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中煤新集公司吕益——三软煤层大采高大俯采超长工作面智能化开采研究

 

 

 

 

摘要:中煤新集公司刘庄煤矿151307综采工作面平均煤厚5.0m,最大采高5.5m,面长300m,采用倾斜长壁布置,始终处于俯采状态,最大俯采角度32°,平均俯采角度16°,属“三软”煤层大采高、大俯采超长工作面。为解决在回采过程中出现的采煤机导向滑靴使用时间短、行走齿断等问题,对采煤机、液压支架、刮板输送机设备和工作面回采工艺进行改进、优化,配套智能化综采设备技术,实现安全高效智能化开采。

关键词:三软煤层  大采高大俯采  超长工作面  问题  优化措施

 

引言

中煤新集公司所属刘庄煤矿151307综采工作面平均煤厚5.0m,最大采高5.5m,面长298m。由于工作面采用倾斜长壁布置,始终处于俯采状态,初采期间最大俯采角度32°,平均俯采角度18°,属典型“三软”煤层、大采高、大俯采、超长工作面。为解决在回采过程中出现的采煤机导向滑靴使用时间短、行走齿断等问题,对采煤机、液压支架、刮板输送机设备和工作面回采工艺进行一系列改进、优化,配套智能化综采设备技术,实现安全高效智能化开采。

一、工作面概况

刘庄煤矿151307面所采13-1煤为黑色,以块状及片状为主,少量粒状,由亮煤,暗煤组成,夹有镜煤条带,弱玻璃光泽,属半暗~半亮型煤,局部区域煤顶0.5m以下发育一层平均0.3m厚炭质泥岩,黑色、薄层状、含碳成分较高。最大煤厚6.48m,最小煤厚4.91m,平均总煤厚5.65m。151307工作面东临F22断层,西临151306工作面采空区,南临151301工作面采空区,北临13-1煤防砂煤柱线。151307工作面轨道顺槽可采倾向长为429.9m(平距),工作面轨道顺槽13-1煤层开采底板标高约为-490.0m~-576.2m;151307工作面胶带顺槽可采倾向长为462.4m(平距),工作面胶带顺槽13-1煤层开采底板标高约为-507.8m~-598.4m;设计工作面切眼长288.0m(平距),工作面可采平面积约为128383.8m2。

工作面总体为一单斜构造,煤层走向为150°~170°,倾向为70°~90°,倾角为9°~20°,平均倾角为16°。老顶为细砂岩,浅灰~灰白色,主要成分为长石、石英,含黄铁矿等少量菱铁等暗色矿物,硅质胶结,薄层状,层理发育,层理面有泥炭质侵染,局部呈互层,水平层理,局部垂直裂隙发育。厚度7~9m,均厚8m。直接顶为泥岩,深灰色,致密,性脆,局部含少量砂质,具粗糙感。厚度1.84~2.1m,均厚1.98m。直接底为泥岩,灰色,块状,含少量炭质,含植物化石碎片,致密,性脆。厚度11.35~13.36m,均厚12.36m。属“两淮”地区典型的“三软”煤层。

二、工作面设备选型配套

(一)采煤方法的选择

根据地质条件及矿井机械化开采状况,本工作面采用倾斜长壁采煤法,使用综合机械化开采设备,一次采全高,全部垮落法管理采空区顶板。

(二)采高的确定

工作面所采13-1煤平均总煤厚5.65m。根据工作面液压支架支撑范围、采煤机截割高度及其机顶与液压支架顶梁间的允许间隙,工作面正常开采时最小采高按煤机过机高度,不低于3.6m;最大采高按支架有效支撑高度及平均煤厚控制,最大不超过5.8m。据工作面煤层特征和煤层顶、底板情况,结合矿井工作面已有生产经验,工作面选用ZZ13000/27/60D型支撑掩护式液压支架。胶带顺槽超前支护支架(ZT2×4000/22/45)1套(4组,1架1组),轨道顺槽超前支护支架(ZQL2×6000/23/45)1套(4组,2架1组)。

(三)工作面设备主要技术参数

液压支架:采用郑煤机公司生产的ZZ13000/27/60D型支撑掩护式液压支架,配套北京天玛公司SAC电液控系统,支撑高度为2.7~6.0m,支架宽度中心距1.75m,工作阻力13000KN,支护强度大于1.29MPa,支护面积10.65m2,底板比压3.06MPa,伸缩梁伸缩行程1000mm,移架步距1000mm。此支架具有支撑能力大,受力状态好,强度高,稳定性好,工作可靠等优点,能及时有效地支护顶板。

