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山西省科学技术奖推荐书
科学技术进步类(2016年度)
一、项目基本情况
学科(专业)评审组采矿选矿与安全工程评审组序号16项目类别技术开发编号项目名称中文英文Keytechnologyanddemonstrationforcoal-gassimultaneousextractioninthethincoalseammanlessminingface主要完成人主要完成单位推荐单位项目名称可否公布密级定密日期保密期限(年)定密审查机构主题词学科分类煤矿开采代码440.35102代码3代码所属国民经济行业(B)采矿业任务来源具体计划,基金的名称和编号(2016AA062101)项目起止时间起始:201年月1日完成:201年月31日本项目属于煤炭地下开采领域,开发了.
本项目综合运用,理论分析,数值模拟及现场实测等方法:
本项目在理论与技术取得重大突破,项目整体达到国际先进水平. 三,项目详细内容
1.立项背景我国薄煤层占总储量的20.4%,很多是国民经济发展必需的焦煤等稀缺煤类.但由于地质条件和开采环境复杂,薄煤层开采存在机械化程度低,劳动强度大,作业环境差等问题,产量仅占总产量的10.4%.很多矿区都存在着包括薄煤层在内的低透气性高瓦斯近距离煤层群条件,若先开采突出煤层则易造成:①煤与瓦斯突出危险性大,易人员伤亡事故,②为防止采掘期间煤与瓦斯突出采取的措施,造成岩石巷道工程量大,钻孔抽采量大和人力物力财力消耗大,③薄煤层资源被破坏而不能继续开采.大量实践表明,选择薄煤层作为保护层进行开采和预抽煤层瓦斯可有效防治煤与瓦斯突出,同时开发了优质煤炭和煤层气资源.无人工作面开采技术是实现煤矿安全高效生产的新途径,特别是对长期发展缓慢的难采薄煤层开发具有重要战略意义,同时也是实现低透气性高瓦斯煤层群安全高效开采的有效途径.
在国家863计划"薄煤层开采关键技术与装备",国家自然基金面上项目"煤层群薄煤层机械化开采卸压增透机理研究",国家自然基金青年基金项目"长壁工作面采煤机自主定位系统关键技术研究"等项目支持下,进行了薄煤层无人工作面煤与瓦斯共采关键技术研究.
华晋焦煤有限责任公司沙曲矿位于山西省吕梁市,可采储量12.76亿t.全矿井绝对瓦斯涌出量479.91m3/min,相对瓦斯涌出量103.75m3/t,属煤与瓦斯突出矿井.3+4#煤层相对瓦斯含量为11.56m3/t,瓦斯压力1.5MPa,5#煤层相对瓦斯含量为14.74m3/t,瓦斯压力为2.4MPa.3+4#重叠煤层,5#煤层为高瓦斯煤层,具有突出危险性,且具有透气性差,坚固性系数小,瓦斯含量高,吸附性强,瓦斯涌出初速度衰减快等特点.2#薄煤层瓦斯含量相对较低,且无突出危险性,属优质焦煤,被誉为"中华瑰宝",2#煤层与3+4#重叠煤层,5#煤层间距分别为14m,22.1m,形成了近距离煤层群.结合华晋焦煤有限责任公司沙曲矿低透气性高瓦斯煤层群地质生产条件进行了薄煤层无人工作面煤与瓦斯共采技术现场应用,为类似条件下开采提供了示范.
2.详细技术内容2.1总体思路
2.2主要技术方案
2.2.1开发了无人工作面开采关键技术
创新成果之一:建立了无人工作面系统工程模型,研究开发了煤岩界面自动识别,采煤机自动调高和自主定位等关键技术,进行了自主定位系统误差分析,构建了薄煤层自动化无人工作面开采技术体系.采用回采巷道集中控制,实现了作为保护层的薄煤层的无人工作面开采.1)建1所示.
图1无人工作面系统模型
图无人工作面
2)研究开发了煤岩界面自动识别,采煤机自动调高技术
煤岩界面自动识别和采煤机自动调高技术是实现无人工作面开采的关键,用现代信息处理技术和传感器技术,对不同煤岩介质的电参数特征,煤岩界面电磁波传输机理,红外视频或热释电探测器等方面进行煤岩分界测试原理的研究,同时研究摇臂角测量控制摇臂高度技术,使采煤机滚筒自动跟踪煤层变化.国外进行煤岩界面识别研究较早,探测方法多样,主要技术见表1.
表1煤岩界面识别主要探测方法
方法
原理
特点
人工γ散射法
将人工放射源和放射性探测器放在顶煤的下方,放出的γ射线作用顶煤后被发射回空气中并被探测器探测到
穿透能力有限,所测到的顶煤厚度不大于250mm,难于保证与顶煤良好接触,煤中夹杂物影响探测精度
振动测
试法
监测采煤机截齿,摇臂,油缸压力转轴及机身的振动信号,经过信号分析处理来判断采煤机是否切割到顶底板
截齿经常切入岩石,截齿损耗较大,某些采煤工艺要求预留顶煤,不适用于高瓦斯矿井
天然γ射线法
顶板中通常含有钾,钍和铀三大放射性元素,以顶板和顶板中的天然γ射线为放射源以剩余煤层为衰减物质,根据衰减规律确定顶煤厚度
优点:无放射源,探测范围较大,可达50mm,放射源为非接触,不易损坏.缺点:不适合煤层夹矸较多,煤层中不含放射元素以及放射元素较低.
