薄煤层炮采工作面机械化装煤技术应用

   斌郎煤矿221采区内连煤层受F17大断层的影响,次生小断层多,煤层结构复杂,倾角和采高变化都很大。不适合采用高档普采和综采回采工艺。传统的爆破落煤人工攉煤劳动强度大,攉煤效率低,攉煤过程中人进入煤壁不能从本质上确保安全生产。为减轻攉煤劳动强度,提高攉煤效率,从本质上杜绝人进入煤壁侧的安全风险。经分析研究,让传统炮采工艺攉煤这一环节采用机械装煤技术,该技术采用挡煤板、铲板、液压墩柱配合推移千斤顶实现炮采工作面机械化装煤。简化了生产工序、提高了安全管理系数、降低了工人劳动强度、提高炮采工作面生产效率、月推进度和煤炭采出率。 
  关键词生产工序 提高攉煤效率 机械装煤技术 
  1 炮采工作面机械化煤技术研究具有重意义 
  2012年起,斌郎煤矿组织专业研究团队,薄煤层炮采工作面机械化装煤技术攻关研究,自主开发出适应0.5~0.8 m薄煤层开采的“铲装”设备。通过试生产表明,工作面减少人员15人,提高单产2074 t,人员不进入煤壁进行攉煤作业,工作面语音通讯与刮板输送机实现闭锁。较好实现了项目攻关研究目标。 
  1.1 国内炮采工作面机械化装煤技术现状 
  目前,国内炮采工作面机械化装煤主技术方案是在输送机煤壁侧装上铲煤板,一部分放炮后自行落入输送机,一部分需大推力千斤顶推移铲煤板装入输送机,余下的底部是松散煤靠人工扒入。此项技术在山东赵坡矿已经试验成功,但其大都在1.2 m以上的煤层中应用,无法满足0.8 m以下薄煤层使用。因此,目前国内外还未见0.5~0.8 m以下薄煤层机械化装煤效果较好的成果报道,本项目的主研究工作无成熟经验可借鉴使用。 
  1.2 项目研究工作意义 
  目前,我国的薄煤层开采安全状况比较落后,全国西南片区的薄煤层开采的安全状况远低于中厚煤层开采安全状况,对薄煤层机械化开采未进行深入研究,现有的研究成果还大都处于不完善阶段。如本项目提出的薄煤层炮采工作面机械化装煤技术能够开发成功,将为我矿在薄煤层开采过程中的安全管理、提高煤炭资源回收率等方面都具有重的意义。是对西南片区极薄煤层炮采工作面实现机械化装煤具有重的示范作用。 
  2 研究工作总体思路 
  2.1 开采技术方案选择研究 
  在分析研究国内外薄煤层机装存在的优缺点的基础上,结合斌郎煤矿地质条件,经反复调研和论证,确定采用炮采机装技术开采221采区内连煤层。 
  2.2 项目需解决的技术难题 
  ①放炮落煤后,工作面很多煤炭冲击到刮板输送机后方(后山侧),造成老塘方煤炭堆积很多,就需人工对煤炭进行回收,国内无适应1.2 m以下的挡煤技术可借鉴。需自主研发适应于0.5~0.8m不稳定煤层工作面挡煤装置的研发。 
  ②工作面采高变化大,单体支柱替换频繁。由于工作面采高变化较大,随时对工作面的单体支柱进行替换,但推溜的墩柱调整高度范围满足不了求,无法正常使用。项目需解决墩柱替换难题。 
  ③工作面较长,国内成功的经验是3米一架推移装置,每架推移装置在工作时至少需一个人进行操作,这样一是用工太多,二是操作过程比较繁琐,同时在推移设备时不便于统一指挥。项目需优化推溜设计与操作步骤。 
  ④工作面较矮,推移刮板输送机和工作面材料运输必须有可靠的信号联系,并做到语言通讯能与刮板输送机闭锁。 
  因此,本项目的主技术难点是开发适用于薄煤层炮采工作面煤层变化大、高推力、高可靠性装煤设备与技术。 
  3 “铲装”结构设计 
  刮板输送机及墩柱结构设计 
  SGB-520/55可弯曲刮板输送机溜子一部,溜槽底部全部用铁板封闭。工作面每隔3 m安设一根墩柱,与ZQ.2B(125)型推移千斤顶配合。推移千斤顶推力154kN,拉力98 kN,千斤顶油缸直径125 mm。最大长度3.3 m,最小长度2.1 m,工作行程1.2 m。用墩柱与千斤顶配合,实现煤炭铲装和推移刮板输送机(如图1)。 
  4 现场工业性试验及实施效果 
  4.1 试验工作面地质条件及巷道布置 
