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        薄煤層開采成套設(shè)備探索

        2012-12-28 13:03:30李飛
        關(guān)鍵詞:采煤機(jī)支架設(shè)備

        李飛

        (神東煤炭集團(tuán)設(shè)備管理中心,陜西 神木 719315)

        中國(guó)煤炭資源回采率一直十分低下,目前中國(guó)煤礦平均資源回收率為40%,是世界先進(jìn)水平的一半。美國(guó)、澳大利亞、德國(guó)、加拿大等發(fā)達(dá)國(guó)家,資源回收率能達(dá)到80%左右,他們每挖1噸煤只消耗1.2噸-1.3噸資源。中國(guó)在1980年-2010年的30年間,煤炭資源就浪費(fèi)了近300億噸。企業(yè)為了追求利益,采厚棄薄,采易棄難,以大量消耗資源、縮短礦山服務(wù)年限為代價(jià),使資源受到嚴(yán)重?fù)p失。按照2005年原煤產(chǎn)量21.9億噸和30%的煤炭平均回采率計(jì)算,回采率提高1倍,全國(guó)每年將節(jié)約煤炭資源35億噸左右。如果到2025年以前煤炭回采率大體保持50%的平均水平,則15年間將至少節(jié)約500億噸煤炭資源。神華神東煤炭集團(tuán)作為國(guó)內(nèi)最大的煤炭企業(yè),目前煤炭回采率平均76%,為進(jìn)一步提高煤炭的回采率,目前正在論證自動(dòng)化薄煤層開采。

        1 國(guó)內(nèi)外薄煤層開采現(xiàn)狀

        我國(guó)薄煤層煤炭?jī)?chǔ)量約620億噸,占總體儲(chǔ)量的17.5%,但是由于薄煤層開采難度大,因此,年開采僅占全國(guó)總產(chǎn)量的10.4%。隨著薄煤層綜采設(shè)備制造技術(shù)的提升,以及國(guó)家對(duì)資源回采率的提高,薄煤層開采日益受到重視。國(guó)外長(zhǎng)臂式薄煤層高效開采主要有兩種途徑,一是采用滾筒式采煤機(jī)、刮板運(yùn)輸機(jī)和液壓支架配套的綜采方式;二是采用刨煤機(jī)、刮板運(yùn)輸機(jī)和液壓支架的綜采方式。國(guó)內(nèi)薄煤層大多采用滾筒式采煤機(jī)裝備開采。

        滾筒式采煤機(jī)開采方式與傳統(tǒng)綜采開采方式基本相同,但工作面更低,工人勞動(dòng)強(qiáng)度更大,已經(jīng)向自動(dòng)化開采方向發(fā)展。據(jù)了解,目前國(guó)內(nèi)采用刨煤機(jī)開采方式比較成功的是鐵法礦區(qū)。

        以位于遼寧鐵嶺市的鐵法集團(tuán)下屬小青礦為例,目前該礦正在開采的一個(gè)薄煤層工作,使用北煤機(jī)ZY5200/08/18D,推移行程600mm,支護(hù)強(qiáng)度 0.46-0.79MP a,支架中心距1.5m;刨煤機(jī)功率2*400KW。巷道斷面:運(yùn)、回順都為5.6*2.8m,回順寬度可減小至5m,轉(zhuǎn)載機(jī)搭接高度2.4m?;夭蛇^程中上行截深120mm,下行截深70mm。工作面日產(chǎn)4-5千噸,月產(chǎn)12萬噸,年產(chǎn)150萬噸。煤質(zhì)較軟,煤層有裂隙發(fā)育。

        位于陜西省榆林市府谷縣的南梁礦業(yè)有限公司下屬南梁煤礦,目前正在開采一個(gè)薄煤層工作面,配套使用刨煤機(jī)開采,支架工作阻力7000KN,支撐高度900~1800mm,支護(hù)強(qiáng)度0.76~1.05MPa,支架中心距1.5m。運(yùn)順巷道斷面:寬度5.4m,高度2.2m;回順斷面,寬度4.5m,高度2.2m。截深10-30mm。8小時(shí)生產(chǎn),日產(chǎn)量約1500噸。南梁煤礦與神東煤炭集團(tuán)榆家梁煤礦同屬陜北侏羅紀(jì)煤田神府地方開采區(qū)中部,煤層條件與神東煤炭集團(tuán)榆家梁礦4-3煤相似。該地區(qū)煤質(zhì)較硬,煤層不發(fā)育,刨煤機(jī)截深和產(chǎn)量較鐵法礦區(qū)有較大差距。

