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        四臺(tái)礦連續(xù)起伏煤層綜采設(shè)備選型研究

        2022-09-16 03:43:28肖楊
        煤炭與化工 2022年8期
        關(guān)鍵詞:矸石采煤機(jī)回收率

        肖楊

        (晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 四臺(tái)礦,山西 大同 037007)

        0 引 言

        國(guó)內(nèi)外地質(zhì)條件簡(jiǎn)單的大型礦井綜采設(shè)備選型主要依據(jù)煤層厚度來(lái)確定支架參數(shù),進(jìn)而配套其他設(shè)備。而地質(zhì)條件較差的礦井,則須優(yōu)先考慮支架的穩(wěn)定性,同時(shí)確保提高資源的回收率。山西大同四臺(tái)礦隨著礦井逐年的開(kāi)采,侏羅系資源日益減少,逐步轉(zhuǎn)向石炭系,兩系煤層賦存條件相差較大。該礦石炭系太原組8號(hào)層煤賦存條件差,向背斜連續(xù)發(fā)育,且直接頂為炭質(zhì)泥巖,極易垮落,因此需要選擇一套適應(yīng)能力強(qiáng)的回采設(shè)備,保證礦井正常安全回采,提高資源回收率。以四臺(tái)礦8層煤802盤(pán)區(qū)首采80207工作面為研究對(duì)象,進(jìn)行連續(xù)起伏煤層綜采設(shè)備選型設(shè)計(jì)。

        1 煤層賦存條件

        四臺(tái)礦石炭系井田位于大同煤田北部邊緣,主采煤層為太原組8號(hào)層煤。煤的自然發(fā)火期為6個(gè)月,煤層埋深412~450 m,煤層厚度0~8.10 m,平均厚度3.52 m,煤層厚度變化較大。井田西南部煤層厚,東北部薄。直接頂板為1層深灰-黑灰色泥巖。區(qū)內(nèi)8號(hào)層煤有被古河流沖刷現(xiàn)象,頂板為中粗粒砂巖。煤層結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單,一般含0~1層夾矸。底板為一層淺灰色含砂高嶺巖,砂泥質(zhì)結(jié)構(gòu),泥質(zhì)為重結(jié)晶高嶺巖。煤層頂板以直接頂、基本頂雙層結(jié)構(gòu)為主,次為直接頂結(jié)構(gòu)且零星分布偽頂。

        802盤(pán)區(qū)煤厚2.0~7.3 m,頂板炭質(zhì)泥巖為主,底板砂質(zhì)泥巖為主,厚度2.3 m,抗壓強(qiáng)度25.7~41.6 MPa,平均34.8 MPa。井田內(nèi)斷層、陷落柱、向斜、背斜等地質(zhì)構(gòu)造較多,煤層傾角變化較大,走向傾角約±16°,最大約20°。

        首采80207工作面煤層厚度2.7~7.3 m,平均厚度5.5 m。共揭露斷層12個(gè),落差0.6~7.5 m,工作面傾向傾角8°~16°,最大約20°,傾角變化很大。煤層起伏變化較大,順槽走向和工作面煤層成波浪狀態(tài)。如圖1所示。

        圖1 首采80207工作面軌道順槽剖面圖Fig.1 Section map of the first 80207 working face track

        地質(zhì)條件對(duì)回采主要有以下影響。

        (1)因煤層起伏變化以及斷層較多,采煤機(jī)需要割大量巖石。

        (2)彎段取直。因工作面走向起伏變化大,無(wú)論哪種采煤工藝,為減小起伏變化角度,須沿工作面走向采取留底煤或即留底煤又留頂煤的彎段取直措施。

        (3)經(jīng)彎段取直后,有的地方無(wú)頂煤,有的地方頂煤很薄,雖然鉆孔揭露煤層較厚,但實(shí)際開(kāi)采煤層變化較大。

        2 采煤工藝及采煤設(shè)備選擇

        2.1 采煤工藝選擇

        下面就綜放與采全高兩種工藝作詳細(xì)對(duì)比。

        2.1.1 資源回收率對(duì)比

        (1)放頂煤開(kāi)采。如選用13 000 kN支架,最大采高3.6 m,如選10 000 kN支架,最大采高3.3 m,最低采高2.7 m,遇斷層不能進(jìn)一步減小采高,如遇更厚煤層因起伏變化大,頂煤很難回收,綜合考慮,整體資源回收率在60%左右。

