硬煤超大采高智能化综放开采关键技术装备研究

2020-05-14韩会军曾明胜李申龙

煤炭工程 2020年4期

韩会军，曾明胜，闫跃，李申龙

(1.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京 100013；2.兖州煤业股份有限公司，山东邹城 273500；3.陕西未来能源化工有限公司，陕西榆林 719000)

我国厚煤层资源丰富，可采储量占全国总可采储量的45%左右。针对厚煤层开采主要有3种采煤方法，即分层开采、大采高一次采全厚综采和综放开采。分层开采生产效率低，巷道工程量大，易自燃，下分层开采时顶板维护难度大；大采高一次采全厚综采经历30多年的发展，配套液压支架最大支撑高度已达到8.8m，但经现场生产实践总结，采高超过7m时，工作面扰动强度急剧增加，围岩控制难度加大，开采效率下降；因此在目前技术背景下，对于8m以上特厚煤层，综放开采方式适应性更好。

金鸡滩井田位于榆神矿区内，赋存有大量厚度8～12m、平均硬度2.8的特厚煤层，采用分层或一次采全厚综采，开采效率低，开采难度大，宜采用综放开采。分析认为，对硬质特厚煤层综放开采，增加采煤机割煤高度能有效改善顶煤冒放性[1-6]，因此，研发适应硬煤超大采高智能化综放开采的关键技术及装备，改善顶煤冒放性，提高装备智能控制水平，是实现硬煤特厚煤层绿色安全高效开采的必要手段[7-9]。

1 煤层赋存条件

金鸡滩井田分东西两翼回采。西翼煤层厚度在6～9m之间，采用8.2m超大采高综采装备开采，目前首采工作面已结束，正在进行第二个工作面回采工作。东翼煤层厚度在8～13m之间，平均硬度f=2.8，煤层倾角小于1°，可采储量1650.6万t，首采117工作面范围内无落差较大断层及褶皱发育，煤层埋深约240m，顶、底板岩性为泥岩、粉砂岩、砂质泥岩，煤层顶板属于不稳定至中等稳定顶板，可随采随冒，可适应综放开采，必要时提前对顶煤爆破预裂处理，增加顶煤冒放性。

2 硬煤超大采高综放开采关键技术

2.1 超大采高综放开采理念

综放开采采放比的确定应综合考虑煤炭资源回收率、煤壁稳定性、矿压显现等因素。煤层厚度一定，工作面机采高度增加，机采部分煤炭资源回收率增大，超前支承压力及影响范围增加，顶煤垮落概率增加，顶煤回收率增加，工作面煤炭整体回收率增加；机采高度增加，矿山压力显现加剧，煤壁稳定性降低，围岩控制难度增加，煤质较硬有利于围岩稳定性控制，但顶煤整体性强，因此，超大采高综放开采理念认为，增加机采高度，采用超大采高综放开采，在保证围岩控制的前提下可改善顶煤冒放性，提高资源回收率。

2.2 工作面开采工艺参数优化

2.2.1 采放比确定

金鸡滩东翼煤层平均厚度12m，平均硬度f=2.8，应用综放开采，对不同采高下顶煤回收率进行数值模拟，模拟结果如图1所示。借鉴西翼8.2m超大采高综采及邻近金鸡滩煤矿的麻黄梁、神树畔、双山、千树塔等煤矿综放开采成功经验，综合考虑煤炭资源回收率及围岩稳定性控制因素，采放比设定约为1∶1。通过增大割煤高度至6.0～7.0m、增大液压支架初撑力和交变载荷支撑次数、顶煤预破碎等措施，提高资源回收率[10-13]。

图1 不同采高与回收率关系数值模拟曲线

2.2.2 截深及工作面长度确定

工作面截深的确定取决于工作面煤层地质条件、工作面配套采煤机和液压支架的性能。针对超大采高综放工作面，减少顶板局部冒顶和煤壁片帮，通过提高采煤机开机率和运行速度，比通过增大截深来提高产量更为有效，因此截深选择865mm。

增加工作面长度，可减少巷道掘进量，提高工作面开采效率，目前薄煤层工作面长度能达到400m。金鸡滩煤层硬度较高，顶板较易管理，但采高较大时，工作面倾向布置过长，将会使围岩控制难度大幅增加，设备故障率升高，因此考虑工作面倾向长度为300m。

2.3 超大采高综放工作面设备配套研究

2.3.1 超大采高综放工作面设备配套

金鸡滩超大采高综放工作面整体设备配套借鉴8.2m超大采高综采设备配套的成功经验，并根据现场实际需求进一步创新。工作面长度300m，两巷截面6000m×4200mm (宽×高)，工作面中部支架采用ZFY21000/35.5/70D型放顶煤液压支架，最大割煤高度6.5m，采煤机滚筒直径3.5m，截深865mm，前部采用SGZ1250/2×2000刮板输送机，槽宽1250mm，装机功率2×2000kW；后部采用SGZ1400/3×1600刮板输送机，槽宽1400mm，装机功率3×1600kW；转载机型号SZZ1800/1200，槽宽1800mm，装机功率1200kW。