        由于薄煤層工作面高度限制,工作面勞動(dòng)強(qiáng)度大,生產(chǎn)效率低;國(guó)內(nèi)外對(duì)薄煤層自動(dòng)化工作一直抱有很大的熱情。目前刨煤機(jī)開采已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工作面無人自動(dòng)化生產(chǎn),并可根據(jù)用戶要求實(shí)現(xiàn)順槽或地面集中控制。在德國(guó)采用地面集中控制,在中國(guó)和美國(guó)采用順槽集中控制。控制系統(tǒng)由四個(gè)分系統(tǒng)組成,分別為支架控制系統(tǒng),刨煤機(jī)控制系統(tǒng),三機(jī)控制系統(tǒng),顯示系統(tǒng),四個(gè)分系統(tǒng)與主控器MCU相連,由主控器進(jìn)行集中操作控制。主控器可顯示設(shè)備運(yùn)行狀況,如刨煤機(jī)位置、支架推溜狀態(tài)、設(shè)備故障等信息,同時(shí)可對(duì)刨深、刨煤區(qū)段、支架成組動(dòng)作等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。刨煤機(jī)的刨深由支架電液控制系統(tǒng)自動(dòng)推移實(shí)現(xiàn),當(dāng)煤質(zhì)變硬或遇有夾矸時(shí),刨煤機(jī)牽引電機(jī)電流加大,將反饋提示信息,操作人員通過主控器進(jìn)行刨深等參數(shù)調(diào)整。生產(chǎn)過程中,工作面內(nèi)不需人員操作設(shè)備,只需隔段時(shí)間進(jìn)行巡視。

        2 神東煤炭集團(tuán)薄煤層開采探索

        神東煤炭集團(tuán)目前煤層厚度在0.8~1.7m地質(zhì)儲(chǔ)量為29.4億噸。分別為:0.8~1.0m煤層地質(zhì)儲(chǔ)量3.1億噸,1.0~1.3m煤層地質(zhì)儲(chǔ)量6.1億噸,1.3~1.5m煤層地質(zhì)儲(chǔ)量8.2億噸,1.5~1.7m煤層地質(zhì)儲(chǔ)量12億噸。其中1.3-1.7m煤層儲(chǔ)量為20.2億噸,占到68.7%。

        以神東公司榆家梁煤礦4-3煤為代表的薄煤層具有以下地質(zhì)特點(diǎn)。自然地理位于陜北黃土高原北緣,地貌單元屬黃土丘陵溝壑區(qū),海拔高度一般在1100-1300m,相對(duì)高差近100余m。井田地表廣覆第四系松散沉積物,現(xiàn)代侵蝕作用劇烈,溝谷下切嚴(yán)重,沿黃羊城溝等溝谷有含煤地層出露。據(jù)地質(zhì)填圖和鉆孔揭露,礦井內(nèi)地層由老到新有:中生界三疊系上統(tǒng)永坪組、侏羅系下統(tǒng)富縣組、侏羅系中下統(tǒng)延安組、新生界第三系上新統(tǒng)、第四系中上更新統(tǒng)及全新統(tǒng)。

        為提高資源回收率,神東公司從2004年開始致力于煤炭開采工藝的研究。就目前1.7m以下薄煤層開采在滾筒式開采和刨煤機(jī)開采兩種方式已經(jīng)研究了多年,并進(jìn)行了多種方案研究和部分實(shí)踐工作。

        2.1 滾筒式采煤機(jī)開采裝備研究

        2.1.1 單面布置

        工作面長(zhǎng)度300m,采高范圍1.3-1.8m,兩順槽5.4*2.2m。

        (1)采煤機(jī)參數(shù)選型:生產(chǎn)能力為680t/h;采高適應(yīng)(1.2-2.05)m;滾筒直徑為(1050~1400)mm。

        (2)液壓支架參數(shù)選型:采用兩柱掩護(hù)式支護(hù),支架高度適應(yīng)(1050~2000)mm;支護(hù)強(qiáng)度為(0.85~1.09)MPa。

        (3)刮板輸送機(jī)參數(shù):設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為400m,輸送量為1000t/h。

        2.1.2 對(duì)拉工作面

        對(duì)拉工作面參數(shù)為(260+260m,300+300m),采高范圍1.3-1.8m,一條運(yùn)輸順槽5.4*2.5m,兩條回風(fēng)順槽5.4*2.2m。其中采煤機(jī)和液壓支架參數(shù)選型同單面布置情況,刮板輸送機(jī)設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為320m,輸送量為800t/h。

        2.2 刨煤機(jī)開采方式研究

        (1)刨煤機(jī)選型技術(shù)參數(shù)選型:1321t/h(1.7m/2.7kN/70mm),適應(yīng)采高為(1.1~1.8)m,刨深為70mm。

        (2)三機(jī)選型技術(shù)參數(shù):①刮板運(yùn)輸機(jī):最大運(yùn)輸能力為1400t/h(0°);②轉(zhuǎn)載機(jī):最大運(yùn)輸能力為2900t/h(0°);③破碎機(jī):最大破碎能力為3500t/h。

