薄煤层（保护层）综合机械化开采的配套设备与工艺研究.pdf

1 薄煤层（保护层）综合机械化开采的配套设备与工艺研究 谢东海 1 苏明清2唐雄厚3 袁志刚1 肖建华2 （1 湖南科技大学能源与安全工程学院 湖南省湘潭市 411201；2 湖南省资江煤业集团有 限公司 湖南冷水江市 417500；3 湖南省煤业集团公司湘潭矿业有限公司，湖南省湘潭县 411231。 ） 摘 要在缓倾斜突出煤层群的生产中，如何保证在开采保护层后，能使其它煤层顺利进 行开采而不采取任何措施。湖南省资江矿业集团先后试验着将上部没有突出危险的 2 煤层 （0.8m 薄煤层）进行综合机械化开采，再采取综合机械化安全开采其它煤层，试验十年来 证明，开采上保护层能够有效解放下部多煤层，且能够高效、安全的进行下部煤层的开采， 为薄煤层（保护层）开采创下了较好的工程范例。 关键词薄煤层；综合机械化；设备；工艺；保护层 中图分类号TD823.97/TD823.251 文献标识码A 文章编号 Study on Equipment and Technology of the Comprehensive Mechanized Mining of Thin Coal Seam Protection Layer XIE Donghai1,SU Minqing2,TANG Xionghou3, YUAN Zhgangi1,XIAO Jianhua2 1.School of Energy and Safety Engineering,Hunan University of Seience and Technnology,Xiangtan 411201,China;2. Hunan Zijiang Coal Industry Group Co., Ltd. Lengshuijiang City, 417500,China;3. Hunan Coal Industry Group, Xiangtan Mining Co., Ltd.Xiangtan,411231, China Abstract In slowly inclined coal seams group of production, how to ensure that after the mining protective layer, can make the other smooth mining of coal seam and do not take any measures. Hunan Zijiang Mining Group has been testing the upper will not highlight dangerous 2 0.8 m thin coal seam comprehensive mechanization of coal seam mining, to take comprehensive mechanized mining coal seam, and other test ten years proves that the mining protective layer can effectively liberation on the lower coal seam, and able to efficient and safe for the mining of lower coal seam for thin coal seam mining protection layer hit a good engineering examples. Key Words thin coal seam; comprehensive mechanized; equipment; technology ;protection layer 湖南省资江矿业公司施茶亭井在进行改制后成为民营企业，年产 45 万吨/年。自 1975 年以来， 矿井共计发生煤与瓦斯突出 286 次， 其中突出强度最大为 4000 吨， 始突深度为 45m。 特别在改制后还发生过采空区的煤与瓦斯突出事故，死伤 20 多人。