安全高效矿井发展概况.ppt

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1、安全高效矿井开采技术,授课教师：鲁岩 博士电话：邮箱：,安全高效矿井开采技术,1 安全高效矿井发展概况,1 安全高效矿井发展概况,安全高效煤矿是指通过现代高新技术对传统采煤技术进行改造，采用新的采煤工艺和新的技术装备，运用新的控制监测设施和新的科学管理技术及方法，在一定时期内，矿井产量和效率等主要技术经济指标明显高于同类矿井平均水平的矿井。安全高效矿井建设，是以安全高效矿井为样板、作导向，以不同层次条件的矿井建设为主要内容，充实内涵、改进技术、加强管理，提高主要煤矿的技术经济效果，从而推进整个煤炭工业的发展。,1.1 国外安全高效开采技术概况,综合机械化采煤是煤矿开采技术现代化的重要标志。20

2、世纪80年代末以来，世界主要产煤国家安全高效综采技术飞速发展，特别是美国、澳大利亚、德国、英国和南非发展最快，综采工作面安全高效纪录不断刷新，综采装备新技术层出不穷。,1.1.1 安全高效工作面综采设备 安全高效综采技术的核心是工作面综采设备，近10年来，工作面三大配套设备-采煤机、刮板输送机和液压支架，在设计方法和结构上都有了重大发展，主要是提高设备生产能力和可靠性，改进操作性能。,1）采煤机,国外采煤机的技术特点和发展趋势:(1)牵引方式采用电牵引 国外目前新开发的采煤机，特别是大功率采煤机基本上都是采用电牵引方式。(2)装机总功率不断增大 国外采煤机电机截割功率通常在40OkW以上，功率

3、大的已达10OOkW;牵引电动机功率均在40kW以上，最大达到125kW;总装机功率通常超过10OOkW，最高已达20OOkW以上，牵引速度普遍达到1525m/min，牵引力达到757kN以上。截深为100012OOmm，个别已达15OOmm。,(3)元部件可靠性大幅提高 为提高采煤机的可靠性，减小故障率，采煤机齿轮的设计寿命已提高到20OOh以上，轴承的寿命提高到300Oh以上。(4)交流变频成为主流调速方式 由于交流变频调速电牵引系统具有技术先进、可靠性高，维护管理简单，价格低廉等特点，交流牵引成为今后电牵引来煤机的发展方向。采用2个变频器分别拖动2台牵引电机的牵引系统，这种一拖一的牵引系

4、统也正被逐步采用，成为电牵引技术发展的又一个特点。,(5)无链牵引从销轨向齿轨式发展 圆柱销被齿轨所取代，宽度增大，节距由125mm增加到175mm,所传递的牵引力大大提高。(6)普遍采用中高压供电 由于装机功率大幅提高以及工作面的不断加长(达到300m)，整个工作面供电容量超过50OOkW。新研制的大功率电牵引采煤机几乎都采用中高电压供电。主要供电等级有2300,3300,4160和5000V等。,(7)监控保护系统的智能化 新型的电牵引来煤机具有建立在微处理机基础上的智能监控、监测和保护系统，可实现交互式人机对话、远近控制、无线电随机遥控、工况监测及状态显示、数据采集存储及传输、故障诊断及

5、预警、自动控制等多种功能，以保证采煤机具有最低的维修量和最高的利用率;并可实现采煤机滚筒沿工作面煤层自动调节采高等控制功能。,2)刮板输送机 工作面刮板输送机发展成为大功率、高强度、高可靠性的运输设备。目前工作面刮板输送机最大工作长度已达 335m,最大输送能力达3500t/h，最大功率1412kW。使用寿命达到600120O万t过煤量。采用软启动技术和故障诊断和工况监测技术，可以连续监测输送机各部件的运行状态，进行故障诊断和报警。,3)液压支架 液压支架近10年来主要的发展趋势是向两柱掩护式和四柱支撑掩护式架型发展，架型结构进一步完善，参数向高工作阻力、大中心距(1.75m、2m)发展;支架

