特厚煤层综放开采设备选型研究_邢鹏亮.pdf

江西煤炭科技2023年第1期摘要：为确定北辛窑煤矿特厚煤层采煤方法及设备选型，本文首先对厚煤层的开采方法进行了对比分析，并结合煤层与顶底板的岩性特征，确定了采用综采放顶煤的开采方法。根据北辛窑煤矿8 4 0 5工作面的实际开采情况，并结合相关理论计算了综放工作面滚筒采煤机、刮板输送机、液压支架的相关参数，给出了具体的设备型号。最终通过现场开采效果证明：8 4 0 5工作面设备选型合理，能够满足安全高效生产的需求，同时采出率也大幅提高。此研究为相类似的特厚煤层工作面开采设备的选型提供了一定的借鉴意义。关键词：特厚煤层；综放开采；设备选型；放顶煤中图分类号：TD4 2 1.8文献标识码：B文章编号：1 0 0 6-2 5 7 2（2 0 2 3）0 1-0 1 9 9-0 3Study on Equipment Selection for Fully-mechanized Caving Mining in Extra-thick Coal SeamXing Pengliang(Beixinyao Coal Industry Co.,Ltd.,Jinneng Holding Coal Industry Group,Xinzhou,Shanxi 036700)Abstract:In order to determine the coal mining method and equipment selection in extra-thick coal seam in Beixinyao Colliery,the paper determines the application of fully-mechanized top coal caving mining at 8405 working face by comparative analysis ofthe mining methods in thick coal seam and combination with the synergistic effect of coal seam and roof and floor,and proposesthe specific equipment model according to the parameter calculation of drum shearer,scraper conveyor and hydraulic supportthrough relevant theories,whose on-site mining effect shows that the reasonably selected equipment can meet the needs of safeand efficient production,greatly improve the recovery rate and provide a certain reference for the mining equipment selection insimilar working faces with ultra-thick coal seam.Key words:extra-thick coal seam;fully mechanized caving mining;equipment selection;top coal caving特厚煤层综放开采设备选型研究邢鹏亮（晋能控股煤业集团北辛窑煤业有限公司，山西忻州0 3 6 7 0 0）目前，在我国能源消费结构中，煤炭占了一半以上的比重。在煤炭开采中，我国厚煤层及特厚煤层的赋存占据了一半以上的比重，因此，研究厚煤层及特厚煤层合理的开采方法及设备选型尤为重要1-2。在保障安全生产的基础上，如何实现煤炭资源的高产高效，最大限度地提高煤炭资源的回收率在可持续绿色开采的时代背景下也成了亟待解决的问题3。我国通常将特厚煤层定义为煤厚大于8m的煤层，采用分层开采或综放的开采方法。上、下分层开采有存在着顶底板难以控制，中间夹层损失过大等弊端，同时生产效率较低，开采时间较长，且工作面需频繁搬家。综合放顶煤开采则由于采煤工序较为简单、吨煤成本较低、单位时间内生产效率较高，因此放顶煤开采成了特厚煤层开采的首选方法4-6。实际生产中，放顶煤开采也存在着顶煤难以冒落、煤壁片帮、支架承受压力过大等现象。