孟鵬飛，張彥霞，楊帆

(1.華能煤業(yè)有限公司， 北京 100070； 2.華亭煤業(yè) 大柳煤礦有限公司， 甘肅 平?jīng)?744200)

0 引言

大柳煤礦是一座年設(shè)計能力為2.4 Mt/a的現(xiàn)代化大型礦井，含煤面積約27.9 km2，可采儲量1.82億t，服務(wù)年限約54.4 a，配套建設(shè)同等規(guī)模的選煤廠。2008年8月開工建設(shè)，2015年5月正式投產(chǎn)。礦井生產(chǎn)系統(tǒng)主要裝備3條立井井筒。其中，主立井井筒裝備一對20 t箕斗，擔負礦井煤炭提升;副立井裝備一對四繩1.5 t單層雙車罐籠，擔負人員和材料運送;回風立井選用2臺礦用防爆對旋軸流式通風機，擔負全礦井的通風任務(wù)。井下原煤運輸主要采用帶式輸送機，輔助運輸采用軌道和無極繩連續(xù)牽引車。礦井采用立井單水平雙翼開拓，工作面采用綜合機械化放頂煤采煤方法，在4 號煤層中兩翼各布置1 個綜放工作面，“一井兩區(qū)兩面”生產(chǎn)模式。礦井目前主要存在以下問題：

1) 現(xiàn)有的2套綜采放頂煤設(shè)備分別于2011年3月和2012年4月投入使用，發(fā)現(xiàn)磨損嚴重，加之設(shè)備陳舊老化，頻繁影響生產(chǎn),至今未進行大修。

2) 大柳煤礦現(xiàn)有人員配備不足，僅有3 個掘進隊伍。其中，2個掘進隊負責正常工作面接續(xù)，1個掘進隊負責巷道維護。煤礦現(xiàn)有2個綜放工作面，要保障采掘平衡，至少應(yīng)配備4 個掘進隊。但因掘進隊伍配置不足，影響礦井實現(xiàn)產(chǎn)量目標。

1 采煤方法、工藝及裝備

礦井目前東、西翼同時開采，在4號煤層中兩翼各布置1個綜放工作面，“一井兩區(qū)兩面”生產(chǎn)模式。為解決目前存在的問題，通過對國內(nèi)先進礦井的調(diào)研，決定采用“一井一區(qū)一面”模式，在一采區(qū)的接續(xù)區(qū)域布置1個大采高綜采工作面來保證礦井產(chǎn)能。

1.1 采煤方法與工藝

大柳井田含煤地層為侏羅系延安組，可采煤層共計5層，分別為1-2煤、2-3煤、3-2煤、4煤、5煤。本文僅對一采區(qū)4 號煤層的采煤方法選擇進行分析。根據(jù)本井田的地質(zhì)條件、煤層賦存特征和生產(chǎn)規(guī)模要求，結(jié)合國內(nèi)外采煤方法的發(fā)展現(xiàn)狀，適合一采區(qū)4號煤層開采的綜合機械化采煤方法有以下三種：分層綜采、放頂煤綜采和一次采全高大采高綜采。

1) 分層綜合機械化采煤法。近十多年來，隨著放頂煤綜采和大采高綜采的快速發(fā)展，分層綜采因其工藝復(fù)雜、巷道掘進率高等缺點，已逐漸被放頂煤綜采和大采高綜采所取代[1]。雖然本礦井4號煤采用分層綜采從技術(shù)上是可行的，2～3個面是可以保證2.40 Mt/a的生產(chǎn)能力，但由于工作面數(shù)量多，工藝復(fù)雜，工作面接續(xù)緊張，工效低。因此，不推薦采用分層綜采。

2) 放頂煤綜合機械化采煤法。大柳煤礦目前采用綜采放頂煤回采4號煤層，2個工作面保證礦井產(chǎn)能。礦井2個工作面分別于2011 年3 月和2012 年4 月投入使用以來運行正常，故本礦采用綜采放頂煤還可行。根據(jù)近幾年綜采放頂煤的實踐，礦井可實現(xiàn)綜放工作面日進尺6刀/d，經(jīng)計算當工作面長度增加至240 m，應(yīng)更換全套綜放設(shè)備，在一采區(qū)4 號煤層布置1 個綜采放頂煤工作面可達2.40 Mt/a 的產(chǎn)能。

