超長工作面布置方式優化設計與設備選型配套

張金虎，李明忠，胡 健，劉 文

(1.煤炭科學研究總院 開采研究分院，北京 100013；2.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；3.兗州煤業股份有限公司濟寧二號煤礦，山東 濟寧 272072)

改革開放40年來，我國的煤炭產量、安全保障及產業結構等發生了跨越式的發展，在1.3m以下薄煤層、6～8m超大采高綜采、20m特厚煤層綜放和大傾角綜采等方面形成了一批達到國際領先水平的成套技術與裝備，極大地促進了煤炭產量和效率的提升[1]。但在工作面長度方面與國際先進水平仍有一定差距。目前，美國長壁工作面平均長度約380m，平均推進距離約3760m，平均截深約1m；有17個長壁工作面長度不小于400m，工作面的長度大于約450m的不少于9個，最大走向推進長度約7900m，最大工作面長度約481.6m[2-6]。

超長工作面在我國的應用相對較晚，“超長”一詞最初用于描述工作面長度僅約200m，2000年之前工作面長度基本不超過300m[7]。2003年，興隆莊煤礦通過將工作面加長到300m，日產量突破了2萬t，首次將單面年產能提高到了600萬t。近年來，隨著國產裝備制造水平的提高，為提高工作面資源回收率，許多礦區嘗試發展超長工作面，使得綜采工作面長度不斷增加[8，9]。國內已完成回采的最長綜采工作面為哈拉溝煤礦12上101工作面[10]，工作面長450m，該面采用了以進口裝備為主、國產裝備為輔的方式進行超長工作面的工業性試驗；綜放工作面較早采用約300m布置方式的為平朔井工一礦19106工作面[11]，工作面長度達到297m。根據國內工作面長度的應用實踐現狀，一般將面長不小于350～400m的工作面稱為超長工作面。超長工作面參數的設計需綜合考慮開采效率、投資、裝備能力和管理等多個方面，本文通過對國內首個采用全部國產裝備的450m超長綜采工作面參數和裝備進行優化設計，可為類似礦井的建設提供參考。

1 礦井概況

濟寧二號煤礦3上煤層埋深約500～560m，厚度1.3～2.7m，平均1.85m，傾角0°～5°，普氏硬度系數約2.1；基本頂以6.4～9.6m中細砂巖為主，直接頂為0～6.1m的粉砂巖，局部有厚約1.0m的泥巖偽頂；煤層自然傾向性為Ⅱ類自燃，最短自然發火期55d；礦井相對瓦斯涌出量0.14m3/t，絕對瓦斯涌出量1.15m3/min，相鄰23上08綜采工作面絕對瓦斯涌出量0m3/min。根據初步設計方案在礦井二采區共設計10個3上煤工作面，剩余23上06和23上07工作面未采，煤體寬度約450m，如采用分面開采方式會形成“孤島”工作面。為提高煤炭資源回收率、加強沖擊地壓防治，擬對23上06和23上07工作面進行合面優化設計，采用約450m超長工作面一次開采，工作面合面及分面開采布置方式如圖1所示。

圖1 二采區剩余煤體合面及分面開采布置方式

2 不同工作面布置方式優化設計

對于寬度約400～500m的煤炭資源可采用常規工作面參數分面布置和超長工作面布置兩種基本形式，下面將從巷道布置、生產能力、人員配置、設備等方面對超長工作面(單面)、對拉工作面、背拉工作面和順拉工作面等4種不同的布置方式進行綜合比較，以確定合理布置方式。

2.1 不同布置方式特征

2.1.1 超長工作面布置

為改善通風效果、降低勞動強度和運輸距離，當布置450m超長工作面時優化設計預掘中間巷的方式。在工作面中部預掘一條巷道(2#巷)作為工作面的回風巷；在工作面兩側各掘進一條巷道，即軌道巷(1#巷)和運輸巷(3#巷)，兼做進風巷，工作面形成“W”型兩進一回通風系統，如圖2所示。在工作面布置一部采煤機、刮板輸送機和約300臺液壓支架，工作面截割的煤炭通過機頭部的轉載機和破碎機轉運至運輸巷(3#巷)經帶式輸送機運出。

圖2 不同工作面布置方式煤流運輸

2.1.2 對拉、背拉及順拉工作面布置

對拉工作面的布置方式通過2#巷道將工作面分為兩部分，每部分分別布置1臺采煤機和1部刮板輸送機，兩部分工作面在2#巷位置共用1臺轉載機、破碎機和1部帶式輸送機，截割煤炭通過2#巷道進行煤流運輸。為避免兩部分工作面生產時相互干擾，兩部分工作面前后錯距約3～5m。背拉、順拉工作面布置方式與對拉工作面的不同之處主要在于煤流的運輸方向，不同工作面布置方式煤流運輸如圖2所示。

2.2 人員配置

1)超長工作面(單面)。工作面采用“三八”制工作方式，工作面配置安全工長、班長、質量驗收員、采煤機司機等13個工種，根據需求每個工種每班配置約1～4人，合計配置人員70人。

2)對拉工作面。因工作面配置兩臺采煤機，與超長工作面相比，增加煤機司機6人，定員76人。

3)背拉、順拉工作面。與對拉工作面相比，增加了1部帶式輸送機、轉載機和破碎機，相應增加崗位工6人，工作面定員82人。

2.3 技術經濟效益

1)對拉式、背拉式、順拉式布置方式需要增加相應設備造成投資和人員的增加，不利于降本增效；兩部分工作面均需要保持一定錯距，不利于2#巷端部的維護和設備的管理，工作面工程質量較難控制。分兩個工作面開采需多掘進1條1440m巷道，多留設1條煤柱，浪費煤炭資源約1.25萬t，不利于提高回采率和降低采掘接替的矛盾。

