薄煤层安全高效开采成套装备研发及应用.pdf

第3 7 卷第9 期 2 0 0 9年 9月 煤 炭 科 学 技 术 Co a l S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y Vo 1 _ 3 7 No ． 9 Se pt ． 2 0 0 9 薄煤层 安全 高效开采成 套装 备研发及应用 王 国 法 天地科技 股份有 限公 司 开采装备技术研究所 ，北京1 0 0 0 1 3 摘要 提 出了基于滚筒式采煤机的薄煤层开采成套装备技术、基于刨煤机的薄煤层 自动化工作面 成套装备技术和含硫化铁结核硬夹矸薄煤层机械化开采成套装备技术 3种 薄煤层安全高效开采模 式，分析 3种模 式的适应性，并介绍 了其应用情况。 关键词 薄煤层；高效开采；成套装备 中图分类号T D 8 2 3 ． 2 5 1 文献标志码 A 文章编号 0 2 5 3 2 3 3 6 2 0 0 9 0 9 0 0 8 6 0 4 De v e l o p me n t a nd Ap pl i c a t i o n o f Co mp l e t e d S e t Eq ui p me n t f o r S a f e t y a n d Hi g h Effi c i e nt M i n i ng i n Th i n S e a m W ANG Gu o ． f a R e s e a r c h I n s t i t u t e o fMi n i n g E q u ip m e n t a n d T e c h n o l o g y ，T i a n d i S c ie n c e a n d T e c h n o lo g y C o m p a n y L t d ． ，B e ij i n g 1 0 0 0 1 3， C h i n a Abs t r a c tTh e pa p e r p r o v i de d t he t h r e e t h i n s e a m s a f e t y a n d h i g h e ffic i e n t mi n i n g mo d e s，s uc h a s t he c o mp l e t e d s e t e qu i pme n t a nd t e c h n o l o g y f o r t he c o al mi ni ng i n t h i n s e a m ba s e d o n t h e d o ub l e d r um c o a l s he a r e r，t h e c o mp l e t e d s e t t e c hn o l o g y f o r t h e a u t o ma t i o n c o a l mi n i n g f a c e i n t h i n s e a m b a s e d o n t h e c o a l p l o u g h a n d t h e c o mp l e t e d t e c h n o l o g y a n d e q u i p me n t for t h e me c h a n i z e d c o al mi n i n g i n t h i n s e a m wi t h p y r i t e n o d ul e ha r d p a r t i n g．