毛加寧，李鴻維，王紹留，高 坤

(1.云南能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，云南 曲靖 655001；2.云南省能源安全監(jiān)測中心，云南 昆明 650041；3.云南省興云煤礦，云南 富源 657200)

0 引 言

綜合機(jī)械化采煤工藝具有高產(chǎn)、高效、安全、低耗及勞動(dòng)條件好、勞動(dòng)強(qiáng)度小的優(yōu)點(diǎn)；但是綜采設(shè)備價(jià)格昂貴，綜采生產(chǎn)優(yōu)勢的發(fā)揮有賴于全礦井良好的生產(chǎn)系統(tǒng)、較好的煤層賦存條件以及較高的操作和管理水平。根據(jù)綜采工作面生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和目前的技術(shù)水平，綜采適用于煤層賦存較穩(wěn)定，構(gòu)造較簡單，頂、底條件良好，煤層傾角在55°以下的煤層。

國家行業(yè)政策規(guī)定，構(gòu)造復(fù)雜程度中等及以下，煤層傾角55°以下的煤層均須采用綜合機(jī)械化采煤。斷層構(gòu)造、煤層傾角、煤層穩(wěn)定性對(duì)綜合機(jī)械化采煤工藝的影響較大。當(dāng)工作面存在落差>采高且與工作面煤壁垂直或斜交的斷層，工作面回采的傳統(tǒng)方法是掘進(jìn)切割巷將斷層避開，從而造成采煤工作面長度變短，不得不減少液壓支架；待工作面推進(jìn)過完斷層，恢復(fù)到原有長度時(shí)，又不得不增加液壓支架。當(dāng)工作面存在落差>采高且與工作面煤壁平行或斜交的斷層時(shí)，工作面回采過程不得不采取重新掘進(jìn)開切眼、工作面搬家、跳采的方式過斷層。一般綜采工作面跳采搬家時(shí)間為1個(gè)月左右，如果1個(gè)綜采面掘進(jìn)準(zhǔn)備時(shí)揭露三四個(gè)落差>采高的斷層，綜采面在推進(jìn)過程中就要跳采三四次。這不僅影響綜采面的推進(jìn)度、產(chǎn)量，還將對(duì)綜采面的安全生產(chǎn)造成較大影響。

曲靖某通過竣工驗(yàn)收的 300 kt/a 建設(shè)礦井，首采110101工作面為該礦 2 400 m 水平1采區(qū)1區(qū)段第1個(gè)工作面。該工作面原采用ZH2000/16/24Z型整體頂梁組合懸移液壓支架支護(hù)，因受斷層水、裂隙水等頂板淋水，礦井停產(chǎn)，長時(shí)間沒有推進(jìn)，頂板壓力大等因素的影響，懸移支架支柱鉆底變成“死柱”，難于推進(jìn)，工作面支架、刮板輸送機(jī)、煤壁不成直線，中部片邦、漏頂嚴(yán)重，安全隱患多，安全風(fēng)險(xiǎn)大。

通過調(diào)研、考察、論證，該礦決定采用ZDL3200/14/22輕型支撐式液壓支架替換ZH2000/16/24Z型整體頂梁組合懸移液壓支架，以解決構(gòu)造復(fù)雜礦井傳統(tǒng)綜采面搬家困難、搬家時(shí)間長，以及整體頂梁組合懸移液壓支架支護(hù)工作面頂板淋水，頂板壓力大，支柱鉆底變成“死柱”，工作面難于推進(jìn)等問題，提高技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

1 工作面概況

1.1 礦井概況

曲靖某通過竣工驗(yàn)收的 300 kt/a 建設(shè)礦井，礦區(qū)面積 5.038 4 km2，儲(chǔ)量 18.54 Mt，可采煤層從上至下分別為C7、C5和C1煤層。礦井為低瓦斯礦井，礦井絕對(duì)瓦斯涌出量為 5.78 m3/min ，相對(duì)瓦斯涌出量為9.17m3/t。C7煤層為Ⅰ類自燃煤層，C5和C1煤層為Ⅱ類自燃煤層；C7、C5和C1煤層煤塵均有爆炸危險(xiǎn)性。礦井構(gòu)造復(fù)雜程度為中等，礦井水文地質(zhì)類型為中等類型。

