厚煤层分层开采再生顶板和设备配套问题研究.pdf

焦作工学 院学报 自然科学版 ，第 2 2卷 ，第 1期 ，2 0 0 3年 1月 J o u r n a l o f J i a o z u o I n s t i t u t e o f Te c h n o l o g y Na t u r a l S c i e n c e ，Vo 1 ． 2 2，No ． 1 ，J a n ． 2 0 0 3 厚煤层分层开采再生顶板和设备配套 问题研究 杨 书召 ，翟新献 ，康全 玉 ，李化敏 焦作工学 院，河南 焦作 4 5 4 0 0 0 摘 要 研 究 了分 层 综采 采 空 区注浆 工 艺和 下分层 开 采再 生顶 板岩层 结 构 ，据 分层 综采 工作 面 设 备 配套 特征 ，提 出了工作 面液 压 支 架设 备 选型 的要 求 ，进 而对 我 国 高产 高效矿 井建设模 式 进 行 分 类 ，总结 了分层 综采 工 作面设 备 配套 方案 ． 关键词 厚 煤 层 ；分层 开 采 ；再 生顶板 ；设 备 配套 中 图分类 号 T D 8 2 3 ． 2 5 3 文献标 识码 A 文 章编 号 1 0 0 7 - 7 3 3 2 2 0 0 3 O 1 0 0 0 5 0 4 1 分层综 采开采技术 的必 要性 我国厚煤层储量 和产量约 占原煤总储量 和总产量的 4 5 ％左右，因受矿井地质条件和技 术经济条 件的限制 ，主要采用三种采煤方法 ，即厚煤层大采高一次采全厚综合机械化采煤法 、分层综合机械化 采煤法和放顶煤综合机械化采煤法⋯ ．目前对于厚度为3 ． 5 ～4 ． 7 m 的缓倾斜厚煤层的综采设备已经 实 现 了国产 化 ，经 过 多年来 生 产 实践 的 检 验 ，证 明 国产设 备 的性 能 和质 量 已达 到 了 国外 同类 产 品 2 0 世 纪 9 0年 代水 平 ，大 采 高采 煤法 在技 术上 已经 成 熟 ，今 后 可 在适 宜 的 地 质 条 件下 推 广 应 用 ．但 大采 高一次采全厚采煤法存在以下问题需要改进 工作面产量和经济效益并未随采高的增加按 比例同步增 长 ，所 以大 采高 有 一定 的 局 限性 ；大采 高液 压 支架 的 防倒 防滑 问题 、横 向 和纵 向稳 定 性 以及 支 架 护 帮、对端面顶板的支护强度问题都需要改进 ．放顶煤采煤法与分层综采相 比具有 保持和创造了我国 长壁工作面高产高效纪录；综放工作面实现高产高效具有普遍性规律 ；综放开采巷道掘进率低 ，原煤 成本降低 ．但综放 开采在生产实践中也存在一些较分层综采复杂的问题 ，如煤尘 、自然发火以及工作 面采出率偏低等问题有待继续研究 ． 据 统计 ，2 0 0 0年全 国 7 6个百 万 吨综采 队中 ，采用 分层 综 采技 术 和综 放 开 采技 术 的综 采 队 分别 为 4 9和 2 7个 ，各 占全国创水平综采 队的6 4 ． 5 ％和 3 5 ． 5 ％．如 以全 国现有的 2 2 0个综采队计算 ，综放开 采所 占的 比例将 更 小 ，所 以 目前乃 至今 后相 当长时 期 内 ，分 层综 采技 术 仍是 我 国厚煤 层 主导 的开 采技 术 ，同时 也 是世 界煤 炭 开采 技 术发 展 的方 向 ． 2 分层综 采采空 区注浆形成再生顶板 厚煤层分层开采时，特别是顶分层开采 ，为预防采空区 自然发火 ，促使再生顶板的形成 ，通常要 进行采空 区注浆 ．注浆材料主要为具有一定粘结性能的黄土．首先在地 面制浆站将黄土搅拌成泥浆 ， 土 水重 量 比为 1 2 ． 5，然 后 利用 注浆 管 道将 泥浆 输 送 到 待注 的采 空 区上 端 ．注 浆 的 方 法 主要 有 在 回 风平巷 内向采 空 区埋 管灌 浆 和沿 工作 面方 向向采 空 区洒 浆 两 种 ，前 者 注 浆方 法 简 单 ，但 注 浆 不 均匀 ， 材 料消耗 大 ，后者 注 浆时 间较 长 ，但 注浆 均 匀 ，材料 消耗 较少 ，在 平 顶 山煤 业 集 团一 矿分 层开 采 中得 到 了广 泛应 用 ． 