興隆莊煤礦大采高綜放工作面設備配套與工藝技術

王 寅

(中國礦業大學礦業工程學院,江蘇省徐州市,221008)

1 試驗面地質條件

試驗面為1308綜放工作面,位于興隆莊煤礦的一采區西部,上側與1307綜放工作面采空區相鄰,下側為1309設計綜放工作面。工作面面長207.2 m,推進長度2574 m,所采煤層為二疊系山西組底部的3#煤,厚度7.85～9.9 m,加權平均8.6 m,煤層厚度穩定,產狀平緩,但結構較為復雜,距頂板3.0 m處有一層0.03 m厚的炭質粉砂巖夾矸;距切眼0～800 m的范圍內,距底板3.3 m位置處有一層厚0～1.3 m的炭質泥巖夾矸,性脆、極易冒落。煤層硬度系數f=2.3,埋藏深度354.7～503.5 m。工作面煤層頂板自下往上依次為3.2 m厚的深灰色粉砂巖、11.5 m厚的粉中砂巖互層、20.34 m厚的灰白色中砂巖,煤層底板向下依次為7.04 m厚的粉砂巖、9.22 m厚的中砂巖。

2 大采高綜放支架選型與設備配套

大采高綜放與普通綜放開采在設備配套上最大區別在于綜放液壓支架,其選型的合理與否是決定大采高綜放開采能否成功的關鍵所在。

2.1 大采高綜放支架選型

2.1.1 支架架型選擇

根據綜放支架選型原則和兗州礦區多年的綜放開采經驗,并結合礦井煤層賦存條件和頂底板狀況,支架選用了正四連桿低位放頂煤液壓支架;為提高支架頂梁前端支撐能力,選用了整體頂梁的結構型式;底座選用了分體底座結構型式,排矸性能好,利于安裝抬底座裝置。

2.1.2 支架高度

理論研究表明,綜放開采在煤層厚度一定的條件下,增大機采高度,相應減小頂煤厚度,使工作面的礦壓及其破煤作用發生改變,利于頂煤的破碎放出,提高頂煤的采出率。但是機采高度不是越大越好,一是機采高度越大,工作面煤壁中上部位置煤體越容易片幫破壞,頂板壓力對支架的合力作用位置就愈靠近煤壁,不利于頂板控制;二是放頂煤條件下,支架高度越大,其穩定性就差,對頂底板的適應性降低。因此,既要加大機采高度,提高頂煤破碎松散程度,又要防止機采高度過大引起頂煤上部拉剪破壞區與機道上方下位頂煤壓剪破壞區連通,造成頂煤冒落。同時考慮到工作面的合理采放比和安全高效的要求,確定了支架的最大高度為4.0 m。

2.1.3 支架支護強度

支護強度主要取決于工作面頂底板條件、煤層埋深和采高等因素,而放頂煤支架支護強度的確定與普通支架支護強度的確定有所不同。實踐證明,放頂煤工作面的來壓強度要低于普通綜采工作面的來壓強度。根據安全高效的原則,結合兗州礦區多年的開采經驗和開采條件,并考慮了一定的富裕系數,取支護強度0.9 MPa。

2.1.4 支架工作阻力

液壓支架的工作阻力即為支架的合力,代表了支架的支撐能力。支架支護強度確定后,根據配套尺寸,確定了支架的頂梁長度和控頂距大小,根據下式可計算出支架的工作阻力。

式中:P——支架工作阻力,kN;

QZ——支架支護強度,取900 kN/m2;

LK——控頂距,取0.40 m;

LD——頂梁長度,取4.93 m;

B——支架中心距,取1.5 m。

經計算得工作阻力P為7196 kN,靠標準系列,取7200 kN,即選用ZFS7200/20/40型四柱式低位放頂煤液壓支架。

2.2 大采高綜放工作面設備配套

大采高綜放支架選型確定后,在現有綜放開采技術和裝備的基礎上,本著技術先進、設備精良、性能優異、安全高效、經濟合理的原則,對工作面其他設備進行了選型配套,使工作面生產能力不低于年產600萬t的水平。工作面設備配套情況見表1。

表1 大采高綜放工作面設備配套表

2.3 工作面端頭及超前巷道液壓支架配套

2.3.1 工作面運輸巷道端頭及超前巷道支架

工作面運輸巷道選用了ZT24500/20/38型端頭及超前巷道液壓支架。該支架是興隆莊煤礦與鄭州煤機廠2005年在成功研制應用ZT9800/16/30型運輸巷道端頭液壓支架的基礎上,針對試驗期間暴露出的問題,經重新優化設計完成的。該支架的結構型式為二架型三組合,由超前支架、端頭支架組成。其中,超前支架2架,為六柱兩架一組結構;端頭支架1架,為八柱兩架一組結構,前帶鉸接前梁形式。超前支架設計為六柱結構,結構緊湊,受力均勻,四連桿加單擺桿機構,確保了支架的穩定性,頂梁配置與推移步距相適應的調架千斤頂有效防止了左右倒架并確保順利移架。端頭支架設計成八柱結構,頂梁亦配置了調架千斤頂,鉸接頂梁帶鉸接前梁結構形式,提高了對頂板的適應能力和支撐能力。支架與轉載機聯接,交替邁步移架。

