薄煤层安全开采技术

薄煤层安全开采技术

1 发展现状：

我国煤层赋存条件比较复杂, 煤炭资源分布地域辽阔,地质条件复杂多样。在中国, 当煤层厚度大于0.8m 小于1.3m 时,我们称之为薄煤层, 当煤层厚度小于0.8m 时, 我们称之为极薄煤层。我国薄煤层可采储量约占全国煤炭总储量的18% , 而产量只占总产量的7.3% , 远远低于储量所占的比例, 并且这个比例还有进一步下降的趋势。薄煤层在我国分布较广, 有些地区的煤质也比较好。经过多年开采, 不少矿井中厚煤层已近枯竭, 薄煤层的开采正规模化地进行, 而且也得到了充分重视。就当前的资源情况看,发展薄煤层机械化开采对于开发利用煤炭资源, 延长矿井开采年限和实现高效开采都具有十分重要的意义。

我国薄煤层开采主要采用长壁采煤法, 但由于开采煤层厚度小(小于1.3m) ,

与中厚及厚煤层相比, 薄煤层机械化长壁工作面主要有以下问题:

（1）采高低, 工作条件差, 设备移动困难。特别是薄煤层综采工作面, 当最小采高降到1.0m以下时, 人员出入工作面或在工作面内作业都非常困难。而且薄煤层采煤机械和液压支架受空间尺寸限制, 设计难度大。液压支架立柱通常要双伸缩甚至三伸缩, 增加了制造成本。

（2）采掘比大、掘进率高, 采煤工作面接替困难。随着长壁机械化采煤技术的发展, 工作面推进速度大大加快,但由于薄煤层工作面回采巷道为半煤岩巷, 巷道掘进手段没有多大的变化, 仍以打眼放炮、人工装煤为主, 掘进速度很慢, 造成薄煤层综采工作面接替紧张。

（3）煤层厚度变化、断层等地质构造对薄煤层长壁工作面生产影响比开采中厚及厚煤层工作面大, 造成薄煤层长壁综采或机采工作面布置困难。

（3）薄煤层长壁机械化采煤工作面的投入产出比高, 经济效益不如开采厚及中厚煤层工作面。一个薄煤层综采工作面的设备投资不比设备装机功率、支架工作阻力相当的中厚煤层综采工作面少, 但薄煤层综采工作面的单产和效率一般只有中厚煤层综采工作面一半, 甚至更低。

可见, 发展机械化、实现综合机械化采煤, 是实现薄煤层开采高产高效的唯一出路,我国在这方面一直在不断努力。

2 薄煤层开采综合机械化技术

目前,我国薄煤层开采综合机械化有许多种,大致分为: ①滚筒采煤机； ②刨煤机；③螺旋钻采煤机。

2.1 滚筒采煤机

现在使用的滚筒式采煤机是传统的采煤设备,其应用十分广泛,发展速度也比较快。随着缓倾斜中厚煤层至厚煤层综合机械化成套技术的逐渐成熟, “三软”和大倾角煤层等困难条件下综采配套技术也得到了应用。以电牵引、故障自动诊断、支架电液控制等为核心的技术也应用到了滚筒式薄煤层综合机械化设备上,

这种采煤技术也正趋于成熟。薄煤层综合机械化采煤经过多年的试验, 已经取得了显著的开采效果。

滚筒采煤机由于适应性强、效率高、便于实现综合机械化作业,因而发展迅速。它的整体结构、性能参数、适应能力、可靠性等诸方面,都有了较大创新和提高。薄煤层滚筒采煤机是在中厚煤层滚筒采煤机的基础上发展起来的,它也具有许多优点: ①积木式无底托架结构、液压螺母紧固、多台截割电动机横向布置、抽屉式部件安装等技术的应用,使得薄煤层滚筒采煤机结构更加简单,安装更为轻便;②整体结构和传动方式的改进,使得滚筒采煤机的机身变得更窄、更低;③采煤机功率的不断加大,以及电气调速行走和远程无线控制技术的应用,使得薄煤层滚筒式采煤机更能适应较复杂的开采地质条件;④薄煤层采煤机比较适合小型煤矿的综合机械化开采。