采煤机:工作面选用西安煤机公司生产MG750/1990-WD型智能型电牵引采煤机,采煤机主要技术参数:总装机功率1990kW,电压3.3kV,产量(最高产量)1800t/h,截割功率2×750kW,牵引功率2×150kW,牵引速度0-23m/min,泵电机功率40kW,采高3000-5600mm,机面高度2137mm,截深1000mm。

工作面刮板运输机:选用张家口煤机公司生产的SGZ1000/2×1200型智能型中双链刮板输送机,配套变频一体机驱动装置,主要技术参数:输送量2500t/,装机功率2×1200kW,电动机型号YJVFG-500M4-4T,电压3300V,中部槽规格1750×1000×360mm,卸载方式为交叉侧卸。

转载机:选用张家口煤机公司生产SZZ1200/700型中双链刮板转载机,配套变频一体机驱动。

破碎机:选用张家口煤机公司生产的PLM-3500/200型连续破碎机,破碎能力3500t/h,装机功率200kW,电压3300v

胶带顺槽:选用张家口煤机公司生产的1部DSJ-140/2×450型可伸缩皮带输送机,永磁变频控制。主要技术参数:胶带带宽1400mm,运量2500t/h,长度1300m,提升高度H=-52.6m,电机功率2×450kW。

乳化泵:选用浙江中煤公司生产BRW-550/31.5智能型乳化泵3台,一台备用。主要技术参数为:公称流量550升/分,公称压力31.5MPa,电压1140V,功率355kW,配套液箱容积7000升,工作介质为含5%的乳化油中性水溶液

喷雾泵站:选用浙江中煤公司生产BPW-315/16智能型喷雾泵站,两泵一箱,主要技术参数:流量315L/min,工作压力16MPa,电机功率125kW。

(四)设备选型能力较验

该工作面选用采煤机最大生产能力1800吨/小时,刮板运输机运输能力2500吨/小时,转载机输送能力3000吨/小时,破碎机破碎能力3500吨/小时,胶带运输机运输能力2500吨/小时,工作面预计割煤1406吨/小时。工作面预计每小时割煤量<刮板运输机运输能力<转载机输送能力<破碎机破碎能力。通过比较,该工作面选择的设备能够保证工作面采出的煤量(1406t/h)通过工作面经胶带运输机运走,工作面各设备间的能力匹配得当[1]。

根据矿井生产安排,151307工作面最大生产能力圆班为21090吨,该面选取“三八”制,正常圆班理论生产时间为15个小时,按照皮带机最大运输能力2500t/h计算,该面圆班可生产37500吨,远远大于14927吨的圆班计划产量,所以该面选取的采煤机割煤能力能够满足计划产量需求。

综上所述,工作面配套设备可保证从割煤到运煤各工序之间相互匹配。见下表:

序号

设备名称

型号

数量

1

液压支架

ZZ13000/27/60D

170

2

采煤机

MG750/1990-WD

1

3

刮板运输机

SGZ-1000/2×1200

1

4

转载机

SZZ-1200/700/350

1

5

破碎机

PLM-3500/200

1

6

乳化液泵

BRW550/31.5

3泵2箱

7

喷雾泵

BPW315/16

2台

8

胶带输送机

DSJ-140/2×450

1

9

电液控系统

SAC

1

10

风(机)巷单轨吊

DZ22003+2+3

1

11

胶带顺槽超前自移支架

ZT2×4000/22/45

1套

12

轨道顺槽超前自移支架

ZQL2×6000/23/45

1套

三、开采初期主要问题

工作面2022年12月20日开始试生产,开采之初期,由于工作面采取倾斜长壁布置,且采煤机需下扎找到实底,俯采角度较大,最大超过32°,平均25°,导致工作面出现以下4个问题:

一是采煤机导向滑靴使用时间短问题。因采煤机机身机身重心向煤壁偏移,采空侧机身上抬,滑靴顶面与销排脱离,滑靴底部耐磨层快速磨损,特别上行走部导向滑靴,平均3天推进10m即需更换。

