張?jiān)?，劉新華

(1.天地科技股份有限公司 經(jīng)營(yíng)管理部，北京 100013；2.天地科技股份有限公司 開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013)

國(guó)投塔山礦近距特厚煤層綜放工作面設(shè)備選型與配套關(guān)鍵技術(shù)

張?jiān)?，劉新華2

(1.天地科技股份有限公司 經(jīng)營(yíng)管理部，北京 100013；2.天地科技股份有限公司 開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013)

[摘要]以國(guó)投塔山礦3-5號(hào)煤層首采工作面為例，對(duì)近距特厚煤層選型配套關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，并針對(duì)近距煤層礦壓特點(diǎn)，對(duì)支架進(jìn)行抗沖擊設(shè)計(jì)。同時(shí)在工作面設(shè)備配套中，在轉(zhuǎn)載機(jī)與巷道下幫之間留設(shè)行人通道實(shí)現(xiàn)不停機(jī)安全行人，提高了工作面的安全性。針對(duì)近距特厚煤層的選型配套技術(shù)已在井下成功應(yīng)用，可為類(lèi)似條件采煤工作面設(shè)備選型配套提供參考。

[關(guān)鍵詞]近距特厚煤層；綜放工作面；設(shè)備選型配套；行人通道

近幾年大采高特厚煤層綜放開(kāi)采技術(shù)相對(duì)成熟，國(guó)內(nèi)許多礦區(qū)都有類(lèi)似條件綜放工作面成功應(yīng)用案例，但近距特厚煤層綜放開(kāi)采技術(shù)的應(yīng)用還比較少見(jiàn)，上覆采空區(qū)中的殘留煤柱對(duì)待采煤層工作面的影響尚不清楚。本文以國(guó)投塔山礦3-5號(hào)煤層首采工作面為例，對(duì)近距特厚煤層開(kāi)采設(shè)備選型及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，并給出了應(yīng)對(duì)措施。

1礦井概況

1.1可采煤層條件

國(guó)投塔山煤礦可采和局部可采煤層為2，3，5，8，9號(hào)5層。2號(hào)煤層一盤(pán)區(qū)開(kāi)采完畢， 3-5號(hào)煤三盤(pán)區(qū)將成為主采煤層。3-5號(hào)煤層屬穩(wěn)定煤層，煤層全層厚15.72～26.77m，平均厚17.93m，煤層偽頂區(qū)內(nèi)零星分布有巖性為泥巖、砂質(zhì)泥巖，厚度為0.2～0.5m；直接頂巖性為高嶺質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖，厚度為3～5m；基本頂巖性為中粗砂巖，厚度為6～15m。底板巖性為砂質(zhì)泥巖、泥巖，厚度為0.8～3.20m，煤層綜合柱狀圖見(jiàn)圖1。

圖1　主采煤層綜合柱狀圖

1.2首采工作面參數(shù)

三盤(pán)區(qū)30501工作面為3-5號(hào)煤層首采面，煤層傾角約為2°，煤層平均厚度15.96m。工作面長(zhǎng)度180m，最大機(jī)采采高4.0m，截深800mm，采用“一采一放”工藝，工作面運(yùn)輸機(jī)卸載方式采用端卸。運(yùn)輸巷道為矩形巷道，寬5.4m，高3.5m；回風(fēng)巷道為矩形巷道，寬5.2m，高3.5m。

2近距特厚煤層工作面設(shè)備選型

3-5號(hào)煤層與上覆2號(hào)煤層平均層間距只有4.35m。首采面上方的2號(hào)煤層已開(kāi)采完畢，但2號(hào)煤層中殘留有保護(hù)煤柱，因兩層煤之間的間距小，在下層煤開(kāi)采過(guò)程中會(huì)對(duì)局部頂板壓力產(chǎn)生較大影響。這就要求在合理的采煤工藝基礎(chǔ)上，通過(guò)適當(dāng)?shù)脑O(shè)備選型配套，使3-5號(hào)煤層開(kāi)采能夠適應(yīng)上層煤層殘留煤柱對(duì)下層煤層工作面開(kāi)采的應(yīng)力集中及沖擊壓力影響。