在发生这次事故后，企 业进行了认真的反思，在多次矿井开采会议上，由公司总经理最后敲定，先采没有突出危险 的 2 煤层（0.8m 薄煤层）[1]，为今后的 3、4 煤层的安全开采提供时间和空间上的技术支持， 在 2005 年开始就进行了这项工作，但当时还没有实行综采时，工作面推进速度较慢，没有 很好的解决工程上的问题，后来在湖南煤机厂的技术人员的支持下，研制了单滚筒采煤机、 薄煤层支架及相应的刮板运输机等薄煤层机械化[2 、3]进行试验后，逐步达到了安全、高效的 开采[4 、5]，为江南薄煤层开采提供了较为现实的典范。 1 煤矿基本条件 施茶亭井可采煤层的煤质和煤种 煤层灰分为 15.20 （3 煤～14.904 煤， 挥发分 5.93 2 煤～6.54 煤，含硫 0.73 煤～0.44 煤，发热量为 28.0MJ/㎏。属低灰、低硫、高发热 量的优质无烟煤，主要供动力用煤和民用煤 。 本井田属涟邵煤田冷水江矿区，矿井位于冷水江复式向斜面（不完整向斜）东翼南部， 整体呈一单斜构造。 地层走向为东西向， 倾向为南北向， 倾角 1025 度， 一般为 20 度左右。 井田构造为简单类型。 1614 钻孔揭露有一个断距为 9m 的断层， 其它未见大一级的断层 构造。 地层从上往下分别是第四系（Q） 、石炭系中上石炭统壶天群（C23） 、下石炭统梓门 桥组（C1Z） 、测水组（C1C）和石磴子组（C1S） 。矿井开采下石炭统测水组煤系。 从上往下分别为 1、2、3、4、5、6、7 共计 7 层煤。其中 2、3、4、5 煤可采，2、3 煤 为主采煤层，4、5 煤为局部可采煤层，1、6、7 煤为煤线，不可采。 2 煤层位于测水组下段上部。为本矿井主采层之一。厚度 0～1.80m，平均 0.8m.煤层 结构为简单～较简单。无突出危险。 3 煤层位于测水组下段中部或中下部，上距 2 煤层约 15m，为本矿井主采煤层。煤厚 0.49～4.24m，平均 1.90m，煤层结构为简单～较复杂，属较稳定煤层。属于突出煤层。 4 煤层仅资江区段发育，位于 3 煤层下约 3.43m，煤厚 0～3.0m，为局部可采煤层。 属于突出煤层。 5 煤层 位于 3 煤层下部约 2.80m， 发育于晓云井田 17 线～23 线和 15 线～16 线的浅部 以及 17 线～21 线的深部和资江区段浅部。煤层厚度 0～2.42m，一般 0.70～0.80m。为局部 可采煤层。属于突出煤层。 煤层为近距离煤层群。 2 煤层直接顶板为黑灰色砂质泥岩或细砂岩，厚 0.30～5.17m，本区岩性虽较完整， 但部分直接顶板为薄层砂质泥岩，一般随采随落，应属 2 级顶板。底板 为黑灰色之砂质泥 岩，遇水膨胀，底鼓严重。 3 煤层直接顶板一般为黑灰色砂质泥岩夹薄层细砂岩。厚 0.38～19.15m，一般随采随 落， 应属 2 级顶板。 底板岩性以浅灰～黑灰色细砂岩为主， 仅局部地段为砂质泥岩， 较稳定。 4、5 煤层直接顶板以灰～黑灰色细砂岩为主，局部为灰黑色砂质泥岩或粉砂岩，厚 0.63～7.38m。底板岩性为灰黑色砂质泥岩夹细砂岩，含菱铁矿结核，较稳定。 图 1 矿井煤层层厚、间距和岩性 根据湘煤安监函[2014]172 号，2014 年瓦斯等级鉴定结果矿井绝对瓦斯涌出量 19.32m3/min，相对瓦斯涌出量 27.1m3/t，属煤与瓦斯突出矿井。 根据湖南新化冷水江矿区晓云井田精查地质报告资料真空罐瓦斯煤样试验结果 自然瓦斯成分Ⅲ煤层最大瓦斯含量 17.73m3/t，Ⅴ煤层最大瓦斯含量 10.02m3/t。2012 年 3 月 13 日省煤安检测中心测定。 表 1 矿井煤层瓦斯参数测试结果 3 采样地点 3347 机巷 3527 工作面 3538 工作面 3723 工作面 3732工作面 吸附常数 a 44.28 36.12 36.46 37.99 37.03 吸附常数 b 1.71 9.024 5.366 2.151 2.71 孔隙率 F 11.76 7.69 6.1 6.17 5.26 视密度 ARD 1.5 1.56 1.54 1.52 1.62 水分 Mad（） 3.94 4.83 4.69 4.36 3.2 灰分 Ad（） 19.19 18.17 11.23 9.26 20.99 煤的紧固性系数（f 0.3 1.54 1.4 1.36 1.2 瓦斯放散初速度 （△P） 49 28 28 33 41 挥发分 Vdaf（） 4.66 5.29 6.02 4.1 5.91 真密度 TRD 1.7 1.69 1.64 1.62 1.71 根据煤炭工业湖南煤炭质量监督检验站 2005 年 11 月检测的检验报告煤字 （051198） 号、 （051199）号、 （051200号的结论；湖南资江煤业集团有限公司主采的Ⅱ煤层、Ⅲ煤层、Ⅳ 煤层均无煤尘爆炸性，煤层自燃倾向性等级均为不易自燃。 