郝萬(wàn)東

(中國(guó)煤炭科工集團(tuán) 太原研究院，山西 太原 030006)

安全性和采出率是我國(guó)短壁采煤法發(fā)展的瓶頸問(wèn)題。傳統(tǒng)的短壁開(kāi)采工作面裝備簡(jiǎn)單，回采工藝落后，頂板采用不垮落法控制，安全性差，效率低，資源浪費(fèi)嚴(yán)重，目前該采煤法在我國(guó)已很少使用。上世紀(jì)90年代末，神東礦區(qū)結(jié)合自身特點(diǎn)，在成功引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)成套短壁開(kāi)采裝備的基礎(chǔ)上，開(kāi)創(chuàng)了神東模式的“旺格維利”短壁機(jī)械化開(kāi)采技術(shù)，該技術(shù)雖在一定程度上改變了我國(guó)傳統(tǒng)短壁開(kāi)采工藝模式，實(shí)現(xiàn)了短壁開(kāi)采的機(jī)械化作業(yè)，但也存在以下幾個(gè)問(wèn)題:

(1)留設(shè)煤柱多，分別留有巷道保護(hù)煤柱、采區(qū)隔離煤柱、支巷隔離煤柱、相鄰采硐間煤柱，工作面采出率一般為50%左右。

(2)頂板垮落較難控制，特別是煤柱回收過(guò)程中，頂板處于無(wú)支護(hù)狀態(tài)，大面積懸頂，極易造成頂板大規(guī)模瞬時(shí)垮落，給生產(chǎn)帶來(lái)不可預(yù)見(jiàn)的災(zāi)難性后果。

(3)運(yùn)輸距離長(zhǎng)，效率低，通風(fēng)效果差。

為進(jìn)一步解決上述短壁開(kāi)采技術(shù)存在的問(wèn)題，需要探索出一種新型的安全、高效、高回收率的短壁開(kāi)采新工藝和新技術(shù)。

1 履帶行走支架護(hù)頂塊段房柱式機(jī)械化開(kāi)采

1.1 新工藝的提出

針對(duì)上述我國(guó)短壁開(kāi)采存在的煤柱留設(shè)多、采出率低、頂板垮落較難控制的問(wèn)題，中煤科工集團(tuán)太原研究院與國(guó)內(nèi)大型煤礦企事業(yè)單位合作，在理論研究與生產(chǎn)實(shí)踐的基礎(chǔ)上，提出了行走支架護(hù)頂?shù)膲K段房柱式短壁機(jī)械化開(kāi)采技術(shù)，其開(kāi)采工藝如圖1所示。

圖1 塊段房柱式短壁開(kāi)采工藝

該短壁開(kāi)采技術(shù)將開(kāi)采區(qū)域劃分為若干個(gè)矩形塊段，形成完整的全風(fēng)壓通風(fēng)系統(tǒng)。煤柱回采過(guò)程中，采用4臺(tái)履帶行走支架支護(hù)頂板，實(shí)現(xiàn)頂板有效控制和有規(guī)律的垮落。該開(kāi)采工藝徹底改變了我國(guó)現(xiàn)有短壁開(kāi)采技術(shù)所采用的頂板控制方式和管理理念，即保證了工作面的作業(yè)安全，避免煤柱應(yīng)力集中，又大大減少了煤柱的留設(shè)，提高了工作面采出率。

1.2 工作面主要設(shè)備配置

選用EML340型系列連續(xù)采煤機(jī)1臺(tái)，完成工作面割煤及自行裝煤工序；選用CMM型系列臂錨桿鉆車1臺(tái)，完成主、輔巷、支巷及聯(lián)巷錨桿的打眼和安裝工作；選用SC15型系列梭車2臺(tái)，完成連采機(jī)至給料破碎機(jī)間的煤炭運(yùn)輸任務(wù)；選用GP460型系列轉(zhuǎn)載破碎機(jī)1臺(tái)，完成工作面采出煤炭破碎后并轉(zhuǎn)載至膠帶輸送機(jī)的任務(wù)；選用CLX3型系列鏟車1臺(tái)，完成材料運(yùn)送、設(shè)備搬遷、浮煤清理等工作。

整個(gè)短壁采煤工作面掘進(jìn)、支護(hù)、回采時(shí)的采、裝、支、運(yùn)等工序全部實(shí)現(xiàn)機(jī)械化作業(yè)。

1.3 巷道掘進(jìn)與塊段劃分

工作面主、輔運(yùn)巷采用前進(jìn)式雙巷掘進(jìn)方式進(jìn)行掘進(jìn)，即連采機(jī)掘進(jìn)與錨桿鉆車支護(hù)交替循環(huán)作業(yè)的方式進(jìn)行雙巷掘進(jìn)，掘進(jìn)過(guò)程中每隔一定距離掘進(jìn)聯(lián)絡(luò)巷實(shí)現(xiàn)主、輔運(yùn)巷間的連通，巷道掘進(jìn)工藝見(jiàn)圖2所示。