1.2 工作面概況

110101工作面為該礦 2 400 m 水平1采區(qū)1區(qū)段第1個(gè)工作面，即首采工作面，其平面位置詳見圖1。

圖1 110101工作面平面示意Fig.1 Diagram of 110101 working face

該工作面開采下石炭統(tǒng)萬壽山組C1煤層，煤層厚度1.40～1.80 m，平均 1.70 m，煤層厚度變化不大，煤層傾角15～24°，平均18°，煤的密度 1.34 m3/t，硬度中等，以金屬光澤為主，玻璃光澤次之；煤種為特低灰、特高熱值、中高硫、低磷分、二級(jí)含砷、低結(jié)渣灰、較低至中等軟化溫度灰、較低至中等流動(dòng)溫度灰、特低揮發(fā)分、不粘結(jié)的無煙煤；煤層賦存較穩(wěn)定，煤層結(jié)構(gòu)簡單。C1煤層直接頂為厚0.20～1.00 m 的灰黑色泥巖，局部夾炭質(zhì)泥巖，遇水膨脹；老頂為厚4.50～6.00 m 的灰色夾泥巖砂巖，C1煤層頂板屬中等穩(wěn)定頂板。C1煤層直接底為灰黑色泥巖，含植物化石碎片，局部夾炭質(zhì)泥巖，遇水膨脹。C1煤層頂、底板巖性特征詳見表1。

表1 C1煤層頂?shù)装鍘r性特征Tab.1 The lithology characteristics of C1 coal seam roof and floor

1.3 工作面地質(zhì)情況

1)地質(zhì)構(gòu)造情況。該礦總體構(gòu)造形態(tài)為走向近于南北，傾向近于正東的單斜構(gòu)造。110101普采面掘進(jìn)過程中揭露斷層10條，其特征詳見表2。

表2 110101綜采工作面斷層構(gòu)造特征Tab.2 The fault structure characteristics of fully mechanized mining face

2)水文地質(zhì)情況。110101回采工作面地表位于區(qū)域地形制高點(diǎn)南側(cè)，礦區(qū)內(nèi)無地表水體，各含水層地下水補(bǔ)給來源均為大氣降水，且形成了各自的循環(huán)系統(tǒng)。工作面回風(fēng)巷、運(yùn)輸巷在探放水作業(yè)及實(shí)際掘進(jìn)工程中，均未發(fā)現(xiàn)較大涌水，偶爾出現(xiàn)巖層裂隙水，水量均不大。通過綜合分析，110101回采工作面水文地質(zhì)條件中等，涌水來源主要是斷層水、裂隙水。

1.4 工作面支護(hù)情況

110101工作面原選用ZH2000/16/24Z型整體頂梁組合懸移液壓支架支護(hù)，工作面端頭選用DW25-300/100X單體液壓支柱配合 4.5 m 的π型鋼梁支護(hù)。

工作面支架、刮板輸送機(jī)、煤壁不成直線；工作面中部片邦、漏頂嚴(yán)重，安全隱患多，安全風(fēng)險(xiǎn)大。

2 輕型支撐式液壓支架綜采

綜合分析C1煤層110101工作面懸移支架支柱鉆底變成“死柱”，中部片邦、漏頂嚴(yán)重等生產(chǎn)安全現(xiàn)狀，經(jīng)過分析比較，該礦決定拆除原ZH2000/16/24Z型整體頂梁組合懸移液壓支架支護(hù)，采用ZDL3200/14/22輕型支撐式液壓支架對(duì)工作面進(jìn)行支護(hù)，110101工作面由原整體頂梁組合懸移液壓支架支護(hù)普采面變?yōu)檩p型支撐式液壓支架支護(hù)綜采工作面。整體頂梁組合懸移液壓支架及輕型支撐式液壓支架特點(diǎn)適用情況詳見表3。

