厚煤层大采高综采技术现状.pdf

煤炭工程 2 0 0 2年第 2期 ； ⋯ ⋯ ⋯ ’ ⋯ 厚 煤 层 大 采 高 综 采 技 ⋯ ．j ⋯ ⋯ ⋯ ， ⋯ ． 中煤国际工程设计研 究总院 刘 涛 现 状 摘要本文介绍 了厚煤层大采高综采工艺及设备的国、 内外现状、 工作面合理采高及液 压支架结构高度的确定等。 关键词 大采高综采采高 液压支架 中图分类号T D 8 2 3 ． 2 5 3 文献标识码A 1 国内现状 1 ． 1 综采 工艺 我国从 1 9 7 8年起 ， 从德国引进了 G 3 如 一2 0 ／ 3 7 型 、 G 3 2 0 2 3 ／ 4 5型等型号的大采高液压支架及相应 的采煤运输设备． 与此同时我国也开始研制大采高 液压支架和采煤机 经过十多年 的努力， 现已取得 了明显的进展。表 l 列举 了我国已进行试验 的部分 大采高一次采全厚综采工作面的煤层赋存特征及所 使用液压支架的主要技术特征。 一 些试验工作面采用国产大采高液压支架取得 了较好的效果。 1 9 8 4年西山矿务 局官地矿 1 8 2 0 2工作 面的 8 煤层使用 我国 自行研制的第一套大 采高综采设备 B C 5 2 0 2 5 ／ 4 7型支撑掩护式液 压支架、 M x A一3 0 0 ／ 4 ． 5 无链牵引采煤机， 进行 了大采 高一次采全厚综 采的工 业性试验 ， 井通过 了鉴定。1 9 8 6年邢 台矿务 局东庞煤矿使用 B Y A 3 2 9 2 3 ／ 4 5型国产掩护式液压 支架及与其相配套的大采高综采设备． 在 2 7 0 2工作 面进行 了工业性试验并取得 了成功 ， 以后又相继在 其它几个 回采工作面试用。在 上试验的基础上 ， 东庞煤矿与北京煤机厂合作 ， 进一步研制了最大采 高达 5 ． 0 m的 B Y 3 6 0 0 25／ 5 0型大采高液压支架 ， 井 于 1 9 8 8 年 8 1 0月在该矿 2 1 0 1 工作面进行了试验 ， 获得了较好的效果 。该矿 2 1 0 1 工作面， 走向推进长 度为 1 2 4 0 m， 工作面长 1 5 2 m， 开采 2号煤层 ， 煤种为 焦煤 ， 厚度为 4 ． 3～4 ． 8 m， 平均倾角为 l ， 煤层 赋存 稳定 ， 结构简单， 无夹石 ， 煤质 中硬。表 2列举 了东 庞煤矿在 2号煤层分别进行了大采高一次采全厚综 采和倾斜分层综采时 ， 两种 回采工作面所完成 的主 要技术经济指标对比情况 。 表 1 部分试验工作面煤层条件厦支架技术特征 4 维普资讯 2 0 0 2年第 2期 煤炭工程 裹 2 东庞矿 大采高综 采与分 层综 采工作面技 术经济 指 标对比裹 从表②中数据可 以看出， 大采高综采工作 面的 单产水平要 比同一煤层条件下的倾斜分层综采工作 面高出 1 ． 1 8 2 ． 6 2倍 回采工效则要 高出 0 ． 5 8 ～ 1 ． 丝 倍 厚煤层全厚整层综采与分层综采相 比， 具有下 列优点 ①工作 面产量和效率有大幅度提高； ②回采 巷道的掘进量比分层减少 了一半 ， 并减少铺 没金属 网假顶； ③减少综采设备搬迁次数， 节省搬迁费用 ， 增加了生产时间； ④ 虽然大采高综采设备的投资和 设备折旧费比分层综采高 3 ． 4倍 ， 但由于其产量大 ， 效率高以及减少回果巷道， 不铺设假顶和减少 工作 面搬迁等因素， 其综台经济效益明显高于分层综采。 在我国， 大采高一次采全厚综采工艺虽然 只经 过了短短几年的发展， 到 目前为止 只在部分 矿区进 行了试验， 而且 由于为这种工艺服务的技术装备还 不十分成熟 ， 工作 面的生产能力远未充分地得到发 挥。但对于厚度 为 3 ． 5 4 ． 