何富連，王曉明，張廣超，謝生榮，王 歡，高 升

（中國礦業(yè)大學 （北京）資源與安全工程學院，北京 100083）

我國煤炭儲量大且賦存多樣化，其中薄煤層可采儲量約為60多億t，約占全國煤炭總儲量的19%，但其采出量卻不足總儲量的10%［1－2］。薄煤層開采技術與煤炭開采技術的發(fā)展不同步致使薄煤層綜合機械化開采水平較低［3］，使得薄煤層工作面單產低、經濟效益差、開采速度緩慢，進而影響了其下部中厚或厚煤層的開采，使工作面不能正常接替，嚴重影響礦井的生產能力。神華集團海勃灣礦業(yè)有限責任公司老石旦煤礦位于內蒙古自治區(qū)桌子山煤田西翼的老石旦礦區(qū)，井田面積約13.14km2，主采煤層為：9＃煤、12＃煤、16-1＃煤、16-4＃煤，其中12＃為薄煤層，其余為中厚煤層，均為焦煤。為了解決老石旦礦各煤層間的開采銜接問題，提高礦井生產能力，實現高效開采和礦井的可持續(xù)發(fā)展，在12＃煤層開采過程中，提出采用綜合機械化開采技術，本文以12＃薄煤層1208工作面為對象，對薄煤層綜合機械化開采技術進行研究。

1 老石旦礦薄煤層1208綜采面概況

1208工作面屬于二水平北三采區(qū)，走向長度為800m，傾向長度為150m，工作面面積為0.12km2，工業(yè)儲量201840t，可采儲量197803t，回采率98%。1208工作面地面標高為1208～1333m，井下位于北三井口西南，標高為890～925m，工作面東南部為未采完的1206工作面，已留作北三采區(qū)風井煤柱，其西南及西北均為未開采的實體煤。工作面煤層厚度為0.6～1.4m，平均厚度為1.2m，煤層傾角為5°～15°，平均傾角為8°，該煤層具有煤塵爆炸性，有自燃傾向，為二類自燃煤層，煤層可采指數為1。工作面頂板破碎，存在0～0.1m厚的泥巖偽頂，直接頂為砂頁巖，厚度為1.8m，老頂為細砂巖，厚度為10m，直接底為細砂巖，厚度為1.88m，老底為砂頁巖，厚度為7.11m；工作面內水文地質條件簡單，只在局部出現頂板淋水現象，不會有大的涌水，最大涌水量0.85m3/min，正常涌水量0.5m3/min。

2 1208綜采面開采特點及技術要求

1）現有薄煤層開采設備比較落后，薄煤層液壓支架的最小高度無法滿足該煤層最小厚度［4］，因此支架選型時主要依據煤層最大厚度進行選取，并盡可能考慮選取支架支撐高度范圍大的液壓支架。

2）采煤機對整機的結構提出了更強更高的要求，截煤部的結構強度與截割功率要求較高，采煤機要有較高的整體結構強度和穩(wěn)定性，以滿足薄煤層開采的特點［5］。

3）輸送機要求中部槽高度要低，輸送機的寬度應與采煤機寬度配套，保證輸送機的縱向重心線與采煤機重心線吻合，避免割煤引起的震動使配套設備工作不穩(wěn)定［6］。

4）上下順槽斷面較大，均沿煤層底板掘進，巷道斷面必須滿足綜采設備的運輸要求，對工作面兩巷道成形質量要求高，要求兩巷底板平整，挖頂部分的巷幫不得嚴重超挖，巷道成形須平整。

5）薄煤層開采空間小，工作面環(huán)境差，設備使用維護困難，綜合機械化開采技術雖然降低了作業(yè)勞動強度，但作業(yè)難度系數卻增加了。

3 老石旦礦薄煤層綜合機械化開采技術

3.1 薄煤層綜采配套設備選型

工作面產量為30萬～40萬t/a，主要參數如表1所示，研究國內薄煤層綜采設備配套技術及高產高效開采方法［7－10］，并對“三機”廠家設備可靠性進行現場調研，依據老石旦礦具體地質生產條件，確定液壓支架額定工作阻力為2600kN，支撐高度為0.7～1.6m，對采煤機、輸送機進行配套選型，最終確定適合老石旦礦的薄煤層開采的“三機”設備。

綜采面中部選用ZY2600/07/16型掩護式液壓支架（端頭選用ZYG3200/12/25型端頭支架）；采煤機選用 MG100/238-BWD型薄煤層非機載交流電牽引采煤機；輸送機選用SGZ-630/320型刮板輸送機?！叭龣C”設備主要技術參數如表2～4所示。

根據工作面“三機”設備型號及實際生產條件，確定薄煤層綜采其它主要配套設備如表5所示。

表1 工作面主要參數

表2 ZY2600/07/16型液壓支架主要技術參數

表3 MG100/238-BWD型采煤機主要技術參數

表4 SGZ-630/320型刮板輸送機主要技術參數

表5 綜采面其他主要配套設備

3.2 薄煤層綜采面“三機”配套

3.2.1 綜采面“三機”幾何關系配套

老石旦煤礦薄煤層綜采面的采煤機、刮板輸送機和液壓支架間的配套尺寸關系如圖1所示。

3.2.2 “三機”性能及生產能力配套

“三機”性能配套主要解決各設備性能間互相制約的問題，從而充分發(fā)揮設備性能，以滿足生產的需要?！叭龣C”生產能力配套工作面生產能力取決于采煤機落煤能力，而工作面輸送機、液壓支架和其它設備的生產能力都要大于采煤機的生產能力。根據前面的計算及設備的初步選型，各設備的生產能力如表6所示。

