大倾角厚煤层轻型综采放顶煤开采实践·.pdf

3 6 2 2 0 0 8 年河北省煤炭行业总工程师会议文集 大倾角厚煤层轻型综采放顶煤开采实践 侯春明信锁林 峰峰集团牛儿庄矿，邯郸0 5 6 2 0 1 【摘要l牛儿庄东风井煤柱l 撑工作面，所采煤层平均厚度为5 ．5m ，煤岩层倾角2 1 。M 4 2 。， 采用轻型综采放顶煤支架进行放顶煤开采。从理论上对工作面的支架、采煤机及输送机的。三机” 稳定性进行了深人分析研究，提出了有针对性的防倒防滑控制设计及措施，并改进相应的采煤工 艺，以达到增强工作面“三机”配套系统的整体防倒防滑及稳定性能。通过井下工业性试验，证 实采取的防倒防滑措施是科学、有效的，并取得了较好的经济和社会效益。 【关键词】大倾角厚煤层放顶煤稳定性 1 实验工作面地质情况 实验工作面位于牛儿庄矿东风井保护煤柱内，煤厚为4 ．9 ～5 ．6m ，平均5 ．5m ，煤岩 层倾角2 2 0 - - - 4 2 0 ，属于大倾角，局部接近急倾斜。采用轻型综采放顶煤支架进行开采， 工作面运料道、溜子道均按设计摸底沿煤层走向布置，切眼摸煤层底板垂直溜子道布置。 煤层硬度系数f 2 ～3 ，且节理、裂隙发育，在顶板压力作用下，易松散冒落，顶煤便于 放出。煤层项底板岩性情况详如表l 所示。 表1 围岩特征 项目岩性厚度／m岩性特征 老项中砂岩1 1 ．O灰白色，含白云母炭质植物化石 直接顶粉砂岩 6 ．1 5 黑灰色、含炭质植物化石，节理发育 伪顶泥岩O ．5灰黑色，质软，含植物化石 直接底粉砂岩 3 ．8 灰黑色、含炭质植物化石，矽质 老底中砂岩 2 ．0 灰色，成分以石英为主，泥质胶结 ‘作者简介侯春明 1 9 6 4 一 男，采煤工程师，1 9 8 6 年毕业于河北峰峰煤矿学校采煤专业，2 0 0 2 年毕业于河北建筑科技学 院计算机应用专业 函授 ，现在河北峰峰集团有限公司牛儿庄矿从事采煤技术管理工作。 信锁林 1 9 6 2 一 男，高级工程师，1 9 8 2 年毕业于河北矿业学院，现任河北峰峰集团有限公司牛儿庄矿采煤副总工程师． 皮带输送机带式输送机 三呆煤学术篇 2 工作面主要设备及回采工艺 2 ．1 工作面主要设备及支架情况 2 ．1 ．1 工作面主要设备 表2 表2 工作面主要设备 设备名称型号功率／k W 采煤机M G l 5 0 ／3 6 5 ．W D3 6 5 液压支架 Z F Q 2 0 0 0 1 1 5 ／2 3 前部输送机 S G Z - 6 3 0 ／2 6 4 Q 2 “ 后部输送机S G 2 r 广6 3 0 ／2 6 4 H 2 6 4 乳化泵站M R B ．1 2 5 ／3 1 ．59 0 2 ．2 回采工艺 工作面布置如图1 所示。采煤方法采用走向长壁轻型综采放顶煤后退式采煤法。 割煤高度2 ．1m ，放顶煤高度3 ．4m 。采放比1 1 ．6 2 。工作面最大控顶距4 ．7m ，最小控 顶距4 ．2m ，移架步距0 ．5m 。 图1 工作面支架布置 ． 工序采煤机下行割煤一上行装煤一由下向上移架一由下向上推移前部输送机一由 下向上拉后部输送机一下行割煤一上行装煤一由下向上移架一由下向上推前部输送机一 由上向下放顶煤一由下向上拉后部输送机。 端头支架下端头采用单体液压支柱配合双楔铰接顶梁支护顶板，齐梁齐柱倒悬壁， 6 “ - 7 排控顶，前后部输送机机头各使用两对3 ．6m 长钢梁抬住机头正上的十字梁铰接顶 梁，一梁三柱，迈步前进步距为1m 。上端头采用轻放支架支护，工作面延长时及时加设 轻放支架。 安全出口支架上安全出口采用0 ．5m 0 ．5m 十字顶梁与0 ．5m 一字顶梁联合支护， 2 0 0 8 年河北省煤炭行业总工程师会议文集 下安全出口采用0 ．5m X 0 ．5m 十字顶梁、O ．5m 、0 ．8m 一字顶梁联合组成的铰接顶梁支架 支护。 ‘ 3 工作面设备配套系统稳定性分析 3 ．