采用合理的开采方法，选用适合的开采设备，成了煤炭资源高产高效及安全生产的前提。本文以北辛窑煤矿8 4 0 5工作面为例，在分析该矿顶底板状况的基础上，通过液压支架与顶底板的相互作用，选用合理的采煤方法。通过对工作面采煤机、刮板输送机、液压支架的选型计算进行了设备的选型，最终在现场开采中进行应用，并观测了具体实施效果。1矿井概况北辛窑矿位于山西省忻州市宁武县，属于山西晋能控股煤业集团，矿井年生产能力为4M t/a。北辛窑井田位于宁武煤田轩岗矿区北部，其位置处于宁武静乐块坳东部区域构造复杂部位。地表大面积第四系黄土覆盖，基岩仅出露于沟谷两侧，山坡上有零星出露。根据勘探钻孔揭露的地层由老到新有：奥陶系、石炭系、二叠系、第四系。井田主采2#、5#、6#煤层，2#与5#煤层平均间距为5 8.1 9m。2#煤层均厚5.9 7m，属稳定煤层。1 9 9江西煤炭科技2023年第1期井田5#煤层位于太原组下部，与下伏6#煤层平均间距3.8 3m。煤层均厚1 1.8 4m，属稳定煤层。井田6号煤层位于太原组底部，与上覆5#煤层，平均间距3.8 3m，区内大部分区域赋存、可采。煤层均厚2.3 0m，结构简单，属较稳定煤层。现主要开采2#煤层的8 4 0 5工作面，长度是16 0 0m，倾向为2 0 0m，煤层密度为1.4 6t/m3。2采煤方法的选择当前，我国对于厚煤层及特厚煤层主要采用一次采全高、分层开采和放顶煤开采三种方法。随着采煤机械设备的不断发展，一次采全高已经从6.3m逐步增加到7.2m、8.0m、8.8m，并且已经在神华矿区试验成功。该方法减少了机械设备的搬家次数，降低了巷道的掘进及维护成本，提高了工作面煤炭的开采率，但是煤壁片帮现象时有发生，液压支架和围岩之间的作用难以预估。并且对于9m以上的特厚煤层，受限于机械设备的发展，还不能采用一次采全高的开采方法。因此对于特厚煤层的开采，目前往往采用后两种开采方法。2.1分层开采的采煤方法几十年前，我国对于厚煤层及特厚煤层主要采用分层开采的采煤方法。其往往是将特厚煤层分割成若干个厚度较小的煤层，再采用综采或综放的方法进行开采。在此过程中，无论是使用向上分层还是采用向下分层，都增加了铺网的过程，用于当做下一分层的人工假顶或人工假底。在开采第二分层或第三分层时，由于第一分层的巷道已经不在同一平面，往往还需另外掘进用于通风、运输的若干巷道，不仅增加了吨煤成本，还使开采系统变得冗杂，同时也增加了工作面搬家的次数与成本。因此，分层开采已经不是特厚煤层首选的高产高效开采方法。2.2综采放顶煤的采煤方法近年来，综合机械化放顶煤采煤方法已经成为特厚煤层开采的主要方法。与分层分步开采方法相比，放顶煤开采在同一工作面能够形成前部滚筒采煤机割煤、后部顶煤在液压支架和顶板作用下破煤并放煤的多点产煤途径，同时通过前刮板输送机和后刮板输送机一起运煤，形成了单位时间内高产高效的开采方式。放顶煤开采可以一次性通过割煤和放煤开采厚度高达1 0 2 0m的特厚煤层，填补了一次采全高在特厚煤层应用中的不足。并且，采用放顶煤的开采方法不仅对地质环境适应度比较高，还有效地减少了巷道的掘进量和回采工作面机械设备的搬家次数，降低了煤矿各巷道的维护成本，使得吨煤成本大幅降低。所以，从高产高效的可持续发展角度出发，综采放顶煤是特厚煤层开采的首选方法。3液压支架与顶底板的协同作用煤层开采中，在液压支架的支撑作用下，形成一定的采煤空间和工作空间，组成了顶板、底板与液压支架共同作用的一个整体，并随着采煤机不断割煤，液压支架与顶底板之间的相互作用反复循环进行。液压支架对顶煤的反复支撑作用促使顶煤不断破碎，随着开采的推进，后部顶煤的冒落，顶板的自重力在回转力的作用下继续对顶煤破碎。顶煤最终在液压支架和煤层顶板的共同作用下不断产生裂隙，并开始破碎，最终通过液压支架后部放煤口落入后刮板输送机而运出工作面。4综采放顶煤的设备选型4.1滚筒采煤机根据北辛窑煤矿8 4 0 5工作面的地质条件，煤层为近水平煤层。在保障安全生产的前提下，要实现滚筒采煤机在工作面通过遥控自由行走和制动，要有足够的牵引力。综合8 4 0 5工作面的生产状况和三级配套的原则，参照同类矿井的设备选型方案，选用双滚筒采煤机。根据8 4 0 5工作面开采方案，采煤机割煤高度为3.3m，放煤高度为2.6 7m。采煤机滚筒直径不小于割煤高度的二分之一，取2m。采煤机截深与 工 作 面 的 产 量 及 支 架 的 移 动 步 距 有 关，取0.8m。