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The practice on high production highly effective mining equipment in top-coal caving face of very thick coal seam

LIU Da-tong

（Datong Mining Group Co. ltd , Datong Shanxi 037003）

Abstract: The practice on mining equipment in top-coal caving face of very thick coal seam by Tasan of Datong coal mine group co. ltd, introduced the implementation disposition synthesis puts the high production highly effective mining equipment the performance, the parameter and the use effect. Through to the behavior in service and the test data analysis, had pointed out the existence question and the reason, proposed the solution way and the suggestion.

Keywords: top-coal caving; high production and highly effective; mining equipment

1概述

      據(jù)預(yù)測，2020年中國煤炭需求將達(dá)到25～30億噸，按目前生產(chǎn)和在建礦井能力分析供應(yīng)缺口將達(dá)到9～14億噸。為了滿足國民經(jīng)濟(jì)，當(dāng)前和長遠(yuǎn)發(fā)展對煤炭的需求是我國能源領(lǐng)域的重大任務(wù)。高產(chǎn)高效開采裝備是提高煤炭生產(chǎn)能力的重要手段，是國際采礦界持之以恒研制內(nèi)容和發(fā)展方向。我國高產(chǎn)高效開采裝備的研發(fā)水平較美、英、德等發(fā)達(dá)國家低，但煤炭生產(chǎn)總量是卻居世界第一位，2006年全國原煤產(chǎn)量達(dá)到23.8億噸，煤炭供應(yīng)仍出現(xiàn)了緊張的局面。為此，早在2004年國家發(fā)展改革委對建設(shè)年產(chǎn)600萬噸的特大礦井需要現(xiàn)代的高端綜采工作面設(shè)備給予了肯定和支持。塔山礦根據(jù)其煤層條件特點(diǎn)和我國煤機(jī)裝備現(xiàn)狀，采用研制放頂煤關(guān)鍵設(shè)備和引進(jìn)可靠設(shè)備的技術(shù)途徑，開發(fā)了超厚煤層綜放高產(chǎn)高效開采裝備，并進(jìn)行了開采實(shí)踐，取得了很好的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)效果。截止2007年6月原煤產(chǎn)量達(dá)到763.6萬噸/年，最高日產(chǎn)量突破了五萬噸。實(shí)踐證明，這套超厚煤層綜放高產(chǎn)高效開采裝備的研制、設(shè)計(jì)、配置是成功的。為全國產(chǎn)化提供了借鑒和范例。

2裝備配置

2.1主要設(shè)備及參數(shù)

配置設(shè)備的總體思路是以保證綜放工作面年生產(chǎn)能力為600萬噸為前提，具有安全可靠、免維修、壽命長的特點(diǎn)。為此在進(jìn)行塔山首采工作面成套設(shè)備選型配置時(shí)，采用研制、引進(jìn)方式，并結(jié)合國內(nèi)綜采放頂煤技術(shù)水平程度，使配置的成套裝備達(dá)到科學(xué)合理、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的效果。各設(shè)備選配思路是：

從特厚煤層放頂煤負(fù)重角度看，工作面刮板輸送機(jī)承擔(dān)的負(fù)荷較大而且要求其壽命長，特別是后部刮板輸送機(jī)負(fù)荷更重、可靠性要求更高，因此，刮板輸送機(jī)采取引進(jìn)世界上最先進(jìn)、最可靠的設(shè)備，所以招標(biāo)選中了德國DBT公司負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)制造的PF6/1142型和PF6/1342型用于前后部的刮板輸送機(jī)。并根據(jù)塔山礦生產(chǎn)能力要求和煤層較厚的特點(diǎn)，配備大功率、中雙鏈、雙速電機(jī)+CST系統(tǒng)+重型緊湊型雙級行星減速器傳動，以此達(dá)到刮板輸送機(jī)運(yùn)輸能力富裕系數(shù)大、啟動性好的特性。

