北宿煤矿含硬夹矸薄煤层机械化开采成套装备应 用技术研究实施方案(修4月6日)zz

薄煤层机械化开采

兖矿集团2011年科技项目

实施方案

项目名称：北宿煤矿含硬夹矸薄煤层机械化开采

成套装备应用技术研究

承担单位：兖矿集团有限公司 协作单位：

编写时间：2011年3月22日

薄煤层机械化开采

目 录

1 项目必要性 ........................................................................................................................ 1 1.1项目背景...................................................................................................................... 1 1.2矿井地质概况............................................................................................................. 1 1.3 煤层赋存条件对比................................................................................................... 3 1.4目的和意义.................................................................................................................. 4 2 研究开发内容 .................................................................................................................... 4 2.1薄煤层矿山压力显现规律及降低硬夹矸截割难度的研究...................................... 4 2.2主要配套设备的选型、参数优化及整体配套研究.................................................. 5 2.3薄煤层综采工作面巷道布置及远距离供电、供液技术研究.................................. 5 3 项目总体经济技术指标.................................................................................................... 5 4 关键技术及创新点............................................................................................................ 6 5 研究或研制开发的技术路线，实施方式、方法、步骤 ............................................... 6 5.1技术路线...................................................................................................................... 6 5.2 实施方式、方法、步骤............................................................................................. 6 6 技术方案 .......................................................................................................................... 7 6.1 薄煤层矿山压力显现规律及降低硬夹矸截割难度的研究..................................... 7 6.2工作面开采工艺参数的选取.................................................................................... 19 6.3工作面设备选型配套................................................................................................ 24 6.4工作面设备总体配套................................................................................................ 33 6.5薄煤层综采工作面巷道布置及支护方式................................................................ 36 6.6薄煤层综采工作面远距离供电、供液技术研究.................................................... 37 6.7工作面风量的确定................................................................................................... 46 7 对安全、环境、健康的影响性分析.............................................................................. 50 8 现有基础、技术条件，保证体系................................................................................ 50 9 经济、社会效益分析...................................................................................................... 50 10 项目实施进度计划........................................................................................................ 51 11 经费计划 .................................................................................................................... 52 12项目负责人、项目组成员及分工................................................................................. 53 12.1项目成员.................................................................................................................. 53 12.2 项目任务分工......................................................................................................... 53

薄煤层机械化开采

1 项目必要性

1.1项目背景

目前在兖州矿区范围内可采煤层地质总储量约7亿t，其中薄煤层可采总储量1.53亿t，占整个矿区可采储量的22％。现采薄煤层主要是石炭系太原群16上和17两层煤，煤层厚度都在1m左右，分布范围广、赋存稳定，但煤层结构极为复杂，普遍含有硫化铁结核体和硬夹矸。

由于硫化铁结核的影响，北宿煤矿自建矿以来一直采用炮采工艺进行煤炭回采，落煤工艺始终未能实现机械化，劳动效率低、劳动条件差等问题没能得到根本解决。随着我国煤机制造技术的提高和采煤工艺的改进，含硫化铁硬结核的煤层回采已并非难题，杨村煤矿使用大功率采煤机，结合轻型、低工作阻力液压支架，利用矿压对煤壁的压酥作用，首次实现了1m以下含硫化铁硬结核薄煤层的综合机械化开采。

综合机械化开采是解决煤炭生产效率低、劳动条件差的根本途径，是提高安全生产最有力的保障，煤炭生产的机械化、自动化是煤炭企业追求的目标，也是北宿煤矿多年来努力奋斗的目标，对于提升北宿煤矿生产技术水平，实现科学采矿、绿色采矿具有十分重要的作用。

1.2矿井地质概况

北宿煤矿于1976年建成投产，年设计生产能力45万t/a，设计服务年限70年。2006年度矿井核定生产能力为100万t/a。本矿区主要含煤地层为上石炭统太原组，地层厚度114.62～184.02m，平均160.52m。共含煤16层，平均总厚度5.97m，含煤系数3.7%。可采煤层为15上、16上、17、18上四层，总厚度1.81~4.91m，平均3.38m，含煤系数2.1%。其中16上、17层煤为全区可采，15上、18上层煤为局部可采。各煤层特征、顶底板特征参数见表1.1、1.2。

