 2.0～7.1m, 最大牵引力可达 1000KN，最大牵引速度可达 37m/min。美国 JOY 公司生产的 7LS7 系 列采煤机采高范围 2.0～6.3m，装机总功率 2450kw 以上，最大牵引力可达 1042KN，最 大牵引速度可达 30m/min。 2 1 绪论 （2）大运量、软启动、高强度、重型化刮板输送机。目前世界上运量最大的刮板 输送机运输能力达到 6000t/h，装机功率 41000kW，工作面刮板输送机最大工作长度可 达 430m，最大槽宽可达 1332mm。重型刮板输送机多采用交叉侧卸式机头，中部槽为 铸造槽帮，中板为耐磨合金钢，链环直径最大已达到 52mm。刮板链的张紧方式，除传 统的机械张紧装置外，还增加了伸缩机尾的液压自动张紧装置。 （3）大采高液压支架。国外综采液压支架的架型主要为高工作阻力的两柱掩护式 支架，其支护阻力多为 6000～10000kN，最大 12000KN，支护高度 3～6m，支架立柱缸 径 320～440mm。 （4）长距离、大运量、高带速的大型工作面带式输送机。目前，煤矿井下用带式 输送机装机功率可达 4970kw，运输能力已达 5500t/h，带速达 5m/s 以上。应用动态分 析技术和计算机监控等高新技术动态设计及动态过程监测、监控等，确保了带式输送机 运行的可靠性。采用 CST、变频等先进的大功率软启动技术、自动张紧技术、高寿命高 速托辊、快速自移机尾等先进技术提高设备开机率。 （5）综采工作面自动化生产技术。在综采工作面单机工况实时监测的基础上，研 究开发了采煤机滚筒自动调高技术、液压支架电液控制技术，顺槽计算机集中控制中心 通过采用位置经外传输、速度检测和计算机集中软件程序，使采煤机、刮板输送机、液 压支架等设备自动完成割煤、运输、液压支架移架和顶板支护等生产过程，实现了工作 面自动化生产。并通过矿井通讯光纤等介质经 Internet 网络和矿井及上部管理层实现信 息交流与通讯控制。 （6）综采工作面中高压技术。国外采煤发达国家先后将工作面输送机和采煤机等 机械的供电电压从原来 1.14kV 等级提高到 2.3kV、3.3kV、4.16kV 和 5.0kV 等级，并大 量采用高集成度的配电变压器等一体化新型设备， 改善了采区电网和工作面大功率电器 设备的运行状况，提升了工作面装备的生产能力和可靠性。 1.2.2 国内大采高综采技术与装备现状及发展趋势[21-28] 我国 1978 年引进德国赫姆夏特公司 G320-23/45 型掩护式液压支架及相应的采煤运 输设备，在开滦范各庄矿 1477 综采工作面开采 7 号煤层，开始试验厚煤层大采高一次 采全厚开采方法，取得了良好的效果。1985 年，首次使用国产 BC520-25/47 型支撑掩护 式 4.5m 采高液压支架在西山矿务局官地矿试验开采 8 号煤层，煤层平均厚度 4.5m，倾 角小于5， 综采工作面3个月产煤11.2万t。 1986年， 我国在邢台东庞矿使用BY320-23/45 型掩护式支架，在倾角高达 38的条件下试验成功。1988 年，首次突破煤炭年产量百万 吨的邢台矿务局东庞矿和义马矿务局耿村矿采用 4.4m 采高综采技术，处于当时综采技 术的较高水平。上世纪 80 年代到 90 年代中期，全国累计有 359 个年产超百万吨的综采 队，其中 3.5m～4.5m 采高综采队有 19 个，占 5.3。上个世纪末，年产逾百万吨的大 3 西安科技大学工程硕士学位论文 采高综采队已达 8 个，平均效率最高达 218t/工。例如神东矿区的大柳塔矿全套引进设 备，于 2000 年 7 月份产量达到 90 万 t，全年产量为 860 万 t。活鸡兔矿井也采用全套引 进设备，于 2000 年 8 月 5～25 日产量达到 57 万 t 的好成绩。 随着大采高工作面的发展，其优势越来越得到普遍认可。