國(guó)投塔山煤礦設(shè)備布置中在轉(zhuǎn)載機(jī)與巷道下幫之間留設(shè)行人通道，膠帶運(yùn)輸機(jī)布置在巷道工作面?zhèn)?，使得采煤機(jī)滾筒中心線(xiàn)難以過(guò)煤壁，工作面推進(jìn)過(guò)程中機(jī)頭處三角煤不易割透，由此帶來(lái)的弊端也將影響工作面設(shè)備選型配套。

2.1主要設(shè)備選型分析

2.1.1液壓支架選型

(1)支護(hù)強(qiáng)度確定支護(hù)強(qiáng)度計(jì)算方法的理論基礎(chǔ)是工作面支架工作阻力承受直接頂和頂煤的載荷，并平衡基本頂失穩(wěn)時(shí)對(duì)支架的動(dòng)載，支護(hù)強(qiáng)度計(jì)算公式為：

q=Kd(qd+qc)=Kd(rd·h+rc·Mc)

(1)

(2)

式中,q為支架所需支護(hù)強(qiáng)度；Kd為基本頂失穩(wěn)時(shí)的動(dòng)載系數(shù)，1.1～1.8，取1.4；qd為直接頂自重；rd為直接頂巖層密度，取2.4×103kg/m3；h為直接頂垮落充填高度；qc為支架上方頂煤自重；rc為煤層密度，取1.43×103kg/m3；Mc為支架上方頂煤高度；M為煤層一次采出厚度；Kp為直接頂碎脹系數(shù)，1.25～1.5，取1.4；C為煤層回收率，取0.75，

根據(jù)礦井實(shí)際地質(zhì)資料，取煤層平均厚度17.93m，最大機(jī)采高度取4.0m，放煤高度取13.93m。經(jīng)計(jì)算可得支架的合理支護(hù)強(qiáng)度q為1.38MPa。

(2)支架工作阻力確定支架工作阻力的計(jì)算公式為

P=q(LK+LD)B

(3)

式中，P為工作阻力；LK為梁端距；LD為頂梁長(zhǎng)度；B為支架寬度。

則P=1380×(5.5+0.5)×1.75=14490(kN)

綜合考慮富裕系數(shù)與立柱缸徑標(biāo)準(zhǔn)化等因素，將工作阻力確定為15000kN。

(3)支架高度確定支架的最大結(jié)構(gòu)高度主要取決于工作面采煤機(jī)最大割煤高度。針對(duì)國(guó)投塔山采面的煤層地質(zhì)條件，確定機(jī)采高度為3.5～4.0m，支架的最大高度為4.2m，支架最低高度確定為2.75m。最終確定支架型號(hào)為ZF15000/27.5/42D型四柱支撐掩護(hù)式液壓支架。

2.1.2采煤機(jī)選型

(1)采煤機(jī)滾筒直徑確定滾筒直徑一般為最大采高的0.55～0.6倍，即滾筒直徑D=0.55～0.6Hmax(Hmax為工作面最大采高，選擇4m)。通過(guò)計(jì)算可知D=2.2～2.4m，由于膠帶輸送機(jī)靠工作面?zhèn)炔贾?，機(jī)頭需較大挖底量以防止工作面設(shè)備下竄后割不透三角煤，綜合考慮將采煤機(jī)滾筒直徑確定為2.5m。

(2)采煤機(jī)裝機(jī)功率確定采煤機(jī)裝機(jī)功率包括截割電動(dòng)機(jī)功率、牽引電動(dòng)機(jī)功率、破碎電動(dòng)機(jī)功率，以及液壓泵電動(dòng)機(jī)功率。裝機(jī)功率可以采用比能法進(jìn)行計(jì)算，即：

P=QHW

(4)

式中，P為裝機(jī)功率，kW；Q為采煤機(jī)的實(shí)際生產(chǎn)率，取1050t/h；HW為采煤機(jī)單位能耗，取HW=0.8(kW·h)/t。

將各參數(shù)代入得：P=1050×0.8=840(kW)

采煤機(jī)的理論裝機(jī)功率應(yīng)不小于840kW，實(shí)際生產(chǎn)中，采煤機(jī)的裝機(jī)功率比正常割煤所需的功率要多出30%～50%，以增強(qiáng)采煤機(jī)過(guò)地質(zhì)構(gòu)造時(shí)的破巖能力與割?yuàn)A矸能力。根據(jù)3Mt/a的設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力要求，考慮1.5的富裕系數(shù)，采煤機(jī)截割功率選用2×650kW=1300kW是滿(mǎn)足生產(chǎn)能力的，最終確定采煤機(jī)的總裝機(jī)功率應(yīng)不低于1700kW，確定采煤機(jī)型號(hào)為MG650/1710-WD型無(wú)鏈電牽引采煤機(jī)。