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表1.1 煤层特征一览表

表1.2 煤层顶底板特征一览表

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北宿煤矿现主采16上及17煤。煤层产状平缓，倾角3°～9°，平均6°，褶曲发育。煤硬度系数f=1.25～2.5。截至2010年底，矿井资源储量为7725.8万t，其中基础储量为3186.9万t，资源量为4538.9万t；储量为1454.8万t（其中16上煤资源储量为1717.5万吨，其中基础储量为1266.5万吨，资源量为451.0万吨；储量为563.3万吨。17煤资源储量为2487.9万吨，其中基础储量为1920.4万吨，资源量为567.5万吨；储量为891.5万吨）。

1.3 煤层赋存条件对比

北宿煤矿位于兖州煤田的南部，赋存条件与南屯煤矿相似，但和位于煤田北部的杨村煤矿有所差别，表1.3是北宿煤矿与杨村煤矿薄煤层赋存条件的对比。

表1.3北宿煤矿与杨村煤矿薄煤层地质条件对比

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通过表1.3可以看出，北宿煤矿与杨村煤矿16上和17层煤赋存条件存在较大的差别，煤层厚度更小，煤层、结核、夹矸硬度更大，夹矸厚且分布于煤层的中下部，这些因素增加了综采机械化的难度。因此，以杨村煤矿薄煤层成套装备应用于北宿煤矿，在成套装备的适应性、采煤机的截割能力、截割方式以及采煤工艺等诸多方面尚需做进一步研究。

1.4目的和意义

（1）本项目的研究，可进一步完善1m以下含坚硬夹矸薄煤层安全高效综采技术与成套装备，实现矿井由炮采向综合机械化开采的转型，使矿井生产安全、高效、集中化，对于实施薄煤层开采可持续发展战略，创建资源节约型企业具有重要的现实意义。

（2）使薄煤层采煤工作面生产环境得到极大改善，安全生产的可靠程度得到极大提高，把采煤工人从繁重的体力劳动中解放出来，达到创建“本质安全型”矿井的目的。

（3）项目的实施，将大幅度提高薄煤层劳动效率和煤炭资源回收率，降低生产成本，提升矿井的技术水平，进而提高企业的经济效益和社会效益。

2 研究开发内容

根据目前国内外综采技术的发展水平和杨村煤矿、南屯煤矿薄煤层机械化开采的先进经验，结合北宿煤矿1m以下、含大块状硬夹矸薄煤层的赋存特点，确定以下研究内容。

2.1薄煤层矿山压力显现规律及降低硬夹矸截割难度的研究

1m以下含硬夹矸薄煤层机械化开采的主要问题在于受空间制约，采煤机的功率和强度无法做到足够大，致使对硬夹矸实行直接截割的能力受到了严重限制。在空间有限的情况下，需要对薄煤层矿山压力显现规律进行研究，选择合理液压支架工作阻力，既能对采场顶板进行有效控制，又能充分利用矿山压力压酥煤体，达到降低硬夹矸截割难度的目的，同时为确定采煤机截深提供科学依据。

（1）薄煤层及夹矸物理力学参数测试；

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北宿煤矿薄煤层煤体、硫化铁结核体、硬夹矸物理力学性质指标测定，主要包含抗压强度、抗拉强度、抗剪强度、粘结力、内摩擦角、普氏硬度系数、密度。

（2）含硬夹矸薄煤层综采支承压力分布规律与变化特征研究；

（3）含硬夹矸薄煤层在矿山压力作用下煤壁破坏规律及合理支架工作阻力、采煤机截深的研究。

2.2主要配套设备的选型、参数优化及整体配套研究

在目前杨村煤矿薄煤层综采成套装备的基础上，通过对北宿煤矿地质条件、工作面参数的分析，进一步对采煤机、刮板运输机、液压支架三种设备的技术参数进行优化，扩大成套装备的适用范围，最大限度地满足生产需要，以实现安全、可靠、高效、低耗的目标。

（1）工作面开采工艺参数的选取； （2）工作面成套设备参数确定和选型； （3）工作面总体配套方案研究；

（4）矮机身、大功率薄煤层采煤机设计优化。

2.3薄煤层综采工作面巷道布置及远距离供电、供液技术研究

北宿煤矿建矿以来一直采用炮采方式生产，其工作面巷道布置形式与机械化开采有着较大区别。为满足设备配套使用及安全间隙要求，通过对设备布置方式及设备外形尺寸的分析，结合对煤层顶板稳定性和实施远距离供电、供液系统的分析研究，确定合理的巷道布置及供电、供液系统。

