提高大采高综采设备运行可靠性关键技术

刘林春

关键词：山西朔州平鲁区龙矿大恒煤业有限公司；大采高

1、大恒煤业一次采全高综采工作面应用于2015年，大恒煤业4-2煤层范围内，超过6.3米以上的厚煤层赋存储量丰富，分布广泛。

一方面，一次采全高技术在我国的发展已经经历了十多年的历史，经过研究和发展，一次采全高技术已趋于成熟，尤其是一次采全高技术，已成为我国厚煤层开采高产、高效的主导技术。

另一方面，虽然一次采全高开采技术得到了迅速发展，并取得了丰硕成果，但是目前一次采全高开采仍存在者一些需要解决的问题，从设备使用管理、配套设备使用维护及顶板控制等方面，主要存在如下几方面问题。

⑴大恒煤业特有的浅埋深、薄基岩、中硬高韧性煤层赋予条件，导致顶煤冒放性差、顶煤冒放环境不利于安全控制以及顶煤放出率难以保证而使得资源回收率偏低的问题，成为制约综放开采工艺在大恒煤业厚煤层开采中应用的关键障碍。

⑵大恒煤业是龙矿集团实施对外开发战略，按照“一矿包一矿、一矿变两矿”的模式，于2009年3月正式接管的矿井。自矿井正式进入联合试运转以来，积极组织工作面的生产。2015年5月我矿首次引进了一次采全高设备，设备在回采工作面生产过程中，遇到了设备行走轮损坏速度过快、剖分式滚筒松动、偏转、净水水处理设备电控系统体积过大，信号转换环节繁琐、工作面切眼与顺槽高差较大等问题。

为了解决一次采全高设备行走轮损坏速度过快、剖分式滚筒松动、偏转、净水水处理设备电控系统体积过大，信号转换环节繁琐、工作面切眼与顺槽高差较大等，大恒煤业确定了《一次采全高配套设备改进后的研究与应用》研究课题。

2、一次采全高设备的改造后的研究与应用技术应用前与应用后的对比，增加了设备的使用率，强化了设备的能力、节省了人力、物力、时间消耗，降低了成本，提高了工作面效率和生产能力，有利于设备的管理和控制，对地质条件比较复杂、断层多、煤层硬的煤层适应性强。在目前，煤炭经济下滑及企业追求利润最大化的目标下，改造后的一次采全高设备实现了产能最大化。

⑵一次采全高开采技术的进展

一次采全高设备在我国条件适合的矿井得到了广泛应用，它的优点及在生产中表现出来的显著的经济效益，决定了它能成为开采厚煤层最有效的方法之一。与分层开采方法及综采放顶煤开采方式相比，一次采全高开采简化了巷道布置、回采工艺、节省了人力、物力、时间消耗，降低了成本，提高了工作面单产和工效，节约了大量资源，生产高度集中，有利于矿井的管理和控制，对地质条件比较反复杂、断层多、煤层厚度变化大的煤层适应性强。在目前，煤炭经济下滑及企业追求利润最大化的目标下，一次采全高开采的优越性更为突出。但是，一次采全高开采的应用与发展，也暴露出一些弊端，比如设备使用不稳定，设备技术不成熟等问题，这些问题，不同程度地制约了生产的发展。如何克服这些弊端，促使煤炭生产走向新的发展，是摆在我们面前的一个重要和现实的问题。

3、主要研究内容。为解决一次采全高设备在大恒煤业硬质煤层开采设备实际问题，采用理论研究与实践相结合的方法，对一次采全高设备在大恒煤业4－2煤层使用的深入研究。一是针对一次采全高设备在回采工作面过程中行走轮出现的问题，研究并实践改造回采方式，消除了一次采全高设备在回采过程中设备损害大的危害。二是一次采全高采煤机采用分体式滚筒，因煤质较硬，分体式滚筒产生离心力，滚套紧固不住，造成浮动油封、摇臂齿轮频繁漏油、损坏，对我矿造成极大的直接和间接经济损失。我矿技术人员研究辊筒产生的离心力和螺栓的抗剪切力，决定改进滚筒固定方式，增加螺栓的强度。解决了分体式滚筒带来的一系列问题，间接地提高了经济效益。三是在两断头过渡架靠煤壁高差侧增加收缩10公分的二级侧护，有效的对该煤壁进行防护，工作面两出口行人安全及工作面整体状态大大提高。