  (1)工作面地质概况 
  斌郎煤矿内连煤层“N2215”工作面位于221采区,区内共含外连及内连两层煤;“N2215”工作面煤层倾角22~29°(平均25°),平均煤层厚度0.76 m;平均走向长430 m,平均倾斜长110 m,倾斜面积32681; 
  (2)煤层顶底板特征 
  “N2215”工作面直接顶平均厚度1.57 m,细砂岩、泥质砂岩,层理、节理发育;基本顶平均厚度17 m,为灰色中粒砂岩,质坚硬,含较多黑色矿物;直接底平均厚度13.97 m,灰色砂质泥岩、层理节理发育;基本底平均厚度47 m,灰白色厚层状中粒砂岩,含较多白云母碎片,层理、节理发育。 
  (3)水文地质情况 
  “N2215”工作面上为“W2215”工作面,由于外连煤层已回采,对顶板有一定的破坏,但由于两层层间距较大,在回采过程有较少淋水现象,工作面采空区积水经工作面排水沟或排水管路排至大巷水沟后自排流出地面。 
  4.2 工作面巷道布置 
  斌郎煤矿薄煤层炮采工作面机械化装煤项目从2012年3月开始进行可行性研究。 
  “N2215”工作面机、风巷巷道断面均为梯形,不破煤层顶板,巷道宽2600 mm;下帮高2100 mm,机、风巷均设置毛水沟,毛水沟尺寸为300 mm×300 mm,采用锚网支护,间、排距800 mm(中对中),巷道净断面面积6.2 m2。 
  工作面回采期间前期运输通过“N2215”机巷DTL-650型胶带输送机运至“N2215”转运巷后,通过联络巷SGW-40T型刮板输送机运送至221采区煤仓;
  “N2215”开切眼采用二次成巷技术,第一次成巷断面巷宽2600 mm,巷高760 mm,工作面铲装安装时再对开切眼断面进行扩刷,扩刷后总体巷宽3800 mm。 
  4.3 现场工业试验组织 
  4.3.1 现场试验组织领导 
  为了抓好试验工作面,及时解决试验中存在的问题,由达竹公司、斌郎煤矿联合成了试验工作领导小组,全面负责协调、落实、督促检查和解决“N2215”工作面回采过程中存在的各种困难和问题,确保各项工作安全顺利完成。 
  4.3.2 设备安装 
  “N2215”工作面先对开切眼进行扩刷,再对铲装设备进行安装。开切巷采用爆破法扩巷,原切眼支护方式不变,只将巷宽扩至3800 mm,工作面于3月12日进场开始设备安装,3月16日安装工作结束,3月17日组织进行设备调试 
  4.3.3 采煤方法 
  “N2215”工作面采用走向长壁采煤法,使用爆破落煤,一采一准,工作面采高为煤层厚度,不破煤层顶底板。平均采高按0.8 m。 
  4.3.4 落煤方式 
  “N2215”工作面采用爆破落煤。炮眼采用“三花眼”布置,眼距1.2 m,炮眼垂直深度1.4 m。炮眼利用率86%。 
  4.3.5 循环进度 
  工作面炮眼眼深1.4 m,循环进度1.2 m,工作面铲装机推移步距均为0.6 m。两次进行推移,确保循环进度,放顶步距为1.2 m(如图2)。 
  4.3.6 装煤方式 
  “N2215”工作面采用SGB-530/55可弯曲刮板输送机和铲煤板整体推进装煤,铲煤、装煤时分两次进行,每次向前推移刮板输送机距离0.6 m。第一次推进后在刮板输送机靠采空区侧支设支柱。第二次将刮板输送机推进到位,推刮板输送机时由机头向机尾一次推进(如图3)。 
  4.3.7 运煤方式 
  “N2215”工作面使用SGB-530/55可弯曲刮板输送机,机巷使用SGB-40T型刮板输送机和DTL-650型胶带输送机,机巷转运通过联络巷SGW-40T型刮板输送机运送至221采区煤仓,通过装车站装煤后大巷通过机车运至地面。 
  4.4 试验生产情况 
  4.4.1 第一阶段工业性试生产情况 
