曹家滩煤矿大采高智能化综放面工艺优化

雷亚军，闫少宏，王 锐，申宇鹏，华照来，周小坡

(1.陕西陕煤曹家滩矿业有限公司，陕西 榆林 719000；2.中国矿业大学(北京) 能源与矿业学院，北京 100083)

综放开采技术是我国现阶段厚煤层开采主要手段之一，也是我国煤炭开采技术引领世界的重要标志[1-4]，伴随着互联网技术的成熟与智能化装备的普及，煤炭企业致力于推动综放开采智能化建设，从工作面装备及智能化系统构建等多角度入手积极推动了大采高综采和大采高综放开采智能化的进步与发展，煤矿井下逐步从“少人化”向“无人化”目标迈进[5，6]。我国综放工作面智能化建设已取得了显著的成果，从综放工作面采煤机、液压支架、刮板输送机等装备到智能化操控均取得了良好的效果[7-11]，伴随着智能化装备的普及综放工作面的高产高效进入了“精准化”开采新局面，综放工作面亟待符合智能化开采水平的工艺优化研究[12-15]，由于开采环境特殊性及围岩结构的复杂性造成综放工作面开采过程中各设备的运行能力无法得到充分发挥[16-18]，针对这一难题，结合曹家滩煤矿综放工艺及装备特点，对井下各工艺参数进行实测，通过大量的实测数据研究各设备运行的情况，分析各个工序所用时间和工作面采煤机开机率，提出了曹家滩综放工作面工艺优化提高的主要途径，为综放工作面开采智能化建设提供理论依据。

1 工程概况

曹家滩煤矿122107综放工作面位于12盘区西翼，开采煤层2-2煤，工作面倾向长度300m，走向长度6012m，煤层总厚度11.8m，煤层硬度2.0～3.0，煤层平均埋藏深度317m，煤质为长焰煤、不粘煤，煤层倾角0°～4°，煤层结构简单，基本顶中粒砂岩厚3.7～30.8m，直接顶细粒砂岩厚1.38～18.6m，直接底砂质泥岩厚1.41～5.1m，基本底细粒砂岩厚2.0～14.23m。122107综放工作面采用走向长壁后退式综放采煤法，工作面放煤为单轮顺序放煤，单日推进10m，端面距790mm。

2 综放面工艺参数实测研究

2.1 采煤机工艺参数实测

工作面割煤方式为端部斜切进刀双向割煤。回采工艺可分为十二工步法，需要设置首部支架号、尾部支架号、采煤机长度、机头折返点、机尾折返点五个参数，如图1所示，可以将工作面划分为机头端部区、机头进刀区、中间段、机尾进刀区和机尾端部区等五个区段，其中机头进刀区、中间段、机尾进刀区又是放煤区段，采取跟班实测，并将测到的数据进行整理分析。

图1 采煤机端部斜切进刀双向割煤工艺空间顺序

2.1.1 机头、机尾进刀距离实测

统计综放面采煤机割煤169刀煤过程中机头、机尾进刀距离分布特征，如图2所示。由图2可以得出：采煤机从机头、机尾进刀距离均呈现出明显的正态分布特征；机头进刀最短距离28.7m，机头进刀最长距离55.35m，机头进刀最佳距离36.9m，距机头煤壁内侧距离为55.4m；机尾进刀最短距离28.7m，机尾进刀最长距离49.2m，机尾进刀最佳距离38.95m，距机尾煤壁内侧距离为57.45m。

图2 机头和机尾进刀距离分布特征

2.1.2 采煤机循环时间实测

将采煤机运行过程中各阶段所对应的时间进行分解，对回采工艺中“十二工步法”对应的时间进行统计，并求取平均值，得出采煤机双向斜切进刀工艺时间关系，如图3所示。由此可得：采煤机机头(机尾)进刀及直线段范围内用时规律呈现出明显的对称性，机头(机尾)在进刀过程中时间主要集中在5～7min范围内，平均时间分别为5.4min、5.7min，机头(机尾)在割三角煤过程中时间主要集中在8～11min范围内，平均时间分别为9.4min、8.7min，机头(机尾)在直线段割煤过程中时间主要集中在60～80min范围内，平均时间分别为72.9min、71.9min，采煤机完成一个循环所用时间88～90min。

图3 采煤机双向斜切进刀工艺时间关系

2.1.3 采煤机运行速度实测

将采煤机运行过程中各阶段所对应的距离与时间进行统计，并求取平均值，得出采煤机双向斜切进刀工艺速度关系，如图4所示。由此可得：采煤机机头(机尾)进刀速度7.1～7.2m/min，机头(机尾)割三角煤速度4.1～4.6m/min，机头(机尾)直线段割煤速度4.0m/min。