主要研究内容包括以下几个方面：

（1）对既定条件下，了解采区地质条件，根据采区煤层走势，改变开采工艺，结合设备特点，为设备改造提前提供科学依据；

（3）充分认识一次采全高设备性能，为一次采全高设备改造提供科学依据；

（3）对行走轮、滚筒改造进行提前研究，消除工作面倾角及设备回采速度过快设备压力大，给设备带来的隐患；

（4）对工作面顺槽与切眼关系进行研究，改进过渡架侧护板，增加工作面安全系数；

（5）对一次性采全高设备改造进行全面研究，取得设备使用的最佳效果。

4、项目创新点。本项目的先进性与创新点在于：

（1）因地质条件原因，实际生产中采煤机行走轮磨损加速（3对/月），生产大大受限。通过改进回采工艺，采煤机上行空走，下行采煤，减少了采煤机行走轮的工作阻力，降低了行走轮的磨损进度，提高了行走轮的使用寿命，节约了大量的配件经费（行走轮36万元/套，每月节省配件费用约100万元），间接的提高了矿井的整体经济效益。

（2）因我矿滚筒采用3米剖分式滚筒，在实际生产中，经常出现滚筒松动、偏转现象，通过更改固定螺栓和定位销，解决了分体式滚筒带来的一系列问题，间接地提高了经济效益。

（3）我矿顺槽巷高4米，切眼巷高6米，工作面与顺槽高差2米，为防止高差煤壁片落造成安全隐患，将两端头过渡架靠煤壁高差侧增加收缩10公分的二级侧护，有效的对该煤壁进行防护，工作面两出口行人安全及工作面整体状态大大提高。

5、矿井引用一次采全高设备以来的生产接续情况

2015年5月大恒煤业首次引进并使用了一次采全高设备，至今先后回采了42110面、42112面、42111面。

6、矿井目前生产情况

根据储量核实报告和矿井初步设计，4-2号煤保有储量3648万吨，其中大恒区2250万吨，白土窑598万吨，嘉强800万吨（见表1）。工业储量3326.6万吨，可采储量1252万吨。

表1资源储量估算结果表单位：万吨

目前矿井生产情况

井下生产“一面两头”，分别是42112采煤工作面、42106运输顺槽、42106回风顺槽。一个备用工作面。

其中：

42112面净面长160m，总推进度680m，目前已推进520m，剩余推进度160m，预计2016年12月份停面。

42106运输顺槽采用锚网索支护，设计长度950m，目前已施工950m，目前在扩刷切眼。

42106轨道顺槽采用锚网索支护，设计长度950m，目前已施工400m，剩余550m。

备用工作面是42107面，净面长200m，推进度520m，煤厚4.5m。目前正在安装。

7、工作面简介

工作面位于白家梁-铁佐沟向斜东翼，受向斜影响，煤层倾角较大，地质构造较复杂。回风巷位于DF2断层下盘，该断层走向北东，倾向南东，在4-1号煤巷道掘进过程中多次揭露，落差27.5-30m左右，断层附近煤层较破碎；f1正断层走向北西，倾向北东，在42112运输巷掘进过程中揭露，落差0.9m；f2正断层走向北东，倾向南东，在42112切眼、41103回风巷、41102运输巷掘进过程中揭露，落差1.0-1.4m；f3逆断层走向北西，倾向南西，在41102运输巷掘进过程中揭露，落差0.6m；f4正断层走向北东，倾向南东，在41110（里）运输巷掘进过程中揭露，落差0.5m；f5正断层走向北东东，倾向南南东，在41110（里）工作面回采过程中揭露，落差0.9-1.1m；f6正断层走向北东东，倾向南南东，在41110（里）工作面回采过程中揭露，落差0.4-0.2m；f7正断层走向北东东，倾向南南东，在41110（里）工作面回采过程中及42112回风巷掘进过程中揭露，落差0.5-1.3m；f8正断层走向北东东，倾向南南东，在41111切眼、42112回风巷掘进过程中揭露，落差0.9m；f9正断层走向北东东，倾向南南东，在42112回风巷掘进过程中揭露，落差0.9m。工作面回采过程中还可能揭露其他隐伏小断层，需加强巷道的支护管理和顶板管理。工作面回采至41102回风巷下方时将通过XK26钻孔，该钻孔封孔质量合格，过钻孔时仍需采取措施，确保安全通过。