The pa p e r a n a l y z e d t he s u i t a b i l i t y o f t he t h r e e mo d e s a nd i n t r o du c e d t he a p p l i c a t i o n s o f t h e t h r e e mo d e s ． Ke y wo r dst hi n s e a m；h i g h e ffic i e nt mi n i n g s he a r e r；c omp l e t e d s e t e q u i p men t 我 国 1 ． 3 I l l 以下薄煤层储量约占全 国煤炭总储 量的 2 0 ％ ，仅国有煤矿薄煤层储量就有 6 1 ． 5亿 t 以上。8 5 ％以上的矿区均赋存有薄煤层 ，薄煤层资 源不仅分布广泛且大多为优质煤 ，四川 、山东 、黑 龙江等矿区薄煤层储量 均超 过 5 0 ％。薄煤层开采 作业空间狭小 ，通风安全保障难度大，是 国内外重 大开采技术难题 。长期以来许多矿区大量弃采薄煤 层 ，造成煤炭资源的严重浪费和开采失衡 ，成为制 约煤矿生产接续和可持续发展的突出矛盾。近几年 来 ，随着煤炭工业的发展，煤炭企业对薄煤层资源 的开采越来越重视 ，纷纷投入力量进行薄煤层开采 成套装备技术的研发和应用。 天地科技股份有限公司与兖矿集团，铁法煤业 集团等企业合作 ，针对不同薄煤层赋存条件 ，开发 了基于滚筒式采煤机 的薄煤层开采成套装备技术 、 基于刨煤机的薄煤层 自动化工作面成套装备技术和 含硫化铁结核硬夹矸薄煤层机械化开采成套装备技 术 ，广泛适用于 0 ． 8～1 ． 3 IT I 各类薄煤层的开采。 1 基于滚筒式采煤机薄煤层开采成套装备 由滚筒式采煤机、刮板式输送机和液压支架组 8 6 成的薄煤层综采机组如图 1所示。薄煤层综采机组 的突出技术难点是采高低 ，作业空间狭小 ，要求采 煤机机身高度低 ，过煤空间和装机功率受到严重制 约 ，难 以提高 ；液压支架最小高度低 ，伸缩比要求 大 ，架问通道要求尽可能大 ，工作面 自动化程度要 求高。基于滚筒式采煤机的薄煤层开采成套装备主 要技术参数如下 MG MG 1 0 0 ／ 2 3 8一WD型电牵 引采煤机 装机功率／ k W 2 3 8 机身高度／ m m 5 8 0 适应采高／ m m 7 5 0～1 2 5 0 MG 21 2 5 ／ 5 5 6一WD型电牵 引采煤机 装机功-／ k W 5 5 6 机身高度／ mm 8 9 0 适应采高／ ra m 1 1 0 0～ 2 2 0 0 Z Y 4 0 0 0 ／ 6 ． 5 ／ 1 7 D型液压支架 工作 阻力／ k N 4 0 0 0 最小高度／ mm 6 5 0 适应采高／ mm 8 0 0～1 6 0 0 S G Z 8 0 0 ／ 6 3 0 A矮型刮板输送机 装机 功率／ k W 6 3 0 槽帮高／ mm 2 7 5 天地科技股份有限公司上海分公司研发出双截 王国法 薄煤层安全高效开采成套装备研发及应用 2 0 0 9年第 9期 割电机并行布置大功率截割部技术和非机载四象限 变频调速系统技术 ，采用多 电机驱动 ，双截割电机 横 向布置在摇臂上 ，悬挂在采空侧 。摇臂与机身通 过销轴铰接 ，没有动力传递 ，截割反力 、调高油缸 支承反力与牵引的反作用力均 由牵引减速箱箱体承 受 ，既可以提高截割功率 ，又尽量小地 占用过煤空 问，实现机身高度最小 。