大采高超长工作面设备选型关键技术研究.pdf

第2 l卷 第 3期 总第 1 3 0期 2 0 1 6年 6月 煤矿 开采 C 0AL MI NI NG T E CHNOL O GY V o 1 ． 2 1 N o ． 3 S e r i e s N o ． 1 3 o J u n e 2 0 1 6 大采高超 长工作面设备 选型关键 技术研 究 唐永志 ，曹海山 ，张学亮 ，钱统傲 ，侯俊领 1 ． 淮南矿业 集团有限责任公司，安徽 淮南 2 3 2 0 0 1 ； 2 ． 天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 1 0 0 0 1 3 [ 摘要] 根据深部大采高超长工作面设备选型配套要求，着重对液压支架和刮板输送机进行 分析。通过理论分析、数值模拟分析、类比分析，得到支架合理支护强度数值，支架采用四柱式整体 顶梁带伸缩梁和二级护帮板结构型式。通过分析验算刮板输送机与采煤机割煤速度的匹配关系和链条 安全因数，确定刮板输送机功率和型号。实际应用表 明，所选设备合理，实际生产能力超过 6 M t ／ a ， 具备 8 M t ／ a生产能力。 [ 关键词] 超长工作面；大采高综采；设备选型；深部开采 [ 中图分类号]T D 3 5 5 ． 4 2 [ 文献标识码]B [ 文章编号]1 0 0 6 6 2 2 5 2 0 1 6 0 3 0 0 5 5 0 4 Ke y Te c h n i q u e s o f Eq u i pme n t S e l e c t i o n o f S u p e r wi d e W o r k i n g F a c e wi t h La r g e Mi n i n g He i g h t 综采工作面合理设备选型与配套问题是工作面 安全高效开采的前提，在综采推广应用的初期，我 国学者对综采工作面设备选型与配套、工作面合理 长度参数等问题进行 了系列的研究 。张先尘 等 对综采工作面长度综合优化方法进行了研究 ；王玉 浚 对合理工作面长度判别标志进行 了研究 。随 着我国大采高综采技术的发展，综采工作面设备选 型配套技术有了长足的进步，在神东等地质条件较 好的矿 区，率先进行 了 3 0 0 m，3 6 0 m，4 0 0 m长度 工作面的回采 J ，最大工作面长度达到 4 5 0 m 。目 前将工作面回采长度在 3 0 0 m 以上的工作面称为超 长工作面。文献 [ 4 ]分析了4 0 0 m以上超长综采 工作面矿压显现特性 及设备配套选 型问题 ；文献 [ 5 ]依据矿井安全高效 生产原则 ，对综采工作面 “ 三机”空间总体布置进行了研究；文献 [ 6 ]从 4个方面阐述了我国综采 的配套技术发展情况 ，展 望 了我 国综采技术的发展方向，指出工作面长度可 达 4 0 0 m以上；文献 [ 7 ]分析 了加大综采工作面 几何参数对大采高支护设备发展的新要求；文献 [ 8 ]介绍了神东矿区浅埋深大采高工作面年产 1 4 M t 的生产经验。 随着大采高综采的逐渐应用 ，大采高超长工作 面设备选型与配套面临一些新问题 。文献 [ 9 ]分 析了深部超大采高综采所需关键技术及可能面临的 问题 ，指出深人研究矿压显现规律、煤壁稳定性控 制技术、提高设备可靠性是实现深部超大采高综采 技术需要解决的首要问题。文献 [ 1 0 ]介绍了潞 [ 收稿日 期]2 0 1 5 - 0 8 - 2 5 [ 作者简介]唐永志 1 9 6 2 一 ，男，安徽淮南人，硕士，教授级高工， 井生产技术管理工作 。 