老石旦礦薄煤層綜合機(jī)械化開采實(shí)踐

何富連，王曉明，張廣超，謝生榮，王 歡，高 升

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué) （北京）資源與安全工程學(xué)院，北京 100083）

我國(guó)煤炭?jī)?chǔ)量大且賦存多樣化，其中薄煤層可采儲(chǔ)量約為60多億t，約占全國(guó)煤炭總儲(chǔ)量的19%，但其采出量卻不足總儲(chǔ)量的10%［1－2］。薄煤層開采技術(shù)與煤炭開采技術(shù)的發(fā)展不同步致使薄煤層綜合機(jī)械化開采水平較低［3］，使得薄煤層工作面單產(chǎn)低、經(jīng)濟(jì)效益差、開采速度緩慢，進(jìn)而影響了其下部中厚或厚煤層的開采，使工作面不能正常接替，嚴(yán)重影響礦井的生產(chǎn)能力。神華集團(tuán)海勃灣礦業(yè)有限責(zé)任公司老石旦煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)桌子山煤田西翼的老石旦礦區(qū)，井田面積約13.14km2，主采煤層為：9＃煤、12＃煤、16-1＃煤、16-4＃煤，其中12＃為薄煤層，其余為中厚煤層，均為焦煤。為了解決老石旦礦各煤層間的開采銜接問題，提高礦井生產(chǎn)能力，實(shí)現(xiàn)高效開采和礦井的可持續(xù)發(fā)展，在12＃煤層開采過程中，提出采用綜合機(jī)械化開采技術(shù)，本文以12＃薄煤層1208工作面為對(duì)象，對(duì)薄煤層綜合機(jī)械化開采技術(shù)進(jìn)行研究。

1 老石旦礦薄煤層1208綜采面概況

1208工作面屬于二水平北三采區(qū)，走向長(zhǎng)度為800m，傾向長(zhǎng)度為150m，工作面面積為0.12km2，工業(yè)儲(chǔ)量201840t，可采儲(chǔ)量197803t，回采率98%。1208工作面地面標(biāo)高為1208～1333m，井下位于北三井口西南，標(biāo)高為890～925m，工作面東南部為未采完的1206工作面，已留作北三采區(qū)風(fēng)井煤柱，其西南及西北均為未開采的實(shí)體煤。工作面煤層厚度為0.6～1.4m，平均厚度為1.2m，煤層傾角為5°～15°，平均傾角為8°，該煤層具有煤塵爆炸性，有自燃傾向，為二類自燃煤層，煤層可采指數(shù)為1。工作面頂板破碎，存在0～0.1m厚的泥巖偽頂，直接頂為砂頁巖，厚度為1.8m，老頂為細(xì)砂巖，厚度為10m，直接底為細(xì)砂巖，厚度為1.88m，老底為砂頁巖，厚度為7.11m；工作面內(nèi)水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，只在局部出現(xiàn)頂板淋水現(xiàn)象，不會(huì)有大的涌水，最大涌水量0.85m3/min，正常涌水量0.5m3/min。

2 1208綜采面開采特點(diǎn)及技術(shù)要求

1）現(xiàn)有薄煤層開采設(shè)備比較落后，薄煤層液壓支架的最小高度無法滿足該煤層最小厚度［4］，因此支架選型時(shí)主要依據(jù)煤層最大厚度進(jìn)行選取，并盡可能考慮選取支架支撐高度范圍大的液壓支架。

2）采煤機(jī)對(duì)整機(jī)的結(jié)構(gòu)提出了更強(qiáng)更高的要求，截煤部的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與截割功率要求較高，采煤機(jī)要有較高的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性，以滿足薄煤層開采的特點(diǎn)［5］。

3）輸送機(jī)要求中部槽高度要低，輸送機(jī)的寬度應(yīng)與采煤機(jī)寬度配套，保證輸送機(jī)的縱向重心線與采煤機(jī)重心線吻合，避免割煤引起的震動(dòng)使配套設(shè)備工作不穩(wěn)定［6］。

4）上下順槽斷面較大，均沿煤層底板掘進(jìn)，巷道斷面必須滿足綜采設(shè)備的運(yùn)輸要求，對(duì)工作面兩巷道成形質(zhì)量要求高，要求兩巷底板平整，挖頂部分的巷幫不得嚴(yán)重超挖，巷道成形須平整。

5）薄煤層開采空間小，工作面環(huán)境差，設(shè)備使用維護(hù)困難，綜合機(jī)械化開采技術(shù)雖然降低了作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度，但作業(yè)難度系數(shù)卻增加了。