优化整机结构 ，开发研制 成功 MG1 0 0 ／ 2 3 8一WD，MG N 1 3 2 ／ 3 1 6 WD，MG 2 1 0 0 ／ 4 5 6一WD，MG 21 2 5 ／ 5 5 6一WD 和 M G 2 1 6 0 ／ 7 1 0一 WD系列滚筒 式薄 煤层 电牵 引采 煤机 ， 满足 0 ． 8～1 ． 3 m 薄煤层工作面配套要求 。充 分利用输送机铲板上方的空间来布置截割 电机等大 尺寸结构 ，降低 了电机直径对机身厚度 、过煤空间 等的影响。采煤机采用了截割 电机纵向布置 、牵引 电机横 向布置这种新型的总体结构布置方式 。采煤 机左右截割部与机身 包括左右牵引箱 、电控箱 无动力传递 ，各部件独立 ，传动可靠性高 ，维护方 便 。如图 1 所示 ，牵引箱内大直径结构 ，截割部 内大直径结构都布置于铲煤板上方的空间，调高油 缸也利用该空间布置。 图 1 薄煤层滚筒采煤机 综采机 组 研制成功①扁平圆环链、矮型整体铸造槽帮 等新结构 ；②与薄煤层工作面配套的矮型刮板输送 机 ；③基于单进液 口双伸缩大伸缩 比立柱 的薄煤层 电液控制液压支架 ；④板式整体顶梁 、板式推移机 构、双连 杆双 平 衡 千斤 顶 叠 位 布置 等 新 结构 和 Q 9 6 o等级高强度新材料 、新 工艺；⑤ 突破液压支 架工作阻力决定的最小高度的极限，研制最小高度 0 ． 6～1 ． 0 m 的系列薄煤层液压支架 ；⑥具有 自主 知识产权的国产薄煤层液压支架电液控制系统。 基于滚筒式采煤机的薄煤层开采成套装备对煤 层赋存条件 的适应性较好 ，可适应各种不稳定复杂 条件下的薄煤层及薄与中厚变化煤层的开采 ，也能 适应4 5 。 大倾角薄煤层的开采。因此 1 n l 以上薄煤 层大多采用滚筒式采煤机组开采。但是 ，薄煤层开 采采煤机滚筒直径小 ，挖底量小 ，装煤效果一般较 差。近年来 ，兖矿集团、四川华蓥山广能集 团等矿 区 4 0多个矿井广泛推广使用基于滚筒式采煤机的 薄煤层开采成套装备开采薄煤层 ，取得 良好效果。 2 基于刨煤机薄煤层开采成套装备 由刨煤机 、刮板输送机、电液控制液压支架和 电气 自动化控制系统设备 4大部分组成的刨煤机综 采机组如图 2所示 ，配套设备主要技术参数如下 G H93 8 V e ／ 5 ． 7滑行刨煤机 装机功-／ k W 适应采高／ mm 刨速／ m - s P F 2 ． 3 0 ／ 7 3 2刮板输送机 刨头轨道 装机功率／ k w 适 应采高／ m m B H 3 8 ／ 2 4 0 0滑行刨煤 机 装机功 -／ k W 适应采高／ mm 刨速／ n fl s Z Y 4 0 0 0 ／ 0 6 ／ 1 6 ． 5 D型液压支架 工作阻力／k N 适应采高／ mm 24 00 7 5 0 ～1 8 0 0 0 ． 9 6～1 ． 7 6 2 4 o o 7 5 0～l 8 0 0 2 4 0 0 1 o 0 0 2 0 0 0 0． 8 8 ／1 ． 7 6 4 0 0 0 8 0 0 ～1 5 0 0 图2 薄煤层刨煤机综采机组 大功率滑行式刨煤机是 目前刨煤机发展的主要 方向 ，刨煤机 是薄煤层工作 面刨削煤层 的动力设 备 ，由刨头和回采工作面两端驱动装置及无极牵引 链组成 。装备刨刀后的刨头在无极链 的牵引下 ， 沿刮板输送机上的刨头运行轨道 自动往返滑行刨削 煤壁 ，使煤层呈片块状落下。通过安装不同加高刨 刀座和刨刀架 ，一般可适应 8 0 0～1 6 7 5 n l 采高 。 刨头运行轨道与刮板输送机一体，既是刨头的 运行导轨 ，又 是工作 面煤块 着落 、连续运煤 的装 置 。