图4 采煤机双向斜切进刀工艺速度关系

2.1.4 工作面开机率实测

由采煤机运行开机率统计情况可知，早班生产时间均值184.9min，生产误时55.1min，开机率为77.1%；中班生产时间均值为354.2min，生产误时为125.8min，开机率为73.8%；晚班生产时间均值为358.1min，生产误时为121.9min，晚班开机率为74.6%，将早、中、晚开机率求均值可得平均开机率为75.2%，综放工作面三班开机率的统计分析曲线如图5所示。

图5 采煤机开机率变化规律

2.2 放煤工艺参数实测

综放支架放煤时间实测曲线如图6所示，由图6可以得出：综放支架放煤时间呈现出“类梯形”分布特征，两端头顶煤破碎不充分造成放煤时间短，从两端头至工作面中部放煤时间明显增大；为了便于数据分析，选取顶煤破碎效果较好的中部区域进行研究，此区域内放煤时间在100～140s范围内随机分布，其均值为介于110～120s范围内，这个实测数据为智能化放煤工艺优化提供了有益参考。

图6 支架放煤时间空间分布特征

2.3 支架移架工艺实测

1)支架移架时间实测。移架时间如图7所示，由图可知：移架时间为15.5～17.3s，平均16.7s。

图7 工作面支架移架时间分布特征

2)支架伸、收护帮板时间实测。支架伸、收护帮板时时间实测如图8所示，由图8可知：伸护帮板时间为8.6～10.2s，平均9.6s；收护帮板时间为17.1～25.7s，平均21.6s。

图8 支架推移刮板机及伸护帮板时间

3)推、拉前后刮板输送机时间实测。推、拉刮板输送机实测如图9所示，由图9可知：推前部刮板输送机时间为8.2～9.6s，平均8.9s；拉后部刮板输送机时间为8.1～10.2s，平均9.3s。

图9 支架移架及收护帮板时间

3 综放面工艺优化研究

3.1 工作面开采参数优化研究

综放工作面日产量与工作面长度、推进度、采高、回采率等因素有关，计算公式如下：

Qd=L×n×B×M×γ×K

(1)

式中，Qd为工作面产量，t/d；L为工作面长度，m；n为工作面进刀数，次；B为采煤机截深，m；M为工作面采高，m；γ为实体煤容重，t/m3；K为工作面采出率， %；V为采煤机在直线段平均截割速度，m/min；k1为工作面当日开机率，%；t1为在上端头部所用时间，min；t2为在下端头所用时间，min；L1为在上端头斜切进刀距离，m；L2为在下端头斜切进刀距离，m。

从式(1)—式(2)可以看出，为了增加工作面产量，可以从以下几方面入手：在设备能力满足的条件下加大工作面长度；加大采煤机的截割速度；加大采煤机每刀进尺；提高工作面的当日开机率；适当加大工作面采高。

3.2 工作面开采参数优化措施

曹家滩大采高综放工作面目前采高已达到6.0m，再增加将会带来片帮冒顶的风险；目前工作面的开机率已达到了75.2%，设备可靠性与管理水平已相当高了，再提高潜力不大，因此，可从加大工作面长度、提高采煤机截深、提高采煤机割煤速度三个方面提高曹家滩煤矿大采高综放工作面产量，当三个参数调整后其他的工艺应做协调性调整。

3.2.1 适度加大工作面长度

1)我国工作面开采强度逐渐增大。随着我国煤机装备与开采技术的快速发展，工作面长度参数也逐渐增加。据统计，1978年我国综采工作面平均长度为124.5m，一般为150m左右，目前已达到了400m(大采高综采)，300m(综放)，260m(刨煤机综采)，这些矿井大都集中在我国榆神矿区，目前我国典型大采高综放工作面开采参数统计见表1，可以看出，综采工作面长度大部分集中在300～400m，综放工作面200～350m。因此，曹家滩煤矿可适度加大工作面长度至350m。

2)美国井工煤矿工作面长度呈增大趋势。近40年来，美国长壁工作面的尺寸越来越大，往往要满足1a的回采期。工作面长度介于152～482m，大部分工作面长度大于366m。工作面推进长度介于976～6860m之间，而一半以上的工作面推进长度在2439～4268m之间，并且工作面尺寸还有继续增大趋势。