2.1.3運(yùn)輸機(jī)選型

對(duì)于綜放工作面，前部運(yùn)輸機(jī)選型要保證運(yùn)輸機(jī)運(yùn)煤能力與采煤機(jī)的落煤能力相匹配，后部運(yùn)輸機(jī)選型要滿(mǎn)足工作面割煤和放煤平行作業(yè)，最終實(shí)現(xiàn)工作面高產(chǎn)高效。

(1)前部運(yùn)輸機(jī)能力確定考慮到工作面運(yùn)輸機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)條件多變，前部運(yùn)輸機(jī)實(shí)際運(yùn)輸能力應(yīng)略大于采煤機(jī)的生產(chǎn)能力，即

Qy≥Kc·Kv·Ky·Qc=(1.2～1.4)·Qc

(5)

Qc=60·H·B·γ·Vc

(6)

式中，Kc為采煤機(jī)割煤速度不均勻系數(shù)，取1.3～1.5；Kv為采煤機(jī)與輸送機(jī)同向運(yùn)動(dòng)時(shí)的修正系數(shù)，取1.05；Ky為煤層傾角和運(yùn)輸方向系數(shù)，取0.9；Qy為輸送機(jī)的最大運(yùn)輸能力，t/h；Qc為采煤機(jī)的實(shí)際生產(chǎn)能力，t/h；H為平均采高，取3.5m；B為采煤機(jī)截深，取0.8m；Vc為采煤機(jī)平均割煤速度，取6m/s；γ為煤的密度，取1.43t/m3。

將上述各參數(shù)代入得，采煤機(jī)的實(shí)際生產(chǎn)能力為1441t/h，刮板輸送機(jī)的運(yùn)輸能力應(yīng)不小于2018t/h。

(7)

式中，K為電機(jī)功率備用系數(shù)，一般取1.1～1.3，取1.3；K1為刮板鏈繞過(guò)兩端鏈輪時(shí)的附加阻力系數(shù)，取1.1；K2為移動(dòng)輸送機(jī)時(shí)中部槽彎曲附加阻力系數(shù)，取1.1；q0為刮板鏈每米重量，取48kg/m；f1為刮板鏈在槽中運(yùn)行阻力系數(shù)，一般取0.25～0.35，取0.3；f2為煤在槽中運(yùn)行的阻力系數(shù)，一般取0.6～0.8，取0.8；β為工作面傾角，取2°；q為每米中部槽煤量，q=Qy/(3.6×V1)，取400kg/m，V1為鏈速；L為工作面長(zhǎng)度，180m；η為傳動(dòng)裝置效率，取0.95。

將各參數(shù)代入公式(7)可得N=1377kW。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，考慮工作面不確定因素，確定前部運(yùn)輸機(jī)總功率應(yīng)大于1377kW。

(3)后部運(yùn)輸機(jī)主要參數(shù)確定綜合考慮工作面年產(chǎn)量水平與前后部運(yùn)輸機(jī)設(shè)備互換性要求，后部運(yùn)輸機(jī)功率、運(yùn)量選用與前部相同。

2.2綜采工作面設(shè)備選型結(jié)果與配套

國(guó)投塔山煤礦近距特厚煤層首采綜放工作面最終選型配套設(shè)備明細(xì)見(jiàn)表1。

表1　工作面選型配套設(shè)備明細(xì)

工作面中部三機(jī)設(shè)備配套見(jiàn)圖2。

圖2　工作面中部三機(jī)配套斷面

圖3　運(yùn)輸巷道行人通道線(xiàn)路

國(guó)投塔山煤礦膠帶運(yùn)輸機(jī)布置在運(yùn)輸巷道工作面?zhèn)?，在轉(zhuǎn)載機(jī)與巷道下幫之間留設(shè)行人通道，如圖3中箭頭所示，在轉(zhuǎn)載機(jī)上架設(shè)行人過(guò)橋?qū)崿F(xiàn)不停機(jī)安全行人。這種布置方式在有助于高效生產(chǎn)的同時(shí)，對(duì)工作面設(shè)備選型配套與設(shè)備運(yùn)行管理要求高，其缺點(diǎn)是巷道寬度一定的前提下，設(shè)備配套后采煤機(jī)滾筒中心線(xiàn)難以過(guò)煤壁，或過(guò)煤壁距離很小，導(dǎo)致機(jī)頭三角煤有可能割不透，在工作面設(shè)備下竄機(jī)尾后，三角煤割不透的幾率更大。為保證機(jī)頭處割透三角煤，可采取以下措施：