該端頭及超前巷道支架整架初撐力19780 kN,工作阻力24500 kN,支護面積49.4 m2,支護高度為2.0～3.8 m,支護強度0.495 MPa,底板比壓0.90 MPa,總的支護長度31.5 m,其中超前支護長度為17.5 m,端頭支護長度14 m,立柱共20根。

2.3.2 工作面軌道巷道端頭及超前巷道支架

工作面軌道沿空巷道應用了ZT103500/22/38型端頭及超前運輸巷道液壓支架。該巷道支架是在工作面運輸巷道端頭及超前巷道支架成功研制應用的基礎上,依據軌道(沿空)巷道礦壓及圍巖變形特點開發設計完成的,首次投入使用。其結構形式為四架型八組合,包括端尾支架1組、超前支架I型3架(為工作面面口向外第1～3組支架)、超前支架II型3架(為工作面面口向外第4～6組支架)、錨固支架1架(最外端支架),除端尾支架為支撐掩護式以外,其余支架均為兩架一組架型,帶四連桿加單擺桿機構,確保了支架穩定性。錨固支架同超前支架I型架型相同,均為四柱支撐,頂梁前后均帶鉸接前梁,增加了對端尾三角區域頂板的適應性。超前支架II型設計為八柱結構,端尾支架設計為六柱結構,帶有鉸接頂梁帶鉸接前梁結構形式。支架在排頭使用了自移牽引錨固支架,左右兩架一組的結構形式,實現邁步前移。該支架總的支護長度65.5 m,其中超前長度58.8 m,其他技術參數見表2。

表2 ZT103500/22/38型端頭及超前軌道巷道液壓支架主要技術參數

3 采煤工藝與礦壓觀測

3.1 采煤工藝

采煤方法為傾向長壁綜采放頂煤一次采全高全部陷落法。工作面采用端部斜切進刀、采放工序平行作業的工藝方式,流程為割煤→移架→推移前部輸送機→后部放煤→拉移后部輸送機。

根據兗州礦區多年的開采經驗,工作面工藝參數設計為:機采高度3.6 m,放煤高度5.0 m,采放比1∶1.39,放煤步距0.8 m,一采一放單輪或雙輪順序放煤方式。通過現場工藝實測驗證,所設計的工藝參數完全能夠適應大采高綜放開采要求。

3.2 礦壓觀測

為摸清大采高綜放條件下工作面的頂板運動規律和礦壓顯現特點,以分析評價大采高綜放支架對工作面開采條件的適應效果,在工作面開采期間對工作面頂板運移特征、支架支護阻力、安全閥開啟、端面頂板狀況及煤壁片幫深度等參數進行了系統觀測,取得了大量的第一手礦壓資料。

礦壓分析結果表明,工作面頂板運動的劇烈程度和礦壓顯現程度與普通綜放工作面相比,均有所增大,但不是很明顯。頂煤易于破碎,冒放性較好,保持了工作面架前頂煤完整、架后破碎的理想放煤狀態,證明大采高綜放工藝試驗是成功的。實測1308工作面頂板初次來壓步距52.2 m,動載系數1.38,周期來壓步距14.5～18.7 m,平均16.4 m,動載系數1.31;支架工作阻力在來壓前后分別為4477.6 kN/架、5264 kN/架,最大6670.8 kN/架,分別占支架設計值的62.19%、73.11%、92.65%,支架安全閥開啟率來壓前8.2%,來壓時15.1%,片幫深度平均215 mm,最大1500 mm。在整個使用期間,支架運轉特性良好,沒有因頂板壓力、支架設計問題導致支架零部件損壞,對工作面開采條件適應性較好,完全能夠滿足工作面生產的需要。

4 試驗效果

該套大采高綜放配套設備于2006年11月在興隆莊煤礦1308綜放工作面安裝完畢,經調試正常后開始生產,2007年1～3月正式進行了現場工業性試驗,2007年4～9月為應用階段。通過現場工業性試驗和半年多的應用,該套設備體現出了以下優點。

(1)大采高綜放配套設備能夠適應工作面開采條件,滿足礦井安全高效的要求,整套裝備選型合理、運動關系協調、生產能力匹配、運行正常,狀態良好,具有效率高、安全性能好、質量可靠等特點,設備事故率明顯降低。

(2)大采高綜放支架支護效能發揮較好,對頂底板條件適應性強,完全能夠滿足工作面的開采要求。

(3)大采高綜放配套設備生產能力穩定,產量高。3個月的現場工業性試驗和半年的現場應用,累計產煤455.9100萬t,平均月產50.6567萬t,最高月產56.3639萬t,達到了600萬t/a以上的生產能力。

(4)工作面回采率得到進一步提高。在夾矸層區域基本杜絕了丟底煤現象,同時機采高度的增加,改變了采放比,頂煤冒放性增強,工作面累計回采率達到了89.37%,最高達到了91.97%,與相鄰1307普通采高綜放工作面相比回采率提高了1.36%,多出煤4.97萬t。

(5)工作面兩巷端頭與超前巷道液壓支架的成功應用,提高了對工作面超前巷道頂板的支護強度,改善了作業環境,降低了勞動強度,提高了工作效率,大大保障了端頭支護的作業安全,形成了綜放工作面端頭及兩巷道成套支護技術體系,進一步促進了工作面的安全高效生產。