表1 我国典型大采高综放工作面开采参数

3.2.2 提高采煤机截深

我国综采面采煤机截深大多为0.6m、0.8m，从表1就可看到，大采高综放开采采煤机截深全为0.8m，鲜有1.0m截深的报到，而美国采煤机的截深逐渐增大，据调研统计一次割煤进刀量为0.76～1.07m，其中70%以上的进刀量为1.07m，2017年美国井工煤矿233座，有近163座煤矿工作面的截深在1.07m以上，这也是因为美国综采面采高在1.2～2.5m范围内，片帮冒顶容易控制。因此，曹家滩煤矿可提高采煤机截深至1.0m。

3.2.3 提高采煤机割煤速度

通过对曹家滩122107综放面一个多月的现场实测，采煤机在进刀时平均速度为7.1～7.2m/min，瞬时最大值12m/min(集中于10m/min)，割三角煤区运行速度平均4.1～4.6m/min，瞬时最大值8m/min(集中于6m/min)；在中部割煤速度平均为4.0m/min，瞬时最大值为8m/min(集中于6m/min)，远低于采煤机的性能指标，良好的采煤机性能没有得到充分发挥和挖掘，影响工作面产量和效益。因此，曹家滩煤矿可将采煤机割煤速度提高到6～8m/min。

据调研统计美国采煤机割煤速度可以达到45.7m/min。2016年在澳大利亚Bebody煤矿下井调研时，实测采煤机割煤速度10m/min，空刀运行18m/min(采高3.5m，JOY设备)，因此从趋势来看，加快采煤机割煤速度是实现工作面高产高效的有效途径。

3.2.4 综放工作面产能确定

按以下参数计算：工作面长度350m、采煤机截深1.0m、采煤机割煤速度按6～8m/min，煤层厚度11m，采放比1∶1(底煤1m，机采高度5m，放煤高度5m)。

通过提高采煤机运行速度至6～8m/min，工作面倾向长度350m、采煤机截深1.0m，单刀循环时间缩短为51.3～68.4m/min，单班生产刀数为5.6～7.5刀，每天生产刀数14.0～18.75刀，生产单班产量为21631.1～28970.3t，每天产量提升为54077.8～72425.8t，每月产量为162～217万t，每年产量1784～2390万t，效率是现阶段的1.8～2.4倍。

3.2.5 提高支架移架和推溜速度、护帮板收放速度

通过对曹家滩122107综放面一个多月的现场跟班实测，得到循环移架时间为16.7s、推前刮板输送机时间为8.9s、拉后刮板输送机时间为9.3s、伸护帮板时间为9.6s、放护帮板时间为21.6s。据统计美国目前在电液控制系统下支架的移架循环时间已经减少到6～8s。只有提高这些设备的动作时间才能保证与采煤机快速割煤速度相适应。因此，按采煤机运行速度6～8m/min计算，循环移架时间应为8.4～11.1s、推前刮板输送机时间应为4.5～5.9s、拉后刮板输送机时间应为4.7～6.2s、伸护帮板时间应为4.8～6.4s、放护帮板时间应为10.8～11.4s。

3.3 综放工作面放煤方式优化研究

结合曹家滩煤矿的地质条件，采用PFC2D模拟软件对单轮顺序成组放煤、单轮间隔成组放煤、两轮顺序成组往返放煤三种放煤方式进行研究，三种放煤方式条件下各阶段顶煤回收率的时空分布特征如图10所示。通过对比三种放煤方式的顶煤回收率变化特征可知，“两轮顺序成组往返放煤”的顶煤回收率远高于单轮顺序、单轮间隔放煤，曹家滩煤矿放煤方式可以调整为两轮顺序成组往返放煤。

图10 三种放煤方式下综放面顶煤回收率分布曲线

4 结 论

1)通过实测得出：采煤机在机头侧斜切进刀距离55.4m；在机尾侧距离为57.45m；采煤机完成一个采煤循环所用时间88～90min；采煤机机头(机尾)进刀速度7.1～7.2m/min、机头(机尾)割三角煤速度4.1～4.6m/min、机头(机尾)直线段割煤速度4.0m/min；工作面平均开机率为75.2%；每个支架放煤时间在100～140s范围内随机分布，均值介于110～120s。

2)曹家滩综放工作面工艺再优化提高的主要途径：适度加大工作面长度至350m、提高采煤机截深至1.0m、提高采煤机割煤速度至6～8m/min、同时循环移架时间应为8.4～11.1s、推前刮板输送机时间应为4.5～5.9s、拉后刮板输送机时间应为4.7～6.2s、伸护帮板时间应为4.8～6.4s、放护帮板时间应为10.8～11.4s，工作面月产量可以达到162～217万t，年产量可以达到1784 ～2390万t，放煤方式调整为两轮顺序成组往返放煤，开采效率将是现阶段的1.8～2.4倍。