大倾角薄煤层机械化开采技术与实践..

-1-大倾角薄煤层机械化开采技术与实践达竹煤电集团冯春一、引言按照煤炭工业技术政策规定：厚度在0.8—1.3m的煤炭称为薄煤层，0.8m以下的煤层称为极薄煤层；按通常说法和设计惯例倾角在0°--25°的煤层为近水平煤层，25°--45°的煤层为大倾角煤层，45°以上的为急倾斜煤层。我国薄煤层资源丰富，分布广泛，1.3m以下煤层可采储量约占20％，根据原煤炭部“九·五”末统计的数据，全国薄煤层和极薄煤层可采储量分别占全部可采储量的16.9％和2.8％。在一些省、区薄煤层储量比重很大，如四川省占60%，山东省54%,黑龙江省占51%，贵州省占37%。特别是在南方地区，有些省份薄煤层净占50%以上，而且薄煤层分布广，煤质好。但由于其开采煤层厚度薄，与中厚和厚煤层相比，薄煤层机械化开采存在着工作条件差，设备移动困难，煤层厚度变化、断层等地质构造，对薄煤层设备生产性能影响大，以及投入产出比高、经济效益不如厚与中厚煤层等特殊问题，造成薄煤层机械化开采技术发展速度相对缓慢。从达竹矿区的情况看，目前1m左右的薄和极薄煤层由于其分布广，煤质好，一直是各矿的主采煤层。据统计矿区0.8m及以下的煤层储量占60％左右，0.8m—1.3m的煤层储量占20％左右。长期以来我国煤炭企业为提高薄煤层采出率，减少资源浪费，在探索薄煤层机械化开采方面开展了大量研究和实践，取得了一些成绩；特别是近年来随着煤机制造技-2-术的快速发展、先进的煤机设计理念和关键技术的开发，适应这些煤层的机械化装备可靠性和安全性大大提高，薄煤层机械化甚至综合机械化开采技术得到迅速发展，工作面单产和工效有了大幅度提高，安全得到质的保障。下面我分几个方面介绍我们的一些做法，供大家学习和研讨，也希望各位同行多提宝贵意见，以利共同进步。二、薄煤层和极薄煤层机械化开采的主要方法薄煤层机械化开采工艺按采煤方法大致分为综合机械化开采、高档普采和其他开采方法（如炮采机装）三类；按煤层倾角可分为近水平（0°--25°）、大倾角（25°--45°）和急倾斜（大于45°）三类。主要采煤装备为：落煤装备（如滚筒式采煤机、刨煤机等）、支护装备（如单体液压支柱、综采支架等）、工作面运输机（如刮板输送机），通常称“三机”，也有集落煤和工作面输送为一体的螺旋钻机、刨运机等。下面我结合自己的工作经历和对本行业的了解逐一介绍。1.主要采煤装备1.1落煤装备落煤装备是实现机械化开采的主要装备，其种类比较多，常见的有滚筒式采煤机、刨煤机，还有较早使用过的截煤机（俗称掏槽机），也有近年来出现的螺旋钻机、刨运机等。截煤机因其任然采用放炮或人工落煤，属半机械化采煤，这里就不作介绍，下面简单介绍几种主要落煤装备：1.1.1螺旋钻机无人工作面的开采：回采工作面上无人，而是由螺旋钻机全部完成工作面内的破煤、装煤、运煤等各个工序，工作-3-面的设备检修也都在工作面以外的巷道中进行。该采煤方法具有工作面内无人员、无设备、安全保障系数高、系统环节少、用人少、掘进率少、设备配置少、材料消耗少等优点。但存在设备初期投资大，巷道施工断面大（12m2以上），资源回收率较低(约60％左右)等缺点。且煤层倾角越大设备占用的空间越大，一般倾角不大于25°。虽然其工效较高，但工作面单产水平较低（以国内最早使用的新汶矿务局为例，最高月产量仅5000吨左右），不能作为矿井主采工作面，目前主要用于回收边角煤。1.1.2刨煤机：刨煤机是一种井下采煤工作面集落煤、装煤、运煤自动化为一体的采煤机械。其原理是有落煤功能的刨头以安设在刮板运输机前沿的滑架作导轨，滑架内安设有上、下两层矿用圆环链，下链与刨头两端相连，并顺滑架延伸至机头、机尾，在绕过机头、机尾传动装置的链轮后与上链相连，形成无极链传动系统。机头、机尾各安设一台同步运行的电动机，电机运转时，圆环链牵引刨头在滑架上滑动。刨头滑行时其上的刨刀截割煤壁，刨落下的煤在刨头犁形斜面的作用下装入刮板运输机部分，并由该输送机运出工作面。