补连塔补连塔煤矿1200万ta综采工作面生产技术研究报告1200万ta综采工作面生产技术研究报告.docx
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补连塔补连塔煤矿1200万ta综采工作面生产技术研究报告1200万ta综采工作面生产技术研究报告
神东煤炭公司补连塔煤矿
1200万t/a综采工作面
生产技术研究报告
神东煤炭公司
二〇〇四年九月九日
参与研究人员
序号
姓名
职称
单位职务
1
王金力
高级工程师
神东公司董事长
2
王安
高级工程师
神东公司总经理
3
翟桂武
高级工程师
神东公司副总经理
4
张子飞
高级工程师
神东公司副总经理
5
伊茂盛
高级工程师
神东公司总工程师
6
赵永峰
高级工程师
神东公司副总工程师
7
马茂盛
高级工程师
神东公司副总工程师
8
王继生
高级工程师
神东公司副总工程师
9
雷亚军
高级工程师
神东公司补连塔煤矿矿长
10
杨鹏
高级工程师
神东公司补连塔煤矿副矿长
11
罗文
高级工程师
神东公司补连塔煤矿总工程师
12
田银素
高级工程师
神东公司补连塔煤矿生产办主任
摘要
本报告是在充分调查分析国内外综采技术及装备的基础上，针对神东矿区煤层开采条件、目前神东矿区生产技术现状和发展前景提出来的。
旨在通过研究综采工作面的先进生产技术，进一步提高综采工作面单产，从而达到提高生产效率、经济效益及资源回收率的目的。
报告对1200万t/a综采工作面基本参数、浅埋煤层大采高工作面岩层控制技术、综采工作面设备选型与配套、综采工作面回采工艺、巷道布置及支护以及生产过程中相关技术进行了初步研究和探讨，对1200万t/a综采工作面技术经济效益作了初步分析。
随着补连塔煤矿2003-2004年2000万t改扩建工程建设的实施，矿井各系统能力进一步增大，为1200万t/a综采工作面生产打下了良好的基础，提供了可靠的保障。
研究分析结果表明：
（1）目前国际上先进综采设备生产能力可以满足1200万t/a综采工作面的需要。
（2）工作面长度300m，工作面推进长度6000m，工作面采高5.5m，采用“四、六”工作制，工作面日循环23刀，出煤量40441t/日，年产量约为1213万t。
（3）具有明显的经济效益和社会效益。
工作面长度300m、工作面推进长度6000m、工作面采高5.5m的高产综采工作面，和目前工作面长度240m、工作面推进长度5000m、工作面采高4.5m的普通综采工作面比较，工作面万吨掘进率降低44.24%，每年巷道掘进费可节省资金648万元；煤炭资源回收率较现有工作面提高22%，仅一个工作面可多出煤232.2万t；工作面工效由518.5t/工提高到769.2/工，提高了48.35%；工作面主要费用吨煤成本降低9.7%，吨煤降低成本1.53元，年生产成本节约1836万元；工作面年生产能力增大了400万t，吨煤销售利润按60元计算，可增加利润2.4亿元人民币。
1报告研究的意义和内容
1.1国内外高产高效工作面技术概况
为考证国外高产高效大采高、长距离、自动化综采工作面发展情况，神东公司组团考察了德国DSK公司AugusteVictoria煤矿435米长的综采工作面，南非MATLA二矿6m大采高综采工作面，澳大利亚NEWLANDS矿自动化综采工作面的装备水平配套能力、工艺选择、劳动组织、安全管理、自动化程度、以及矿井系统能力的配套。
通过对三矿的考察，反映出神东矿区设备配套的局限性、单一性，国外大采高、长距离、自动化综采工作面的发展已经超过了神东矿区的水平。
国外高产高效综采工作面长度达到435m，最大采高已达6m，综采工作面实现了自动化控制。
在综采设备方面，采煤机装机功率超过2000kW,牵引速度平均为15-21m/min,生产能力达到75t/min。
