CN103195428A - 极薄煤层爬底式综合开采技术 - Google Patents

Abstract

本发明涉及极薄煤层爬底式综合开采技术，本发明的采煤机机体为长方体，高410mm，采煤机的外壳的底板两端上翘为船形。开采时，在煤层两端先开设风巷及机巷，风巷与机巷间距为110米，采煤工作面在风巷与机巷之间。采煤工作面采高为0.55～0.8m。采煤步骤为：先按方法布置采煤设备，开始采煤，采煤机采用分段控制，按采煤工作面长110m，分为3段，每36m为一段，每一段安排一对司机进行负责。本发明适合0.8m的极薄煤层开采，安全系数高，首次极薄煤层综合机械化开采，人员劳动强度低，开采效率高。

Description

极薄煤层爬底式综合开采技术

技术领域

本发明涉及一种煤炭开采技术，尤其是极薄煤层的开采技术。

背景技术

我国薄煤层资源丰富，分布广泛，1.3m以下煤层可采储量约占20％，据统计，全国薄煤层和极薄煤层可采储量分别占全部可采储量的16.9％和2.8％。在一些地区薄煤层储量比重很大，如四川省占60%，山东省占54% ,黑龙江省占51%，贵州省占37%。特别是在南方地区，薄煤层储量所占比重更大，而且薄煤层分布广，煤质好。西南片区基本以薄煤层为主，粗略统计，仅四川省和重庆市国有统配局煤矿就有薄煤层储量1.5亿吨以上，很多薄煤层煤质好，具有较高的开采价值，可开采年限长。

在薄煤层中，低于0.8m以下的煤层称为极薄煤层，长期以来，由于极薄煤层开采空间极其狭小、工人劳动强度大、工作条件差、设备配套困难，对煤层厚度、倾角的变化以及断层等地质构造的适应能力差，投入产出比高、效率低、经济效益差等多方面原因，致使大量极薄煤层煤炭资源处于搁置状态，回采量远低于储量所占的比重，而且有下降的趋势，更造成极薄煤层机械化开采技术发展缓慢。

到目前为止，对极薄煤层开采主要有以下三种方法：一是炮采，即采用放炮落煤、人工装煤、单体液压支柱支护的方式，该方法生产效率极低、安全保障度差、且工人劳动强度很大；二是高档普采，即采用爬底式滚筒采煤机落煤并装煤、单体液压支柱支护顶板，高档普采虽然减少了打眼放炮和人工攉煤工序，工人劳动强度有一定降低，但目前大多数极薄煤层采煤机在牵引、截割、控制、装煤以及适应地质变化等很多方面不完善，系统不协调，存在很多的缺陷和不足，并且由于仍然采用单体液压支柱支护，工作面顶板控制比较困难，同时工作面用人多，安全保障度差，生产能力很难充分发挥；三是采用机械切割或工作面放炮的方式人为增大采高，以利于采用现有安全高效装备，这种做法不仅影响工作面效率和单产，同时也对煤炭质量产生有较大影响，经济效益差。因此，极薄煤层的综合机械化开采到目前为止仍然还是空白。

煤炭工业是我国重要的基础产业。长期以来，煤炭在我国一次性能源生产和消费构成中均占2/3以上。我国煤炭资源丰富，在未来相当长的时期内，以煤为主的能源供应格局不会改变，只有保持煤炭工业的持续、稳定和健康发展，才能确保我国国民经济的稳定增长。因此，除继续建设高产高效矿井，提高采掘综合机械化水平，发展中、厚煤层一次采全高以及特厚煤层的放顶煤开采技术和装备外，研制开发适合我国国情的极薄煤层开采装备和技术，不仅成为有关煤矿亟待解决的问题，也是我国煤炭工业健康协调发展的重要课题。

在我国0.8m以下极薄煤层工作面大部分仍采用的是放炮落煤、人工装煤工艺方式进行采煤，只有很少一部分采用的是高档普采。在极薄煤层高效综采的核心技术中，最为关键的技术是极薄煤层采煤机和液压支架，采煤机和液压支架的合理布局和配合，才能保证合理的行人空间、过机空间和过煤空间。