3) 一次采全高大采高綜采。大采高綜采在我國經(jīng)過幾十年的長足發(fā)展，已取得了明顯的進展。目前我國的大采高綜采技術(shù)已處于世界領(lǐng)先地位，它已成為我國高產(chǎn)高效礦井的主要采煤方法之一[2]。隨著大采高綜采技術(shù)與裝備水平的提高，在當今最新技術(shù)和高可靠性配套裝備的保障下，一次采全高大采高綜采可以實現(xiàn)“一井一面”8.00 Mt/a。比如：神東公司補連塔礦井，支架最大支護高度7.0 m，最大割煤高度6.8 m，工作面單產(chǎn)已超過10.00 Mt/a[3]；晉城礦區(qū)寺河礦井，支架最大支護高度6.3 m，最大割煤高度6.0 m，工作面單產(chǎn)已達到8.00 Mt/a。

由上可知,根據(jù)該礦井的煤層條件，結(jié)合國內(nèi)裝備的發(fā)展水平，通過對綜采放頂煤和大采高綜采工藝的比較，大采高綜采具有工藝簡單、管理難度小、工作面單產(chǎn)高、作業(yè)人員作業(yè)環(huán)境好且勞動強度低等優(yōu)點。因此，選取采用大采高綜采，一井一面實現(xiàn)2.40 Mt/a 是可行的。

綜采放頂煤的優(yōu)點有:

1) 對煤層厚度變化適應(yīng)性強；

2) 頂煤利用礦壓回收，工作面能耗低；

3) 同等埋深和圍巖條件下，對液壓支架支護強度和底板比壓的要求較低；

4) 設(shè)備投資低；

5) 巷道斷面小，掘進費用低，利于巷道支護。

綜采放頂煤的缺點有:

1) 需根據(jù)煤層裂隙、結(jié)構(gòu)、埋深、頂板巖性等對冒放性進行論證，使用條件要求較高；

2) 工藝復(fù)雜，且存在混矸可能，管理難度大；

3) 工作面推進速度較慢，勞動生產(chǎn)率低，工作面單產(chǎn)低；

4) 采空區(qū)殘煤多，漏風大，采空區(qū)發(fā)火概率較大；

5) 煤塵大。

大采高綜采的優(yōu)點有:

1) 單產(chǎn)高，巷道少，系統(tǒng)簡單，利于集中生產(chǎn)；

2) 工藝簡單，管理難度??；

3) 工作面產(chǎn)量和效率高；

4) 混矸可能性小，煤質(zhì)好；

5) 資源采出率高；

6) 作業(yè)人員工作環(huán)境好，勞動強度低。

大采高綜采的缺點有:

1) 對厚度變化較大的厚煤層適應(yīng)性差，對厚度變化較大的厚煤層影響資源采出率；

2) 支架重，底板比壓大，對頂?shù)装宸€(wěn)定性要求較高；

3) 礦壓顯現(xiàn)強烈，煤壁容易片幫，當采高大于5 m以上時，片幫現(xiàn)象加劇，工作面及頂板管理難度大；

4) 支架外形尺寸大，不便于安裝、拆卸、運輸、維修；

5) 設(shè)備投資高；

6) 巷道斷面大，掘進費用高，支護難度大。

1.2 工作面主要參數(shù)

1) 工作面采高。大柳煤礦一采區(qū)4 號煤層厚度為4.46～7.69 m，平均煤層厚度為5.67 m；開采厚度為4.46～8.29 m，平均開采高度為5.87 m。目前，我國大采高綜采技術(shù)已較為成熟，且設(shè)備基本國產(chǎn)化。另外，一采區(qū)4 號煤層賦存穩(wěn)定，傾角一般為3 °～10 °，傾角較小，具備布置大采高綜采工作面的基礎(chǔ)條件。經(jīng)綜合分析，為提高采區(qū)回采率，改善煤質(zhì)，本著適應(yīng)煤層厚度的原則，工作面支架最大支護高度為6.5 m，最大割煤高度為6.3 m。

2) 工作面長度。合理的工作面長度是實現(xiàn)高產(chǎn)高效的重要條件。從工作面內(nèi)部條件來看，在一定范圍內(nèi)增加工作面長度，不僅可以減少工作面準備工程量，提高回采率，還可以縮短工作面端頭進刀等輔助作業(yè)時間，有利于提高工作面產(chǎn)量和效率。但當工作面過長時易導(dǎo)致推進度下降，增大煤壁片幫防治和頂板管理的難度，對于易自燃煤層還會增加自燃發(fā)火的概率，反而不利于高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。不同工作面長度的相關(guān)參數(shù)對照見表2。