（1）薄煤层综采工作面巷道布置与支护方式研究； （2）薄煤层综采工作面远距离供电、供液技术研究。

3 项目总体经济技术指标

（1）工作面产能：工作面月产达到3万吨，年产30万吨以上。

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（2）设备可靠性：非人为因素，机电设备事故率不超过6小时/万吨（按月周期统计）。 （3）减人提效：用人减少50％，工作面产量提高50％。

项目最终目标：实现北宿煤矿薄煤层机械化开采，各项指标均达到国际先进水平。

4 关键技术及创新点

本项目的关键技术为：在1m以下富含硬夹矸的煤层条件下，科学合理地平衡配套设备（采煤机、刮板输送机和液压支架）之间的几何参数与设备能力之间的关系，特别是在保证人员工作空间的前提下，既要优化减小采煤机的外形尺寸，加大过煤空间、过机空间，又要保证采煤机有足够的落煤（硬夹矸）能力和可靠性。

创新点：

（1）矮机身薄煤层滚筒式采煤机大功率截割系统研制； （2）薄煤层工作面远距离供电、供液技术。

5 研究或研制开发的技术路线，实施方式、方法、步骤

5.1技术路线

调研、消化国内外薄煤层工作面设备技术—→总结杨村煤矿薄煤层机械化开采的成功经验—→研究提出北宿煤矿薄煤层机械化开采工作面设备配套方案和关键装备设计方案—→进行方案论证—→设备设计制造—→相关试验—→工艺方案优化—→工业性试验—→验收。

5.2 实施方式、方法、步骤

本课题采用矿、院、厂相结合的方法，分工协作，共同完成本课题的研究任务。 具体步骤如下：

（1）调查研究国内外同类地质条件下综合机械化采煤工作面及综采设备的现状、存在问题及发展趋势，提交项目可行性论证报告；

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（2）分析目前国内外高产高效工作面的特点及技术装备情况，总结杨村煤矿薄煤层机械化开采的成功经验，结合北宿煤矿煤层赋存条件，确定项目实施地点、工作面布置及设备选型原则；

（3）研究设计工作面配套设备的初步方案，广泛论证，深入探讨，确定设备的最终方案及其主要参数；

（4）完成工作面总体配套设计；

（5）样机试制、评审及试验，完善设计； （6）设备验收并进行地面联合试运转； （7）井下工业性试验； （8）完成项目验收。

6 技术方案

6.1 薄煤层矿山压力显现规律及降低硬夹矸截割难度的研究

6.1.1实验室物理力学参数测试

课题组从试验面1674工作面顺槽掘进面现场进行样本采取，按测试标准进行煤、岩物理性质指标的测定，为研究1674工作面矿压规律、合理截割深度及支架工作阻力确定提供依据。

岩石物理力学性质参考指标，如表6.1所示。

表6.1 岩石物理力学性质指标表

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6.1.2现场测试 （1）测试内容

①工作面煤壁破坏区深度的钻孔钻屑量测试； ②工作面煤壁采动裂隙发育深度的钻孔窥视仪测试；

③煤壁受力与液压支架工作阻力的关系测试（液压支架调压试验）； ④支架工作阻力监测。 （2）测区布置 测区布置如图6.1所示

图6.1 测区布置示意图

（3）煤壁受力与液压支架工作阻力的关系测试方法

通过调压试验了解液压支架工作阻力与煤壁支承压力之间的关系，研究液压支架工作阻力对煤壁破坏的影响，得到顶板支护与煤壁破坏的平衡位置，确定合理的液压支架工作

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阻力，达到最好的煤壁压酥破坏效果，为采煤机割含硬夹矸煤层创造更好的条件。

采用钻孔应力注液探测单元进行测试，探测单元长度1.5m，传感器置于应力单元的高压橡胶管内，注液探测单元布置在工作面煤壁中，探测煤壁应力变化。在探测煤壁受力的同时同步监测支架工作阻力，通过双通道压力接收器传感器实时接受和存储探测单元的压力和液压支架支柱工作阻力，如图6.2所示。红外线采集器集中采集数据，配套计算机软件进行数据的分析处理。

图6.2 调压试验示意图

6.1.3薄煤层综采工作面煤壁破坏规律的数值模拟 6.1.3.1 几何模型

本次计算模型的设计几何尺寸为：130m(长)×70m(高)。以研究薄煤层工作面所在的17煤层底板上方50m岩层处作为上边界，17煤层底板以下20m作为下边界，采空区范围的宽度为70m。 6.1.3.2数值模拟方案