        (3)液壓支架選型確定研究:

        支架高度選型為0.7-1.6米時(shí),在1.1-1.4米采高范圍內(nèi)支護(hù)強(qiáng)度為0.64-0.68MPa,較小;支架的最低高度選型不小于0.95米時(shí),在1.1-1.4米采高范圍內(nèi)支護(hù)強(qiáng)度基本可達(dá)到0.9MPa以上。結(jié)合專業(yè)院校和研究單位的礦壓分析報(bào)告要求支護(hù)強(qiáng)度大于0.8MPa的情況,建議液壓支架選型技術(shù)參數(shù)為:最小高度950mm,最大高度1900mm,中心距1750mm,立柱缸徑320mm,初撐力5148kN,工作阻力7238kN,安全閥開啟壓力45Mpa,支護(hù)強(qiáng)度(1.2-1.7m)時(shí)0.87-0.94Mpa。

        受運(yùn)輸機(jī)槽幫高度、俯仰調(diào)整油缸和電纜槽高度限制,刨煤機(jī)按2*800KW、運(yùn)輸機(jī)按2*630KW選型時(shí),支架高度小于1.0米時(shí),支架頂梁與運(yùn)輸機(jī)電纜槽干涉;架前行人空間不足700*400mm(寬*高),行人困難;同時(shí)在0.8米高度以下時(shí),頂梁與刨煤機(jī)也存在干涉。鑒于設(shè)計(jì)空間的受限,結(jié)合生產(chǎn)接續(xù)情況,首套支架可選型為7238 kN/950-1900mm或8413kN/1050-2000mm,支護(hù)強(qiáng)度可達(dá)到0.85MPa以上。為較好的適應(yīng)更薄煤層的開采,建議支架可選型為7238 kN/950-1900mm,基本可滿足1.2-1.7米采高的回采需求,可采范圍較大,更有利于試驗(yàn)刨煤機(jī)的適用性能。

        (4)運(yùn)輸機(jī)采用變頻驅(qū)動(dòng)確定研究:最初驅(qū)動(dòng)部配套使用CST軟啟動(dòng),在機(jī)頭部距巷道有700mm的安全間隙情況下,運(yùn)順最小巷道寬度需為5.8米。驅(qū)動(dòng)部更換為變頻控制后,驅(qū)動(dòng)部總長(zhǎng)較配套CST型式加長(zhǎng)約176mm(290-114),運(yùn)順最小巷道寬度需增大到6.0米。前期方案研究和論證時(shí),考慮巷道支護(hù)和維護(hù)問題,最終確定為CST驅(qū)動(dòng)型式,運(yùn)順巷道寬度確定為5.8米。后經(jīng)過神東在6.3米和7米工作面6.0米以上寬度的大斷面巷道使用,6.0米巷道可進(jìn)行安全支護(hù)使用。據(jù)此,確定運(yùn)輸機(jī)配套使用變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)。

        3 神東煤炭集團(tuán)薄煤層開采方式選擇討論

        3.1 刨煤機(jī)分布及使用情況

        根據(jù)DBT提供信息統(tǒng)計(jì),2002年至今共銷售38套刨煤機(jī)設(shè)備,其中中國(guó)10套,國(guó)外28套。

        (1)國(guó)外主要分布為:德國(guó)10套,俄羅斯5套,捷克4套,美國(guó)、波蘭、烏克蘭、哈薩克斯坦各2套,墨西哥1套。其中2*800KW 7套,全部在德國(guó),其中電機(jī)為保越1000KW變頻電機(jī),但設(shè)計(jì)允許使用功率為800KW;2*600KW 2套,在美國(guó);2*400KW 23套,分布在中國(guó)、德國(guó)和捷克等地,2*315KW和2*250KW共計(jì)6套。

        (2)國(guó)內(nèi)分布情況:共引進(jìn)刨煤機(jī)10套,其中鐵法4套,大同晉華宮1套,晉城鳳凰山1套,西山馬蘭1套,沈陽紅陽三礦1套,山西離柳焦煤集團(tuán)1套、寧夏寶豐1套。其中鐵法第1套和西山馬蘭1套為2×315kW,其余都為 2×400kW。

