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1、安全高效礦井開采技術,安全高效礦井開采技術,1 安全高效礦井發(fā)展概況,1 安全高效礦井發(fā)展概況,安全高效煤礦是指通過現(xiàn)代高新技術對傳統(tǒng)采煤技術進行改造，采用新的采煤工藝和新的技術裝備，運用新的控制監(jiān)測設施和新的科學管理技術及方法，在一定時期內(nèi)，礦井產(chǎn)量和效率等主要技術經(jīng)濟指標明顯高于同類礦井平均水平的礦井。安全高效礦井建設，是以安全高效礦井為樣板、作導向，以不同層次條件的礦井建設為主要內(nèi)容，充實內(nèi)涵、改進技術、加強管理，提高主要煤礦的技術經(jīng)濟效果，從而推進整個煤炭工業(yè)的發(fā)展。,1.1 國外安全高效開采技術概況,綜合機械化采煤是煤礦開采技術現(xiàn)代化的重要標志。20世紀80年代末以來，世界主要產(chǎn)煤國2、家安全高效綜采技術飛速發(fā)展，特別是美國、澳大利亞、德國、英國和南非發(fā)展最快，綜采工作面安全高效紀錄不斷刷新，綜采裝備新技術層出不窮,1.1.1 安全高效工作面綜采設備 安全高效綜采技術的核心是工作面綜采設備，近10年來，工作面三大配套設備-采煤機、刮板輸送機和液壓支架，在設計方法和結構上都有了重大發(fā)展，主要是提高設備生產(chǎn)能力和可靠性，改進操作性能。,1）采煤機,國外采煤機的技術特點和發(fā)展趨勢:(1)牽引方式采用電牽引 國外目前新開發(fā)的采煤機，特別是大功率采煤機基本上都是采用電牽引方式。(2)裝機總功率不斷增大 國外采煤機電機截割功率通常在40OkW以上，功率大的已達10OOkW;牽引電動機功率3、均在40kW以上，最大達到125kW;總裝機功率通常超過10OOkW，最高已達20OOkW以上，牽引速度普遍達到1525m/min，牽引力達到757kN以上。截深為100012OOmm，個別已達15OOmm。,(3)元部件可靠性大幅提高 為提高采煤機的可靠性，減小故障率，采煤機齒輪的設計壽命已提高到20OOh以上，軸承的壽命提高到300Oh以上。(4)交流變頻成為主流調(diào)速方式 由于交流變頻調(diào)速電牽引系統(tǒng)具有技術先進、可靠性高，維護管理簡單，價格低廉等特點，交流牽引成為今后電牽引來煤機的發(fā)展方向。采用2個變頻器分別拖動2臺牽引電機的牽引系統(tǒng)，這種一拖一的牽引系統(tǒng)也正被逐步采用，成為電牽引技術發(fā)展4、的又一個特點。,(5)無鏈牽引從銷軌向齒軌式發(fā)展 圓柱銷被齒軌所取代，寬度增大，節(jié)距由125mm增加到175mm,所傳遞的牽引力大大提高。(6)普遍采用中高壓供電 由于裝機功率大幅提高以及工作面的不斷加長(達到300m)，整個工作面供電容量超過50OOkW。新研制的大功率電牽引采煤機幾乎都采用中高電壓供電。主要供電等級有2300,3300,4160和5000V等。,(7)監(jiān)控保護系統(tǒng)的智能化 新型的電牽引來煤機具有建立在微處理機基礎上的智能監(jiān)控、監(jiān)測和保護系統(tǒng)，可實現(xiàn)交互式人機對話、遠近控制、無線電隨機遙控、工況監(jiān)測及狀態(tài)顯示、數(shù)據(jù)采集存儲及傳輸、故障診斷及預警、自動控制等多種功能，以保證采煤5、機具有最低的維修量和最高的利用率;并可實現(xiàn)采煤機滾筒沿工作面煤層自動調(diào)節(jié)采高等控制功能。,2)刮板輸送機 工作面刮板輸送機發(fā)展成為大功率、高強度、高可靠性的運輸設備。