6、工作阻力大部分在70008000kN，最大的两柱掩护式支架工作阻力达到9800kN，支架的耐久性试验循环次数达50000次。支架的寿命达14年以上。,应用电液控制技术，采用电磁(或微电机)控制的先导阀，先进可靠的压力和位移传感器，灵活自由编程的微处理机技术，红外遥感技术等现代科技成果，使液压支架的动作自动连续迸行，移架速度大大提高，支架循环时间达到68s。配合采煤机的煤岩识别系统等先进技术，可实现工作面自动控制。,1.1.2 美国长壁工作面设备与生产能力发展趋势 在过去的十多年里，美国井工长壁生产煤矿的煤炭年产量迅速增加，矿井平均煤炭产量由131.4Mt/年增加到 172.7Mt/年，而矿井雇

7、员却从 26537人减少到16611人，长壁生产矿井个数由76个减少到53个，矿井生产效率由2.40t/人/小时增加到4.67t/人/小时。产量最高的长壁工作面年产量由1989年的4.4OMt/年增长到1999年的7.9OMt/年。,1)采煤机的生产能力 目前采煤机的截割速度一般在0.200.250m/s。一些新研制开发出来的采煤机的截割速度达到了0.40.6m/s。计算机系统的装备，包括具备模拟功能和带记忆功能的切割设备和采煤机设备，以及具备超前防护作用装置的应用，使长壁工作面的生产能力和效率持续得到改善。安装在采煤机上的计算机人工智能系统，可根据煤层地质条件的实际变化情况，来自动地改变采煤

8、机的运行状态参数。,2)长壁工作面铠装输送机 工作面铠装输送机锚链的直径也不断增大。现阶段，高产长壁工作面铠装转送机溜槽宽度通常为1342mm，采用两根直径为42mm的锚链，总装机功率222OkW。这种销装输送机用于300m长的工作面，运输量可达到5000t/h。,3)长壁工作面顶板支架 重型支架设计制造成二柱型，支架柱子的直径也增加到40Omm以上。使用寿命要求能大于60000个生产循环，大型支架立柱的直径在掩护支点到立柱柱窝间的中心距达到1.75m时，必须具有足够的支护强度的要求。满足采煤机的截割深度在大于100Omm条件下支撑力大幅度提高的要求。,4)盘区胶带输送机(或矿井主输送机)美国

9、大多数长壁开采煤矿使用的胶带输送机的宽度为 13721524mm。大多数采用长壁开采技术或连续采煤机开采的煤矿将宽度为1524mm胶带输送机作为标准设备，用作矿井的主输送机。随着长壁工作面设备生产能力的继续加大，宽度为1829mm的胶带输送机有可能会成为矿井主输送机的首选设备，盘区胶带输送机的输送速度为3.6m/s，矿井主胶带输输送机的输送速度为5.1m/s。,就目前的情况看，美国煤矿长壁工作面生产效率和产量将继续保持增加的趋势。将来，长壁生产矿井的生产效率和产量增加的关键将主要取决于工作面设备系统性能的全面改善。因此，为与长壁工作面采煤设备的生产能力与效率相适应，必须提高工作面支护设备的支撑

10、能力和可靠性。,5)美国20英里矿长壁工作面产量 美国塞浦路斯阿迈克斯矿物公司的20英里矿于1983投产，煤层顶底板条件很好，煤层的厚度在3m以上，1989年投资1200万美元完成长壁工作面改造。初期长壁盘区长2743m、工作面长195m，1993年，该矿将长壁盘区及工作面长度分别加大至3353m和256m，1999年，长壁工作面长度达到305m。,20英里矿自1994年以来连续7次创造长壁工作面月产量最高的世界纪录。1994年9月该矿长壁工作面创造的月产量是484843t。1997年6月月产量增加到908271t。20英里矿1999年的年产量达到820万t，人班小时生产原煤8.07t。,1.