根据北宿煤矿1674工作面的地质条件和地层综合柱状图，建立相应的数值计算模型，模拟研究支架工作阻力与工作面顶板控制、煤壁破坏的基本规律，采用以下二个方案进行模拟：

方案一：以1674工作面为基本条件基础，模拟研究1674薄煤层综采工作面煤壁破坏的基本规律，并对有、无硬结核进行比较，分析其对煤壁破坏规律的影响程度。模型的主

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要参数为：煤层普氏系数为1.9，当含硬结核时，结核普氏系数为8.6，煤层厚度为1.0m，埋深为300m，支架工作阻力为2600kN。上边界载荷按埋深250m计算，在模型上边界加载荷6.25MPa。

方案二：以1674工作面基本条件为基础，模拟研究支架工作阻力变化对薄煤层综采工作面矿山压力分布与顶板控制、煤壁破坏的影响。模型的主要参数为：煤层普氏系数为1.9，煤层厚度为1.0m，埋深为300m。其中支架阻力分别以1800kN、2200kN、2400kN、2600kN、3000kN、3400kN、4000KN六种情况进行数值模拟。 6.1.4薄煤层综采面煤壁破碎区特征及合理支架工作阻力分析 6.1.4.1 薄煤层支承压力与煤壁破碎区特征理论分析

通常把煤壁前方的支承压力范围划分为非弹性区和弹性区两个区域，如图6.3所示。

A—减压区；B—增压区；C—稳压区；D—非弹性区（极限平衡区）；E—弹性区

图6.3 支承压力分区

1）非弹性区范围及支承压力分布

非弹性区通常也叫极限平衡区，对于极限平衡区可按图6.4所示的关系建立极限平衡方程

m( x d x) m x 2 yfdx 0 （6-1） 式中，f—层面间的摩擦系数，f tg 1， 1为顶底板与煤层间的摩擦角；

m—采高，m；

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y—垂直应力（即支承压力），Mpa；

x—水平应力，Mpa。

图6.4 采场前方极限平衡区的受力状态

2f

根据式（6-1），可以得到：

y

Re

*

c

m

x

(6-2）

x0

k H

ln*)

Rc

2f m

(6-3）

2）破碎区及塑性区的计算

非弹性区根据煤体的破坏程度不一样，可以划分为破碎区和塑性区两部分。煤层顶底板在塑性区的弯曲变形很小，塑性区煤体压缩呈线性变化，有下式成立

1p 1 1e

Stm

(x0 x) (6-4）

式中， 1e—垂直方向弹性应变；

x0—弹塑性交界处（压力高峰）至煤壁的距离，m；

St—塑性区煤体应变梯度，St tg 1， 1为塑性区煤层顶底板变形角之和。 由此可以求得破碎区范围为

x1

1

* 1 m( )/( *

ln *P 2(ecc2 1) (Rc Rc) (6-5） 1 c

M0St

3）弹性区

煤层弹性区支承压力分布各种研究结果是基本一致的，均为随距煤壁距离的增加而衰

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减的负指数曲线，其具体表达式为：

y H 1 ke (x x)] (6-6）

式中， k—最大集中压力增量系数， k k 1；

—支承压力衰减系数，由地质条件决定。 6.1.4.2 1674工作面煤壁支承压力及破碎区计算

根据1674试验面的具体条件，并参照同煤层相邻工作面或相邻煤矿的有关数据，1674试验面前方支承压力及煤壁破碎区计算所需计算参数如表6.2所示：

表6.2 支承压力分布及煤壁破碎区计算参数

1）非弹性区支承压力分布与非弹性区范围

把表6.6中的参数代入式6-2，得到非弹性区支承压力分布曲线为：

y 1.1e

0.698x

(6-8）

取不同的x值，计算得到非弹性区支承压力值图6.5所示。

图6.5 非弹性区支承压力分布

计算参数代入式6-3，即得到非弹性区的范围为：

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x0 3.93

，m (6-9）

2）弹性区支承压力分布

把 、H、k及x0等参数代入式6-6中，即得弹性区支承压力分布

y

7.8(1 1.2e

0.1219(x 3.93)

