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第 卷第 期煤 炭 科 学 技 术 年 月 . 移动扫码阅读 杨俊哲.. 智能超大采高综采工作面关键技术与装备.煤炭科学技术 / . . . / . 智能超大采高综采工作面关键技术与装备 杨 俊 哲 神华神东煤炭集团有限责任公司陕西 神木 摘 要为解决浅埋煤层. 特厚煤层一次采全高安全高效开采的问题以上湾煤矿首个 . 超大采 高综采工作面 工作面为研究对象利用数值模拟、现场实践以及工程类比等手段在设备配套、围岩 控制、回采技术以及信息化方面进行技术攻关形成了一套 . 超大采高一次采全高综采关键技术 实 践证明采取的巷道支护、采场矿压监测、三角区顶板控制、支架自动增压补液、防片帮、防漏矸、回采工艺、 工程质量控制以及信息化等技术保证了综采面安全高效回采 . 超大采高一次采全高综采设备选型 及配套合理不仅能够满足综采面生产、支护以及运输需要而且生产能力显著提升 该综采工作面与同煤 层 大采高综采工作面相比可多回采煤炭 万采出率提高了. 该成套装备、工艺及关键技术 的研发和应用为类似条件下特厚煤层的开采提供技术指导和借鉴 关键词. 超大采高厚煤层一次采全高智能开采 中图分类号. 文献标志码 文章编号 . .. . . . . . . . . . . .. . . . 收稿日期责任编辑朱恩光 基金项目国家重点研发计划资助项目 作者简介杨俊哲男陕西洋县人教授级高级工程师博士现任神华神东煤炭集团有限责任公司副总经理兼总工程师 引 言 我国煤炭在一次能源消费中的比例达 以 上 厚煤层可采储量约占全国煤炭总可采储量 的 厚煤层条件下实现安全、高效、高采出率开 采对我国煤炭工业的发展具有重要影响 厚煤 中国煤炭行业知识服务平台w w w . c h in a c a j . n et 杨俊哲. 智能超大采高综采工作面关键技术与装备 年第 期 层一次采全高综采一直是世界煤矿生产技术主要竞 争区域随着采矿理论、采煤技术、装备制造等多方 面创新和发展使得厚煤层综采技术得到快速发展 孟宪锐等重点从开采技术与工艺以及安全生产 现状方面对厚煤层开采的 种方法进行了分析指 出了目前我国厚煤层开采现状及国家的技术政策 确定了厚煤层开采技术研究的重点和发展方向 高 进等针对神东矿区煤层赋存状况在对比分析分 层开采、放顶煤开采和一次采全高开采技术后确定 了一次采全高开采技术更适应神东矿区厚煤层开采 的条件验证了 . 大采高综采面配套设备的现 场运行效果采出率达到 以上为神东矿区地 质条件类似的 . 及以上厚煤层一次采全高提供 了可行的参考依据 文献针对厚煤层超大采 高综采建立了顶板岩层断裂失稳的“悬臂梁砌体 梁”力学模型分析了“悬臂梁”破坏失稳的空间条 件与力学条件 在此基础上研发了增容缓冲抗冲击 立柱、液压支架群组协同控制系统及“大梯度小台 阶”配套方式实现了金鸡滩煤矿 . 超大采高工 作面安全高效开采 李智斐通过研究得出采高 增大端面煤壁破坏范围增大采高增加岩层移动 的范围与顶板成半拱结构的概率增加支架对顶板 支撑力合力作用点前移 采高增大超前支承压力 峰值增大位置靠近煤壁说明在大采高条件下综采 面矿压显现加剧 文献通过相似模拟等手 段对 . 大采高工作面的矿压规律进行了研究 分析推进距离与来压步距、增载系数和支架最大工 作阻力的关系为大采高工作面支护工艺技术水平 的提高提供了技术参考 近年来综合机械化开采技术在神东公司得到 广泛推广和应用取得较好的经济效益技术相对成 熟但对于 . 