收稿 日期 2 0 0 2 0 9 2 4 基金项 目河南省科技攻关项 目，编号 9 8 1 1 5 0 1 1 8 作 者简介 杨书召 1 9 6 9 一 ，男 ，工程师 ，硕士研究生 ，主要从事安全 生产监督管理工作 _ 啊 蕾 1 f ■ i 一 维普资讯 6 焦作工学 院学报 自然科 学版 2 0 0 3年第 2 2卷 2． 1 采 空 区注 浆工 艺 把注 浆 工艺 列 为 采 煤 工 艺 中 一 个 工 序 进 行 管 理 ，是 分层 综采 所 特 有 的 ．每班 抽 一名 工人 专 门从 事 此工 作 ，在 移架后 进 行注 浆 ． 先将 地 面制 浆站 的泥浆 ，利用 钢管 通 过静 压输 送 到工作 面 回风 平巷 机 尾外 2 0 ～3 0 m 处 ，然后 用 中压 胶 管 输送 到工 作 面 内 ，间 隔 3 m 接 一 个 控 制 阀和 支管 ，支管长 度 为 4 m，如 图 1所示 ．注 浆工 作 在 移架 后 进行 ，由 机 头和 机尾 方 向逐架 进 行 ．手 持注 浆管 ，从 支架后 掩 护梁 的缝 隙处 向采 空 区喷射 黄泥 浆 ．注 浆时 喷 头尽 量 抬高 ，增 加所 喷岩 石厚 度 ，注 浆量 一般 控 制 在将 支架 后部 岩 石均 匀 喷湿 为 宜 ，喷洒 后及 时关 闭 控制 阀 ，每班 工 作结 束后及时关闭风巷 内的总控制阀． 2 ． 2 再 生 顶板 结构 厚煤层分层开采后 ，下分层开采时采煤工作面上方岩层经一次冒落重 新压 实后形 成 再生 顶 板 ，平顶 山煤业 集 团一 矿戊 组厚 煤层 再生 顶 板各 岩层 的特征 如 图 2，再生 顶板 各 岩层 从 下 到 上依 次 为 第 一层 是 粘 附 在 金属 网之 下压 实 了 的浮煤 层 ，厚 度 约 5 0 mm，随采 随落 ，为工 作 面 伪顶 ，可 作为 进 入假 顶 的标 志层 ；第二层 为 黄泥 浆 和松 散破碎 岩石 组成 的胶 结层 ，厚 度 4 0 0 ～8 0 0 mm，为 下 分层 工 作 面 的直接 顶 板 ， 金属 网锈 结好 坏 直接 影 响 到下分 层 工作 面正 常 开采 ；第 三层 为位 于 胶结层之上 ，顶分层开采时垮落带 内的冒落岩层 ；第 四层为顶分层 开采 时 裂 隙带 内 的岩层 ，岩层 完整 性较 好 ，岩 石块 度较 大 ．下 分层 开采 下 位裂 隙 带岩 层转 化 为 冒落带 ，使 老顶 岩 层 向上位 裂 隙带 岩层 移 动 ． 3 分层综采工作面 设备配套与选型 3 1 分层 综 采工 作面 设 备配 套 分层综采工作面设备配套受多种因素影响，要实现各设备之间 l 5 ． j 7 |l}I I 1 工作面注浆系统 Fi g． 1 The c oa l f a c e gr ou t e d s y s t e m 1 一制浆站2 一 四寸钢管 3 2寸钢管 4 一总阀门 5 -- 【 l】 2 5 5胶管6 控制 7 一小1 9 5胶管 图 2 下分层工作面再生顶板各 岩层特 征 F i g ． 2 Th e c h a r a c t e r i s tic s o f r e pr o duc i ng r oof s t r a t a of t h e l owe r s l i c e c oa l f a c e 1 一浮煤层 2 一胶结层3 松散层 4 一裂隙带岩层 的最佳优化组合 ，使工作面取得最佳 的经济技术效果 ，设备配套应符合二个基本原则 依据矿井开采 设计中采煤工作面年设计生产能力作为设备配套的第一原则．随着技术进步 ，分层综采工作面生产能 力将 不 断提 高 ，应把 近期 设 计能 力 与 中长 期 目标 有机 结合 起来 ；遵循 矿井 开采 设计 中设备 投 资费用 原 则．