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葛泉矿急倾斜煤层综采技术实践 王 社 平 河北金牛能源集团有限责任公司,河北 邢台 054000 摘 要介绍了葛泉矿在急倾斜煤层条件下,通过对该条件下应用液压支架的受力分析,对支架、 采煤机进行相应的技术改造,采取了多项防滑措施,成功地实现了综合机械化开采。 关键词急倾斜煤层;综采技术;液压支架 中图分类号TD8231213 文献标志码 B 文章编号 0253 - 2336 2006 06 - 0036 - 05 Practice on fully mechan ized longwall coalm in ing technology in steep inclined seam of Gequan M ine WANG She2ping Hebei Jinniu Energy Group Company Ltd. , Xingtai 054000, China 急倾斜煤层高产高效机械化开采工艺一直是困 扰采煤行业的技术难题。急倾斜煤层由于赋存条件 的特殊性,目前国内外一般都采用台阶式、俯伪斜 走向长壁开采以及仓储法等方法开采,这些采煤法 都不同程度地存在煤炭采出率低、劳动强度大、作 业条件差、效率低等弊端。 当前急倾斜煤层长壁综合机械化开采的关键技 术难题有①对顶板的有效控制;②采煤机爬 坡、割煤、运行的有效控制;③采煤机、支架、 刮板输送机等设备下滑等。葛泉矿南翼靠近南部边 界处有2个区段,煤层倾角为30～55,平均达 45以上,平均煤厚2171 m,储量约164万t,属急 倾斜煤层,为此,葛泉矿在1521工作面开展了急 倾斜煤层倾角35～55综采技术的应用,取得 了良好的效果。 1 综采面概况 111 地质条件概述 1521工作面位于葛泉矿南翼,工作面受F505 断层影响分为内外2部分,如图1所示。总体上 看,工作面倾角里缓外陡。里段倾角在32～46, 平均38,煤厚平均218 m,可采储量1716万t。 工作面外段切眼沿断层走向布置,工作面倾角38 ～55,平均45,局部最大倾角为55 。煤厚平均 216 m,可采储量1613万t。工作面的围岩具体情 况见表1。 图1 1521工作面巷道平面布置 表1 1521工作面围岩性质 顶底板 名称 岩石 性质 厚度/ m 岩性特征 基本顶中砂岩6118 灰白色,中粒结构,中厚层状,以 石英、长石为主,含少量暗色矿物 直接顶 泥质粉砂1171 灰色细粒结构,致密具水平层理 伪 顶粉砂岩0～0150 灰黑色,厚度不大,发育不稳定, 硬度不大 直接底粉砂岩6180 黑色,灰黑色,局部夹细砂薄层, 中厚层状 基本底中砂岩4106 浅灰白色,成分为石英,长石及暗 色矿物 112 工作面与两巷道设备布置 工作面四周为实体煤,工作面两巷均沿煤层走 向布置,运料巷沿边界煤柱布置;运输巷外段平行 运料巷布置,里部根据煤层倾角的变化情况,适当 63 第34卷第6期 煤 炭 科 学 技 术 2006年6月 调整运输巷方位,以保证工作面斜面长基本相等。 工作面巷道支护采用锚杆与锚索联合支护方 式。工作面及运输巷主要设备配置见表2。 表2 工作面及运输巷主要设备配置 设备名称规格型号数量功率/kW 液压支架ZY3200/13/2867 采煤机MXG - 150 /350D1350 刮板输送机SGZ - 630/2201110 转载机SGZ - 75175 带式输送机SDJ - 1501150 乳化液泵MRB - 3115/125175 卡轨车K WGP - 60/600J155～110 2 液压支架稳定性分析 大倾角开采条件下,能否有效控制顶板是实现 安全开采的技术关键,主要表现在工作面支架的防 倒和防滑上。 