  N2215工作面2013年3月开始试生产,工作面铲装装煤效果不理想,试生产初期由于对设备性能掌握不熟练,设备制造工艺需在生产中逐步改进和完善;6月份设备影响正常生产时间较多,当班挡煤效果不理想,职工人工攉煤时间无明显缩减;7月试生产过程中墩柱不能满足采高的变化,推溜缸没得理想的受力点。推溜装煤无法实现。及时将其更换成单体液压支柱,经过试验,单体液压支柱能满足推溜缸铲煤时的作用力;8月试生产过程中由于挡煤板采用钢板加皮带进行挡煤,将制作好的挡煤板固定在刮板输送机上,这样的挡煤设施在使用过程中,一是当冲击力较大时,钢板容易变形,现场整改难度大;二是采高变化后挡板无法有效使用。9月份采用高分子材料制作的板材,将每块挡煤板制作成两块,便于调节采高变化,同时将高分子材料的挡煤板表面均匀钻一定数量的孔,来缓解冲击波的冲击。将制作好的挡煤板用挂钩与单体支柱进行连接后,夹固在刮板输送机与单体之间进行挡煤。全月生产过程中职工霍煤量减少、循环作业时间大大降低。2013年9月23日试生产顺利。 
  4.4.2 试生产中“铲装”出现的主问题略。 
  4.4.3 “铲装”技术改进研究 
  针对试生产中“机装技术”存在的主问题,课题组及时进行改进边试验生产、边技术改进研究,主改进情况如下 
  (1)为了杜绝煤炭大量冲击到老塘方,就必须采取有效的挡煤装置。第一次采用木材就行挡煤,将木材按照工作面的采高制作好,固定在刮板机和单体支柱之间,从而来挡住放炮冲击的煤炭,但是在使用过程中,一是木材难以承受较大的冲击力,损坏严重,更换频繁,同时作业人员在操作过程中难度很大,使用效果较差。第二次采用钢板加皮带进行挡煤,就是将皮带固定在钢板上,制作成采高需宽度的挡煤板,将制作好的挡煤板固定在刮板输送机上,这样的挡煤设施在使用过程中,一是当冲击力较大时,钢板容易变形,现场整改难度大;二是每次放炮装煤结束打眼时,必须将挡煤板取下才能操作,在二次放炮时又安装到位,同时在工作面运输支护材料是也拆安挡煤板,这样的操作方式对作业人员的劳动强度和作业时间消耗较大;三是由于工作面的采高变化大,随时对挡煤板进行更换。 
  针对以上两次改进体现出的效果,决定第三次对挡煤板进行改进,就是按照工作面采高变化范围,外购高分子材料制作的板材,将每块挡煤板制作成两块,便于调节采高变化,同时将高分子材料的挡煤板表面均匀钻一定数量的孔,来缓解冲击波的冲击。将制作好的挡煤板用挂钩与单体支柱进行连接后,夹固在刮板输送机与单体之间进行挡煤。这样的改进后,一是在移动挡煤板时很方便,直接将挂钩取下即可,二是挡煤板不易损坏,三是可以随着工作面高度变化进行自由调节。 
  (2)由于采高变化较大,原来的墩柱满足不了调节高度求范围,于是对原有的墩柱进行改换成单体支柱,同时对墩柱与推移缸连接的连接块进行了同步改进,这样一来,无论工作面怎样变化,只更换单体支柱就可以进行解决。 
  (3)以前3 m一组控制阀进行控制,在操作过程中,每处操控点都需一个人进行操控,这样用工用时较多,同时不便于统一协调指挥,为了集中控制,结合现场实际情况和条件,将原有的3 m一组操控装置改为9 m一组,将原有分开控制的三片控制阀集中在一片控制阀上进行操作,也就是一片控制阀可以同时操控三个推移千斤顶。这样一来,一是减少了操作人员,二是便于集中操控,三是可以节约80个操作阀。 
  4.5 改进研究后的试验效果 
  2013年9月全矿生产时间29 d,N2215工作面工生产29个循环,安全推进34.8 m,平均每个循环完成时间为16 h。采空区洒落的浮煤较少,煤炭回收率在95﹪以上。每循环节约霍煤工11人;同时工人不再进入煤壁侧进行人工霍煤,从根本上杜绝了空顶作业的违章行为的发生,大大增加了薄煤层炮采工作面的安全系数。
  5 项目经济社会安全效益分析 
  5.1 “N2215”工作面经济效益分析 
  N2215工作面,倾向长110 m,走向长430 m,煤层平均厚0.8 m。 
  将炮采人工霍煤与炮采机械装煤单产进行比较,平均每月按29 d进行计算。 
  炮采人工霍煤单产计算 
  炮采人工霍煤单产=循环产量×循环个数 
  =0.8×110×1.2×1.35×97%×29 