此时采煤机在1小时割煤的产量为：Qh6 0 Q（l+i）t1k(lcghfcgl/hg）-3 td(Q/bhgr）（1）式中：Qh为采煤机一小时的割煤量，t；Q为煤炭的日均采出量，取2 73 9 7t/d；l为采煤工作面距离，取2 2 0m；i为采煤机割煤时开缺口的长度，取3 3m；t1为生产班时长，四六制，取1 8h；k为滚筒采煤机的开机率，取6 0%；cg为割煤高度煤炭的回收率，取9 5%；hf为顶煤高度，取1 2.2m；hg为总高度减放 煤 高 度，取4 m；td为 采 煤 机 的 时 长，取5m i n；b为截深，取0.8m；r为密度，取1.3 8t/m3。结合北辛窑矿8 4 0 5工作面生产数据，代入式（1）可得，采煤机一小时的割煤产量为11 7 2t。此时采煤机的功率是：pw=hwQh（2）2 0 0江西煤炭科技2023年第1期式中：pw为采煤机的功率，k W；hw为采煤机的能耗，取0.8 5k Wh/t。代入数据，可以求得采煤机的功耗为9 9 6k W。而在实际开采中，以防矸石等地质体及地质构造的存在，往往将采煤机的功率稍高3 0%，则本工作面采煤机功率为1 2 9 3 k W。最终选取M G 5 0 0-1 3 0 0-WD型采煤机。4.2刮板输送机的选型综采放顶煤采煤方法通过滚筒割出的煤使用前刮板输送机运煤，顶煤使用后刮板输送机运煤。前刮板输送机要符合采煤机割煤时落煤后的运输需要，采用以下公式进行计算：Qq=Qckvkc（3）式中：Qq为单位时间内采煤机的割煤量，t/h；kv为前刮板输送机与滚筒采煤机相向行走的改进系数，取1.1；kc为滚筒采煤机割煤的不均匀参数，取1.3 5。由式（3）计算可得单位时间采煤机的割煤量为16 3 7t。为实现矿井的高产高效生产，滚筒采煤机在割煤的同时顶煤通过后部刮板输送机有序放煤，则可最大限度地增加单位时间内的煤炭产出量。因此，在进行工作面设备选型和参数配置时，要考虑滚筒采煤机的割煤时间与顶煤的放煤时间相协调，有效缩减它们彼此影响的时长。经计算，当割煤高度为4.0m时，后刮板输送机每小时的最小运输能力为25 6 2t。因此，前刮板输送机选用S G Z 9 0 0/2 6 5 0，后刮板输送机采用S G Z 1 1 0 0/2 8 5 0。4.3支架的选型液压支架的选取直接与工作面的安全生产密切相关。一般地，根据煤层地质条件，在借鉴类似工作面的基础上，在考虑支架工作阻力对围岩控制效果的前提下，根据支架的支撑高度和工作阻力来选取合理的液压支架。其中，液压支架的支撑高度必须大于割煤高度，即4m。最小支撑高度应小于割煤高度与开采时顶板的下沉值、液压支架的缩回量之差。按照经验，取顶板的下沉值为0.2m，液压支架的缩回量为0.1m，因此最小支撑高度应低于3.7m。有关液压支架的工作阻力的确定常用的方法有荷载法、实测法和理论计算法。根据北辛窑煤矿的生产情况，8 4 0 5工作面割煤高度为4m，放顶煤高度为1 2.2m，煤层埋深为4 2 0m，普氏系数f和安全系数分别为1.9及1.3。根据荷载法求得液压支架的工作阻力为：p=pm a x=(19 3 9+2.1 hm+4 7 1 f+1 5 5/hf)（4）式中：p为支架的工作阻力，k N；pm a x为支架的最大荷载，k N。由式（4）可得液压支架的工作阻力为1 20 7 5k N。因此，选取的液压支架型号为Z F 1 3 0 0 0/3 3/5 0，支架的支撑高度范围是3.3 5.0m，额定工作阻力为1 30 0 0k N，相邻支架之间的距离为1.7 5m，适用于倾角小于2 5 的煤层。同时，选取的相应的端 头 支 架 为Z T Z 1 8 0 0 0/3 3/5 0，过 渡 支 架 为Z F G 1 3 0 0 0/3 3/5 0。5应用效果北辛窑煤矿8 4 0 5工作面选用上述型号的采煤机、刮板输送机和液压支架，并在工作面支架上设置了矿山压力监测点，观测综放工作面机械设备选型的配套效果。通过矿压实测数据发现，老顶的初次来压及周期来压步距分别为3 8m和2 3m，来压时支架的读数明显增大，安全阀开启率增加，但由于支架的泄压保护措施，使得液压支架能够正常工作，并较好地对顶板起到了支撑作用。同时，观测割煤和放煤时刮板输送机的运输能力，能够及时满足落煤的运输。实践效果表明，采用以上的三机配套能够保证工作面的高产高效。此外，经过一段时间测试后发现，工作面月产高达1M t，日产最高达到0.0 4M t。同时在采掘和运输中通过减少不必要的损失，达到了增产0.7 9M t，很好地提高了煤炭的回采率并创造了额外的经济效益。