211 支架系统的抗倒稳定性分析 如图2a所示,液压支架的顶梁接顶时受到的 压力为 p 合力为P ,支架自重W,上下邻架间 的相互挤压力为Ps和Px,初撑力 q 合力为Q , 底板反力R作用下处于平衡状态。在大倾角工作 面,由于支架自身重量及施加于支架之上顶板的变 形过程中推力作用,支架在工作过程中移架 必然会出现沿工作面倾斜方向支架横向不规 则倾倒现象。此时支架所受合力作用点可能要偏出 支架下边缘,导致支架倾倒。由对旋转点的力矩平 衡可求得支架稳定的判据。 图2 工作面液压支架抗倒与抗滑示意 葛泉矿采用ZY3200 /13/28型双柱掩护式液压 支架,如果不另加必要的防倒装置,单个支架是不 能够满足大倾角煤层的稳定要求的。为满足液压支 架抗倒稳定性的要求,通过将工作面下端头的前三 架连接在一起,成为一个整体,同时前三架的稳定 也是工作面其它支架稳定的基础,在整个工作面起 着极其重要的作用。 212 支架系统的抗滑稳定性分析 如图2b所示,支架在重力W和顶板压力P作 用下,有沿底板坡度下滑的趋势,保证它不下滑的 条件是抗滑力大于等于滑动力,在工作面顶底板对 支架的约束下,可得 Fkh [ W 2 P cosα2Q ]μ≥ Fh W Psinα Ps- Px 式中,Fkh为防滑装置给于的抗滑力;Fh为液压支 架下滑力;μ为支架底座与煤岩的摩擦因数。 支架仅在自重作用下的抗滑安全条件为 Wμcosα≤Wsinα,即tanα≥ μ 。 根据统计与实验数据,支架与煤层顶底板之间 的摩擦因数一般为01222～01819,相应的下滑临 界倾角为1230′ ～3920′ 。分析支架在计算的工作 阻力和移架时2种条件下支架滑移情况可以得到, 支架在计算的工作阻力时,支架对顶板的初撑力在 顶板与顶梁之间产生足够大的摩擦力,能够满足支 架自身抗滑的需要,在移架时,支架在自重作用下 发生滑移,此时支架需要依靠额外的防滑力,即侧 推千斤顶等设备,并借助于下侧的稳定支架,保证 支架在卸载移动过程中所需要的稳定条件。 3 综采工作面配套设备改造 311 液压支架改造 根据实际岩层条件与相关经验,选用整体顶梁 两柱掩护式液压支架,型号为ZY3200 /13 /28型。 为了适应大倾角开采的需要,对支架进行了相应改 造,安装防倒防滑装置。重点是前三架的防倒防 滑。具体措施为 1前梁连锁。在支架前梁设计防倒装置, 三架为一组,连成一体,形成组架。 2底脚连锁。在支架推移调底装置上焊接 连接销,用千斤顶和转向节连接,设置防滑装置, 三架相互连接成一组。 3前四连杆连锁装置。防滑千斤顶固定在 第三架的四连杆上,另一端用 22 mm86 mm大 链与第一架的四连杆连接。 4后座防滑。在支架后座设置倒链筒,用 22 mm86 mm大链和千斤顶连接把第一架和第 三架连起来。 5采用邻架操作,上架操作下架。每组防 73 第34卷第6期 煤 炭 科 学 技 术 2006年6月 倒防滑装置在原有一个备用阀片基础上增加2组 阀。 312 采煤机技术改造 该面装配的采煤机为MXG - 150/350D型电牵 引采煤机,采用多电机驱动,电机横向布置,电磁 滑差调速无链双驱动电牵引,总装机功率350 kW。 适用倾角不大于30的中厚煤层综采工作面,但是 要用于倾角30～55 的大倾角煤层时,采煤机遇到 的问题是上行的牵引能力,下行时的稳定运行和制 动能力等,为此对采煤机进行了相应改造。 1牵引电机的改造。改进YBCTS2215 - 4A 电磁调速电机,改造后牵引电机在输出轴上增加电 气制动闸,在动力制动时提供制动源,以实现动力 制动。并改测速电机为轴编码器测速,可减少电气 元件,提高测速精度。 2过负荷保护的改进。