坚硬薄煤层机械化炮采工艺研究及装备设计

王建国

(天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京 100013)

坚硬薄煤层机械化炮采工艺研究及装备设计

王建国

(天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京 100013)

针对姜家湾煤矿矿山压力大、顶底板和煤都非常坚硬等情况,提出了机械化炮采坚硬薄煤层的方法,对机械化炮采工作面进行了优化设计并制定了完善的机械化炮采开采工艺,与开采工艺相匹配,对支护方式进行研究并开发设计了相应的坚硬薄煤层机械化开采装备。

坚硬薄煤层;开采工艺;机械化开采装备

Research on Full2mechan izedM in ing Techn ics and EquipmentsDesign for Hard and Thin Coal Seam

我国自上世纪六七十年代开始对薄煤层机械化开采[1]问题展开研究,先后研制并生产了刨煤机综采机组、滚筒采煤机综采机组,都在生产中取得了一定成效。但上述研究都是着眼于薄煤层综采机械化的研究,对于不能采用综采机组的坚硬薄煤层[2],如何实现高产高效机械化开采问题则少有研究。多年来,各矿区对于坚硬较薄煤层的开采,大多采用传统的开采方法,即采用炮采落煤[3],装煤方法采用人工攉煤,支护方式采用单体支柱支护,上述方法存在着生产效率低、工人劳动强度大、支护技术落后、作业环境不安全。因此,实现坚硬薄煤层工作面安全高效生产,是目前迫切需要解决的问题。

在广泛吸收薄煤层开采经验的基础上,针对姜家湾煤矿矿山压力大、顶底板和煤层都非常坚硬的状况,通过多方调研,开发设计了一套新型的坚硬薄煤层开采工艺和支护配套设备,试验获得成功,取得了巨大的经济效益。

1 姜家湾煤矿地质条件

姜家湾煤矿可采储量中的67%为薄煤层,煤层平均倾角3～8°,煤层硬度系数f≥3,可采煤层厚0.9～1.42m,平均厚度1.2m,煤层赋存不稳定,含有硬夹矸,地质条件复杂多变,断层、陷落柱等地质构造无规律分布。

多年实践证明:开采含有硬夹矸坚硬薄煤层国内目前仍无法实现综合机械化采煤,落煤方式只能采用炮采。如何提高炮采工作面机械化程度是姜家湾矿薄煤层工作面实现高产高效的关键。

2 支护方式研究

考虑到姜家湾煤矿薄煤层工作面顶板稳定,基本顶来压明显、工作面底板坚硬,同时考虑到便于布置挡煤板、行人与作业空间宽敞等因素,决定选用ZZ4400/08/15型四柱支撑掩护式液压支架。该支架选用双摆杆机构,在满足支架强度及稳定性的前提下大大降低了支架的重量,降低了支架制造成本,并且方便支架搬家;在支架前端设有挡煤板装置,该装置为上下伸缩式,安全可靠,操作方便。表1为ZZ4400/08/15液压支架主要技术参数。图1为液压支架配套方案。

表1 ZZ4400/08/15型液压支架主要技术参数

图1 液压支架配套方案

3 坚硬薄煤层工作面开采工艺研究

由于姜家湾煤矿特殊的地质构造决定了其开采工艺的特殊性,只能采用机械化炮采开采工艺来实现薄煤层高效开采。要达到预期目标,需要解决诸多技术难题,其关键点是:坚硬薄煤层机械化炮采工作面优化设计及机械化炮采工艺研究。

3.1 坚硬薄煤层机械化炮采工作面优化设计

薄煤层尤其是1m以下煤层要实现高效开采,选择合理的工作面布置方式及长度极为重要。

依据姜家湾煤矿煤层赋存条件,决定采用对拉工作面布置,对拉工作面开采优点为:开采强度加大,工作面生产能力提高;少掘巷道,万吨掘进率下降;减少一条区段煤柱,采区采出率提高;运输巷设备利用率高,生产管理集中;减少辅助生产人员,生产效率高。

炮采对拉工作面合理长度的确定,应根据煤层倾角、煤层厚度、顶板岩性、工作面运输设备、通风能力、劳动组织形式、循环进尺等因素综合考虑。工作面过长,无论是通风还是生产管理都会受到影响,甚至影响工作面效率;另外,长度确定后,根据产量大小、相对瓦斯涌出量,确定通风能否允许,因为《煤矿安全规程》规定工作面最大风速不能超过4 m/s。