以上特厚煤层一次采全高综采尚 没有成熟的经验可借鉴其技术与之前的大采高工 作面存在很大差别也面临很多困难和挑战如超 大断面半圆拱岩巷的掘进、支护问题超大采高成套 设备开发、配套难度大适应工作面要求更高采煤 机、支架、三机等设备重量、尺寸加大对关键结构的 选材配置及应对极端情况的要求更高大断面超长 距离巷道通风问题大运量要求设备满载起启性能 更高 设备配套方面采煤机、液压支架、刮板输送 机以及安装回撤设备在生产能力、工作阻力、运行 方式以及承载能力等方面设计和研发难度大围岩 控制方面围岩由“回转失稳”向“滑落失稳”发展 开采扰动范围大动载矿压明显顶板支护难度大 煤壁承载压力大幅增加自稳定性差片帮冒顶难以 控制回采技术方面为了提高生产效率及资源采出 率回采工艺的选择工程质量控制难度增加信息 化方面如何将成套重要设备智能控制、故障预警及 专家决策平台、无线传输网络平台以及可视化系统 等新技术应用在井下提高智能化开采的同时达到 无人开采的目标 因此笔者结合上湾煤矿 煤四 盘区开采地质条件论述了 . 超大采高一次采 全高成套装备、工艺及关键技术的研发和应用 工作面概况 上湾煤矿 煤四盘区位于矿井中部盘区东西 倾向长度约 . 南北走向长度约 . 盘区 面积 . 煤层标高 盘区 煤厚 .. 平均可采厚度 . 煤层倾 角 属较稳定煤层 盘区地质储量 . 亿 设计可采储量 . 亿 共布置 个超大采高工作 面服务年限 工作面为 煤四盘区首采面倾向长度 . 走向长度 . 煤层倾角 煤层 厚度.. 平均厚度. 埋深 回采面积 . 地质储量为 . 万 可 采储量 万 采用倾斜长壁后退式一次采全高 全部垮落法处理采空区的综合机械化采煤法 根据神东矿区高产高效工作面巷道布置经验 该综采面回采巷道、回撤通道和开切眼均采用矩形 断面以便连采机掘进和锚杆机支护 巷道主要参 数见表 表 巷道参数 巷道宽度/ 高度/ 运输巷.. 辅助运输巷.. 回风巷.. 联络巷.. 开切眼.. 主撤通道.. 辅撤通道.. 工作面伪顶为泥岩厚 .. 抗 压强度 .. 普氏系数约 .坚固性较 低属不坚硬类不稳定型直接顶为灰白色细粒砂 岩细粒砂状结构分选性好孔隙式泥质胶结含植 物化石厚 .. 抗压强度 .. 普氏系数约 .坚固性较强属坚硬类不稳定型 基本顶为灰白色粉砂岩灰白色层面呈灰黑色粉 砂状结构泥质胶结水平波状交错层理均有出 中国煤炭行业知识服务平台w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 现厚 .. 抗压强度 .. 普氏 系数约 .直接底为黑灰色泥岩黑灰色泥质结 构断口平坦致密块状构造含植物化石厚 . . 抗压强度 .. 普氏系数约 . . 超大采高关键技术与装备 . 设计盘区支架运输专用巷 为了解决综采工作面大型设备的安装、回撤等 运输问题同时要避免运输巷、回风巷因断面大、顶 帮维护困难、成本增加等缺点通过创新矿井 煤 四盘区布置系统在盘区中部开掘支架专用巷 综 采大型设备从 号辅运平硐入井后经支架专用巷可 以直达综采面开切眼实现了一条巷道可以为 煤 四盘区 个综采面的安装、回撤服务支架专用巷 的布置使综采面的辅助运输形成环线提高辅助运 输效率待盘区进行最后一个面回采时还 可以做为回风巷使用实现了一条巷道多次使用工 作面辅助运输巷道不再作为综采面安装、回撤时的 运输通道其断面尺寸从原设计的 . . 宽 高缩小为 . . 巷道断面变小顶帮围岩 稳定性好、易维护降低了后期锚杆、锚索、网片以及 混凝土等材料消耗量 同时增加了一个安全出口 提高了采场发生灾变时的抗灾能力 . 