大采高煤层安全高效综采技术

概述大采高煤层安全高效综采技术国外大采高综采现状我国大采高综采现状大采高综采存在的主要问题大采高综采工作面装备的发展趋势2大采高综合机械化开采是指综采工作面采煤机割煤高度大于3.5m。目前大采高综采工作面最大支架高度在国外已达6m，我国最大设计高度为5.5m。大采高综采与分层开采相比，简化了巷道布置，减少了吨煤巷道掘进和维护量，有利于提高工作面产量及效率。与综采放顶煤开采相比，系统简单，设备少，没有拉后溜及放煤工序，有利于工作面的管理。1概述32国外大采高综采现状二十世纪末期以来，高新技术不断向传统采矿领域渗透,美、澳、英、德等国家采用了大功率可控传动、微机工况监测监控、自动化控制、机电一体化设计等先进技术适应不同煤层条件的高效综采大型设备。新型综采设备在传动功率、设计生产能力大幅度增加的同时，设备功能内涵发生重大突破，并实现了综采生产过程的自动化控制。综采成套设备的设计生产能力已经达到3000t/h以上，在适宜的煤层条件下，采煤工作面可实现年产800～1000万吨，矿井的年产可突破1000万吨，出现了“一矿一面、一个采区、一条生产线”的高效集约化生产模式。4大型生产装备是高效综采生产技术的核心，其主要技术特点是：（1）新型电牵引采煤机：总功率达到1500～2000kW，装备了以微型电子计算机为核心的电控系统，采用先进的信息处理技术和传感技术，实现了机电一体化。德国Eickhoff公司的SL500系列采煤机采高范围2.0～6.0m，适用煤层倾角≤35°，截割功率2×750、825kW，破碎机功率100kW，牵引功率2×90kW，装机总功率可达1965kW，可以截割f≤10的煤和岩石，通过复杂地质构造带。该机最大牵引力可达1000kN，最大牵引速度可达37m/min，最大重量约112t。5美国JOY公司的7LS6采煤机截高范围2.0～5.5m，可以截割f≤10的煤和岩石，截割功率2×650或750kW，破碎机功率110kW，牵引功率2×110kW，装机总功率1860kW。该机最大牵引力可达800kN，最大牵引速度可达30m/min。上述两种设备设计生产能力均可达3000t/h以上。6（2）工作面刮板输送机：国外工作面刮板输送机向着大运量、软起动、高强度、重型化、高可靠性方向发展。世界上运量最大的重型刮板输送机为6000t/h，装机功率4×800kW。重型工作面刮板输送机多采用交叉侧卸式机头，中部槽为铸造槽帮，中板为耐磨合金钢，厚度为40～50mm，中部槽内宽为1000～1200mm，1750mm长度中部槽已普遍使用，最长的达2000mm，中部槽的槽间连接强度已达到4500kN。刮板链多采用双中链形式，链环直径最大已达到2×Φ52。刮板链的张紧方式，采用了伸缩机尾的液压自动张紧装置。在机头、机尾均采用双电机，大幅度提高了输送能力和设备的可靠性。7（3）顺槽带式输送机：长距离、大运量、高带速的大型带式输送机已成为主要发展方向。目前，煤矿带式输送机装机功率可达4×970kW，运输能力已达5500t/h，带速为5m/s以上。应用动态分析技术和计算机监控等高新技术：通过现代技术对大型带式输送机进行起、制动动态特性的试验研究、动态设计及动态过程监测、监控等，确保了输送机运行的可靠性。新型、高可靠性关键元部件：如包含CST、变频等在内的各种先进的大功率软起动技术、自动张紧技术、高寿命高速托辊、快速自移机尾等。8（4）综采工作面自动化生产技术：在综采工作面采煤机、刮板输送机、液压支架等设备实现单机工况实时监测的基础上，国外进一步研究开发了基于振动信息或采高-位置自动控制的采煤机滚筒自动调高技术、液压支架电液控制技术，顺槽计算机集中控制中心通过采用位置红外传输、速度检测和计算机集中控制软件程序，使采煤机、刮板输送机、液压支架等设备自动完成割煤、运输、液压支架移架和顶板支护等生产流程，实现了工作面自动化生产。