1 支架抗滑稳定性分析 支架受力力学模型如图2 所示，支架承受顶板压力合力Q ，支架自重G ，上下邻架 挤靠力马与￡，底板合力R 以及支架与项底板摩擦力Q 圻与砺，石、正为顶底板摩擦系 数，支架在上述力的作用下平衡。 I 图2 支架受力力学模型 当支架下滑力大于支架的最大摩擦力时，支架产生下滑的趋势。 下滑力为 Q G s i n a 互 抗滑力为互 Q G C O S 6 t 五 O e o s a 石 临界状态时O e o s a 彳 ￡ Q G C O S g t 五 Q G s i n a 互 支架下滑特征，分为两种情况①支架不接顶，即9 旬，同时有Z ≯瓦 0 ；②支 架接顶，即9 白0 ，同时有驴乃 0 。 1 支架在不接顶时，发生下滑时的临界角a a r c t a l l f 2 。不接顶时支架是否下滑仅与 支架与底板的摩擦系数有关，与支架重量、结构形式无关。 摩擦系数．正并非固定值，根据实际经验，取值范围最大可达0 ．2 2 2 “ - 0 ．8 1 9 ，相对应的 临界角为1 2 ．5 0 ～3 9 - 3 0 。 2 支架接顶时，有O e o s a 彳 Q G c o s t l 五 Q G s i n a f l 的值也随顶板岩性、 顶板条件而发生变化，但与正相比，该值在一定条件下较为稳定。为分析方便，取固定 ，1 1 值o ．3 ，同时令五 善，得t g a 五 ≠与石，a a r c t g L ≠≮z 。 u 1 ．r J T ．由上式可得出以下结论 1 支架接顶时的下滑临界角不但与支架对底板的摩擦系数有关，同时与支架载荷 三采煤学术篇 有关。 2 不论支架承载情况如何，随五值增大，极限角a 增大，设法增大五值能有效防 止下滑。 3 随顶板压力增大，极限角增大。但非按线性比例增大，顶板压力越大，增加幅 度越小。 3 ．2 支架静态翻倒力学分析 对如图2 所示的支架底座下侧D 点取力矩，有 T , h R c Q P G 矗 J I g 石 互 式中h 为支架高度，a 为D 点到支架重心重力作用线的垂直距离，e 为D 点到顶板 作用力的垂直距离。 支架自由状态时，是支架受力最简单的状态，此时有驴巧 o ，可分为两种情况讨论， 即支架支顶与支架不支项。 3 ．2 - 1 支架不支顶时的翻倒计算 此时有Q o ，忍 G l ，当支架重心线通过D 点时，支架处于极限平衡状态，此时a - - 0 ， D ；c o 锨一％ i I l z 2 0 。可见，支架翻倒与倾角、底座宽度及支架重心高度有关，倾角越大， Z 。 重心越高，支架越易翻倒。重心高度与倾角的关系如图3 所示。曲线以上为翻倒区域， 曲线以下为非翻倒区域，由图3 可见，支架重心越高，相应极限角越小。 扩 图3 重心高度与倾角关系图 3 ．2 ．2 支架支顶时的翻倒计算 支架通过升降架实现工作面推进中的支护过程，支架升架过程中，由于受到垂直于 顶梁的力，由此产生的摩擦力均有利于阻止支架翻倒。而支架在支护状态及降架时，受 到顶板垂直方向的作用力，此力沿顶梁平面向下的分力促使支架翻倒，因此，下面仅分 析被动受力的翻倒特征。 按力矩平衡分析，有以下几种情况 1 顶板合力作用线及支架自重作用线均位于D 点上侧，此时支架不会翻倒。 2 顶板压力合力作用线通过D 点，但自重作用线未超出D 点，支架不会翻倒，但 如果正p G ，则可能接近于临界状态。 3 顶板压力作用线位于D 点下侧，而自重作用线位于D 点上侧，是否翻倒应视Q 2 0 0 8 年河北省煤炭行业总工程师会议文集 及G 的比值而定，有R 十Q G 口 矗Q ，石 上式中，R 为支架受底板的反作用力，R Q c o s a G c o s a Q G c o s a ，如果处于 翻倒的临界状态，取C 卸，如果未处于临界状态，C 为0 “ - B ／2 之间的某一值，g 为Q 值 垂直于顶梁平面的分力，驴Qc o s a ，石为项板与顶梁的摩擦系数，其随接触条件不同有 较大的变化范围，取O ．3 。 当未处于临界状态时 。～挚卿咖 Q 扣毗s 血仅] 0 ．3 ∞s 二 当处于临界状态时 Q G f 鲁C O S a - - - - ％s i n 口1 o ．