) (6-10）

由此得到采场前方支承压力分布，如图6.6。

图6.6 工作面前方支承压力分布

3）煤壁破碎区及塑性区计算

根据式6-5计算煤壁破碎区范围， 参照1674的条件选取计算参数如表6.3所示： 得到破碎区范围为：

x1 0.7，m

表6.3 计算参数

6.1.5 合理截深分析

根据上面的理论分析计算，在支承压力作用下，靠近煤壁约0.7m范围内的煤层强度显著降低，在一定程度上被压酥，对滚筒割煤有一定帮助。但滚筒割煤时如遇到大块结核，要让结核在滚筒作用下剥离滚落出来有一定的难度。所以，滚筒一次截割深度应控制

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在0.6m以内，截割深度不宜过小，当截割深度过小时，如遇西瓜般大小的大块结核，结核的直径超过截深，则结核的剥离更加困难。综合考虑薄煤层支承压力对煤壁造成的破坏作用和破坏范围、结核大小，截割深度以0.6m为宜。 6.1.6工作阻力对煤壁应力的影响

为分析支架工作阻力对支承压力与煤壁应力的影响，建立的力学模型如图6.7所示。

(a)断裂前；(b)断裂后 图6.7 顶板断裂前后的力学模型

假设图6.7力学模型为近似满足Winkler弹性地基假定，即 p ky (6-11）

式中，p—作用在煤层上的由于采动所造成的扰动附加应力；

y—顶板的竖向位移； k—Winkler地基系数。

根据图6.7的力学模型，顶板垂直位移公式6-11可简化写成

(x ) (6-12） y Ye xcos

其中，Y

M0[r w

2

2 (1 s/r)w]EIr

1/2

(6-13）

tan

2r sw2 (r 2 w)

(6-14）

w Q0/M

(6-15）

式中， —顶板岩石的内摩擦角。

则，p kYe xcos( x ) (6-16）

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由此可见，在支架作用下的直接顶运动对煤矿壁前方产生的附加扰动应力为按照负指数e x 规律衰减的余弦函数。

根据计算结果，顶板运动产生的扰动应力为

p 2.962e 0.09455xcos(0.09458x 0.492) (6-17)

根据式6-17，悬露顶板运动在煤壁前方产生的扰动应力如图6.8所示。

图6.8扰动应力p在工作面前方煤体中的分布

支架工作阻力对煤壁前方煤体产生的扰动应力影响（x=0m处），如图6.9所示。

图6.9 支架工作阻力对煤壁应力的影响（x=0m处）

根据图6.8可知，在支架工作阻力2600KN时，顶板运动在煤壁前方的影响程度在15m以后迅速减弱，超过20m以后就很小了，因此采动影响显著影响距离为15m，超前支护范围20m是足够的。

从图6.9可以看出，支架阻力对煤壁应力有较明显的影响，大致呈线性关系，支架工

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作阻力越小，直接顶运动产生的附加应力越大。因此，工作阻力确定的原则为在保证顶板控制的前提下尽可能降低工作阻力。 6.1.7 1674工作面支护强度分析 6.1.7.1 1674矿压参数的确定

根据理论分析计算和相邻工作面实测结果，1674工作面矿压参数如表6.4所示。

表6.4 试验工作面矿压参数值表

6.1.7.2 按顶板运动参数计算

1）直接顶初次垮落期间（0～Lz）

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P

Mz zLz

2Lk

(6-18）

式中 Lk—控顶距，3.357+0.42=3.777m（顶梁长3.357m，空顶距0.42m）；

Mz—直接顶厚度，3.32m；

Lz—直接顶初次垮落步距，取14m计算； z—直接顶密度。

则：P

Mz zLz

2Lk

3.32 2.7 10 14.1

2 3.777

4

1.67 10

5

，N/m2

2）老顶初次来压期间（Lz～C0）

P A

ME EC02KTLk

式中 ME， E，C0—分别为老顶厚度、密度和初次来压步距；

KT—岩重分配系数，受直接顶厚度与采高之比N的控制。

一般条件采场的KT可按下表6.5选取。

表6.5 KT选取表

N KT

N≤1时，表明直接顶很薄，坚硬老顶来压猛烈，支架必须承担初次来压步距内1/4的岩重。

1<N≤2.5时，表明采空区充填一般，顶板下沉量和来压强度随N的增加而线性减小，需承担的老顶作用力也越来越小。

2.5<N≤5时，表明采空区基本充填满，几乎可以不考虑老顶的作用力。 N>5时，表明垮落直接顶与老顶实，支架可完全不考虑老顶的作用力。 当悬顶距Ls≥2m时，

N≤1 2

1<N≤2.5 2N

2.5<N≤5 38（N-2.5）+5

N>5 10 000

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/pgdi.html