顺槽计算机集中控制中心还实时监测工作面顶板压力、供电、供液系统、顺槽皮带系统、煤仓料位等设备运行工况，并通过矿井通讯光纤等介质经Internet网络和矿井及上部管理层实现信息交流与通讯控制。9目前，德国DBT公司研究开发的以液压支架PM4电液控制系统为基础的全自动化无人刨煤机综采工作面成套设备已经投入生产应用；英国Long-Airdox公司、美国Joy公司也研究开发了具有自动化功能的滚筒采煤机综采工作面计算机控制系统。国外综采工作面还广泛应用远程通讯和网络化集中控制技术，如德国EickhoffSL500采煤机通过供电电缆的控制芯线或先导芯线与顺槽集中控制站连接。顺槽集中控制站包括负荷中心、调制解调器、微机MICOS、显示器、键盘和接口。顺槽集中控制站与采煤机、液压支架控制系统、工作面输送机、转载机相连。通过中继站可与距离大于5km的地面数据转换器连接，后者把信号传给10矿井地面站，基本上实现了工作面设备和顺槽设备的远程通讯和集中自动化控制。（5）综采工作面中高压供电技术：随着矿井生产集中化，工作面单产提高，国外采煤发达国家先后在采煤工作面上，将工作面输送机和采煤机等机械的供电电压从原有1140V等级分别提高到2300、3300、4160、5000V等级，并大量采用高集成度的负荷中心或更高集成度的配电变压器和负荷中心一体的新型设备。目前，主要采煤国家综采工作面均广泛采用2130～5000V供电技术，改善了采区电网和工作面大功率电气设备的运行工况。11（6）强力液压支架：国外综采液压支架的架型主要为高工作阻力的两柱掩护式支架，其支护工作阻力6000～10000kN，最大12000kN，支护高度2～5m，最大6m；支架立柱缸径250～380mm，最大420mm；支架中心距1.5～1.75m，最大2.0m；支架结构为整体顶梁，刚性连接的分体式底座，支架带有提底座装置，支架推移机构为推移千斤顶反装的倒拉框架式结构，支架控制方式为环形供液及电液阀控制，它可以实现自动控制调整支架的支护状态，支架的降、移、升循环时间小于10s，支架的寿命试验高达50000次以上。122.1国外大采高支架主要特点支架架型20世纪80年代末以来，液压支架架型很明显地向两柱掩护式支架发展。据初步统计，1996年美国煤矿采用两柱式支架的工作面达66个，占全部工作面的95.6%，传统采用四柱支架的澳大利亚煤矿2000年也使用了15套两柱掩护式支架，占44%。德国目前所占比例约80%，英国煤矿一直习惯采用四柱式支架，直到80年代后期才开始采用两柱式支架，目前所占比例也已经达到50%左右。13（l）美国自20世纪80年代起就开始研究两柱式掩护支架上合载荷矢量的大小、方向和位置，以后又对不同型式的支架进行了承载时顶梁与底座之间相对位移和有效水平力的测试，经过多年研究肯定了两柱式支架支撑顶板时具有指向煤壁方向的有效水平力，它能使工作面无立柱空间顶板的拉应力区转换成压应力区，有利于保持顶板的稳定，控制顶板的断裂和冒落。14（2）由于顶板作用力位置的变化，四柱式支架前后排立柱的受载一般是不均匀的，井下观测发现，大部分四柱支架用于来压强烈的稳定顶板时，后柱受力明显大于前柱；而在来压不大的不稳定顶板时则前柱受力往往大于后柱，支架支撑力的整体利用率不高，但两柱式支架只要保证立柱前后都有支点与顶板接顶，支架工作阻力就可以充分发挥。15（3）两柱式支架由于只有一排立柱，其顶梁长度一般比四柱式短0.4～0.6m，甚至更大，这不仅减小了控顶距离，而且减少了支架对顶板的反复支撑和破坏的次数，有利于对顶板的维护。（4）两柱式支架由于立柱呈倾斜布置，其调高范围比四柱式支架的要大，因而可以适应的煤层厚度范围大、通过断层等构造比较容易、支架运输高度较低。（5）两柱式支架的立柱及相应的液压阀门和管路都比四柱式少得多，系统也简单，支架操作方便，有利于支架的快速动作。16支架结构特点（1）高工作阻力、高可靠性根据统计，在美国共72个长壁工作面中，单个支架工作阻力≥6000kN的工作面达59个，占82%，最大为9650kN。