矿井原有开拓方式为平硐开拓。1986 年矿井进行第二次技术改造，在西站煤坪附近新 建了一个主斜井（箕斗提升） 。故矿井现开拓方式为斜井平硐综合开拓。现有井筒 4 个， 即 1 个主斜井，1 个平硐副井，2 个风井（5＃、7＃） 。 矿井准采标高为220 ～ -400m。全矿井沿煤层倾向共划分为四个水平开采，即220～ 75m为第一水平； 75～-30m为第二水平； -30m ～ -200m为第三水平； -200m ～ -400m 水平为第四水平。其中第一、二水平已采完。现生产水平主要为第三水平，第四水平已开拓 至-320m 标高 。首采工作面 4322 工作面正在回采。 矿井共划分为 5 个采区，即 303、305、307、209、403 采区。现生产采区为 303、305、 307、403 采区；209 采区为开拓采区。 2 薄煤层（保护层）综合机械化开采配套设备及工艺 施茶亭井 4322 工作面采用走向长壁布置，风巷沿煤层走向按中线布置，工字钢支护； 机巷沿煤层走向按中线布置，主要采用锚网支护，部分压力大、顶板破碎区域采用工字钢加 固；切眼沿煤层倾向布置，支护采用综采液压支架支护。 1）设备配置 （1）采煤机主要技术参数 [6、7]。型号MG110/130-TPD 型单滚筒爬底板交流电牵引采煤 机； 适应采高0.52～0.85m； 截深 0.63m； 截割电机功率 255KW,牵引电机功率 18.5KW； 牵引速度 0～5.85m/min； 牵引方式 机载式交流变频调速爬底板式有链电牵引； 机面高度 410mm；降尘方式内外喷雾；供水量80L/min；供水压力2.5MPa；重量11t。 （2）液压支架主要技术参数 [8]。型号 ZY1800/0.7/14 ；数量90 架；支撑高度 0.7～ 1.4m；支撑宽度1.2～1.25m ；初撑力1377KN；工作阻力1800KN；支护强度 0.24Mpa-0.34Mpa；底板比压1.13Mpa-1.44Mpa；最小外形尺寸45631430550mm；重 量4900Kg；推溜力/拉架力26.5/121KN；泵站最大压力31.5Mpa。 4 2---液压支架 3---刮 板 机 4---端头支架 5---转 载 机 1---采 煤 机 1 2 3 5 BB4 c c D D 1000 1235678910 ①②③⑤⑥⑦ ⑧⑨⑩ ④ A-A B--B C--C.D--D 3200 最大控顶距 图 2 工作面支架布置图 （3）运输设备。工作面刮板运输机型号SGB620；电机功率55KW；运输能力100t/h ； 链速 0.9 m/S；中间槽尺寸1250680190mm。机巷刮板运输机型号SGD-320/17B；电 机功率17KW； 运输能力40t/h； 链速0.59m/s； 中间槽尺寸1200320156mm。 铺设长度 40 米；带式输送机型号DTL50/10/22;电机功率22KW；运输能力100t/h；带速1.6m/s。 2）工作面回采工艺 该工作面采用单一走向长壁后退式采煤法。采用 MG110/130-TPD 型“右向”单滚筒爬底 板交流电牵引采煤机落煤。采用采煤机滚筒旋转自装为主，人工收浮煤为辅的方法。工作面 采用 SGZ620 刮板运输机将工作面煤炭运至机巷 17电溜子，由机巷一台带式输送机将煤炭 运至-239 石门，经溜煤眼将煤下放到-249 运输大巷，至 403 皮带运输上山带式输送机再运 到-200 煤仓，最后由主斜井提升机运至地面。 根据煤层赋存条件和 MG110/130-TPD 型单滚筒爬底板交流电牵引采煤机以及 ZY1800/07/14 型掩护式液压支架的各项条件，确定工作面采高 0.8m；当煤厚低于 0.8 m 时， 必须采用割底的方法使采高达到 0.8m；当采高大于 1.1m 时，必须采用留顶煤开采。 