我国煤炭资源丰富, 在能源结构中占有相当大的比重, 有着“工业粮食”之称[1]。但是随着近年来煤矿开采强度的增大, 工作面采高、工作面长度及巷道断面尺寸均在不断加大, 一些中老矿区或矿井, 以及部分受小煤窑开采影响的矿区或矿井, 井下小块面积的煤层越来越多, 开采难度较大, 造成了煤柱和边角煤的大面积浪费, 这都在很大程度上影响了煤炭资源的合理、高效开采[2], 因此, 在常规采煤方法的基础上改进采煤工艺、提高采煤效率, 成为实现矿井安全高效生产的重要途径[3]。晋煤集团赵庄二号井是晋煤集团重点扶持的中小型矿井之一, 具备一个素质良好的管理和生产系统, 也具有一定的生产经验, 但是现阶段赵庄二号井主采山西组3#煤层, 地质条件复杂, 被切割块段较多, 资源分散且“三下”压煤量严重, 常规综采及综放工艺设备投入成本高, 且对工作面地质条件要求高, 在此种复杂地质条件下难以发挥出其功能和优势, 因此晋煤集团金鼎煤机公司研制生产出了综采工作面钻式采煤机及配套装备, 旨在解决常规综采及综放工作面大型装备难以适应地质构造复杂、资源相对分散的地质条件, 无法开采小块段分散资源和煤柱的难题, 提高生产效率和煤炭产量, 但是钻式综采工作面配套装备目前应用还不成熟, 处在试验阶段, 所以说, 研究赵庄二号井钻式综采试验工作面配套装备工作情况和适应性以及钻式综采工艺应用效果对于指导工作面的安全生产显得十分重要, 对于钻式综采装备的评价、设计、改进及普及应用具有更加显著的意义。
山西晋煤集团赵庄二号井1305短壁试验工作面走向长298.6m, 倾向长85m, 设计采高5.0m, 工业储量为193179.87t, 可采储量为179657.28t, 煤层倾角1°~8°, 平均3°。工作面直接顶为厚度为1.8m的灰黑色泥岩层, 中厚层状, 丰富植物化石, 均匀层理, 水平纹理;老顶为厚度为1.6m的灰黑色粉砂岩层, 灰黑色, 中厚层状, 均匀层理, 可见丰富的植物化石;直接底为厚度为0.6m的灰黑色泥岩层薄层状, 具植物根化石;老底为厚度为2.0m的灰黑色粉砂岩层, 中厚层状, 均匀层理, 工作面采用钻式综采进行煤层回采, 沿顶板推进, 循环进度1.2m。
采煤机是综采生产的中心装备, 确定采煤工艺首先要考虑的因素就是采煤机选型[4], 晋煤集团赵庄二号井1305试验工作面采用晋煤集团金鼎煤机公司开发生产的M G 1 2 0/1 8 1-N W D型钻式采煤机进行生产, 其设计原理是利用矿压、煤体自重的影响, 对煤体侧钻采一定截深后使靠近煤壁侧煤体自然垮落, 具有装机功率小 (190kW以下) 、功耗低、节能高效、截割效率高、配套投资小、机身短, 拆装方便、资源回收率高、智能化程度高、安全系数高、适应性强等优点, 不仅可用于常规壁式工作面开采, 而且适用于大型煤柱和小块段资源回收, 能很好地解决地质构造复杂、资源相对分散、储量相对较少、大型滚筒采煤机等综采装备无法应用的迫切问题, 能够促进中小型矿井的安全高效生产。M G 1 2 0/1 8 1-NWD型钻式采煤机外形结构见图1。
其工作面刮板输送机、转载机、胶带运输机等主要配套装备也采用晋煤集团金鼎煤机公司生产的相应装备。刮板输送机、转载机、胶带运输机等的设计均在传统设计方法上有所改进以适应配套要求, 提高工作面生产能力, 工作面主要装备配置及相应技术参数如表1所示。
赵庄二号井1305钻采试验工作面采用一次采全高后退式综合机械化采煤, 自然垮落法管理顶板, 工作面回采工艺大致可以表述为:机尾顺槽直接进刀→行走割煤落煤装煤→顺序跟随拉架→割煤至机头→机组空刀返回并铲装余煤→由机头向机尾顺序推溜, 完成一个循环。
具体回采过程:采煤机从刮板机机尾顺槽巷道煤壁内直接进刀割煤, 总截割深度为1.2m, 采煤机截割头实际截割厚度为 (滚筒直径) 0.8m, 其余靠近采空区侧煤体受矿压、自重和采动影响自然垮落。采煤机滚筒可随截割臂上、下、内、外摆动以及进行前后伸缩。滚筒上下移动时, 上部煤体垮落进入刮板输送机, 靠近底板的下部煤体由滚筒内外摆动截割, 由采煤机后部的犁煤装置推入刮板输送机。当采煤机截割煤体向前移动后, 紧随其后的液压支架即可拉架及时支护顶板 (先拉架后推溜) , 最大限度地减少了顶板暴露面积和暴露时间, 保障工作面安全高效推进。工作面回采工艺如图2所示。
自工作面开始回采至结束, 组织专人对1305钻采工作面每天装备开机率做了统计, 统计结果表明:工作面平均开机率为42.53%, 初采期间平均开机率为23.45%, 初采结束后开机率上升至30%以上, 以后逐步稳定上升, 大至稳定在45%左右, 工作面开机率整体较低, 究其原因, 主要有。
(1) 由于该套装备是第一次在井下使用, 装备厂家对生产过程全程跟踪监测, 并对部分零配件进行了多次更新换代, 大大影响了开机率。