2.2 刨煤机

刨煤机采煤自20世纪40年代在德国问世以来,很快就得到推广和发展,成为薄煤层采煤机械化的强大支柱。其工作原理: 一个小机械刨头被分别布置在工作面两端巷道内的2个刨头驱动部,用无级链的牵引方式拖动,沿刨头运行导轨在工作面作往复刨煤运动,刨刀以给定的刨削深度将煤从煤壁上刨落下来,通过刨头的犁形斜面将刨落下来的煤装入输送机,然后由输送机将煤运出工作面。

原欧洲的主要产煤国德国、俄罗斯、法国等,使用刨煤机开采的煤炭产量占总产量的50%以上, 刨煤机的日产量可达到5000t以上。刨煤机的主要优点:①能实现极薄煤层的综合机械化开采,便于实现开采过程中的自动化;②采煤过程连续进行,工作时间利用率高;③采出的块煤率高,工作面煤尘量少;④结构简单,

维护方便。2000年铁法小青矿采取国内配套的方式引进一套德国DBT公司全自动化刨煤机系统,于2001年1月开始试生产,到2002年4月,除去倒面检修时间,共生产271d,生产煤炭106万t,最高日产量6480t,小青矿全自动化刨煤机开采技术的成功极大地提高了国内煤炭行业使用刨煤机的积极性。

2.3 螺旋钻采煤机 螺旋钻采煤是前苏联顿巴斯矿区顿涅茨克矿业研究院开发的一种开采薄煤层的采煤方法。于1979年在顿巴斯矿区马斯宾斯克矿试验成功,并推广应用。该采煤法是一种新型的无人工作面采煤方法,也是一种开采缓倾斜薄煤层的新型采煤方法, 可将煤层可采厚度由0.6～0.8m下延到0.4m,对开采松软煤层有极高的推广应用价值。螺旋钻采煤法的主要优点:①投资较低;②人员和机组设备全部在工作巷内,人员在宽敞支护良好的巷道内就可将煤采出,安全状况良好;③煤的可采范围达总面积的95%以上,可以多出煤,并充分释放瓦斯。

螺旋钻采煤法主要存在的问题:①留设钻孔间煤柱和钻孔组间煤柱,降低了采出率;②接长和缩短钻杆所用的时间占工作总时间的比重较大。

我国近几年引进了一些螺旋钻采煤机,取得了较好的经济效益。新汶矿业集团2003年从乌克兰引进的2台薄煤层螺旋钻采煤机(适用于0.6～0.9m的薄煤层) ,

分别在潘西矿和南冶矿进行了前进式和后退式采煤工艺试验获得成功, 单面单台钻机月产达到5800t。2004年6月20日,国家发改委调研组在新汶矿区调研时得出如下结论:“潘西煤矿螺旋钻采煤工艺的应用,效率高、安全系数高、资源开采率高,适应于目前我国传统的开采方法无法开采的薄煤层,该技术值得在全国推广应用”。

3薄煤层的顶板管理

薄煤层的工作面比较狭小，相对来讲，对活柱的要求比较高。

(1)工作面顶板管理。工作面共安装的液压支架, 对工作面实行全支护法支护, 工作面顶板管理采用全部跨落法, 随工作面推进逐渐垮落。

(2)工作面巷道支护与顶板管理。上下两平巷均采用锚网梁支护, 在工作面回采期间保证两出口高度不得小于1.8m。

(3)端头支护与顶板管理。运输巷超前支护距离不小于20m, 采用单体液压支柱配合两路一字梁支护, 一字梁规格为DJB1000/ 300Z; 轨道巷超前支护距离不小于30m,采用单体液压支柱配合三路一字梁支护,一字梁规格为DJB1000/ 300Z, 单体支柱一律穿鞋以加强支护强度。上下两端头使用密集支柱加强顶板管理,间距0.5m。

(4) 初次来压及周期来压的顶板管理。坚持支护质量监测和来压预测预报工作, 视来压强度及时增大支护强度,工作面支架必须达到初撑力,减少顶板下沉量,

加强两平巷的超前维护工作和超前顶板管理工作,防止端头冒顶,确保两平巷出口高度不小于1.8m,对失效的单体液压支柱及时更换,确保安全生产。

(5) 工作面回采结束前的注意事项。为便于工作面撤除,距工作面停采线15m 在支架顶部铺设双网加钢丝绳。

(6) 初次来压时的支护。工作面所有的液压支架均达到额定初撑力,并派专人二次注液,两平巷加大支护密度,运输巷加一路一字铰接顶梁, 轨道巷加长超前支护距离,由30m 改为50m,两端头密集支柱由原来的一排改为双排,两端头跨输送机位置采用花边工字钢支护