圖2 連采機(jī)雙巷掘進(jìn)巷道工藝

區(qū)段內(nèi)支巷沿主、輔運(yùn)巷迎頭依次后退式垂直布置，相鄰兩條支巷間距為14m左右。支巷掘進(jìn)方式同樣采用連采機(jī)掘進(jìn)與錨桿鉆車支護(hù)交替循環(huán)作業(yè)的方式進(jìn)行多巷掘進(jìn)。在支巷掘進(jìn)過(guò)程中，根據(jù)開(kāi)采區(qū)段的大小每隔30～50m掘進(jìn)聯(lián)巷進(jìn)行相鄰支巷貫通，全部巷道掘進(jìn)完畢后，整個(gè)開(kāi)采區(qū)段被劃分為若干個(gè)矩形小塊段，依次編號(hào)為A，B，C，D，E，F(xiàn)，G，H，I，J，K，L，M，N，O，其中E，J，O標(biāo)注在將被回采塊段的隔離煤柱上，見(jiàn)圖1所示。

1.4 回采工藝

煤柱回收方式按圖1中所表示的字母順序由里向外，由上到下依次進(jìn)行雙翼回收。連采機(jī)單刀回采長(zhǎng)度為11m，采硐與支巷呈40～45°夾角，采硐寬3.3m，高度隨煤層而定，最高可達(dá)4.6m，每刀之間留設(shè)0.3～0.5m的煤墻或不留設(shè)煤墻(煤墻主要用于輔助連采機(jī)裝煤)。

在回采每一塊段內(nèi)的小煤柱時(shí)，選用4臺(tái)履帶行走式液壓支架分2組布置，一組布置在支巷內(nèi)支撐頂板，另一組布置在回采支巷間的聯(lián)巷口處支撐頂板?；夭蛇^(guò)程中，布置在支巷內(nèi)的2臺(tái)行走支架跟隨連采機(jī)的回采交替邁步式移動(dòng)。

1.5 頂板管理與控制

為在新短壁開(kāi)采工藝中實(shí)現(xiàn)對(duì)頂板的有效控制和合理支護(hù)，選擇4臺(tái)由煤炭科學(xué)研究總院太原研究院生產(chǎn)的履帶行走式液壓支架，該新型支架具有強(qiáng)大的支護(hù)能力和切頂能力，可以有效地支護(hù)頂板和控制頂板的垮落。該支架的出現(xiàn)，很好地解決了短壁機(jī)械化開(kāi)采過(guò)程中煤柱回收支護(hù)工藝的關(guān)鍵技術(shù)難題，真正實(shí)現(xiàn)了完全垮落、隨采隨冒的頂板控制方式。

在頂板條件不好的情況下，2臺(tái)行走支架一組可以實(shí)現(xiàn)邁步式擦頂帶壓移架；在較堅(jiān)硬的頂板情況下，使用行走支架配合相應(yīng)的頂板處理措施，使采空區(qū)頂板在較早的時(shí)間內(nèi)垮落。行走支架對(duì)頂板的控制和支護(hù)，如圖3所示。

圖3 行走支架對(duì)頂板有效支護(hù)

1.6 通風(fēng)方式

整個(gè)工作面在掘進(jìn)期間，通風(fēng)方式采用局扇通風(fēng)，工作面為雙巷掘進(jìn)，需配備2臺(tái)風(fēng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng)。由于掘進(jìn)期間出煤量較小，局扇風(fēng)量可完全滿足通風(fēng)要求。

工作面回采期間，出煤量較大，傳統(tǒng)的短壁開(kāi)采工藝在回采時(shí)通風(fēng)方式大都采用局扇進(jìn)行通風(fēng)，不能形成完整的循環(huán)風(fēng)路系統(tǒng)，工作面開(kāi)采環(huán)境較差，通風(fēng)效果不理想。本工藝通過(guò)在輔運(yùn)巷及區(qū)段內(nèi)聯(lián)巷設(shè)置風(fēng)障、臨時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)簾等通風(fēng)設(shè)施來(lái)調(diào)整風(fēng)流，將新風(fēng)調(diào)整到連采機(jī)回采的巷道內(nèi)，構(gòu)成完整風(fēng)路循環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工作面全負(fù)壓通風(fēng)，徹底解決短壁開(kāi)采長(zhǎng)期以來(lái)存在的通風(fēng)效果差的問(wèn)題。以其中一個(gè)回采區(qū)段為例，工作面共布置5條支巷，通風(fēng)采用四進(jìn)一回方式，通過(guò)在主、輔運(yùn)巷及區(qū)段內(nèi)支巷和聯(lián)巷設(shè)置風(fēng)障等通風(fēng)設(shè)施來(lái)調(diào)整風(fēng)流，將新風(fēng)調(diào)整到連采機(jī)回采的巷道內(nèi)，供生產(chǎn)作業(yè)需要，如圖4所示。

