不同掘进设备和工艺的适应性探索

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  摘要:目前,煤矿生产规模的快速发展对煤(岩)巷掘进提出了更高的要求,既要保证安全,又要提高工程质量;既要提高掘进效率,又要力求成本最优;既要减人提效,又要力求信息化、现代化。分析研究高效掘进工艺的适应性,对于保持矿井采掘平衡,维持矿井可持续发展,具有重要意义。
  关键词:掘进;割煤;机械化;高效;安全
  Abstract:At present,the rapid development of coal mine production raises higher requirements for the development of coal(rock)lane,both to guarantee safety and to improve the quality of the project. We need to improve the efficiency of driving and strive for the best cost. To reduce the efficiency of the people,we should strive for informationization and modernization. It is of great significance to study the adaptability of efficient drivage and to maintain the sustainable development of mine.
  Key words:The mechanization of cutting coal is highly efficient and safe
  引言
  神东柳塔煤矿自从2006年实行技改以来,先后使用过綜掘机、连采机和掘锚机,在掘进工艺、效率、优缺点和适应性等方面积累了比较成熟的技术经验。综合机械化掘进设备和掘进工艺在现代煤矿企业生产中的地位越来越重要,它不仅满足了现代煤矿产业快速生产的需求,又实现了高效掘进和企业整体效益的提升。本文通过阐述综合机械化掘进设备和工艺在煤矿生产中优缺点的对比分析,探索各种掘进方法的适应性。
  1 综合机械化掘进的概念
  综合机械化掘进技术在现代化煤矿生产中必不可少。它由掘进、煤(岩)运顺、物料运输、支护、定向、通风、供电、供排水和压风自救等系统组成,形成了具有高综合性的配套技术。各系统互相协调、相互配合、紧密衔接、均衡有序,按标准作业流程完成各操作工序,实现高效、快速、安全掘进。
  2 不同掘进设备和工艺优缺点分析
  2.1 綜掘机
  2.1.1綜掘机的特点
  由截割部、铲板部、运输机、行走部、后支撑、液压系统、供水系统、润滑系统、电控系统等部分组成,一般采用锥形截割头。具有截割可靠性高、对复杂地质条件的适应能力强、设备尺寸合理、搬家倒面速度快等特点。
  2.1.2綜掘机的技术参数
  2.1.3掘进工艺流程
  落煤(岩)→装煤(岩)→运煤(岩)→清理浮煤(岩)→调机→支护
  巷道掘进采用综掘机来完成割煤和装煤工序,用锚杆机进行巷道顶帮支护,通过防爆胶轮车运煤(岩)。人员、材料和设备的运送选用防爆材料车来完成,用防爆装载机进行清理浮煤工作。形成工作面割煤、装煤、运煤、清煤、支护等全部机械化作业的施工工艺。
  2.1.4优缺点分析
  优点:机械结构合理,截割岩石的能力较强,故障率较低。
  缺點:由于循环进度(约4.8m)受顶底板条件、锚杆机支护速度、调机速度的限制,单进水平相比较其它掘进设备偏低;在完成一个截割循环后,需要多次移动机器完成成巷,会对巷道底板造成破坏;与双臂履带式锚杆机配合使用,取消了以前的单臂锚杆钻机,降低了人工操作单臂锚杆机的强度和危险性,同时也提高了掘进效率;采用局部通风,在巷道割岩的情况下能见度偏低,给辅助运输带来一定的隐患。
  2.1.5采取措施
  根据上述优缺点分析,采取以下措施解决存在问题:
  (1)工作面安设湿式除尘风机
  在掘进工作面安设除尘风机,除尘风筒进风口超前压入式风筒出风口,距离工作面正头不得超过5m,工作面污风直接排至总回风大巷或盘区回风大巷,可有效减少工作面粉尘,提高巷道能见度。
  2.1.6适应性分析
  适用于工作面过冲刷、断层、岩巷、半煤岩巷或煤(岩)硬度较大的单巷掘进,同时也适用于机头硐室等短巷掘进面,具有设备少、搬家倒面快速、前期投入少、直接成本较低等经济优势。
  2.2 连采机
  2.2.1连采机的特点