二是行走轮断齿问题。当采煤机处于俯采状态时,行走轮与销排啮合中心距增大,出现行走轮齿顶与销排齿面刮磨现象,因此出现行走轮快速损坏。工作面10天内连续损坏4个行走轮。

三是刮板机销排磨损问题。由于导向滑靴与刮板机销排处于非正常啮合状态,导致销排快速磨损。工作面初采期20日内更换刮板机销排共68件。

四是液压支架前推杆连接头变形损坏问题,由于采煤机、刮板输送机处于俯采状态,推溜和移架时易出现“扎底”,为控制支架状态,采用压抬底油缸推溜,导致前推杆与刮板输送机连接耳座受偏向力过大,出现耳座变形开焊。全工作面俯采角度最大的60-120#架段有15台支架前推杆连接耳座发生开焊变形。

四、设备改进、优化措施

针对151307面初采期间的主要问题,在设备主要是采煤机采取以下5项改进、优化措施:

一是设计专用支撑滑靴。在支撑滑靴底部焊接30mm厚耐磨钢板,人为加高煤壁侧机身高度,采煤机俯采角度可从18°减小至16.1°,相应的采煤机机身中心向采空侧移动约24mm,可在一定程度上改善目前情况。

二是设计专用的导向滑靴。通过增加导身滑靴下部尺寸,同步减少上部与销排的间隙,防止滑靴顶面与销排脱离,导致行走轮与销排啮合中心距增大,出现行走轮齿顶与销排齿面刮磨现象。

三是工作面俯采段建议适当减小采高和截深,从而减少采煤机重心向煤壁侧偏移量,可改善导向滑靴受力状态。

四是工作面生产时严格控制采煤机卧底量,避免“过快刹底”,尽可能确保切割后底板平直,减少机身晃动。

五是导向滑靴及时更换和修补,改善行走轮和销排啮合状态,降低行走轮损坏频率,减少损失。

五、回采工艺改进、优化措施

在工作面回采工艺方面采取以下5项改进措施:

一是控制采煤机割煤速度。俯采角度大时采煤机重心偏向煤壁,采煤机在截割过程中负荷加大需,须严格控制采煤机割煤速度,一般不超过5m/min,且使采煤机匀速运行,防止增加煤机的工作阻力及采煤机掉道,必要时停机人工落运输机。

二是控制工作面拉架方式。俯采工作面易造成支架前梁容易栽头,挪移不同步,支架不能始终保持垂直工作面煤壁,须坚持“带压擦顶”移架,移架时使用伸缩梁抵住煤壁,移架与收伸缩梁同时进行,保证支架稳定性;及时拉超前架护顶,并加强支架操作工程质量管理;合理使用侧护板,保证架间有足够的空隙;支架若出现歪斜、移不动、挤架等现象,要及时调架,避免范围扩大。

三是控制工作面运输机直线度。俯采工作面运输机前倾现象严重,易发生运输机推不到位或哑铃销折断,造成运输机脱节,须保证运输机推移成直线,严格控制推移输送机与移架的距离和推移输送机应滞后采煤机距离,保证输送机弯曲长度,加强运输机推移质量管理,确保运输机平、直、稳。

四是保证支架初撑压力。加强顶板及支架初撑力管理,加强液压系统管理工作,及时拉移超前架,做好支架初撑力巡查工作,发现问题及时处理。

五是适时采取工人卧底,控制工作局部俯采角度。在工作面初采找底期间,针对工作面60-80#架段俯采角度达到32°,导致采煤机导向滑靴与刮板机销排磨损加剧,连续更换滑靴刮板机销排的问题,采取人工卧底干预。先将刮板机推出,安安排人员在架前人工卧底,再拉回刮板机,用液压支架前梁伸缩油缸配合链条吊起中部槽,在中部槽下方垫道术,控制俯采角度不超过20°。