我国极薄煤层工作面到目前为止仍主要采用炮采。

专利201020218822.4描述了极薄煤层刮板输送机，即实施本发明工艺过程中所需要使用的极薄煤层刮板输送机。

专利201020218835.1描述了一种极薄煤层使用的液压支架，即本发明工艺过程中所需要使用的液压支架，但该专利中未对液压支架的关键参数作出计算，关键参数包括：开采极薄煤层所需的最低支撑高度，最高支撑高度，支护的最大范围，支护所需强度。

专利（号：201010212464.0）公开了一种极薄煤层爬底式综合机械化开采方法，属于本申请人前期提交的一项申请，该申请提出了利用极薄煤层采煤机、极薄煤层液压支架、极薄煤层刮板运输机进行综合采煤，与本技术所使用的设备均同。但该专利申请未能就综合采煤机重要的尺寸、外观、动力进行研究，极薄煤层的开采空间极其有限，采煤机的尺寸、外观、动力是重的的参数。该专利申请未能就采煤工作面的布置进行研究，只有布置好了采煤工作面，才能节省开采成本并扩大开采产量。该专利申请未能对采煤机、液压支架、刮板运输机的布置位置与工作过程进行研究，只有根据采面工作面的计算，才能布置好各设备，才能发挥设备的效益，并保证采煤的安全。

本次申请与该专利（号：201010212464.0）不同的时，本次专利将对以上不足提出新的方案。

发明内容

根据以上所述不足，本发明提出一种极薄煤层爬底式综合采煤技术。本技术如下：

本综合采煤技术包括使用以下设备：液压支架，用于支持采煤工作面顶部以防止顶部垮落；采煤机，用以对工作面进行割煤；运煤装置，包括横向刮板装载机与刮板运输机，将采煤机采下的煤炭向机巷运输；其特征在于：

所述的采煤机机体为长方体，机体长5199mm、宽1978mm、高410mm，机体上设置有采煤滚筒，采煤滚筒直径为520mm—800mm，滚筒长度为630mm，长方体的机体内设置55KW的动力电机两台；采煤机的外壳的底板两端上翘为船形，底板厚38mm，采用nm360耐磨钢板；在滚筒旁边设置横向刮板装载机，并与刮板运输机配合运煤。

所述的液压支架其高度可调，调节区间为500—1200mm，液压支架顶板长度为3-4m，顶板宽度为1.5m，通风断面为1.25~2.08m²，底座宽1.05m。

按如下方法布置采煤工作面及设备：

确定煤层位置后，在煤层两端先开设风巷及机巷，用于煤碳的运输及人员与机械设备的流转，风巷及机巷平行向待采区推进，风巷与机巷间距为110米，采煤工作面在风巷与机巷之间。

采煤工作面采高为0.55～0.8m，在采煤工作面的两端开设超前缺口，即比采煤工作面多推进一段纵深，其风巷侧超前缺口纵深1200mm，宽5000mm，机巷侧超前缺口纵深1200mm，宽3000mm。

风巷内设置电缆回柱绞车用以收放电缆。

液压支架顶板前端距离采煤工作面的煤壁的距离为940mm，避免滚筒截割顶板。

液压支架支柱与刮板输送机之间最小行人空间1485mm，以满足行人空间。

工作面布置液压支架共73架，相邻的液压支架间隙为150mm，以保证移架时，相邻底座间不挤卡。

刮板输送机机头链轮中心线距机巷下帮2000mm为基准，按照机头至机尾的顺序依次布置输送机，工作面下端第一个液压支架的中心到输送机机头链轮中心的距离为2750mm，以此为基准，依次布置液压支架，其中机头机尾最外侧的液压支架比工作面其他液压支架拖后200 mm布置。

采煤步骤为：先按上述方法布置好采煤设备，并启动各设备，开始采煤，采煤机采用分段控制，按采煤工作面长110m，分为3段，每36m为一段，每一段安排一对司机进行负责。

