大同千万吨矿井群特厚煤层高效综放开采技术创新与实践王国法

同煤科技TONGMEIKEJI2018年第1期0引言根据大型煤炭基地建设目标，我国将建成河南、鲁西、神东、晋中、陕北、晋北、晋东、云贵、蒙东、两淮、冀中、黄陇、宁东、新疆等14个大型煤炭基地，并在大型煤炭基地建设的基础上培育大型煤炭企业。同煤集团采用大型煤炭基地跨地区、特大型矿井、安全高效集群开发模式，在大同、朔南、轩岗、内蒙古等矿区规划建设了塔山、同忻、潘家窑、金庄、东周窑、铁峰、麻家梁、梵王寺、北辛窑、白家沟、色连一号等11个大型千万吨矿井[1～3]。国家十三五规划提出“加快推进煤炭无人开采技术研发和应用”，国家安全监管总局开展了“机械化换人、自动化减人”科技强安专项行动，国内现代化矿井实现综采工作面的智能化，综采工作面无人化生产是自动化时代的标志[4]。神华神东公司2008年在榆家梁煤矿建成第一个自动化综采工作面；陕煤黄陵公司2014年建成了地面远程操控采煤系统，实现“工作面内1人巡视，监控中心2人远程干预”的常态化自动生产[4、5]。相对中厚煤层综采工作面智能化，放顶煤开采工作面顶煤赋存信息、实时垮落信息获取困难导致放煤主要依靠人为操作；放煤工艺需要协同考虑采煤机速度、转载机运量等，同时尽可能实现精准放煤，以提高工作面整体工效；工作面控制系统需要接入矿井灾害预警系统、环境监测系统、煤质监测系统，并形成联动。1大同千万吨矿井群特厚煤层综放开采综述基于同煤集团千万吨矿井群安全高效可持续开发关键技术研究，提出了以煤炭开采为核心、以安全生产为前提、以环境保护为制约、以协调管理为手段的资源－人－环境－效益协调可持续开发，实现同煤集团千万吨矿井群技术效益、环境效益、经济效益、社会效益最大化。1.1塔山矿特厚煤层大采高综放成套技术装备研发及应用从“十一五”开始，针对同煤矿区14～20m特厚煤大同千万吨矿井群特厚煤层高效综放开采技术创新与实践王国法刘俊峰（天地科技股份有限公司，煤炭科学研究总院，100013）摘要综述大同矿区千万吨矿井群特厚煤层高效综放智能开采技术创新概况。首先研发了适用于塔山煤矿20m特厚煤层大采高综放成套技术与装备，实现特厚煤层安全高效开采；其次，考虑资源利用率、环境保护、社会经济效益，实现了11个大型千万吨矿井之间的资源与设备的统一调配与管理，生产技术管理统一化、标准化；然后，在同忻煤矿进行了智能化综采放顶煤技术创新，应用智能放煤决策系统、智能放煤控制系统、采放运一体化协同控制三项关键技术，通过千兆工业环网、工作面通信、视频、集成控制系统，形成了综放面成套智能化开采系统，再结合灾害防治、污染监测、数字化矿山以及节能减排技术，最终形成千万吨级综放工作面智能控制关键技术体系；最后，提出同煤集团智能化综放开采发展方向。关键词特厚煤层；智能放煤；协同控制；千万吨级综放工作面中图分类号TD823文献标识码A文章编号1000-4866(2018)01-0006-08DOI:10.19413/j.cnki.14-1117.2018.01.002··6第1期（总第159期）2018年2月同煤科技TONGMEIKEJI
层就进行了大采高综放成套技术与装备的研发。支架围岩耦合关系是综采技术的核心。首先，从液压支架围岩强度耦合理论出发，对于14～20m特厚煤层综放开采，割煤高度由3.5m增加到4.5～5m，一次采厚最大达到20m。为确保煤炭安全、高效、高回收率开采，必须解决14～20m特厚煤层大采高综放开采支架围岩关系与安全保障技术难题。在现场观测和模拟实验基础上，建立了特厚煤层组合悬臂梁模型（见图1），解释了特厚煤层工作面来压强度大、持续时间长的现象，得出了考虑基本顶岩层压力、顶煤压力以及传递基本顶载荷的塔山煤矿综放液压支架支护强度计算公式[6～8]。图1大采高综放支架-围岩关系组合悬臂梁模型P=(Gz+Gm)Lz1Lm∙L∙kGz=(LZ1∙HZ1+LZ2∙HZ2+LZ3∙HZ3)γ∙g∙L式中：LZ1、HZ1、LZ2、HZ2、LZ3、HZ3分别为直接顶各岩层的长度和厚度。