表2 不同工作面長度相關(guān)參數(shù)對比

由表2可知，工作面長度越長，區(qū)段煤柱損失越小，推進速度越慢。當工作面長度為250 m時，月推進度為122.5 m，對防治煤壁片幫、煤層自燃發(fā)火、頂板離層水不利。工作面長度越短，區(qū)段煤柱損失越大，推進速度越快。當工作面長度為150 m時，一采區(qū)區(qū)段煤柱損失較大，工作面過渡支架段長度占工作面總長度比例大，工作面煤炭回收率低。結(jié)合國內(nèi)防治煤層自燃發(fā)火、煤壁片幫等成功經(jīng)驗，根據(jù)一采區(qū)地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育及煤層賦存情況，經(jīng)綜合分析，確定大柳煤礦4 號煤層工作面長度暫取為200 m。

3) 工作面推進長度。其主要受地質(zhì)條件和設(shè)備過煤量的限制，國產(chǎn)液壓支架及采煤機過煤量可達1 000萬t。對于易自燃煤層，工作面推進長度過長，還會增加自燃發(fā)火的概率。一般情況下，工作面推進長度以回采期1 a左右為宜。大柳煤礦井下東、西翼大巷已確定，一采區(qū)工作面推進長度已確定為1 400～1 900 m，工作面推進長度回采期為1 a左右且長度合適。

1.3 主要設(shè)備配備選型

現(xiàn)代化礦井開采發(fā)展的趨勢是“一井一面”，生產(chǎn)高度集中。只有生產(chǎn)高度集中，開采裝備高度機械化，才能大幅度減員提效，從而實現(xiàn)高產(chǎn)高效、安全生產(chǎn)的目標。三機配套是整個綜采設(shè)備的核心，采煤機和刮板輸送機的生產(chǎn)能力滿足工作面的產(chǎn)量要求，液壓支架的移架速度跟得上采煤機的牽引速度。三機在性能、結(jié)構(gòu)、空間要求等方面必須相互適應(yīng)和匹配[4-5]。

1) 大采高液壓支架選型。通過巖重法和覆巖運動模擬法進行了支架工作阻力計算，巖重法計算支架工作阻力不小于11 687 kN，覆巖運動模擬法模擬支架工作阻力為13 000 kN。兩種分析結(jié)果基本一致，故支架額定工作阻力確定為13 000 kN。具體參數(shù)見表3。

表3 工作面液壓支架特征

2) 采煤機。大柳煤礦設(shè)計生產(chǎn)能力為2.40 Mt/a，生產(chǎn)模式為“一井一面”，故要求采煤機生產(chǎn)能力應(yīng)不小于2.40 Mt/a。年工作日按330 d計算，工作面每天的生產(chǎn)能力為7 273 t。一采區(qū)工作面平均采高為5.67 m，煤層傾角3 °～10 °。工作面采用雙向割煤，端頭斜切進刀方式。設(shè)計采煤機截深為0.8 m，工作面長度為200 m。根據(jù)以上參數(shù)計算，采煤機功率不應(yīng)小于1 065.4 kW，平均割煤能力不小于1 408 t/h。由于大柳煤礦4 號煤層厚度大，所以采煤機應(yīng)配備破碎滾筒。另外，一采區(qū)已探明14 條斷層，為避免頻繁搬家倒面，采煤機功率應(yīng)適當加大。根據(jù)國內(nèi)采煤機廠家資料，確定選用MG800/2040-WD 型采煤機，截割功率為2×800 kW，其他主要技術(shù)參數(shù)見表4。

表4 采煤機技術(shù)特征

3) 刮板輸送機。主要以采煤機最大生產(chǎn)能力為基數(shù)，可保證采煤機截割的煤炭能及時運出去，同時保證設(shè)備的可靠性和耐久性，兼顧設(shè)備啟動、保護和控制性能。根據(jù)采煤機平均割煤能力和工作面長度等參數(shù)，經(jīng)計算，刮板輸送機輸能力應(yīng)不小于1 550 t/h，功率不小于952 kW。根據(jù)4號煤層對刮板輸送機的基本要求，選用SGZ1000/2×525型刮板輸送機，其他主要技術(shù)參數(shù)見表5。