由中间标准运行轨道 、两端运行轨道、链条 、 刮板 、电缆槽 、调斜装置、锚 固装置 、机头和机尾 驱动装置组成 。沿工作面铺设 ，与运输巷转载机首 尾搭接。驱动装置是刨头的力源 ，位于回采工作面 的两端 ，分为机头驱动和机尾驱动 2部分 。主要 由 刨煤电动机 、刨煤链轮和刨煤减速器组成。刨头 中 装有清尘装置 ，可 自动清尘 ，确保刨链畅通无阻。 液压支架电液控制系统根据所确定的刨深 ，自 动完成刨头运行轨道 向工 作面推进方 向的定量 推 移 ，自动完成液压支架的降架 、移架 、拉架、升架 8 7 2 0 0 9 年第9 期 煤 炭 科 学 技 术 第3 7 卷 及对工作面顶板进行支护。刨煤机 自动化控制系统 技术关键是刨煤机驱动设备的正反向转动和转速的 切换 、刨头位置检测 、刨深定量控制 、自动喷雾降 尘 、多点应急控制 、检测与诊断技术。 自动化控制 系统根据工作面条件确定的回采参数 ，对刨煤机工 作面全部设备实现 自动化控制。刨煤机的刨深可根 据煤质硬度 、工作面倾角等多种因素确定 ，不同采 场 、不同工作面 ，甚至一个工作面的不 同区段可以 设定不同的刨深。 自动化刨煤一般采用重叠或混合方式。①采用 重叠方式时 ，刨头运行速度始终 比输送机链速快 ， 其速度 比变化于 2 1和 3 1之间。工艺过程如下 刨头从工作面一端至另一端快速运行刨煤 ；刨头接 近端头驱动部 约 1 5 m慢速运行刨削至工作面 端头；停刨 ，反向，在工作面端面端头完成刨煤过 程 ；刨头慢速 回到工作 面端头 ，完成端 头刨煤 过 程 ；刨头快速向工作面另一端运行 ，进行第 2刀刨 煤 。②采用混合方式时，刨头 由运输巷向回风巷运 行时 上行刨煤 ，刨头速度大于输送机链速 ，反 之 下行刨煤 ，刨头速度小于输送机链速。工艺 过程如下 刨头快速从运输 巷向回风巷运行刨煤 ； 刨头接近工作面端头驱动部 约 1 5 m ，慢速运行 刨削至工作面端头 ；停刨 ，反向，在工作面端面端 头反复刨削 2刀 ；刨头慢速 回到工作面端头 ，完成 端头刨煤过程 ；刨头快速 向工作面另一端运行 ，进 行第 2刀刨煤。 刨 头的运行状态有高 、低 2档 ，有一 L 行 机 头向机尾 和下行 机尾 向机头2个滑行刨煤方 向。刨头在运行过程中，头尾两电磁传感器将刨头 运行距离 以脉冲信号的形式传递给辅助控制器 ，系 统将其处理成刨头具体位置 ，供操作控制台显示。 在刨头经过 同步点时，系统 自动与 同步位置校准 ， 以确保刨头位置的准确性 。 当刨头运行至距机尾 1 0架 可设定 时，系 统要将刨头运行速度 由高速切换成低速 。刨头到达 终端停止位置时 ，系统收到传感器上 的停止信号 ， 自动停车。经过一段延时后 ，刨头驱动电机逆向启 动 ，由机尾向机头刨煤 即下行刨煤 ，与上行刨 煤不同的是下行刨煤只能低速运行 。 由于刨煤机综采机组机械传动系统简单 ，是 目 前实现工作面无人 自动化开采 的理想选择。德国某 些薄煤层刨煤机工作面基本 实现无人 自动化生产。 8 8 我 国铁法煤业集团与天地科技股份有限公司等单位 合作 ，采用引进 D B T刨煤机与国产液压支架等设 备配套 ，2 0 0 1年 5月开始在小青煤矿进行 了薄煤 层刨 煤 机 自动 化工 作 面 开采 工业 性 试验 ，采 高 1 ． 1 0～1 ． 3 5 I T I ，2 7 1 d生产煤炭 1 0 0 ． 6万 t ，平均 日 产 3 7 1 2 t ，最高 日产 6 4 8 0 t ，平均月产 1 1 ． 1 8万 t ， 最高月产 1 4 ． 2 6万 t ，实现工作面内准无人化生产。 