11、1.3 世界先进采煤国家安全高效矿井地质与采矿技术的主要特点 煤层赋存条件好，煤层绝大部分为水平煤层，以中厚煤层居多，并且煤层埋藏浅。绝大多数为单一长壁工作面综采，多是一井一面，日产万吨以上，年产200万t以上，工作面效率15Ot/工以上，矿井全员效率30t/工以上。,广泛采用大功率高效能重型成套综采设备，设备可靠性高。采煤机总装机功率最大已达153OkW，采高5m，大修周期2a，可采煤400万t500万t。工作面刮板输送机装机功率己达225OkW，槽宽达1.2m，最大输送能力400Ot/h，过煤量600万t/a以上，液压支架最大工作阻力已达980OkN;采、装、运和支护设备综合开机率达90%

12、以上。美国安全高效设备可用率达97%，采煤机大修间隔内平均采煤量达320万t，支架使用寿命一般在81Oa。平巷带式输送机装机功率(24)X(250300)kW，并装有中间驱动装置，最大运输能力达350Ot/h，铺设长度20OOm以上。,工作面设备配套合理。美国综采工作面刮板输送机、转载机、平巷带式输送机的生产能力一般大于采煤机最大生产能力的20%，为工作面稳定高产创造条件。工作面上、下平巷多巷布置，掘进采用连续采煤机，支护使用锚杆或锚网联合支护技术。矿井生产规模向大型化方向发展，矿井开拓方式、运输和通风系统进一步合理化、简单化，采区范围进一步加大，以提高采区综合生产能力。矿井生产强度、生产及安

13、全状况实现实时监测监控 辅助运输多采用无轨胶轮车，实现工作面快速搬家。,1.2 我国安全高效开采技术现状,1.2.1 我国安全高效煤矿的建设历程 20世纪70年代，我国煤矿地下开采的矿井己经形成了综合机械化采煤、普通机械化采煤、钻眼放炮采煤等并存的生产格局。但是单产均比较低，煤矿增产主要还是靠增面和增人。从1981年开始，提高采煤工作面单产和掘进工作面单进，在全国组织开展了等级采煤队和掘进队以及综采队年产百万吨的活动，当年就有2个采煤队达到年产百万吨;1983年就有8个采煤队达到年产百万吨。与发达国家先进生产水平相比，我们的差距仍然很大。,原煤炭工业部在总结我国发展机械化采煤经验的基础上，于1

14、992年根据国内外煤炭工业的形势和我国煤矿现代化建设的经验和教训，在邢台矿务局召开了开展安全高效矿井建设座谈会和工作会议。通过改造生产系统，大力采用新技术、新装备、新工艺，快速建设安全高效煤矿。,1993年，首批建成了12个安全高效矿井，从1993年到2000年，我国累计建成安全高效煤矿矿井123处。我国安全高效煤矿的建设，有力地促进了工作面生产技术和装备水平的提高，主要是采煤工作面装备的更新升级，如加大功率、采用电牵引采煤机和电液阀液压支架等技术，工作面单产水平和经济效益显著提高。安全高效煤矿采用的主要采煤工艺，均是世界先进的采煤工艺。在123处矿井中，采用综采(含综放)工艺的矿井已达95处

15、，占77.24%，部分煤矿的技术经济指标已接近或达到世界先进水平。,2005年，197处高产高效矿井生产原煤63517万吨，占全国原煤生产总量28.99%，平均单井产量322万吨，平均原煤工效17.543吨/工，平均每矿盈利1.58亿元，百万吨死亡率为0.045,其它各项技术经济指标也都接近或达到世界先进水平。,1.2.2 依靠科技进步建设安全高效矿井（1）我国对综采放顶煤开采进行了比较深入的研究，在窑街、阳泉、潞安、兖州等矿区试验成功，使综放采煤工艺在技术上有了新的突破并得到了较快推广。（2）研制成功了电牵引采煤机，最高可达到25m/min，牵引力一般可达950kN，MG系列电牵引采煤机己形

16、成了9大系列共几十个品种，装机总功率在4502215kW，采高范围1000600Omm。国内电牵引采煤机代表机型与目前国外最先进的电牵引采煤机相比，在总体参数性能方面已接近国外20世纪90年代中后期水平。,但在一些关键部件、以及总体性能、功能、适应范围还有待进一步完善和提高。尤其是电牵引采煤机的工况在线监测、故障诊断及预报、信号传输与采煤机自动控制、传感器件等智能化技术与国外相比还有一定的差距。表为国内具有代表性机型的采煤机主要技术参数。研制了与电牵引采煤机配套的输送能力可达15O0t/h刮板输送机以及与其相适应的桥式转载机和破碎机。采用高压大流量液压系统，并用大流量阀和电液阀控制，提高液压支

