深部开采对煤矿机械设备会议讲稿新稿

辽宁工程技术大学深部开采对煤矿机械设备的新要求2010年10月11日一、煤炭资源的深部开采二、深部开采面临的新问题三、深部开采对煤矿机械设备的新要求一、煤炭资源的深部开采从目前我国煤矿开采的总体情况看，浅部煤炭资源正逐步走向枯竭，开采深度日益增加。深部开采矿井分类：•美国——5000英尺(1554m)或以上。•南非——超过1500m。•俄罗斯——600-800m(第1类),800-1000(第2类);1000m以上(第3类)。•波兰——超过800m。•德国——900-1400m。•日本——600m。我国——采深800m及以上为深部开采；软岩矿井采深600m及以上为深部开采。目前中国煤炭开采以每年10米左右的速度向深部延伸，东部矿井更是达到了每年10～25米，已有部分矿井进入深部开采阶段，如沈阳矿区红阳三矿已达到-1100m，新汶矿区孙村矿采深为-1200m，淮南矿区望峰岗矿达到-1300m。未来10年内，我国将有相当数量矿井进入深部开采。不完全统计，国有煤矿中最终采深大于800m的矿井有171个。深井（800~1200m）141个，特深井（1200m）30个。类型最终采深范围/m矿井数目平均采深/m矿井数比例/%深井800~1199800~899900~9991000~10991100~11991415341331423.548.856.845.512.34947.00845.49945.271029.971140.79特深井1200~16001200~12991300~13991400~14993020645.013.341.000.671283.631234.101340.331446.25埋深小于2000m的煤炭资源总量为5.57万亿t。埋深在1000~2000m的预测资源占预测总量近60%。随着煤炭开采的发展和可采储量的逐年减少，深部开采成为煤矿生产的必然。01002003004005006007008009001980199020002010年平均采深/m深部开采趋势二、深部开采面临的新问题深部地应力问题深部岩石脆-延转化问题深部岩石变形的时间效应问题深部采场矿压增大问题深部采场地温增高问题深部瓦斯压力增大问题深部动力灾害问题深部开采特征及主要问题煤矿深部开采特征：空间范围扩大、开采扰动强烈、介质属性特殊、工程响应复杂等。主要问题：巷道变形剧烈、地温增高、瓦斯高度积聚、瓦斯压力增大、采场矿压增大、采场失稳加剧，瓦斯突出、冲击地压、矿井突水、高温热害等矿井重大灾害将日益严重。2001，香山科学家会议（北京），深部高应力下的资源开采与地下工程。2003，国家自然科学基金重大项目：深部岩体力学基础理论研究与应用。2004，国际会议（加拿大），展示了关于深部开采的最新研究成果。2004，香山科学家会议（北京），深部地下空间开发利用跨学科学术交流。2010，973计划项目：煤炭深部开采中的动力灾害机理与防治基础研究。深部地应力问题垂直地应力，随深度增加近似呈线性增大。水平地应力，埋深在1000m范围内时，水平应力为垂直应力的1.5~5.0倍，埋深超过1000m时，水平应力为垂直应力的0.5~2.0。深部地应力变化规律与浅部明显不同。深部岩石脆-延转化问题岩石在不同围压下表现出不同的峰后特性，在较低围压下表现为脆性的岩石可以在高围压下转化为延性。随着深度的增加，当岩层中压力和温度达到一定条件时，岩石即发生脆-延转化。深部岩石变形的时间效应问题深部高应力环境下，岩石具有更强的时间效应，表现为明显的流变或蠕变。一般认为优质硬岩不会产生明显的流变，但在深部高地应力条件下情况有所不同。深部矿压增大问题矿山压力增大是矿井深部开采中普遍存在的问题。主要表现为开拓巷道的围岩变形量增加、维护困难。开采深度每增加100m，巷道顶底板移近量增加7%，导致巷道维护困难。