目前工作面刮板輸送機最大工作長度已達 335m,最大輸送能力達3500t/h，最大功率1412kW。使用壽命達到600120O萬t過煤量。采用軟啟動技術和故障診斷和工況監(jiān)測技術，可以連續(xù)監(jiān)測輸送機各部件的運行狀態(tài)，進行故障診斷和報警。,3)液壓支架 液壓支架近10年來主要的發(fā)展趨勢是向兩柱掩護式和四柱支撐掩護式架型發(fā)展，架型結構進一步完善，參數(shù)向高工作阻力、大中心距(1.75m、2m)發(fā)展;支架工作阻力大部分在70008000kN6、，最大的兩柱掩護式支架工作阻力達到9800kN，支架的耐久性試驗循環(huán)次數(shù)達50000次。支架的壽命達14年以上。,應用電液控制技術，采用電磁(或微電機)控制的先導閥，先進可靠的壓力和位移傳感器，靈活自由編程的微處理機技術，紅外遙感技術等現(xiàn)代科技成果，使液壓支架的動作自動連續(xù)迸行，移架速度大大提高，支架循環(huán)時間達到68s。配合采煤機的煤巖識別系統(tǒng)等先進技術，可實現(xiàn)工作面自動控制,1.1.2 美國長壁工作面設備與生產(chǎn)能力發(fā)展趨勢 在過去的十多年里，美國井工長壁生產(chǎn)煤礦的煤炭年產(chǎn)量迅速增加，礦井平均煤炭產(chǎn)量由131.4Mt/年增加到 172.7Mt/年，而礦井雇員卻從 26537人減少到16611人7、，長壁生產(chǎn)礦井個數(shù)由76個減少到53個，礦井生產(chǎn)效率由2.40t/人/小時增加到4.67t/人/小時。產(chǎn)量最高的長壁工作面年產(chǎn)量由1989年的4.4OMt/年增長到1999年的7.9OMt/年。,1)采煤機的生產(chǎn)能力 目前采煤機的截割速度一般在0.200.250m/s。一些新研制開發(fā)出來的采煤機的截割速度達到了0.40.6m/s。計算機系統(tǒng)的裝備，包括具備模擬功能和帶記憶功能的切割設備和采煤機設備，以及具備超前防護作用裝置的應用，使長壁工作面的生產(chǎn)能力和效率持續(xù)得到改善。安裝在采煤機上的計算機人工智能系統(tǒng)，可根據(jù)煤層地質(zhì)條件的實際變化情況，來自動地改變采煤機的運行狀態(tài)參數(shù)。,2)長壁工作面鎧裝8、輸送機 工作面鎧裝輸送機錨鏈的直徑也不斷增大。現(xiàn)階段，高產(chǎn)長壁工作面鎧裝轉送機溜槽寬度通常為1342mm，采用兩根直徑為42mm的錨鏈，總裝機功率222OkW。這種銷裝輸送機用于300m長的工作面，運輸量可達到5000t/h。,3)長壁工作面頂板支架 重型支架設計制造成二柱型，支架柱子的直徑也增加到40Omm以上。使用壽命要求能大于60000個生產(chǎn)循環(huán)，大型支架立柱的直徑在掩護支點到立柱柱窩間的中心距達到1.75m時，必須具有足夠的支護強度的要求。滿足采煤機的截割深度在大于100Omm條件下支撐力大幅度提高的要求。,4)盤區(qū)膠帶輸送機(或礦井主輸送機)美國大多數(shù)長壁開采煤礦使用的膠帶輸送機的寬9、度為 13721524mm。大多數(shù)采用長壁開采技術或連續(xù)采煤機開采的煤礦將寬度為1524mm膠帶輸送機作為標準設備，用作礦井的主輸送機。隨著長壁工作面設備生產(chǎn)能力的繼續(xù)加大，寬度為1829mm的膠帶輸送機有可能會成為礦井主輸送機的首選設備，盤區(qū)膠帶輸送機的輸送速度為3.6m/s，礦井主膠帶輸輸送機的輸送速度為5.1m/s。,就目前的情況看，美國煤礦長壁工作面生產(chǎn)效率和產(chǎn)量將繼續(xù)保持增加的趨勢。