5 m的缓倾斜厚煤层， 大 采高一次采全厚综采已取得 了成功， 与倾斜分层综 采相比， 已在技术经济上体现 出明显的优越性和发 展潜力， 并为降低掘进 率， 缓和采掘关系， 简化生产 环节和保证安全生产提供 了条件。因此 ， 在合适的 煤层地质条件下大采高一次采全厚综采是一种有发 展潜力的采煤新工艺。 在应用厚煤层 一次采全高 的技术和工艺方面， 邢台、 开滦 、 铁法 、 西山、 徐州 、 枣庄等局及神东矿区 推广使用的效果较 好。龙 口粱家矿综 采队在 4 ． 2 m 大采高和“ 三软” 煤层条件下， 年产原煤 1 5 6万 t ， 创 我国“ 三软” 煤层开采的高产纪录。邢台东庞矿综采 队在采高为 4 2 m的条件下， 1 9 9 4年产煤 l 4 l _ 8 万 t ， 原煤工效 5 4 t ／ T _ ； 1 9 9 5年产煤 1 7 3 ． 9万 t ， 原煤工效 达 6 7 ． 2 8 t [ - ， 1 9 9 6年产 煤 2 1 9 7万 t ， 原煤 工效达 9 9 ． 6 6 t ／ I ． 达到一次采 全高 工艺的全 国领 先水平 ， 1 9 9 7年 、 1 9 9 8 年产量保持在 2 0 0万 t 以上， 连续六年 无伤亡事故， 实现 了安全、 高产、 高效 。神东矿区大 柳塔 、 活鸡兔矿井均采 用全套 I 进设备， 采高 4 ． 5 r a 左右。大柳塔矿井在装备有 一个大采 高长壁工作 面、 两个连续 采煤机 工作 面的前提下 ， 于 2 0 0 0年 7 月份产量为 9 0万 t ． 全年产量 8 6 n玎t 。活鸡兔矿井 在同样的装备条件下， 于 2 0 f 年 8月 5～2 5日产量 达到 5 7万 t ， l 1 、 l 2月份均取得了 7 2万 t 的好成绩。 但值得指 出的是 ， 在其它条件基本等同的前提 下， 产量与栗高之间存在着一定关系， 但并不总是正 比关系。一般来讲， 在一定的厚度 内一次采全商的 条件下 ， 采高越大 ． 产量越高。但 由于采高过大， 工 作面片帮冒顶事故也 会增多， 反而影响产量。定性 地说 ， 从综采最低可采高度到最佳采高 ， 产量与采高 成正比 从最佳采 高到 最大采高 ， 产量 与采高成 反 比。据统计， 采高 3 ． 0～ 3 ． 5 m时单产最高， 见表 3 。 表 3 全国综 采工作面 单产按 采高 分娄 采 高从 3 m左右提高到 4． 5 ～5 ． 0 m， 几乎等于从 最佳采高提高到 综采一次采全 高的合 理可采极 限 放顶煤另当别论 。因而， 增加了一系列困难因素 ①设备进一步趋向于大型化 ， 复杂化 ， 维护量和管理 难度进一步增加； ②设备的机动性变差 ， 对变化的工 作面地质条件适应性低 ； ③推进度降低 ． 顶板管理更 加困难 ； ④煤壁片帮加剧 ， 工作面冒顶的机会增加。 因此． 厚煤层一次采全高不应单纯地与不 同采 高的综采面进行 产量竞赛 ， 而首先是 使大至 5 m厚 度的煤层一次采出成为可能 从而满足 了由4 ． 5～ 5 ． 0 m煤层分层开采改为一 一 次采全高的客观需要． 并 由此相对于分层开采带来一系列好处 。 1 ． 2 设备现 状 1 目前我国大采高支架已研制出 l 0 余种架 5 - 维普资讯 煤炭工程 2 0 0 2 年第 2 期 型 ， 支架结构高度有 3 ． 8 、 4 ． 2 , 4． 5 、 4 ． 7和 5 ． 0 m， 支架 工作阻力 由 2 5 0 0 、 3 2 0 0 、 3 6 0 0 、 4 0 0 0 、 4 8 0 0 、 5 2 1 3 0 、 5 6 0 0 和 l 0 0 0 o k N ， 架 ， 架型有两柱掩 护式和四柱支撑掩 护 式。