3 老石旦礦薄煤層綜合機(jī)械化開采技術(shù)

3.1 薄煤層綜采配套設(shè)備選型

工作面產(chǎn)量為30萬～40萬t/a，主要參數(shù)如表1所示，研究國(guó)內(nèi)薄煤層綜采設(shè)備配套技術(shù)及高產(chǎn)高效開采方法［7－10］，并對(duì)“三機(jī)”廠家設(shè)備可靠性進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，依據(jù)老石旦礦具體地質(zhì)生產(chǎn)條件，確定液壓支架額定工作阻力為2600kN，支撐高度為0.7～1.6m，對(duì)采煤機(jī)、輸送機(jī)進(jìn)行配套選型，最終確定適合老石旦礦的薄煤層開采的“三機(jī)”設(shè)備。

綜采面中部選用ZY2600/07/16型掩護(hù)式液壓支架（端頭選用ZYG3200/12/25型端頭支架）；采煤機(jī)選用 MG100/238-BWD型薄煤層非機(jī)載交流電牽引采煤機(jī)；輸送機(jī)選用SGZ-630/320型刮板輸送機(jī)。“三機(jī)”設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)如表2～4所示。

根據(jù)工作面“三機(jī)”設(shè)備型號(hào)及實(shí)際生產(chǎn)條件，確定薄煤層綜采其它主要配套設(shè)備如表5所示。

表1 工作面主要參數(shù)

表2 ZY2600/07/16型液壓支架主要技術(shù)參數(shù)

表3 MG100/238-BWD型采煤機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

表4 SGZ-630/320型刮板輸送機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

表5 綜采面其他主要配套設(shè)備

3.2 薄煤層綜采面“三機(jī)”配套

3.2.1 綜采面“三機(jī)”幾何關(guān)系配套

老石旦煤礦薄煤層綜采面的采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)和液壓支架間的配套尺寸關(guān)系如圖1所示。

3.2.2 “三機(jī)”性能及生產(chǎn)能力配套

“三機(jī)”性能配套主要解決各設(shè)備性能間互相制約的問題，從而充分發(fā)揮設(shè)備性能，以滿足生產(chǎn)的需要。“三機(jī)”生產(chǎn)能力配套工作面生產(chǎn)能力取決于采煤機(jī)落煤能力，而工作面輸送機(jī)、液壓支架和其它設(shè)備的生產(chǎn)能力都要大于采煤機(jī)的生產(chǎn)能力。根據(jù)前面的計(jì)算及設(shè)備的初步選型，各設(shè)備的生產(chǎn)能力如表6所示。

圖1 薄煤層綜采面“三機(jī)”配套關(guān)系圖

表6 設(shè)備生產(chǎn)能力表/（t/h）

可以看出，按運(yùn)煤方向，其生產(chǎn)能力基本上按“喇叭口”形式擴(kuò)展，雖然膠帶輸送機(jī)的運(yùn)輸能力略小于刮板輸送機(jī)的運(yùn)輸能力，但其大于采煤機(jī)的割煤能力，依據(jù)調(diào)研的薄煤層礦井的實(shí)際生產(chǎn)情況，基本上可以滿足配套要求，能實(shí)現(xiàn)煤流的順暢。

3.3 薄煤層綜合機(jī)械化采煤工藝

1）1208綜合機(jī)械化工作面采用走向長(zhǎng)壁后退式開采方式，垮落法管理頂板，平均采高為1.2m，循環(huán)進(jìn)尺長(zhǎng)度為0.6m，工作面采用“三八”制作業(yè)組織方式，其中兩班生產(chǎn)，一班檢修。

2）采煤機(jī)采用斜切進(jìn)刀方式，下行單向割煤，進(jìn)刀位置為工作面中部頂板較好處，往返一次進(jìn)一刀，斜切進(jìn)刀段長(zhǎng)度為20m，其牽引速度大于或等于6m/min，滯后采煤機(jī)中心12m左右開始移架支護(hù)頂板，在采煤機(jī)割煤速度較小時(shí)，支架的移架方式采用單架依次順序移架，當(dāng)移架滯后采煤機(jī)距離過大時(shí)，采用分組間隔交錯(cuò)式移架方式。

3）采煤工藝流程為：采煤機(jī)下行割煤到機(jī)頭后，返空刀清理底煤，隨采煤機(jī)上行，滯后采煤機(jī)15～20m及時(shí)將工作面溜子推向煤壁，溜子彎曲不得小于15m，溜子移直、垂直彎曲程度不得大于3°，每次移過0.6m。工作面割煤結(jié)束后，對(duì)工作面設(shè)備進(jìn)行檢查維修，為下循環(huán)做準(zhǔn)備。