采用支架推移工作面运输机，推移步距 0.6m，弯曲段长度不小于 15m。 （1）采煤机向下（上）端正常割煤时，按照自上（下）而下（上）的顺序，依次推 移刮板运输机，距离至采煤机滚筒不小于 15m。 （2） 在采煤机向上 （下） 进刀切入煤壁达到规定截深后， 将工作面运输机按自下 （上） 而上（下）的顺序推向煤壁，成一直线。 采煤机进刀、割煤采用缺口直接推移机组，从上、下缺口牵引式进刀，双向割煤，截 深 0.6m。上、下超前缺口采用爆破落煤。 工作面用 MQS-45/1.4c 风煤钻打眼，炮眼布置为三花眼，眼深 1.2m，用三级煤矿许用 炸药爆破，毫秒延期电雷管 1～5 段起爆，正向爆破，串联连线。爆破时严格按煤矿安全 规程第 315～342 条中与爆破操作相关规定及公司相关规定执行。采用正向装药。装药时 先装炸药，后装引药，然后装水炮泥，水炮泥外严格按煤矿安全规程第 329 条用粘土炮 泥封孔。爆破时必须严格按煤矿安全规程第 324-342 条执行。 3 工作面综采效果 4322 工作面各工种既分工又协同作业的组织形式，工作面分成打眼、落煤、扒煤、支 护、回柱放顶等若干个工作小组。 “三八”作业制，即每小班工作八小时。三班采煤，插 班开机窝。工作面采取一日两循环，日循环进度 2.0m。具体工作面的劳动组织、工作面循 环作业及主要技术经济指标分别见表 2、表 3、表 4。同时，在 4322 工作面开采完成后， 5 其下部煤层得到了充分的解放，在开采下部各煤层时，均未采取防突措施，取得了高产、 高效的效果 [9、10]。 表 2 劳动组织表 工 种 一班 二班 三班 合计（人） 班长 2 2 2 6 采煤司机 2 2 2 6 移架工 2 2 2 6 上、下出口 6 6 6 18 电溜子及皮带机司机 3 3 3 9 扫煤工 5 5 5 15 合计出勤人数（人） 17 17 17 60 合计在册人数（人） 23 23 23 69 表 3 工作面循环作业图表 班 次 时 间 8 910 11 12 1314 1516 17 1819 20 21 22 23 01 23 45 6 7 8 中 班夜 班 早 班 10080604020 工作面长度（m 120 图 例 割煤、移架、移溜斜切进刀 循环作业图表 表 4 主要技术经济指标表 序号 指标名称 单位 数量 序号 指标名称 单位 数量 1 倾斜长 M 120 12 月循环率 100 2 走向长 M 385 13 回采率 97 3 容重 T/m 3 1.55 14 月产量 T 10500 4 煤厚 M 0.6～0.9 15 回采工效 T/工 152.1 5 采高 M 0.8 16 雷管消耗 发/万吨 556 6 倾角 20 17 炸药消耗 Kg/万吨 111 7 可采储量 万吨 5.39 18 在册人数 人 69 8 煤种 无烟煤 19 出勤人数 人 60 9 日循环数 个 6 20 出勤率 85 10 循环进度 M 0.6 21 可采期 月 5 11 循环产量 T 89 6 图 3 4322 工作面示意图 4 主要结论 1）以 2 煤（0.8m 薄煤层）作为保护层进行开采后，能够有效地解放下部各煤层，因此， 在下部 3、4 煤层开采过程中不要采取任何防突措施，为矿井开采突出煤层进行较好的区域 防突。 2）在薄煤层进行开采过程中，自制“三机” （采煤机、支架、运输机）在本矿井地质条 件下，较好地解决了矿井薄煤层开采的难题，较原有的爆破采煤，大大提高了工作面的推进 速度，做到了安全、高效的开采薄煤层。 3）在薄及复杂煤层的综采中， “三机”配套是大大提高在该类煤层的生产效率的根本， 为此，在该类煤层的生产中一定要量身定做“三机” ，且要配套，为薄煤层安全、高效开采 提供有力的技术保障。 4）在“三机”配套的同时，必须有较为合理的人力资源配套，已使人力资源与“三机” 发挥最大的效益。 参考文献 [1]国家安全生产监督管理总局,国家煤矿安全监察局.防治煤与瓦斯突出规定[M].煤炭工业 出版社，2009. 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