当由于市场变化和其他原因造成投资明显不足时 ，应争取投资决不能降低设备 配套档次． 分层综采工作面 “ 三机”一采煤 机、刮板输送机和液压支架 ，是整套综采设备的重点， “ 三机” 配套是整套综采设备的核心 ．采煤机依靠刮板输送机导向割煤 ，刮板输送 机依靠液压支架为支点推 移 ，液压支架又依靠输送机支承前移 ，因此要求 “ 三机”在横断面尺寸、设备性能、设备生产能力之 间相 互 匹配 ，实 现分 层综 采 工作 面 的最 大生 产 能力 和安 全生 产 2． 3 ． 2分 层 综采 工作 面设 备 选型 分层综采工作面设备选型时，对采煤机 、刮板输送机没有特殊要求 ，选型的重点是液压支架 ，对 顶分 层 及 中 、下 分 层 开采 时 ，支架 各有 不 同 的要求 ． 液 压支 架选 型 的基 本 原则 ．液 压 支架 吨位 合理 ．支 架 的重量 应控 制 在矿 井辅 助 运输 设备 的运 输能 力 范 围 内．液 压 支架 的重 量 如果太 重 ，超 过 了矿井 辅助 运输 设备 的能力 ，支架需 要 解体 运输 ，耗 费大 量 的人 力 和物 力 ，所 以支 架应 尽可 能 降低 重量 ，必 要 时 采 用高 强 度 材料 ；支 架 的运 输 高度 尽 可 能小 ． 支架的最小高度通常就是其运输高度 ．支架高度低 ，重心低 ，装车平稳 ，对运输巷道的高度没有特殊 要求．生产矿井，对于井下主要巷道 、风门等尺寸已经定型，在不需要改造 的情况下 ，能够满足支架 运输 的要求 ；支架的支撑高度有较大的变化范 围．液压支架的高度伸缩性大，能够适应 的采高范围就 大 ．液 压 支架 不但 能 够满 足 不 同采 高 工作 面 支护 的需要 ，而且 也能 适应 断层 、煤 厚 变化 条件 下 开采 的 维普资讯 第 l 期 杨 书召等 厚煤层分层 开采再生顶板和设备配套 问题研究 7 需要 ；支架结构有较强的适应性 ．在支架设计时 ，应满足矿井不同地质条件下对支架结构要求 ，使支 架尽 可 能适 应顶 分 层 、 中 、下 分 层 和单 一 煤层 开采 的需要 ． 顶分层开采对液压支架的要求 ．由于顶分层工作面顶板为岩石，所以顶分层开采对液压支架支护 强度的要求 比下分层大，可根据实测矿压或根据顶板类型估算确定支架 的支护强度。如果老顶周期来 压 显现 明显 ，立 柱和平 衡 千斤 顶 的安 全 阀要采 用 中流 量或 大 流量 ，否 则 支架 卸 、让 压速 度较 小 ，造 成 支架构件的损坏 ；顶分层工作面底板为煤层 ，属于软底板 ，所 以支架底座前 端对底板 比压越小越好， 可以防止支架扎底 ；顶分层开采瓦斯涌出量较下分层大 ，所以较大的通风量要求工作面支架应有较大 的通 风断 面 ． 中、下分层开采对液压支架的要求 ．下分层工作面顶板为再生顶板 ，底板为煤层或软岩层 ，要求 支架底座前端对底板 比压越小越好 ，防止支架扎底 ；中、下分层开采要求支架的最大支撑高度比采高 要有 较大 富裕 量 ，顶 板 漏 、 冒顶时 也能 有效 支护 顶板 ，防止 空 顶 、倒 架 ；液 压支 架 与刮 板输 送机 、采 煤机 配套 ，按 及 时 护顶 方式 进 行 ，实 际生产 中可 以超 前 移架 ，使 支架 顶 梁 紧靠 煤 壁 ，防止 片 帮漏 顶 ． 液压 支架 也 可采 用带 压 移架 方 式 ，防 止漏 、 冒顶发 生 ；支架 应具 有 完善 的侧 护装 置 ． 液 压支架 型式 ．分 层 开采 液压 支架 由底 座 、掩 护 梁和 四连 杆机 构组 成 ，支架 型 式 的变化 在 于顶梁 和立柱的不同组合 ．顶梁 可分为整体顶梁和铰接顶梁，梁端可安设伸缩梁或护帮板．立柱 有 四柱 和两 柱 之分 ．立柱伸 缩 有 三种 形式 ，即液 压单 向伸 缩 、液 压双 向伸 缩 、液 压伸缩 加 机械 加长 调节 段 ． 