表3 整體頂梁組合懸移液壓支架及輕型支撐式液壓支架特點(diǎn)及適用情況Tab.3 The characteristics and application of integral top beam combined suspension hydraulic support and light support hydraulic support

2.1 采煤方法

110101綜采工作面采用走向長壁后退式采煤法回采，全部垮落法管理頂板。工作面采高 1.7 m，采用ZDL3200/14/22支撐式液壓支架支護(hù)，采用MG132/320-WD型采煤機(jī)落煤，滾筒直徑 1.4 m；工作面采用SGB630/220型刮板輸送機(jī)運(yùn)輸，工作面運(yùn)輸巷配備1臺(tái)SGB620-40T刮板輸送機(jī)和1臺(tái)STJ-650膠帶輸送機(jī)。110101綜采工作面設(shè)備配置詳見表4。

表4 110101綜采工作面設(shè)備配置表Tab.4 The configuration 110101 fully mechanized mining face equipment

2.2 采煤工藝

110101綜采工作面采用斜切割三角煤方式進(jìn)刀，正常生產(chǎn)時(shí)雙向割煤，往返一次割兩刀。采煤機(jī)割煤后，ZDL3200/14/22支撐式液壓支架及時(shí)伸出支架前探梁作為臨時(shí)支護(hù)，待機(jī)道上方頂板支護(hù)完畢后開始推溜。推移輸送機(jī)過程中，推移段與采煤機(jī)后滾筒距離6～9 m 且輸送機(jī)必須保持平、直、穩(wěn)。輸送機(jī)推移到位后收縮支架前探梁進(jìn)行移架工作。

2.2.1 采煤機(jī)進(jìn)刀

采煤機(jī)進(jìn)刀采用端部(或中部)自開缺口、斜切進(jìn)刀的方式，斜切進(jìn)刀段長度為 30 m，進(jìn)刀深度 0.6 m。

采煤機(jī)向下(上)割透端頭煤壁后，推移刮板輸送機(jī)，使得刮板輸送機(jī)彎曲段為 20 m 后，將2個(gè)滾筒的上下位置調(diào)換，向上(下)進(jìn)刀，通過 20 m 的彎曲段至 30 m 處，使得采煤機(jī)達(dá)到正常截割深度(即 0.6 m);按要求推移刮板輸送機(jī)至平直狀態(tài),將2個(gè)滾筒的上下位置調(diào)換，向下(上)割三角煤至割透端頭煤壁;割完三角煤以后，2個(gè)滾筒的上下位置調(diào)換，采煤機(jī)空機(jī)返回，進(jìn)入正常割煤狀態(tài)。

2.2.2 采煤機(jī)正常割煤

采煤機(jī)向上(下)割煤，直至割透上(下)端頭煤壁。采煤機(jī)正常割煤采用前滾筒在上部、后滾筒在下部的方式。

2.2.3 裝煤、運(yùn)煤方式

工作面裝煤主要靠采煤機(jī)的滾筒旋轉(zhuǎn)將煤卷入刮板輸送機(jī)。工作面刮板輸送機(jī)運(yùn)出的煤經(jīng)運(yùn)輸巷的轉(zhuǎn)載輸送機(jī)、膠帶輸送機(jī)進(jìn)入一采區(qū)暗主井運(yùn)輸機(jī)巷，再經(jīng)暗主井膠帶輸送機(jī)進(jìn)入采區(qū)煤倉，最后由底卸式礦車運(yùn)輸運(yùn)入井底煤倉。

2.2.4 工作面生產(chǎn)能力

工作面平均長度按 118 m 計(jì)算，每循環(huán)進(jìn)尺 0.6 m，工作面平均煤厚為 1.4 m，回采率95%，則

W=L·S·h·r·c=118×0.6×1.4×1.45×95%=137(t)

(1)

式(1)中：W為工作面正規(guī)循環(huán)生產(chǎn)能力，t；L為工作面平均長度，100 m；S為工作面循環(huán)進(jìn)尺，0.6 m；h為工作面平均煤厚，1.4 m；r為煤的容重，1.45 t/m3；c為工作面回采率，中厚煤層，c=95%。