        (3)部分礦井使用情況如下:①鐵法:第一套在大明礦使用;第三套在小南礦安裝,第二套和第四套在地面檢修。第一套引進(jìn)時(shí)間為2000年,第二套為2003年,近8-10年一直在用。工作面頂板壓力較大,煤質(zhì)較軟(f系數(shù)小于2),煤層裂隙發(fā)育,工作面大面積片幫,刨煤機(jī)使用情況較好。②大同晉華宮:04年到貨,06年停用,因設(shè)備對(duì)地質(zhì)條件適應(yīng)性差,出現(xiàn)地質(zhì)條件變化,主要是構(gòu)造、斷層、煤的硬度變大,導(dǎo)致刨煤機(jī)刨不動(dòng),機(jī)電故障過多,出現(xiàn)斷鏈等故障。同時(shí),遇到構(gòu)造和斷層時(shí),需要放炮,產(chǎn)量減小,共生產(chǎn)3個(gè)面,產(chǎn)出120萬噸煤,最高月產(chǎn)達(dá)到10萬噸(條件好時(shí))。使用中主要問題是備件儲(chǔ)備不足,影響生產(chǎn)時(shí)間長(zhǎng),共投入1.7-1.8億元材料、配件費(fèi)用,使用成本也比較高。③晉城鳳凰山:05年到貨,09年停用。主要是設(shè)備對(duì)地質(zhì)條件適應(yīng)性差,出現(xiàn)構(gòu)造、斷層等地質(zhì)條件變化,煤的硬度變大,導(dǎo)致刨煤機(jī)刨不動(dòng),機(jī)電故障過多,出現(xiàn)斷鏈等故障較多。

        3.2 1.7米以下滾筒式薄煤層采煤裝備情況

        (1)國(guó)內(nèi):薄煤層綜采工作面較多,相應(yīng)配套設(shè)備類型也較多,大都為國(guó)產(chǎn)設(shè)備,采用滾筒式采煤機(jī)。國(guó)產(chǎn)成套薄煤層設(shè)備采購總費(fèi)用約為1.15億元。

        (2)國(guó)外:目前JOY和EKF均沒有適合此類采高的成熟產(chǎn)品。JOY公司已完成薄煤層采煤機(jī)、支架、三機(jī)成套設(shè)備設(shè)計(jì);EKF采煤機(jī)完成了方案設(shè)計(jì),正在研制。進(jìn)口成套薄煤層開采設(shè)備采購總費(fèi)用約為4.5億元。

        3.3 神東薄煤層裝備選型探討

        根據(jù)神東目前國(guó)產(chǎn)和進(jìn)口設(shè)備總體使用情況,結(jié)合薄煤層設(shè)備調(diào)研和考察交流情況,為保證設(shè)備配套使用的可靠性,同時(shí)考慮采購成本和投資風(fēng)險(xiǎn),提出設(shè)備配套選型建議:

        (1)成套采購國(guó)產(chǎn)滾筒式采煤設(shè)備。

        (2)液壓支架總體國(guó)產(chǎn)采購,其中立柱、推移油缸和電液控制系統(tǒng)進(jìn)口采購,同時(shí)采購實(shí)現(xiàn)順槽集中控制的自動(dòng)化設(shè)備,以提高自動(dòng)化技術(shù)水平和穩(wěn)定性。

        (3)三機(jī)總體國(guó)產(chǎn)采購,驅(qū)動(dòng)部、鏈輪和鏈條進(jìn)口采購。

        (4)采煤機(jī)國(guó)產(chǎn)采購。

        (5)進(jìn)一步關(guān)注國(guó)內(nèi)外刨煤機(jī)設(shè)備使用情況,根據(jù)煤層變化和設(shè)備技術(shù)發(fā)展情況確定是否采高刨煤機(jī)裝備。

        4 薄煤層開采裝備的發(fā)展趨勢(shì)

        我國(guó)薄煤層資源豐富,分布面廣,煤質(zhì)好。據(jù)統(tǒng)計(jì),全國(guó)薄煤層的儲(chǔ)量占全部可采儲(chǔ)量的20%,在近80個(gè)礦區(qū)中的400多個(gè)礦井中就有750多層為薄煤層。其中厚度在0.8-1.3m的共占86%,小于0.8m的共占14%。一些地區(qū)薄煤層儲(chǔ)量比重很大,貴州省占37%,山東省占52%,四川省占60%。盡管有較好的儲(chǔ)存條件,但受勞動(dòng)強(qiáng)度大、機(jī)械化程度低、安全系數(shù)低、工作效率低的影響,每年從薄煤層中采出的煤量?jī)H占全國(guó)總儲(chǔ)量的10.4%,而且有繼續(xù)下降的趨勢(shì),薄煤層產(chǎn)量與儲(chǔ)量的比例嚴(yán)重失調(diào),造成國(guó)家資源浪費(fèi)嚴(yán)重。

        薄煤層開采具有頂板壓力小、高度小、工人工作環(huán)境差的特點(diǎn),因此薄煤層采煤設(shè)備應(yīng)向可靠性高、自動(dòng)化和信息化程度高的方向發(fā)展,以提高采煤效率,減少工作面作業(yè)人員,降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度,實(shí)現(xiàn)薄煤層自動(dòng)化開采。薄煤層滾筒式采煤和刨煤機(jī)落煤是實(shí)現(xiàn)薄煤層自動(dòng)化開采的發(fā)展方向。

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