雷达探测法
当电磁波透过顶煤向上发射时,由于煤和顶板不同,在煤岩界面上电磁波会被反射,反射波的速度相应滞后
优点:无需预先求取煤岩物理特性,适应范围较广.缺点:探测范围太小,当顶煤厚度增加时,信号衰减严重.
热敏测量技术
用高灵敏度的红外测温仪定向测量切割截齿附近煤岩体的温度,根据切割时产生的温度不同,据此来判断滚筒是否切割到煤岩界面
红外辐射对粉尘的穿透能力强,高灵敏度的红外测温可测出正负0.1的温度变化.
所示,进刀过程中煤岩界面识别及自动调整采高如图
图3煤岩自动识别与采煤机自动调高方法图4具体进刀过程流程图
3)研究开发了采煤机自主定位关键技术,进行了自主定位系统误差分析
图自主定位系统工作原理
图实验室采煤机自主定位系统装置图
根据采煤机在工作面的运动特征,采煤机牵引割煤进刀割煤调整采高时的动力学模型采煤机动力学分析煤机受力如图7所示.由于采煤机前后滚筒在运动的过程中不对称,以某滚筒为例首先分析采煤机滚筒受力状况.Rai,Rbi,Rci分别为滚筒上第i个截齿的侧向阻力,推进阻力和截割阻力,RZ,Rx和Ry分别表示滚筒所有参加截割(Ni)受力沿x,y,z坐标轴的分力之和.
(a)采煤机整体受力图(b)滚筒受力
采煤机受力图
(1)
(2)采煤机进刀割煤期间的动力学模型
(2)
(1)采煤机调整采高期间的动力学模型
(3)
通过建立自主定位系统误差模型,提出了采用卡尔曼滤波方法消除减少测量误差采用回采巷道集中控制实现了作为保护层的薄煤层的无人工作面开采对沙曲矿22201工作面无人工作面设备选型结合自动控制设备实现自动化控制.序号
设备名称
型号
主要技术参数
数量
序号
设备
名称
型号
主要技术参数
数量
1
采煤机
MG2X150/700-WD1
装机功率:700kW
适应采高:1.20~2.05m
牵引速度:0~9.01m/min
1
10
喷雾泵,冷却泵
PB320/4.3
压力:4.3MPa
流量:19.3m3/h
功率:125kW
1
2
中部液压支架
ZY3600/07/14.5D
支护强度:0.37~0.49MPa
工作高度:0.7~1.65m
96
11
清水箱
QX320/20
320L
1
3
过渡液压支架
ZYG3600/07/14.5D
支护强度:0.37~0.45MPa
工作高度:0.7~1.65m
4
12
双速绞车
SDJ-20
双速,功率:22kW
2
4
工作面刮板输送机
SGZ730/320
装机功率:2×160kW
额定电压1140V
输送能力:650t/h
刮板链速:1m/s
1
13
回柱绞车
JM-14
牵引力:140KN
功率:18.5KW
1
5
转载机
SZB-730/75
能力1000t/h
功率75kW
电压1140V
1
14
调度绞车
JD-1
功率:11.4KW
电压:660V
1
6
破碎机
PCM-110
破碎能力:1000t/h
最大粒度:300mm
装机功率:110kW
电压:1140/660V
1
15
JD-1.6
功率:25kw
电压:660/380v
1
7
可伸缩胶带输送机
SSJ-1000/2×200
长度:2000m
带宽:1000mm
输送能力:1000t/h
功率:2×200kW
2
16
无极绳绞车
JWB75BJ
牵引力:60/35(100/60)KN
功率:75KW
1
8
乳化泵
BRW-315/31.5
流量:315L/min
压力:31.5MPa
功率:200kW
2
17
水泵
BQW-7.5
电压:660V
功率:7.5Kw
6
9
乳化液箱
RX400/25
400L
1
18
牵引绞车
JQB-20W
660V
1
KTC101控制器及SAC电液控制系统,采用回采巷道集中控制技术在机轨合一巷内设置集中控制中心,通过KTC101控制器自动化控制采煤机,刮板输送机,SAC电液控制系统通过支架红外线传感器以采煤机位置为依据实现支架的跟机自动化,实现了薄煤层工作面无人化开采,其中各设备的管理控制结构如图所示
图722201机轨合一巷集中控制结构
2.2.2提出并应用了低透气性高瓦斯近距离煤层群薄煤层上保护层沿空留巷Y型通风技术
创新成果二:在低透气性高瓦斯近距离煤层群开采条件下,确定了薄煤层上保护层沿空留巷膏体混凝土充填墙体材料及合理尺寸,应用沿空留巷Y型通风技术解决了回采工作面上隅角,回风流瓦斯超限问题,提高了优质焦煤资源回采率.沙曲矿井北翼山西组2#煤层平均厚度1.1m,下距3+4#煤平均14m,下距5#煤平均22.1m,下距6#煤39.7m.3+4#重叠煤层厚度平均4.12m,5#煤平均3.6m,近距离煤层群2#煤层无煤与瓦斯突出危险性,3&
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