六、工作面智能化

(一)煤矿智能化现状

截止2023年4月,全国已完成首批71处智能化示范煤矿建设,总产能6.2亿吨/年,计划投资约158亿元,已累计建成363个智能化采煤工作面、239个智能化掘进工作面,单面平均生产能力达到500万吨/年。在示范煤矿带动引领下,全国累计建成1043个智能化采煤工作面、1277个智能化掘进工作面、智能化煤矿572处,产能增至19.36亿吨;煤矿井下机器人从19种增加到31种,矿山专用操作系统、5G专网等前沿技术得到更广泛应用。在此推动下,减人、增安、提效的成效日益显现。2022年,全国煤矿井下作业人员就减少6万人,一批大中型矿井固定岗位基本实现无人值守。尤其是保供以来,智能化矿井累计释放产能近6亿吨,为煤矿安全增产提供了强有力的支撑。数字煤矿及智能化开采基础理论体系现已形成,开启矿山多学科、多系统交叉融合的新方向。煤炭行业全面搭建了数据、通讯、装备、安全、管理等40余项团体标准,使煤矿智能化建设有标可依,有据可查,有章可循。全国智能化煤矿建设投资累计达到1000亿元,25个省份出台了财税支持保障措施。内蒙古自治区建成智能化煤矿126处,智能化煤矿全员工效达到28吨/工;陕西省建成102个智能化采煤工作面、66个智能化掘进工作面,陕煤集团智能化产能占比达到99%。陕煤集团小保当2号矿井,建设规模1300万吨/年,依托智能化建设,该矿打造了首套国产450米超长智能综采工作面成套装备,工作面最高日产5.2万吨,平均月产107万吨,推进速度提高20%-60%,产能提高约100%-230%。同时少布置3个工作面,节约3次安撤费用约1.8亿元。为2-3米中厚煤层高效开采提供了新的技术途径[2]。国家能源集团与华为联合创新的矿鸿操作系统已在神东13个矿1个选煤厂共3300多台大套设备应用,其中乌兰木伦矿实现了全矿的部署。实现了联接、交互、数据访问三大转变,涵盖多种创新应用场景,包括:装备智能控制、固定场所无人巡检以及设备在线升级,时间从1天缩短到4分钟。矿鸿操作系统商用一年,进入规模化复制阶段,5G+AI助力矿业智能化发展步入全新阶段[3]。综上,煤矿特别是大型煤矿实行智能化生产势在必行。

(二)工作面智能化配置及功能

按照采煤机、支架、运输设备协同作业+跟机干预+远程集控为主的智能化采煤方式,实现生产班综采工作面内作业人员不超过6人的智能化生产目标。工作面采煤机、液压支架、刮板输送机、转载机、破碎机、自移机尾、皮带机、乳化泵站等设备实现地面“一键式”启停、运行数据与现场视频实时上传[4]。工作面智能化配置情况如下:

采煤机:具备启停、牵引速度和运行方向的远程控制,实现运行工况及姿态检测、机载无线遥控、精准定位、记忆截割、“三角煤”机架协同控制割煤、远程控制、故障诊断和环境安全联动控制,利用机载视频、无线通信、直线度感知、智能调高、防碰撞检测、煤流平衡控制等技术,实现采煤机智能控制。

液压支架:工作面液压支架SAC电液控系统具备远程控制、自动补液、自动反冲洗、自动喷雾降尘功能,实现自动移架、推溜,鼓励利用高度检测、姿态感知、工作面直线度调直、压力超前预警、群组协同控制、自动超前跟机支护、顶板状态实时感知、煤壁片帮预测、伸缩梁(护帮板)防碰撞、智能供液等技术手段,实现液压支架的智能控制。端头支架具有就地控制与遥控控制功能,与工作面液压支架联动,实现工作面端头区域安全支护。超前支架具有就地控制与遥控控制功能。

刮板输送机:具备软启动控制、运行状态监测、链条自动张紧、断链保护、故障诊断、自动控制和远程控制功能,实现刮板输送机的远程监测和控制;鼓励应用煤流负荷检测、工作面自动巡检机器人等技术手段,实现采、运协同控制。

带式输送机:具备运行工况监控与综合保护功能,实时监测胶带运行工况,并将堆煤、烟雾、纵撕、跑偏、自动洒水、周边环境等监测信息实时上传到工作面智能集控中心,实现带式输送机的远程监测和控制。

顺槽监控中心:集控中心具备对液压支架、刮板输送机、转载机、破碎机、带式输送机启停、闭锁控制功能,实现采煤机、液压支架、刮板输送机、破碎机、转载机、带式输送机、乳化液泵站、喷雾泵等工作面综采设备远程控制;地面监控中心具备工作面设备“一键启停”功能,实现在地面对采煤工作面综采设备进行远程监视。