选择液压支架型式应尽可能简单化，支架结构越简单 ，强度越大 ，液压控制就越简单 ，可靠度提 高 ，便于实现 自动化．从国际采煤 行业应用液压支架情况来看 ，两柱掩护式整体顶梁支架被普遍采 用 ，它可以适应各种类型顶板的要求 ．如美国 9 7 ％以上 的液压支架采用高阻力整体顶梁两柱掩护式 支架 ，工作阻力大多在 6 0 0 0 k N以上 ，最高已达 1 0 0 0 0 k N． 4 分层综采工 作面设备配套方案 4 ． 1 高产高效矿井建设模式 我国高产高效矿井建设是在发展综合机械化采煤技术的基础上发展起来的，高产高效矿井建设模 式 有 三种 基本 形 式 采用 国 内研 制 的全套 国产大 功率 新 型综采 设 备装 备 的 综 采 工 作 面 ，达 到 了 日产 7 0 0 0 t 以上 ，年产 2 0 0万 t 以上；引进部分关键综采设备 ，如电牵引采煤机 、重型刮板输送机、液压 泵站、3 ． 3 k V变电站和供配电设备等 ，配以国产装有大流量阀组 的液压支架 和大运量带式输送机装 备的高产高效综采工作面，达到 日产 7 0 0 0 ～1 0 0 0 0 t 水平 ，年产 2 0 0 ～3 0 0万 t ；全套引进国外高产高 效综 采设 备装 备 的综 采 工作 面 ，达 到平 均 日产 1 0 0 0 0 t 以上 ，年产 3 0 0万 t 以上 ．神华 集 团 神府 精煤 公 司大柳 塔煤 矿 ，1 9 9 6年 1月 6日建 成 投 产 ，当年 在 外 部运 输 能 力 不 足 ，综 采 工 作 面基 本 上 处 于 一 班生产情况下 ，仍年产原煤 2 4 2万 t ，最高 日产为 2 1 4 0 3 t ，最高班产为 1 1 8 6 9 t ，矿井年平均全员工 效为 1 2 ． 6 2 t ／ T ，工作 面 年 平均 工效 为 1 0 2 ． 9 8 t ／ 工 ．2 0 0 1年 ，该矿 3 4 5名 员 工 ，年产 原煤 8 0 0万 t ． 4 ． 2分 层综 采 工作 面设 备 配套 方案 实例 我国现有综采工作面 “ 三机”配套方案 1 0 0余种 ，其 中分层综采工作面使用效果好的 “ 三机”配 套方案有 2 O余种- 3 J ．平煤一矿不同时期分层综采应用液压 支架及配套设备情况如表 1 ．综采工作面 液压支架 由四柱支撑掩护式 、铰接顶梁 ，发展 到两柱掩护式、整体顶梁支架 ．为满足分层开采的需 要，支架顶梁前端设计安装 了可伸平的护帮板 ，并使顶梁两侧侧护板接近梁端 ，保证支架及时护顶 、 防止 架 间漏矸 ，使 支架 既 可 回采顶 板条 件较 好 的上分 层 工作 面 ，又 可 回采 顶 板条 件相 对较 差 的下分 层 工作 面 ；支架 顶 梁相 对 较 长 ，支 架 拥有 较大 的通 风 断面 ，以适 应 深部 瓦斯 含 量增 大 的需要 ，从 而 为工 作面提供 良好 的工作环境．支架立柱均系机械和液压双伸缩 ，有较大伸缩高度 ，能满足煤层厚度变化 的需 要 ，而且 便 于运 输 ．采 面 配套 较大 流量 2 o o L ／ mi n 的乳 化液 泵 和 大 直 径 管路 ，立 柱 和推 移 千斤顶的液压 回路也选用大流量的液压元件 ，以满足高产高效工作面快速移架 、推溜和支护的需要 ． j 丽 阅『 T ■■～ 维普资讯 8 焦 作工学院学报 自然科学版 2 0 0 3年第 2 2卷 支 架型 号 主 要 技 术 特 征 主 要 配 套设 备 应用年代 平 煤一 矿在 高产 高效 矿 井 建 设中，逐渐形成 了经济型分层综 采工作设备配套的四种方案 ，如 表 2所示．四种配套方案中方案 2实施 效 果最 佳 ，即综 采三 队 1 9 9 8年在戊8 1 0 2 1 1 9 1上分层工 作 面 中，利 用 Z Y2 4 0 0 --1 4 ／ 3 2 型两柱 掩 护式 支架 、MX A3 8 0 E 表 2 分层综采工作 面设 备配套方案 Ta b． 