特别对于围岩松软的矿井，这个问题更加突出。深部地温增高问题一般来说，开采深度每增加100m，围岩温度增高3°~5°C。深度达到1000m时，围岩温度将达到30°~50°。如果采掘工作面温度超过30°，按照安全生产操作规程规定，必须采取降温措施。深部瓦斯压力增大问题瓦斯含量与煤层埋藏深度有极其重要的关系，因为煤化作用的程度与煤层埋藏深度密切相关。深部环境下瓦斯积聚加剧，瓦斯压力增大；深部开采时瓦斯涌出量一般比较大，有些矿井可能出现煤与瓦斯突出的现象。深部开采动力灾害问题采深增加，引起动力灾害危险性增大，岩爆、矿震、冲击地压瓦斯突出等动力灾害次数和强度增大。动画播放三、深部开采对煤矿机械设备的新要求•深部开采面临的新问题，必然对煤矿机械设备提出新要求。煤矿机械属于机械的一个大的分类，因煤矿分为露天开采和井下开采，其设备就自然的分为露天煤矿机械和井下煤矿机械。井下机械设备：采煤设备、输送设备、通风设备、巷道掘进设备、巷道支护设备、瓦斯探放设备等。采煤设备：采煤机、交流变频调速电牵引采煤机、连续采煤机。输送设备：皮带机、刮板输送机。巷道掘进设备：岩石掘进机、半煤岩掘进机、硬岩掘进机。巷道支护设备：液压锚杆钻机、气动锚索锚杆钻机、气动帮锚杆钻机、支腿式气动帮锚杆钻机、架柱支撑气动手持式钻机。瓦斯探放设备：气动架柱式锚杆钻机、煤矿用坑道钻机、煤矿用泥浆泵。在煤炭行业长期发展过程中，煤矿机械设备也不断改进、完善和更新，以适应地质条件的变化和开采技术的发展。目前普遍使用的煤矿机械设备对浅部开采是比较成熟的，在煤炭生产过程中发挥了巨大作用。对于逐渐出现的深部开采条件，需广泛调研，结合深部岩体特性，深入研究其适用性。目前普遍使用的煤矿机械设备的改进，研制适用于深部开采的新设备。在进入深部开采阶段，煤矿机械逐渐暴露出很多问题。（1）体积大，重量大，对地质条件变化的适应性差。过于庞大、笨重，机械运转不灵活、搬迁受到限制、能耗大、使用寿命短，对地质条件变化的适应性很差。特别是煤矿进入深部开采阶段，深部开采的地质条件与浅部有明显不同，现有机械设备对深部开采的地质条件的适应性需要进行重新论证。（2）机械材料的材质问题钢铁性质一直是困扰机械制造行业的难题，材质好的钢铁价格较高，使机械产品制造成本较高，缺乏竞争力；普通材质的钢铁制作的机械产品，在热处理工艺上很难达到满意的程度，热处理工艺技术上也和国外有较大的差距。①要求采煤机的截割效率更高、综采工作面推进速度更快②顺槽支护设备支撑强度更高③要求支架的支撑力和抗冲击能力更强④自动化程度（无人工作面）综采设备综掘装备①推进速度快（掘锚一体机）②自动化程度高、无线远程遥控，无人掘进机工作面③大功率掘进机（硬岩掘进机）综采综掘设备采煤机械即各种形式的采煤机，其主要功能由截割部的零部件实现。不同的煤层结构和煤质对采煤机的要求也不同。采煤机截齿的设计应与深部煤体脆-延转化特性相适应。镐型截齿刀型截齿U62耐磨截齿综采综掘设备掘进机和锚杆机一体化安装结构，实现机械化锚杆支护；实现掘进与锚杆支护的连续作业，提高工作效率；采用电液换向阀、PLC控制技术，实现掘进全部功能遥控操作综采综掘无人工作面大功率掘进机（硬岩掘进机）综采综掘设备综采综掘低功率运行设备带式输送机采煤机截割低能耗设计掘进机截割低能耗设计综采综掘设备适合复杂地质条件下的综采综掘设备。适合深部开采薄煤层开采设备。研究地下围岩应力监测的新设备、新技术。薄煤机采煤机1米以下含硫化铁结核薄煤机采煤机刨煤机提升设备①负荷增加：由于提升高度增大，其提升载荷也相应增大；为了保证生产能力，需要提高运行速度，因而动负荷增加①装卸载速度提高：为缩短提升周期、要求提高装卸载速度②要求检测控制系统的精度与可靠性更高、自动化程度更高③采用轻质高强度材料制造提升容器④进一步研究提升设备系统动力学特征提升设备提升载荷相应增大，为保证生产能力，需要提高运行速度，为了缩短提升周期、要求提高装卸载速度。