简析一次采全高采煤工艺
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作者: 曹学宽
摘要：随着采矿技术的不断发展，如何进一步提高资源采出率成为煤矿企业实现可持续发展必需解决的技术难题。实践证明，大采高综采是提高工作面开采强度，减少资源损失的有效途径。
关键词:7m；一次采全高；综采设备；配套选型
本文根据现有技术和设备条件，针对一次采全高工作面，提出了工作面设备配套参数，以指导现场应用。
1. 7m厚煤层一次采全高可行性分析
1．1 一次采全高开采工艺可行性分析
厚煤层采煤工艺有3种，即综采放顶煤开采、分层开采和一次采全高开采。
1．1．1 厚煤层分层开采工艺分析
分层开采从经济性上分析，巷道工程量和施工维护费用成倍增加、回采设备搬家倒面费用成倍增加、通风安全费用成倍增加，同时由于留顶煤而降低了煤炭采出率。
分层开采从技术上分析，巷道布置复杂、采掘接替困难，不利于巷道围岩和顶板控制，容易发生冒顶等安全事故，影响回采速度。
1．1．2 一次采全高开采工艺分析
一次采全高技术是在中厚煤层综采的基础上，研制适应采高增大的成套设备和工艺技术后逐步发展形成的。
一次采全高技术具有经济效益显著，巷道布置系统简单，工作面搬家次数少，生产管理集中，工作面生产能力大，资源采出率高等特点，能克服设备需要更新换代和完善提高过程中的不足，并且在开采技术上是可行的。
1．2 一次采全高综采工作面设备可行性分析
大采高液压支架的稳定性、适应性和可靠性是决定厚煤层大采高成败的关键。
由国家科技部、国家发改委组织进行的“厚煤层高效综采关键技术与成套装备”和“年产600万吨综采成套装备研制”项目攻关研究，攻克了厚煤层综采关键技术，开发了高可靠性大采高综采成套设备，改变了我国大采高高端综采装备依靠进口的局面。国家“十一五”科技支撑计划项目“年产千万吨级矿井大采高综采成套设备及关键技术”的研究，填补了年产千万吨级矿井国产大采高综采成套设备的空白。
6.3m厚煤层大采高综采成套设备的研究开发和应用，积累了设计、制造以及大采高生产工艺的经验，为进一步开发7m厚煤层一次采全高综采成套设备奠定了良好的基础。
2. 一次采全高综采工作面设备的配套分析
2．1 厚煤层综采工作面开采技术参数的确定
厚煤层工作面开采技术参数包括采高、工作面长度以及推进长度。
2．1．1 采高
采高参数的确定主要取决于拟开采煤层的赋存厚度条件与液压支架所能达到的最大支撑高度。
2．1．2 工作面长度
根据矿压显现规律观测，采高增加，矿压显现强度增强，工作面长度加长，矿压显现强度也会趋于强烈。在总结分析矿压实测成果的基础上，结合拟开采煤层的岩层结构赋存条件，充分考虑到采高、工作面长度对矿压显现和采场顶板岩层安全控制具有双重影响作用，结合大采高综采工作面的成功经验，确定采高为7m时，工作面长度以300m为宜。
2．1．3 推进长度
工作面连续推进长度主要在开采设计时，依据布置划分与地质条件等确定，同时也要考虑到采煤机、输送机和液压支架等关键设备的大修周期和使用寿命，并兼顾到综采工作面搬家难度大、时间长、费用高等因素。
2．2 厚煤层一次采全高支护技术的可靠性分析
2．2．1 液压支架设计与制造技术分析
目前，国内外设计制造6.3m液压支架的技术已经日趋完善。国外自20世纪70年代中期开始发展大采高液压支架，国外厚煤层大采高液压支架的最大支撑高度已达7m。虽然投入工业性试验的6.3m以上液压支架截至2009年上半年在国内还是一片空白，但基于在6.3m液压支架研发过程中积累起来的强大的技术支持和丰富的使用经验，并结合各制造厂商雄厚的设计制造实力，7m液压支架的制造是可行的、有把握的。
从设计上考虑，7m液压支架具有一定的超前性，但是稳妥可靠的。虽然在生产制造技术上有一定难度，但完全可以依托国内制造业现有基础予以解决。
2．2．2 支架稳定性分析
根据研究，支架的稳定性与支撑高度成反比规律。当支架高度过大时，其重心偏高，煤层倾角大于5º时，大采高支架可能发生翻倒事故，应从设计方面尽可能降低支架的重心。支架发生翻倒的极限角度在采高5m、6、7m时分别为23.6º、20.03º、17.4º，支架高度越大，稳定性越差。工作面存在倾角时，采高越大，支架下滑量越大。从目前国内、外支架设计与制造角度，当支撑高度过大时，应增加支架宽度，尽量降低支架重心，架间设连接千斤顶。考虑到支架高度增加后，稳定性将会变差，因此，为增加支架稳定性，应适当将支架宽度(支架中心距)由采高6.3m时的1.75m加宽为2.05m。
2．3 大采高综采工作面设备配套参数
7m厚煤层一次采全高综采工作面设备技术参数及其与6.3m采高综采工作面设备技术参数的比较。
2．4 设备配套合理性验证
2．4．1 液压支架
液压支架的支护强度应该大于顶板所需的支护强度。顶板所需的支护强度取决于顶板的等级和煤层厚度，可按经验公式确定，即：q=10-5k1Hγ 式中，q为支护强度，MPa；k1为作用于支架上的顶板岩石厚度系数，k1=5～8；日为煤层采高，m；y为岩石密度，γ=2.6t/m3.