L为计算长度。Lm为基本顶Z1断裂线到支架后部切顶线距离；k：顶煤的传递系数。k≤1；与煤层硬度、顶煤厚度、夹矸条件、破碎程度等均有关系，此处取为0.5。得出工作面所需的支护强度为：P=(40×15×2.5+16×10×1.4)×15÷10×0.5=1.293Mpa支架工作阻力在工作面三机配套完成后，根据工作面控顶面积进行计算。其次，从支架围岩刚度和稳定性耦合理论出发，解决塔山8105工作面大采高综放工作面直接面对顶煤，加大采高会带来严重的前端冒落和煤壁片帮（见图2）；一次放顶煤15m，加剧了对液压支架的冲击，以及可能出现的顶板悬空造成支架受力不平衡而发生的失稳倾倒，都给大采高综放工作面支护带来了极大的风险和难度。图2不同采高煤壁水平位移量曲线创新研制世界首台套工作阻力15000kN/最大高度5.2m的大采高放顶煤液压支架（见图3），发明了双前连杆、双后连杆稳定机构、强扰动式尾梁－插板放煤机构的大采高放顶煤液压支架新架型结构。图3ZF15000/28/52放顶煤液压支架第三，综放开采拥有割煤和放煤两套系统，工作面设备密集，千万吨生产能力要求装备功率增加、尺寸更大，如何使这些装备与液压支架配套实现稳定可靠运行，采放均衡生产同时又符合安全生产要求是成套装备配套研究要解决的首要难题。完成了千万吨综放工作面设备总体配套（表1）。表1千万吨综放工作面设备列表序号12345名称放顶煤中间支架放顶煤过渡支架端头支架采煤机前刮板输送机后刮板输送机转载机型号ZF15000/28/52ZFG15000/28.5/45HZTZ20000/30/42MG750/1915-GWDSGZ1000/1710SGZ1200/2000PF6/1542技术与装备达到1000万t能力，总体性能稳定，工作可靠；工作面设备平均开机率92.1%；2011年全年8105工作面出煤量1084.9万t，具备了实现工作面Lm
煤壁水平位移量（mm）距底板高度（m）采高3.5m采高4.5m采高5.0m采高5.5m67891011破碎机皮带机乳化液泵喷雾泵皮带头转载机皮带头破碎机SK1118DSJ140/350/3×500BRW400/31.5BRW500/12.5JOYMMD706系列1150MM王国法等：大同千万吨矿井群特厚煤层高效综放开采技术创新与实践··7同煤科技TONGMEIKEJI2018年第1期
年产1000万t的能力。平均日产3.03万t，最高日产达到约5万t；最高月产130万t。1.2矿井群综放技术与装备的协同创新和应用大同煤矿集团有限责任公司为主的晋北基地是我国特大型动力煤基地，同煤集团2016年煤炭产量超过1.2亿吨，位居山西省第一名。大型煤炭基地建设的一个重要特色在于摒弃以往单一地区的开发模式，而实现跨区域、多矿区、特大型矿井、高产量的开发新模式，同时在煤炭开发的同时强调资源、安全、环境、经济与社会效益和谐开发[9、10]。首先，建立了千万吨矿井群协调开采评价模型，其目标是基于客观的矿井资源条件、管理水平、开采技术条件等，通过科学分析与评价，寻找系统存在的问题，并提出整改措施，从而使矿区实现资源、环境、计划、经济、健康协调发展。其次，提出煤炭资源条件分类协调开采技术，即基于千万吨矿井集群开发的优势，将千万吨矿井群按煤层赋存条件、开采技术条件与综合管理条件进行分类开采，确定最优开采技术参数与开采方法，最大限度的采出煤炭资源，降低劳动强度，提高矿井效益。重点解决如下三个方面的问题：（1）特厚煤层顶煤冒放性分析。在传统顶煤冒放性分类的基础上，重点关注了放煤工艺、顶煤来压特征的影响。（2）工作面合理机采高度的确定（见图4）。从不同机采高度的顶煤回收率、煤壁片帮程度、工作阻力确定、回采工艺配合等方面进行个综合分析研究。（3）提高回采率技术措施。通过研究顶煤冒放规律，分析顶煤块度（见图5）、放煤工艺、设备参数等对顶煤翻出率的影响，从设备、工艺、管理等方面提出了保证顶煤回收率的技术措施。