潞安矿区综放开采技术的研究与实践.pdf

摇 第 35 卷第 11 期煤摇 摇 炭摇 摇 学摇 摇 报Vol. 35摇 No. 11摇 摇 2010 年11 月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYNov. 摇2010摇 摇 摇 文章编号0253-9993201011-1789-05 潞安矿区综放开采技术的研究与实践 任润厚,郭金刚,王东飞 山西潞安矿业集团有限责任公司,山西 长治摇 046204 摘摇 要从厚煤层分层综采技术、综采放顶煤技术、大采高综采放顶煤技术 3 个方面介绍了潞安矿 区开采技术的发展与现状。 以王庄煤矿 6203 工作面为例,详述了潞安矿区大采高综采放顶煤技术 的创新思路与工业试验研究。 结果表明工作面采出率平均达 91郾 6,最高达 92郾 1;最高月产达 33 186 t;最高工效达 502 t/ 工。 关键词潞安矿区;分层综采;综放开采;大采高综采放顶煤技术 中图分类号TD823郾 49摇 摇 摇 文献标志码A 收稿日期2010-06-21摇 摇 责任编辑许书阁 摇 摇 作者简介任润厚1957,男,山西代县人,博士生导师,博士。 联系人李文德,E-mail13835581697163郾 com Research and practices on fully mechanized top coal caving mining technology in Lu爷an mining area REN Run鄄hou,GUO Jin鄄gang,WANG Dong鄄fei Lu爷an Mining Industry Group Co. ,Ltd. ,Changzhi摇 046204,China AbstractFrom the three aspects of the fully mechanized slice mining technology in thick seam,the fully mechanized top coal caving mining technology and the fully mechanized high cutting and top coal caving mining technology,intro鄄 duced the development and present status of the mining technology in Lu爷an mining area. Taking the 6203 coal mining face in Wangzhuang Mine as the example,stated the innovation conception and the industrial research on the fully mechanized high cutting and top coal caving mining technology in Lu爷an mining area. The industrial trial results show that the mining rate of the coal mining face can reach at 91. 6 in average,the max mining rate can reach at 92. 1, the max month production can reach at 33 186 t and the max work efficiency is 502 t/ shift. Key wordsLu爷an mining area;fully mechanized slice mining;fully mechanized top coal caving mining;fully mecha鄄 nized high cutting and top coal caving mining technology 1摇 潞安矿区地质条件 潞安矿区主采沁水煤田 3 号煤层,煤层赋存稳 定,厚度 5郾 61 7郾 23 m,平均 6郾 42 m;倾角 3 5毅,局 部达 10毅;煤质中硬,f1郾 0 3郾 0;顶板稳定,顶板及 直接顶为砂岩,底板为泥质页岩。 