8、一次采全高可行性分析

开采工艺可行性分析

目前，我国厚煤层采煤工艺主要有2种，即综采放顶煤开采和一次采全高开采。

（1）一次采全高开采工艺分析

一次采全高技术是在中厚煤层综采的基础上，研制适应采高增大的成套设备和工艺技术后逐步发展形成的。一次采全高技术具有经济效益显著，工作面生产能力大，资源采出率高等特点，大采高综采设备技术在国内已应用成熟，能克服设备需要更新换代和完善提高过程中的不足，并且在开采技术上可行，根据钻孔和巷道揭露情况，在大恒区4-2号煤控制程度较高，煤层厚度3.2～7.0m，平均5.03m，赋存稳定，地质条件上适应选择一次采全高综合机械化工艺开采。

（2）综采放顶煤开采工艺分析

本井田内特有的浅埋深、中硬岩层的煤层赋存条件，导致下位顶煤冒落性较差，上位顶煤冒落滞后，顶煤放出率难以保证，资源回收率偏低等问题，成为制约综放开采工艺在矿区厚煤层开采中应用的关键障碍。

4-1号煤层开采之后，下行4.15~9.05m近距离开采4-2号厚煤层，一方面4-1号煤层采空区中部矿山压力将显著减弱，另一方面4-2号煤层采场顶为十分坚硬的沙岩，不易随采随跨落，使得资源回收率偏低的问题将更加突出。

适应条件分析

（1）一次采全高综采工艺适用条件

①煤层厚3.27.0m。

②坚硬顶板、坚硬顶煤不易冒落、冒放性差的煤层。

③地质构造简单、煤层赋存稳定、倾角小于12°、煤层夹矸少，顶、底板较稳定的煤层。

④没有了放煤工序，采煤工艺更加简化；有效控制矸石混入，有利于提高煤质质量。

（2）综采放顶煤工艺适用条件

①煤层厚度512m为最佳，对煤层厚度变化适应性强。

②顶板岩性最理想的条件是基本顶I、II级，直接顶有一定厚度，采空区不悬顶、随采随冒落。

③煤层中过厚过硬的夹矸影响顶煤放落，单层夹矸厚大于0.5m或f>3要采取措施，顶煤中的夹矸总厚度不宜大于顶煤厚度的1015%。

④煤层倾角一般小于于15°。

资源回收率对比分析

（1）一次采全高综采工艺

一次采全高技术具有经济效益显著，工作面生产能力大，资源采出率高等特点，根据4-2号煤层开采技术条件综合对比分析，4-2号煤层更为适用一次采全高工艺，主要有以下优点：

①4-2号煤控制程度较高，煤层厚度3.2～7.0m，平均5.03m，赋存稳定，适用国内现有大采高支架及配套设备。

②煤炭资源回收率高，工作面综合回收率可达95％以上，比综采放顶煤工艺可提高20％以上。

③有效控制矸石混入，提高煤质，使企业效益总体提升。根据煤质科提供的数据，4－1号综放工作面初采期间煤质比正常放顶煤期间可提高400大卡以上，吨煤价格可提高25元。同时，可避免洗煤加工费的无效支出所带来的效益损失。

