段書武,劉俊峰,王建文,張科利

(1.天地科技股份有限公司，北京 100013; 2.陜煤集團(tuán)神木檸條塔礦業(yè)有限公司，陜西 神木 719300)

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檸條塔煤礦1.6m較薄煤層綜采工作面設(shè)備配套

段書武1,劉俊峰1,王建文2,張科利2

(1.天地科技股份有限公司，北京 100013; 2.陜煤集團(tuán)神木檸條塔礦業(yè)有限公司，陜西 神木 719300)

[摘要]基于淺埋深薄基巖較薄煤層解放層開采存在開采強(qiáng)度大、裝機(jī)功率大、過機(jī)空間小等特點(diǎn)，通過分析圍巖特性合理確定液壓支架支護(hù)強(qiáng)度，優(yōu)化三機(jī)配套，保證裝備功率條件下降低采煤機(jī)機(jī)面高度。在液壓支架設(shè)計(jì)中采用縮短頂梁長度、保證初撐力、提高切頂力等措施對頂板進(jìn)行有效控制；在淺埋深薄基巖1.6m采高開采實(shí)現(xiàn)了日產(chǎn)萬噸的目標(biāo)。

[關(guān)鍵詞]較薄煤層，設(shè)備配套，初撐力，支護(hù)效率

[引用格式]段書武 ,劉俊峰,王建文，等.檸條塔煤礦1.6m較薄煤層綜采工作面設(shè)備配套[J].煤礦開采，2015，20(6)：34-36.

近十年來，綜采裝備技術(shù)有了長足的發(fā)展，主要表現(xiàn)在整體裝機(jī)功率的增加和開采強(qiáng)度的增大。2008年在5.0m采高煤層中實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)量6Mt/a，2011年在6.5m煤層中實(shí)現(xiàn)了年產(chǎn)千萬噸(相當(dāng)于1.6m煤層產(chǎn)量2.5Mt/a)。但對于實(shí)際開采1.6m較薄煤層，年生產(chǎn)能力長期徘徊在百萬噸左右，其原因主要在于大功率設(shè)備的尺寸難以適應(yīng)較低的開采空間，1.6m較薄煤層機(jī)組的裝機(jī)功率難以提高，生產(chǎn)能力得不到發(fā)揮。

神南礦區(qū)厚度在1.3～2.3m之間的1-2煤層儲量接近0.4Gt，檸條塔礦業(yè)公司1-2較薄煤層面積達(dá)到5.8373×107m2。其下部為厚度在4.5～6.0m之間的2號主采煤層。上覆較薄煤層的開采速度制約礦井主采煤層的開采。神南礦區(qū)較薄煤層存在煤層硬、淺埋深、薄基巖、厚砂土層等特點(diǎn)，給液壓支架支護(hù)強(qiáng)度確定和工作面設(shè)備選型帶來較大的困難。

1神南礦區(qū)較薄煤層圍巖特性

神南礦區(qū)1-2煤層埋深為30～110m，砂土層厚度10～70m，屬典型淺埋深薄基巖煤層。煤層硬度系數(shù)3～4，屬堅(jiān)硬煤層。其圍巖特性如下：

(1)1-2煤層屬于解放層開采煤層，其下部2號厚煤層為礦井主采煤層，直接影響礦井產(chǎn)量。要求1-2煤層快速推進(jìn)，平均每日推進(jìn)20m，最高日推進(jìn)達(dá)24m。較快的推進(jìn)速度提高了工作面的來壓強(qiáng)度。

(2)堅(jiān)硬煤層和高強(qiáng)度開采要求裝備大功率采煤機(jī)和工作面刮板輸送機(jī)，較低的煤層厚度要求工作面設(shè)備尺寸較小，二者存在一定的矛盾。較薄煤層開采的采煤機(jī)機(jī)面高度在983mm左右，工作面最低采高1.45m時，液壓支架與采煤機(jī)的安全過機(jī)空間在299mm左右，液壓支架降架高度為150mm。留給工作面頂板下沉量的空間非常有限，要求液壓支架具備較高的初撐力和支護(hù)強(qiáng)度，最大限度減小工作面頂板下沉量。

(3)工作面頂板來壓劇烈。根據(jù)觀測，工作面推進(jìn)到85m左右時，出現(xiàn)較大壓力，強(qiáng)度在0.8MPa左右，工作面推進(jìn)100m左右時，地表即出現(xiàn)裂隙。

2工作面參數(shù)確定

1.6m左右較薄煤層綜采工作面總體參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)及工作面設(shè)備參數(shù)確定主要在綜合考慮設(shè)備能力、管理水平、煤柱留設(shè)對下部開采影響、煤層地質(zhì)條件等情況下合理確定工作面參數(shù)[1]。詳細(xì)設(shè)備參數(shù)主要涉及工作面支護(hù)強(qiáng)度、液壓支架行人空間、采煤機(jī)機(jī)面高度、過煤空間、刮板機(jī)能力及強(qiáng)度、配套最小采高等[2]。確定工作面長度為300m，能有效發(fā)揮設(shè)備的性能，且工作面壓力、生產(chǎn)管理等均在合理范圍內(nèi)。