两巷超前支护支架:两巷超前支架配套电液控,实现与综采工作面支架、刮板机、采煤机联动。

辅助运输系统、:工作面两巷配套智能单轨吊控制系统,采用5G通讯方式,初步具备单轨吊无人驾驶功能。

工作面可视化系统:151307工作面在机巷皮带机头落货点、单轨吊机车检修站、转载机头落货点、上、下端头及工作面1#架后每隔5架安装云台可视化探头,其中1#架监视范围为下机头密闭墙,6#架监视范围为下端头刮板运输机头,170#架监视范围为上端头T0及密闭墙,其余支架上可视化探头均照射运输机溜槽内。摄像头固定的位置合理,现场无淋水、尘雾,不阻碍行车、行人和施工。

工作集中控制系统在井下顺槽和地面调度室设两处控制中心,实现采煤机、液压支架、“三机”、皮带机和乳化泵站等全部综采设备“一键式”启停和运行参数“一屏式”监控,并集成工作面可视化系统,实现对工作面全景状态的实时监视。

工作面投产以来,除2022年12月试生产外,从2023年1月起,工作面采取智能化生产模式,智能化开机率超过70%,全队总人数150人,其中工作面生产人员6人,达到国家智能化示范矿井综采智能化的标准。

七、取得效果

工作面自2022年12月16日开始调试试生产,当月推进18.4米,产量7.73万吨。2023年1月正式投产,截止3月底,平均月推进122.77米,平均月产42.04万吨,智能化生产率超过70%,面内作业人员少于6人。见下表:

序号

月份

推进度(m)

产量(万吨)

备注

1

2022年12月

18.4

7.73

试生产

2

2023年1月

96

32.7

 

3

2023年2月

149

50.73

 

4

2023年3月

123.3

42.7

 

八、结语

1.大采高俯采工作面安全高效开采的关键是控制采煤机机身倾角。首先在工作面“三机”配套时,必须控制好采煤机导向滑靴与刮板输送机销排的尺寸。我国《滚筒采煤机通用技术条件》(GB∕T35060-2018),第4.4.2条只规定“导向滑靴与行走轨的导向配合尺寸符合设计要求,误差不大于±3%”[5],具体尺寸未做明确。根据刘庄煤矿近10年来使用的3种同截割功率采煤机实践,艾柯夫公司SL500型采煤机适应俯仰采及走向倾角能力更强,生产实践中不需要更换俯采专用导向滑靴,只是磨损时间相对更快。因此,对18°以上大俯采综采面,导向滑靴与销排配合尺寸特别是下部尺寸不宜超过10mm。3种采煤机导向滑靴与销排(行走轨)配合尺寸见下表(表中单位mm):

采煤机

上海MG750/1840

艾柯夫SL500

西安MG750/1990

上

4

5

5

下

12.6

8

10

左

3.3

2.94

9

右

6.75

3

5

 

2.国产采煤机一般情况下多采用俯采0°进行配套尺寸模拟,如遇俯采工作面,需将普通导向滑靴改造为俯采专用导向滑靴,以适应工作面俯斜开采。

3.工作面开采初期,由于采煤机需下扎找到实底,俯采角度最大,需控制每刀的卧底量。

4.采煤机支撑滑靴可以采用耐磨钢板或耐磨焊条堆焊的方法加高20-45mm,调整采煤机重心向老塘侧偏移,但应采取成对同时增加、同时更换的办法,防止出现重心偏离。

5.工作面俯采角度超过18°以上时,在采取更换俯采专用导向滑靴、垫高支撑滑靴仍不能正常生产时,要采人工架卧底的办法垫平运输机,控制俯采角度。

6.对大采高、大俯采、超长等特殊条件综采工作面,应该提升工作面智能化水平,减少工作面用人,提高开采安全性和效率。

 

 

参考文献:

[1]王国法.综采成套技术与装备系统集成[M].北京:煤炭工业出版社2016:p428-453

[2]煤矿智能化建设进入新发展阶段系统性、融合性有待持续强化-北极星能源网 https://news.bjx.com.cn/html/20230208/1287207.shtml

[3]华为:矿鸿操作系统商用一年,进入规模化复制阶段_腾讯新闻https://new.qq.com/rain/a/20221109A05X5Z00.html

[4]王虹.综采工作面关键技术研究现状与发展方向[J],煤炭科学技术,2014,(1):60-64

[5]《滚筒采煤机通用技术条件》(GB∕T35060-2018)国家市场监督管理总局2018,12-01:4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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