中厚煤層450 m加長綜采工作面開采分析研究

張啟龍

（中國神華神東煤炭集團設備管理中心,陜西 神木 719315)

1672-5050（2017)05-0027-05

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.10.007

2017-07-08

張啟龍（1979-),男,內蒙古鄂爾多斯人,大學本科,工程師,從事煤礦設備管理工作。

中厚煤層450m加長綜采工作面開采分析研究

張啟龍

（中國神華神東煤炭集團設備管理中心,陜西 神木 719315)

對神東煤炭集團哈拉溝煤礦450 m加長綜采工作面地質條件和設備選型配套情況進行了闡述和分析,研究了液壓支架工作阻力和刮板運輸機能力選型,對刮板運輸機的運行功率、采煤機的位置及割煤速度關系進行了測試,分析工作面開采過程中的礦壓顯現特征,為類似地質條件下推廣使用綜采加長工作面開采提供了成功經驗。

加長工作面;綜采;設備選型

為了提高綜合機械化開采的資源回收率,神東煤炭集團根據礦井煤層賦存狀況,逐步提升綜采工作面鋪設長度,減少巷道掘進和留設煤柱,綜采加長工作面得到了廣泛應用。神東在工作面回采過程中不斷總結經驗,工作面鋪設長度從240 m、300 m、360 m到400 m不斷加長。神東煤炭集團哈拉溝煤礦根據煤層賦存條件和以往加長工作面開采經驗,對工作面長度加長為450 m的綜合機械化開采進行了大膽的探索與實踐,對工作面礦壓顯現和設備選型配套進行技術研究,取得了良好的效果,積累了開采經驗,是綜采加長工作面開采技術的一次重大技術創新,為中厚煤層加長工作面布置及進一步提升薄煤層工作面鋪設長度研究奠定了基礎。

1 工作面地質條件

450 m綜采工作面位于哈拉溝井田1-2煤1盤區,地表起伏不大,總體呈東南高,西北低的趨勢,大部分被風積沙所覆蓋,溝谷處有基巖露出。回采區域東北為設計的12102綜采工作面,西北為已掘的1-2煤集中主運巷、回風巷,西南為規劃的12101綜采工作面,南東為2-2煤中央主運、輔運及回風三條大巷,四周均為實體煤。該面為哈拉溝煤礦1-2煤首采工作面,工作面長度450 m,推進長度858 m,設計采高1.8 m,可采出煤量96萬t。工作面蓋山厚度57 m～101 m,松散層厚0 ～40 m,上覆基巖厚30 m～70 m。基本頂為細砂巖,厚度0.55 m～9.39 m,深灰色,泥質膠結,水平層理,顆粒分選中等。直接頂為粉砂巖,厚度0.30 m～9.74 m,灰色,水平層理,泥質膠結,中間夾薄層為細砂巖。底板為碳質泥巖,厚度1.69 m～6.3 m,深灰色,泥質膠結,近水平層理。

2 工作面設備選型配套

綜采工作面成套設備主要由液壓支架、采煤機、刮板運輸機、轉載機、破碎機、順槽帶式輸送機和自移機尾及供電、供液設備等組成。設備選型著重考慮設備的生產能力、適應性、可靠性、安全性、經濟性、配套性等因素。根據生產能力及其地質條件進行設備選型及配套。

2.1液壓支架選型

450 m加長工作面配套二柱掩護式液壓支架262臺,其中238臺工作阻力為10 660 kN,支護強度1.01 MPa ～1.087 MPa,支架中心距1.75 m,推移步距1 000 mm;另24臺工作阻力為9 200 kN,支護強度1.001 MPa ～1.054 MPa,支架中心距1.75 m,推移步距800 mm,布置在工作面機尾部。工作面支架全部采用電液控制系統。

