王建國

(天地科技股份有限公司開采設計事業(yè)部,北京 100013)

堅硬薄煤層機械化炮采工藝研究及裝備設計

王建國

(天地科技股份有限公司開采設計事業(yè)部,北京 100013)

針對姜家灣煤礦礦山壓力大、頂?shù)装搴兔憾挤浅杂驳惹闆r,提出了機械化炮采堅硬薄煤層的方法,對機械化炮采工作面進行了優(yōu)化設計并制定了完善的機械化炮采開采工藝,與開采工藝相匹配,對支護方式進行研究并開發(fā)設計了相應的堅硬薄煤層機械化開采裝備。

堅硬薄煤層;開采工藝;機械化開采裝備

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

我國自上世紀六七十年代開始對薄煤層機械化開采[1]問題展開研究,先后研制并生產了刨煤機綜采機組、滾筒采煤機綜采機組,都在生產中取得了一定成效。但上述研究都是著眼于薄煤層綜采機械化的研究,對于不能采用綜采機組的堅硬薄煤層[2],如何實現(xiàn)高產高效機械化開采問題則少有研究。多年來,各礦區(qū)對于堅硬較薄煤層的開采,大多采用傳統(tǒng)的開采方法,即采用炮采落煤[3],裝煤方法采用人工攉煤,支護方式采用單體支柱支護,上述方法存在著生產效率低、工人勞動強度大、支護技術落后、作業(yè)環(huán)境不安全。因此,實現(xiàn)堅硬薄煤層工作面安全高效生產,是目前迫切需要解決的問題。

在廣泛吸收薄煤層開采經驗的基礎上,針對姜家灣煤礦礦山壓力大、頂?shù)装搴兔簩佣挤浅杂驳臓顩r,通過多方調研,開發(fā)設計了一套新型的堅硬薄煤層開采工藝和支護配套設備,試驗獲得成功,取得了巨大的經濟效益。

1 姜家灣煤礦地質條件

姜家灣煤礦可采儲量中的67%為薄煤層,煤層平均傾角3～8°,煤層硬度系數(shù)f≥3,可采煤層厚0.9～1.42m,平均厚度1.2m,煤層賦存不穩(wěn)定,含有硬夾矸,地質條件復雜多變,斷層、陷落柱等地質構造無規(guī)律分布。

多年實踐證明:開采含有硬夾矸堅硬薄煤層國內目前仍無法實現(xiàn)綜合機械化采煤,落煤方式只能采用炮采。如何提高炮采工作面機械化程度是姜家灣礦薄煤層工作面實現(xiàn)高產高效的關鍵。

2 支護方式研究

考慮到姜家灣煤礦薄煤層工作面頂板穩(wěn)定,基本頂來壓明顯、工作面底板堅硬,同時考慮到便于布置擋煤板、行人與作業(yè)空間寬敞等因素,決定選用ZZ4400/08/15型四柱支撐掩護式液壓支架。該支架選用雙擺桿機構,在滿足支架強度及穩(wěn)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;在支架前端設有擋煤板裝置,該裝置為上下伸縮式,安全可靠,操作方便。表1為ZZ4400/08/15液壓支架主要技術參數(shù)。圖1為液壓支架配套方案。

表1 ZZ4400/08/15型液壓支架主要技術參數(shù)

圖1 液壓支架配套方案

3 堅硬薄煤層工作面開采工藝研究

由于姜家灣煤礦特殊的地質構造決定了其開采工藝的特殊性,只能采用機械化炮采開采工藝來實現(xiàn)薄煤層高效開采。要達到預期目標,需要解決諸多技術難題,其關鍵點是:堅硬薄煤層機械化炮采工作面優(yōu)化設計及機械化炮采工藝研究。

3.1 堅硬薄煤層機械化炮采工作面優(yōu)化設計

薄煤層尤其是1m以下煤層要實現(xiàn)高效開采,選擇合理的工作面布置方式及長度極為重要。

依據(jù)姜家灣煤礦煤層賦存條件,決定采用對拉工作面布置,對拉工作面開采優(yōu)點為:開采強度加大,工作面生產能力提高;少掘巷道,萬噸掘進率下降;減少一條區(qū)段煤柱,采區(qū)采出率提高;運輸巷設備利用率高,生產管理集中;減少輔助生產人員,生產效率高。

炮采對拉工作面合理長度的確定,應根據(jù)煤層傾角、煤層厚度、頂板巖性、工作面運輸設備、通風能力、勞動組織形式、循環(huán)進尺等因素綜合考慮。工作面過長,無論是通風還是生產管理都會受到影響,甚至影響工作面效率;另外,長度確定后,根據(jù)產量大小、相對瓦斯涌出量,確定通風能否允許,因為《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定工作面最大風速不能超過4 m/s。