煤層平均厚度取1.6m，工作面割一刀煤的產(chǎn)量可按下式計(jì)算：

Qg=L·Bg·Hg·γ·Kg=300×0.8×1.6×1.3×0.98=489.2(t)

式中，Qg為割一刀煤產(chǎn)量，t；L為工作面長度，m；Bg為采煤機(jī)截深，m；Hg為采煤機(jī)平均割煤高度，m；γ為煤的密度，t/m3；Kg為采煤機(jī)割煤回收率，取0.98。

工作面設(shè)備配套能力取3Mt/a，按年工作日330d計(jì)算，則日產(chǎn)量為9091t，每日需割煤9091÷489.2≈19刀。采用“四六制”作業(yè)，每班工作6h，三班產(chǎn)煤一班檢修。每班需割煤6刀，采煤機(jī)平均割煤速度7.5m/min以上，液壓支架移架時間控制在12s以內(nèi)，工作面開機(jī)率保持在80%以上。

3液壓支架設(shè)計(jì)分析

考慮頂板特性、配套情況、回采工藝特點(diǎn)等因素，淺埋深薄基巖綜采工作面液壓支架設(shè)計(jì)具有如下特點(diǎn)：

(1)采用大伸縮比立柱[3-5]為滿足1.45～2.3m的采高要求，通過減小立柱固定端長度，增加立柱伸縮比。在保證液壓支架強(qiáng)度的條件下，通過減小頂梁和底座厚度進(jìn)一步減小液壓支架最低高度。

(2)液壓支架支護(hù)效率低[6-8]為滿足支架調(diào)高幅度要求，加大了支架立柱傾斜度，在最低采高1.45m時，立柱傾斜角達(dá)到43°，支護(hù)效率僅為0.73。

(3)具備大工作阻力頂板及圍巖控制要求液壓支架具備較高的支護(hù)強(qiáng)度，經(jīng)礦壓觀測和理論計(jì)算可知，液壓支架所需支護(hù)強(qiáng)度≥0.8MPa[9]。按照工作阻力確定公式[10]，考慮立柱系列標(biāo)準(zhǔn)，選用直徑380mm的立柱，立柱安全閥開啟壓力設(shè)定為44MPa，液壓支架合理工作阻力取10000kN。

F≥q·B·(L+C)/η=0.8×1.75×(4.65+0.513)/0.73=9901.6(kN)

式中，F(xiàn)為液壓支架工作阻力，kN；q為支護(hù)強(qiáng)度，MPa；B為支架中心距，m；L為支架頂梁長度，m；C為梁端距，m；η為支撐效率。

(4)短頂梁高初撐力高切頂力較薄煤層液壓支架與采煤機(jī)安全過機(jī)空間較小。要求嚴(yán)格控制頂板下沉量，否則安全空間不夠，采煤機(jī)無法通過。

淺埋深煤層工作面來壓時的頂板下沉量的計(jì)算公式[11]為：

SD=Δ·(L+C)/Li

Δ= M-H(K-1)

式中，Li為來壓步距，取25m；Δ為頂板最大周期下沉量，m；H為直接頂?shù)暮穸?，?.0m；M為采高，取1.6m；K為直接頂松散系數(shù)，取1.3。經(jīng)計(jì)算得Δ=1.0m；SD=0.206m。

可知在頂板來壓期間，頂板下沉量為206mm，所以液壓支架與采煤機(jī)的安全空間應(yīng)大于250mm比較合理。由于配套要求，最小采高時，液壓支架可降高度只有150mm，需要通過增加液壓支架的初撐力來減小頂板下沉量。

工作面頂板下沉量與液壓支架初撐力的關(guān)系可表示[12-13]為：

式中，F(xiàn)m為液壓支架末阻力，kN；F0為液壓支架初撐力，kN；Fm-F0為增阻量，kN；B為循環(huán)進(jìn)尺，m；K為底板-支架-頂板串聯(lián)抗壓縮剛度，kN/mm。

支架剛度是支架圍巖關(guān)系中穩(wěn)定性的永久性指標(biāo)，受架型、立柱缸徑、結(jié)構(gòu)、鋼材型號、部件間隙等影響，是控制頂板下沉量的重要指標(biāo)，支架設(shè)計(jì)時要重點(diǎn)予以考慮。開采實(shí)踐和理論分析證明，液壓支架末阻力是來壓表現(xiàn)特征。減小頂板來壓下沉量的方法包括提高液壓支架初撐力、減小頂梁長度以及增加頂梁后端切頂力。在滿足各優(yōu)化目標(biāo)的前提下，液壓支架初撐力設(shè)計(jì)為7145kN。由于配套的采煤機(jī)和刮板輸送機(jī)尺寸較大，在保證配套尺寸的前提下，最終將頂梁長度縮短為4.65m。結(jié)合合理的合力作用點(diǎn)位置調(diào)節(jié)，采用1個φ200mm缸徑平衡千斤頂，增加平衡千斤頂對頂梁合力作用點(diǎn)的調(diào)節(jié)范圍，可以最大限度減小工作面頂板來壓下沉量。