采煤机滚筒在超前缺口处进刀，在牵引下，滚筒沿工作面来回截割煤壁，采煤采取小截深截割，其截深为600mm；以降低截割力矩；采煤机平均行进速度3m／min，采煤机实际生产为106 t/h。

在采煤机采煤后，采煤工作面推进，便开始移动液压支架，液压支架以3.51--3.66m/min速度同步推进。

刮板输送机以200t／h运输能力向机巷运送由采煤机采下的煤炭。

有益效果：

本发明所公开有采煤机机体通高仅410mm，底板两端上翘为船形，厚38mm，采用nm360耐磨钢板，本采煤机直接在通过牵引来回在开采工作面爬行采煤。其机体尺寸适合极薄煤层。底板的设计考虑了爬行的磨损。采煤滚筒直径为520mm—800mm，长度为630mm，适合极薄煤层的进刀。

长方体的机体内设置55KW的动力电机两台，总功率能达到110KW，满足采煤截深和产量。两台55KW的电机外形最大尺寸为55KW，电机外径Φ345mm，装在380mm厚的机体中，上下各有17.5mm皮厚,不用局部突起,满足了整体结构要求。

所述的液压支架高度为可调高度，调节区间为500—1200mm，顶板长度为3-4m，顶板宽度为1.5m，底座宽1.05m；满足支护强度最大值0.394MPa

通风断面为1.25~2.08m²，满足薄煤层工作面配风量大多在300~500m³/min的情况下，根据《煤矿安全规程》规定，工作面最高风速不超过4m/s。

采煤工作面的两端开设超前缺口，将采煤机从超前缺口处进刀。

工作面最小高度为0.55m，工作面控顶区及两巷空间小，不易操作和行人，工作面长度不宜过长，以110m左右为宜。

在极薄煤层综采工作面内操作人员的活动空间非常有限，人员只能匍匐爬行。为降低工作的劳动强度，增加煤矿井下操作的安全性，采煤机设计采用分段遥控技术。按工作面长110m，分为3段，每36m为一段，每对司机各负责一段，劳逸结合。

本发明所提出的采煤工作面参数，均通过安全系数计算、工作效率计算、工作产量计算而来，达到了效率最优。设备布置方案与采煤过程方法根据采煤工作面及其它因数而定，均达到了采煤的效率最优化。

本发明适合0.8m的极薄煤层开采，安全系数高，首次极薄煤层综合机械化开采，人员劳动强度低，开采效率高。

具体实施方式

采用目前国际国内最小的机面高度与综采液压支架配套。确定机面高度为410mm。其中机体厚380mm，底拖板厚30mm，理论上可采采高550mm，考虑支架厚度70mm的条件下，过机间隙（到顶板）达到70mm。为了减少机身的机面高度，采用两台55KW电机串联，总截割功率增加到110KW。55KW电机外径Φ345mm，装在380mm厚的机体中，上下各有17.5mm皮厚,不用局部突起,满足了整体结构要求。

为了增加底座的耐磨度，采用了高强耐磨的NM360材料，厚度加大到30mm。根据工作面地板岩性，将其设计成船形和直板形两种。当地板比较软时用船形，当底板比较硬时用直板形。

靠煤壁侧布置采煤机的牵引机构，牵引力靠近采煤机滚筒、采煤机的扭转力矩小、受力状况好。

在实际工作中，截割部分出一部分采煤机的动力带动横向刮板装载机运转的动力方式。

采煤机主机体与横向刮板装载机共同安装在30mm厚底拖架上，由楔块夹紧成为一体，滚筒前后设置挡煤板，工作时调换位置，机器由锚链牵引，沿底板爬行。动力电缆由绞车钢丝绳带动，由电控箱端部进入机体。

采用铸焊结合的整体机壳，取消对接面，刚性好，强度高，在井下运输条件允许的情况下是首选方案。

实施例：本发明在达竹煤电集团的某煤矿实验性实施如下：

极薄煤层工作面长度优化

1）从工作面单产优化工作面长度

工作面产量Q可按下式计算。

当单向割煤时:                                                