2 Th e s c h e m e s o f s l i c i n g c o a l f a c e e q u i p m e n t f o r mi n g a c o mp l e t e s e t 电牵引采煤机和英 国 L W--8 0 0 ／ 7 5 0型侧卸式刮板输送机 ，创造出年产 2 0 1 万 t 的先进生产纪 录 参考 文献 [ 1 ] 陈炎光 ，徐永圻 ．中国采煤方法 [ M] ．徐州 中国矿 业大学 出版社 ，1 9 9 1 ． [ 2 ] 武同振 ，赵宏珠 ，吴 国华 ．综 采综掘高档普采设备选 型与配套图集 [ M] ．徐 州 中国矿业 大学 出版社 ，1 9 9 3 [ 3 ] 综 采技术手册编委员 ．综 采技术手册 上 、下册 [ M] ．北京 煤 炭工业 出版社 ，2 0 0 1 ． St u dy o n r e p r o d u c i ng r o o f s t r a t a a nd t he e q u i p me nt f o r mi ng a c o m p l e t e s e t o f t hi c k c o a l s e a m s l i c i n g YANG Sh u z h a o，ZHAI Xi n x i a n， J i a o z u o I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y KANG Qu a n y u，LI Hu a mi n J i a o z u o 4 5 4 0 0 0。 C li n a Ab s t r a c t Gob g r ou t e d t e c hn o l o g y o f s l i c i ng a n d f u l l y me c h a ni z e d m i ni n g a nd t he s t r u c t u r e o f r e p r o d uc i n g r o o f s t r a t a o f t hi c k s e a ms s l i c i n g a r e s t u d i e d． Ba s e d o n t h e c ha r a c t e r i s t i c s o f t h e e q ui pme nt f o r mi ng a c o mpl e t e s e t o f s l i c i n g c o a l f a c e， t he r e qu i r e me nt o f c h oo s i n g t yp e s o f t he hy dr a u l i c s u p p o r t s i s d e mo n s t r a t e d． Af t e r h i g h o ut pu t a n d h i g h e f f i c i e n t mi n e s c o n s t r u c t e d mo d e l s i n Chi na h a v e b e e n c l a s s i f i e d， t h e s c he me s o f t h e e q u i p me n t f o r m i ng a c omp l e t e s e t o f s l i c i ng c o a l f a c e a r e s u mme d u p． Ke y wo r d s t hi c k c o a l s e a ms ； s l i c i n g； r e p r o du c i n g r o o f s t r a t a； e qu i pme nt f o r mi ng a c o m p l e t e s e t 本 文责任 编校李 文清 维普资讯