安集团王庄煤矿7 ． 2 m大采高工作面设备选型。 淮南矿区大部分煤层埋深大 于 6 0 0 m，开始进 人深部开采。淮南矿区的谢桥矿 、国投新集刘 庄矿 _ l 等逐步应用大采高综采技术。淮南矿业集 团在谢桥煤矿建成 1 2 4 2 3 大采高超长综采工作 面，工作面长度达到 3 6 2 ． 9 m，合理工作面设备选 型成 为 工作 面 成 功 开采 的关键 。本 文 主要介 绍 1 2 4 2 3 大采高超长工作面设备选型关键问题。 1 工作面概况 淮南矿业集团谢桥煤矿位于阜 阳市颍上县，西 邻国投新集刘庄煤矿。谢桥矿 1 2 4 2 3 工作面为 西翼 c组采区 1 3 - 1 煤层 四阶段 ，东起西翼 c组采 区下山， 西至 F 5 1 边界断层，北邻 1 2 3 2 3 下 巷 ，南至 1 3 1煤- 6 5 8 m底板等高线。地面标 高 1 9 ． 1～ 2 6 ． 8 m，上巷煤层底板标 高为- 5 2 4 ． 3一 5 5 9 ． 4 m，下巷煤层底板标高为- 6 1 9 ． 3一- 6 5 7 ． 4 m， 埋深约 5 5 0～ 6 5 0 m。 工作面走 向长 2 9 2 3 ． 8 m，倾 斜长 3 6 2 ． 9 m。回 采 1 3 - 1 煤，煤平均厚 5 ． 1 m，平均倾角 1 5 。 。直接 顶为泥岩 、砂质 泥岩 、1 3 2煤及 煤线复合顶 板， 厚度 01 2 ． 2 m，平均厚 度 8 ． 4 m；基本顶 为细砂 岩 ，厚度 1 ． 8～1 1 ． 5 m，平均厚度 3 ． 8 m，局部直接 覆盖在 1 3 1 煤层之上 。 2工作面支架选型研究 2 ． 1 合理支护强度分析 [ D O I ]1 0 ． 1 3 5 3 2 ／ j ． c n k i ． e n 1 1 - 3 6 7 7 ／ t d ． 2 0 1 6 ． 0 3 ． 0 1 5 现任淮南矿业 集团有限责任公司总工程师，从事矿山建设及矿 [ 引用格式]唐永志，曹海山，张学亮，等．大采高超长工作面设备选型关键技术研究 [ J ]． 煤矿开采，2 0 1 6 ， 2 1 3 5 5 5 8 ． 5 5 总第 1 3 0期 煤矿 开 采 2 0 1 6年第3期 2 ． 1 ． 1理论 分析 工作面支护是安全高效开采的首要条件，液压 支架是核心。我 国已经建立了较为完整的工作 面支 护设备技术体系 。深部大采高液压支架的选取 很大程度上取决于其矿压显现程度 ，尤其是工作面 加长之后的矿压显 现程度。文献[ 1 4 ]基 于刘 庄 矿 3 0 0 m长大采高综采 1 7 1 3 0 1工作面，采用数值 模拟软件研究了超长大采高工作面矿压特征影响因 素 ，研究表明 ，工作面长度对支承压力的影响不显 著 ，在其他条件不变的情况下 ，增加面长矿压显现 变化不大。文献[ 1 5 ]对大采 高综 采技术 的关键 问题与对策进行 了探讨 ，提出了采动支承压力分布 支护效应与煤壁片帮时效性的观点 。 合理支护强度的确定和护帮形式 ，是选择深部 大采高 超 长 工 作 面 液 压 支 架 的关 键 技 术。1 2 4 2 3 大采 高超 长工作 面综合柱状如表 1所示 ，其 上方仍然有 5 0 0 m覆岩未列 出，按照关键层理论分 析 1 3 1 煤顶板各岩层。 表 1 1 3 - 1煤层上覆岩层情况 岩层 岩层 厚度／ 累厚／ 抗拉强体积力／ 弹性模判别 层号 名称 IT ／ ／7 ／ 度／ M P a k N m I／ MP a结果 分析可见 ，共有 4层硬岩层为关键层 ，其中 自 下往上第 4层为主关键层 。