將來，長壁生產(chǎn)礦井的生產(chǎn)效率和產(chǎn)量增加的關鍵將主要取決于工作面設備系統(tǒng)性能的全面改善。因此，為與長壁工作面采煤設備的生產(chǎn)能力與效率相適應，必須提高工作面支護設備的支撐能力和可靠性。,5)美國20英里礦長壁10、工作面產(chǎn)量 美國塞浦路斯阿邁克斯礦物公司的20英里礦于1983投產(chǎn)，煤層頂?shù)装鍡l件很好，煤層的厚度在3m以上，1989年投資1200萬美元完成長壁工作面改造。初期長壁盤區(qū)長2743m、工作面長195m，1993年，該礦將長壁盤區(qū)及工作面長度分別加大至3353m和256m，1999年，長壁工作面長度達到305m。,20英里礦自1994年以來連續(xù)7次創(chuàng)造長壁工作面月產(chǎn)量最高的世界紀錄。1994年9月該礦長壁工作面創(chuàng)造的月產(chǎn)量是484843t。1997年6月月產(chǎn)量增加到908271t。20英里礦1999年的年產(chǎn)量達到820萬t，人班小時生產(chǎn)原煤8.07t。,1.1.3 世界先進采煤國家安全高效礦井地11、質(zhì)與采礦技術的主要特點 煤層賦存條件好，煤層絕大部分為水平煤層，以中厚煤層居多，并且煤層埋藏淺。絕大多數(shù)為單一長壁工作面綜采，多是一井一面，日產(chǎn)萬噸以上，年產(chǎn)200萬t以上，工作面效率15Ot/工以上，礦井全員效率30t/工以上。,廣泛采用大功率高效能重型成套綜采設備，設備可靠性高。采煤機總裝機功率最大已達153OkW，采高5m，大修周期2a，可采煤400萬t500萬t。工作面刮板輸送機裝機功率己達225OkW，槽寬達1.2m，最大輸送能力400Ot/h，過煤量600萬t/a以上，液壓支架最大工作阻力已達980OkN;采、裝、運和支護設備綜合開機率達90%以上。美國安全高效設備可用率達97%，12、采煤機大修間隔內(nèi)平均采煤量達320萬t，支架使用壽命一般在81Oa。平巷帶式輸送機裝機功率(24)X(250300)kW，并裝有中間驅動裝置，最大運輸能力達350Ot/h，鋪設長度20OOm以上。,工作面設備配套合理。美國綜采工作面刮板輸送機、轉載機、平巷帶式輸送機的生產(chǎn)能力一般大于采煤機最大生產(chǎn)能力的20%，為工作面穩(wěn)定高產(chǎn)創(chuàng)造條件。工作面上、下平巷多巷布置，掘進采用連續(xù)采煤機，支護使用錨桿或錨網(wǎng)聯(lián)合支護技術。礦井生產(chǎn)規(guī)模向大型化方向發(fā)展，礦井開拓方式、運輸和通風系統(tǒng)進一步合理化、簡單化，采區(qū)范圍進一步加大，以提高采區(qū)綜合生產(chǎn)能力。礦井生產(chǎn)強度、生產(chǎn)及安全狀況實現(xiàn)實時監(jiān)測監(jiān)控 輔助運輸多采用13、無軌膠輪車，實現(xiàn)工作面快速搬家。,1.2 我國安全高效開采技術現(xiàn)狀,1.2.1 我國安全高效煤礦的建設歷程 20世紀70年代，我國煤礦地下開采的礦井己經(jīng)形成了綜合機械化采煤、普通機械化采煤、鉆眼放炮采煤等并存的生產(chǎn)格局。但是單產(chǎn)均比較低，煤礦增產(chǎn)主要還是靠增面和增人。從1981年開始，提高采煤工作面單產(chǎn)和掘進工作面單進，在全國組織開展了等級采煤隊和掘進隊以及綜采隊年產(chǎn)百萬噸的活動，當年就有2個采煤隊達到年產(chǎn)百萬噸;1983年就有8個采煤隊達到年產(chǎn)百萬噸。與發(fā)達國家先進生產(chǎn)水平相比，我們的差距仍然很大。