这一试验成为采用刨煤机综采机组高效开采薄煤层 的示范 ，大 同、西山、晋城和沈 阳等矿区推广应用 刨煤机综采机组 ，实现工作面准无人安全高效 自动 化生产。但是 ，刨煤机综采机组对复杂、不稳定和 含硬夹矸薄煤层适应性较差 。因此 ，基于刨煤机的 薄煤层开采成套装备技术适宜在稳定 、中硬薄煤层 条件下推广应用 。 3 1 m以下含硬夹矸薄煤层开采成套装备 兖州和济北矿区 1 6和 1 7煤层主要为 1 r n以下 薄煤层 ，且最大特点是含有坚硬的炭质细砂岩夹矸 和黄铁矿结核。其中炭质细砂岩夹矸分布于煤层的 中下部 ，为条带状结构 ，沿煤层走向分布，厚度在 1 8 0 m lT l 左右 最大厚度达到 2 1 0 m m ，硬度较高 普氏系数f 7 ，赋存相对稳定 。黄铁矿结核在 整个薄煤层中都有分布 ，特点是分布广泛、位置随 机、硬度极高 厂 1 1 、体积较大 ，用滚筒式采煤 机和刨煤机都难以落煤。为实现此类含硬夹矸薄煤 层高效开采 ，兖矿集团北宿煤矿与天地科技开采设 计事业部等单位合作 ，研发 0 ． 8～1 m含硫化铁硬 夹矸薄煤层液压支架支护 ，炮采落煤 ，刮板输送机 运煤 ，对拉工作面开采系统模式 ；研发工作面快速 高效铲装、铲挡装置和摆杆式前后铰接底座四柱液 压支架 ；研发快速打炮眼施工工艺 、参数和机具 ， 实现年产百万吨原煤。 为达到年产 1 0 0万 t ，对拉工作面长度确定为 大于 2 5 0 m，爆破方案确定选用微差爆破 。试验 表 明，相对于瞬发雷管和毫秒延期雷管而言 ，毫秒 延期雷管起爆具有破碎能力强 、炸药单耗低、爆破 震动小 、一次起爆数量多等特点。爆破参数如下 一 次起爆 长度／ m ≤2 5 三花眼 炮 眼布置 采用三花眼 炮 眼间距／ m 1 ． 2 1 6煤 、1 ． 0 1 7煤 炮 眼深 度／ m 1 ． 3 1 6煤 、1 ． 2 1 7煤 水平夹角／ 。 8 5 峰盲仰俯角／ 。 5 王国法 薄煤层安全高效开采成套装备研发及应用 2 0 0 9年第 9期 炮眼距顶底 板距 离／m 0 ． 3 发爆器 F B M一1 0 0 起爆顺序 斜切式 ，每组 1 O炮 每孔装药量／g 顶 眼 3 0 0～3 3 0，底 眼 4 5 0～4 8 0 炮 泥堵塞长度／m ≥O ． 5 工作面支护及铲装运系统如图 3所示。 图 3 含硬夹矸薄煤层工作 面支 护示意 挡煤板材料选取阻燃高分子聚乙烯材料 ，挡煤 板几何尺寸的确定取决于以下因素。①挡煤板高度 应与煤层厚度相适应 ，以利于爆破气浪的扩散 ，同 时有效地挡住崩落煤炭。挡煤板过高或过低都会影 响爆破装煤效果。试验研究证明，挡煤板高度一般 为煤层 厚度 的 2 ／ 3为宜。由于煤层厚 度为 0 ． 8～ 1 ． 0 m，因此挡煤板搭接后的高度以0 ． 6～ 0 ． 7 m为 佳 。②挡煤板长度为 1 ． 5 m，使用时两块板搭接长 度应大于 2 0 0 mm，以防止挡煤板交接处被崩弯漏 煤 。③为了减少挡煤板在爆破落煤时所受的爆破冲 击力 ，应在挡煤板上设置若 干分布有序 的卸力孔 ， 以便爆破时降低挡煤板 的冲击强度。研究表明 ，卸 力孔 为 3 0 mm就 可 以满足 要求。④ 井下 实践 表 明，为了使挡煤板有足够 的能力抵御 爆破 冲击应 力 ，其厚度应不低 于 3 0 mm。⑤ 为 了便 于人员通 行 ，刮板输送机应在挡煤板间留有断空 ，初步确定 每 4～ 6个挡煤板 6～9 m处设一个安全出口。 