2．4．2 采煤机
在7m厚煤层一次采全高工作面中，采煤机的装机功率P=3000kw，生产能力QT=6000t/h，相比于6.3m采高工作面采煤机分别有25％、22％的提高。同时采煤机采高提高到6.8m。该采煤机能够满足7m厚煤层一次采全高的要求。
2．4．3 刮板输送机
刮板输送机的生产能力为6000t／h，能够满足7m厚煤层采煤机的生产要求，同时相比于6.3m厚煤层一次采全高的刮板输送机能力有43％的提高，完全能够满足7m厚煤层一次采全高的要求。
3. 综采工作面设备关键技术分析
3．1 7m液压支架关键技术
(1)研究大采高液压支架整体适应性。包括大采高支架与围岩关系研究、高工作阻力支架结构可靠性研究。
(2)大工作阻力支架由于立柱、推移缸径大，影响移架速度，对电控及主阀流量要求较高。
(3)液压支架采用Φ500mm双伸缩立柱，目前国内外还没有完全符合规格要求的管材，需要开发。目前国内最大只能轧制Φ420mm管材，国外也只使用过最大Φ480mm的主柱。
(4)目前进口主阀内部通径最大只有20mm，最大流量450L／min，而7m液压支架需要主阀流量达到600L／min，需要研发新的大流量主阀和立柱液控单向阀。
(5)立柱安全阀流量需要2000L／min，目前国内使用的安全阀流量最大为1000L／min，需要研发新的安全阀。
3．2 采煤机关键技术
(1)目前世界上采煤机最大滚筒直径为3.2m，需要研发3.4m直径滚筒。
(2)目前世界上采煤机摇臂最大功率为900kw，需要研发1200kW以上大功率摇臂。
(3)目前世界上采煤机配套最大牵引块为U2000型，牵引力为1000kN。需要研发U3000型牵引块，牵引力可达1650―2000kN。
(4)采煤机稳定性与采高成反比，随采高的增加而降低，需要研究采煤机的整机稳定性。
(5)可靠性已成为国内外煤矿机械研究的重点，建立采煤机整机的可靠性模型以及进行关键零部件的可靠性分析、可靠性设计是提高大采高电牵引采煤机可靠性的关键。
3．3 刮板输送机关键技术
(1)由于工作面采高加大，采煤机滚筒直径增大，刮板输送机驱动功率也相应加大，从而导致刮板输送机体积增大。为了保证机头割透性，要求工作面运输巷宽度在6m以上。
(2)目前世界上刮板输送机链条最大直径为50mm，需要研发更大直径的链条。
(3)目前世界上刮板输送机驱动功率最大为3×1000kW，需要研发更大功率的驱动部。
4 结论
技术分析得出一次采全高开采技术能够用于7m厚煤层的开采，并且相比于综采放顶煤开采和厚煤层分层开采有显著的经济效益。基于现阶段大采高综采成套设备的研究和应用，能够开发出7m厚煤层一次采全高综采成套设备。7m厚煤层大采高综采工作面设备能够满足工作面安全生产的需要。支架高度增加后，为增加支架稳定性，将支架宽度(支架中心距)加宽为2.05m。采煤机采高增加到6.8m，采煤机和刮板输送机生产能力提高到6000th。
参考文献
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