,原煤炭工業(yè)部在總結我國發(fā)展機械化采煤經(jīng)驗的基礎上，于1992年根據(jù)國內(nèi)外煤炭工業(yè)的形勢和我國14、煤礦現(xiàn)代化建設的經(jīng)驗和教訓，在邢臺礦務局召開了開展安全高效礦井建設座談會和工作會議。通過改造生產(chǎn)系統(tǒng)，大力采用新技術、新裝備、新工藝，快速建設安全高效煤礦。,1993年，首批建成了12個安全高效礦井，從1993年到2000年，我國累計建成安全高效煤礦礦井123處。我國安全高效煤礦的建設，有力地促進了工作面生產(chǎn)技術和裝備水平的提高，主要是采煤工作面裝備的更新升級，如加大功率、采用電牽引采煤機和電液閥液壓支架等技術，工作面單產(chǎn)水平和經(jīng)濟效益顯著提高。安全高效煤礦采用的主要采煤工藝，均是世界先進的采煤工藝。在123處礦井中，采用綜采(含綜放)工藝的礦井已達95處，占77.24%，部分煤礦的技術經(jīng)濟指15、標已接近或達到世界先進水平。,2005年，197處高產(chǎn)高效礦井生產(chǎn)原煤63517萬噸，占全國原煤生產(chǎn)總量28.99%，平均單井產(chǎn)量322萬噸，平均原煤工效17.543噸/工，平均每礦盈利1.58億元，百萬噸死亡率為0.045,其它各項技術經(jīng)濟指標也都接近或達到世界先進水平。,1.2.2 依靠科技進步建設安全高效礦井（1）我國對綜采放頂煤開采進行了比較深入的研究，在窯街、陽泉、潞安、兗州等礦區(qū)試驗成功，使綜放采煤工藝在技術上有了新的突破并得到了較快推廣。（2）研制成功了電牽引采煤機，最高可達到25m/min，牽引力一般可達950kN，MG系列電牽引采煤機己形成了9大系列共幾十個品種，裝機總功率在16、4502215kW，采高范圍1000600Omm。國內(nèi)電牽引采煤機代表機型與目前國外最先進的電牽引采煤機相比，在總體參數(shù)性能方面已接近國外20世紀90年代中后期水平。,但在一些關鍵部件、以及總體性能、功能、適應范圍還有待進一步完善和提高。尤其是電牽引采煤機的工況在線監(jiān)測、故障診斷及預報、信號傳輸與采煤機自動控制、傳感器件等智能化技術與國外相比還有一定的差距。表為國內(nèi)具有代表性機型的采煤機主要技術參數(shù)。研制了與電牽引采煤機配套的輸送能力可達15O0t/h刮板輸送機以及與其相適應的橋式轉載機和破碎機。采用高壓大流量液壓系統(tǒng)，并用大流量閥和電液閥控制，提高液壓支架支護強度，而且加大工作阻力，加快移架17、速度。,（3）通過引進部分國外設備與國內(nèi)自制設備配套，進行了刨煤機綜采全自動化安全高效研究，于2001年初在鐵法局小青煤礦投人生產(chǎn)。晉城礦區(qū)新建的寺河煤礦，在煤層厚度平均6m左右、煤層硬度f=3.84.2和高瓦斯條件下，引進了國外大采高綜采全自動化控制全套裝備，最大采高達6.0m。（4）研制成功了多種型式的錨桿和錨網(wǎng)支護，在較大范圍得到了推廣應用。有的安全高效煤礦已經(jīng)實現(xiàn)掘錨一體化，從而加快了采準巷道掘進速度。,我國懸臂式掘進機還停留在以切割煤為主的輕型掘進機上。通過多年的技術攻關，掘進機的機型從輕型發(fā)展到了中、重型，切割對象從煤拓展到了巖石，切割功率從3OkW提高到2OOkW，機重從13t上18、升到56t。EBZ-16OSH型掘進機，在淮南和大同礦區(qū)都取得了良好使用效果，穩(wěn)定切割時的頂?shù)装迤骄鶐r石硬度可達8OMPa，如在煤巖比例為1:1的半煤巖巷道中，淮南謝橋二礦5個月中總進尺達到20OOm，最高月迸500m，最高日進30m;大同燕子山礦最高月進更是達到700m。