  ≈4010 t 
  炮采机械霍煤单产计算 
  炮采机装单产=循环产量×循环个数 
  =0.8×110×1.2×1.35×97%×44 
  ≈6084 t 
  炮采机械化装煤根据《作业循环图表》组织施工,可以两天施工3个循环,全月施工44个循环。该项目仅在N2215工作面可安全实现单产6084 t。比原人工霍煤产量提高51%。但是由于一线职工缺乏,不能有效组织3个循环的职工队伍。该项目可实现预定的经济效益目标。 
  经过比较分析,炮采集装单产高于人工霍煤2074 t,价按300元计算,全月含成本为增长62.22万元。 
  N2215工作面月单产人工成本156×2074=323544元 
  N2215工作面材料成本20.8×2074=43139元 
  N2215工作面煤炭运输成本15.13元/吨×0.7×2074=21966元 
  N2215工作面管理费用12000元(含群监员、安全员、对干) 
  工作面增长2074 t,成本合计为400649元。该项目在N2215工作面实现月利润26.15万元,该工作面回采结束实现利润209万元。项目具有较好的经济效益。 
  5.2 社会安全效益分析 
  (1)“炮采工作面机械化装煤技术研究”项目从2013年4月至2013年11月生产期间,工作面共安全推进280 m,累计原煤产量32000 t。期间该工作面无顶板事故、机运等事故发生。在安全上杜绝了轻伤及其以上事故。在炮采工作面打造本质安全方面奠定坚实基础。 
  (2)炮采机装的实施,减少了工作面攉煤工艺,每天可以节约11名攉煤工,除以0.69的替休系数,每天可以减少在册采煤攉煤工15.9人。可实现工作面减少用工15人的预定目标。 
  (3)“炮采工作面机械化装煤技术的研究”改进炮采工作面的新装备,是一次有益的大胆尝试,丰富了集团公司炮采工艺,为同类型煤层的开采提供了可借鉴的技术经验。对推动我国煤炭科技进步也有一定意义。提高了矿产资源回收率,缓解了矿区职工劳动就业率和可促进矿区稳定持续发展。 
  (4)当前,我矿薄煤层开采面临人员老化,一线员工普遍缺乏。能够安心留在采掘一线的人更是少之又少。随着国家对煤矿推行自动化、机械化、信息化、安全质量标准化建设的求出台,使得提高采掘机械化程度,减员增效已成为煤矿发展必经之路。该项目的成功试验,对我矿的“四化”建设奠定坚实基础。 
  综上所述,本项目在安全、改善劳动条件和提高煤炭资源回收率、促进地方经济协调发展、发展我国煤炭工业等方面都具有明显作用,项目的社会效益很好。 
  5.3 项目推广应用前景 
  我国西南片区的煤层赋存条件较差,薄煤层资源丰富,分面广泛。四川省薄煤层储量占可采储量的60%,该项目研究成功对省内无法实现机械化开采的矿井,提高其矿井工作面单产、做到本质安全、降低职工劳动强度将起到重的示范作用,推广前景十分广泛。 
  6 主研究工作结论 
  6.1 炮采工作面机械化装煤技术适应范围 
  通过工业性试验和现场实际应用,我们认为炮采工作面机械化装煤技术适应范围广,对那些不适应机械化开采的,用刮板输送机运输的炮采工作面均能适应,当然对地板坚硬光滑的炮采工作面更能应用自如。 
  6.2 项目结论 
  研究应用炮采机装工艺采煤,取消了人工攉煤这一生产环节和工序,大大降低了职工的劳动强度,职工不再到煤壁进行攉煤作业,避免了因片帮或顶板垮落伤人事故的发生,保证了安全生产。同时缩短了攉煤工序的作业时间,提高了功效和工作面单产能力,为薄煤层机械化探索出了一条新的路子。该项目改变了炮采工作面采用传统的人工攉煤工艺,实现了减人提效的目标,降低了吨煤生产成本,其经济效益较为明显。 
  参考文献 
  1 煤矿安全规程M.北京煤炭工业出版社,2011. 
  2 煤矿开采学M.徐州中国矿业大学出版社,2003. 
  3 矿上压力测控技术M.徐州中国矿业大学出版社,2002. 
  4 SGB520/55型铲装刮板运输机说明书S.山东矿机.