3 号煤层综放工作面直接顶初次垮落步距平均 为 16 m,基本顶初次来压步距平均为34 m,动载因数 平均为 2郾 0。 周期来压步距平均为 12郾 26 m,来压时 动载因数平均为 1郾 20。 2摇 分层开采技术 潞安矿区自 20 世纪 80 年代开始消化吸收国外 经验,实施综合机械化开采技术分层开采 [1]。 1980 年 8 月,首先在王庄煤矿 1203 工作面试验 从波兰引进的综合机械化采煤技术,采用柯马格液压 支架和波兰机组,当年产量达到0郾 32 Mt,在此之前潞 安矿区的普采单产最高记录 0郾 17 Mt/ a。 19801982 年,王庄煤矿综采工作面产量一直 维持在 0郾 55 Mt/ a 左右,综采工作面单产没有大的提 高。 为进一步发挥综采效能,提高综采工作面单产, 潞安矿区调整了工作面开拓部署,优化了工作面设 计,加大了采区及工作面尺寸,使工作面的储量增大。 采区设备技术改造和采区优化同步,改善工作面开采 条件。 在设备没有更新换代的前提下,1983 年王庄 煤矿综采工作面平均单产达到了 1郾 03 Mt。 煤摇 摇 炭摇 摇 学摇 摇 报 2010 年第 35 卷 综采工作面有效开机时间增加,单产提高。 但原 有的运输、提升环节,明显出现过负荷现象,成为制约 单产进一步提高的最大障碍。 为进一步提高矿井的 生产能力和综采工作面单产,19841986 年,潞安矿 区对矿井的运输、提升环节进行了改造,在工作面内 部优化了设备配置。 1987 年,王庄煤矿利用全套国 产支架年产达到 1郾 70 Mt。 3摇 综采放顶煤技术 1987 年,潞安矿区开始设计综采放顶煤技术, 1988 年在王庄煤矿 4309 工作面开始第一次工业性 试验,1989 年产量达百万吨,试验取得成功。 此后, 扩大了对综放开采的试验范围,使放顶煤技术在潞安 矿区得到了不断发展和完善[2]。 1993 年,利用自行 研制的 ZZP4800-17/33F 低位放顶煤支架及配套设 备,在王庄煤矿 6111 工作面实现年产达 2郾 53 Mt,这 标志着潞安矿区的综采放顶煤技术取得了圆满成功。 不仅实现了厚煤层一次采全高的目标,而且使生产高 度集约化成为可能,达到高产、高效的目的。 3郾 1摇 综放设备的研制与改造 潞安矿区依靠国内现有煤机制造能力,结合企业 生产实际,研制和试验全套国产化的高产、高效综采 放顶煤设备,坚持走综采技术国产化、高新技术产业 化的道路,努力实现“人-机-环境冶的最优配置。 借 鉴匈牙利 VHP-732 型放顶煤支架的一些结构特点, 与原郑州煤矿机械厂联合开发研制新型放顶煤设备。 自己投资、联合设计、现场试验,对放顶煤综采支架及 其配套环节进行技术改进和创新,相继对支架进行了 6 次重大改造,取得重大改进和创新成果 64 项,取得 了整体成功。 研制了与低位放顶煤技术相适应的端头支架,确 保了放顶煤工作面端头管理的各项指标要求。 使用 大坡度、大包角的提升胶带新设备和提升电控系统, 以及“软启动冶、“多点驱动冶带式输送机,开发出了 SGZ-830/630 型框架式刮板输送机。 安装使用了单 轨吊、胶套轮卡轨齿轨车以及防爆胶轮车等设备。 3郾 2摇 超长综放工作面 在总结国内外综采高产、高效的基础上,以适当 增加综放工作面长度为突破口,对超长综放工作面综 合配套、安全和高产、高效技术展开系统研究[3-4]。 主要体现在以下两个方面 1生产技术。 淤布置超长综放工作面,节约采 煤机端部斜切进刀频次和时间,增加有效割煤时间, 大幅提高工作面单产。 于随着工作面的加长,周期来 压步距缩短,工作面来压出现不同步特性,工作面中 部形成周期来压压力叠加区,导致顶煤破碎带加宽, 利于放煤;可增加同时放煤点 2 4 个普通综放工 作面同时放煤点为 2 个,可加快采煤机速度。 2提高资源采出率。 淤布置超长综放工作面, 减少区段保护巷煤柱和两端头损失,把煤巷锚网支护 技术引申应用于超长工作面沿空掘巷小煤柱回采中, 使减小、取消区段煤柱成为可能。 于在排头架增设放 煤窗口, 增 加 了 6 m 的 放 煤 长 度, 提 高 采 出 率 1郾 08;根据采空区浮煤形成机理和赋存状况,研制 采空区浮煤回收装置,该装置可回收采空区 60 以 上的浮煤。 