2000年澳大利亚34个长壁工作面在平均采深315m的情况下，支架平均支护阻力为8407kN，最大为13200kN，最小为4000kN。根据分析可以发现，采用高工作阻力的原因主要有两个方面：一是高产高效要求支架控顶面积加大，二是高可靠性要求高工作阻力。17高产高效要求支架控顶面积加大★配套设备的尺寸加大，工作面输送机的宽度最大为1342mm；★采煤机截深加大。近年，发达采煤国家高产高效工作面截深一般为1.0～1.2m；★支架中心距加大。支架中心距多数为1.75m，最大的支架中心距达2m。18（2）整体顶梁美、澳等国一直致力于发展整体顶梁，取得了良好的效果。采用整体顶梁时前后端对顶板的支撑力要比铰接顶梁大，尤其是前端。铰接前梁是依附于主梁的，所以当顶板下沉时，由于靠采空区的顶板下沉一般要大于靠煤壁的顶板下沉，因此铰接顶梁的支撑作用将部分或全部地丧失。整体顶梁的支架由于其结构简单、制造方便、操作容易，便于支架的快速移动等突出优点普遍受到世界各国高产高效工作面的青睐，但是整体顶梁往往较长，前端接顶较差，运输也比较困难。19（3）支架中心距和移架步距20世纪90年代以来，液压支架中心距有加大的趋势。美国长壁工作面新购置的支架几乎都采用了1.75m中心距，而且还有2个工作面的支架中心距达到2m，以中心距1.5m和2m相比，工作面支架的移动速度即提高33%，而且工作面支架的液压元件，如立柱、千斤顶、液压阀和胶管等都可以相应减少，也可以降低整个工作面支架的购置费用。支架移架步距取决于采煤机的截深，高产高效工作面把高产高效放在比节能更重要的地位。目前世界上高产高效工作面的采煤机截深几乎都在0.8m以上，1996年美国最大己达到1.2m。20（4）电液控制系统自20世纪70年代欧洲开始研究支架电液控制系统以来，目前已经达到了成熟和推广的阶段。采用电液控制系统可以方便地实现双向邻架或成组程序控制等，操作方便安全，确保支架的各种性能，可实现对支架工况的监测，提高了设备的可靠性，移架速度可达到6～8s／架，有利于工作面实现高产高效，同时大大改善了工作条件，因而近年来是高产高效工作面支架设计中优先考虑的因素，也是液压支架主要发展方向之一。212.2国外高产高效大采高综采工作面特点根据2002年美国长壁矿井统计资料，美国2002年长壁开采矿井最大采高为3.0m，因此以澳大利亚长壁工作面统计数据为基础，2000年澳大利亚共有34个长壁工作面，其中3.5m以上采高的大采高综采工作面共有12个，最大采高为4.8m，最小采高为3.6m，见下表，工作面最高年产量为487.87万t，最低为83.01万t，高产工作面采高主要集中于3.6～4.3m范围内，工作面长度从150m至270m不等，高产工作面长度范围为200～270m。223我国大采高综采现状近十多年间，以长壁高效综采为代表的煤炭地下开采技术取得前所未有的新进展。主要体现在以下三方面：一是综采工作面生产能力大幅度提高，采区范围不断扩大，出现了“一矿一面”年产数百万吨煤炭的高产高效和集约化生产模式；二是高效综采装备和开采工艺不断完善，推广使用范围不断扩大，中厚煤层开采、厚煤层一次采全高开采和薄煤层全自动化生产等技术和工艺取得巨大成功；三是高效综采装备的研制开发取得新的技术突破，国产成套装备的年生产能力已经达到300万吨以上，并实现了综采工作面生产过程自动化，大型综采矿井技术经济指标已经达到大型先进露天矿水平。24我国从1978年起，从德国引进了G320－20/37型、G320-23/45型等型号的大采高液压支架及相应的采煤运输设备，与此同时我国也开始研制大采高液压支架和采煤机，经过十多年的努力，现已取得了明显的进展。下表为我国部分大采高一次采全厚综采工作面的煤层赋存特征及所使用液压支架的主要技术特征。3.1国内大采高支架的特点25部分大采高工作面煤层条件及支架技术特征26序号工作面煤层号倾角(°)煤厚(m)顶板分类支架型号初撑力(kN/架)工作阻力(kN/架)1140654~9