超大断面煤巷掘进技术 综采工作面开切眼掘进断面宽高为 . . 端头处断面 . . 联巷外抹 角和工作面煤柱最大直线跨度 . 属于在特厚 煤层中掘进的超大断面煤巷 创新采用阶梯掘进、 及时支护、二次拉底掘进工艺保证了超大断面煤巷 安全高效施工 . 超大断面单巷超长距离掘进通风技术 煤四盘区支架专用巷掘进断面 . . 单巷掘进长度 掘进工作面面临需风量 大与供风难的问题 如此大断面超长距离供风在 国内外尚无可借鉴的成熟经验采用 . 变频局部通风机配 的柔性风筒 压入式通风并采用多项防漏风技术措施解决了超 大断面单巷超长距离掘进工作面通风问题 . 设备配套与选型 .. . 超大采高采煤机 建立了整机三维模型对整机与关键零部件进 行了动力学分析确保了整机工作稳定性和采高、重 量增大后整机大部件联接的可靠性 研制了最大可 承载 的轻量化、大尺寸、高可靠性截割部 开发了高速、高可靠性重载采煤机行走系统通过计 算机三维模型建立动力学分析、精密数铣、攻关热处 理工艺等方法与技术优化了链轮齿形与结构确保 了链轮承载能力和可靠性为整机生产能力的发挥 提供了保障/ 型双滚筒采煤机主 要技术特征如下 采高范围/ .. 生产能力/ 装机功率/ 最大牵引力/ 机身高度/ 滚筒直径/ 滚筒中心距/ 滚筒截深/ 最大挖底量/ 升起盖板后机身高度/ .. 超大工作阻力液压支架 采用工程类比及相似材料模拟的方法确定工 作面选择两柱掩护式架型支架工作阻力为 立柱缸径为 支架中心距为 . 支 架采用三级护帮结构最大护帮高度. 支架在 支护强度选型、结构件抗冲击、支架主动支撑能力等 方面进行了大幅提升研究了大流量液压系统匹配 性技术在管径选取缓解冲击提高支撑能力等方 面进行匹配性设计满足 . 液压支架快速移架 要求 液压支架主要技术特征见表 表 液压支架主要技术特征 支架类型中部支架端头支架大侧护过渡支架过渡支架 型号//// // // // 最小支撑高度/ 最大支撑高度/ 液压调整高度/ 工作阻力/ 支护强度/ ........ 初撑力/ 中国煤炭行业知识服务平台w w w . c h in a c a j . n et 杨俊哲. 智能超大采高综采工作面关键技术与装备 年第 期 .. 高强度大运量刮板输送机 研发 了 / 型 刮 板 输 送 机、 / 型转载机和 型破碎机的成 套设备 新开发的自动张紧系统具有手动/ 自动功 能及张紧异常检测功能功能稳定可靠使刮板输送 机整个链条系统张力处于一个合理范围减缓了各 刚性部件的冲击延长了链轮、链条、刮板等主要部 件的使用寿命 研发了智能调速系统通过检测刮 板输送机上的负载情况及采煤机反馈的相关参数 进行相应的速度调整以最优的能耗比进行运转实 现了节能降耗年节约资金可达 万元以上 研 发了智能控制系统带有显示屏实时显示电流、电 压、功率、瞬时煤量、累计输送煤量报警、故障等信 息能够存储 年以上历史数据具备在线故障诊断 功能刮板输送机参数如下 生产厂家江苏天明 输送量/ 电机电压等级/ 刮板链型式中双链 链速/ . 电动机功率/ 圆环链规格/ / 双链中心距/ .. 大流量乳化液泵站 采用理论计算确定了乳化液泵的主要参数通 过开发超大流量泵站蓄能系统、供回液系统、润滑冷 却系统、在线故障诊断系统以及高压大流量卸载阀 和其配套元器件满足了支架移架、推移刮板输送机 及支护要求支架完成一个移架循环时间仅为 乳化液泵技术参数如下 额定电压/ 额定电流/ 最大流量/ 乳化液箱总容积/ 电机功率/ 额定转速/ 最大压力/ . .. 超长运输距离智能单点驱动带式输 送机 成功研制了带宽 . 