放頂煤工作面采煤機(jī)相對要求不高，國內(nèi)、國外都有能與之技術(shù)上相配的產(chǎn)品，只是國內(nèi)產(chǎn)品可靠性相對要差一些，從企業(yè)和今后的發(fā)展的角度來看還是選擇了目前世界上功率最大、技術(shù)內(nèi)涵最先進(jìn)采煤機(jī)，SL500交流電牽引滾筒采煤機(jī)，由德國艾柯夫公司設(shè)計(jì)制造。

刮板轉(zhuǎn)載機(jī)和破碎機(jī)的選型，是以輸送機(jī)的能力和溜槽寬度或鏈速略大于工作面輸送機(jī)為原則，考慮了與工作面保持同樣的壽命選用了德國DBT公司負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)制造的PF6/1542型轉(zhuǎn)載機(jī)和SK1118型破碎機(jī)，以及Matilda自移皮帶機(jī)尾。但DBT公司無法提供滿足用戶要求先進(jìn)的轉(zhuǎn)載方式，因此配備張家口煤機(jī)廠設(shè)計(jì)制造的ZY1100型轉(zhuǎn)載機(jī)自移裝置。

可伸縮膠帶輸送機(jī)傳動功率的選擇，必須大于轉(zhuǎn)載機(jī)的運(yùn)輸能力。根據(jù)綜采工作面煤流系統(tǒng)運(yùn)輸?shù)脑瓌t和簡化設(shè)備管理環(huán)節(jié)的原則，順槽采用一部可伸縮膠帶輸送機(jī)，運(yùn)輸能力不小于3500t/h，運(yùn)輸機(jī)長度應(yīng)和工作面走向長度協(xié)調(diào)。選用了煤科總院上海分院運(yùn)輸機(jī)電研究制造中心按運(yùn)輸長度3300米計(jì)算功率，實(shí)際按1700米供貨的SSJ1400/2×250膠帶輸送機(jī)。

乳化液泵站、噴霧泵配備了德國豪森科公司制造的EHP3K200/53 型和EHP3K125/80型。

采煤機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、泵站動力中心選配了德國貝克集團(tuán)的TS1534:RET+TEK1534+PBE3004型；前后刮板機(jī)動力中心選配了英國阿蘭維斯特華萊士唐有限公司的AW2000型。各設(shè)備主要參數(shù)見表2-1。

表2-1

2.2研制設(shè)備及參數(shù)

放頂煤液壓支架是實(shí)施放煤工藝的關(guān)鍵設(shè)備，也是保證頂煤回收率的重要環(huán)節(jié)，而目前從放頂煤技術(shù)和放頂煤設(shè)備的制造國內(nèi)是處于世界領(lǐng)先水平，所以放頂煤設(shè)備由國內(nèi)設(shè)計(jì)和制造。綜放支架工作阻力是按現(xiàn)行較通用的巖石容重法計(jì)算確定，計(jì)算工作阻力值為10128 kN，整合值為10000kN。支架的最大支撐高度的確定取決于工作面頂板管理理念和放頂煤工作面的出煤量，適當(dāng)增加割煤高度，可以提高煤炭回收率，并且有利于特厚頂煤的放出。帶來的后果是礦山壓力顯現(xiàn)加劇，工作面片幫冒頂現(xiàn)象嚴(yán)重，可能影響工作面的正常生產(chǎn)。同時(shí)，合理的割煤高度還要考慮通風(fēng)和工作面風(fēng)速的限制。為了保證合理的采放比（1：2～1：3），并且提高頂煤回收率，塔山礦采高應(yīng)該盡可能選擇較大。由于煤層底部6m～7m結(jié)構(gòu)相對比較穩(wěn)定，為了減少或取消頂煤弱化措施，希望單純依靠支架的反復(fù)支撐去破碎支架上方、機(jī)采剩余的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定頂煤。實(shí)踐和研究都表明支架對上方頂煤的影響范圍在3m左右，并且與支架的架型、支護(hù)強(qiáng)度、頂梁長度等有關(guān)。綜合考慮以上各種因素，確定塔山首采工作面機(jī)采高度為3.0～3.5m，剩余的3m～4m的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的頂煤，在液壓支架工作阻力為10000kN支撐作用下，可以依靠支架破碎，所以支架的最大高度確定為3.8m。并由天地科技股份有限公司開采所事業(yè)部設(shè)計(jì)、鄭州煤礦機(jī)械集團(tuán)有限責(zé)任公司和北京煤礦機(jī)械廠制造。主要參數(shù)如：