主关键层距离煤层顶板 累计 4 6 ． 5 m，对采场矿压 的形成仍然起主导作用。 基于关键层垮断分析 ，按建立在支架工作阻力构成 分析基础之上的估算法进行支护强度分析 ，支架所 需支护强度为 1 ． 1 6 7 MP a 。 2 ． 1 ． 2 数值模拟分析 根据表 1中的岩层赋存情况建立 F L A C ∞数值 模拟模 型模拟 支护强度 P0 ． 5 M P a ，0 ． 6 M P a ， 0． 7MPa， 0 ． 8MPa， 0 ． 9MPa， 1 ． 0MPa， 1 ．1 MPa， 5 6 1 ． 2 M P a ，1 ． 3 MP a 和 1 ． 4 MP a共 1 0种方案 ，研究不 同支护强度条件下支架上方顶板不同位置处的下沉 位移 曲线 ，做出支护强度与顶板最大下沉位移关系 图，如图 1 所示。 支 护 强 厦 ／ M P a 图 1 支护 强度 与顶板最 大下 沉位 移关系 由图 1 分析可知 ，支架的合理支护强度不应小 于 1 ． 0 MP a 。 同时 ，通过数值模拟分析得到工作面覆岩破坏 高度 ，得到工作面推进距离与覆岩破坏高度的相关 关系如图 2所示。 图2 工作 面推进距 离与覆岩破坏 高度 的相关关系 分析图2可知，覆岩破坏高度在 4 5～ 5 0 m范 围内，对照综合柱状可见 ，该部分为主关键层 ，与 前述理论分析结论基本一致。说 明了数值模拟结果 的可靠性。 2 ． 1 ． 3类比分析 谢桥煤 矿首个 6 ． 5 m 大采高综采面 1 1 6 1 3 工作面回采 l 3 1 煤 ，工作面倾 向长 2 1 8 ． 1 m，走向 长 1 8 6 5 ． 8 m。煤层厚度 1 ． 5～7 ． 3 m，平均 5 ． 3 3 m， 煤层倾角 9～1 5 。 ，平均 l 2 ． 7 。 。顶底板条件与 1 2 4 2 3 工作面类似。工作面基本支架采用 Z Y 1 0 8 0 0 ／ 3 0 ／ 6 5 D型综采支架 ，支架 中心距 1 7 5 0 m m，支护强 度 1 ． 0 5～1 ． 0 8 M P a ，实现 了工作面的安全回采。 国投新集刘庄煤矿回采 1 3 1 煤层，埋深比谢 桥煤矿更深 ，周期来压步距平均 1 6 ． 6 m，平时平均 支护 强 度 0 ． 9 6 M P a ，周 期 来 压 平 均 支 护 强 度 1 ． 0 4 MP a ，实现 了工作面的安全回采 。 淮南潘三矿西三上部采区 1 6 2 2 3 工作面采 用并行 电法研究 顶板破坏分布情况 ，工作面 回 采 1 3 - 1 煤层，煤厚3 ． 1 ～ 5 ． 0 m，平均3 ． 9 m，工作 面倾 向长度 1 7 5 m，煤层倾角 21 5 。 。顶板岩层及 唐永 志等大采高超长 工作 面设备选 型关键技 术研 究 2 0 1 6年第 3期 岩性与谢桥矿类似，实测采场覆岩垮落带高度为 1 0 m，导水裂 缝带 高度 为 5 0 m，位 于砂 质泥 岩层 内。该结论与前述理论和数值模拟分析结论一致。 综合上述分析确定合理支护强度为 1 ． 1 6 7 MP a ， 根据配套尺寸、支架顶梁长度、空顶距计算出支架 工作阻力为 1 1 4 3 6 ． 6 k N。 2 ． 2 合理支架选型 综采工作面支架主要有两柱掩护式与四柱支撑 掩护式两种。 目前 两柱掩护式综采 支架为主流架 型，但是以大同矿区为代表的坚硬顶板综采面和淮 南矿区为代表的复合顶板工作面，多以四柱式综采 支架为主 ，其中淮南矿区谢桥煤矿则两柱式支架与 四柱式支架并存 ，最早采用的 Z Y1 0 8 0 0 ／ 3 0 ／ 6 5 D型 支架即为两柱式，但邻近的国投新集刘庄矿和口孜 东矿多采用 四柱式综采支架。