图4煤壁水平位移量对比曲线(a)单元体监测（b）块度为250mm煤壁水平位移量（mm）煤壁水平位移量（mm）煤壁水平位移量（mm）距底板高度（m）距底板高度（m）距底板高度（m）四柱铰接前梁两柱整体顶梁四柱铰接前梁两柱整体顶梁四柱铰接前梁两柱整体顶梁煤壁水平位移量（mm）距底板高度（m）四柱铰接前梁两柱整体顶梁··8第1期（总第159期）2018年2月同煤科技TONGMEIKEIJI王国法等：大同千万吨矿井群特厚煤层高效综放开采技术创新与实践2018年第1期(c)块度为350mm(d)块度为500mm图5不同块度顶煤首末放出以及首放矸石速度时间第三，提出了千万吨矿井群工作面装备系列型谱。采煤装备体系建设的重要任务之一是研究建立采煤设备型谱。设备型谱：是设备采购规划的核心内容，是用最少数目的不同规格设备构成的、列出企业已有的和将来要采购的全部设备并能满足可预见到全部使用要求的设备系列。它是设备通用性和系列化两种标准形式的结合与发展。就一种设备而言，其通用性是有限的，只能满足一定范围、一定条件下的使用要求。为了扩大某一类设备的适用范围，就必须增加该类设备的规格品种构成设备系列。但是设备的规格品种又不可能无限制的扩展，就需要经过分析、比较和筛选，使其达到的规格品种最简最优。以液压支架为例给出了千万吨矿井群支架型谱（见表2）最后，提出以煤炭开采为核心、以安全生产为前提、以环境保护为制约、以协调管理为手段、满足资源--人--环境--效益协调可持续开发、通过调整产业结构、大力推广应用循环经济的矿井群建设方案，有效解决了矿区优质资源开发可持续性差、矿井安全高效开采形势严峻、矿区资源开发与生态环境保护不同步、煤炭技术经济效益差等突出的问题。2智能化综放技术创新2.1智能化综采放顶煤技术特征依据综采工作面成套装备控制系统在感知、决策和执行三要素方面的水平，智能化综采放顶煤工作面，是指综采放顶煤工作面采用了具有充分全面的感知、自学习和决策、自动执行功能的液压支架、采煤机、刮板输送机等机电一体化成套装备和远程智能化综合控制系统，实现了工作面的智能远程监控、安全高效开采。智能化综采放顶煤工作面主要技术特征是:①液压支架智能控制，液压支架以电液控制系统为基础，同时，具有支架与围岩耦合监测控制、超前压力预报、初撑和移架状态自决策控制、姿态监测与智能决策控制、煤帮智能决策控制、记忆时序控制放煤、智能喷雾降尘控制等功能；②采煤机智能控制，采煤机具有位置监测精确定位、自学习智能轨迹规划、基于智能决策或煤岩识别的滚筒自动调高、自动记忆割煤、防碰撞安全避险、故障自诊断等功能，并具有基于产量需求、输送机设备负荷、工作面环境等信息的智能决策调速、采高自动控制、远程可视化控制等功能；③工作面运输设备具参数名称型号型式高度(mm)宽度(mm)中心距(mm)初撑力（KN）工作阻力（KN）支护强度（MPa）对底板比压（MPa）泵站压力操作方式立柱缸径推移缸径/杆径10000系列ZF10000/25/38四柱支撑掩护式低位放顶煤2500-38001660-186017507730100001.041.9731.5本架手动280单伸缩160/10513000系列ZF13000/25/38四柱支撑掩护式低位放顶煤2500-38001660-18601750100096130001.232.6431.5本架手动320单伸缩180/11515000系列ZF15000/27.5/42四柱支撑掩护式低位放顶煤2750-42001660-1860175012778150001.452.48-3.2631.5本架手动（电液）360单伸缩180/11515000系列ZF15000/28/52四柱支撑掩护式低位放顶煤2800-52001660-1860175012778150001.452.48-3.2631.5本架手动360双伸缩200/120表2同煤集团千万吨矿井群型谱设备放顶煤液压支架基本参数列表··9同煤科技TONGMEIKEJI2018年第1期
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