4 工程應(yīng)用效果分析

4.1 開機(jī)率

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)1208薄煤層綜采工作面進(jìn)行跟班調(diào)查，統(tǒng)計(jì)記錄采煤機(jī)開機(jī)率影響因素及其時(shí)間，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明采煤機(jī)的平均開機(jī)率約為49%。分析統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)知1208薄煤層綜采面生產(chǎn)過程中可變因素是影響采煤機(jī)開機(jī)率的首選因素，其中膠帶運(yùn)輸機(jī)及電氣設(shè)備的故障影響的時(shí)間長(zhǎng)達(dá)720min，占總事故時(shí)間29.5%，斷層的故障影響時(shí)間達(dá)529min，占總事故時(shí)間21.6%，其他的故障影響時(shí)間達(dá)652min，占總事故時(shí)間26.7%。薄煤層綜采面提高采煤機(jī)開機(jī)率，保證單產(chǎn)水平穩(wěn)定提高的關(guān)鍵是要降低斷層、膠帶輸送機(jī)、電器設(shè)備及其他故障等事故的影響時(shí)間；而工作面“三機(jī)”設(shè)備的低故障率則表明薄煤層綜采面設(shè)備選型合理，“三機(jī)”配套良好，依據(jù)前面的采煤機(jī)選型設(shè)計(jì)，采煤機(jī)班平均開機(jī)率達(dá)49%，每天只需兩班生產(chǎn)，即可滿足30萬t/a的設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力，符合選型設(shè)計(jì)要求。

4.2 支架工作阻力

在工作面5＃支架、25＃支架、50＃支架、75＃支架、95＃支架布置測(cè)站進(jìn)行礦壓觀測(cè)。礦壓觀測(cè)數(shù)據(jù)表明，工作面上、中、下三部分液壓信息變化不大，1208工作面支架液壓信息及冒頂片幫變化特征如圖2所示。通過分析工作面支架立柱液壓數(shù)據(jù)知，工作面支架平均初撐力1051kN，僅達(dá)到額定初撐力的48.1%，以后的開采過程中應(yīng)切實(shí)提高支架實(shí)際初撐力。老頂初次來壓步距36.8m，來壓期間端面冒頂、片幫較嚴(yán)重中，支架平均載荷2230kN，動(dòng)載系數(shù)1.52。周期來壓步距為15.3m，來壓期間支架平均載荷2050kN，動(dòng)載系數(shù)1.39。礦壓觀測(cè)結(jié)果說明支架在工作過程中的液壓信息經(jīng)常在自身額定工作阻力以下，從支架測(cè)站平衡千斤頂?shù)囊簤簲?shù)據(jù)來看，千斤頂?shù)囊簤簲?shù)值在合理的范圍之內(nèi)，支架能夠滿足薄煤層工作面的支護(hù)需求。

圖2 1208工作面支架液壓信息及冒頂片幫變化特征

4.3 效益分析

老石旦礦1208薄煤層綜合機(jī)械化采煤技術(shù)與普通機(jī)械化采煤工藝相比，提高了單產(chǎn)和人工效率，減少了人力資源使用。在產(chǎn)量方面由原來的15萬～20萬t提升至30萬～40萬t，比采用普采多出15萬～20萬t煤；在年產(chǎn)量相等的情況下人工使用量相應(yīng)每年減少59823個(gè)，可減少人工費(fèi)用300萬元。綜采與普采相比不用使用塑料網(wǎng)護(hù)頂、不使用竹笆護(hù)頂和擋巖，坑木的投入量也大幅度減小，減少了材料的投入，降低噸煤生產(chǎn)成本，據(jù)測(cè)算共節(jié)省材料費(fèi)用為83萬元。采用薄煤層綜采后，工作面單產(chǎn)按照每噸煤平均利潤(rùn)160元計(jì)算，可多獲得經(jīng)濟(jì)效益2400萬～3200萬元。

5 結(jié)論

老石旦礦薄煤層綜采面配套設(shè)備選型滿足工作面地質(zhì)生產(chǎn)條件要求，為薄煤層綜合機(jī)械化開采技術(shù)的成功應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，該項(xiàng)技術(shù)成功解決了老石旦煤礦12＃煤層與其下位中厚煤層開采間的銜接問題，有利于煤炭資源保護(hù)和利用，對(duì)延長(zhǎng)老石旦煤礦開采壽命和實(shí)現(xiàn)高效開采具有重要意義。

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