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两柱式支架放顶煤技术在保德煤矿的应用 翟桂武 中国矿业大学 北京 资源与安全工程学院, 北京 100083 摘 要 国内第一个亿吨级大型煤炭生产基地 神华神东煤炭集团 以下简称神东 , 通过对 保德煤矿煤层赋存及地质条件分析, 经过对国内放顶煤开采设备与技术的充分调研、 论证, 与厂 家合作设计生产了符合神东矿区资源赋存条件, 适应神东矿区高产高效集约化开采模式特点的 大采高、 大阻力、 两柱式低位放顶煤电液控制液压支架 及其配套设备, 完成了两柱式支架放顶 煤开采技术和装备配套技术研究, 并在神东矿区保德煤矿 88300- 1采面进行了成功应用, 大幅 度提高了生产效率和资源回收率, 实现了神东矿区首个两柱式液压支架放顶煤工作面的安全高 效回采, 为神东矿区在中硬煤层实现放顶煤开采提供了可借鉴经验。 关键词 两柱式液压支架; 综放开采; 方案论证; 设备选型 中图分类号 TD823 . 4 9 文献标识码 B 文章编号 1003- 496X 2009 09- 0057- 04 保德煤矿是神华神东煤炭集团下属的一个高瓦 斯矿井, 也是神华集团石炭二叠纪煤配煤基地。 2000年建矿投产以来, 通过不断进行管理和技术创 新, 保持了良好的安全生产势头, 矿井达到千万吨生 产能力。但是, 随着矿井开采向深部区延伸, 煤层厚 度加大, 逐渐给矿井提高资源回收率、 提高生产效 率、 采面顶板管理等方面带来一些困难和问题 1矿井随着开采深度增加, 煤层厚度在增大, 平均厚度多在 6 9m, 而神东目前国内最大 6. 3 m 一次采全高支架, 在保德煤矿由于煤层倾角变化较 大, 顶帮难以维护等原因难以实施, 如果采取 5 . 5 m 支架一次采全高开采, 势必造成煤炭资源的浪费, 同 时会缩短矿井服务年限, 因此, 在厚煤层分层开采与 放顶煤开采工艺比较上, 选择应用较为广泛的放顶 煤开采工艺, 便是一个重要途径。经测算, 保德煤矿 如果采取放顶煤开采, 按工作面 80 的回采率, 全 矿井四层煤会多采出 1 . 4亿 t煤炭, 增加矿井服务 年限近 10年。 2根据保德煤矿煤层赋存及开采实际, 当煤 层厚度 6 m, 开采高度超过 5 m 以上时, 采面顶板 维护较困难, 易发生采面冒顶及支架倾倒事故, 而当 采高控制在 4 . 5m以下时, 顶板非常完好, 从实际开 采看, 未发生采面漏顶事故。 3保德煤矿煤层硬度 f 值平均为 0. 8 0. 9 , 为 f 1的软煤, 在保德煤矿有针对性的选择放顶煤 开采作为试点, 可为下一步神东矿区其它矿井中硬 以上厚煤层放顶煤开采, 提供借鉴经验。 鉴于以上问题分析, 神东煤炭集团针对保德煤 矿井田煤层赋存及地质条件, 自 2004年初便展开了 有针对性上综放开采的论证工作, 至 2008年 7月 末, 保德煤矿 88300- 1采面实施综放工艺并投入生 产, 历时 4年多的时间, 目前首采面放顶煤开采已近 尾声, 生产平稳、 正常, 月最大单产 83 . 8万 , t 达到了 安全高效的目的。 1 概 况 保德煤矿位于山西省保德县境内, 井田面积 55 . 9 km 2, 平均走向长 12 . 3 km, 倾向长 5. 7 k m, 煤 层倾角 3 9 , 平均 5 。区内许采 4层煤, 分别为 8 、 10、 11、 13层, 目前正在开采的为最上部的 8 煤层, 矿井设计能力 1 400万 t/a 。 88300- 1综放采面煤厚平均 8 . 6 m, 煤层倾角 3 9 , 含夹矸 3 4层, 单层夹矸最大厚度平均 0 . 3 m, 岩性以泥岩为主, 煤层埋藏深度 126 240m。煤 层直接顶厚度 12. 1 16 . 2 m, 为泥岩, 泥质砂岩, 裂 隙发育, 易垮落; 老顶厚度 6 . 4 22 . 9m, 为白灰色 粗砂岩, 以石英为主, 裂隙发育处疏松易碎, 具大型 交错层理; 直接底厚度为 1 . 0 m, 为灰褐色泥质页 岩, 较坚硬。88300- 1工作面倾向长为 240m, 走向 长 2 272m, 可采储量 731 . 5万 t 。 88300- 1采面煤 层综合柱状图见图 1 。 