但使用中年产超百万 吨的只有下 列五种架型 s Y 3 2 0 o～2 3 ／ 4 5型 两柱 掩 护 式大 采 高 支架； ② B Y 3 6 0 0 2 5 ／ 5 0型两柱掩护式大采高支架； ③ Q Y 3 5 0 ～ 2 5 ／ 4 7型掩护式大采高支架 ； ④B C 4 8 0 02 2 ／ 4 2型 四柱支撑掩护式支架 ； ⑤Z Y 5 6 02 5 ／ 4 7型四柱支撑 掩 护式 支架 。 2 我国制造的适合高架综采的采煤机 ①MX G ～ 6 0 0 1 4 ． 5 ； ②A M一5 0 0 1 4 ． 5 ； ③M G 4 5 01 0 2 0 一G W q 。 其技 术参数见表 4 。 2 国外现状 2 ． 1 综 采工 艺概况 国外长壁工作面从一般综采发展到当今的高产 高效综栗约经历 了 1 5 a ， 这 一发展过程表 明， 由于综 采设备不断更新换代 ， 采用重型化 、 强力化 、 自动化 和机电一体化的设备 ， 走生产集 中的途径 ， 才使工作 面的单产和工效大幅度提高 。 国外高产高效矿井现阶段的特点是 1 矿井高度集 中生产 ， 井型 为 3 0 0～ 4 0 o万 t ， a ， ～ 矿一面， 年工作 日2 5 0 d ， 两班生产一班检修， 工作 面平均月产 3 0 t 以上 ． 日产 1 万 t 以上。 2 广泛采用大功率高效能重型成套机电设备 ， 采煤机总功率在 1 0 0 0 k W 以上， 最高已达 2 2 8 5 k W， 采 高已达 5 m， 大修周期 2～3 a ， 可采煤量 4 0 0～6 0 0万 t 。工 作 面刮 板 输 送 机 功 率 已达 2 2 5 0 k W， 槽 宽 1 2 0 0 m m， 最大输送 能力 z t O O O t ／ h ， 过煤量 6 O 0万 t 以 上。平巷带式输送机装机功率 2～4 2 5 03 0 0 k W， 最大转送能力达 3 5 ∞ ， 铺设长度 2 0 0 0 m以上 液压支架普遍采用电液阀控制和高压大流量供液系 统 ， 架型 向两柱 掩护 式方 向发展 ， 最 大工作 阻力 已达 9 8 0 0 k ， 移架速度 已达 6～ 8 s ／ 架。 3 工作面推进长度一般 2 0 0 0～3 0 0 0 m， 最长已 达 5 2 8 0 m， 美国西部某矿设计工作面推进 长度已达 6 7 0 0 m 4 I作面可靠性高。采、 装 、 运和支护设备综 合开机率达 9 0 ％以上 。美国高产高效设备 可用率 6 已达 9 7 ％。 5 工作面设备配套合理。美 国综采 面刮板输 送机 、 转载机 、 平巷带式输送机的生产能力一般大于 采煤机最大生产能力的 2 0 ％， 以便形成 由工作面往 外生产能力越来越大的煤流 ， 为保持工作面稳定高 产创造条件 。 6 工作面设备监测监控设备齐全 ， 自动化程度 高 ， 工作面安全设施齐全 ， 安全状况 良好 ， l M t 死亡 率接 近于零 。 7 矿井生产系统 ， 包括煤炭运输 、 辅助运输 、 通 风 、 排水 、 供电、 供水 、 供热、 安全生产监测监控及通 信等系统先进可靠， 能满足高产高效工作面之要求。 8 工作面直接生产成本和矿井吨煤生产成本 低， 经济效益好 表4 适合高架综采的国产采煤机参数 太原矿山机器 r 煤科 总院 上海舟 院 西安媒 机厂 A M蜘 5 】 0 ∞G帅M XG一6 0 0 1 4 ． 5 装机 总功 率 k W 7 5 0 1 2 0 6 0 0 供电电压 v I 1 加 3 3 0 0 l l4 0 牵 引形式 无链牵引 交流电牵 引 无链牵引 碓筒直径 m 42 ． 2 引 9 5～2 5 妞 02 2 碓筒截探 t mm 6 3 0 ／ 6 8 6 f 8 0 0 6 Ⅻ 蜘 】 咖8 呻 秉高 m 34 5 4 6 2 94 9 0 4 『 ． 