一米以下含坚硬夹矸薄煤层安全高效开采关键技术与装备研究网络版(W57257)

二、项目简介项目所属科学技术领域、主要研究内容、技术经济指标、促进行业科技进步作用及应用推广情况本项目属采矿工程技术领域。兖州矿区薄煤层可采储量占总可采储量41.18%，薄煤层主要是16、17层煤，煤层中含有坚硬夹矸，决定了不能采用机械开采的方法，只能选用炮采配备液压支架进行薄煤层机械化开采。通过不懈努力与探索，成功研制了1、全封闭式可调节高分子聚乙烯挡煤装置（获国家专利），首次将高分子聚乙烯用作挡装材料，实现薄煤层工作面安全挡装；2、研制了力矩平衡式铲煤装置，彻底解决了薄煤层铲煤装置上漂和扎底难题，实现了铲装机械化；3、研制了具有原创性的双摆杆支撑掩护式液压支架，首次将液压支架用于一米以下含硬夹矸薄煤层开采工作面，实现了薄煤层开采工作面支护机械化和硬夹矸薄煤层机械化高产高效工作面总体配套优化；4、在高效炮采工艺与安全生产技术措施下，研制了薄煤层工作面自移式转载机与机尾，及薄煤层工作面运输设备的选型、研制、配套及应用。真正实现了薄煤层安全高效开采。特点：含硫化铁硬夹矸薄煤层高效开采的研制成功，探索出一条炮采加机械铲、装、支、运的炮采机装复杂难采薄煤层开采新途径，形成一套成熟的技术装备与生产工艺。形成适合含硬夹矸薄煤层高效机械化开采的工作面成套装备新模式，形成含硬夹矸难采薄煤层炮采机械化高效生产的工艺模式，为类似复杂煤层的高效开采起到了重要的示范作用。本项目使工作面平均资源回收率由原来的70%，提高到现在的98%以上，兖矿集团北宿煤矿生产连续三年稳定在100万吨左右，目前该技术已在兖矿集团三个开采薄煤层矿井中推广，推广表明该套装备质量可靠、性能优良，有效地解决了复杂难采薄煤层高效开采问题，拓展了薄煤层开采领域，将我国薄煤层开采水平提高到新的层次。本项目成果必将对我国复杂难采薄煤层的高效开采产生深远影响，在兖州矿区以及国内同类地质条件下具有很大的推广价值，将会大大推进我国薄煤层高效集约化开采的进程，创造出更大的经济效益和社会效益。（不超过800个字）三、项目详细内容1.立项背景（不超过800个字）兖州矿区厚薄煤层并存，多年来厚煤层被大量开采，储量急剧下降，薄煤层成为各矿主采煤层。兖州矿区可采的薄煤层主要是16、17层煤，(16层和17层煤特点：1、最小煤厚度0.6米，最大厚度1.2米，平均厚度在0.9m左右。2、夹矸硬：两层煤中均含有硫化铁结核（f=11-13）和硬夹矸（f=7-8），且分布广泛、不规则、体积大。3、底板为铝质泥岩，遇水易膨胀，抗压强度低，支柱钻底严重。4、煤层顶板为粉砂岩和石灰岩复合顶板，相变频繁，复合顶极易冒落，导致人身安全事故频发。)决定了不能采用机械开采的方法，只能选用炮采配备液压支架进行薄煤层机械化开采。近十几年来，兖矿集团一直致力于薄煤层安全高效开采技术的研究探索。仅机械落煤问题，曾多次邀请德国、英国、日本等国内外知名专家进行分析、研究，并先后试用过采煤机、刨煤机、截煤机等机械开采，均因割不动硫化铁结核，而告失败，含硫化铁结核薄煤层开采成为煤炭开采领域的世界性难题。为了充分利用煤炭资源，延长矿区服务年限，促进企业的可持续发展，实现厚薄煤层协调开采，开展薄煤层安全高效开采技术与装备研究工作，已成当务之急。有待解决的问题：(1)支护方式的确定及配套设备的研究制造；（2）炮采工艺的优化；（3）高效铲装系统的研究及制造；（4）工作面挡煤方式的确定及设备的研究制造。2.详细科学技术内容（不超过10页）总体思路：1．为实现含硫化铁硬夹矸薄煤层高效开采，兖矿集团经过多年的不懈努力与探索，分别就高效落煤方式、快速装煤工艺、安全挡装系统和支护方式等方面内容进行了专题研究。1.1项目攻关内容⑴一米以下含坚硬夹矸薄煤层安全高效开采关键技术与装备研究⑵工作面生产系统设计⑶安全高效炮采工艺研究⑷工作面铲挡装置研究⑸工作面液压支架研究⑹自移式转载机与机尾研究⑺工作面矿压规律研究1.2项目实施技术路线经过研究，决定采用如下技术路线：调研、消化国内外薄煤层工作面设备技术—→总结我国炮采薄煤层高效开采工艺—→研究提出兖矿含硫化铁硬夹矸薄煤层工作面设备配套方案和关键装备设计方案—→进行方案论证—→产品设计制造—→相关试验—→工艺方案优化—→工业性试验—→鉴定推广。