4采煤機(jī)機(jī)面高度影響及對策

工作面最低采高需要考慮配套后采煤機(jī)的機(jī)面高度、采煤機(jī)與液壓支架的安全空間以及液壓支架的頂梁厚度。采煤機(jī)的機(jī)面高度又影響采煤機(jī)的過煤空間和裝機(jī)功率。在保證過煤空間和裝機(jī)功率的前提下降低機(jī)面高度，采用多電機(jī)平行或縱橫布置方式，滑靴采用騎鏟板方式；對刮板輸送機(jī)而言，應(yīng)采用特殊的槽幫結(jié)構(gòu)，選用扁平圓環(huán)鏈，優(yōu)化槽高與鏈條直徑、過煤空間之間的關(guān)系，最大限度降低機(jī)面高度；對液壓支架來說，采用特殊型立柱，選用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼板式頂梁斷面結(jié)構(gòu)型式來降低頂梁厚度，在不影響強(qiáng)度的前提下，優(yōu)化結(jié)構(gòu)件布置形式以解決支架各部件空間干涉問題。

通過優(yōu)化配套，采煤機(jī)機(jī)面高度為983mm，頂梁厚度168mm，安全空間299mm，過煤空間為327mm，為保證裝煤效果，采用直徑1450mm滾筒能夠滿足工作面采高1.45～2.3m的要求。另外采用新型交叉?zhèn)刃稒C(jī)頭，高度由780mm降為720mm。調(diào)整犁煤板結(jié)構(gòu)、優(yōu)化卸載口尺寸，減小了拉回煤現(xiàn)象。機(jī)尾高度由780mm降為670mm。工作面設(shè)備配套參數(shù)見表1。

表1　工作面設(shè)備配套參數(shù)

5工作面開采實(shí)踐

2012年在檸條塔礦業(yè)有限公司N1112綜采工作面開采期間，采高控制在1.5～1.75m之間，采用電液控制系統(tǒng)，實(shí)測液壓支架移架速度8s/架，采煤機(jī)最大割煤速度9m/min，最高日割煤30刀，推進(jìn)24m，最高日產(chǎn)超過1.3×104t，最高月產(chǎn)33×104t，年產(chǎn)達(dá)到3Mt。較薄煤層解放層的快速推進(jìn)，保證了下部主采厚煤層的正常開采，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)技術(shù)效益。

6結(jié)論

(1)淺埋深薄基巖較薄煤層開采來壓強(qiáng)度大，液壓支架的支護(hù)效率低，要求液壓支架具備高工作阻力。

(2)淺埋深薄基巖較薄煤層配套設(shè)備過機(jī)間隙小，液壓支架要具備高初撐力、短頂梁、高切頂力的特點(diǎn)。

(3)通過液壓支架合理設(shè)計(jì)配套優(yōu)化，1.6m采高條件可實(shí)現(xiàn)日產(chǎn)萬噸和年產(chǎn)3Mt的目標(biāo)。

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[責(zé)任編輯：徐亞軍]

Research on Fully Mechanized Face Equipment of 1.6m Thin Seam in Ningtiaota Coal Mine

DUAN Shu-wu1，LIU Jun-feng1，WANG Jian-wen2，ZHANG Ke-li2

(1.Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China；

2.Shenmu Ningtiaota Coal Mining Co.，Ltd.，Shaanxi Coal Mining Group，Shenmu 719300,China)

Abstract：The characteristics of large mining intensity，large installed power and little control space is existed in thinner seam with shallow overburden and thin bedrock.The support strength is determined by analyzing the characteristics of surrounding rock.The shearer height is decreased by optimizing 3- machines matching.The hydraulic support design of shorten the length of top bean，improving setting support strength and cutting roof force are used to control roof.The output target of 10000t per day is achieved with 1.6m mining height in thinner seam with shallow overburden and thin bedrock.

Key words：thinner seam；equipment match；setting load；support efficiency

[作者簡介]段書武(1973-)，男，河南唐河人，工程師，現(xiàn)從事煤礦巷道錨桿支護(hù)技術(shù)研究工作。

[基金項(xiàng)目]國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2014CB046302)；陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程(2011KTZB01-02-05)

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.06.009

[收稿日期]2015-05-05

[中圖分類號]TD355.4

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

[文章編號]1006-6225(2015)06-0034-03