2.2刮板輸送機選型

工作面刮板輸送機配套JOY公司設備,總功率2×1 000 kW,運輸能力2 000 t/h,槽內寬1 000 mm,鏈條規格Φ42 mm×128/164 mm,中雙鏈布置,鏈速1.72 m/s,驅動方式為電機+閥控液力耦合器+減速器型式,牽引銷排為Ultratrack2000型;轉載機功率375 kW,運輸能力2 500 t/h,槽內寬1 350 mm,鏈條規格Φ38 mm×126 mm,中雙鏈布置,鏈速2.18 m/s,驅動方式為電機+液力耦合器+減速器形式;破碎機功率375 kW,破碎能力2 500 t/h,驅動方式為電機+液力耦合器+減速器形式。

2.3采煤機選型

采煤機配套JOY公司7LS1A雙滾筒電牽引采煤機,總裝機功率1 162 kW,其中截割功率2×480 kW,牽引功率2×90 kW,泵站功率2×11 kW,采高1.5 m～3.3 m,生產能力2 000 t/h,滾筒直徑1.7 m,截深800 mm～1 000 mm,機身高度1 100 mm,空載牽引速度22 m/min。

2.4乳化液泵站及噴霧泵站選型

配套KAMAT公司K35055M型乳化液泵站,4泵2箱,單泵額定流量439 L/min,額定壓力37.5 MPa,單泵功率315 kW;配套KAMAT公司K16065M型噴霧泵站,3泵1箱,單泵額定流量522 L/min,額定壓力14.3 MPa,單泵功率160 kW;成套泵站配套高度1 600 mm。

2.5工作面供電系統

工作面配套4 000 kVA移變1臺,提供3 300 V電源,給采煤機和刮板輸送機供電;2 500 kVA移變1臺,提供1 140 V電源,給轉載機、破碎機和泵站供電;315 kVA移變1臺,提供660電源,給絞車、水泵、照明等供電。采煤機和刮板機用1臺JZ3-1500/3300-9開關控制,電壓等級1 140 V的用電設備用1臺JZ-1500/1140-9開關控制。

2.6順槽帶式輸送機系統選型

配套順槽帶式輸送機帶寬1.2 m,運輸能力2500 t/h,帶速4 m/s,采用CST軟啟動驅動技術,張緊系統采用變頻自動張緊技術。帶式輸送機機尾配套使用自移式機尾,自移式機尾與轉載機配套高度1.6 m,保證轉載機在巷道內的通過性。

3.液壓支架選型研究

3.1圍巖情況與頂板控制分析

哈拉溝1-2上煤450工作面內及附近10個鉆孔統計情況如表1所示。由表1可見, 哈拉溝礦1-2煤層開采深度變化在36.00 m～93.19 m之間,總體平均開采深度64.91 m;煤層厚度變化在1 m～2.67 m之間,平均厚度1.75 m;直接頂巖性主要以粉砂巖和細粒砂巖為主,間或有砂質泥巖存在,厚度變化在1.10 m～9.74 m之間,平均厚度為6.05 m;基本頂巖性為中砂巖和細砂巖,厚度變化在4.05 m～-15.12 m之間,平均厚度為7.49 m;沖積沙厚度變化在4.2 m～35.33 m,平均厚度為16.15 m。據此,1-2煤層頂板基巖平均厚度為48.76 m。

表1 哈拉溝礦1-2上煤層頂底板柱狀總體情況Table 1 Roof-floor vertical situation of 1-2 upper seam in Halagou Mine

工作面煤層厚度較薄（2.0 m),基巖厚度較大（48.76 m),沖積層厚度小（16.15 m),因此從基巖厚度的影響方面分析, 有利于安全開采。

此外,由于直接頂巖比較厚（6.05 m),而基本頂巖性為厚層中粒砂巖和細砂巖,厚度7.49 m,從采場巖層控制的角度而言,來壓比較緩和,因此礦壓顯現強度不大,頂板巖層控制相對比較容易。

3.2液壓支架工作阻力分析

對于長壁綜采工作面,頂板巖層的垮落與破斷運動規律決定了采場礦壓顯現強度大小。而采場礦壓顯現規律則主要取決于煤層采高、頂板的直接頂和基本頂巖層的巖性強度與厚度等參數,同時取決于工作面的開采面積范圍等[1]。