6结语综放开采在特厚煤层的开采中由于具有采出率高、吨煤成本低等优势，已成为厚煤层及特厚煤层的主要开采方法。通过阐述厚煤层的开采方法，分析顶煤与围岩及支架的相互作用关系，对设计资料进行计算，得到了北辛窑煤矿综放工作面三机配套的选型方案，并通过实际应用效果的检测证实了选型的合理性。参考文献：1 杜伟剑，田海喜.磁窑沟煤矿1 3号煤层工作面综放开采三机设备选型研究J.石家庄：煤炭与化工，2 0 2 2，4 5（2）：6 2-6 6，7 0.2 许姣.综放工作面矿压显现规律及液压支架选型研究J.长治：煤，2 0 2 1，3 0（1 0）：4 2-4 4.3 师玉刚.煤矿综放工作面液压支架选型技术的研究（下转2 0 4页）2 0 1江西煤炭科技2023年第1期J.太原：机械管理开发，2 0 2 1，3 6（7）：1 7-1 8，2 1.4 樊伟.沙坪煤矿综放工作面刮板输送机选型研究J.北京：煤炭工程，2 0 1 9，5 1（S2）：2 7-3 0.5 董帅.复杂地质条件下煤矿综放工作面设备选型研究J.长沙：采矿技术，2 0 2 0，2 0（3）：1 1 5-1 1 7.6 姬刘亭.砂墩子矿井4-1煤采煤方法与设备选型设计研究J.北京：煤炭工程，2 0 1 9，5 1（8）：5-8.作者简介：邢鹏亮（1 9 9 3），男，毕业于河北工程大学自动化专业，助理工程师，研究方向：矿山机电技术与管理工作。收稿日期：2 0 2 2-0 6-1 0编辑：项元海时，再依次新增支架进行放煤。每个阶段放煤结束后都须进行尾梁和插板复位。3现场应用效果6 1 1 1 6智能化工作面自动化系统主要通过构建由顺槽控制中心、设备远程控制、采煤机记忆割煤、支架电液控、视频监控等控制平台。现场应用后，效果如下：表2传统与智能化综放开采井下作业人员数量统计原综放工作面智能化综放工作面工种人数/人工种人数/人放库工1井下集控中心值守人员（含值班电工）2皮带司机1机头、机尾端头支护工6转载机司机1工作面巡检人员3工作面前、后刮板输送机司机2放煤工1采煤机司机2采煤机司机1拉架工2-放顶煤工1-机头、机尾端头支护工6-值班电工1-班组长1-跟班副队长1-乳化液泵站司机1-合计2 0-1 31）实现液压支架、采煤机、刮板输送机等设备监控、远程控制。2）实现采煤机记忆截割采煤，具有端头进刀割三角煤及中部斜切进刀自动化等工艺；具有双向割煤，液压支架及时自动跟机作业，“一键”自动化放顶煤功能。通过集控中心辅助视频监控系统，实现远程干预；同时可实现综放自动化控制功能。3）对工作面的相关信息分类整理，通过以太环网将数据上传至地面集控中心，并能将工作面数据进行综合发布。4）改善劳动环境、降低井下人员数量及劳动强度。原综放开采与智能化综放开采井下作业人员数量统计结果如表2所示。4结语根据柳湾煤矿6 1 1 1 2 0综放工作面煤层赋存特征、综放设备布置情况以及煤炭开采条件等，将先进的智能化综放设备及控制技术应用到采面设备控制中，实现采煤机自动截割、液压支架移架及放煤等智能化控制。现场应用后，综放工作面智能化开采程度得以明显提升，采面作业人员数量由2 0人降至1 3人，为柳湾矿后续智能化综放工作面构建积累了宝贵经验。参考文献：1 王昌红.综放工作面智能化开采技术的研究J.太原：机械管理开发，2 0 2 2，3 7（3）：3 1 8-3 1 9，3 2 1.2 尚鹏宾.九里山矿智能化综放工作面关键技术研究与应用J.山东煤炭科技，2 0 2 1，3 9（1 2）：1 6 6-1 6 8，1 7 1.3 李伟.综放开采智能化控制系统研发与应用J.北京：煤炭科学技术，2 0 2 1，4 9（1 0）：1 2 8-1 3 5.4 马昆，翟文.智能综放工作面自动化放煤工艺分析与研究J.北京：中国煤炭，2 0 2 1，4 7（8）：3 4-4 0.5 秦文光.王家岭矿综放工作面智能化协同控制方案设计与实现J.北京：煤炭科学技术，2 0 2 1，4 9（S1）：5 3-5 8.6 吴亚军，王亚军，杨树新，等.特厚煤层综放工作面智能化开采研究与实践J.北京：中国煤炭，2 0 2 0，4 6（1 1）：4 9-5 7.作者简介：王 猛（1 9 8 9），男，山西灵石人，2 0 1 7年毕业于太原理工大学采矿工程专业，工程师，现从事煤矿机电设备管理工作。收稿日期：2 0 2 2-0 5-1 6编辑：许敦昂（上接2 0 1页）2 0 4