表為國內(nèi)具有代表性機型的懸臂式掘進機主要技術參數(shù)。,（5）在安全高效煤礦生產(chǎn)保障系統(tǒng)的監(jiān)測方法和儀表應用方面也采用了多項新技術。例如，廣泛將地震、電測井和物探方法用于探測井田和采區(qū)范圍內(nèi)的斷層和構造，由集控制、監(jiān)測、診斷于一體的智能化計算機系統(tǒng)控制電牽引采煤機、電液控制的液壓支架。將計算機技術、傳感器技術、光纖技術與工業(yè)電視19、相結合，實現(xiàn)了井下膠帶輸送機地面集中控制。（6）采用合并采區(qū)、減少工作面簡化生產(chǎn)系統(tǒng)和生產(chǎn)環(huán)節(jié)，實現(xiàn)單水平、單翼高度集中生產(chǎn)，并最終實現(xiàn)一個礦一個采煤工作面一條生產(chǎn)線。,1.2.2 我國安全高效開采技術現(xiàn)狀 采煤方法及工藝是安全高效礦井建設的核心。近幾十年來世界煤炭科學技術發(fā)展很快，特別是20世紀80年代以來，長壁安全高效綜采技術的突飛猛進引起礦井生產(chǎn)技術的重大變革。我國煤礦通過30多年機械化開采摸索與實踐，形成了厚及特厚煤層綜放開采、大采高綜采，中厚及薄煤層綜采和連續(xù)采煤機旺格維利采煤法等安全高效采煤方法。,2005年我國有9處煤礦年產(chǎn)量超過千萬噸，有3個綜采隊年產(chǎn)量超過千萬噸,神華集團神東20、煤炭分公司哈拉溝煤礦綜采隊1064萬噸、上灣煤礦綜采隊1048萬噸、補連塔煤礦綜采一隊1000萬噸。神東煤炭公司上灣煤礦綜采隊10月9日在51104工作面生產(chǎn)原煤50944噸，刷新了工作面日產(chǎn)世界紀錄。神東煤炭公司大柳搭礦大柳搭井4月23日共生產(chǎn)原煤86900噸，創(chuàng)世界單井日產(chǎn)原煤最高紀錄。神東煤炭公司榆家梁煤礦月進尺最高達7802米。,山西焦煤集團汾西礦業(yè)公司新峪煤礦高檔普采四隊在煤層厚度1.6m條件下，全年生產(chǎn)原煤 118.29萬噸，最高日產(chǎn)達到4657噸，成為我國第一個高檔普采百萬噸隊。安徽淮南礦業(yè)集團公司張集煤礦全部采用國產(chǎn)綜采設備，全年生產(chǎn)原煤702.2萬噸，其中綜采一隊年產(chǎn)原煤3621、3.58萬噸，最高日產(chǎn)達到1.49萬噸。山西潞安環(huán)能公司王莊煤礦綜放一隊采用全套國產(chǎn)綜采放頂煤設備，生產(chǎn)原煤608萬噸。,遼寧鐵法煤業(yè)公司小青礦采用引進創(chuàng)煤機、工作面輸送機及計算機遠程控制系統(tǒng)，在1.7米煤層厚度條件下，平均月產(chǎn)達到20.9萬噸、最高日產(chǎn)達到9188噸。山西大同煤礦集團公司晉華官礦綜采三隊采用全套國產(chǎn)綜采設備(MG2O0型滾筒采煤機在薄煤層1.3米條件下，全年生產(chǎn)原煤104.24萬噸、平均月產(chǎn)9.95萬噸、最高月產(chǎn)13.45萬噸、最高日產(chǎn)7166噸。,近年來隨著放頂煤開采技術的發(fā)展，放頂煤支架設計已達國際先進水平。在支架液壓控制系統(tǒng)方面，我國以高壓大流量快速移架系統(tǒng)為特征，形成22、了系統(tǒng)及相關閥組合，達到了平均移架速度小于12s/架的水平。我國綜采工作面除一小部分迸口液壓支架配備電液控制系統(tǒng)外，絕大部分工作面尚未使用這種控制系統(tǒng)。