哈拉溝礦1-2上煤層綜采工作面采高1.8 m,推進長度很大的條件下,工作面的頂板冒落高度和巖層運動規律主要受采高、直接頂以及基本頂巖性、厚度的影響。

3.2.1工作面長度與冒落拱高度分析

從工作面長度增加對采場礦壓顯現的影響規律方面分析,對工作面長度中部區域的礦壓顯現強度有決定性的影響。按照普式平衡拱理論,估算中部礦壓顯現強度的增量,分析其礦壓顯現強度的差異[2]。按照普式理論,在一定跨度空間之上（工作面長度)的頂板巖層將會發生拱形冒落,其高度既與跨度有關,又與巖石的普式硬度指數有關,即

（1)

式中:hg為頂板冒落高度,m;B為工作面長度,m;f為頂板巖石的普式硬度指數,其值約為強度的1/10。

對1-2上煤層直接頂,普氏硬度系數取f=4.07,在450 m工作面長度時,頂板冒落高度為55.3 m。

如依據頂板冒落高度的巖重（即靜壓),計算450 m長度工作面支架的工作阻力,則

P450=γ×h×Lz×Bz

（2)

=23.6×55.3×4.454×1.75

=10277（kN/架).

式中:γ為巖石密度,kN/m3;h為頂板冒落高度,m;L為支架控頂距,m;Bz為支架中心距,m。

由上述計算可見,按照普氏平衡拱理論,工作面長度450 m時,需要的工作阻力10 277 kN/架。因采場礦壓顯現強度具有隨機性,在薄煤層開采條件下,來壓顯現緩和,按下浮10%考慮,則工作面支架的工作阻力應為9249.3 kN/架。

從工作面長度與冒落拱高度分析,支架工作阻力在9 200 kN以上可以基本滿足使用需求。450 m工作面大部分（238臺)配套支架工作阻力為10 660 kN,少部分（24臺)配套支架工作阻力為9 200 kN,故支架配套選型能力能夠滿足支護需求。

3.2.2緩傾斜煤層頂板分類分析

依據緩傾斜煤層頂板分類方案[3],支架支護強度的回歸計算公式為

pe= 72.3hm+4.5L0+78.9Be-

10.24N-62.1 .

（3)

式中:hm為工作面采高,m;L0為工作面初次來壓步距,m;Be為支架控頂距,包括機道寬度,m;N為直接頂與采高之比（即采空區充填系數)。

在哈拉溝礦1-2上煤層,采高hm=1.80 m, 初次來壓步距取L0=50 m, 支架最大控頂距Be=4.454 m, 直接頂與采高之比（采空區充填系數)N=3.36,將這些參數帶入式（3),可得1-2上煤層的額定支護強度為610.1 kN/m2。

按照實際1-2上煤層相關參數的計算公式,取1.5的安全系數,需要的額定工作阻力為

Pe=ks×pe×A

（4)

=1.50×610.1×1.75×4.454

=7133（kN/架) .

式中:ks為安全系數,取1.5;Pe支護強度, kN/m2;A為單臺支架控頂面積,m2。

根據此計算結果, 哈拉溝煤礦1-2上煤層支架的設計工作阻力需滿足7 133 kN/架。

3.2.3液壓支架工作阻力確定

基于上述計算,支架的工作阻力預測為7 133 kN/架,考慮薄煤層450 m工作面的冒落拱阻力預測值（9 246 kN),一般均小于9 200 kN。因此,配套使用10 660 kN和9 200 kN工作阻力支架可滿足工作面支護要求。

4 刮板輸送機運輸能力分析

4.1運輸能力的理論計算

1)JOY公司刮板輸送機運輸能力計算。根據工作面鋪設長度和刮板輸送機功率,運輸能力計算如表2所示。

表2 JOY公司刮板輸送機運輸能力計算表Table 2 Computation sheet of the transportation capability of scraper conveyor （JOY)