技术方案与创新成果：2.生产系统设计2.1工作面布置方式确定采用长壁回采工作面进行开采时，可以使用单工作面回采，即采用一个工作面两条回采巷道的布置方式；也可以采用双工作面回采，即用两个工作面三条巷道的形式，利用上下工作面的中间巷道作为工作面运输巷，同时两工作面之间必须保持一定错距。实践证明，炮采工作面采用对拉工作面是提高工作面单产，保证矿井稳产行之有效的重要措施之一。为此，将工作面布置为对拉工作面。2.2工作面参数确定由于工作面采用对拉式方式进行布置，为达到矿井年产100万t要求，经研究，确定工作面各有关参数如表1所示。表1工作面参数表项目内容备注倾斜长度≥250m采高平均0.9m由煤层赋层条件决定日推进度1.2m16煤1.1m17煤月产量≥41440t按每月工作28d计算3.安全高效炮采工艺研究3.1爆破方案的确定研究表明，相对于瞬发雷管和秒延期雷管而言，毫秒延期雷管起爆具有破碎能力强、炸药单耗低、爆破震动小、一次起爆数量多等特点，因而本项目爆破方案确定选用微差爆破。3.2爆破主要技术参数确定根据上述讨论可以将爆破参数确定如下：一次起爆长度≤25m(三花眼)炮眼布置采用三花眼炮眼间距1.2m(16煤)、1.0m(17煤)炮眼深度1.3m(16煤)、1.2m(17煤)水平夹角85°竖直仰俯角5°炮眼距顶、底板距离0.3m发爆器FBM－100起爆顺序斜切式，每组10炮每孔装药量顶眼300～330g，底眼450～480g炮泥堵塞长度≥0.5m工作面采用SMZ-2型煤电钻打眼，毫秒雷管引爆，炮眼采用三花眼布置，水平夹角为85°，仰俯角为5°，炮孔深1.3m，反向装药配装水炮泥。其它爆破参数为：⑴16煤：炮眼间距为1.2m，顶眼装药量300g（2卷），底眼装药量450g（3卷）；⑵17煤：炮眼间距为1.0m，顶眼装药量300g（2卷），底眼装药量375g（2.5卷）。采用朝向底板斜切式起爆顺序，一次最大放炮长度为15～20m(三花眼)。炮眼起炮顺序原则上先爆顶眼，再爆底眼，以保证工作面顶板完整性。4.工作面铲挡装置研究4.1挡煤板材料的选取要求所选的挡煤板材料必须具备以下特点：⑴重量轻。为了便于井下搬运与安装，要求所选的挡煤板材料重量必须要轻；⑵较高强度的弹性变形能力。考虑到挡煤板要经常克服冲击强度的影响，要求挡煤板必须具有足够的刚性与良好的韧性，所选的挡煤板材料具有较高的强度和弹性变形能力；⑶耐磨性能好。鉴于工作面生产条件极为恶劣，要求所选的材料具有较高的耐磨性能；⑷耐老化性能好；⑸阻燃性能好。研究表明，目前只有高分子聚乙烯材料能够满足上述各项要求。超高分子量聚乙烯由于价格便宜、成本低、重量轻、安装方便、耐冲击、抗弯曲、耐磨损、自润滑、耐冲击、吸水能力差、不易粘附异物、卫生无毒、复用率高和尺寸稳等特点，是挡煤板材料的最佳选择。4.2挡煤板几何尺寸确定挡煤板几何尺寸的确定主要兼顾到以下几个问题：⑴挡煤板高度应与煤层厚度相适应，以利于爆破气浪的扩散，同时有效地挡住崩落煤炭。挡煤板过高或过低都会影响爆破装煤效果。实验研究证明，挡煤板高度一般为煤层厚度的三分之二为宜。由于煤层厚度为0.8～1.0m，因此挡煤板搭接后的高度以0.6～0.7m为佳。⑵挡煤板长度为1.5m，使用时两块板搭接长度应大于200mm，以防止挡煤板交接处被崩弯漏煤。⑶为了减少挡煤板在爆破落煤时所受的爆破冲击力，应在挡煤板上设置若干分布有序的卸力孔，以便爆破时降低挡煤板的冲击强度。研究表明，卸力孔为Φ30mm就可以满足要求。⑷井下实践表明，为了使挡煤板有足够的能力抵御爆破冲击应力，其厚度应不低于30mm。⑸为了便于人员通行刮板输送机，应在挡煤板间留有断空，初步确定每4～6个(6～9m)挡煤板处设一个安全出口。