根据以上原则并参照国内大多数矿井成功经验,结合姜家湾矿特点,确定上、下工作面面长均为120m。为了既有利于巷道维护,又能保证工作面刮板输送机机头能顺利搭接在工作面中间运输巷的刮板转载机,确定上、下两面错距为3～5m。

3.2 坚硬薄煤层机械化炮采工艺研究

采煤工作面控制爆破的主要目的是增加一次放炮个数,控制爆破落煤的抛掷距离,减少冲击波的危害,保护工作面支护设备,提高工作面单产,保证采煤爆破作业的安全。其关键技术为爆破方案选取及爆破工艺参数确定。

按工作面通风量和刮板链破断力进行计算,同时兼顾工作面顶板状况,减少空顶面积、保证顶板的稳定性,确定炮眼采用三花眼布置方式,如图2所示。工作面分4～6个区段,每个区段为20～30m,一次起爆长度20～30m。炮眼的水平角度设计采用85°。为加快爆破速度,改善爆破作业条件,便于爆破工联线,操作炮眼的水平角度一律拨向中巷(溜头),即爆破抛掷方向朝向中巷。

炮眼仰角太小,眼底会距顶板太远,出现撇顶煤,反之,则可能会崩坏顶板,给支护带来困难;俯角太小,可能会撇底煤,反之,会破坏底板,使其凸凹不平,也增加了煤的灰份。目前常按3～5°选取,本设计采用5°。

综上所述,选定薄煤层炮采主要工艺参数如表2所示。

图2 炮眼布置

表2 薄煤层炮采主要工艺参数

4 配套设备选型设计

炮采工作面配套主要根据工作面设计生产能力选择适当的刮板输送机。刮板输送机的选型要综合考虑薄煤层工作面作业空间小、炮采工作面落煤特点、与液压支架合理配套、快速打眼机具的安置等具体问题。与综采工作面不同的是,炮采落煤后大约有30%～50%的煤是直接落在输送机上,且分布不均匀,这样在输送机启动瞬间,输送机和刮板链所受的阻力都相当大,因而必须根据炮采特点科学合理地选择刮板输送机。可以说,工作面刮板输送机选型的好坏直接关系到工作面能否实现安全高效生产的关键因素之一。

为了达到工作面年生产能力400kt的要求,按照工作面年生产300d计算,刮板输送机的生产能力应大于244t/h,考虑装载不均系数1.2,运输能力应大于256t/h。

根据上述计算,依据配套性、安全可靠性及经济性原则,型号为SGZ630/220的刮板输送机就能够满足工作面生产要求。为了更好地满足矿井安全高效生产要求,输送机选用双电机驱动方式,选用短机头和短机尾、刮板链形式选择中双链等。

为了提高工作面输送机的装煤效果,在输送机的前部设计了铲装煤装置。具体结构如图3。

图3 输送机铲装煤装置

5 结论

(1)针对姜家湾矿坚硬薄煤层情况,提出了合理的支护方式:采用四柱支撑掩护式液压支架,针对工作面炮采要求设计了安全可靠的挡煤装置及装煤装置。

(2)研究制定了完善的坚硬薄煤层开采工艺,提出了科学的工艺参数。

(3)本项目的成功实施不仅可以为姜家湾煤矿坚硬煤层的高效开采探索出一条有效途径,而且还将为大同其他各矿区的薄煤层高效开采起到示范作用,以推动企业技术装备的更新换代。

[1]乔红兵,吴淼,胡登高.薄煤层开采综合机械化技术现状及发展[J].煤炭科学技术,2006,34(2).

[2]唐晓玲,叶明亮.薄煤层坚硬顶板的薄板理论分析及来压预报[J].矿山压力与顶板管理,2003(2).

[3]安俭俭,侯艳平,刘士坦.薄煤层炮采机械半机械化开采技术及工艺[J].煤矿现代化,2008(1).

[责任编辑:王兴库]

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2010-01-12

王建国(1973-),男,山东济宁人,硕士,工程师,天地科技股份有限公司开采装备技术研究所工作。