從計算情況分析,隨著工作面鋪設長度加長,刮板輸送機能力下降。針對配套的2×1 000 kW刮板輸送機,鋪設長度為450 m時,運輸能力為1 100 t/h,約是設計能力的55%。同時根據理論計算,采煤機由機頭到機尾時速度控制在7 m/min以內,由機尾到機頭時速度控制在6 m/min以內。

2)國內廠家刮板輸送機運輸能力計算。工作面近水平（0°)時,刮板機運輸能力1 100 t/h,采煤機牽引速度控制在6 m/min～8 m/min。

綜合上述兩個廠家的理論計算情況,已有的2×1 000 kW薄煤層刮板輸送機可以配套用于哈拉溝煤礦450 m工作面開采使用,但需根據實際情況控制采煤機牽引速度,防止刮板輸送機過載停機,造成人工清煤,增加勞動強度。

4.2實際回采能力測試分析

由于工作面長度較長,為了防止刮板輸送機過載,或壓死,需要對采煤機的割煤速度進行分階段控制,采取的具體措施,采煤機在1號—100號支架割煤時的速度控制在5.4 m/min左右,采煤機在100號—150號支架割煤時的速度控制在4.4 m/min左右,采煤機在150號—200號支架割煤時的速度控制在3.5 m/min左右,采煤機在200號—262號支架割煤時的平均速度控制在2.9 m/min左右。在此條件下,刮板輸送機運行電流控制在額定電流的95%以下（見圖1),較好的發揮了刮板機的運輸能力。

圖1 刮板輸送機電流隨采煤機位置變化情況Fig.1 Current variation of scraper conveyor with coal cutter position

從圖1中可以看出,當采煤機由機頭向機尾方向割煤時,刮板輸送機的電流變化情況大致可以分為3個區段。第一段:1號—150號支架間,刮板輸送機的電流速度增加很快;第二階段在150號—200號支架間,刮板輸送機電流變化較為平穩,第三階段在采煤機到達200號—262號支架間,刮板輸送機的電流再次增加,更接近刮板輸送機的額定電流。

當采煤機由機尾向機頭方向割煤時,刮板輸送機電流變化情況類似于由機頭向機尾方向割煤情況,但是刮板輸送機電流較之略大。

5 工作面礦壓顯現

工作面回采過程中,末采階段礦壓顯現較為明顯,重點分析距回撤通道30 m～110 m區段的壓力情況。

5.1礦壓觀測方法

1)將測點布置在5號、10號、15號、…260號支架上,每隔5號布置一個,共布置52個測點。每割一刀煤采煤機到機頭（機尾)時由控制臺作業人員統計相應支架的工作阻力。

2)現場觀察支架壓力表數據、支架增阻情況、來壓時的切頂、漏矸、煤壁片幫、支架立柱安全閥開啟、支架立柱下縮量等現象并進行統計與分析。

3)觀測控頂區圍巖變形量及破壞特征、支架承載變形特征、控頂區圍巖破壞特征。煤壁處切頂臺階數目與高度、煤壁片幫深度、端面頂板破碎度等。

5.2礦壓觀測曲面圖

礦壓觀測情況如表3和圖2所示。

表3 周期來壓統計表

圖2 1-2上101-2綜采工作面末采周期來壓示意圖（990 m～1 073 m段)Fig.2 Periodic weighting of 1-2 upper seam on 101-2 fully-mechanized mining face （from 990 m to 1073 m)

通過觀測,總結出如下規律:

1)周期來壓步距約20 m（21刀),來壓總體持續5刀結束。

2)由于此區段基本頂較堅實、穩定性好（主要體現在100架-機尾),工作面的快速推進使得來壓步距減小。

3)快速推進時來壓從機尾和工作面中部分別向兩端延伸;生產推進緩慢時來壓從60、150號支架附近分別向兩端延伸,呈“駝峰”狀。

4)機尾頂板堅硬,有兩次來壓滯后。

5)生產推進緩慢時來壓持續相對較長,但來壓強度不大,說明工作面推進緩慢的同時頂板釋放壓力緩慢。工作面快速推進時來壓步距小、強度強、持續時間短,說明基本頂垮落量大、垮落速度快。