17、架支护强度，而且加大工作阻力，加快移架速度。,（3）通过引进部分国外设备与国内自制设备配套，进行了刨煤机综采全自动化安全高效研究，于2001年初在铁法局小青煤矿投人生产。晋城矿区新建的寺河煤矿，在煤层厚度平均6m左右、煤层硬度f=3.84.2和高瓦斯条件下，引进了国外大采高综采全自动化控制全套装备，最大采高达6.0m。（4）研制成功了多种型式的锚杆和锚网支护，在较大范围得到了推广应用。有的安全高效煤矿已经实现掘锚一体化，从而加快了采准巷道掘进速度。,我国悬臂式掘进机还停留在以切割煤为主的轻型掘进机上。通过多年的技术攻关，掘进机的机型从轻型发展到了中、重型，切割对象从煤拓展到了岩石，切割功率从3

18、OkW提高到2OOkW，机重从13t上升到56t。EBZ-16OSH型掘进机，在淮南和大同矿区都取得了良好使用效果，稳定切割时的顶底板平均岩石硬度可达8OMPa，如在煤岩比例为1:1的半煤岩巷道中，淮南谢桥二矿5个月中总进尺达到20OOm，最高月迸500m，最高日进30m;大同燕子山矿最高月进更是达到700m。表为国内具有代表性机型的悬臂式掘进机主要技术参数。,（5）在安全高效煤矿生产保障系统的监测方法和仪表应用方面也采用了多项新技术。例如，广泛将地震、电测井和物探方法用于探测井田和采区范围内的断层和构造，由集控制、监测、诊断于一体的智能化计算机系统控制电牵引采煤机、电液控制的液压支架。将计算

19、机技术、传感器技术、光纤技术与工业电视相结合，实现了井下胶带输送机地面集中控制。（6）采用合并采区、减少工作面简化生产系统和生产环节，实现单水平、单翼高度集中生产，并最终实现一个矿一个采煤工作面一条生产线。,1.2.2 我国安全高效开采技术现状 采煤方法及工艺是安全高效矿井建设的核心。近几十年来世界煤炭科学技术发展很快，特别是20世纪80年代以来，长壁安全高效综采技术的突飞猛进引起矿井生产技术的重大变革。我国煤矿通过30多年机械化开采摸索与实践，形成了厚及特厚煤层综放开采、大采高综采，中厚及薄煤层综采和连续采煤机旺格维利采煤法等安全高效采煤方法。,2005年我国有9处煤矿年产量超过千万吨，有3

20、个综采队年产量超过千万吨,神华集团神东煤炭分公司哈拉沟煤矿综采队1064万吨、上湾煤矿综采队1048万吨、补连塔煤矿综采一队1000万吨。神东煤炭公司上湾煤矿综采队10月9日在51104工作面生产原煤50944吨，刷新了工作面日产世界纪录。神东煤炭公司大柳搭矿大柳搭井4月23日共生产原煤86900吨，创世界单井日产原煤最高纪录。神东煤炭公司榆家梁煤矿月进尺最高达7802米。,山西焦煤集团汾西矿业公司新峪煤矿高档普采四队在煤层厚度1.6m条件下，全年生产原煤 118.29万吨，最高日产达到4657吨，成为我国第一个高档普采百万吨队。安徽淮南矿业集团公司张集煤矿全部采用国产综采设备，全年生产原煤7