考虑支架通用性 ，结 合淮南矿业集 团现状 ，选用 四柱支撑掩护式。 由于工作面为复合顶板 ，为避免因端面距和采 高过大引起煤壁片帮和端面冒顶 ，支架采用整体顶 梁结构 ，配伸缩梁和护帮板 ，同时支架设计为带双 侧护板。文献 [ 1 7 ]研究表明提高支架前端的护 帮力、支架初撑力和前端支顶力 ，增加护帮的长度 等措施可缓解大采高综采工作面煤壁片帮。平均采 高达到 5 ． 1 i n ，采用二级护帮结构 ，护 帮高度达到 2 5 7 0 m m 一级 1 5 7 0 mm、二级 1 0 0 0 m m 。 针对复合顶板 ，在工作面开采时 ，液压支架应 具备以下能力 i s ] 1 初撑力高。复合顶 板的下沉量尽 可能的 小 ，最好能够保证复合顶板和上位基本顶的摩擦与 粘结力 ，阻止复合顶板的下沉位移。 2 能够实现带压移架 。支架配备 了电液控 制系统，可实现工作面支架的压力监测，能够进行 压力补偿、带压擦顶移架、成组控制等。 3 能够实现及时移架 、超前护顶、减少 空 顶区域。工作面采用跟机及时支护，可有效地控制 复合顶板的断面漏冒情况。 综上分析 ，工作面基本支架采用 Z Z 1 3 0 0 0 ／ 2 8 ／ 6 5 D 型 ，液 压 支 架 中 心 距1 ． 7 5 m，初 撑 力 1 0 1 3 2 k N，工作阻力 1 3 0 0 0 k N，支护强度 1 ． 3 6 MP a ， 底板 比压 2 ． 4 5 MP a ，推移行程 0 ． 9 5 m，伸缩梁行程 1 ． 0 5 m，支架适应角度≤3 0 。 。 3 刮板输送机选型研究 工作面刮板输送机一方面要满足采煤机落煤能 力要求，另一方面则是设备本身需要满足超长工作 面布置的要求。 按工作面年产6 M t 能力进行计算，刮板输送机 输送能力应达到 1 7 7 4 ． 2 t／ h以上。大采高综采工作 面刮板 输送 机 的宽 度一 般 为 1 0 0 0 m m，1 2 0 0 m m， 1 3 5 0 m m和 1 4 0 0 m m。根据 回采 经验，在生产能力 要求不高的大采高工作面，采用 1 0 0 0 ra m槽宽可以 满足要求 。谢桥煤矿由于矿井建设时间早 ，井下变 电所采用 6 k V供电，能够支持的单机功率有限制， 只能采用 l O 0 0 k W 的电机，工作面最大刮板装机功 率为 31 0 0 0 k W，配 备 的刮 板输 送 机 槽 宽为 1 0 0 0 mm。刮板机采用中双链 S G Z 1 0 0 0 ／ 3 1 0 0 0型 ， 输 送 能 力 3 0 0 0 t ／ h ，链 速 1 ． 6 5 m ／ s ，链 条 规 格 4 r 4 8 m m 1 5 2 m m。 刮板输 送 机理 论 设 计 长度 可 达 4 0 0 m 以上 ， 1 2 4 2 3 深 部 大 采 高综 采 工 作 面 斜 长达 到 3 6 2 ． 9 m，为了确保 采煤机割煤期间不发生刮板输 送机被压死事故 。经过计算 ，刮板输送机运行的总 阻力 7 5 0 7 6 4 N 采煤机割煤速度 8 ． 7 6 m／ m i n ，刮 板输送机运行总阻力满足 电机功率要求 ；刮板输送 机的最大静张力为 7 2 6 8 9 0 ． 7 5 N。 为了保证刮板链运行期间的安全 ，应满足以下 公式 nFd A／1 ． 2F I 3 ． 5 式 中，k为刮板链抗拉安全 因数 ；n为刮板链条数 ， n 2 ；A为链条 间负荷分配 不均 因数 ，双链 A取 0 ． 