，

式中：T—每天的工作时间，1440min； K—采煤机的开机率，78%； h—工作面采高，m；

B—工作面的截深，m；        

—煤层的容重，t/

；   C—工作面回采率。

L增大到一定数时，Q变化不大。将函数Q对自变量L求导得：

当工作面长度大到

时，工作面长度增加10%，工作面产量的增量达不到5%，可以认为加大工作面的长度对增加工作面产量的意义不大。

此时，工作面长度的变化引起的产量变化为：

，    

。

b与工作面的辅助截割时间

（一般为30min）、采煤机的截割时的牵引速度

（一般4m/min）和工作面的缺口长度有关（平均5m）。

因此，=30×4-5=115m。

分析结果是，当工作面的长度大于115m时，增加工作面的长度对于工作面产量增加的影响不大。

2）从工作面效率优化工作面长度

开采工作面效率P可按下式计算

当单向割煤时:                  

式中：e—  与工作面长度有关的工人人数，人/ m；

f — 与工作面长度无关的固定人数。

当双向割煤时:

，

也可写成。

分析（5-2），P函数具有极值。将函数Q对自变量L求导得：

。

当

=0时，工作面的生产效率达到最高，此时工作面长度

可按下式计算出来。

，。

b与工作面的辅助截割时间

（一般为30min），采煤机的截割时的牵引速度

（一般4m/min）和工作面的缺口长度有关（平均5m）。根据工作面的出勤情况，f每天54人，e每天每米0.6人。则：

=102m。

分析结果是，当工作面的长度为102m时，工作面吨工效率最高。

3）从地质条件和生产技术条件分析工作面的长度

合理确定采煤工作面长度，要充分考虑工作面的煤层地质条件、技术上的先进性和合理性，因地制宜地进行优化，适当加长工作面的长度，增加生产时间，减少故障工时，提高设备开机率，充分发挥综采配套设备的技术性能。使用本发明的刮板输送机，使工作面长度可达430m；本发明的采煤机和液压支架采用了电液控制技术，也为加大工作面长度创造了条件。但是达竹矿区煤层采高小，工作面最小高度为0.55m，不易操作和行人，工作面长度不宜过长，以110m为宜。

实验矿区极薄煤层综采工作面主要参数

倾角	采高（m）	工作面长(m)	截深(m)
				0°～35°	0.55～0.8	110左右	0.6

工作面采高

实验矿区极薄煤层厚度0.45～0.8m，平均厚度0.7m左右；煤层顶、底板是灰、深灰色薄层状泥岩、炭质泥岩和粉砂质泥岩为主，如与煤相混很难分选，不可能用大面积破顶、破低的截割方式开采，考虑到煤质和工人工作空间等因素，工作面采高确定为0.55～0.8m。

工作面截深

采高0.8m以下工作面截深的确定取决于工作面煤层地质条件、工作面设备和工作面的生产效率。

在地质条件方面主要是煤层的截割阻抗和顶板稳定条件。煤质过硬、过粘，煤层中含有夹矸等因素都将产生较大的截割阻抗，要求采煤机必须具有较大的截割力和截割扭矩，进而要求采煤机有较大的截割功率。从降低采煤机截割难度的角度考虑，采煤机的截深应小一些，一是可减少滚筒的切割面积，二是更好地利用支承压力压酥煤壁的作用效果，这样可减少对采煤机切割部的装机功率的需求。达竹煤电公司可采煤层煤质中硬，截割阻抗A＝1.0～2.4kN／cm，对采煤机切割部的装机功率的需求不大，可以加大采煤机的截深。