同时，采煤机均装备了以微机为核心的电控系统，采用先进的信息处理和传感技术，对采煤机的运行工况及各种技术参数、信息进行采集、处理、显示、储存和传输，通过编程对采煤机牵引速度进行自我调节，对截割电动机的功率进行自我平衡，对机械故障进行自我查询诊断。
针对大采高综采工作面，在煤机上设了防片帮液压装置，对司机进行保护，针对工作面煤层倾角，采煤机滑靴采用液压可调式装置，由电脑进行控制，以适应综采工作面横纵向坡度要求。
液压支架工作阻力已达到10280kN,支撑高度达到6m,具备双向自动顺序和成组顺序控制，支架支护强度高，工作阻力大，稳定性好，大大减轻了工人的劳动强度，改善了生产条件。
刮板运输机长度已超过450m，通过改变运输机溜槽结构增大其使用寿命，链条技术取得了长足进步，运输机采用CST驱动和离合保护系统，装机功率已达到3×1000kW，大幅度提高了输送能力和设备的可靠性。
工作面顺槽采用长距离、大功率、大运量可伸缩胶带输送机，多点驱动长度可达6000m，运输能力达到4000t/h。
采用CST软起动装置，实现了自动顺序开停机、全机分段通讯和紧急停机等技术。
工作面电气设备采用高电压、大容量的组合式自动调节控制开关，装备功能齐全的工况参数监控系统，移动变电站容量已超过6000kVA。
1.2研究1200万t/a综采工作面的意义
根据神东公司的发展规划，2005年全公司的生产能力将达到1亿t，到2010年将达到1.4亿t，2020年将达到2亿t。
神东公司建设高产高效矿井取得了重大突破，从根本上改变了煤炭行业低效率、低效益的局面，实现了由劳动密集型向资本密集型的转变，千万吨的矿井群初步形成，就神东公司的现状和发展而言，还有很大的潜力可挖，要突破2亿t产量，需要做大量的生产技术和装备方面的研究，来提高生产水平，实现规模经营。
神东矿区开采条件优越，地质构造简单，特别适合于大规模开采，现在开采的补连塔煤矿2-2煤，上湾煤矿1-2煤、2-2煤，即将开采的大柳塔、活鸡兔5-2煤以及西部矿区的煤层厚度均在6m以上，目前的装备水平开采特厚煤层一次性采全高资源浪费严重，而且给矿区后期防灭火留下了潜在的隐患。
以补连塔煤矿二盘区2-2煤32201综采工作面为例，该工作面煤层平均厚度6.5m，工作面使用采高为5m的液压支架，平均采高4.5m，工作面回采率仅为69.2%，如果使用6m采高的液压支架，平均采高5.5m，工作面回采率可达到84.6%，仅32201工作面可多采出煤炭102万t，如果补连塔新井田2-2煤全采用6m大采高支架回采，可多采出煤炭1.3亿t。
所以研究和发展大采高综采工作面已经迫在眉睫。
上湾煤矿是神东矿区第一个使用5.5m大采高综采设备的矿井，该工作面2003年10月份投产，2004年1~9月份平均月产95万t以上，已经达到年产1000万吨的水平，目前是神东矿区产量最大的综采工作面，上湾煤矿采用5.5m大采高综采设备的成功经验，除了和上湾煤矿强化管理有关外，还与合理的设备配套有很大的关系，由于采高的加大，设备功率的增加（采煤机功率1815KW，刮板运输机功率3×700KW），实现了综采工作面产量的大幅度提高。
上湾煤矿5.5m大采高综采工作面设备的成功使用，是神东矿区综采设备向大采高迈进的一次重大突破，为今后神东矿区大采高综采工作面的发展提供了有力的依据。
研究大采高超长工作面的生产技术和装备水平，来提高回收率以取得高效率、高效益、低成本的经济效果，对神东公司可持续发展具有重要的价值。
另外根据国外同等条件矿井的大采高工作面情况来看，设备配套上采用世界先进的大采高综采工作面设备，取得了非常好的经济效益。
1200万t/a综采工作面生产技术代表了国内外煤矿生产技术最新的发展方向，它是矿井系统能力配套、工作面工艺合理选择、工序合理匹配、生产安全保障及科学管理等方面的综合结果，是矿井综合科技水平提高的具体体现。