工作面每班3個(gè)循環(huán)，2班生產(chǎn)，每月生產(chǎn) 28 d，正規(guī)循環(huán)率為85%，則：日產(chǎn)量=137×6×85%=700 t，月產(chǎn)量=700×28=19 564 t。

2.3 頂板管理

2.3.1 支護(hù)設(shè)計(jì)

1)液壓支架支護(hù)強(qiáng)度驗(yàn)算。按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算支架的支護(hù)強(qiáng)度，支架合理支護(hù)強(qiáng)度按8倍采高的頂板巖石計(jì)算。工作面條件與支架適應(yīng)條件對(duì)照詳見表5。

表5 綜采工作面條件與支架適應(yīng)條件對(duì)照Tab.5 The comparison between fully mechanized working face conditions and support conditions

G=0.009 8k·h·r·cosα=0.009 8×8.0×

1.7×2.48×cos18°≈0.314(MPa)

(2)

式(2)中：G為按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的支架的合理支護(hù)強(qiáng)度，MPa；k為支架上方頂板巖石厚度系數(shù)，中等穩(wěn)定頂板k為6.0～8.0，取k=8.0；h為采高取 1.7 m；r為巖石容重，取 2.48 t/m3；α為煤層平均傾角，取18°。

ZDL3200/14/22型支撐式液壓支架的支護(hù)強(qiáng)度為0.63～0.73 MPa>0.314 MPa。由此可知，支架的支護(hù)強(qiáng)度能滿足工作面的支護(hù)要求。

2)乳化液泵站。乳化泵選用BRW200/31.5型2臺(tái)和RX-1500型乳化液箱1個(gè)，2泵1箱配置。輸液管路選用φ38 mm 高壓膠管；回液管路選用φ38 mm 高壓膠管，耐壓 45 MPa 以上。乳化泵卸載閥整定值為 31.5 MPa，使用過程中，嚴(yán)禁隨意調(diào)整。乳化液濃度保持在3%～5%。泵站處配備乳化液濃度檢測計(jì)，每班檢查次數(shù)不低于2次，并做好記錄。

2.3.2 工作面支護(hù)

在采煤機(jī)割煤后，ZDL3200/14/22支撐式液壓支架先伸出前探梁護(hù)住空頂區(qū)域，然后移輸送機(jī)，再移支架；工作面頂板條件差時(shí)，采用帶壓擦頂移架的方式移架。正常移架要滯后采煤機(jī)后滾筒4～6架，不得超過6架。

1)移架順序。采煤機(jī)向下(上)端正常割煤時(shí)，滯后采煤機(jī)后滾筒4～6架移架。移架前若前探梁在伸出狀態(tài)，先收前探梁，然后降立柱，再移架。支架移到位后，若煤壁片幫及頂板破碎及時(shí)伸出前探梁進(jìn)行護(hù)頂。在采煤機(jī)割煤時(shí)，超前采煤機(jī)前滾筒4架將前探梁收回，并滯后采煤機(jī)后滾筒4架，按順序?qū)⑶疤搅荷斐觥?/p>

2)支護(hù)要求。采煤機(jī)割煤后，要及時(shí)移架，移架與采煤機(jī)后滾筒的距離一般不超過6架，防止長時(shí)間空頂。

支架的初撐力不得<24 MPa；工作面移架時(shí)，要移夠截深步距；支架升起后要等3～5 s，使支架初撐力達(dá)到 24 MPa 以上；移架要堅(jiān)持按線移架，其偏差不得超過± 50 mm ,正常回采時(shí)期支架中心距為 1 500 mm，相鄰支架的間隙為 100 mm，誤差≤100 mm；頂梁要與頂板平行，最大仰、俯角<7°；相鄰支架錯(cuò)差高度不大于頂梁高度的2/3。

移架時(shí)支架降100～200 mm，若頂板破碎，必須帶壓擦頂移架，必要時(shí)停機(jī)移架或超前移架。移架要及時(shí)，迅速，做到少降、快移、快支。工作面頂板空頂處要及時(shí)用坑木、背板接嚴(yán)背實(shí)，并支好支架。