超长运距机 头集中驱动带式输送机驱动功率 输 送量 / 运输长度改写了国内煤矿用带式输 送机行业标准 发明了带式输送机整机降阻技术 轻型低阻长寿命托辊阻力低至 . 与行业其他 普通托辊相比旋转阻力降低了 以上考虑压 陷阻 力 选用 带面 带速由 / 提高至 . / 整机阻力降低 以上 还研制了负载感 知自适应电磁张紧系统和带式输送机整机稳态控制 技术 . 单点驱动带式输送机主要技术特 征如下 功率/ 带长/ 带速/ . 电压/ 带宽/ . 输送量/ . 围岩控制技术 .. 大断面巷道支护技术 综采面开切眼设计断面 . . 宽高 端头支架处宽至 . 属于在特厚煤层中掘进 的超大断面煤巷巷道施工工艺及支护参数在全世 界范围内尚无可借鉴的经验上湾煤矿通过理论计 算、数值模拟及工程类比等多种技术手段确定了合 理的巷道顶、帮支护参数 开切眼顶板采用锚杆 钢带铅丝网锚索联合支护两帮采用玻璃钢锚杆 塑料网或钢筋网支护 锚索型号 . 间排距 顶板锚杆型号采用 螺纹钢每排 套排距 正帮采用 玻璃钢锚杆间排距 . . 副帮采用 圆钢锚杆每排 套间排距 . . .. 超前支护技术 根据两巷尺寸、相邻盘区矿压显现以及设备配 套情况运输巷超前支护采用新型 // 双柱支撑式液压支架工作阻力为 支护长 度 . 回 风 巷 超 前 支 护 采 用 新 型 // 双柱支撑式液压支架工作阻 力为 支护长度 . 提高两巷超前支 护强度实现了超前支护的机械化 .. 采场矿压监测技术 对液压支架电液控制系统采集的矿压数据进行 分析 埋深大于 周期来压规律工作面距开 切眼 内埋深为 平均周期来压 步距为 . 周期来压呈现大小周期交替出现的 规律大周期来压步距 小周期来压步距 如图 所示 中国煤炭行业知识服务平台w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 图 埋深大于 综采工作面周期来压 . 埋深大于 周期来压显现程度来压强烈 作用范围大持续时间长工作面煤壁呈塑性片帮 严重 其中工作面中上部片帮深 .. 端面 距大局部出现漏矸现象支架有“砰砰”的响声移 架后支架瞬间压力达 中部支架循环末阻力 普遍超过 最高 超过支架安全阀开 启值 支架安全阀开启率为 支架 活柱下沉量为 结合钻孔资料分析 综采工作面顶板存 在 层关键层层间距约为 主关键层厚度约 岩性为中砂岩存在 层亚关键层厚度约 岩性为细粒砂岩 因此工作面回采期间形成了 大小周期来压交替出现的规律大周期来压显现剧 烈来压步距长属主要关键层断裂小周期来压显 现不剧烈来压步距短属亚关键层断裂 埋深小于 周期来压规律工作面距开 切眼大于 埋深变为 工作面周 期来压步距为 .. 平均 . 周期来压 强度整体减弱压力一般为 少数超过 如图 所示 图 埋深小于 综采工作面周期来压 . 埋深小于 周期来压不强烈作用范围小 持续时间短工作面无严重片帮 号支架处 局部片帮深度为 通过岩性取样分 析机头处直接顶厚度 机头段架后采空区 顶板不容易垮落架后经常出现悬顶现象存在形成 飓风的安全隐患 .. 采场覆岩运动监测技术 在井下及地面分别布置 / 微震监 测系统及围岩运移监测系统在工作面辅运巷和回 风巷共安装 台拾震器和 个探头用于监测开采 期间覆岩破断能量从岩层破断能量及顶板运移的 角度分析超大采高开采采场覆岩破断运动方式及 规律 通过监测结果表明上湾煤矿超大采高开采工 作面覆岩破断以小能量事件为主覆岩破断能量主 要集中在 共发生 起占比 . 以上的破断能量 起占比 .