2.3.2 工作面后部运输交叉侧卸技术

在综放工作面后部输送机与转载机实现交叉侧卸布置，降低机头卸载高度，有利于机头过渡架实现放煤。金鸡滩工作面前部刮板输送机卸载方式采用端卸，机头电机平行布置，机尾电机垂直布置；后部刮板输送机采用交叉侧卸卸载方式，机头电机一个垂直一个平行布置，机尾电机平行布置如图2所示。相对端卸，交叉侧卸方式具有诸多优点：①机头架卸载高度低，机头端面不进行卸载煤炭；②机头架中板升角小；③转载机机尾相对输送机机头架滞后量小；④拉回煤现象较少；⑤工作面上窜下滑时，卸载距离不变。

图2 后部交叉侧卸机头电机布置方式

2.3.3 超大采高综放工作面端头区支护

工作面采高最大达到6.5m，巷道高度为4.2m，之间存在2.3m高度差，在过渡区设置中间过渡支架，高度与中部支架相同，在靠近巷道侧安装能覆盖2.3m高差的侧板，直接将高度过渡到巷道高度[14，15]。过渡支架在巷道侧顶梁加可回转90°的侧翻板，在前部刮板运输机卸载点安装单片超前支架，该超前支架安装侧翻板，用于支护垂直布置电机的上部空间，后部输送机卸载点采用两架巷尾支架进行支护。机尾支护方式同样采用大梯度过渡方式。超大采高综放工作面端头区支护如图3所示。

图3 超大采高综放工作面端头区支护

3 硬煤超大采高智能化综放成套装备研究

3.1 采煤机关键技术

煤层硬度较高，需较大截割功率，117工作面采高最大6.5m，采用MG1000/2650-GWD型采煤机，具备智能远程控制、状态监测和故障诊断等功能，通过优化各部结构型式，形成高可靠性结构总体。

采煤机主要参数及特点：①滚筒截割功率为2×1000kW，装机总功率为2650kW，滚筒直径为3500mm；②按照所记录的工作方向与位置参数、姿态参数、滚筒高度轨迹，进行智能化运算，形成记忆截割模板，实现记忆截割；③具备就机操作、远程自动控制两种模式互锁功能，实时通讯状态检测，提高采煤机运行可靠性；④配置惯导系统，可实现工作面直线度调整。

3.2 大运量运输系统

硬煤超大采高综放开采，煤炭产量高、块度大，需要大运量的智能化运输系统保证工作面运输流畅。117工作面经过多次设备配套研讨，制定工作面设备配套原则，实现了前、后部刮板输送机、转载机以及带式输送机高速运行参数匹配，优化了后部刮板输送机及转载机交叉侧卸方案，通过智能调速实现运输系统煤流负荷平衡，研发了可靠性高、结构简单的连续破碎技术，建立了刮板机煤流卸载口、转载机入料口、破碎机及转载机卸料口四级破碎系统，解决工作面输送机卸载点和转载机入口点大块煤堵塞的问题，实现大块煤的连续破碎，降低人工破碎大块煤的劳动强度和不安全因素，保障工作面智能化方案顺利实施，实现了超大采高综放开采智能化高速煤流运输。

3.3 超大采高放顶煤液压支架

根据公式估算、经验类比及数值模拟，确定支架支护强度不小于1.6MPa，支架中心距选取2050mm，工作阻力确定为21000kN，采用两柱掩护式支架。

1)片帮控制是超大采高工作面围岩控制的关键，提高支架初撑力和前端支顶力，增加对煤壁支护面积和支护强度，可减轻煤壁压力，有利于煤壁稳定性[16，17]。支架采用整体顶梁加伸缩梁，前部防片帮采用二级护帮机构，护帮高度达3.0m，二级护帮采用液压联动技术，能更好的自动贴合煤壁，可有效防止煤壁片帮，保证工作面的安全性。

2)支架顶梁、底座柱窝采用高强度材料锻造，柱窝下部采用“并”字型箱型结构，双层U型板加固，支架立柱压板采用上位压板型式，保证了支架关键受力部位的结构及强度，伸缩梁采取内伸缩式，5腔结构增强伸缩梁抗弯能力，保证结构高可靠性。

3)为改善硬煤冒落性能，支架采用强扰动、高强度放煤机构，改变传统低位放顶煤“尾梁+插板”放煤机构型式，变为“二级尾梁+插板”的三级放煤机构，增大放煤口尺寸，采用基于多传感识别技术的控制系统，优化硬煤综放智能控制系统，如图4所示。

图4 超大采高放顶煤液压支架

4)支架配置姿态感知自适应系统，自主研发立柱自动增压初撑力保证系统，提高支护质量和支护速度。

3.4 工作面智能化控制系统架构

智能化开采通过开采环境、工况的主动感知，集控中心分析决策，开采设备群智能联动调控，实现回采作业的自适应过程。工作面智能化控制系统集采煤机、液压支架、刮板输送机、转载机、破碎机、泵站等系统与其监测通信及集中控制于一体，如图5所示。采煤机凭借实时监测、工作面找直、记忆割煤功能实现高可靠性远程控制，液压支架以电控系统为基础，通过多传感装置感知、自适应姿态调整、群组放煤智能控制实现采放协调，刮板输送机、转载机、破碎机相结合对煤流负荷实现智能控制，配套工作面语音通讯、泵站控制、工作面巷道带式输送机控制、组合开关监测、移变监测等底层感知、执行基础，工作面巷道带式监控中心及地面分控中心为中心决策，辅以工作面智能降尘、人员识别、设备故障诊断等保障措施，通过工作面以太系统为脉络进行联接，实现工作面设备群智能联动，形成高效的超大采高综放工作面智能化控制系统。