        (2)一次采全高開(kāi)采。最小采高2.4 m,最大采高4.4 m,遇斷層可減小采高,少割矸石,如遇厚煤層可提高采高,盡可能提高資源回收率。所以采全高工作面資源回收率可達(dá)75%以上。綜合分析80207工作面資源回收率可達(dá)88%。

        2.1.2 矸石混入對(duì)比

        (1)放頂煤。因煤層走向連續(xù)起伏,仰俯采角度較大。俯采時(shí)頂煤與矸石混在一起,很難控制矸石進(jìn)入后溜,頂煤回收率低、矸石混入比例大;仰采時(shí)頂煤直接掉入采空區(qū),放到后溜很少。因此頂煤矸石混入比可達(dá)到70%以上,并且導(dǎo)致后溜磨損加快。

        (2)采全高??稍诓擅哼^(guò)程中根據(jù)煤層厚度靈活控制采煤高度,矸石混入比很小,設(shè)備磨損少。

        2.1.3 俯采難度分析對(duì)比

        (1)放頂煤工藝:①俯采時(shí)頂煤回收率低,矸石混入比大;②后溜與支架間的放口煤很難控制;③后溜在矸石的推動(dòng)下很容易緊貼支架,后溜上竄下滑很難控制。

        (2)采全高工藝:①俯采時(shí)要控制好采煤機(jī)穩(wěn)定性,三機(jī)配套中需采取特殊措施;②俯采最大角度16°,國(guó)內(nèi)類(lèi)似俯采角度開(kāi)采煤層很多;③俯采時(shí)也可根據(jù)煤層厚度增加采高盡可能提高資源回收率。

        2.1.4 仰采難度分析對(duì)比

        (1)放頂煤工藝:①仰采時(shí)頂煤回收率更低,矸石混入比大;②后溜與支架間的放口煤很難控制;③拉后溜困難,后溜上竄下滑;④煤壁也會(huì)存在片幫冒頂現(xiàn)象,需要適當(dāng)降低采高。

        (2)采全高工藝:①仰采難度大,容易片幫冒頂,需提高支架工作阻力和支架的支護(hù)效率,提高護(hù)幫高度,降低采高;②拉架困難,需降低支架重量,加大推移缸徑,提高拉架力。

        2.1.5 端頭支護(hù)設(shè)備對(duì)比

        (1)放頂煤工藝。前后2部刮板,配套后轉(zhuǎn)載機(jī)和端頭支架總長(zhǎng)度較長(zhǎng),移架、推轉(zhuǎn)載機(jī)都很困難。

        (2)采全高工藝。轉(zhuǎn)載機(jī)總長(zhǎng)度短,約10 m左右,端頭支架長(zhǎng)度短,拉架、推移轉(zhuǎn)載機(jī)方便靈活、機(jī)動(dòng)性好,可更好適應(yīng)起伏不平的巷道條件。

        通過(guò)以上5個(gè)方面對(duì)比,綜合考慮各種因素以及四臺(tái)礦煤層賦存條件,確定該礦8號(hào)層煤采用采全高采煤工藝,選用支架重量相對(duì)較輕、最大采高要達(dá)到4 m以上、俯仰采期間穩(wěn)定性均能滿(mǎn)足要求的設(shè)備。

        2.2 設(shè)備參數(shù)的確定

        2.2.1 采高確定

        主要依據(jù)煤層厚度(包括煤層夾矸厚度),同時(shí)要考慮設(shè)備能力和礦山壓力顯現(xiàn)狀態(tài)。

        8號(hào)煤層有效鉆孔37個(gè),煤厚小于4.3 m的鉆孔11個(gè),煤厚4.3~7.0 m的鉆孔26個(gè),確定最小采高2.6 m,最大采高4.4 m,基本含蓋大部分煤層。通過(guò)80207工作面兩順槽實(shí)際揭露煤層情況,資源回收率可達(dá)到88%。最終確定支架最大高度4.6 m,支架最小高度2.2 m。

