大采高超長工作面的應用研究

張俊杰(山西長治王莊煤業有限責任公司,山西 長治047100)

1 前言

山西三元公司王莊煤業位于山西省長治縣境內,井田東西寬3.2 km,南北長5.9 km,井田面積16.7 km2。礦井采用斜井開拓方式,原設計能力30萬t/a,1967 年投產。2004 年以來進行采煤方法改革,使用綜采放頂煤生產工藝,核定生產能力為120萬t/a。2009 年開始進行大采高可行性研究,并于2010 年9 月份安裝成第一個大采高工作面,開始采用一次采全高工藝,山西省煤炭工業廳于2014 年5月27 日下發晉煤行發【2014】668 號文“關于山西長治王莊煤業有限責任公司延深開采15#煤層的批復”,同意礦井延深開采15#煤層,設計能力仍為2.40 Mt/a。該礦主要開采3#、15#煤層,水文地質條件中等,各煤層賦存穩定,煤質好,但全區范圍內陷落柱相對較多,嚴重影響了正常回采,其中3#煤為低中灰-中灰,特低硫、低磷、高熱值-特高熱值的無煙煤,平均采高5.17 m;15#煤為低中灰-中高灰,中高硫-高硫、特低磷-低磷、中高熱值—特高熱值的貧煤及少量無煙煤,且該煤層為原始煤田,井田范圍內無采空區,礦井潛在經濟價值巨大,具有良好的開發前景。

根據井下鉆探,結合35 采區在3501 工作面北側鉆探,設計3500 工作面及35 采區探巷工作面,35采區探巷設計工作面長度150 m,順槽長度477 m,3500 工作面長度195.75 m,順槽長度1 066 m,為節約成本,對3500 工作面和35 探巷工作面進行合并,組成加長371.9 m 大采高超長工作面。超長工作面形成后,減少了一條巷道掘進,并且提高了資源采出率,減少了工作面搬家到面費用,并且為今后超長工作面的開采積累寶貴經驗。

2 大采高超長開采工藝意義及現狀

2.1 研究的意義

大采高超長綜采工作面生產技術是我國煤礦集約化生產技術的發展方向。國內外有關超長工作面的生產實踐主要集中在地質條件較好的中厚煤層礦井,但是隨著工作面切眼長度的加大,礦山壓力顯現特征、頂板控制、安全技術保障、工作面設備配套、工藝方式選擇與參數優化等與普通長壁工作面開采相比均具有特殊性,現有的超長工作面研究成果主要集中在中厚煤層超長工作面設備配套、工藝方式選擇與參數優化等方面,而對大采高超長工作面研究相對較少[1]。目前,我國的大采高開采技術已處于世界領先地位。但對大采高工作面長度對礦山壓力顯現的影響研究成果較少。有關大采高超長工作面礦山壓力顯現及控制技術等一系列理論方面的問題尚沒有系統的認識,目前已有的煤層開采理論和技術還不能完全指導大采高超長工作面開采。為了全面掌握大采高超長工作面的礦山壓力的顯現規律和工作面設備參數及運行狀況,對王莊煤業大采高超長工作面開采理論和技術進行系統研究,揭示超長工作面礦壓顯現的規律,分析超長工作面的設備配套及生產工藝,形成一套完善的大采高超長工作面開采理論和技術,實現王莊煤業安全高效開采。為本礦下一個超長工作面(15#煤的開采和設計)積累寶貴的理論和實踐經驗。

2.2 國內外現狀

1)國外超長大采高綜采發展現狀

俄羅斯是煤炭生產大國,長壁綜采工作面技術也位居世界前列,部分綜采工作面長度已近350 m,其中德國DSK 公司裝備了3 個435 m 綜采工作面(煤層厚度2.3 m,采高2.1 ～2.3 m)。此外,美國、澳大利亞、德國、波蘭等主要產煤國家也在發展超長工作面,工作面長度增加后,煤礦單產都不同程度得到了提升。這些表明,加長工作面已成為礦井高產高效主要技術方向之一[2-3]。

德國、波蘭、英國、俄羅斯、捷克、日本等國從20世紀60 年代開始就發展采用大采高綜采技術。如環球JOY 公司,其產品主要特點為:①大功率采煤機以及微機電控系統;②大采高強力液壓支架;③長距離輸送機。