圖1 薄煤層綜采面“三機”配套關系圖

表6 設備生產能力表/（t/h）

可以看出，按運煤方向，其生產能力基本上按“喇叭口”形式擴展，雖然膠帶輸送機的運輸能力略小于刮板輸送機的運輸能力，但其大于采煤機的割煤能力，依據調研的薄煤層礦井的實際生產情況，基本上可以滿足配套要求，能實現煤流的順暢。

3.3 薄煤層綜合機械化采煤工藝

1）1208綜合機械化工作面采用走向長壁后退式開采方式，垮落法管理頂板，平均采高為1.2m，循環(huán)進尺長度為0.6m，工作面采用“三八”制作業(yè)組織方式，其中兩班生產，一班檢修。

2）采煤機采用斜切進刀方式，下行單向割煤，進刀位置為工作面中部頂板較好處，往返一次進一刀，斜切進刀段長度為20m，其牽引速度大于或等于6m/min，滯后采煤機中心12m左右開始移架支護頂板，在采煤機割煤速度較小時，支架的移架方式采用單架依次順序移架，當移架滯后采煤機距離過大時，采用分組間隔交錯式移架方式。

3）采煤工藝流程為：采煤機下行割煤到機頭后，返空刀清理底煤，隨采煤機上行，滯后采煤機15～20m及時將工作面溜子推向煤壁，溜子彎曲不得小于15m，溜子移直、垂直彎曲程度不得大于3°，每次移過0.6m。工作面割煤結束后，對工作面設備進行檢查維修，為下循環(huán)做準備。

4 工程應用效果分析

4.1 開機率

對現場1208薄煤層綜采工作面進行跟班調查，統(tǒng)計記錄采煤機開機率影響因素及其時間，統(tǒng)計結果表明采煤機的平均開機率約為49%。分析統(tǒng)計數據知1208薄煤層綜采面生產過程中可變因素是影響采煤機開機率的首選因素，其中膠帶運輸機及電氣設備的故障影響的時間長達720min，占總事故時間29.5%，斷層的故障影響時間達529min，占總事故時間21.6%，其他的故障影響時間達652min，占總事故時間26.7%。薄煤層綜采面提高采煤機開機率，保證單產水平穩(wěn)定提高的關鍵是要降低斷層、膠帶輸送機、電器設備及其他故障等事故的影響時間；而工作面“三機”設備的低故障率則表明薄煤層綜采面設備選型合理，“三機”配套良好，依據前面的采煤機選型設計，采煤機班平均開機率達49%，每天只需兩班生產，即可滿足30萬t/a的設計生產能力，符合選型設計要求。

4.2 支架工作阻力

在工作面5＃支架、25＃支架、50＃支架、75＃支架、95＃支架布置測站進行礦壓觀測。礦壓觀測數據表明，工作面上、中、下三部分液壓信息變化不大，1208工作面支架液壓信息及冒頂片幫變化特征如圖2所示。通過分析工作面支架立柱液壓數據知，工作面支架平均初撐力1051kN，僅達到額定初撐力的48.1%，以后的開采過程中應切實提高支架實際初撐力。老頂初次來壓步距36.8m，來壓期間端面冒頂、片幫較嚴重中，支架平均載荷2230kN，動載系數1.52。周期來壓步距為15.3m，來壓期間支架平均載荷2050kN，動載系數1.39。礦壓觀測結果說明支架在工作過程中的液壓信息經常在自身額定工作阻力以下，從支架測站平衡千斤頂的液壓數據來看，千斤頂的液壓數值在合理的范圍之內，支架能夠滿足薄煤層工作面的支護需求。

圖2 1208工作面支架液壓信息及冒頂片幫變化特征

4.3 效益分析

老石旦礦1208薄煤層綜合機械化采煤技術與普通機械化采煤工藝相比，提高了單產和人工效率，減少了人力資源使用。在產量方面由原來的15萬～20萬t提升至30萬～40萬t，比采用普采多出15萬～20萬t煤；在年產量相等的情況下人工使用量相應每年減少59823個，可減少人工費用300萬元。綜采與普采相比不用使用塑料網護頂、不使用竹笆護頂和擋巖，坑木的投入量也大幅度減小，減少了材料的投入，降低噸煤生產成本，據測算共節(jié)省材料費用為83萬元。采用薄煤層綜采后，工作面單產按照每噸煤平均利潤160元計算，可多獲得經濟效益2400萬～3200萬元。

5 結論

老石旦礦薄煤層綜采面配套設備選型滿足工作面地質生產條件要求，為薄煤層綜合機械化開采技術的成功應用奠定了基礎，該項技術成功解決了老石旦煤礦12＃煤層與其下位中厚煤層開采間的銜接問題，有利于煤炭資源保護和利用，對延長老石旦煤礦開采壽命和實現高效開采具有重要意義。

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