以工作面设备合理配套及工艺参数优化为核心，将采场矿压控制，巷道支护及矿井运输等相关技术进行综合配套研究，将有力地推动煤矿集约化生产技术发展，通过进一步提高工作面单产，加快高产高效矿井建设，以更低成本迎接市场挑战，在激烈的市场竞争中求生存、求发展。
该报告的研究对神东矿区厚煤层的开采具有重要价值。
1.3主要研究的内容
（1）1200万t/a综采工作面技术参数确定；
（2）大采高综采工作面采场的矿压显现特点：
包括矿压显现规律、顶板破断运动规律、顶板破断运动对支架的作用、支架对围岩控制及支架工作阻力的确定；
（3）1200万t/a综采工作面设备选型及配套；
（4）1200万t/a综采工作面采煤方法；
（5）1200万t/a综采工作面其它相关技术；
（6）1200万t/a综采工作面经济效益分析。
2补连塔煤矿开采现状及条件
2.1井田境界及储量
1999年7月神东公司矿区总体规划对补连塔井田范围作了合理扩大。
将原井田西界接壤的呼和乌素井田全部（76.84km2）、尔林兔井田一部分（16.8km2）以及原井田南界接壤的上湾煤矿一部分（2.4km2）划归为补连塔煤矿井田范围。
扩大后补连塔新井田南北走向长6.31—14.4km，东西倾斜长6—14km，面积130.9km2，地质储量21.2亿t，工业储量20.6亿t，可采储量为13.5亿t，井田主要煤层可采储量情况见表2—1。
表2—1补连塔矿井田主要煤层可采储量表单位：
亿t
煤层编号
1-2
2-2
3-1
合计
原井田
1.3
2
1
4.3
新井田
4
6.5
3
13.5
2.2煤层赋存特征
补连塔井田地质构造简单，无大的断层和褶曲，煤层赋存条件优越。
主要可采煤层厚度大、倾角缓、层位稳定、储量丰富，煤层瓦斯含量低（0—0.19m3/t），矿井水文地质条件简单、涌水量小（150m3/h左右），煤层埋藏浅、顶底板较稳定，易于管理，煤层属于中硬以上，韧性较好。
煤的燃点低（300℃左右）,属于易自燃发火煤层，煤尘具有爆炸性。
井田内含煤地层为中生界侏罗系中下统延安组（J1-2y），煤系地层总厚187.3m，含煤系数10%，共含有煤层14层，主要可采煤层为三层：
1-2煤层平均厚度5.03m；2-2煤层平均厚度6.75m；3-1煤层平均厚度3.16m。
井田地形总趋势为北部高南部低，东部高西部低，平均海拔标高+1170m—+1125m之间，最低点为白石头沟。
井田地表覆盖第四系松散层，厚度5—50m，平均20m左右，并呈东厚西薄、北厚南薄变化。
1-2煤层上覆基岩厚度10—180m，且从井田东部向井田西部逐渐增厚变化。
1-2煤层与2-2煤层的层间距为36m，2-2煤层与3-1煤层层间距为30m。
井田内煤质变化规律为：
水平方向从东向西、从北向南煤质逐渐变优，垂直方向从上到下煤质逐渐变优。
补连塔矿井田主要采煤层煤质指标情况见表2—2。
2.3矿井生产建设概况
补连塔煤矿原设计生产能力300万t／a，1997年10月16日建成投产。
1998年矿井进行了技术改造，现矿井实际生产能力1000万t/a，2003-2004年又对矿井系统能力进一步改造，改造后矿井系统生产能力可达2000万t。
2.3.1井下生产建设情况
（1）井田开拓方式
补连塔煤矿经矿井技术改造后，构成了平硐—斜井开拓方
式。
表2—2补连塔矿井田主要煤层煤质指标情况
煤层
项目
1-2
2-2
3-1
水分（Mad）
7.70%
6.91%
6.95%
灰分（Ad）
8.67%
7.11%
5.97%
含硫量（Std）
0.68%
0.31%
0.39%
发热量（Qb,daf）
28.66MJ/kg
29.45MJ/kg
30.60MJ/kg
6853.84kcard/kg
7042.76kcard/kg
7317.77kcard/kg
挥发分（Vdaf）
32.61%
36.44%