炮采落煤后 ，一部分落煤 由挡煤板拦截在刮板 输送机上 ，通过刮板输送机直接运走 ；而输送机与 煤壁问的落煤则在推移输送机时 ，利用煤的 自然堆 积角 ，将煤挤落进输送机 内，由刮板输送机运走 ， 实现 自动铲装 的目的。铲煤板的设计主要兼顾了以 下 2个原则 防止铲煤板扎底 ；减少阻力 的产生。 铲煤装置主要技术参数如下 ①高度 铲煤板 的高度与刮板输送机槽帮高度保持一致 ，一是便于 安装 槽帮上沿与中板间距离较小 ，二是防止铲 煤机与槽 帮之间 出现 台阶 ，影 响装煤效果 。② 长 度 考虑到刮板输送机具有一定的可弯 曲性 ，铲板 的长度应小 于 中部槽 的长度。 由于 中部槽 长度为 1 5 0 0 mm，因而将铲煤板的长度确定为 1 4 6 0 m m。 ③铲煤板夹角 即铲煤板与竖直方向夹角。实践证 明 ，将铲煤板夹角设计 为钝 角可有效减小下插 角， 同时还能提高煤炭 的自装率 ，实践表明将铲煤板夹 角确定为 9 2 。 比较合理。④铲煤面采用 中间圆弧过 渡，中心线 以下 部分采 用 3 0 。 折 线 ，以减 少扎底 力；中心线 以上采用 4 5 。 ，中间部分圆弧过渡 ，铲 煤板下插角 1～ 2 。 ，改变了原来三角形结构 ，同时 随着铲煤板下部铲角变小 ，铲煤面圆弧过渡 ，也减 小了铲煤板铲入阻力 。目的是使铲煤板在铲煤过程 中受 到阻力的合力在 中心线以上产生一个与后部千 斤顶推力力矩相反的力矩 ，利用力矩的平衡 ，减少 扎底力 ，同时铲煤板下部铲角变小 ，也减小 了铲煤 板铲人阻力。⑤增加定量推进装置 ，一人操作控制 3 0 m，每次推进铲煤 1 5 0 m m，减少了人工 ，提高 了效率 ，同时也减小刮板输送机 的弯曲度 ，进一步 降低 了铲装过程中的运输阻力。 4 结 语 以上 3种模式 的薄煤层开采装备技术在 5 0多 个矿井推广应用 。根据不同矿井条件选择合理的开 采模式 ，确定液压支架和配套设备技术参数 ，并不 断完善薄煤层长壁 开采技术 ，不断提 高 自动化程 度 ，逐步建立了我国薄煤层长壁开采技术体系。薄 煤层资源是十分宝贵的不可再生能源 ，发展薄煤层 高效开采技术 ，是提高煤炭资源回收率 ，实现协调 开采可持续发展的重要技术途径。 参考文献 [ I ] 章立强 ．MG 1 0 0 ／ 2 3 8一WD 型薄煤 层 电牵 引采煤 机 的研制 [ J ] ．煤矿机 电，2 0 0 5 5 ． [ 2 ] 冉涛 ．MG 2 0 0 ／ 4 5 6型薄煤 层 电牵引采 煤机 [ J ] ．煤 矿开 采 ，2 0 0 5 1 ． [ 3] 周常飞 ．薄煤层 电牵引 采煤机大 功率截 割传动 部的研 制与 应用 [ J ] ．煤 矿机 电，2 0 0 5 5 ． [ 4 ] 王 国法 ，刘东财 ，刘加启 ．薄煤 层 自动化工 作面装 备技术 的发展 [ J ] ．煤 矿开采 ，2 0 0 1 4 ． [ 5 ] 蒲宝 山，徐亚军 ，王 国法 ，等 ．含硬夹 矸 薄煤 层高 产高效 工作面爆破参数 的研究『 J ] ．煤矿开采 ，2 0 0 5 1 ． 作 者简 介王 国法 1 9 6 0一，男 ，山东文登人 ，研究员 ，博 士生导师 ，现任煤 炭科学研 究总 院首席科学家 ，天地 科技开采装备 技术研究所所长，长期从事煤矿装备和支护技术的研究工作。T e l 0 1 0 8 4 2 6 2 0 1 6 ，Ema i l c c r i w 2 6 3 ． n e t 收稿 日期2 0 0 9 0 61 8 ；责任编辑张 扬 8 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