研究提升设备系统动力学特征。要求检测控制系统的精度与可靠性更高、自动化程度更高。采用轻质高强度材料制造提升容器。矿用大型提升机动力学监控理论与技术通风设备与瓦斯抽采设备•在正常的条件下，采用工作面上行通风、采区折返通风系统的矿井比较多。•对于瓦斯涌出量较大的矿井，采用上述方案经常出现风流中瓦斯超限、瓦斯积聚、工作面和巷道中风速过大问题，且采区漏风量比较大。•为解决矿井深部开采瓦斯涌出量比较大的问题，当前国内外多数矿井试行了工作面下行通风、采区内区改直线通风系统的方式。•为适应深部开采条件，就需要改造通风系统，改进通风机械、瓦斯抽采设备和煤层注水设备的性能。通风设备风机风门风筒瓦斯抽采设备巷道支护设备•根据矿井深部压力特点，巷道掘进后围岩移动速度在10～45ｄ后才能显著减小。所以采用混合支护时，锚杆在掘进后要尽快安装，而支撑式支架则在巷道掘进后10～15ｄ后安装。巷道支护设备耿村矿锚网索+36U型钢拱形棚复合支护控制巷道底臌的单体支柱复合支护深部大断面酮室高强稳定型支护W钢带组合锚杆支护千米深井巷道状况工作面支护设备XZ7000/2S5/50型履带行走式液压支架ZY8800/17/35D液压支架ZF8000/22/35型液压支架综放面液压支架巷道支护设备•钢纤维混凝土喷射支护技术。•对于深部煤岩体脆-延转化特性、变形的时间效应和深部采场矿压大的特点，该项技术是比较适用的。•目前国内虽然有个别矿井开展了相关的应用研究，由于受多种因素的制约，主要是受配套设备的制约，没有得到推广，因此需要研制相应的配套设备。微钢纤维扭曲型钢纤维剪切型钢纤维冷拉波浪型钢纤维巷道支护设备改变传统的支护理念。研制新设备，建立新的支护体系。高速冲击吸能支护技术，通过将研制的高速吸能材料制成合理结构，与支护设备巧妙结合，形成新型支护设备。闭孔泡沫铝AlmatrixCCAF闭孔铝硅6基Al-Si6CCAF闭孔铝硅12基Al-Si12CCAF闭孔泡沫镁MgmatrixCCAF铝纤维合金Al-fiberalloys铝稀土合金RE-Alalloys应力应变曲线吸能特性实验曲线实验装置适应深部热害与环境设备①高温（对人员的危害）②对设备腐蚀（新材料）③岩石围岩石、环境对设备影响井下热害处理设备但是随着采深的增加，不同程度地遇到一些问题，因而其发展趋势应是研究一种工程实用的隔热材料，喷射到巷道表面阻止岩温的辐射、传导；研究一种经济实用的空气冷却工作服进行个体防护；综合考虑各种因素研制适用于深井的通风冷却系统以便寻求出一种有效的防止热害的方法。ZJL-450矿用制冷系统任楼煤矿使用井下降温设备开发井下降温设备深部动力灾害的监测预警设备随采深的增加，岩石破坏机理随之转化，矿山动力灾害危险性增大。监测预警技术应适应深部开采的特点。矿山动力灾害监测预警技术的发展方向是：检测技术在向遥测化发展，研究对象从单一因素向多种因素发展，监测系统由单一的分散监测点向区域性自动监测网发展，对岩体性态变化的检测由间断的人工检测、预警向着智能式的连续监测、分析和预报发展。与之相适应的配套设备的研制是今后一个时期的重要科研课题。深部动力灾害的监测预警设备在监测系统方面，主要引进波兰等国家的设备。国内虽然也有类似设备，但难于进入推广应用阶段。国内外的设备普遍存在矿震定位精度低的问题，特别是垂直定位问题一直没有突破性进展。引进的国外设备在监测数据后处理方面功能也不完备。国产化问题。深部动力灾害的监测预警设备流动监测仪器也是不可缺少的。目前的现状是不仅仪器类型少，而且检测效果差，难于满足现场实际的要求。研制适用于不同开采环境的监测仪器已成当务之急。我们研制的国家发明专利产品——煤岩破裂电荷检测仪，可望在深部动力灾害监测方面充分发挥作用。主要技术指标预警指标800pC监测范围15米连续工作120小时