35.68%
发热量（Qnet,d）
27.99MJ/kg
28.20MJ/kg
29.62MJ/kg
6693.61kcard/kg
6743.83kcard/kg
7083.41kcard/kg
氧化钙（Cao）
21.13%
31.59%
16.64%
煤灰熔融性（℃）
1090—1490
1080—1500
1090—1420
软化温度（ST）
1290
1290
1258
熔点（℃）
290
302
297
焦油产率（Tar,d）
5.1
7.5
8.6
矿井划分两个开采水平：
2-2煤层及以上为上煤组，划为第一水平。
2-1煤层以下为下煤组，划为第二水平。
大巷采用分煤层盘区布置方式，主要巷道均为煤层巷道，一水平采用联合布置。
附：
补连塔煤矿新井田开拓系统图
（2）工作面开采情况
补连塔煤矿从1997年投产以来，首采工作面为2211综采工作面，工作面布置在1-2煤层二采区，采用走向长壁开采。
其余
已采的五个工作面31301、31302、31303、31304、31305均布置在1-2煤层三采区，采用倾斜长壁布置方式；2-2煤二盘区布置六个工作面，全部为走向长壁布置方式。
2.3.2主要生产系统
（1）运输系统
矿井主要运输方式采用胶带输送机运输，旧主井系统现已改造，其运输能力增大到2500t/h；新主井系统已经于2004年5月份正式投入使用，其运输能力为3500t/h，年通过能力增大为2000万t以上。
辅助运输方式采用无轨胶轮车运输，辅助运输能力满足综采工作面大型设备运输要求。
2004年年底铁路的运输、装车能力将达到2000万t/a。
（2）矿井通风能力
改扩建后，矿井采用中央抽出式通风系统。
南进风井、南回风井全部改为回风井，主扇更换为型号FBCDZNO38/800*2的对旋轴流式风机，电机功率为2×800KW，叶片角为9°时，风量16800m3/min。
叶片角为11°时，风量可达19200m3/min。
矿井通风能力可以满足2000万t/a矿井生产能力的风量要求。
（3）供电系统
矿井有两路双回路供电系统，其中一路供电电源双回路取自大柳塔110kVA区域变电站的35kV母线。
供给工业广场35kV变电站，变电站内设有三台8000kVA变压器。
另一双回路电源取自松定霍洛110kV区域变电站供给南风井35kV变电站，内设有2台5000kVA变压器。
工业广场35kV变电站与南风井35kV变电站之间以185mm2联络导线连接。
矿井井下生产采区供电方式采用地面35kV箱式移动变电站，直接向井下6kV供电。
采区变电所直接将6kV供给综采工作面和连采工作面的移动变电站。
（4）地面洗选厂建设情况
补连塔矿洗选厂原设计能力400万t/a，2001年达到600万t/a。
2002年2月，经过原煤旁路直通系统的改造，实际能力达到1500万t/a，2004年2000万t工程洗选厂扩建后过煤能力可达2000万t/a。
31200万t/a综采工作面基本参数的确定
3.1工作面长度的确定
工作面长度的确定受有多种因素的影响，它与煤层赋存条件、设备能力和工作面技术管理水平有关。
针对补连塔矿的具体条件，结合国内外现状，为了实现工作面年产1200万t，确定工作面长度为300m。
3.2工作面推进长度的确定
根据矿井具体条件、设备的型式和目前本矿井开采技术水平，考虑到巷道的掘进、维护、通风、运输、供电等问题，在对工作面自燃发火采取相应技术措施后，结合设备大修周期，工作面推进长度取6000m。
3.3工作面开采高度的确定
工作面开采高度的增大，可以相应提高工作面的产量和回采率，工作面采高确定除应满足工作面通风、设备、材料、人员的运送和工作面搬迁要求外，还应考虑设备可靠性和围岩的稳定性。
采高越大，煤壁越易发生片帮，对顶板稳定性要求越高。
综合考虑煤层赋存状况和引进国外配套综采设备，确定工作面采高5.5m。