94 5 机器重 量 I 加 6 2 4 5 表 5 列 出美国 9 0年代部分矿井和综采 面高产 高效纪 录 2 ． 2 设 备概 况 国外适合高架综采的大功率采煤机 ， 见表 6 。 根据美国 、 日本等国的经验， 开采 l t 较坚硬的 煤所需能量为 0 ． 6 0 ． 7 k W． h ， 而高产高效工作面要 求采煤机小时割煤 能力应达到 1 7 0 0 t 以上 ， 故采煤 机总 功 率 最 低 应 不 小 于 1 0 2 0 k W 1 7 0 00 6 1 0 2 o k w ， 况 且遇到地 质构 造时， 采 煤机 还要 割岩 石， 因而， 采煤机的总功率要在 1 0 2 0 k l V以上。 液压支架是综采工作面主要设备之一 ， 目前美 国长壁工作面 中液压支架基本以掩护式为主， 约 占 全部架型的 9 6 ％， 且有 向两柱式发展的 明显趋势。 液压支架技术另一重大突破是 控制系统 ， 应用电液 控制技术 ， 采用电磁 或微 电机 控制的先导阀， 先进 维普资讯 2 0 0 2 年第 2 期 煤炭工程 可靠的压力和位移传感器 ， 灵 活 自由编程的微处理 机技术 ， 红外遥感技术等现代科技成果 ， 使液压支架 的动作 自动连续进行 ， 移架速度大大提高， 支架循环 时间达到 6 ～8 s 。配合采煤 机的煤岩识别系统等先 进技术 ， 可实现工作面自动控制 。 美国 1 9 9 4年共有 8 0个长壁工作面 ， 其 中有 7 O 个工作面是电液控制的工作面， 占8 7 5 ％， 使用两 柱掩护式支架 7 3 套， 占9 1 ． 2 5 ％， 是美国长壁工作面 使用 的主要架型 ， 支架工 作阻力 大部分在 7 0 0 0 8 0 0 0 k N， 最 大 的两 柱 掩 护 式 支 架 工 作 阻 力 达 到 9 8 0 0 k N 。5 ． 5 m结构高度支架的设计和 制造加工技 术已经成熟 ， 现 在已经 向 6 ． 0 m发暖 世界 上生 产 这种高工作阻力、 高结构高度支架的厂家有美国 J O Y和德国 D B T公司等。 表 s 9 o年代美国矿井和综采面高产高效纪录 表 6 适台高架绵采的罾外新型大功率采煤机参数 目别 目 越 目 E f 目 j ot 目 d e r自 L I 车 目 s G E M s 6 L s 1 删 4 如， 1 ]3 O 1 ． L 1 13 0 0 10 1 10 1 装 琦 L 】 ∞， 口 9 ∞2 2 l0 l 0 ] 3 7 4 螂l 0 ∞ 删l∞ 供电 v l 硼 3 3 Ⅻ Ⅲ 幸 式 直漉电幸 直癌变 电牵 电幸 直 l 直 章 直 章 堆筒 直径 m 1 “ s 一 24 机 一 2 0 中 1 皿 一 2* n 3 2j 6 2 2 6 2 2 2 2 4 镕筒截挥 rmt 蜘 一1 o o o 7 5 0 1 o o o 7 6 2 10 2 0 7 一l0 ∞ 7 0 0一I 2 邮 0 1 2 10 7 5 0一l 0 ∞ 米矗c m 】 2 4 5 5 I 5 4 5 2 0 6 0 I 8 4 5 L 4 2 5 0 1 9 4 5 1 9 4 5 L 2 4 4 机器 t■ L 0 删 5 V P 5 4 9 啦 4 9 ∞ ∞ ， 工 作 面 合 理 采 商 殛 液 臌 架 结 构 矗 度 的 靛 墓 薹 竺 暑 国内外对于厚煤层一次采全厚综采的合理采高 理的取值范围 。 进行了大量研究 ， 认为采高并非愈大愈好 ， 采高大小 实践证明 ，当加大工作 面的采高时 ， 工作面顶板 必须与煤层地质条 件、 目前的综采设备技术水平及 压力随之增大 煤壁前方支承 应力集 中程度亦随之 7 维普资讯 煤炭工程 2 0 0 2年第 2期 增大 ， 从而加剧工作面煤壁片帮和 冒顶 。