2 放顶煤开采的论证 综放开采立项后, 根据保德煤矿的开采实际及 57 技术经验 煤 矿 安 全 2009- 09 图 1 88300- 1采面综合柱状图 矿井地质条件, 参照煤矿安全规程 第 68条规定, 神东煤炭集团先后组织了对保德煤矿 8 层煤 综放 开采的可放性、 深部综放开采安全可行性、 煤 层瓦斯涌出规律及矿井瓦斯抽放系统、 煤质变化 与产品结构方案等进行了论证。 2 . 1 顶煤可放性为 中等偏好 适于综放开采 神东煤炭集团组织对保德煤矿 8 煤层的放顶 煤开采论证主要结果如下 1围岩岩石力学性能测试结果。表 1为保德 煤矿 8 煤层 88203与 88300- 1采面相邻 综采工 作面煤层、 夹矸及顶板 20m 范围煤岩力学性能测试 结果, 是顶煤可放性计算的重要基础数据。由测试 结果可知, 顶煤单轴抗压强度 8MPa f 值为 0. 8, 直接顶岩层单轴抗压强度 15 58/39MPa , 老顶 30 37/33 . 5MPa , 均属较软的岩层, 对顶煤和顶板的 及时冒落有利。 2顶煤可放性计算结论。综合考虑 88203综 采工作面煤层强度 Rc、 开采深度 H 、 顶板岩性 L、 煤层厚度 h、 节理裂隙发育程度 d、 夹矸厚 度 t和夹矸强度 等 7个影响顶煤可放性指标, 并计算其与可放性之间的隶属度 i, 得到顶煤可 放性综合隶属度 0 . 757 。通过采用多种研究手 段, 尤其是大量的工作面现场实测研究, 保德煤矿 8 顶煤的冒放性为 中等偏好 , 适于放顶煤开采, 见表 2。 表 1 岩石单轴试验结果 层位取样范围岩性强度 /M Pa弹性模量 /MPa泊松比 细砂岩 老顶 直接顶以 上 22. 8 m 细砂岩8416 6870 . 18 粗砂岩, 部分为砂 砾岩至粗砂岩 30 37/33. 56 670 9 910 /8 2900 . 20 直接顶 顶煤以上 17 . 5 m 泥岩、 砂泥岩, 部分为粗砂岩 15 58/396 210 13 806 /9 6860. 19 0 . 22/0. 21 煤8 . 082 599. 890 . 30 夹矸5 . 02 表 2 88203工作面顶煤冒放性 矿名 工作 面 1234567 Aiui 冒放 性 保德 煤矿 88203 0 . 7 0. 7 0 . 7 0. 5 0 . 9 0. 810. 757一般 2 . 2 瓦斯 煤尘 防灭火及煤质方面的论证 论证结果是 瓦斯、 煤尘及防灭火, 在采取一定 措施后, 能够保证矿井的安全生产; 在对现有洗选系 统做局部改造后, 煤质与产量能够满足市场及矿井 高产高效的要求。 3 放顶煤开采设备选型 3 . 1 支架选型 神东煤炭集团于 2006年初开始, 先后对国内综 放实施较好的多家矿区开采情况, 以及综放设备生 产厂家进行了一系列的现场考察与调研, 在此先期 大量调研、 研究、 论证工作的基础上, 结合神东高产 高效千万吨矿井模式和保德煤矿煤层赋存条件 地 质构造简单, 煤层硬度适中 , 对比两柱掩护式放顶 煤支架与四柱支撑掩护式放顶煤支架特点, 最终决 定研发大采高、 大阻力、 两柱式低位放顶煤电液控 制液压支架。 1两柱式液压支架选择的主要优点。 立柱 单排布置, 不存在立柱承载不均, 支撑力可以充分发 挥, 顶梁前端支护能力大, 受力更加合理, 支护效率 高; 易于实现电液控制, 推移速度快, 可避免手工 58 煤 矿 安 全Total418 技术经验 操作造成的支护迟延, 有利于提高采面产能; 结构 较简单、 顶梁长度相对较短、 支架重量轻, 安装运输 方便; 具有连续的放煤口, 放煤效果好, 没有脊背 煤损失, 回收率高; 与其他支架相比, 从煤壁到放 煤口的距离最长, 经过顶梁的反复支撑和在掩护梁 上方的跨落, 使顶煤破碎较充分, 对放煤极为有利; 后输送机沿底板布置, 浮煤容易排出, 移架轻、 快, 同时尾梁插板可以切断大块煤, 使放煤口不易堵塞。 2支架设计生产的主要原则。 由于放顶煤 和一次采全高矿压及围岩机理相似, 为与神东目前 一次采全高的两柱式电液控制液压支架相匹配, 便 于员工掌握与人机关系协调, 实现采面的自动化快 速推进与高产高效, 决定保德煤矿放顶煤支架全部 采用两柱式电液控制液压支架 ; 为能适应煤层 厚度变化、 增大作业空间与后运输机的放煤空间, 利 于人员操作、 设备检修与通风管理, 必须生产大采高 放顶煤支架, 支护高度定在 2 . 