        2.2.2 支架配套中心距的確定

        因煤層起伏變化大,仰采角度16°左右,拉架困難,因此選用1.5 m中心距支架,重量輕,機(jī)動(dòng)靈活,方便移架,適應(yīng)性好;刮板輸送機(jī)溜槽1.5 m槽長(zhǎng)度,更好適應(yīng)工作面傾向起伏不平地質(zhì)條件。對(duì)于仰俯采16°,1.5 m中心距也可選用151大節(jié)距提高采煤機(jī)與刮板機(jī)的配套可靠性。

        2.2.3 支架橫向穩(wěn)定性

        首采80207工作面傾角達(dá)到16°,通過(guò)增加防倒防滑功能,1.5 m中心距支架也可以滿(mǎn)足4.4 m采高的橫向穩(wěn)定性要求。

        2.3 最終設(shè)備選型型號(hào)

        根據(jù)以上綜合分析進(jìn)行工作面設(shè)備選型,包括采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、液壓支架、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、順槽皮帶機(jī)等,形成一套綜采設(shè)備,具體設(shè)備型號(hào)如下。

        采煤機(jī):MG650/1630-WD

        刮板輸送機(jī):SGZ1000/2×855

        轉(zhuǎn)載機(jī):SZZ1000/525

        破碎機(jī):PCM400

        液壓支架:中部ZZ12000/22/46;過(guò)渡ZZG120 00/22/46;端頭ZTZ10000/23/42

        順槽皮帶機(jī):DSJ120/100/2×400

        根據(jù)煤層起伏變化大、仰俯采角度大的特點(diǎn),采用遠(yuǎn)距離供液、供電方式。

        3 特殊地質(zhì)條件配套綜采設(shè)備應(yīng)對(duì)方法

        3.1 液壓支架

        (1)頂梁防倒與防滑。側(cè)護(hù)千斤頂由φ80 mm增加到φ100 mm,增大側(cè)護(hù)板調(diào)架能力;機(jī)頭機(jī)尾部分支架頂梁安裝防倒機(jī)構(gòu),底座安裝防滑機(jī)構(gòu)。

        (2)頂板、煤體較破碎,仰采時(shí)容易片幫冒頂,采取以下措施:支架采取頂梁、掩護(hù)梁、后連桿設(shè)計(jì),全封閉式側(cè)護(hù)板防止漏頂、漏矸;前梁設(shè)計(jì)0.8 m行程伸縮梁??杉皶r(shí)支護(hù)頂板;選用高工作阻力支架,增大前立柱缸徑,提高頂梁前端接頂效果,有效防止片幫、冒頂;支架伸縮梁前設(shè)計(jì)一級(jí)護(hù)幫板,增加護(hù)幫高度。

        (3)底座前端設(shè)計(jì)抬底機(jī)構(gòu),加大抬底量和過(guò)橋龍門(mén)高度。

        (4)優(yōu)化支架空間布局,加寬底座接地面積,降底底座前端比壓。

        (5)加大推移機(jī)構(gòu)移架能力,加大推移千斤缸徑,由原φ160 mm增大到φ180 mm。

        3.2 采煤機(jī)

        (1)選用151 mm大節(jié)距銷(xiāo)排,增加采煤機(jī)行走機(jī)構(gòu)強(qiáng)度、可靠性。

        (2)如果連續(xù)大角度俯仰采長(zhǎng)度超過(guò)100 m,考慮臨時(shí)更換專(zhuān)用的導(dǎo)向滑靴和支撐腿。

        (3)采煤機(jī)牽引電控采用一拖一四象限的控制方式,保證連續(xù)下行割煤;同時(shí)采煤機(jī)加裝制動(dòng)器,防止采煤機(jī)駐車(chē)時(shí)出現(xiàn)溜車(chē)現(xiàn)象。

        (4)如遇全巖或者夾矸較多時(shí),先放震動(dòng)炮后用采煤機(jī)截割;若經(jīng)常需要割全巖或者夾矸,滾筒采用強(qiáng)力重型破巖滾筒。

        (5)提高耐磨。搖臂行星頭處堆焊耐磨層;支撐滑靴采用進(jìn)口耐磨鋼板焊接;導(dǎo)向滑靴導(dǎo)向面焊接復(fù)合耐磨鋼板確保耐磨性;行走輪增加滲碳層深度,提高耐磨性。

        (6)潤(rùn)滑。搖臂安裝強(qiáng)迫潤(rùn)滑泵,確保采煤機(jī)搖臂行星頭的潤(rùn)滑;液壓泵站針對(duì)俯仰采做優(yōu)化設(shè)計(jì),確保順利透氣加注油。