超长综放工作面成套技术应用于王庄煤矿 4326 工作面,日产量为1郾 822 9 万 t,月产量为35郾 299 7 万 t,回采工效为 199郾 8 t/ 工,吨煤成本比普通工作面降 低 9郾 47 元。 3郾 3摇 综采放顶煤技术特点 潞安矿区综采放顶煤技术特点淤以自己的技术 力量为主体,尊重科学,勇于创新。 于依靠国内现有 的煤机制造能力,结合企业生产实际,研制出了全套 国产化的大功率、高强度综放生产设备。 盂低位综采 放顶煤技术,对于多种地质条件和煤层条件包括硬 度、厚度、倾角变化都具有较好的适应性。 榆在高 位放顶煤支架改造中,缩短前插腿,使刮板输送机 “落地冶,使高位放顶煤实现了高产高效生产。 虞低 位放顶煤技术,不仅实现了厚煤层一次采全高的目 标,并且适应高度集约化生产,达到高产、高效的目 的。 另外,综采放顶煤技术中还有一些难题有待解 决,一是普通综放开采虽然实现多点同时出煤,但由 于采放比例不尽合理,割、放煤不同步,割煤等放煤现 象比较普遍;二是工作面有效通风断面小、产量增大 带来瓦斯相对涌出量增大和上隅角瓦斯超限问题,制 约了安全、高效生产的进一步发展;三是工序复杂,工 作面用人较多,同时放煤受人为因素影响较大,煤质 和采出率稳定性波动较大。 3郾 4摇 综采放顶煤技术的综合效益 潞安矿区综放开采实践表明,加强综放生产安全 管理和采取综合的安全措施,综放生产的安全性是有 保障的。 潞安矿区采用综放技术以来,没有发生过重 大伤亡和财产损失事故,1996 年实现了无死亡事故。 与分层开采技术相比,综放技术的优势非常突 出。 通过对王庄煤矿 4309 和 6111 工作面以及漳村 煤矿 1403 工作面的分析,采用综放开采可以增加直 接经济效益。 从 1988 年试验综放开采技术以来,到 1996 年底,共 24 个综放工作面,产原煤 33郾 64 Mt,共 0971 第 11 期任润厚等潞安矿区综放开采技术的研究与实践 增加直接经济效益 24 430郾 737 8 万元。 4摇 大采高综采放顶煤技术 目前,放顶煤支架最大高度一般在 3郾 5 m 以下, 机采高度3郾 2 m 以下,随着国内煤矿机械化开采步伐 的加快以及地质条件的变化,这些支架的性能已经不 能完全满足厚及特厚煤层机械化开采的要求[5-7]。 2005 年,潞安矿区在前期调研的基础上,决定将 放顶煤开采技术由机械化向自动化方向发展。 为进 一步完善和提高综放开采的技术优势,特别是为了将 放顶煤开采技术向自动化方向发展,以综放开采技术 存在的三大缺陷和问题为突破口,率先进行了大采高 自动化综放工作面安全高效综合配套技术研究[8-10]。 本着立足国产设备,降低生产成本,提高设备自动化 水平和生产效率的目的,在潞安矿区王庄煤矿 6203 工作面成功实施了大采高自动化综放开采。 4郾 1 工作面地质条件 6203 工作面煤层底板倾角为 1 5毅,工作面埋深 250 300 m,工作面围岩及其特征见表 1。 工作面长 214郾 5 m,可采长度 1 740 m,采用后退式综合机械化 大采高低位放顶煤一次采全高全部垮落采煤法。 工 作面机采高度3郾 6 m,循环进度0郾 8 m,放煤平均高度 3郾 4 m。 表 1摇 6203 工作面的围岩特性 Table 1摇 Rock characteristic of 6203 work face 围岩类型厚度/ m岩性描述 基本顶细砂岩8郾 60灰色,细粒,主要成分石英、长石,钙质胶结 直接顶泥岩3郾 65黑色,含植物化石,局部地段为砂质泥岩 直接底泥岩1郾 95黑色,质均致密,含少量植物化石 基本底细砂岩1郾 50灰色,细粒,主要成分为长石、石英 4郾 2摇 综放工作面主要设备 1 液压支架。 工作面采用 ZF7000/20/40 型液 压支架,支架的工作阻力为 7 000 kN,其支护强度为 0郾 88 MPa。 排头尾 支架选 ZFG7500/22/36 型支 架,共 6 组。 2采煤机。 选用 MGTY400/930-3郾 3D 型电牵 引采煤机,其主要技术特征装机功率 930 kW,生产 率1 800 t/ h。 当牵引速度达到8郾 3 m/ min 时,采煤机 生产率为 1 800 t/ h。 3刮板输送机。 淤前部输送机。 工作面机头 高于机尾 3郾 5毅,工作面选用 SGZ-960/1400 型输送 机。 于后部输送机。 