3 缈c 。s a P h s i n d 一旦c o s a 2 假定顶梁沿倾斜方向受均布载荷，则 Q l h s i n a - 罢c o s a G 詈c 。s a 一唿s 证a 。．3 Q 丙c o s a 整理得 Q I h s i n a - B 2c o s a - 0 ．3 h c o s a ] G 詈C O S a 驷a ’ 有 h s i n a 一一B c o s 0 2 即2 詈c o s 却i n a 0 当a 小于下限值，则顶板作用力Q 及自重G 作用线均未超出O ‘点，当口大于上限值， 则上述二力均超出了O 点，令 产0 ．4h ，h - 3 时，a 值的变化范围为1 6 ．3 。“ - 3 6 ．1 0 。 综合支架翻倒力学模型计算分析，可得出以下结论 1 支架在支护状态下，翻倒极限角分别与重心高度、支架实际支撑高度h 呈双曲 线关系，当重心高度小于2 ．5m 时，微量的重心降低，可使极限角有较大的增加。因此， 降低重心高度和支架支撑高度是防止支架翻倒的重要措施之一。 2 支架易发生翻倒是在降架及移架过程中，如果降架过多，项板破碎，导致支架 顶梁间隙过大，则可能导致支架翻倒。因此，擦顶移架是必须的。 3 支架宽度是影响翻倒的又一因素，采高越大，增加支架宽度能有效提高支架高 度上限值，在现有支架宽度下，可通过增设架间连接千斤项，相当于增加底座宽度，能 有效防倒。 3 ．3 工作面设备配套系统稳定分析 在回采工作面生产系统中，采用单向下行割煤、上行装煤的采煤工艺前提下，刮板 三采煤学术篇3 6 7 输送机载满煤，采煤机上行时，系统的稳定性最差，针对此状态下系统的稳定性进行分 析。 采煤机自重2 7 ．5t ，采煤机上行时所需要的牵引力F 为4 4 0 蝌，刮板输送机中部槽 包 括线架、铲煤板、销轨等 重l0 9 2k g ，刮板输送机单位长度上的装煤量1 2 5k g ／m ，按工 作面最大采长1 4 9m 计算，在工作面最大长度内采煤机、刮板输送机及其所运送的煤总 重量G 为1 8 03 6 6k g ，输送机与底板摩擦系数厂取0 ．5 2 ，煤层倾角口。 当采煤机上行牵引时，输送机产生的下滑力为G s i n a F 输送机同时受到向上的力为厂G c o s t r I - T 则输送机保持稳定所需要的抗滑力W G s i n a a F - - f G c , 0 5 a 即∥ 1 8 0 3 6 6 X s i n 4 2 0 十4 4 0 0 0 - - 0 ．5 2 X 1 8 0 3 6 6 X c o s 4 2 。 X 1 0 9 4 98 8 6 N 9 5 0 k N 液压支架向前后部输送机各提供的向上抗下滑拉力仁2 2 X1 0 8 23 7 6 k N ，r I V ． 从上面计算知，液压支架提供给刮板输送机、采煤机的向上抗下滑拉力远大于其稳 定所需要的抗滑力，因此设备配套系统是稳定的。 4 工作面设备防倒防滑设计及措施 ． 4 ．1 工作丽液压支架防倒防滑设计及措施 4 ．1 ．1 工作面下端前三架的防倒防滑 1 工作面下端头前三架 即l 拌、2 撑、3 群支架 ，作为工作面支架防倒防滑的稳固点， 是最关键的环节。这三架支架要在架前、架后各用一个顶缸连接，用顶缸连接，使相互 连成一个整体 图4 。 1 前梁连锁在支架前梁设计防倒装置，用拉伸千斤项将三架连接成一体，形成组 架。 2 底座连锁在支架底座后部用拉伸千斤顶将三架相互连接成一组，设计防滑装置。 如图5 所示 图4 工作面下端前3 架连锁图接 图5 前后部输送机拉紧防滑图 2 工作面下端头前3 个支架的移架方法先移端头第二架，到位后移第一架，移 第一架前，在该架下方沿支架支设一架一梁三柱走向支架，棚梁长度2 ．6 ～3 ．0m ，确保移 3 6 8 2 0 0 8 年河北省煤炭行业总工程师会议文集 第一架时支架沿走向原木支架带压前移。移过架后，及时移走向支架。最后移第三架。 