它能适应0.6—2m的采高范围的近水平煤层，可以配自动化综采工作面，也可配高档普采工作面；刨煤机综采自动化成套设备国内已经装备多套（主要为进口的德国DBT系列），主要在北方煤层敷存条件稳定的薄煤层工作面，铁法矿务局小青矿装备在1.3m左右的工作面月单产都在10万吨以上。但它要求煤层敷存条件高度稳定，不能有起伏和地质构造，南方的矿井很难有此条件；同时用于高档普采时，刨采面上下缺-4-口达7m以上，机头（尾）传动装置占位较宽，无法直接用支柱护顶的最大宽度达2.5m，对于采高低于0.8m的极薄煤层，上下缺口需挑顶，工作量较大，加之设备频繁移动，护顶难度加大，准备工作量比较大，单产很难提高。达竹小河嘴矿、柏林矿都曾有过失败的教训。1.1.3滚筒式采煤机薄煤层滚筒式采煤机是目前应用最广泛的机械化采煤装备，可分为薄煤层双滚筒采煤机和爬底板式单滚筒采煤机两种，前者为薄煤层机型，后者为极薄煤层机型。1.1.3.1爬底板式采煤机：从20世纪80年代起，永荣矿务局便开始针对自身煤层的赋存条件，将采煤机在截装部、电动部、牵引部三个方面重新设计，研制出新一代爬底板滚筒式采煤机组，更好地适应了该局煤层薄特点，在0.53m至0.8m的极薄煤层中进行机采，经过几代改型，现已定型为MG100-TP。MG100-TP爬底板采煤机专为极薄煤层机械化而生产的单滚筒采煤机，它主要由牵引部、电动部、截装部以及导向、外部防尘、底托板等附件组成。采用侧面固定单滚筒，锚链牵引，沿煤层倾斜爬底板穿梭割煤，其最大特点是煤沿螺旋滚筒输入装煤部，装煤部转入工作面刮板运输机。该机可以适用于倾角不大于30°，煤厚0.53m—0.8m的极薄煤层开采。达竹集团从2006年引进该型采煤机用于极薄煤层高档普采工作面，目前共装备8个工作面，最高月产量达1.5万吨（采高0.75m），在采高0.53m的工作面也有月破万吨的纪录。-5-MG100-TP爬底板采煤机设计时间较早，该机结构为非对称布置，左右工作面各为一种机型，不能互换；整机为单电机驱动、老式液压系统牵引，由于传动效率低，装机功率小，对大倾角煤层不具有很强的适应性，尤其是在采面出现地质构造（如小断层、冲刷带）时，还需放震动炮，影响产量和工效。同时，由于其操作按键在煤壁侧，割煤司机存在一定的安全风险；还有一个缺点是其滚筒装煤效果差，采煤机后浮煤较多，需人工辅助装煤。针对上述问题，达竹集团与辽源煤机制造有限公司合作研制了MG110/130-TPD型爬底板电牵引采煤机，该机具有近距离遥控操作、多电机横向布置、摇臂有级跳高、结构上下对称布置、装煤效果好等特点，很好地解决了永荣采煤机存在的不足，目前正在达竹小河嘴煤矿进行工业性试验。1.1.3.2薄煤层双滚筒采煤机薄煤层双滚筒采煤机是目前应用最广泛的机械化采煤装备，它大量用于薄煤层综采和高档普采工作面。由于近年来煤机制造技术的快速进步，它的适应性也大大增强。从目前已有的机型看，倾角45°以下、煤厚0.75—1.3m的薄煤层都有应用。常用的机型有天地科技上海分公司生产的MG100/238-WD型薄煤层交流变频电牵引采煤机、辽源煤机制造有限公司生产的MG80/188-BWD薄煤层交流变频电牵引采煤机、鸡西煤矿机械制造有限公司生产的MG100/240-BW型薄煤层液压牵引采煤机。与这些机型相配套的薄煤层综采工作面在全国有很多，由于大多采用的是重型装备，高档普采仅适用于近水平煤层，大倾角高档普采-6-还比较困难。2主要机械化采煤方法2.1综合机械化开采综合机械化开采主要是指采煤工作面用机械设备落煤、工作面输送设备运输（大多为刮板输送机）、液压支架支护的一种采煤方法。在薄煤层中是近几年来才广泛兴起的一种较为先进的采煤方法。它具有产量高、工效高、用人少、工人劳动强度低、安全可靠度高等优点，也是目前的发展方向。它能适应大倾角乃至极倾斜地质构造较为复杂的煤层，可实现高度自动化开采。薄煤层乃至极薄煤层综合机械化开采解决的技术关键点主要有几个方面，一是“三机”设备配套的可行性，二是保证三个空间既过煤空间、过机空间和行人空间，三是设备特别是综采支架的安全可靠性。