  连采机由电气系统、液压系统、行走机构、装运机构、截割机构、冷却喷雾除尘装置以及安全保护装置等组成。与锚杆机配合使用,同时完成两条巷道的掘进和支护工作。
  2.2.2连采机的技术参数
  2.2.3掘进工艺流程
  切槽→采垛→装煤→运煤→清理浮煤→调机→支护
  在正规循环作业中,连采机司机在梭车停稳接煤时,立即开机割、装煤,梭车空车要及时运行到连采机后面等待装煤,以提高连采机的工作效率。当连采机退出所掘进的巷道时,锚杆机立即进入进行支护作业。
  2.2.4优缺点分析
  优点:设备尺寸合理,便于拆运、安装、维护、故障处理及搬家倒面;采用多台电机、模块式组合件布置,落煤能力强,生产能力大;两条巷道同时作业,充分利用时间和空间,机动灵活,采煤效率高,单进水平高。
  缺点:后配套胶带机及附属设备多,维护、保养工作量大;设备调机频繁,安全隐患大,且对巷道顶板的损坏严重;顶板空顶时间长,不利于复合型顶板的安全管理。   2.2.5采取措施
  根据上述优缺点分析,采取以下措施解决存在问题:
  (1)后配套胶带机实现区域自动化集中控制
  连采后配套胶带机区域自动化控制系统,通过增加一台KJD127矿用隔爆兼本质安全型监控主机,实现对多部胶带机通讯控制系统的数据采集、监测、显示及远程控制功能。通过在每部胶带机搭接处及落煤点分别安装一台高清防爆摄像仪并接入附近环网交换机,从而实现对胶带机的视频监测,实现无人化、可视化。在每部胶带机的滚筒上安装两台振动传感器,并在机尾滚筒上分别安装一个红外式温度传感器并接入KTC102+通讯控制保护系统,用于检测胶带机运行状况、机尾滚筒温度,使胶带机运行更加可靠、安全。
  减少井下人员数量,节约电力、提高效率;提高掘进工作面运输、供电的安全性和可靠性;可实时采集设备的各项参数,对存在隐患的设备可提前进行预防性检修;通过摄像画面信息,可控制每部皮带的顺序启动和顺序停车,缩短了胶带机空载运行时间,降低电能损耗、设备磨损时间。
  (2)自动喷雾装置
  后配套胶带机实现自动化集中控制后,每条胶带机的喷雾开启,需要派专人去开启和关闭皮带巷沿途的喷雾,造成喷雾启停不及时,浪费人力、时间和电力。将皮带的速度传感器安装到下皮带上,电动球阀的一端安装到供水管三通上,另一端接上喷雾的水管,速度传感器作为媒介检测皮带的启停,然后将检测到的信号转化为接触器触电的闭合与断开,以此控制电动球阀动作。实现了通过皮带启、停来控制喷雾的自动打开和关闭。
  (3)多措并举,确保现场顶板支护质量
  1)根据不同的顶板特性,采取不同的支护方式。巷道支护设计时,重点区域重点对待,坚持“一巷一设计”的原则,根据围岩条件设计支护方案。当巷道过断层、冲刷、构造时,适当增加锚杆、锚索支护的密度,尤其“锚索+钢带”支护的排距,确保掘进时支护强度一次到位。
  2)巷道遇构造区域,掘进时在构造附近增设顶板离层仪,以便后期观测构造区域顶板变化情况,以提高观测精度。
  3)巷道掘进过构造时,每班检查顶板支护情况,发现未按设计施工的务必当班整改。若围岩条件变差,应及时通知区队、生产办,调整支护参数及强度,以满足顶板支护要求。
  4)巷道掘进一个循环之后,必须立即支护顶板,空顶时间不大于4小时。
  5)不断学习新工艺、新技术,大胆采用新材料,服务于现场顶板管理。
  2.2.6适应性分析
  适用于地质条件、顶底板条件相对简单的双巷掘进。同时,对薄、中厚、厚煤层的适应性较强。
  2.3 掘锚机
  2.3.1掘锚机的特点
  基于掘锚一体化技术,能够实现掘进与锚护同时平行作业的设备。可根据巷道尺寸需求设计相应宽度的截割滚筒,实现一次成巷。
  2.3.2掘锚机的技术参数
  2.3.3掘进工艺流程
  落煤(岩)→装煤(岩)→运煤(岩)→清理浮煤(岩)→调机→支护
  在正规循环作业中,掘锚机司机在梭车停稳接煤时,立即开机割、装煤,梭车空车及时运行到掘锚机后面等待装煤,以提高掘锚机的工作效率;掘锚机司机在割煤、装煤的同时,锚杆机司机进行锚杆支护,给料破碎机司机应保证梭车及时卸煤,不影响生产。
  2.3.4优缺点分析
  优点:各工序间能实现“掘—支”平行作业,可充分利用工时,提高生产效率;掘进1m后随即支护1m,空顶距小,顶板支护为最佳时间,巷道顶板受采动影响较小;巷道掘进一次成巷,工程质量易于控制和管理;人员劳动强度小,作业效率高,可有效减少重复性劳累和受傷;根据井下作业环境条件需求,自身配备除尘通风系统,能最大程度降低空气中的粉尘。
  缺点:单巷掘进,后配套巷道兼做回风巷、主运巷和辅运巷,辅助运输困难;设备外形尺寸较大,巷道拐弯、搬家倒面、设备调机困难;工作面正头施工探放水钻孔较困难。
  2.3.5采取措施
  根据上述优缺点分析,采取以下措施解决存在问题:
  (1)安装红绿灯,确保辅助运输安全、畅通
  掘锚机采用单巷掘进方式,该巷道兼做回风巷、主运巷和辅运巷,巷道内安设胶带机、管路、缆线、风筒等,致使行车宽度狭窄,加之粉尘影响,视线不佳,司机在开车时极易刮碰皮带架以及煤帮上的锚杆;此外,若两车在巷道内会车,司机就需要长距离、狭窄巷道内倒车,存在重大安全隐患。
  根据井下的调车硐室布置,设置一台PLC可编程控制柜,用于控制各点红绿灯;同时在重要节点设置本安型LED显示屏,用来对巷道内过往车辆的数量进行统计,用于提醒其他司机。当整个巷道的车辆数超过规定数量时,禁止其它车辆驶入。
  这一装置的成功使用,不仅解决了井下单巷掘进时辅助运输的现场管控难题,杜绝了重大安全隐患。同时也降低了人员管控的难题,在减员增效方面有显著的贡献。
  (2)加强胶带机质量标准化管理
  在每次延伸胶带机时要求各单位必须采用激光定中心线,用水平仪调整胶带机纵梁水平度。每次胶带机缩带、撤带、卷带、接头都有专门安全技术措施,现场严格按措施作业。
  为了避免可伸缩H架不能连续调整、活动段伸出后整体不直的弊端,对于H架抬高过渡段不采用可伸缩H架,而是采用加设固定支腿,用螺栓加以固定。
  后配套胶带机全部配有防滑、堆煤、跑偏、拉线急停保护装置、温度保护、烟雾保护、自动洒水保护装置。各类胶带机保护装设位置均严格按照规定的安装地点、方向、角度、数量进行安装。各单位对胶带机的带面接头进行编号管理,除日常检查外,每周对带面进行全面检查。各种设备检修记录、运行记录、故障记录、胶带机保护试验记录齐全。
  (3)可拆卸皮带机头封闭罩
  针对掘锚机搬家倒面困难、附属设备多的问题,将各皮带机头封闭罩制作成可拆卸的。搬家时不但易于拆卸,组装简单,而且减少了井下电气焊次数。   (4)优化探放水设计
  掘锚机单巷掘进,工作面正头的探放水钻孔无法施工,为切实落实有掘必探工作要求,对掘锚机单巷掘进时探放水做如下设计(钻孔全部为水平孔)。巷道开口以及巷道内倒车硐室施工正头钻孔,每次施工≤150m,根据巷道长度具体设计。如下图12120切眼设计长度为253m,在开口及巷道内2#、4#倒车硐室施工正头钻孔T1、T6、T7,其中T1、T6孔深150m,T7孔深90m;帮孔与巷道夹角22°,紧跟掘锚机后面施工,孔深65m,确保超前掘进面30m。
  2.3.6适应性分析
  适用于长距离、单巷掘进的复合型顶板掘进工作。
  3 各种掘进方法的适应性探索
  1、各种工艺经济比较
  受煤炭行业产能过剩、经济下行、绿色开采等压力大影响,客观上要求煤炭企业转变过去只追求产量速度的观念,注重以市场为导向、以效益为抓手,在成本管控上下工夫,优化产品结构,通过技术创新,实现降本增效。
  2、在顶板条件较好的条件下,綜掘机可保证一定的工作效率。但从现场实际情况来看,綜掘工艺需要解决单进水平较低的问题。同时,为满足井下设备自动化与集成化程度越来越高的要求,綜掘设备将向掘、钻、锚一体化的方向发展。
  3、在满足现代化综合机械化掘进设备和掘进工藝方面,连采机具有得天独厚的优势,它不仅满足了现代煤矿产业快速生产的需求,又实现了高效掘进和企业整体效益的提升,在现代煤矿企业生产中的地位越来越重要。从现场实际经验分析,连采工艺需要着重解决工作面设备多、移动频繁、安全管理难度大等问题。
  4、许多煤矿顶板管理较为困难,存在煤层埋藏深、冲击地压大、割岩量大等突出问题。因此,巷道掘进时需要较小的空顶距,以保证作业人员和设备安全。随着矿井开采深度的增加,采掘深度会越来越深,掘进条件也会越来越复杂,根据掘锚机目前的使用情况及其工艺、技术特点,不难发现,其将具有更广阔的应用前景。但直接成本居高不下(直接成本是连采工艺的5倍左右),难以适应煤炭企业新常态下“经济效益型”的发展要求。
  参考文献:
  [1]徐永圻:《煤矿开采学》,中国矿业大学出版社,2003
  [2]李跃宁,吴志海:我国煤矿掘进装备技术发展的思路[J].煤炭科学技术,2000(09). 22、掘锚机等设备技术装备资料(联机配套附带)
  [3]王禹,吕振德,徐世平:连续采煤机条带式采煤工艺的应用试验研究[J].煤炭科学技术,1996(01)
  [4]掘锚机、梭车、破碎机、胶带运输机设备说明书(联机配套附带)
  [5]掘锚机及后配套设备《操作规程》
  作者简介:
  米营军,男,出生于1977年8月1日,内蒙古鄂尔多斯人。2016年7月毕业于天津科技大学,机械工程及自动化专业,助理工程师,长期从事煤矿采掘技术管理工作。现为中国神华神东煤炭集团柳塔煤矿生产办副主任。
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