2)國內超長大采高綜采發展現狀

我國從20世紀70 年代開始發展械化開采,尤其是21世紀以來,煤礦行業發展迅速。對于中厚煤層及3.5 ～6 m 厚煤層綜采工作面,逐步推進大采高工作面,加大工作面長度,成為提高產量的主要途徑。

國內煤礦工作面長度大多在200 ～300 m,隨著煤礦開采技術和采掘設備的不斷創新和發展,工作面長度從240 m,300 m,360 m,400 m,甚至達到450 m,主要應用在地質條件簡單、煤層賦存穩定、煤層傾角小、瓦斯涌出量小等條件下,為國內加長工作面的設計、配備、礦壓及生產提供了非常寶貴的經驗,為提高資源回收率、提高回采率奠定了基礎。

3 大采高超長工作面的應用

王莊煤業為資源整合礦井,隨著工作面回采,剩余資源逐漸減少,采用探掘結合的方式在小窯破壞區域尋找可采資源,原設計3500 工作面長度為195 m,根據風巷鉆探情況,在工作面北部還可以布置一個切眼176 m,兩個工作面合并后工作面長度為371 m,順槽長度為470 m 小工作面,現合并為1個工作面后,一方面少掘進一條巷道,另一方面可以減少煤柱損失,最后還可減少1 次搬家倒面。工作面于2016 年2 月份安裝完成并進行試生產成功。3505 工作面切眼長度也達到了360.5 m,并且于2019 年3 月安裝完成,到目前為止工作面運行正常。工作面配套設備見表1。

表1 3500 采煤工作面設備統計表

4 大采高超長工作面需要注意的問題

隨著工作面長度的不斷增加,在開采時容易出現一些問題:

(1)對供電要求也越來越高,低壓長距離供電電壓壓降大,為解決這一問題,控制系統增加中繼器,提高電源電壓,動力電源增加電壓等級,采用3 300 V 供電。

(2)工作面長度增加后,一旦工作面出現上竄下移情況,工作面控制相對比較困難,此時工作面推進時應控制兩順槽水平較低一側推進進度超前另外一側兩巷錯差的1/3 ～1/2,盡可能保持工作面不發生竄動,另外推進期間觀測推溜桿擺向,及時調整工藝,確保推溜桿垂直于溜槽。

(3)由于采高大,頂板巖層的活動規律和采場壓力顯現規律相對普通采高綜采工作面有其特殊性,工作面采高大,液壓支架由于架身結構高度大,容易產生傾倒、失穩,不能有效接頂,繼而會造成頂板冒落,使整個工作面處于癱瘓狀態[4]。因此在生產過程中必須密切注意支架的傾斜情況,發現異常及時進行擺架、扶架,避免事故擴大。

(4)工作面供液采用三泵兩箱,環形供液,從而彌補因供液管路距離長而造成的壓降損耗等,確保工作面供液流量和供液壓力。

5 大采高超長工作面應用帶來的經濟效益

采用了大采高超長開采工藝后,3500 工作面帶來了良好的經濟效益:

(1)回收煤柱,盤活資源,延長礦井服務年限,增加效益。按照3500 工作面順槽長度410 m,煤層平均厚度5 m,密度1.5 t/m3,煤柱15 m,采出率0.95,3#煤共計可多回收煤炭資源4.38 萬t,增加效益約2 190 萬元。

(2)省去工作面搬家工序,提高礦井安全生產水平[5]。本工作面將減少一次搬家倒面,從而提高了礦井安全生產水平,并可節約搬家倒面資金約200 萬元。

(3)減少一條巷道的掘進。本工作面合并為一個工作面以后,可減少1 條巷道的掘進,進而節約人工掘進費用和支護費用。根據本單位的巷道設計標準,每米巷道可以節省3 300 元,共可節約157.1 萬元。

應用大采高超長開采工藝,僅3500 綜采工作面為礦井創造了2 547.1 萬元的利潤,實現了經濟效益的最大化。

6 結論

實踐證明,大采高超長工作面已成為提高經濟效益、礦井服務年限和安全生產水平的一種重要舉措,它的開采應用具備一定的學術和工程研究價值,對國內同類條件下的工作面布置具備重要的指導意義,推廣應用前景良好。