如果工作面顶板破碎，过大的截深将导致顶板冒落、片帮严重，顶板管理困难，难以实现高产高效。达竹煤电公司K25煤层顶板岩性以灰、深灰色薄层状泥岩、炭质泥岩和粉砂质泥岩为主；外连和内连煤层顶板岩性以灰、深灰色薄层状泥岩为主，次为炭质泥岩和粉砂质泥岩，局部顶板为灰色细～中粒砂岩。顶板虽然较软，但是穿透性裂隙不发育，对浅截深采煤机截深的影响不大。

在极薄煤层工作面中工人只能用爬行的姿势在工作面中移动，不适应较大的采煤机牵引速度，然而极薄煤层工作面的生产效率较低，要保持较高的理论生产效率，在采煤机的牵引速度受限的前提下，加大采煤机的截深是唯一可行的方法。

但是截深的加大，也加大了煤层反力对采煤机滚筒摇臂的力臂对采煤机机械强度、装机功率是一个较大的考验；同时截深加大将导致工作面控顶距离增加，因而液压支架的工作阻力和防护性能对截深也有影响。

滚筒采煤机一般采用小于1m的浅截深，多数截深选择为600mm，综合各种因素，达竹矿区采煤机的截深选用600mm。

本发明的各个参数均由严密的计算和实验得来。

以上仅为本发明的实施例。

Claims (1)

1.极薄煤层爬底式综合开采技术，本综合开采技术包括使用以下设备：液压支架，用于支持采煤工作面顶部以防止顶部垮落；采煤机，用以对工作面进行割煤；运煤装置，包括横向刮板装载机与刮板运输机，将采煤机采下的煤炭向机巷运输；其特征在于：

a. 所述的采煤机机体为长方体，机体长5199mm、宽1978mm、高410mm，机体上设置有采煤滚筒，采煤滚筒直径为520mm—800mm，滚筒长度为630mm，机体内设置55KW的动力电机两台；采煤机的外壳的底板两端上翘为船形，底板厚38mm，采用nm360耐磨钢板；在滚筒旁边设置横向刮板装载机，并与刮板运输机配合运煤；

所述的液压支架其高度可调，调节区间为500—1200mm，液压支架的顶板长度为3-4m，顶b. 按如下方法布置采煤工作面及设备：

确定煤层位置后，在煤层两端先开设风巷及机巷，用于煤炭的运输及人员与机械设备的流转，风巷及机巷平行向待采区推进，风巷与机巷间距为110米，采煤工作面在风巷与机巷之间；

采煤工作面采高为0.55～0.8m，根据煤层高度而定；在采煤工作面的两端开设超前缺口，即比采煤工作面多推进一段纵深，其风巷侧超前缺口纵深1200mm，宽5000mm，机巷侧超前缺口纵深1200mm，宽3000mm；

风巷内设置电缆回柱绞车，用以收放电缆；

液压支架顶板前端距离采煤工作面的煤壁的距离为940mm，避免滚筒截割顶板；

液压支架支柱与刮板输送机之间最小行人空间1485mm，以满足行人空间；

工作面布置液压支架共73架，相邻的液压支架间隙为150mm，以保证移架时，相邻底座间不挤卡；

刮板输送机机头链轮中心线距机巷下帮2000mm为基准，按照机头至机尾的顺序依次布置输送机，采煤工作面下端第一个液压支架的中心到输送机机头链轮中心的距离为2750mm，以此为基准，依次布置液压支架，其中机头机尾最外侧的液压支架比工作面其他液压支架拖后200 mm布置；

c. 采煤步骤为：先按上述方法布置好采煤设备，并启动各设备，开始采煤，采煤机采用分段控制，按采煤工作面长110m，分为3段，每36m为一段，每一段安排一对司机进行负责；

采煤机滚筒在超前缺口处进刀，在牵引下，滚筒沿工作面来回截割煤壁，采煤采取小截深截割，其截深为600mm；以降低截割力矩；采煤机平均行进速度3m／min，采煤机实际生产为106 t/h；

在采煤机采煤后，采煤工作面推进，便开始移动液压支架，液压支架以3.51--3.66m/min速度同步推进；刮板输送机以200t／h运输能力向机巷运送由采煤机采下的煤炭。