圖4 工作面通風(fēng)系統(tǒng)

1.7 運(yùn)輸系統(tǒng)

工作面掘進(jìn)期間，各支巷在開(kāi)口階段采用單臺(tái)梭車進(jìn)行運(yùn)煤，在支巷采用聯(lián)巷貫通后，采用2臺(tái)梭車進(jìn)行運(yùn)煤。

工作面回采階段選用2臺(tái)梭車實(shí)現(xiàn)工作面煤炭的運(yùn)輸。

由于梭車采用拖拽電纜方式運(yùn)行，因此，工作面配備2臺(tái)梭車運(yùn)煤時(shí)應(yīng)盡量在2條不同的巷道內(nèi)運(yùn)行，避免同時(shí)在同一巷道內(nèi)運(yùn)行。2臺(tái)梭車具體運(yùn)煤工序?yàn)椋哼B采機(jī)在上邊支巷回采時(shí)，1號(hào)梭車進(jìn)入連采機(jī)回采位置進(jìn)行裝煤，2號(hào)梭車則在回采支巷下方的聯(lián)巷口處等待，待1號(hào)梭車裝車完畢沿1號(hào)梭車行駛路線駛出聯(lián)巷口后，2號(hào)梭車進(jìn)入連采機(jī)所在位置進(jìn)行裝煤，1號(hào)梭車在沿自己的行駛路線卸煤結(jié)束后，同樣行駛至連采機(jī)所在支巷聯(lián)巷口等待2號(hào)梭車裝煤，2號(hào)梭車裝煤完畢沿自己的行駛路線返回后，1號(hào)梭車?yán)^續(xù)進(jìn)入連采機(jī)所在位置進(jìn)行裝煤，如圖5所示。如此循環(huán)進(jìn)行整個(gè)工作面的煤炭運(yùn)輸。

圖5 工作面運(yùn)煤系統(tǒng)

2 應(yīng)用實(shí)例

烏蘭木倫煤礦61204與61205短壁工作面開(kāi)采1-2號(hào)煤，煤層厚度3.5～5.2m，平均厚度4.5m，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，煤質(zhì)中硬，f為2～3，煤層傾角1～5°，煤層埋深80～120m。煤層直接頂為砂質(zhì)泥巖，厚度0.62～4.62m，無(wú)偽頂；基本頂為粗粒砂巖和粉砂巖，泥質(zhì)膠結(jié)，厚度30.8～56.4m，屬中等穩(wěn)定頂板。底板為泥質(zhì)粉砂巖，厚度0～4.45m。煤層瓦斯含量低，有自燃傾向。

工作面采用4臺(tái)行走支架護(hù)頂?shù)亩瘫陂_(kāi)采新工藝，設(shè)備選用1臺(tái) EML340 型連續(xù)采煤機(jī)，1臺(tái)CMM4-20 型四臂錨桿鉆車，2臺(tái)SC15/182型梭車，1臺(tái)GP460/150 型給料破碎機(jī)，3部SSJ1000 型膠帶輸送機(jī)，4臺(tái)XZ7000/24.5/46型履帶行走式液壓支架，1臺(tái)UN488 型鏟車。其工作面布置與開(kāi)采工藝如圖6所示。

圖6 烏蘭木倫煤礦短壁工作面開(kāi)采工藝布置

工作面累計(jì)有效生產(chǎn)192d，掘進(jìn)進(jìn)尺5251m，累計(jì)產(chǎn)煤0.3237Mt，平均月產(chǎn)煤51kt。工作面采出率達(dá)89%，煤柱采出率86.4%，采區(qū)采出率達(dá)75%，直接工效60t/工·日。

3 結(jié)束語(yǔ)

行走支架護(hù)頂?shù)耐耆迓涠瘫跈C(jī)械化開(kāi)采技術(shù)立足于生產(chǎn)實(shí)際，實(shí)現(xiàn)了開(kāi)采技術(shù)與先進(jìn)短壁開(kāi)采設(shè)備的綜合集成，在巷道掘進(jìn)與煤柱回收工藝方面都具有切實(shí)可行的特點(diǎn)，保留了原有短壁機(jī)械化開(kāi)采的人員設(shè)備投入少、見(jiàn)效快，采掘合一，搬家、移動(dòng)靈活特點(diǎn)外，還實(shí)現(xiàn)了短壁安全高效開(kāi)采，降低頂板控制與維護(hù)的難度，大大提高了資源采出率。開(kāi)采實(shí)踐證明推廣應(yīng)用該技術(shù)具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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