覆岩破 断能量事件主要集中在煤层上方 范围内的直 接顶上位基本顶破断微震事件能量释放较弱 . 超大采高综采工作面回采技术 留底煤沿顶回采对综采工作面辅运巷和回风 巷顶板进行取心检测顶板的抗压强度普遍大于煤 的抗压强度将工作面留顶煤回采工艺优化为留底 煤沿顶回采加强了综采工作面顶板控制 两端头垂直过渡综采工作面与两巷采用垂直 过渡的方式提高了资源采出率 该综采工作面与 同煤层 大采高综采工作面相比单面可多回采 煤炭 万 采出率提高了 . 工程质量控制技术沿倾向超前 绘制底 板变化曲线超前预测综采面推进方向煤层起伏变 化指导煤机司机割煤提高工程质量 每班及时 绘制综采工作面顶底板走势图及时指导采煤机割 中国煤炭行业知识服务平台w w w . c h in a c a j . n et 杨俊哲. 智能超大采高综采工作面关键技术与装备 年第 期 煤 分析采煤机滚筒升降量、刮板输送机以及支 架状态规定煤机每次升降量不得超过 保证 综采工作面正常回采 刮板输送机上、下过渡段 不小于 架前、后过渡段不小于 架实现综采 工作面底板平缓过渡 . 智能控制与信息化技术 通过采集设备信息和设备智能控制数据图 建立基于智能控制的集控平台和协同控制中心 和基于大数据的故障诊断和专家决策中心集成了 智能控制、故障预警、大数据分析、视频可视化系统、 高可靠供电系统、矿压监测预警等现代化新技术实 现世界首套大采高工作面智能化开采 .. 智能控制、故障预警及专家决策平台 利用采集的实时数据图 实现三机协同作 业的控制同时实现供电、供排水等辅助系统的关联 控制实现刮板输送机、采煤机、移架匹配度速度自 适应控制并且能够根据工作面瓦斯传感器监测瓦 斯超限达到断电值后自动切断工作面所有电源可 对工作面的所有移变进行分闸通过分析采煤机运 行速度与液压支架动作频率之间的关系实现采煤 机位置和速度的液压支架姿态自适应控制 综采面 成套重要设备监测、故障预警技术对组合开关、移 变、磁力启动器和照明综保等设备进行通信监控、整 定及复位实现智能供电 利用手持终端监测和控 制工作面重要设备 同时系统集成工作面急停闭 锁和预警喊话功能可以实现三机、泵站的急停闭 锁、语音预警和工作面广播与调度电话的连接等 功能 基于设备监测数据的智能分析专家决策系 统用户可自由建立专家决策系统模型及相应的预 警、干预、协同控制策略根据采煤机摇臂振动监 测、切割电流等参数监测通过自学习记忆方式优 化采煤工艺 建立综采工作面成套重要设备的动 态模型实现决策控制为 安 全 生 产 做 出 指 导 建议 图 智能控制集控网络 . 中国煤炭行业知识服务平台w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 .. 高带宽无线传输技术 通过在工作面部署 / 有线接入网 络、 和 通信系统提供丰富的数据接口为 不同类型的设备数据接入提供保证 该平台将工作 面设备运行数据汇入集中控制系统实现采煤机、支 架、泵站、三机联动协同控制 .. 智能视频分析技术 应用采煤机视频实时跟踪技术煤尘监测视频 识别技术片帮告警智能视频识别技术堆煤检测智 能视频识别技术、淋水、积水智能视频识别技术人 员“三违”预警、告警智能视频识别技术刮板输送 机内大块煤及煤量估算智能视频识别技术综采工 作面工作人员人脸识别技术等实现智能化视频监 控、安全管理及相关应用图 井下各个视频监 控地点视频数据经由工业环网传输至地面核心交换 机同时结合人员管理数据、设备运行数据、环境监 测数据进行数据的分析经过联动分析数据挖掘 可实现对监测区域人员、设备的安全管理为煤矿安 全生产提供决策支持 图 设备在线监测与故障诊断系统 . 