(2) 操作工人对该套装备不熟悉, 操作不熟练。
(3) 矿井提升能力有限, 主井煤仓较小, 生产过程中经常遇到主煤仓爆满, 主皮带停运现象。
(4) 该矿井仅有一个综采队, 却有两个工作面, 人员配给不足, 试验工作面经常停产。
通过对开机率的统计分析, 刨除其他原因对开机率的影响, 可以说此套钻式综采工作面装备运行稳定, 也说明此套装备选型及配套的科学性、合理性较为明显。
采煤机在使用过程中有过一次摇臂无法抬升, 更换过液压系统后使用正常;由于采煤机截割头自身设计结构, 导致工作面煤壁片帮加剧;采煤机犁煤铲设计存在不足, 每割一刀煤需要往返2.5次才能清煤彻底, 大大降低了生产效率。
刮板运输机:刮板运输机在生产过程中发生一次刮板绊断事故。初采时, 由于溜槽槽口因哑铃销断而撑开, 造成在此处26块刮板绊断事故。事故发生后机电科积极组织人员进行了溜槽、刮板更换工作, 此后工作状态良好。破碎机:由于采煤机截割头自身设计结构, 生产过程中大块煤比较多, 由于煤块较大无法进入溜槽, 使得破碎机无法发挥作用, 严重增加了运输系统故障时间, 经三次改进后效果大大提升, 基本满足了破碎要求。转载机:使用正常, 无故障发生。
在工作面开采过程中, 还组织相关观测人员对工作面支架在开采循环内支架工作阻力增量与活柱下缩量进行统计分析, 以考察支架的工作状态、支护质量及适宜性, 统计结果表明:工作面支架在整个运行过程中没有出现较大故障, 但由于泵站压力较低, 使得支架初撑力偏低, 但支架额定工作阻力能够满足要求, 无安全阀开启现象, 但是由于支架供液系统管路渗漏、顶板来压时支架出现“让压”现象, 或顶梁与直接顶之间、底座与直接顶之间的松散浮煤未被压实, 使得少数支架工作状态较差, 易被压死、损坏, 总的来说, 工作面回采期间, 支架工作状态在大多数情况是正常的, 正常工作状态类型架次占92.2%, 支架的工作状态良好。
通过以上对工作面配套装备工作情况的分析研究可知, 在赵庄二号井1305钻采试验工作面回采过程中, 尽管工作面配套装备出现了少许故障, 但是并没有对工作面生产造成太大的影响, 生产过程中还发现采煤机和破碎机在自身结构设计上存在一定的不足, 导致其不能充分发挥作用, 影响了生产效率, 总体而言, 工作面装备配套较为科学合理。
通过赵庄二号井1305钻采工作面的回采及与综采工作面、综放工作面的对比分析可知:钻式综采工作面装备投入少, 尤其是钻式采煤机需求供电电压低、功率低, 很大程度上降低了生产成本;装备适应性强, 工作面生产水平提高, 减少煤炭损失, 综采钻式采煤机及配套装备, 不仅最大采高可达6m, 对于6m以下煤层一次采全高, 对于地质条件复杂, 生产条件差的矿井具有很强的适应性, 还可用于回收小块段资源和煤柱, 大大提高了工作面的煤炭采出率, 可使工作面综采回收率达到90%以上。总体而言, 钻式综采工作面经济效益明显, 尤其是在地质条件复杂, 生产条件较差的中小型矿井更为凸显。
(1) 通过晋煤集团赵庄二号井1305钻式综采工作面的试验生产研究可知, 钻式综采工作面装备配套科学合理, 工作情况良好, 保证了工作面的安全生产。
(2) 钻式综采工作面装备投入小, 生产成本低, 适应性强, 有利于回收小块段资源和煤柱, 提高了产量, 减小了损失, 在地质条件复杂, 生产条件较差的中小型矿井生产中效果更为显著。
(3) 在钻式综采工作面生产过程中发现, 钻式采煤机及破碎机在其自身结构设计方面存在着一定的不足, 影响了其性能的发挥, 有待进一步的改进以提高生产效率。
摘要：为了能够在地质构造复杂、“三下”压煤量大、资源分散等实际地质条件下实现矿井的稳定安全生产, 提高效益, 首次在晋煤集团赵庄二号井进行钻式综采试验工作面生产实践, 并对工作面配套装备工作情况及钻式综采工艺应用效果进行分析, 结果表明:钻式综采工作面装备配套较科学合理, 设备投入成本低、适应性强、且有利于回收小块段资源和煤柱, 对于减少了煤炭损失, 提高了产量, 具有明显的效果, 适用于地质条件复杂、生产条件较差的中小型矿井, 并提出了装备设计存在的不足及建议。
关键词：钻式综采,装备配套,应用效果
[1] 张开玉, 吴国平.螺旋钻采煤工艺在韩桥煤矿的应用[J].煤矿开采2007, 12 (6) :33-34.
[2] 张广义.综合机械化采煤工艺[J].煤炭技术2009, 28 (3) :60-62.
[3] 陈祥恩, 杜长龙.钻式采煤机在高瓦斯解放层开采中的应用探索[J].中国煤炭2009, 35 (11) :41-43.
[4] 姚金刚, 赵超.煤矿综合机械化采煤工艺探析[J].科技信息, 2010 (23) :383.
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