后部输送机是将放顶煤支架尾 梁放出的煤炭运出到桥式转载机上,工作面放煤量 695 t/ h,取 1 043 t/ h不均衡系数 1郾 5,茁3郾 5毅机 头高于机尾。 采用 SGZ-960/1400 型刮板输送机。 4 转载机。 6203 工作面转载机采用 SZZ - 1200/400 型,机头驱动。 5带式输送机。 选用一部 DSJ-140/230/3 伊 400 带式输送机。 4郾 3摇 大采高综采放顶煤技术的创新 大采高综放开采,即工作面采煤机割煤高度大于 3郾 5 m 的综放开采。 4郾 3郾 1摇 大采高综采放顶煤技术的特点 淤由于大采高综放工作面割煤高度加大,放煤高 度相应减小,不仅可增大工作面通风断面,降低工作 面风阻,缩短放煤时间,提高工作面采出率与单产,而 且为工作面支架后部通风与放煤提供了空间,为工作 面放煤口附近瓦斯稀释提供了保证,有利于工作面实 现均衡生产;于工作面割煤高度加大,为充分利用当 前大功率采煤机与输送机创造了条件,可增加工作面 割煤量;盂工作面采用大采高支架,为工作面配备大 功率后部输送机提供了空间,并有利于顶煤的垮落; 榆大功率后部输送机的使用为工作面增加放煤口数 量提供了保证;虞随着大采高支架的高度增加,可有 效减少循环移架、放煤时间,有效地缩短工作面循环 时间,加快工作面推进速度。 4郾 3郾 2摇 大采高综采放顶煤技术的创新思路 1分析目前国内外安全、高效工作面的特点及 技术装备情况[11-14],结合矿区的特点,选取王庄煤矿 6203 工作面为实施地点,确定工作面布置及设备选 型原则。 根据潞安矿区的具体地质条件和大采高综 放开采的矿压特点,确定合适的液压支架架型,完成 液压支架与液压控制系统的配套设计;优化液压支架 结构并进行液压支架结构件有限元计算,研制整体顶 梁的 ZF7000/20/40 大采高放顶煤液压支架和大采高 综放工作面端头支护的侧向自移式端头液压支架。 根据国内外综采设备的发展现状,确定能满足工作面 生产能力要求的采煤机、输送机及其它配套设备。 2综放开采时机采高度变化,引起采放比变 化,将导致采场采动应力;基于此形成通过调节采放 比来调节矿山压力的思想和方法,即通过改变综放工 作面的机采高度,调节采放比,进而调节矿山压力的 变化,改变煤壁塑性区宽度和支承压力影响范围,从 而调节矿山压力的破煤效果和工作面围岩的稳定性, 使厚及特厚煤层满足放顶煤开采“架前完整、架后破 碎冶的基本要求。 3实测研究大采高综放工作面的矿压显现规 律和煤岩运移规律,分析大采高综放工作面支架围岩 关系及支架稳定性。 基于顶煤破断冒放的块度理论, 1971 煤摇 摇 炭摇 摇 学摇 摇 报 2010 年第 35 卷 采用散体模型试验和理论研究大采高综放开采放煤 口参数和煤矸放出的流动场特征,在此基础上优化大 采高综放开采放煤工艺参数。 加大综放工作面的机 采高度,调节采放比,进而调节矿山压力的变化,改变 了煤壁塑性区宽度和支承压力影响范围,从而改善了 顶煤的冒放性,提高顶煤放出率;且采煤机割煤采出 率整体大于顶煤放出率,加大机采高度与顶煤放出率 提高,共同提高工作面的采出率。 采用振动的办法, 改变大块顶煤的流动性,形成工作面端部改善放煤效 果的振动放煤技术。 根据放煤口放出煤矸的声音频 谱信号差异,试验研究声音频谱煤矸识别技术,为自 动终止放煤提供依据,解决综放工作面实现自动化放 煤的技术“瓶颈冶。 4将电液控制技术应用于大采高四柱支撑掩 护式综放设备,采用汉字显示,开发适合于采放工艺 要求的自动跟机控制程序,达到采放平衡。 采用本安 型工业以太网技术,通过 Modbus/ TCP 总线、标准的 OPC 接口,实现系统控制台对工作面设备的集中控 制,实现了综放工艺自动化。 实现主运输、供电设备 的地面集中控制,无人值守。 大幅度提高综放工作面 及环节系统自动化水平、安全可靠性,达到减人提效 的目的。 5采用大采高综放支架增大工作面有效通风 断面,形成以综放沿空小断面留巷技术和工作面分源 治理瓦斯技术为特征的大采高综放开采 J 型通风系 统治理瓦斯涌出的关键技术,解决工作面因产量提高 而带来的瓦斯涌出量增大和上隅角瓦斯超限问题。 采用未掘成前加固和掘成后加固的方法,解决工作面 风巷变形量大,无法实现快速掘进和通风能力受到影 响的难题,形成了小煤柱锚网巷道注浆加固支护技 术。 