8 5 ；F d 为刮板链 的破断力 ，取 4 0 0 0 k N；F 为 刮板输送机的最大静张力。 经计算 ，k 7 ． 8 4 ． 2满足要求 。 综上分析 ，所选 刮板输送 机在运输能力 范围 内，采煤机割煤速度控制在 8 ． 7 6 m ／ m i n ，刮板输送 机功率及链条安全 因数满足要求 。 4 设备选型结果及应用情况 工作面最终设备选型配套结果如表 2所示 。 表 2 工作面主要机 电设备 通过统计分析设备可靠性，工作面设备中支架 影响时间占0 ． 5 2 ％、刮板输送机占6 ． 4 5 ％、采煤 5 7 总第 1 3 0期 煤矿 开采 2 0 1 6年第 3期 机占 2 9 ． 0 3 ％。刮板输送机主要是因工人疏忽导致 刮板卡住异物断链 ，影响生产 ，此类事故的影响占 刮板输送 机 总影 响时 间的 7 2 ． 5 5 ％ ；采 煤机 为进 口，主要是变频器及其程序问题的软件影响占了 3 8 ． 7 ％ ，其次是维护保养不当导致机身连接螺栓 断 裂 ，停产维护影响占4 7 ． 8 2 ％。 从现场矿压显现情况看 ，支架循环末阻力平均 5 2 4 9 k N，支架来压点循环末阻力平均 9 5 2 7 k N。支 架工作阻力绝大部分分布于 2 0 0 0 9 0 0 0 k N 。在工 作面非正常生产期间特别是连续停产 2 d以上时， 工作面各支架普遍 出现压力 明显增高，甚至安全阀 开启的现象。部分支架工作阻力最大达到额定工作 阻力 1 3 0 0 0 k N，出现安全阀开启。支架能够满足现 场使用要求。刮板输送机除了一次由于较大范 围片 帮导致压死，其余时间运行正常。 工作面产量一般 为 1 5 0 0 0～2 0 0 0 0 t ／ d ，最高达 到2 4 1 3 5 t／ a ，设备装备能力实际达到6 M t／ a 生产能 力要求 ，具备 8 Mt ／ a生产能力。 5结论 以淮南谢桥煤矿 3 6 2 ． 9 m长的 1 2 4 2 3 大采 高综采工作面设备选型为工程背景 ，通过分析设备 选型的关键技术 ，合理选取超长工作面核心设备 ， 通过现场应用 ，效果 良好。 1 通过理论分析、数值模拟分析和类比分 析 ，确定支架合理支护强度 1 ． 1 6 7 MP a ，支架采用 四柱式整体顶梁带伸缩梁和二级护帮板结构 ，支架 型 号 Z Z 1 3 0 0 O ／ 2 8 ／ 6 5 D。 2 通 过 分 析 确 定 刮 板 输 送 机 型 号 为 S G Z 1 0 0 0 ／ 3 x l 0 0 0型，经验算功率和链条破断力符 合要求 。 3 通过现 场应用表 明，所选设备能力 实际 达到 6 Mt ／ a 生产能力要求 ，具备 8 Mt ／ a生产能力， 各项指标达到了选型要求 。 [ 参考文献] [ 1 ]张先尘 ，刘武皓 ．综采工作 面长度综合优化方 法的研究 [ J ] ． 中国矿业学院学报 ，1 9 8 3 3 4 1 7 ． [ 2 ]王玉浚 ．合理工作 面长度 的判别标志 [ J ]．中 国矿业 学 院学 报 ，1 9 8 4 4 2 6 - 3 3 ． [ 3 ]杜善周，丛利 ． 榆家梁煤矿合理工作面长度及煤柱宽度研 究 [ J ]．陕西煤炭 ，2 0 0 7，2 6 6 1 3 1 5 ． [ 4 ]王庆雄 ，鞠金 峰 ， 4 5 0 m超 长 综采 工 作 面矿压 显 现规 律 研究 [ J ]．煤炭科学技术 ，2 0 1 4，4 2 3 1 2 5 1 2 8 ． [ 5 ]于雷 ．综采工作面 “ 三机” 空间布置研究 与应用 [ J ]．