后面我将结合一些事例再作详细介绍。2.2高档普采高档普采主要是指采煤工作面用机械设备落煤、工作面刮板输送机运输、单体液压支柱支护（以前也有用金属摩擦支柱，现已禁用）的一种采煤方法。它相对于炮采工艺产量和工效都有较大提高，工艺简化、工人劳动强度较低。但支护工艺相对落后，对复杂顶板和软底工作面适应性较差，劳动强度偏大。目前，薄煤层主要用于近水平开采（不大于30°），由于极薄煤层综合机械化开采尚处于攻关阶段，爬底式高档普采是一个提高产量、降低工人劳动强度有效途径。下面的事例中将作详细介绍。2.3其他机械化开采方法-7-其他机械化开采方法中我着重介绍近年来较为流行的炮采机装采煤工艺。它采用放炮落煤、刮板输送机铲装及运输、悬移式支架或者掩护式液压支架支护，主要用于薄煤层及中厚煤层。比以前的炮采工艺减少了攉煤环节，支护工艺也有较大改善，适应煤层倾角比较广泛，大倾角、极倾斜煤层均可采用。其关键是解决好工作面设备的防滑问题。三、达竹公司在薄煤层和极薄煤层机械化开采上的一些实践达竹煤电集团公司是四川省煤炭产业集团最东边的一个子公司，公司下辖六对生产矿井，分别分布在达县和大竹县境内，其中有四对矿井属“文革”中简易投产的矿井，另有一对属停缓建矿井。公司各矿资源赋存条件差，绝大部分为薄煤层和极薄煤层，且地质构造复杂，断层多，采高和倾角变化大，顶底板稳定性差。近年来达竹公司一直把大力发展机械化作为争创全国同类型一流企业重要举措来抓，收到了明显成效，目前，全公司共有综采工作面4个，高档普采工作面9个，2009年1至7月机采率达66%；综合掘进机3台，最高月单进304m；侧卸式装岩机6台。柏林、小河嘴两矿均实现全机械化采煤，采煤工作面机采率均达100%。今年头七个月，全公司生产原煤141.57万吨，其中，机采产量95.15万吨，综采产量49.85万吨。今年上半年达竹公司与辽源煤矿机械制造有限公司联合开发了MG110/130-TPD型极薄煤层电牵引爬底板采煤机，八月在小河嘴煤矿正式投入试运行，达竹公司从此拥有了具有自主知识产权的采煤机组。-8-2009年9月末，达竹公司一次性订购三套薄煤层综采成套设备，采用了国内最先进的电液控制或先导控制手段，为将来实现无人化开采奠定基础，将在今年11月前全部投入运行；与山东矿机集团和辽源煤机制造公司合作研发具有自主知识产权的极薄煤层（采高0.65m）爬底板综采成套设备正在进行样机制作，将在今年内实施。下面我详细介绍几个典型薄煤层和极薄煤层机械化开采案例。3.1柏林矿极薄煤层爬底式高档普采0452工作面位于±0m水平045采区北翼第一区段，为045采区K24煤层首采工作面，工作面煤厚0.48～0.54m，平均0.53m，倾角260～280，平均270，设计走向长度620m，倾斜长度平均115m。工作面采用走向长壁后退式开采，即由北往南推进。至2006年12月，已炮采推进226m。0836工作面位于±0m水平K18煤层083采区第三区段北翼，工作面煤厚0.19～0.61m，平均0.56m，煤层倾角220～240，平均230，设计走向长度574m，倾斜长度平均87m。工作面采用走向长壁后退式开采，即由北往南推进。3.1.1采煤机主要结构、参数与滚筒配置情况(1)结构与工作原理它由牵引部、电动部、截装部以及导向、防尘、底托板等附件组成。采用侧面固定单滚筒。锚链牵引，沿煤层倾斜爬底板穿梭割煤，煤沿螺旋滚筒输入装煤部，装煤部转入工作面运输机。(2)电动机为两端偏心130出轴，分别传动牵引部。-9-牵引部为液压传动，电动机通过齿轮联轴器将动力传动到Ⅰ轴，Ⅰ轴齿轮同时带动辅助泵及主油泵齿轮，辅助泵，主油泵开始供油，主油泵与马达形成闭合回路。将机械能转为压力能，通过三级减速，主链轮转动，沿着牵引链爬行，从而实现了采煤机的牵引。电机的另一端通过一对齿轮联轴器到Ⅰ轴，再经过一对弧伞齿，三对直齿迂回传动到螺旋滚筒大轴，大轴转动，带动螺旋