根據(jù)以上原則并參照國內大多數(shù)礦井成功經驗,結合姜家灣礦特點,確定上、下工作面面長均為120m。為了既有利于巷道維護,又能保證工作面刮板輸送機機頭能順利搭接在工作面中間運輸巷的刮板轉載機,確定上、下兩面錯距為3～5m。

3.2 堅硬薄煤層機械化炮采工藝研究

采煤工作面控制爆破的主要目的是增加一次放炮個數(shù),控制爆破落煤的拋擲距離,減少沖擊波的危害,保護工作面支護設備,提高工作面單產,保證采煤爆破作業(yè)的安全。其關鍵技術為爆破方案選取及爆破工藝參數(shù)確定。

按工作面通風量和刮板鏈破斷力進行計算,同時兼顧工作面頂板狀況,減少空頂面積、保證頂板的穩(wěn)定性,確定炮眼采用三花眼布置方式,如圖2所示。工作面分4～6個區(qū)段,每個區(qū)段為20～30m,一次起爆長度20～30m。炮眼的水平角度設計采用85°。為加快爆破速度,改善爆破作業(yè)條件,便于爆破工聯(lián)線,操作炮眼的水平角度一律撥向中巷(溜頭),即爆破拋擲方向朝向中巷。

炮眼仰角太小,眼底會距頂板太遠,出現(xiàn)撇頂煤,反之,則可能會崩壞頂板,給支護帶來困難;俯角太小,可能會撇底煤,反之,會破壞底板,使其凸凹不平,也增加了煤的灰份。目前常按3～5°選取,本設計采用5°。

綜上所述,選定薄煤層炮采主要工藝參數(shù)如表2所示。

圖2 炮眼布置

表2 薄煤層炮采主要工藝參數(shù)

4 配套設備選型設計

炮采工作面配套主要根據(jù)工作面設計生產能力選擇適當?shù)墓伟遢斔蜋C。刮板輸送機的選型要綜合考慮薄煤層工作面作業(yè)空間小、炮采工作面落煤特點、與液壓支架合理配套、快速打眼機具的安置等具體問題。與綜采工作面不同的是,炮采落煤后大約有30%～50%的煤是直接落在輸送機上,且分布不均勻,這樣在輸送機啟動瞬間,輸送機和刮板鏈所受的阻力都相當大,因而必須根據(jù)炮采特點科學合理地選擇刮板輸送機?？梢哉f,工作面刮板輸送機選型的好壞直接關系到工作面能否實現(xiàn)安全高效生產的關鍵因素之一。

為了達到工作面年生產能力400kt的要求,按照工作面年生產300d計算,刮板輸送機的生產能力應大于244t/h,考慮裝載不均系數(shù)1.2,運輸能力應大于256t/h。

根據(jù)上述計算,依據(jù)配套性、安全可靠性及經濟性原則,型號為SGZ630/220的刮板輸送機就能夠滿足工作面生產要求。為了更好地滿足礦井安全高效生產要求,輸送機選用雙電機驅動方式,選用短機頭和短機尾、刮板鏈形式選擇中雙鏈等。

為了提高工作面輸送機的裝煤效果,在輸送機的前部設計了鏟裝煤裝置。具體結構如圖3。

圖3 輸送機鏟裝煤裝置

5 結論

(1)針對姜家灣礦堅硬薄煤層情況,提出了合理的支護方式:采用四柱支撐掩護式液壓支架,針對工作面炮采要求設計了安全可靠的擋煤裝置及裝煤裝置。

(2)研究制定了完善的堅硬薄煤層開采工藝,提出了科學的工藝參數(shù)。

(3)本項目的成功實施不僅可以為姜家灣煤礦堅硬煤層的高效開采探索出一條有效途徑,而且還將為大同其他各礦區(qū)的薄煤層高效開采起到示范作用,以推動企業(yè)技術裝備的更新?lián)Q代。

[1]喬紅兵,吳淼,胡登高.薄煤層開采綜合機械化技術現(xiàn)狀及發(fā)展[J].煤炭科學技術,2006,34(2).

[2]唐曉玲,葉明亮.薄煤層堅硬頂板的薄板理論分析及來壓預報[J].礦山壓力與頂板管理,2003(2).

[3]安儉儉,侯艷平,劉士坦.薄煤層炮采機械半機械化開采技術及工藝[J].煤礦現(xiàn)代化,2008(1).

[責任編輯:王興庫]

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2010-01-12

王建國(1973-),男,山東濟寧人,碩士,工程師,天地科技股份有限公司開采裝備技術研究所工作。