改造前通过花键轴 扭矩槽实现保护,但在特大倾角工作面上运行时, 为防止发生花键轴断裂后,液压制动闸将无法对采 煤机进行制动,造成采煤机失控,将花键轴改成实 心轴,并在牵引电机负荷侧增加实时监测,当实际 负荷电流大于111倍额定电流时,监测信号反馈到 PLC,PLC输出信号停止牵引,达到保护采煤机目 的。 3电控系统的改造。为增加动力制动功能, 优化控制系统结构,进行电控系统的改造,实现采 煤机动力制动,控制采煤机牵引速度。 4 回采工艺及工作面三机防滑措施 411 回采工艺 工作面采用上端头斜切进刀,进刀处工作面刮 板输送机弯曲段长度不小于15 m。因该工作面倾 角较大,机组采用下行单向割煤、上行装煤,单向 上行移刮板输送机,为防止刮板输送机下滑,往返 一次割一刀。在机组下行割煤的同时支架下行分 段、段内上行移架,如图3所示,分段点为安装档 矸栏的支架,段长10架左右。移架操作距采煤机 上滚筒的距离不大于5架。机组从机头向机尾跑空 刀装煤,跟机移刮板输送机至机尾。移溜点距采煤 机下滚筒15 m。 412 三机防滑措施 41211 支架防倒防滑 1工作面下端头前3架做为工作面支架防 倒防滑的稳固点,是最关键的环节。 图3 工作面移架工序 2机头前3架支架的移置方法先移端头 第二架,然后移第三架,最后移第一架。在移第一 架前,在该架下侧的顶梁、掩护梁及支架底座上打 斜撑单体支柱,单体支柱另一端顶在巷道下帮煤壁 上,煤壁侧的柱跟必须穿鞋,确保降移第一架时不 倾倒,不下滑。 3加强工作面第一架位置监控,以第三架 中为观测点,工作面从初采开始,每移完一次架, 由专门人员负责观测机头第三架中心线距运输巷中 心线距离和移架步距,发现问题及时处理。 41212 工作面中部支架防倒防滑 1工作面支架侧护板每3架必须留有150 mm的间隙,移架必须注意调整支架的中心距,防 止挤、咬、倒架现象。 2中部每次移架,支架工必须先看支架与 刮板输送机的位置是否垂直 , 利用侧护和底调 及时调整支架位置。 41213 工作面刮板输送机防滑措施 1工作面采用单向下行割煤,单向上行移 刮板输送机方式,以防止输送机下滑。 2移机头前,在机头正前与下帮煤壁之间 打一斜撑单体支柱,防止输送机下滑。 3每5架在支架底座和工作面输送机之间 安一套配双向锁的液压防滑设施。除移动固定防滑 设施的支架外,防滑设施要经常保持拉紧状态。 4除使用机械防滑外,同时采用工作面机 头超前机尾一定量的伪斜推进,超前量以10 m左 右为宜。 41214 机组防滑 1加强机组的检修维护,保持机组工作防 滑和事故防滑功能的灵敏可靠,防止机组失控下 滑。 2机组司机严格控制机组上下行速度不超 过2 m /min。 83 第34卷第6期 煤 炭 科 学 技 术 2006年6月 3机组上行装煤时,及时移刮板输送机, 机组与移刮板输送机之间距离不超过15 m。 4机组抱闸要时常保持完好。 413 支架防倒防滑操作 首先前移第二架,移第二架时以第一架侧护板 为导向,同时收紧前梁防倒和底脚防滑千斤顶,边 拉边放,到位后,升紧支架。第二架到位后,拉第 三架,以第二架侧护板为导向,调整第二架底侧调 千斤顶顶住第三架底座,辅助推移杆,前移第三 架,到位后,升紧支架。然后前移第一架,移架时 收紧前梁防倒和底脚防滑千斤顶,同时收紧连在第 三架后座防滑千斤顶及前四连杆防滑千斤顶,使第 一架紧挨第二架前移,到位后,升紧支架。 414 防护网安全措施 为了防止工作面煤块、矸石滚落伤人,利用支 架现有结构设计制作了5套刚性防护网。为了避免 滚落渣块产生的冲击力太大而撞坏刚性防护网,同 时设计制作了5套柔性防护网。刚性和柔性防护网 均吊装在支架顶梁上,并交叉布置。 5 工作面矿压显现特征 为全面了解和掌握大倾角工作面矿压显现规 律,确定工作面支架工作阻力的分布和变化规律, 为支架合理工作阻力的确定、评价支架在大倾角煤 层条件下的适应性提供科学依据,生产中沿工作面 布置了3条测线,采用圆图压力自记仪,连续观测 整个开采过程中支架载荷的变化,并在上下巷内分 别布置2个测站,进行巷道变形观测。