5 4 . 2 m 之间; 为 能对采面顶煤 包括中硬煤 良好的破碎和采面顶 板的有效支护, 并为下一步神东矿区其它矿井中硬 煤煤层的放顶煤工作借鉴与试验, 支架必须为大阻 力放顶煤支架, 支架阻力定在双柱 10 200 kN。 3支架的主要技术参数。针对支架的设计理 念与要求, 由中煤北京煤矿机械有限责任公司中标 承揽采面全部支架的设计与生产, 中部支架型号为 ZFY10200/25/42D型两柱放顶煤电液控制液压支 架 、 与其配套的过渡支架型号为 ZFYG10200/25/ 42D、 排头支架型号为 ZFG10600/23/40D型、 端头支 架型号为 ZYT27600/23/40 , 支架主要技术参数见表 3 。 3 . 2 其它设备的选型 为适应保德煤矿煤层地质条件和千万吨矿井生 产需要, 在充分调研基础上, 结合目前神东及国内外 在用设备现状, 保证首个综放面设备配置最佳, 该工 作面采煤机选用高可靠性的 JOY大功率 7LS6C系 列采煤机, 截割功率达到 2 750 k W。配套采煤机 生产 能 力 的 三 机 选 用 张 家 口 煤 机 厂 生 产 的 SGZ1000/2000型前后运输机、 SZZ1200/525型转载 机和 PCM400型破碎机, 工作面总装机功率达 8 105 k W。 4 综放开采参数确定 88300- 1综放采面自 2008年 7月末开始试生 产以来, 截止 2009年 7月末, 已开采 12个月, 累计 推进 1 912 m, 累计生产原煤 535万 , t 采面平均回采 表 388300- 1综放面支架主要技术参数 支架 种类 支架 型号 主要技术参数 中部 支架 ZFY 10200 /25/ 42D 支架高度 /mm 2 500 4 200 支护宽度 /mm 1 650 1 850 工作阻力 /kN 10 200 p 45MPa 支护强度 /M Pa 1 . 09 1. 11 对底板比压 /M Pa 2 . 5 2. 7 尾梁最大摆动角度 / 64 操纵方式 电液控制加手动控制 额定压力 /M Pa 31. 5 运输尺寸 长 宽 高 /mm 8 320 1 680 2 500 过渡 支架 ZFYG 10200 /25/ 42D 支架高度 /mm 2 500 4 200 工作阻力 /kN 10 200 p 45MPa 排头 支架 ZFG 10600 /23/ 40D 支架高度 /mm 2 300 4 000 工作阻力 /kN 10 600 p 43MPa 顺槽端 头支架 ZYT 27600 /23/ 40 支架高度 /mm 2 300 4 000 工作阻力 /kN 27 600 p 43MPa 率 86 . 9。工作面自开采以来, 先后对 一采一放 单轮顺序放煤、 一采一放双轮顺序放煤、 二采一放单 轮顺序放煤、 二采一放双轮顺序放煤 4种工艺进行 对比试验, 最终确定综放开采参数。 4 . 1 采放比确定 根据工作面平均煤厚 8 . 6 m, 液压支架支护高 度 2 . 5 4 . 2 m, 结合煤层特点, 在煤层 3 . 6 3 . 8 m 间存在一层层间夹矸, 平均厚度 0 . 3m, 通过对 3 .8 m及 4 . 0m采高试验, 最终确定采高为 4 m, 割破此 层夹矸, 即有利于顶板维护, 又有利于后部放煤, 采 放比确定为 1 1. 15 , 较合理。 4 . 2 放煤工艺确定 通过对 4种放煤工艺对比, 从采面回采率、 日产 量、 排矸量及煤质等方面综合考虑, 最终放煤工艺确 定为 一采一放双轮顺序放煤 , 放煤步距为 0 . 865 m。对比结果见表 4。 4 . 3 煤机割煤速度的确定 根据采放平行作业的要求, 割煤循环时间和放 煤循环时间应相当, 据现场实测, 放煤工序循环时间 平均为 58 . 4 m in , 割煤循环周期应为 88 . 6m in , 放煤 时间充裕。双向割煤时, 通过计算, 采煤机割煤速度 控制在 3 . 5 m /m in , 即能够保证采面前后运输机能 力与顺槽转载机能相匹配, 又能够实现放煤不影响 煤机割煤。 4 . 