ZF10000/25/38型放頂煤液壓支架

架  型：                      四柱支撐掩護(hù)式正四連桿低位放頂煤支架

型  號：                             ZF10000/25/38

支架結(jié)構(gòu)高度：                       2500～3800 mm

支架寬度：                           1660～1860 mm

支架中心距：                         1756 mm

初撐力：                             7730KN（P=31.4MPa）

支架工作阻力：                       10000 kN（P=40.62MPa）

支護(hù)強(qiáng)度：                           1.04 MPa

移架步距                             800mm

泵站壓力：                           31.4MPa

操縱方式：                           本架操縱$Page_Split$

3開采實(shí)踐

3.1條件

8102工作面煤層厚度為11.1~31.7m，平均煤厚19.4m。煤層偽頂0.01m-0.05m，為灰黑色炭質(zhì)泥巖、高嶺質(zhì)泥巖，局部為白色煌斑巖；直接頂0.51m-30m，下部以深灰色及灰黑色高嶺巖、砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖，以及2#煤層，局部賦存，中夾巖漿巖侵入體，局部分叉2層以上。中部為灰白色中、粗砂巖及含礫細(xì)砂巖，局部夾薄層粉砂巖或多層煤線。上部為山西組4#煤；老頂30m以上，下部為深灰色粉砂巖及砂質(zhì)泥巖，局部賦存巖漿巖，厚度0.4－1.8m，中夾1－2層煤線。上部以深灰色及灰白色中、粗砂巖及細(xì)、粉砂巖為主，局部地段有細(xì)礫巖1－2層，厚度在3.0－5.0m，以及砂質(zhì)泥巖；底板為棕色高嶺質(zhì)泥巖南部較薄，局部相變?yōu)樯罨疑凵皫r，灰白色中或粗砂巖。

3.2產(chǎn)量

本套裝備是首次在塔山進(jìn)行開采實(shí)踐，其首采8102工作面的長度為231m，走向1531m，采用1.75m中心距液壓支架，共135架。從2006年6月6日開始試運(yùn)轉(zhuǎn)，中間經(jīng)歷了設(shè)備調(diào)試、磨合協(xié)調(diào)，截止2007年7月20日停產(chǎn)，推進(jìn)1285m，累計(jì)生產(chǎn)煤炭763.6萬t，最高月產(chǎn)量109萬t，最高日產(chǎn)突破5萬t。

3.3測試

3.3.1放煤工藝

根據(jù)塔山8102工作面超厚煤層的實(shí)際賦存情況，開采以來綜采工作面制定了多種采放煤工藝，通過現(xiàn)場對幾種放煤工藝的比對試驗(yàn)，最終確定采煤工藝主要使用頭尾端頭斜切進(jìn)刀，“一采一放”多輪順序放煤，見矸關(guān)門，頭尾過渡支架不放煤，平均采高3.5m，平均采放比1：4.67，測得工作面頂煤回收率平均76.83%，工作面回收率80.78%，單架放煤時(shí)間最長為5～8分鐘，一般為3～4分鐘，放煤時(shí)間相對較長。

3.3.2工作面頂板壓力顯現(xiàn)情況

礦壓顯現(xiàn)比較規(guī)律，來壓步距基本14～18m之間，部分區(qū)域來壓頻繁、強(qiáng)度也較大，頂板出現(xiàn)臺階下沉，多次出現(xiàn)壓架狀況。支架經(jīng)常在其額定工作阻力上限和安全閥經(jīng)常處于開啟狀態(tài)下工作，見抽樣圖3-1