④无需进行架前预裂松动爆破，通风断面大，消除了安全隐患，有利于安全生产。

⑤设备国产化，不需引进，购置周期短。

（2）综采放顶煤工艺方面

根据4－2号煤层开采技术条件综合对比分析，如在4－2号煤层较适用综采放顶煤工艺，但存在以下问题：

①4-1号煤层开采之后，下行近距离开采4-2号厚煤层，上部4-1号采空区中部矿山压力将显著减弱，不利于顶煤充分破碎与及时冒落，将严重制约提高采出率与资源利用率，预测工作面综合回收率在65％～80％范围，平均综合回收率能达到73％。

②4-2号采场直接顶为十分坚硬的砂质泥岩，不易随采随跨落，使得资源回收率偏低的问题将更加突出。

③如果采用现采取的架前预裂松动爆破，要使得顶煤充分预裂松动，爆破技术有待于进一步研究。

④要提高放顶煤的回收率，势必增加矸石的放出量，由于4-2号顶板砂质泥岩十分坚硬，放出的矸石对设备损坏无法预测，设备维护费用将随之增加。

结合上述诸多因素，我们经过研究、调研，采用一次采全高液压支架及配套设备用于4-2煤层的开采，此套一次采全高设备始用于42110工作面，工作面主要设备配置如下：

1、工作面液压支架90架（含过渡架5架，头二尾三，其中头尾各一部特殊过渡架）、两巷超前架各一组、端头架各一组。

2、刮板机一部155米。

3、采煤机一台。

4、转载机一部55米（含破碎机一台），皮带机自移机尾一部。

5、变电列车配置：负荷中心两套；水处理一套；乳化液泵站三泵两箱；喷雾泵站两泵一箱；语音通讯系统一套；低压开关列车一套；电缆拖拽稳车一台；电缆存放车三车。

9、结语

通过对大恒煤业一次采全高设备改造进行了深入研究，针对大恒煤业煤质、水质情况，结合一次大采高设备性能，探索出改进采煤机的回采工艺（采煤机正常回采工艺为自溜头斜切进刀向溜尾方向爬坡割煤，改为采煤机反向进刀向溜头方向下坡割煤），减少了采煤机行走轮的工作阻力，降低了行走轮的磨损进度，提高了行走轮的使用寿命（由原来的一周一套缩短到一月一套），提高了工作效率，节约了大量的配件经费（行走轮36万元/套，每月节省配件费用约100万元），间接的提高了矿井的整体经济效益。二是受我矿条件限制，我矿一次采全高采煤机采用分体式滚筒，因煤质较硬，分体式滚筒产生离心力，滚套紧固不住，造成浮动油封、摇臂齿轮频繁漏油、损坏，对我矿造成极大的直接和间接经济损失。我矿技术人员研究辊筒产生的离心力和螺栓的抗剪切力，决定改进滚筒固定方式，增加螺栓的强度。经过计算将螺栓改成M36的固定螺栓和定位销，解决了分体式滚筒带来的一系列问题，间接地提高了经济效益；三是我矿顺槽巷高4米，切眼巷高6米，工作面与顺槽高差2米，为防止高差煤壁片落造成安全隐患，将两端头过渡架靠煤壁高差侧增加收缩10公分的二级侧护，有效的对该煤壁进行防护，工作面两出口行人安全及工作面整体状态大大提高。

（1）因地质条件原因，实际生产中采煤机行走轮磨损加速（3对/月），生产大大受限。通过改进回采工艺，采煤机上行空走，下行采煤，减少了采煤机行走轮的工作阻力，降低了行走轮的磨损进度，提高了行走轮的使用寿命，节约了大量的配件经费（行走轮36万元/套，每月节省配件费用约100万元），间接的提高了矿井的整体经济效益。

（2）因我矿滚筒采用3米剖分式滚筒，在实际生产中，经常出现滚筒松动、偏转现象，通过更改固定螺栓和定位销，解决了分体式滚筒带来的一系列问题，间接地提高了经济效益。

（3）我矿顺槽巷高4米，切眼巷高6米，工作面与顺槽高差2米，为防止高差煤壁片落造成安全隐患，将两端头过渡架靠煤壁高差侧增加收缩10公分的二级侧护，有效的对该煤壁进行防护，工作面两出口行人安全及工作面整体状态大大提高。