3.4工作面年产量及年推进度
（1）工作面日推进度
按工作面日产40000t计算，工作面日进度为：
S=
，m
式中：
S—工作面日进度，m；
Q—工作面日产量，40000t；
L—工作面长度，300m；
m—采高，5.5m；
r—煤体容重，1.29t/m3；
所以
S=
=18.79，m
工作面循环进尺为0.85m，日循环数n为：
n=
=22.1，取n=23
工作面日推进度为19m。
（2）工作面日产量
Qg=S×h1×Lg×r，t/d
式中：
Qg—工作面日产量，t/d；
S—工作面日进度，19m；
h1—采煤机割煤高度，5.5m；
Lg—工作面长度，300m；
r—煤体容重，1.29t/m3；
则：
Qg=19×5.5×300×1.29=40441.5，t/d
（3）工作面月产量、年产量及年推进度
工作面月工作日数按25d计，则工作面月产量为1011037t，年产量为1213万t。
月进度为475m，年推进度为5700m。
4浅埋煤层大采高岩层控制
4.1浅埋煤层顶板破断运动规律分析
4.1.1关于浅埋煤层老顶的破断运动特征
在浅埋煤层条件下，老顶稳定运动阶段与一般开采条件下老顶悬露后的离层运动不同，如只有一层（层组）坚硬岩层组成的老定时，老顶岩层之上的泥岩层、风化层、松散层随着老顶变形运动而作为较重的载荷层而运动，而不是离层运动，表现为重载荷作用的整体下沉运动。
在有两层（组）老顶的条件下，下位老顶可能产生离层运动，但第二层老顶受上覆重载荷的作用下整体下沉，这样它又作为载荷层作用于第一组老顶之上，形成第一组老顶的整体下沉。
老顶破坏发展阶段类似一般开采条件下的破坏发展情况，其破断线位于煤壁内部。
当工作面推至极限垮落步距时，在上覆重载荷的作用下，以剪切破断为主。
当无主动支护或主动支护小时，在煤壁线附近发生切落，当主动支护达到一定值时，在支架上方产生拉断裂隙，在重载荷的作用下，在架后二次切落，可称为剪切后运动。
浅埋煤层由于覆盖层的作用，形成不成稳定的砌体结构，只能形成暂时的平衡结构，失稳运动表现为基岩全厚度整体台阶切落，这是浅埋煤层矿压显现强烈的主要原因，切落后的沉陷运动过程对采场矿显现及支架—围岩相互作用关系有重要的影响。
需要指出的是，基岩全厚度切落并不等于全厚度整体沉陷。
从矿压观测表明基岩在沉陷过程中岩层间自下而上有一个滞后的过程，成为阻滞运动。
4.2采场支护结构分析
开采后上覆岩层形成“大结构”，而采场支护是包含于其中的小结构，支架的受力大小及其在回采工作面的分布规律不仅与支架性能有关，而且与围岩性质有关，及支架与围岩形成的整体特征有关，下面就从“支架—围岩”相互作用的机理来分析大采高浅埋煤层工作面采场的支护结构。
4.2.1顶板破断运动对支架的作用
补连塔煤矿的开采实践表明，老顶初次来压并不强烈，工作面液压支架只有中部部分支架安全阀开启，支架工作状态良好，对顶板能有效控制。
但是在工作面充分采动之后工作面矿山压力明显增大，每一次的周期来压有50％的支架阻力超过额定工作阻力，特别是大周期来压时支架急剧增阻，从30＃—110＃支架安全阀开启，顶板下沉速度快，下沉量较大，最大可达500mm，说明支架承受了相当大的顶板作用力。
4.2.2支架对围岩控制作用分析
在“支架—围岩”关系中，围岩赋存的地质和力学特征是矛盾的主要方面，一定的赋存条件和开采条件，采场的围岩破坏是给定的，但是在破坏给定的条件下，选择合理的支护手段和参数则可能控制破断岩层的运动，以至于控制部分破坏过程。
下面就结合补连塔煤矿的实际情况分析如下：
（1）ZY6000—2.5/5.0液压支架使用情况
31301工作面于1999年元月份投产，可采储量360万t，本工作面使用北京煤机厂ZY6000—2.5/5.0型液压支架和JOY公司的采煤机、刮板机、转载机以及国外配套的电气设备。