圖3-1 綜采支架壓力曲線

3.3.3設(shè)備運(yùn)行情況

設(shè)備的總體運(yùn)行情況是很好的，具有較大的生產(chǎn)能力，能達(dá)到高產(chǎn)高效目的。目前主要影響因素除外運(yùn)及洗煤廠影響外，綜采工作面機(jī)電事故占主體，其中有采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)和電氣等各類故障的影響。在2006年的6～10月統(tǒng)計(jì)，開機(jī)率最高達(dá)到73％、平均59.1%。設(shè)備運(yùn)行統(tǒng)計(jì)情況見表5-3所示。

3.4存在的問題和建議

3.4.1液壓支架工作阻力偏低

對超厚煤層綜采放頂煤工作面的礦壓顯現(xiàn)預(yù)測不足，放頂煤液壓支架工作阻力設(shè)計(jì)偏小，在實(shí)踐開采中出現(xiàn)過幾次較大范圍機(jī)道漏頂和較強(qiáng)來壓造成壓架現(xiàn)象，對支架的部件有不同程度的損傷和損壞。為了提高支架的支撐性能，采取了調(diào)高安全閥的開啟壓力的措施，將1000L大流量安全閥由42MPa增大到45MPa、125L小流量安全閥由40.62MPa增大到44.6MPa，即：支撐工作阻力提高10%，收到一定的效果，但是在來壓時(shí)全工作面有57%的 大小安全閥開啟，有的開啟后還形成煙霧狀，見圖3-1。所以應(yīng)創(chuàng)新超厚煤層綜采放頂煤工作面頂板管理理念，調(diào)整在此條件下的放頂煤液壓支架工作阻力的設(shè)計(jì)依據(jù)，依照這一思路，目前已經(jīng)進(jìn)行了工作阻力為13000kN的液壓支架的設(shè)計(jì)與制造，應(yīng)用效果如何拭目以待。

圖3-1安全閥開啟后形成了煙霧狀

3.4.2故障對開機(jī)率的影響較大

排除外部因素，僅從裝備自身系統(tǒng)來講，各設(shè)備發(fā)生故障是影響開機(jī)率的主要因素，故障的類型中80%以上是部件質(zhì)量和可靠性造成的，17%是管理、協(xié)調(diào)不到位和操作不合理形成的，有3%是設(shè)計(jì)不當(dāng)和其它因素干擾造成的。部件的質(zhì)量可進(jìn)行專項(xiàng)的技術(shù)研究進(jìn)行改進(jìn)；配件的足量配備和及時(shí)供應(yīng)是儲備與成本矛盾的老生常談問題，特別是進(jìn)口配件的儲備和及時(shí)供應(yīng)對生產(chǎn)影響很大，雖短時(shí)較難解決的，但必須進(jìn)行這方面的改變工作。

4結(jié)束語

這套裝備首次在塔首采工作面的開采，取得了年產(chǎn)763.6萬噸的好成績，由此說明配置裝備的總體思路和原則、采用的方法和措施、選擇的技術(shù)數(shù)據(jù)和性能，以及采取的技術(shù)路線和途徑基本是正確的。這次實(shí)踐為超厚煤層綜放高產(chǎn)高效開采裝備的應(yīng)用積累豐富的經(jīng)驗(yàn)，我們相信在今后的使用中會創(chuàng)造出更好的成效。與此同時(shí)國內(nèi)已開發(fā)的相關(guān)設(shè)備，在技術(shù)、性能和質(zhì)量都有較大進(jìn)步，也完全能夠配置出這一技術(shù)指標(biāo)的高產(chǎn)高效綜放開采裝備。

作者簡介：劉大同（1958-），男，教授高工，現(xiàn)任大同煤礦集團(tuán)公司技術(shù)中心礦山機(jī)電研究所所長。