煤 炭工程 ，2 0 1 5 ，4 7 5 9 1 1 ． [ 6 ]徐刚 ．综 采工 作面配 套技术 研究 [ J ]．煤 炭学 报 ，2 O l O， 3 5 1 1 1 9 2 1 1 9 2 4 ． [ 7 ]赵宏珠，戴秋梁．加大综采工作面几何参数对大采高支护设 备发展新要求初探 [ J ]． 神华科技， 2 0 0 9 3 1 8 2 2 ． [ 8 ]代贵生，周海丰 ． 年产 1 4 0 0万 t 大采高工作面关键技术研究 [ J ]． 煤炭科 学技术 ，2 0 1 4，4 2 1 2 1 2 0 1 2 4 ． [ 9 ]惠本利 ．深部矿井厚煤 层超大 采高综采技 术研究 展望 [ J ]． 煤炭科学技术 ，2 0 1 4 ，4 2 4 1 4 ． [ 1 O ]杜 向阳，侯忠 ，姚斐 ，等 ．王庄 煤矿 7 ． 2 m大采 高工作 面设备选型研究 [ J ]．煤 ，2 0 1 4，2 3 8 8 3 8 5 ． [ 1 1 ]黄方荣 ．谢桥煤矿 6 ． 5 m大采高综采 面设备选型 [ J ]．中国 科技信息 ，2 0 1 1 1 O 7 3 ． [ 1 2 ]曹伟巍 ，潘永刚 ，李帅 ．刘 庄煤矿高产 高效 综采工作 面回 采关键技术 [ J ]．煤矿 现代化 ，2 0 1 1 1 1 6 1 8 ． [ 1 3 ]王 国法 ．工作面支护与液压支架技术理论体 系 [ J ]． 煤 炭学 报 ，2 0 1 4，3 9 8 1 5 9 3 1 6 0 1 ． [ 1 4 ]李志华 ，华心祝 ，杨科 ，等 ．超长大采高工作 面矿压特 征 影 响因素分析 [ J ]．中国煤炭 ，2 0 1 3 ，3 9 1 5 卜5 4 ． [ 1 5 ]袁永 ，屠世浩 ，王瑛 ，等 ．大采高综 采技 术 的关键 问题 与对策探讨 [ J ]．煤炭科学技术 ，2 0 1 0，3 8 1 4 8 ． [ 1 6 ]段传鑫 ．大采高超 长工作 面矿压显现 特征 [ D]．淮南 安 徽理工大学 ，2 0 1 4 ． [ 1 7]牛艳奇 ，陈树义 ，刘俊峰 ．大采高综采工 作面片帮加剧 机理 分 析及 防治措施 [ J ]．煤炭 科学技 术 ，2 0 1 0，3 8 7 3 8 40．6 4 ． [ 1 8 ] 王建 国 ．复合顶板工作面液压支架选 型及优化设计 [ J ]．煤 矿机械 ，2 0 1 5 ，3 6 4 2 2 1 2 2 3 ． [ 责任编辑 徐亚军 ] 国务院安委会首批安全生产巡查组全面展开驻地巡查工作 根据安全生产巡查工作制度和安全生产巡查工作实施方案安排 ，国务院安委会首批 8 个安全生产巡查组从5月份开始， 对 8 个省 区、市开展驻地巡查。按照工作计划 ， 将在2 年内实现全国各省份全覆盖。 根据安全生产巡查工作制度规定的内容，各巡查组通过个别谈话、专家座谈、查阅档案、问卷调查、实地查验等工作 方式，重点对省级人民政府安全生产工作情况进行巡查 ， 将发现的安全生产方面的问题 ， 移交有关部门整改。同时，畅通 信访渠道，分别通过被巡查省份厂播电视、报纸、网络等新闻媒体公布了巡查值班电话、电子信箱以及邮政信箱 ，受理安 全生产方面的来信、来电、来访，接受社会监督。 各相关省级人民政府高度重视巡查工作，被巡查省 市分管领导同志分别主持召开巡查工作动员会，成立具体的工 作协调机构， 做好各项准备工作，要求当地各级政府及各有关部门、单位积极配合巡查组开展工作。同时，各相关地区坚 持立行立改， 对巡查组移交的问题抓紧整改，及时消除隐患。 摘 自 煤炭信息周刊2 0 1 6年第2 1 期 5 8