随着采高的增大、矿山压力的增加，出现了支架大脚和掩护梁损坏事故，严重影响了工作面的生产能力。
支架的大脚和掩护梁开焊断裂的原因除与支架的设计、工艺、材质等有关外，很重要的原因是与支护强度小有关。
补连塔煤矿31301工作面支架初撑力为5048kN，工作阻力为6000kN，工作面初次来压后，工作面压力明显增大，即使非周期来压期间，仍有部分安全阀开启，在大周期来压时，40—120＃支架安全阀普遍卸载，中部煤壁片帮严重，深度达1m，活柱下沉量大，最大为700mm，支架基本是在恒阻特性下工作，说明支架工作阻力偏小，不能有效控制顶板的破断运动。
（2）DBT8600—2.4/5.0液压支架使用情况
31303工作面使用DBT8600—2.4/5.0大采高液压支架，初撑力为5873.8KN，工作阻力为8638KN，该支架在回采过程中存在一定程度的倾倒问题，但对生产没有大的影响，由于支架选型合理，能有效地控制顶板的破断运动，目前该支架采出煤量已达到2000万t。
4.3液压支架工作阻力确定
分析三盘区的综合柱状图，已知老顶有两组关键层，其厚度分别为：
、
，基岩容重为
，上下两组关键层的载荷厚度分别为10m、30.43m,小周期来压步距为10-13.5m,平均12.5m；大周期来压步距为35m左右。
将来设计采高为6m；支架宽度为1.75m；控顶距为4.05m；直接顶厚度
；两柱掩护支架支护效率
；支架控制小周期来压的工作阻力，按“台阶岩梁”结构进行计算：
当小周期来压时，下位关键层破坏运动，其关键层的最大回转角度为：
。
取岩石碎胀系数
，经计算
。
根据补连塔煤矿矿体开采条件，取沙质泥岩载荷层参数
，则
。
则载荷传递系数：
。
周期来压期间取
，求得
。
将相关参数代入（4—20）可得控制小周期来压时的支护阻力为：
。
当上部关键层破断运动时，滑落失稳时表现为大周期来压，对下位岩层有一定的传递作用，其作用力为
则：
取传递系数
，求得
。
将
代入（4—19）式，求得控制大周期来压的最小工作阻力为：
取支护效率0.95，所以合理的工作阻力为：
，kN
所以支架的理想阻力为11000kN。
5综采工作面设备选型与配套
综采工作面成套设备主要由液压支架、采煤机、刮板输送机、转载机、破碎机、胶带输送机及工作面供电、供液设备等组成，这些设备的正确选型及合理配套，是充分发挥设备生产效能，达到高产高效的前提。
设备选型着重考虑设备的生产能力、主要技术指标、适应性、可靠性、安全性、经济性、配套性等因素。
5.1采煤机选型
5.1.1采煤机选型的原则
影响采煤机选型的主要因素包括煤层的力学特性、煤层厚度和倾角、工作面生产能力等，因此采煤机选型以采煤机对工作面地质条件的适应性，以及采煤机的实际生产能力作为主要考虑因素，同时兼顾设备的配套性、经济性与可靠性。
主要选型原则：
（1）采煤机的生产能力大于工作面设计生产能力。
（2）主要技术性能满足工作面顶底板岩层特性和煤层的力学特性。
（3）整机大修周期的过煤量应大于工作面的可采储量。
（4）采煤机与液压支架、刮板输送机之间必须具备良好的配套关系，这主要指采煤机的滚筒截深、机面高度、卧底量、牵引方式等技术指标，以及采煤机与刮板输送机之间的过煤空间，采煤机与工作面两端头设备的配套性等。
5.1.2采煤机的技术参数确定
（1）采煤机牵引速度确定
根据计算结果,1200万t/a工作面日循环数n为23,采用“四六制”作业方式，即三个班出煤，一个班准备、检修，采煤机每个循环的平均作业时间为:
t=3×T×60/n=3×6×60/23=46.96,min
式中：
T—每个采煤班工作时间，h；
t—采煤机每个循环的作业时间，h。
采煤机截煤时的平均牵引速度按下式计算:
V=（L+2L1）/（t-t1
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