经观测工作 面矿压显现特征如下 511 回采工作面矿压显现的一般特征 1几乎所有支架呈现增阻工作状态,工作 面支架平均初撑力为1 51713 kN,平均工作阻力为 2 04813 kN,为额定工作阻力的64;支架的性能 能够满足要求。 2沿工作面全长,支架载荷的分布特点为 工作面两端压力小于中部压力,下端压力小于上端 压力。 3工作面周期来压不明显。从整个工作面 来看,工作面周期来压步距介于9～17 m,平均周 期来压步距为1118 m,未来压时支架载荷1 96112 kN,来压时支架载荷为2 69214 kN,来压时动载 系数为1138。 4工作面不同位置周期来压的表现具有比 较大的差异,相比较而言,工作面两端的周期来压 显现要弱于工作面中部。周期来压时,工作面下端 的支架载荷为2 160～2 900 kN,上端为2 080～ 3 000 kN,动载系数1115～1143;而中部来压时, 支架载荷为2 670～3 160 kN,动载系数为113～ 1166。 512 工作面上、下巷矿压显现规律 1巷道的总变形量较小。从巷道变形的平 均值来看上、下平巷最大的顶底板移近速度为1 和3 mm /d;上、下平巷两帮最大累计移近量为40 和200 mm。 2工作面上、下平巷相比,上平巷的稳定 状况要优于下平巷,其顶底板移近量、顶底板最大 移近速度、两帮累计移近量、断面缩小变形率均小 于下平巷的相应值。 3在工作面前方约45～50 m处,由于移动 支承压力的影响,巷道开始产生变形,但至工作面 前方30 m处,无论是顶底板或两帮,围岩煤 的移近量均非常小,变形速度亦很小。而后开始显 著增加,到工作面前方12 m左右处,巷道的顶底 板移近速度和两帮移近速度急速增加,这与工作面 前方支承压力分布规律吻合。 6 技术效果及认识 611 技术效果 1通过系统的理论研究、数值计算、模拟 试验、设备选型与改造、工艺创新、现场工业试 验,解决项目研究中的关键问题,成功地攻克了急 倾斜煤层走向长壁综合机械化开采的技术难题,在 煤层倾角30～55平均达45的条件下应用走 向长壁综合机械化开采,取得了高产、高效、高资 源采出率的效果,为该类煤层的采煤方法进步提供 了宝贵的经验。 2通过项目研究,取得了显著的经济效益。 急倾斜条件下煤炭资源采出率同炮采相比提高了 14。 3形成了30～55倾角煤层安全、高效综合 机械化开采成套技术,最高月产达到7万t,大幅 改善了急倾斜煤层开采的安全条件和降低了劳动强 度,社会效益显著。 612 几点认识 1通过对工作面下部支架连成组架 3 个支 架成一组、对采煤机进行技术改造、支架与刮板 93 第34卷第6期 煤 炭 科 学 技 术 2006年6月 输送机相互锚固成功地解决了急倾斜煤层工作面设 备的防倒防滑问题。在正常的顶板压力作用下,工 作面支架能够保持稳定状态,不产生滑动。 2通过对采煤机的牵引、制动、过负荷保 护等改造, MXG - 150 /350D型电牵引采煤机能够 适应最大倾角达55的煤层的采煤需要。 3采用上端头斜切进刀,下行单向割煤方 式,自上而下分段一般10架一段、段内自下 而上的移架方式是适应急倾斜煤层开采的合理回采 工艺。 4移架过程是支架最易倒架和下滑的时候, 要在此过程中采用综合的防倒防滑措施,可有效地 解决支架与设备的防倒防滑问题。 5急倾斜煤层工作面回采中,工作面中部 压力较大,下端压力小于上端压力。 参考文献 [1] 石平五,高召宁 1 急倾斜煤层开采围岩与覆盖层破坏规律 [J ].煤炭学报, 2003 2. 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