图 可视化系统实现功能 . .. 智能供电技术 通过对 . 超大采高综采面成套装备运行数 据的联合监测进而做出能耗分析、故障诊断 在自 动化控制方面基于 / 通信协议搭建对移动 变电站、组合开关、用电设备的远程监测控制实现 多系统联动、远程整定、综合控制等功能 .. 矿压监测预警技术 矿压监测预警技术如图 所示系统集图 互联网技术、软件开发技术、数据挖掘及矿压理论三 维仿真等先进成果于一体是一套具有支架工况、顶 板来压、片帮冒顶以及两巷围岩稳定性预警功能的 矿压监测预警系统实现采煤工作面及超前巷道围 岩稳定性的实时监测与预警自动生成矿压分析报 告提高工作面生产效率和顶板安全技术水平 . 超大采高综采工作面区域灾害分析技术 通过地面探放水孔和顶板电阻率相结合对综采 工作面水害进行实时监测利用光纤、红外热成像和 气体传感器来监测温度和气体浓度变化建立工作 中国煤炭行业知识服务平台w w w . c h in a c a j . n et 杨俊哲. 智能超大采高综采工作面关键技术与装备 年第 期 图 矿压监测预警技术 . 面区域内外因火灾判识、预警方法将采空区煤自燃 危险区域的动态分布状态直观、实时、动态地显示 出来 借助综采工作面区域风流、气体分布分析方 法实现有害气体分布场重构 建立了综采工作面 区域矿压大数据精准监测分析技术及时显示推进 过程中顶板运动状态和支架受力特征 结 论 综采工作面 年 月份投产截至 年 月共推进了 . 生产煤炭 . 万 配套设备运行情况良好实践证明. 超大 采高一次采全高综采设备选型及配套合理能够满 足综采工作面生产、支护以及运输需要 综采工作面与同煤层 大采高综采 工作面相比可多回收煤炭 万 采出率提高了 . 采用的巷道支护、采场矿压监测、三角区顶 板控制、支架自动增压补液、防片帮、防漏矸、回采工 艺、工程质量控制以及信息化等技术保证了综采面 安全高效回采 . 超大采高一次采全高工艺及成套装备 项目等关键技术的研发应用填补了国内外特厚煤 层开采的技术空白提升了综采装备研发能力及制 造水平在综采装备和开采技术上是一次历史性 变革 参考文献 董维武.世界煤炭生产与消费趋势.中国煤炭 . . . . 王再岚智颖飙张东海等.我国煤炭资源禀赋与国际储量格 局分析.中国人口资源与环境. . . . 孟宪锐王鸿鹏刘朝晖等.我国厚煤层开采方法的选择原则 与发展现状.煤炭科学技术. . . . 高 进贺海涛.厚煤层综采一次采全高技术在神东矿区的应 用.煤炭学报. . . . 王国法张德生.煤炭智能化综采技术创新实践与发展展望 .中国矿业大学学报. . . . 王国法庞义辉任怀伟等.煤炭安全高效综采理论、技术与 装备的创新和实践.煤炭学报. . .. . 李智斐.大采高综采面支架围岩关系的数值模拟研究.煤炭 科技. . . . 肖 江吴建军邵亚武等.. 大采高工作面矿压显现规 律相似模拟研究.煤炭科学技术. . . . . 王国法.大采高技术与大采高液压支架的开发研究.煤矿开 采. . . . 王学军钱学森马立强等.厚煤层大采高全厚开采工艺研究 与应用.采矿与安全工程学报. . . . 杨俊哲. 大采高综采工作面关键回采技术研究.煤炭 科学技术. . . . 邸 帅王继仁宋桂军.. 大采高综采工作面煤壁片帮 特征研究.煤炭科学技术. . . . 中国煤炭行业知识服务平台w w w . c h in 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