4 工作面正规循环生产能力 59 技术经验 煤 矿 安 全 2009- 09 表 4 88300- 1放煤工艺对比结果 放煤 工艺 采放比 日均循环 次数 /个 原煤日 产量 / t 商品煤 日产量 /t 矸石排 放量 /t 原煤发 热量 /kJ 采面 回采率 / 后部放 矸率 / 一采一放 单轮顺序 1 1 . 1510 26 656 2 538 t/刀 17 800 1 780 t/刀 3 048 304 t/刀 14. 585 . 010 . 5 一采一放 双轮顺序 1 1 . 1510. 5 26 656 2 538 t/刀 18 952 1 805 t/刀 2 372 226 t/刀 14. 886 . 98 . 9 二采一放 单轮顺序 1 1 . 159 23 742 2 638 t/刀 15 750 1 750 t/刀 2 965 329 t/刀 14. 384 . 811 . 8 二采一放 双轮顺序 1 1 . 159. 5 24 994 2 631 t/刀 16 970 1 786 t/刀 3 024 318 t/刀 14. 686 . 412 . 1 工作面长度为 240m, 煤层平均煤厚为 8 . 6 m, 循环进度 0 . 865 m, 全年每月生产时间取 1 . 2倍的 不均衡系数, 按每月生产 25 d计, 每日按照 2 . 4万 t 组织生产, 设计月产量 60万 , t 割煤高度 4 m, 割煤 回采率 97 ; 放煤高度 4 . 6m, 放煤架数为 133架, 放煤回收率 85 , 则采面设计循环产量 2 484 , t 日 循环数 9. 6个, 月进尺 207 . 6m。 根据矿井生产实际统计, 正常生产情况下, 日循 环个数平均为 8 11个, 单月最大产量达 83 . 8万 , t 在综放工艺进一步成熟时, 单面年产可达千万吨以 上。 5 应用效果 1两柱式低位放顶煤液压支架在神东的首次 成功应用。从国内综放采煤支架的应用看, 多采用 四柱式 综放液压支架, 而两柱式应用较少, 从保 德煤矿对两柱式液压支架应用看, 非常成功, 不但实 现电液控制, 而且做到了采面数据上传, 与目前神东 常规的电液控液压支架相辅相成, 便于操作、 应用与 管理。 2大阻力、 大采高综放支架的应用。保德煤 矿 88300 - 1 采面的 ZFY10200/25/42D 综放支 架 , 双柱工作阻力可达 10 200 kN, 支护强度 1 . 09 1 . 11MPa , 既可适用 f 值 1以下的软煤层, 又可对 中硬以上煤层进行尝试, 强大的工作阻力能够保证 对顶煤的有效破碎, 增强综放开采效果。采高范围 在 2. 5 4. 2m 间, 结合矿井煤层实际, 一次采高确 定为 4m, 创出了国内两柱式低位放顶煤液压支架 的成功常规开采, 对煤层厚度变化适应性非常强, 可大采高采, 可特厚煤层放 , 既做到了综放开采 的较高回收率, 又杜绝了过去由于加大一次采全高 而易造成采面漏顶事故, 较大的前后断面保证了检 修与良好通风, 实现了与神东快速推进, 安全高效模 式相结合。 3实现了综放采煤与神东大采高安全高效模 式的对接。保德煤矿的综放开采, 实现了 两柱式 综放 与常规 一次采全高 液压支架的电液控制、 数据上传、 人员操作与管理, 以及安全高效模式的对 接; 胶运顺槽以外的设备配置及布置方式的对接等。 4低矿压显现及高采面回收率。保德煤矿自 2008年 7月成功实施综放开采以来, 一次 4m 的低 采高使采面未发生顶板破碎及漏顶现象, 而以往同 等条件下的 5 . 5 m 支架一次采全高采面, 曾发生多 次采面漏顶现象。从顺槽超前压力显现看, 通过矿 压监测, 超前压力明显小于一次采全高采面的压力, 超前压力及采面周期压力不明显; 而在采面回收率 上, 88300- 1工作面在后部增加浮煤回收装置后, 目前采面回收率可达 86 . 9, 比照同条件 5 . 5 m 一 次采全高的 5 . 2 m 采高 60 . 5 的回收率, 提高近 26 . 4 。 作者简介 翟桂武 1965- , 男, 辽宁凤城人, 工学硕 士, 清华大学高级工商管理硕士 EMBA, 研究员, 毕业于辽 宁工程技术大学机械电子工程专业, 现任神华神东煤炭集团 董事长、 总经理, 主要研究方向采矿工程、 矿山机电。 收稿日期 2009- 06- 10; 责任编辑 梁绍权 60 煤 矿 安 全Total418 技术经验