根据以上原则，同时也为了便于安装和调节高度，根据工作面溜槽高度和工作面采高，将挡煤板的几何尺寸确定为：长1500mm×高400mm×厚30mm。4.3挡煤装置安装挡煤装置的安装可分为两种类型，一种是针对单体液压支柱支护方式的，另一种是针对液压支架支护方式的。⑴单体支柱支护时挡煤板的安装采用“一挡加二挡”方式进行安装。①一挡的安装一挡下部用规格为Φ20×80mm的刮板螺栓穿过挡煤板上的卸力孔，与两个刮板圆环链固定在一起，圆环链用刮板螺栓与刮板连接环联接在护管架的孔上。这种连接方式既能使一挡和工作面溜槽一体化，起到随输送机前移的作用，又能使挡煤板只能向采空区侧方向倾斜而不能向煤壁侧倾斜，防止响炮时挡煤板挡不住煤或大块煤刮坏挡煤板。②二挡的安装二挡敷设在一挡的采空区侧，两挡之间通过一条锚链和锁板联结，二挡可利用锁板沿锚链自由移动，达到升降目的。当二挡达到预定高度后，利用锁板旋转锚链锁住二挡，便于挡煤板不同采高时有效挡煤。工作面放炮完毕后，用相同方式降低二挡到合适位置。上述所有操作方式都方便、可靠易于掌握。具体安装方式如图1所示。图1挡煤板安装示意图⑵液压支架支护时挡煤板的安装挡煤装置分上、下两部分。下挡煤装置以底座前部为挡板主体，并在其上通过导向键和夹板安装有左右两块可横向抽拉的下挡煤板。上挡煤装置以固定在顶梁下侧的长度为900mm的上挡煤板为挡板主体。为适应煤层厚度的变化，该挡板设计为双层三级高度可调结构：第一级配套支架使用高度为610～1000mm，第二级配套支架使用高度为710～1100mm，第三级配套支架使用高度为810～1200mm。在上挡煤板的前侧通过导板和卡键安装有一块可横向抽拉的活动挡煤板。其操作过程是，放炮前将上下活动挡煤板全部横向抽出，封住前后通道，挡煤装置处于放炮封煤状态。放炮后，将上下活动挡煤板全部缩回，挡煤装置处于打开和可移架状态。4.4铲煤装置组成采用铲挡煤装置后，炮采落煤后，一部分落煤由挡煤板拦截在刮板输送机上，通过刮板输送机直接运走；而输送机与煤壁间的落煤则在推溜时，利用煤的自然堆积角，将煤挤落进运输机内，由刮板输送机运走，实现自动铲装的目的。铲煤板由钢板、中部槽组成，通过螺栓与中部槽连接。铲煤板的设计主要兼顾了以下几个原则：①防止铲煤板扎底；②减少阻力的产生；③减少扎底力的产生。4.5铲煤装置主要技术参数⑴高度：铲煤板的高度与刮板运输机槽帮高度保持一致，这样一方面为了便于安装(槽帮上沿与中板间距离较小)，还有就是防止铲煤机与槽帮之间出现台阶，影响装煤效果。⑵长度：考虑到刮板输送机具有一定的可弯曲性，这样铲煤机的长度应小于溜槽的长度。由于溜槽长度为1500mm，因而将铲煤板的长度确定为1460mm。⑶铲煤板夹角：所谓铲煤机夹角是指铲煤板水平与竖直方向夹角。实践证明，将铲煤板夹角设计钝角可有效减小下插角，同时还能提高煤炭的自装率，实践表明将铲煤机夹角确定为92°比较合理。⑷铲煤面采用中间圆弧过渡，中心线以下部分采用30°折线，以减少扎底力；中心线以上采用45°，中间部分圆弧过渡，铲煤板下插角1°—2°，改变了原来三角形结构，同时随着铲煤板下部铲角变小，铲煤面圆弧过渡，也减小了铲煤板铲入阻力。这样做的目的是使铲煤板在铲煤过程中受到阻力的合力在中心线以上产生一个与后部千斤顶推力力矩相反的力矩，利用力矩的平衡，减少扎底力，同时铲煤板下部铲角变小，也减小了铲煤板铲入阻力。⑸增加定量推进装置，一人操作控制30m，每次推进铲煤150mm，减少了人工，提高了效率，同时也减小刮板板运输机的弯曲度，进一步降低了铲装过程中的运输阻力。5.工作面液压支架研制5.1支架架型选择考虑到矿井近年来已成功地将高分子聚乙烯挡煤板用于炮采挡煤，加上矿方要求尽可能减少造价，更为主要的是工作面顶板较为稳定；按照工作面顶板Ⅲ级3类，老顶来压强烈；加上采高较小，工作面底板较为坚硬，因此选择四柱支撑式(垛式)支架。5.2使用条件适用采高：0.75～1.10m顶板条件：Ⅲ级3类底板条件：铝质泥岩工作面倾角：≤10°落煤方式：爆