(7) 严格控制工作面采高,当煤层厚度小时,采取割煤层底板岩石的方式保证采高,防止支架因工作面采高过小被压死;由于伪顶为泥岩,及时拉超前支架, 防止了顶板冒顶。

4 DBT全自动化刨煤机的应用实例

山西焦煤西山煤电集团公司于2003年引进德国DBT公司全自动刨煤机生产技术,应用于薄煤层开采。实践证明,刨煤机性能可靠,技术先进,适应性强,实现薄煤层自动化开采技术,达到了高产高效。刨煤机是以刨头为工作机构,采用刨削方式破煤的采煤机械,可用在长壁采煤工作面实现破煤、装煤和运煤。DBT刨煤机系统适于在0.8～2.1m 的薄煤层和较薄中厚煤层中使用。

西山煤电集团公司将DBT自动化刨煤机应用于马兰矿南五采区02#煤层开采。02#煤层属二叠系下统山西组,结构复杂、稳定可采的近水平薄煤层。煤层1.2～1.4m, 局部0.7～1.0m, 在轨道巷630～660m段与03#煤合并, 厚达2.4m; 煤层倾角3～5°,硬度系数f= 2～3；煤质属焦、肥煤, 低硫、中灰、中挥发性。

首工作面走向长1204m, 倾斜长200m, 采高1.25m, 工业储量389373t 可采储量377692t，采期130d。采用走向长壁后退式一次采全高全部垮落法的刨煤机机械化采煤方法。工作面机电设备配备见表1,工作面设备布置见图1。

表1 工作面机电设备配备

设备名称 规格型号 数量 备注

刨煤机 GH 9- 38 V e/5. 7 1 315 kW×2

工作面输送机 PF3 /822 1 315 kW×2

转载机 SZZ- 764 /200 1 200 kW

破碎机 PCM 110 1 110 kW

液压支架 ZY4000 /85 /19D 128

过渡支架 ZGY4000 /85/19D 2 机头、机尾

各1 架

端头支架 ZT5600 /17 /35 5 机头3 架、

机尾2 架

刨煤机开关 KGE - 1004 3 1 个馈电

乳化液箱 KX2000 2

喷雾泵 PB- 320 /2. 5 2 37 kW

矿用隔爆型组合开关 KBZ1- 400 1 1 140 V 设备用

矿用隔爆兼本质安全型组合开关 KBZ2 - 3. 5 /3300 1 1 140 V 设备用

矿用隔爆型移

动变电站 KSGBY - 1250 2 二次侧电压

1 140 V

乳化液泵 DRB- 200 /31. 5 135 kW

胶带输送机 DSP1 080 /1 000

图1 工作面设备布置图

4.1 回采工艺 刨煤机割煤、装煤→刮板输送机运煤→推移输送机→电液控制系统控制拉移支架→支护顶板。采用端头斜切进刀双向穿梭式的割煤方法, 刨头往返工作面刨煤, 然后合理调整两端头和中间段刨深使工作面输送机达到平直状态。工作面所有支架动作一次为割煤一个循环, 循环进度600mm, 刨头由机头向机尾方向运行为上行, 上行最大速度1 760mm/s, 最大刨深为70mm, 刨头由机尾向机头方向运行为下行, 下行最大速度为880mm/s, 最大刨深为50mm。刨煤机1次截深120mm,

刨煤速度1.76m/s, 循环进尺600mm。

刨头由机头向机尾方向运行,刨头通过后,液压支架按MCU设定的推溜步距进行推溜,推移步距为下行刨深;刨头到达机尾后,反向向机头方向运行,当运行至输送机弯曲段时逐渐斜切进入煤壁,液压支架按MCU 设定的推溜步距进行推溜,推移步距为上行刨深,输送机机尾由机尾端头支架在电液控制系统控制下自动推移,推移步距为上行和下行刨深之和;刨头通过机头后,反向向机尾方向运行,当运行至输送机弯曲段时逐渐斜切进入煤壁,液压支架按MCU 设定的推溜步距进行推溜,推移步距为下行刨深,输送机机头由机头端头支架在电液控制系统控制下自动推移,推移步距为下行和上行刨深之和,斜切进刀见图2。