3 工作面中部支架侧护每3 架留有1 5 0m 的间隙，便于调整支架，防止挤架、咬 架、倒架现象。 4 机组割煤严格控制采高在规定范围，严禁支架超高使用。 5 为增强支架拉紧前部运输机的能力和强度，增加支架前过桥钢板厚度 由2 5m m 加厚至4 0m m 。后拉运输机装置也进行了相应加固。 4 ．1 ．2 局部坡度较陡地段的防倒防滑 局部坡度较陡 4 2 0 地段，把单体支柱柱跟放在支架底座“U ”型挡块内，单体支 柱柱头和相邻支架顶梁上的“Ⅱ”型钢梁上，利用单体支柱对上一架形成向上推的作用， 起到防倒效果。 4 ．2 刮板输送机防滑装置的设计及措施 防止刮板输送机下滑方法有两种一是工艺防滑，二是机械防滑。 4 ．2 ．1 工艺防滑措施 1 工作面采取单向割煤，减小采煤机对输送机向下的推力。单向移溜，增强对输 送机向上的推力。 2 机头调采超前机尾。机头适当超前机尾，减小输送机下滑力。 4 ．2 ．2 机械防滑措施 1 利用液压支架拉紧前，后部刮板输送机。工作面支架的每五个支架中有两个支 架，在支架底座前、后各用一个拉伸千斤顶配链条与刮板输送机箱体连接，对刮板输送 机产生向上的拉力，防止输送机下滑， 图5 。 2 加长加宽工作面前、后部输送机上下机头底座尺寸，增设压戗柱数量，控制输 送机下滑。 4 ．3 采煤机防滑设计，改造及措施 4 ．3 ．1 采煤机防滑设计、改造 1 为保证采煤机组运行稳定，将机组导向滑靴尺寸加厚加宽。 2 采煤机组过负荷保护方式由机械构件断裂式改为牵引电机电流监测信号反馈式， 提高机组过负荷保护的可靠性。 3 改进电牵引采煤机组电机冷却水出水孔位置，确保机组在大倾角地段，牵引电 机内的冷排水也能全部顺利流出。 4 对采煤机组电控系统进行改造，增加动力制动功能。 4 ．3 ．2 采煤机防滑措施 1 机组下行割煤时，司机要注意适度掌握下行割煤速度，控制在lm ／m i n 。 2 机组上行装煤后，必须及时单向上行移溜，机组与移溜间距离不超过1 5m 。 3 加强采煤机的检修维护，保持采煤机工作防滑功能灵敏可靠，防止采煤机失控 下滑。 4 ．4 工作面防止煤．矸石滚落措施 1 在工作面煤壁机道内，每隔l O 架架设一道防护栏，即在煤壁的支架前梁下吊挂 一片宽1 ．5m ，高1 ．0 m 的胶带，且与煤壁成4 5 0 夹角。 2 工作面输送机司机在开车期间，站位要闪开前后部输送机正前方，在开车期间 三采煤学术篇3 6 9 严禁人员在机头正前行走或停留。 3 在人员须进入机道工作时，将机组和输送机停机并闭锁，工作地点下方不得有 人作业停留。 5 经济效益和社会效益 5 ．1 经济效益 东风井l 。轻型综采放顶煤工作面自2 0 0 6 年8 月正式开采至2 0 0 7 年2 月 有效生产天 数1 7 8 天 ，共生产原煤2 2 80 2 5t ，推进度2 1 2m ，平均日产l2 8 1t ，平均月产量3 84 3 0t ， 其中，最高日产达20 0 0t ，最高月产达6 00 0 0t 。与高档普采相比， 高档普采日推进度可 达到2m ，日产5 7 0t ，吨煤售价3 0 0 元，t ，吨煤成本1 8 0 元／t ，新增产值76 7 8 ．8 万元／年， 新增利润30 7 1 ．5 万元／年；多回收煤炭1 10 1 2 ．4t o 节省巷道掘进量22 0 0m ，年节省工资9 7 ．0 1 万元，支护材料费4 9 ．8 1 万元、节省巷道掘进费用7 1 5 万元，设备安装费用4 0 万元，合计 年创直接经济效益41 0 5 ．4 7 万元。 5 ．2 社会效益 通过对采煤“三机”配套设备进行防倒防滑控制设计，改进采煤工艺，实现了大倾 角特厚煤层条件下的安全回采，完善了轻型综采放顶煤工艺在不同地质条件下的安全、 高效开采。探索出一种适合于特殊地质环境下的轻型综采放顶煤工艺和设备技术配套管理 方法，解决了矿井地质构造复杂恶劣条件下的厚煤层开采问题，提高煤炭回收率，减少 资源浪费。有着广泛的推广应用前景。 参考文献 李鸿昌，等．采煤学【M 】．北京煤炭工业出版社，1 9 7 9 ．