表5 刮板輸送機技術(shù)特征

2 礦井通風、供電、運輸系統(tǒng)

礦井保留西翼一采區(qū)，生產(chǎn)模式變更為“一井一區(qū)一面”，工作重心全部置于西翼，且采煤工藝由綜采放頂煤調(diào)整為大采高一次采全高綜采，礦井西翼開拓巷道布置、一采區(qū)硐室設(shè)置(采區(qū)變電所、支架組裝硐室)、工作面巷道布置等需進行調(diào)整。工業(yè)場地、井田開拓方式、井筒數(shù)目、水平劃分及采區(qū)劃分等均滿足大采高一次采全高綜采工作面要求。

2.1 通風系統(tǒng)

根據(jù)標準《煤礦安全規(guī)程》(2016 版)和《煤炭工業(yè)礦井設(shè)計規(guī)范》(GB 50215—2015)規(guī)定，礦井總風量應(yīng)按井下同時工作的最多人數(shù)每人供給風量不少于4 m3/min或按采煤、掘進、硐室及其他地點實際需要風量總和的最大值選取。根據(jù)計算，礦井總風量為115 m3/s。本礦井屬瓦斯礦井，通風系統(tǒng)為中央并列式，通風方式為機械抽出式，由主、副立井進風，回風立井出風?；仫L立井通風機場地已安裝2 臺FBCDZN028/250×2 型礦用防爆對旋軸流式通風機，1臺工作，1臺備用。經(jīng)校核，該通風機的能力可滿足開采一采區(qū)最遠工作面時通風風量及風壓要求。

2.2 供配電系統(tǒng)

該礦井已從工業(yè)場地副立井下四回電纜向井下供電，四回均引至井下主變電所。下井電纜采用MYJV42-10 kV 3×240 mm2交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜，兩兩互為備用。當任一回電源因故停止供電時，另一段母線上兩回電源仍能保證井下全部設(shè)備正常運行。改造后，井下負荷減小，下井電纜滿足改造后使用要求。

2.3 輔助運輸

大型設(shè)備(如液壓支架、采煤機等)解體后通過罐籠下放至副立井井底車場后，由防爆蓄電池機車運輸至液壓支架組裝硐室。完成組裝后,由防爆蓄電池機車牽引至無極繩牽引卡軌車硐室，再由卡軌車運輸至工作面。

1) 副立井。大采高液壓支架總質(zhì)量為51 t，運輸尺寸為8 627 mm×3 000 mm×1 640 mm?，F(xiàn)有副立井提升機能力、提升容器尺寸及載重均不滿足液壓支架整體運輸要求，必須進行解體后方可運輸。經(jīng)校核，液壓支架解體后各部分質(zhì)量(含運輸平板車)均小于29 t，副立井提升機提升能力、罐籠尺寸及載重均滿足要求。

2) 井下運輸。結(jié)合本礦井建設(shè)規(guī)模、井田開采面積、煤層頂?shù)装鍡l件、埋深、傾角、運輸距離及運輸量等，以及近年來國內(nèi)外大、中型礦井輔助運輸設(shè)備的使用情況和發(fā)展趨勢，適合該礦井井下輔助運輸?shù)脑O(shè)備主要有無極繩連續(xù)牽引車、防爆柴油機單軌吊機車、防爆柴油機齒軌卡軌機車、無極繩牽引卡軌車。

通過對上述輔助運輸設(shè)備的優(yōu)缺點及適應(yīng)性分析，西翼輔助大巷采用煤礦防爆特殊型蓄電池式電機車運輸，工作面輔助運輸順槽采用無極繩牽引卡軌車。

結(jié)合以上分析可知，目前大柳煤礦的供配電、通風等系統(tǒng)完全滿足改為大采高綜采工藝后的使用要求，副井運輸只需對井下運輸裝備進行改造，即可滿足使用要求。

3 結(jié)論

華能煤業(yè)有限公司第一次應(yīng)用自動化大采高綜采工藝，這也是該工藝在軟巖條件下的首次應(yīng)用，它的推廣使用不但能大大提高生產(chǎn)率，而且能提高現(xiàn)場安全性。但面臨的問題還有很多，需要進一步摸索與研究。隨著科技的進步和人員素質(zhì)的普遍提高，自動化大采高綜采技術(shù)將會越來越完善。