[01291732]薄煤层综合机械化开采成套技术和装备研究

1.课题来源与背景 李子垭煤矿于1978年建成投产，主要开采井田急倾斜煤层部分，采用炮采落煤工艺.在1985年以后，开采井田缓倾斜煤层部分，并开始使用高档普采.1992年以后，改为综合机械化开采工艺.由于当时国内薄煤层采煤技术和装备比较落后，矿井只开采了条件较好的上分层.为了延长矿井寿命，有效地利用下分层煤炭资源，从1992年起，矿井先后采用风镐落煤、木支柱支护顶板和高档普采等工艺，对下分层由东向西进行了试采，但顶板事故频繁发生，作业人员的人身安全得不到保障，且作业环境差，矿井停止了下分层的试采工作. 随着开采年限的增加，李子垭煤矿上分层可开采煤量逐渐减少.目前，资源量只剩439.5万t，按矿井现有生产能力，仅可供矿井开采7年，而下分层还有1059万t储量未进行开采.但李子垭煤矿上、下分层的层间距平均只有1.48m，在上分层回采后，顶板岩层冒落形成的再生顶板松散破碎，产量低，工作面顶板控制难度大，单体液压支柱等支护方式根本无法适应下分层工作面. 四川省华蓥山煤业股份有限公司(以下简称"华蓥山煤业")曾组织国内专家进行现场考察，专家一致认为李子垭煤矿下分层顶板松散破碎，必须采用综合机械化开采.由于李子垭煤矿煤层赋存条件差，地质构造复杂，不宜使用螺旋钻采煤机机组和刨煤机机组，只能选用滚筒采煤机组.调查研究发现，国内现有的滚筒式采煤机综采设备主要应用于1.2m以上的煤层，对1.0m以下煤层进行综合机械化开采的适应性较差.迄今为止，国内外还未见1.0m以下薄煤层综采、工作面年单产20万t以上的相关报道. 为了充分利用煤炭资源，实现矿井可持续发展，在国家矿产资源节约与综合利用专项资金补助政策的支持下，华蓥山煤业与重庆大学进行科研合作，对李子垭煤矿破碎顶板条件下的薄煤层综合机械化开采技术进行攻关，研发适应开采厚度1m以下、顶板破碎的薄煤层综采设备. 2.技术原理及性能指标：通过薄煤层采场矿山压力分布及显现规律研究和"三机"(指采煤机、液压支架和刮板输送机)适应性理论分析，开发了适合薄煤层综合机械化开采的回采工艺、技术和"三机"成套设备;研制了新型薄煤层采煤机支撑平衡装置，使采煤机机身稳定和平衡得到有效保证，解决了采煤机采高难控制的问题;研制了新型薄煤层采煤机外牵引装置，解决了薄煤层采煤机牵引力不足以及牵引机构损坏后维修、更换困难的技术难题;研制了新型采煤机牵引链安全防护装置，保证了采煤机外牵引链条在运行过程中不脱离导链座，有效防止了弹链伤人、断裂伤人事故的发生;研制了新型采煤机管缆张紧装置，解决了薄煤层工作面管缆在电缆槽中易卡挂等不利于降低采煤高度等技术难题;研制了新型薄煤层采煤机乘人装置，解决了采煤司机行走困难的技术难题;研制了新型端头支架，解决了一般端头支架对煤层顶板倾角变化适应性差的技术难题;研制了新型薄煤层综采浮煤回收机，解决了薄煤层工作面上端部浮煤回收困难的技术难题. 成果主要性能指标如下:(1)采煤机机面高度低，仅570mm，能够满足采高0.8~1.3m煤层综合机械化开采要求.(2)采煤机过煤高度大，达300mm，为工作面双向割煤创造了条件，可提高采煤机的割煤效率.(3)采用新型薄煤层采煤机外牵引装置，降低了采煤机机面高度，有利于提高采煤机牵引功率，也便于利用两巷空间对采煤机进行维修.(4)采用新型管缆张紧装置，使采煤机割煤时电缆、水管移动顺畅，保证采煤机不压坏电缆和水管，有利于降低采煤高度. (5)采用新型薄煤层采煤机乘人装置，改善了采煤司机的工作环境，减轻了采煤司机的劳动强度. (6)采用配套设计的采煤机防滑装置与输送机导向装置，实现了采煤机机械防滑功能. (7)在刮板输送机上设置了采煤机牵引链安全防护装置，保证了采煤机外牵引链条在运行过程中不脱离导链座，有效防止了链条弹链伤人、断裂伤人事故的发生. (8)工作面液压支架采用掩护式结构，顶梁前段设计为板式结构，在保证顶板支护可靠的条件下充分利用回采空间，增大了过机高度，增大了采煤机割顶量，减少了采煤机停机事故的发生. (9)工作面液压支架采用电液控制技术，成组控制，减小了液压支架与煤壁间的空顶面积，提高了推移支架的跟机速度，减小了移架工劳动强度.