確保工作面“三直、兩平、一凈、兩暢通”。

2.3.3工作面端頭支護(hù)

工作面下端頭采用DW28-300/100X單體液壓支柱、3.2 m π型鋼梁支護(hù)，布置成“四對(duì)八梁”“錯(cuò)梁齊柱”交替邁步前移支護(hù)。

2.3.4 工作面回風(fēng)巷、運(yùn)輸巷超前支護(hù)

工作面回風(fēng)巷及運(yùn)輸巷自煤壁向外的 20 m 范圍內(nèi)，采用DW28-250/100X單體液壓支柱配合 2.8 m 或 2.6 m 長π型鋼梁“一梁三柱”架設(shè)雙排托梁進(jìn)行超前支護(hù)，柱距 1.25 m，排距 1.50 m，壓力顯現(xiàn)明顯的地段應(yīng)增加戴帽點(diǎn)柱加強(qiáng)支護(hù)；柱、排距誤差為± 100 mm，上下安全出口高度不得低于 1.8 m，行人寬度不低于 0.8 m。端頭(從煤壁線以里至采空區(qū))支柱初撐力不<11.5 MPa。所有承載支柱必須系防倒繩，防倒繩要反向懸掛牢固。110101綜采工作面支護(hù)詳見圖2。

圖2 110101綜采工作面支護(hù)平面示意Fig.2 Schematic diagram of support plane of 110101 fully mechanized mining face

3 循環(huán)作業(yè)方式及勞動(dòng)組織

根據(jù)110101綜采工作面的地質(zhì)條件、煤層賦存條件等，確定工作面采用“三·八”作業(yè)制和“二采一準(zhǔn)”循環(huán)作業(yè)方式，每天2個(gè)采煤班生產(chǎn)，1個(gè)檢修班檢修。2個(gè)采煤班出勤人數(shù)均為34人，檢修班出勤人數(shù)為15人，1個(gè)圓班的出勤人數(shù)為83人。

4 結(jié) 語

通過綜合分析和支護(hù)強(qiáng)度驗(yàn)算，采用ZDL3200/14/22輕型支撐式液壓支架對(duì)綜采工作面進(jìn)行支護(hù)，技術(shù)可行，安全可靠，對(duì)煤層厚度為1.4～ 2.2 m、傾角≤ 25°、硬度f≤3、老頂為I～Ⅲ級(jí)、直接頂為2～4類、底板相對(duì)堅(jiān)硬、工作面長度≤135 m 的綜采工作面使用效果較好。

據(jù)110101綜采面現(xiàn)場實(shí)踐，ZDL3200/14/22輕型支撐式液壓支架質(zhì)量為 4.5 t，僅為支護(hù)參數(shù)相近的Y3600/12/28型傳統(tǒng)2柱掩護(hù)式液壓支架質(zhì)量 11.16 t 的1/4，搬運(yùn)方便；采用ZDL3200/14/22輕型支撐式液壓支架支護(hù)工作面安裝或搬家的時(shí)間為 8 d 左右，僅為支護(hù)參數(shù)相近的Y3600/12/28型傳統(tǒng)2柱掩護(hù)式液壓支架搬家時(shí)間 30 d 左右的1/3～1/4，安裝或搬家時(shí)間短，費(fèi)用低。

ZDL3200/14/22支撐式輕型液壓支架在綜采工作面綜采過程中，還存在：1)操作閥閥座為聚甲醛材料，閥座與閥芯之間易磨損造成操縱閥閥體串液；2)油缸密封材料為聚氨酯材料，油缸運(yùn)行過程中密封圈和缸體之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)，密封圈易磨損，油缸常串液；3)安全閥彈簧易疲勞失效，安全閥達(dá)不到額定工作壓力即開啟；4)支架后部不是全包圍，俯采工作面易竄矸；5)無側(cè)推油缸，支架上移、下移不方便；6)支架上部無側(cè)護(hù)板，不易防倒；7)無抬底油缸，遇軟弱巖層，不易起步前移等質(zhì)量和結(jié)構(gòu)問題，有待認(rèn)真總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，不斷改進(jìn)完善。