将供给的高压水转化成控制采煤机滚筒割煤产 尘源向外扩散的汽雾流屏障和局部含尘风流净化除 尘系统,实现对采煤机滚筒割煤产尘的就地净化、阻 止和减少粉尘向外扩散,形成采煤机二次负压电控架 间喷雾降尘技术。 最后进行大采高自动化综放工作 面安全高效综合配套技术的工业性试验和技术完 善。 摇 4郾 4摇 工业试验结果分析 6203 大采高自动化综放工作面试验期间,对其 自动化生产系统可靠性、采高、采煤机割煤速度与开 机率、支架移架工序、大采高综放支架位态及不同放 煤工艺参数下的放煤效果等进行了大量跟班实测。 生产班内采煤机的开机率平均为 65郾 24。 经过 3 个月的工业性试验证明,总体设计适应工 作面地质条件和生产环境,实现达到了自动化生产工 艺,新型 ZF7000 型支架适应并提高了综放工作面的 压力支护要求,设备装备配套体现了设计选型先进, 匹配合理、几何关系协调、生产能力稳定、自动化程度 高。 顶煤的破碎块度平均为 20 30 cm,直接顶的破 碎块度平均为 30 40 cm,破碎煤矸的流动性好,工 作面采出率平均达 91郾 6,最高达 92郾 1。 在工业 性高产试验期间,最高日产达 33 186 t,平均日产 26 068 t,最高月产达 633 168 t;最高工效达 502 t/ 工,平均工效 394 t/ 工表 2。 表 2摇 6203 工作面的主要技术经济指标 Table 2摇 Main economic indicators of 6203 work face 时摇 间产量/ t进尺/ m生产天数 日产量/ t 平均最高 回采工效/ t工-1 平均最高 2007 年 6 月305 072159郾 52512 202郾 8818 032郾 3184273 2007 年 7 月434 655227郾 02616 717郾 5019 769郾 1253299 2007 年 8 月 上旬175 32291郾 51017 532郾 2031 950郾 9265484 中旬260 688136郾 51026 068郾 8033 186郾 3394502 下旬197 158103郾 0921 906郾 4429 563郾 8331447 合计633 168331郾 02921 833郾 3833 186郾 3330502 平均月产量 456 731郾 66总进尺 717郾 5 摇 摇 同时,对煤层硬度较大、矿山压力较小的综放工 作面,增加机采高度,采放比增大,矿山压力显现加 剧,有利于顶煤的破碎和顺利放出,从而提高顶煤的 放出率;且煤机割煤采出率整体大于顶煤放出率,加 大机采高度与顶煤放出率提高共同提高了工作面的 采出率。 主要技术指标淤 工作面支架移架速度达到 11郾 5 s/ 架,通过 50 000 次寿命试验,生产原煤 1 000 万 t 不大修;于 侧向自移式端头液压支架适应巷道 和工作面宽度变化,前推后拉与转载机同步前进,实 现不停机作业;盂 大采高综放工作面累计采出率达 91郾 6,最高达 92郾 1;榆 生产班内采煤机的开机率 2971 第 11 期任润厚等潞安矿区综放开采技术的研究与实践 平均为65郾 24;虞 自动化移架与推溜技术和放煤的 半自动化控制技术使工作效率分别提高了 29郾 6 和 57郾 9;愚支架自动补液技术使平均初撑力提高了 27郾 5,支架初撑力得到了保障;舆 工作面的工人数 量降至 16 人;余 形成了以综放沿空小断面留巷技术 和工作面分源治理瓦斯技术为特征的大采高综放开 采 J 型通风系统治理瓦斯涌出的关键技术;俞 工作 面最大粉尘浓度为 118 mg/ m3落煤,平均浓度为 36郾 4 mg/ m3。 5摇 结摇 摇 语 潞安矿区自 20 世纪 80 年代推广综采技术以来, 本着立足国产设备,提高综采装备水平和安全高效生 产的目的,在自主研发和创新的基础上,历经分层综 采、综放开采和大采高放顶煤综采等技术,高产高效 生产技术指标逐步提高。 其中综采放顶煤技术是由 潞安集团率先试验成功的厚煤层采煤技术,已经成为 我国厚煤层的主要开采方法之一。 2005 以来推广大 采高放顶煤技术,成功实施了大采高自动化综放开 采。 参考文献 [1]摇 段庆芳. 潞安矿区高度集约化生产技术[J]. 煤,1999,811- 5. 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