,SGZl200/1400型長運距、高可靠性工作面后部刮板輸送機是目前我國開發(fā)研制的功率最大、槽寬最寬、鋪設長度最長的緩傾斜放頂煤綜采工作面超重型刮板輸送機，并首次采用自動伸縮機尾、液壓馬達緊鏈裝置、調(diào)速型液力偶合器及緊湊鏈等國外先進技術，其主要指標及可靠性達到了90年代中期國際先進水平。SGZlO00/1200型前部刮板輸送機是目前國內(nèi)規(guī)格最大的前部輸送機，可以與國內(nèi)外多種規(guī)格的強力采煤機及液壓支架配套，裝機功率2X6OOkW。,1.3 我國23、安全高效開采技術發(fā)展趨勢,(1)提高工作面單產(chǎn)(單進)和工效 提高綜采裝備能力是發(fā)展安全高效綜采的關鍵，應用機電一體化、自動化和計算機智能化控制等高新技術，生產(chǎn)能力達到日產(chǎn)萬t以上。主要設備包括：新型電牽引多電機驅動采煤機，總功率達15002000kW、截深1.Oml.2m，裝備了以微型電子計算機為核心的電控系統(tǒng)，采用先進的信息處理技術和傳感技術，實現(xiàn)了機電一體化；工作面刮板輸送機普遍采用可控起動和工況監(jiān)測技術，配備750kW以上大功率電動機，輸送能力一般為20003000t/h。,液壓支架普遍采用了微機電液智能化控制技術，工作阻力達800010000kN,移架速度達68s/架以上；順槽轉載機24、裝機功率最大達到525kW，具備自移功能；輸送能力達到20003500t/h，輸送距離達到20004000m，膠帶運行速度不斷提高，驅動功率超過2000kW。煤巷掘進與錨桿支護一體化快速掘進技術與成套裝備，配備相應的掘進機械化作業(yè)線，逐步更新和裝備大功率、中型掘進機，采用掘錨聯(lián)合機組，巖巷耍堅持推廣使用液壓鉆車作業(yè)線。,(2)礦井開采的高度集中化 煤礦生產(chǎn)進入綜合機械化、生產(chǎn)高度集中化、開采強度高、產(chǎn)量大的時代，傳統(tǒng)的開拓部署己不適應現(xiàn)代采煤技術和裝備發(fā)展的需要。其發(fā)展趨勢是生產(chǎn)高度集中化，簡化礦井生產(chǎn)系統(tǒng)，尤其是簡化巷道布置系統(tǒng)和運輸系統(tǒng)環(huán)節(jié)，實現(xiàn)礦井合理集中生產(chǎn)，實現(xiàn)“一礦一面、一個采區(qū)、25、一條生產(chǎn)線”的高效集約化生產(chǎn)模式。,（3）礦井主要參數(shù)的大型化 隨著高效、強力、快速電牽引采煤機，重型刮板輸送機的推廣應用，安全高效工作面長度不斷加長，采煤工作面長度和連續(xù)推進長度的加大，工作面長度達到350m以上、走向長度達到4000m以上，煤層最大開采高度達到5.56.0m，最低開采高度僅0.6m。,(4)礦井生產(chǎn)技術的現(xiàn)代化 安全高效礦井建設，實質(zhì)上就是用高新技術對煤炭產(chǎn)業(yè)進行改造，提高采掘機械化裝備水平。新型裝備采用大功率傳動技術、機電一體化技術及一系列先進結構，單機設備實現(xiàn)工況監(jiān)測、故障在線診斷與預報、自動運行、信息儲存和對外信息傳輸?shù)裙δ埽煌瓿删C采工作面自動化生產(chǎn)控制技術、網(wǎng)絡化監(jiān)測監(jiān)控技術研究開發(fā)，,輔助提升運輸采用從地面(井底)直達采煤工作面的運輸，系統(tǒng)簡單、環(huán)節(jié)少、快速、高效地解決礦井輔助運輸問題，因地制宜地采用單軌吊、無軌膠輪車等輔助提升、運輸設備，取得了較好的效益。主提升運輸系統(tǒng)采用高效、大容量提升設備及采用大運量、長距離膠帶輸送機連續(xù)運輸煤炭。礦井安全高效要裝備先進的監(jiān)測、監(jiān)控系統(tǒng)，保障礦井生產(chǎn)的高安全性和高可靠性。,