(1)設(shè)備配套中提高機(jī)頭挖底量，可通過(guò)加大滾筒直徑方式實(shí)現(xiàn)。如圖4所示，國(guó)投塔山礦采煤機(jī)滾筒直徑選用2500mm，此時(shí)機(jī)頭挖底量為391mm，實(shí)踐證明該方法可以滿(mǎn)足配套要求。

(2)在工作面采煤過(guò)程中，提高工作面管理水平，減少工作面設(shè)備下竄幾率。

圖4　工作面機(jī)頭處設(shè)備配套關(guān)系示意

3近距特厚煤層在選型配套中采取的技術(shù)措施

3.1液壓支架設(shè)計(jì)制造中應(yīng)采取的措施

(1)為防止工作面沖擊壓力，支架立柱安裝雙安全閥，大安全閥流量1000 L/min，小安全閥流量400L/min。

(2)頂梁柱窩采用整體高強(qiáng)度鑄件防止高沖擊壓力損壞頂梁。

(3)提高支架結(jié)構(gòu)件安全系數(shù)，結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度充分考慮沖擊壓力。

(4) 支架液壓系統(tǒng)采用大流量電液控制系統(tǒng)，在沖擊來(lái)壓時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)工作面快速推進(jìn)。

3.2采煤工藝與工作面管理中應(yīng)采取的措施

(1)首采工作面巷道布置中采用與2號(hào)煤層

煤柱平行內(nèi)錯(cuò)布置方法，實(shí)現(xiàn)降低應(yīng)力集中對(duì)巷道支護(hù)的影響。

(2)對(duì)位于2號(hào)煤層煤柱附近的支架，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)壓力顯現(xiàn)情況確定是否放煤和放煤架數(shù)，如果壓力增加不放煤或少放煤。

(3)在工作面上方?jīng)]有煤柱的采煤區(qū)域也要根據(jù)壓力顯現(xiàn)情況確定順序放煤或間隔放煤。

(4)當(dāng)周期來(lái)壓時(shí)，壓力顯現(xiàn)明顯或較大時(shí)，減少放煤工作面的快速推進(jìn)。

4結(jié)束語(yǔ)

(1)通過(guò)幾個(gè)月的開(kāi)采實(shí)踐證明，國(guó)投塔山煤礦近距特厚煤層的設(shè)備選型與應(yīng)對(duì)措施是可行的，近距特厚煤層開(kāi)采可通過(guò)提高支架可靠性與抗沖擊能力去滿(mǎn)足工作面壓力大的工況。遇到特大壓力時(shí)通過(guò)提高工作面推進(jìn)速度和減少放煤頻率快速通過(guò)沖擊壓力區(qū)。

(2)國(guó)投塔山煤礦綜放工作面設(shè)備布置中，行人通道留設(shè)在轉(zhuǎn)載機(jī)與巷道下幫之間實(shí)現(xiàn)不停機(jī)安全行人，提高了工作面的安全性，這種設(shè)備布置方式的缺點(diǎn)完全可通過(guò)合理的設(shè)備選型配套和工作面管理克服。

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[責(zé)任編輯：徐亞軍]

Key Techniques of Equipment Selection and Matching of Fully Mechanized Top Coal Caving Face with Close Distance and Giant Thickness Coal Seam in Guotou Tashan Coal Mine

[收稿日期]2015-11-06[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.03.014

[作者簡(jiǎn)介]張?jiān)?1978-)，男，山西昔陽(yáng)人，工程師，現(xiàn)任天地科技股份有限公司經(jīng)營(yíng)管理部副主任。

[中圖分類(lèi)號(hào)]TD355.44

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]B

[文章編號(hào)]1006-6225(2016)03-0052-03

[引用格式]張?jiān)?，劉新華.國(guó)投塔山礦近距特厚煤層綜放工作面設(shè)備選型與配套關(guān)鍵技術(shù)[J].煤礦開(kāi)采，2016，21(3)：52-54，142.