21、02.2万吨，其中综采一队年产原煤363.58万吨，最高日产达到1.49万吨。山西潞安环能公司王庄煤矿综放一队采用全套国产综采放顶煤设备，生产原煤608万吨。,辽宁铁法煤业公司小青矿采用引进创煤机、工作面输送机及计算机远程控制系统，在1.7米煤层厚度条件下，平均月产达到20.9万吨、最高日产达到9188吨。山西大同煤矿集团公司晋华官矿综采三队采用全套国产综采设备(MG2O0型滚筒采煤机在薄煤层1.3米条件下，全年生产原煤104.24万吨、平均月产9.95万吨、最高月产13.45万吨、最高日产7166吨。,近年来随着放顶煤开采技术的发展，放顶煤支架设计已达国际先进水平。在支架液压控制系统方面，我

22、国以高压大流量快速移架系统为特征，形成了系统及相关阀组合，达到了平均移架速度小于12s/架的水平。我国综采工作面除一小部分迸口液压支架配备电液控制系统外，绝大部分工作面尚未使用这种控制系统。,SGZl200/1400型长运距、高可靠性工作面后部刮板输送机是目前我国开发研制的功率最大、槽宽最宽、铺设长度最长的缓倾斜放顶煤综采工作面超重型刮板输送机，并首次采用自动伸缩机尾、液压马达紧链装置、调速型液力偶合器及紧凑链等国外先进技术，其主要指标及可靠性达到了90年代中期国际先进水平。SGZlO00/1200型前部刮板输送机是目前国内规格最大的前部输送机，可以与国内外多种规格的强力采煤机及液压支架配套，

23、装机功率2X6OOkW。,1.3 我国安全高效开采技术发展趋势,(1)提高工作面单产(单进)和工效 提高综采装备能力是发展安全高效综采的关键，应用机电一体化、自动化和计算机智能化控制等高新技术，生产能力达到日产万t以上。主要设备包括：新型电牵引多电机驱动采煤机，总功率达15002000kW、截深1.Oml.2m，装备了以微型电子计算机为核心的电控系统，采用先进的信息处理技术和传感技术，实现了机电一体化；工作面刮板输送机普遍采用可控起动和工况监测技术，配备750kW以上大功率电动机，输送能力一般为20003000t/h。,液压支架普遍采用了微机电液智能化控制技术，工作阻力达800010000kN

24、,移架速度达68s/架以上；顺槽转载机装机功率最大达到525kW，具备自移功能；输送能力达到20003500t/h，输送距离达到20004000m，胶带运行速度不断提高，驱动功率超过2000kW。煤巷掘进与锚杆支护一体化快速掘进技术与成套装备，配备相应的掘进机械化作业线，逐步更新和装备大功率、中型掘进机，采用掘锚联合机组，岩巷耍坚持推广使用液压钻车作业线。,(2)矿井开采的高度集中化 煤矿生产进入综合机械化、生产高度集中化、开采强度高、产量大的时代，传统的开拓部署己不适应现代采煤技术和装备发展的需要。其发展趋势是生产高度集中化，简化矿井生产系统，尤其是简化巷道布置系统和运输系统环节，实现矿井合

25、理集中生产，实现“一矿一面、一个采区、一条生产线”的高效集约化生产模式。,（3）矿井主要参数的大型化 随着高效、强力、快速电牵引采煤机，重型刮板输送机的推广应用，安全高效工作面长度不断加长，采煤工作面长度和连续推进长度的加大，工作面长度达到350m以上、走向长度达到4000m以上，煤层最大开采高度达到5.56.0m，最低开采高度仅0.6m。,(4)矿井生产技术的现代化 安全高效矿井建设，实质上就是用高新技术对煤炭产业进行改造，提高采掘机械化装备水平。新型装备采用大功率传动技术、机电一体化技术及一系列先进结构，单机设备实现工况监测、故障在线诊断与预报、自动运行、信息储存和对外信息传输等功能；完成综采工作面自动化生产控制技术、网络化监测监控技术研究开发，,辅助提升运输采用从地面(井底)直达采煤工作面的运输，系统简单、环节少、快速、高效地解决矿井辅助运输问题，因地制宜地采用单轨吊、无轨胶轮车等辅助提升、运输设备，取得了较好的效益。主提升运输系统采用高效、大容量提升设备及采用大运量、长距离胶带输送机连续运输煤炭。矿井安全高效要装备先进的监测、监控系统，保障矿井生产的高安全性和高可靠性。,