(10)工作面液压支架设置抬底机构，有效避免底板过软而造成支架底座扎底，便于移架.该机构兼做采煤机支撑平衡装置，使采煤机机身稳定和平衡得到有效保证，解决了采煤机采高难控制的问题.(11)端头支架在顶梁和掩护梁之间设十字过渡梁，使端头支架顶梁能自动调斜，适应工作面煤层倾角的变化. (12)在端头支架底座前、后部设有调架耳座和调架千斤顶，分别控制左、右立柱，使顶梁能够自动调斜，适应工作面沿煤层倾斜方向的变化，保证顶梁与顶板的面接触，提高了支护可靠性.(13)采用新型薄煤层综采浮煤回收机，解决了薄煤层工作面上端部浮煤回收困难的技术难题.3.技术的创造性与先进性：在1m以下薄煤层成功进行综合机械化开采是国内外的首创，主要创新点是: (1)研发了适合0.8m以上薄煤层综合机械化开采的成套工艺技术.(2)揭示了破碎顶板薄煤层综合机械化开采条件下采场矿山压力显现规律.(3)采用截割部设置在煤壁侧和牵引部外置在输送机机头、机尾等新型结构，自主研发了适合0.8m以上薄煤层综采大功率采煤机，使机面高度仅570mm，过煤高度达300mm，截割能力强，牵引力大，能够满足采煤机双向割煤及截割煤层顶底板和过断层的需要;利用新研制的采煤机外牵引装置，解决了采煤机牵引力不足以及牵引机构损坏后维修、更换困难的技术难题;利用新研制的采煤机管缆张紧装置，解决了薄煤层工作面管缆在电缆槽中易卡挂等不利于降低采煤高度等技术难题;利用新研制的薄煤层采煤机乘人装置，解决了采煤司机行走困难的技术难题.(4)研发了薄煤层工作面大功率工作面刮板输送机，配套设计的采煤机防滑装置、输送机导向装置实现了采煤机机械防滑功能;新型采煤机牵引链安全防护装置，保证了采煤机外牵引链条在运行过程中不脱离导链座，有效防止了弹链伤人、断裂伤人事故的发生.(5)研发了可远程控制的薄煤层综采液压支架，将支架顶梁的前段创新性地改为板式结构，增大了过机高度，增大了采煤机割顶量，减少了采煤机停机事故的发生;设置的抬底机构，有效避免底板过软而造成支架底座扎底，便于移架，该机构兼做采煤机支撑平衡装置，使采煤机机身稳定和平衡得到有效保证，解决了采煤机采高难控制的问题.(6)研发了薄煤层综采端头液压支架，创新性地将顶梁和掩护梁之间的连接装置改为十字过渡梁，使端头支架顶梁能自动调斜，适应工作面煤层倾角和顶板起伏的变化;在底座前、后部设有调架耳座和调架千斤顶，分别控制左、右立柱，使顶梁能够自动调斜，适应煤层倾角变化，保证顶梁与顶板的面接触，提高了支护可靠性.(7)研发了薄煤层综采浮煤回收机，解决了薄煤层工作面上端部浮煤回收困难的技术难题.技术的成熟程度，适用范围和安全性：项目研究通过现场试验，可年产原煤20万吨，取得了突出的技术经济效益和社会效益，已经完全取得成功并在类似条件矿井推广应用，其技术的成熟性和安全性完全可靠.项目研究成果适用于倾角0°~30°、采高0.8m以上的薄煤层长壁工作面. 应用情况及存在的问题：该项目通过在四川省华蓥山煤业股份有限公司李子垭煤矿11041工作面进行现场试验，并在四川省威达煤业有限责任公司、攀枝花煤业(集团)有限责任公司、四川达竹煤电(集团)有限责任公司等矿山企业类似条件煤层进行了推广应用，均取得了突出的经济效益和社会效益.但是，项目仍然存在一定的不足，包括回采巷道仍采用传统的金属架棚支护，工人劳动强度大，支护效率低，制约了回采巷道的掘进速度;液压支架还未能真正实现自动移架;工作面布置长度相对较小，未能充分发挥出相关配套设备的优势.