在新世纪之初，大采高开 采技术发展到一个新的阶段，国内个别工作面的产量及效率达到并超过国际水平。例如 2003 年， 神华神东公司补连塔煤矿大采高综采工作面年产原煤 924 万 t， 采高达到 4.8m。 2004 年，神华神东公司上湾煤矿大采高工作面年产原煤 1075 万 t，实际采高 5.4m。晋 城煤业集团寺河矿在高瓦斯矿井条件下， 采高达到了 5.5m。 大同煤业集团公司四老沟矿 使用国产 ZY9900-29-5/50 液压支架在“两硬”条件下，实际采高达到 4.5m。2006 年，晋 城煤业集团寺河矿在近水平煤层中，使用国产先进的 ZY9400-28/62 支架，采高达到 6.0m。2007 年，中国首个 6.3m 大采高综采工作面在神东煤炭分公司上湾煤矿“诞生”， 大幅度提高了回采率及工效。 2009 年 12 月 31 日世界首个 7m 大采高综采工作面在神东 补连塔煤矿 22303 综采工作面投入试生产。该综采工作面长 301m，推进长度 4971m， 煤层平均厚度 7.55m。 为适应我国煤矿综采机械化的发展， 国内综采设备科研设计和制造企业已研制开发 出具有独立知识产权、具有先进技术水平的大功率电牵引采煤机、重型刮板输送机、电 液控制强力液压支架和多点驱动大运力带式输送机，配套设备的生产能力达到 15002500t/h，在适宜的煤层条件下，综采工作面可实现年产 500 万 t。例如鸡西煤矿机 械有限公司研制的 MG800/2040-WD 型电牵引采煤机，总装机功率达到 2040 kW，西安 煤矿机械厂研制成功的 MG750/1910-WD 型和 MG900/2210-WD 型交流电牵引采煤机， 总装机功率分别达到 1910kW 和 2210kW。张家口煤矿机械制造公司、西北奔牛集团公 司研制成功的 SGZ1200/1575 型刮板输送机， 输送能力最大达到 2500 t/h， 总装机功率达 到 1575 kW。郑州煤机厂继研制成功 ZY9400/28/62 两柱支撑掩护式支架后，为补连塔 矿研制成功了 ZY12000/32/70 两柱支撑掩护式支架， 调高范围 3.2m～7.0m，支护高度最 大可达到 7.0m，工作阻力 12.0MN，立柱缸径 500mm，采用电液控制技术，寿命实验达 5 万次以上。我国新研制开发的大采高综采装备技术参数已接近国外先进水平，综采工 作面年产能力达到 500 万 t 以上。国内典型大采高工作面开采矿井如表 1.1 所示。 与国际先进水平相比，我国综采成套设备生产能力和技术性能还存在较大差距。可 喜的是，经过十余年的努力，这种差距在逐渐缩小，我国自主研发的综采设备目前已具 备 5.00Mt/a 成套生产能力。 我国大采高液压支架、 工作面带式输送机、 重型刮板输送机、 破碎机等设备加工制造技术与国外相比差距不大，但是这些设备的元部件可靠性、软启 动技术、在线实时监测和自动控制技术与国外设备相比存在较大差距。国产采煤机工作 的可靠性、交流变频电牵引技术、工况检测与故障诊断、自动控制技术以及整机可靠性 方面与国外设备相比均也存在一定差距。随着我国大采高综采装备技术的稳步发展，国 4 1 绪论 产设备已得到广泛应用，目前采用全引进设备的大采高工作面不多，大多采用采煤机引 进，其余设备国产的半引进装备或全国产设备装备模式。 表 1.1 国内典型大采高开采矿井统计 序号 矿井或工作面名称 煤层厚度m 煤层倾角开采高度m 支架型号 1 神东上湾矿 51202 面 6.0～8.3 13 6.3 DBT 公司 2 山西晋城寺河矿 4.4～8.86 5 5.8 ZY9400/28/62 3 神东上湾矿 51101 面 6.08～8.33 03 5.3 ZY8600/25.5/55 4 邢台东庞煤矿 4.8 13 4.7 BY3600-25/50 5 平煤集团八矿