6 工作面運行情況

哈拉溝450 m長1-2上101-2面于2012年6月6日投入生產,于2013年4月18日回采結束,工作面采用雙向割煤工藝,采高1.8 m～2.0 m,除去因生產接續調整臨時停采因素,正常情況下日采6刀,單刀循環時間約110分鐘,平均日產量7 020 t,平均月產量210 600 t,共回采煤炭96萬t,由于工作面加長布置,減少了順槽和回撤通道掘進量和留設煤柱,資源回收率可提高5%,且減少了礦井工程開

拓和支護費用,經濟效益顯著。

7 結論

1)從工作面總體回采情況看,設備選型配套合理,設備能力能夠滿足生產需求,生產效率和資源回收率有顯著提高。

2) 工作面壓力顯現呈多個“駝峰”狀,推進速度不同,壓力顯現位置不同。

3)隨著工作面布置長度加長,刮板運輸機能力下降,采煤機割煤速度需在工作面不同位置進行區段控制。

4)液壓支架選型配套,提供了有效的支護,滿足了開采需求,后續可進一步提升支架工作阻力,提高加長工作面支護可靠性。刮板輸送機采用閥控液力耦合器“軟啟動”型式,實現低速大扭矩平緩啟動,有效解決了運行中機頭和機尾驅動裝置的功率平衡,后續可配套使用變頻軟啟動驅動裝置,進一步發揮“軟啟動”和功率平衡性能,同時在中厚煤層加長工作面開采中,可進一步提高刮板輸送機驅動裝置單機功率,提升輸送設備能力,提高開采效率;通過提升刮板輸送機自動張緊功能,在中部槽底鏈隔段增加噴水潤滑等措施,進一步保障刮板輸送機運輸能力。

5)隨著自動化、智能化開采技術的不斷研究、應用和完善,將來應用于較薄煤層的開采可大大提升開采效率,降低操作工人的勞動強度,提高開采工效,特別是針對較薄煤層加長綜采工作面,可大大提升安全管理水平。

6)加長工作面的布置,減少了巷道開拓、巷道支護、底板維護、設備和開拓隊伍配備等準備工作,減少了綜采工作面搬家倒面次數。原布置3個綜采工作面可按2個加長面布置,開拓、安裝和回撤等準備工作成本可下降約3%～5%,經濟效益顯著提高。

[1] 郭建軍,馬曉燕.360 m綜采工作面開采技術與研究[J].中國煤炭,2009,35（4):52-54,57.

GUO Jianjun1,MA Xiaoyan.360m Longwall Face:Mining Technology and a Study [J].China Coal,2009,35（4):52-54,57.

[2] 羅定華,鄭利泰.液壓支架在長壁采礦法中的應用[J].金屬礦山,1981（4):5-6,28.

[3] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局,中國國家標準化管理委員會.MT554-1996緩傾斜煤層采煤工作面頂板分類[S].北京:中華人民共和國煤炭工業部,1996.

Miningon450mExtendedFully-mechanizedWorkingFaceinMedium-thicknessCoalSeam

ZHANGQilong

（EquipmentManagementCenter,ChinaShenhuaShendongCoalGroup,Shenmu719315,China)

The paper presents the geological condition and equipment selection for the 450m extended fully-mechanized working face in Halagou Mine, Shendong Coal Group. On the analysis of the working resistance of hydraulic support and scraper conveyor selection, we tested the relationship between the operating power of the scraper conveyor, the location of coal cutter, and coal cutting speed. The strata behavior during mining is also studied for the popularization of the extended fully-mechanized mining in similar geological conditions.

extended mining face; fully-mechanized mining; equipment selection

TD821

A

（編輯:樊 敏)