邢台东庞 煤矿在 2 7 0 2工作面的 Ⅱ 级顶板 条件下 ， 进行大采 高采全厚综采实验时， 通过矿压观测， 得到煤壁片帮 深度 c与工作面实际采高 H的关系， 如表 7所示。 从表 7中可明显看 出， 片帮深度随着实际采高 的增大而呈非线性地增加 ， 且当采高超过 5 m后， 其 增长速度急剧增加。由于大采高工作面煤壁片帮问 题 分突出 ， 使得一螳大采高综采 亡 作 而不得不采 取 一 些 专门的煤壁加固措 施， 增加 r大量的辅助工 作量 ， 导致工作面产量降低 、 成本增加。 表 7 片帮深度 c随采高 H的变化关系 相似材料模拟试验的结果表明， 采高越犬 ， 工作 面开采后 上覆岩层运 动范围也越 大。 当采 高大 于 5 ． 5 m后 ， 上覆岩层 折断的厚度将超过 l O O m， 岩梁的 折断步距 、 折断岩粱运动的 自由空间均较大， 此时工 作面支架将承受岩梁大规模运动引起的动载荷和较 大 的偏心 载荷 ， 从而影 响到 支架 的稳定性 及使 支架 、 围岩关系恶化。所 ， 在研制整层开采液压支架时 ， 设计 采高 以小 于 5 ． 5 m为好 。 同时， 已进行 的研究表 明， 随着采高的加大 ， 工 作面所需的动力总容量、 采煤机和液压支架的结构 重量都将随之增加。以液压 支架为例 ， 据对 2 1 种国 产大采高液压支架的参数进行统计。得到支架的最 大结构 高度 H 7与支架重量 Q问的关系 如表 8所 示 。 表 8 国产大采高液压支架 与 Q变化关 系 m 】7 2 6 2 8 3 2 3 5 4 2 4 ． 5 4．7 5 0 O 1 j 6 【8 ． 】 I 1 4 1 l I 1 3 】1 5 ． 5】 7 5 1 9 丑 支架重量将随着采高的增 长而加大， 且 当采高 大于 4 ． 5 m后 ， 支架 重量增 大 的幅 度也 明显 加大。 若采高超过 5 m， 支架的结构重量将大于 2 2 t ， 采煤机 及输送机的重量也将 随之增加。工作面设备的大型 化和重型化 ， 不仅会使成本l丈幅度增加 ， 而 且会使设 备的井下运输及工作面搬移工作的困难程度和费用 增加 ， 大采高综采带来的经济效益将 会因设备和生 产成本的大幅度提高而被抵消。 综上所述 ， 在 目前我国煤矿的具体条件和技术 装备情况下 ． 大采高综采工作面的最大采高不宜超 过 4 ． 5 m； 日 l 进 国外大采高 一次采 全厚综采技术装 备， 虽大采高可达 5 O m 大采高液压支架的最大结构高度应选择为比实 际最大采高大 0 2至 0 3 m， 右。 般情 况下使 支 架在小于其最大结构高度 的情况下工作 ， 以便 当煤 层顶底板出现不平或顶板破碎时， 支架结构高度尚 有余量， 保证支架仍能 与顶底板保持 良好接触并控 制住顶板， 避免出现空顶而使支架倾倒。另外 ， 若支 架的最大结构高度小于或等 F实际采 高， 则支架必 然长期处于其最大极限高度下工作， 一 旦支架受力 不均时， 容易使支架构件及液压密封元件损坏。同 样． 所选择的大采高液压支架的最小结 构高度应 比 最小实际采高小 O 2至 0 3 m， 以保证 当支架通过薄 煤带或断层时 ， 不致在顶板 来压 时把支架压死 及在 采煤时发生滚筒割顶梁的事故 4 结语 在一定开采条件下， 加大开采强度是提高规模 经济效益的主要途径， 而综采设备生产能力 的提高 ， 为扩大矿井规模刨造 r条件。因此， 在条件具备的 前提下， 采用长壁大采高综采是实现矿井高产高效 的 明智之举 。 责任躺辑章新敏 维普资讯