        (7)電氣元部件的防松防震。電氣元部件的安裝螺紋采用施必牢螺紋;安裝時(shí)螺釘螺栓均涂覆LOC-243螺紋鎖固膠;關(guān)鍵緊固件采用鬧得牢防松墊圈;關(guān)鍵元部件安裝采用定制的減震墊。

        3.3 刮板輸送機(jī)

        (1)為適應(yīng)工作面起伏采取的變化,選用1 500 mm中部槽,以靈活適應(yīng)工作面條件,同時(shí)與支架相配合。

        (2)銷(xiāo)排選用151 mm強(qiáng)力鍛造銷(xiāo)排。

        (3)中部槽中底板選用HARDOX450等高強(qiáng)度耐磨板,中板厚度由40 mm加厚到50 mm,底板30 mm,采用多層多道焊接工藝。

        (4)針對(duì)槽幫不同工作部位的受力狀態(tài)和力學(xué)性能要求,槽幫采取分區(qū)淬火熱處理工藝,提高槽幫鏈道、鏟板、凸端、凹端等部位硬度指標(biāo),以滿(mǎn)足高強(qiáng)、高耐磨性能。

        (5)加大推移耳根部圓弧,提高其沖擊韌性,以適應(yīng)支架的推拉作用。

        (6)減少對(duì)起弧段的磨損措施,過(guò)渡段及變角度部位均采用大圓弧設(shè)計(jì),升角小,可更換翼板。

        3.4 轉(zhuǎn)載機(jī)

        (1)凸槽中板圓弧段采用可更換式中板。

        (2)落地段槽體采用啞鈴聯(lián)接,槽體長(zhǎng)度為1 m/件。

        (3)轉(zhuǎn)載機(jī)配邁步自移,導(dǎo)軌長(zhǎng)度調(diào)整為1 m/件,以適應(yīng)順槽起伏不平變化。

        (4)加大端頭支架推移千斤頂缸徑,提高推轉(zhuǎn)載機(jī)能力。

        (5)中部槽中底板選用HARDOX450等高強(qiáng)度耐磨板,中板厚度由40 mm加厚到50 mm,底板40 mm。

        3.5 破碎機(jī)

        破碎機(jī)板材材料采用Hardox450,板厚加厚,中板厚度50 mm,底板厚度40 mm。破碎中板厚度80 mm。

        3.6 自移機(jī)尾ZY2700

        (1)自移機(jī)尾頭端架兩側(cè)加裝壓帶裝置。

        (2)四根立缸下方連接銷(xiāo)加粗由原φ40 mm改為φ60 mm。

        (3)支撐滑架加固。

        3.7 順槽皮帶機(jī)

        (1)巷道凹弧段機(jī)身增加生根的可調(diào)壓帶裝置,強(qiáng)行將上帶面凹弧段半徑縮小,并使凹弧段機(jī)身盡量降低。

        (2)提供數(shù)量較多的可調(diào)支腿,以適應(yīng)上、下起伏不定巷道,達(dá)到與自移機(jī)尾的自然的過(guò)渡。

        4 現(xiàn)場(chǎng)施工情況

        首采80207工作面回采以來(lái),該套設(shè)備在過(guò)大傾角俯仰采、炭質(zhì)泥巖破碎頂板及各類(lèi)地質(zhì)構(gòu)造時(shí),有效的控制了頂板?;夭善陂g工作面煤層起伏,采取彎段曲直,如圖2所示,圖中深色線為工作面頂?shù)装濉?/p>

        圖2 工作面回采期間素描圖Fig.2 Sketch of working face during mining

        目前,該套設(shè)備已回采360 m,工況良好,安全高效的完成了逐月生產(chǎn)任務(wù)。

        5 結(jié) 語(yǔ)

        針對(duì)四臺(tái)礦8層煤802盤(pán)區(qū)首采80207工作面煤層起伏變化較大以及斷層較多的難題,通過(guò)資源回收率、矸石混入比、開(kāi)采難度等方面對(duì)比分析,確定了連續(xù)起伏煤層礦井成套綜采設(shè)備,最終安全高效的通過(guò)了斷層、向背斜等構(gòu)造,產(chǎn)量增加15%,為該礦今后工作積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

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