2)超長綜采工作面(單面)布置方式與現有生產工藝相似，工藝簡單，崗位工較少；投入設備臺數相對較少，便于設備管理；2#巷道內不布置綜采設備，保證了通風斷面，有利于通風；增加了工作面直線段所占比例，利于提高采煤機割煤速度，盡快釋放產能。

綜上，布置超長工作面的優點可歸納為“三提升，三降低”。三提升具體指減少煤柱布置提升綠色開采水平、提高割煤速度提升產能和減少反復截割三角煤時間比例提升開采效率。三降低為煤炭損失、采掘接替矛盾和成本支出的降低，基于此設計采用超長工作面的布置方式具有良好的技術經濟效益。

3 超長工作面安全保障技術及關鍵設備選型

目前國內煤礦工作面普遍不超過400m主要是受到安全和裝備的限制。工作面加長增加了通風、頂板控制和自然發火防治等方面的難度，同時對刮板輸送機和液壓支架等裝備提出了更高的要求。

3.1 通風方式與自然發火防治

3.1.1 通風方式及風量計算

23上07綜采工作面通風系統采用“W”型2進1回通風方式，兩側巷道(1#、3#巷)進風、中間巷道(2#巷)回風。按照適宜溫度、瓦斯涌出量和二氧化碳涌出量分別計算需風量，取最大值。根據同采區23上08工作面生產期間工作面溫度23℃，工作面合適風速取V=2m/s，瓦斯絕對涌出量0m3/min，二氧化碳絕對涌出量0.48m3/min，計算得配風量為1660m3/min[12-15]。

3.1.2 工作面推進速度與自然發火的關系

通過加快推進速度將自燃帶“甩入”窒息帶是防治自然發火的重要手段，根據最短自然發火期55d和臨近礦井窒息帶大于60m的一般規律，則工作面日推進速度不能低于2m。工作面加長有利于降低端頭反復截割三角煤時間比例、提高平均割煤速度，根據采煤機割煤速度4～8m/min，面長450m時可實現日割煤約8～12刀，即日推進約6.4～9.6m，為防治自然發火創造了有利條件。

3.2 超長工作面關鍵設備選型及管理技術

3.2.1 長運距大運量軟啟動刮板輸送機

根據年產能300萬t要求設計采煤機割煤能力約1000～1500t/h，考慮采煤機割煤的不均衡性和煤流的不連續性，取刮板輸送機的能力不小于2000t/h。根據不同刮板輸送機標準運量可知，槽寬1000mm可滿足運輸能力要求。針對超長工作面刮板輸送機易斷鏈等問題，綜合考慮鏈條破斷能力和自重，設計采用破斷負荷不小于2220kN的?42mm×146mm型鏈條，驅動功率2×855kW，配置變頻軟啟動方式降低啟動沖擊載荷[16]。根據實測不同采煤機割煤方向、位置、截割速度時運輸機電流峰值，獲得了刮板輸送機負荷最大時的電流和采煤機工作區間，通過標定易過載區域和刮板輸送機機尾峰值電流的90%作為采煤機調速啟動閾值，以降低刮板輸送機負荷，實現了采運協同，有效避免了超長工作面易斷裂的問題。

3.2.2 工作面直線度控制技術

針對超長工作面運輸機上竄下滑問題突出等難題，研究了“根據兩側回采巷道高差設定標志點+調整割三角煤+調整推溜方式”相結合的超長工作面調面方法，確保了支架和運輸機的協調運行，保證了工作面回采的工程質量。

4 礦壓顯現特征及應用效果

4.1 礦壓顯現特征

工作面配置ZY6200/13.5/28D液壓支架，根據液壓支架循環末阻力繪制曲面圖，對來壓步距和分布特征進行分析。采區已回采完畢的長度200m常規工作面與該工作面來壓步距對比見表1。

表1 二采區3上煤已采工作面來壓步距對比

由表1可知，23上07超長工作面頂板初次和周期垮落步距明顯減小，平均減小約25.23%和31.25%，說明工作面加長后頂板垮落步距減小，來壓頻率變高；根據支架循環末阻力統計，工作面存在明顯的大小周期來壓現象，小周期來壓時其比普通工作面來壓強度小，大周期來壓時其來壓強度增大，工作面更多區域液壓支架處于高應力區，動載系數相較提高，沖擊載荷變大；工作面不同區域來壓時間明顯不同，來壓存在明顯“異步”特點。

4.2 應用效果

通過工作面自動化升級實現液壓支架手動改電液控制，同時乳化液泵站流量由3臺400L/min提升至3臺500L/min，有效提高了移架速度和支架的初撐力，改善了對頂板的控制效果。生產過程中因節假日和國家276個工作日等政策影響，月平均生產日約23d，月推進74.5～123.7m，工作面最高月產26.4萬t原煤，相較普通長度工作面提升煤炭產能約30%～40%，實現了平均1.85m的中厚煤層年產約3Mt產能。

5 結 論

1)對拉、背拉和順拉工作面布置方式雖然可減少煤柱的布設，但中間巷道交叉處設備管理和頂板支護困難，與超長工作面相比增加了設備投資與人員配置，通過設備的合理選型與配套應優先選用超長工作面(單面)布置方式。

2)超長工作面布置方式有利于提高工作面直線段割煤距離，提高采煤機全速截割段比例，保證采煤機高速截割，在相同配置裝備條件下可提升工作面產能約30%～40%；同時可減少設備占用周期和工作面安裝撤除等相關費用，通過創收和節支，超長工作面布置方式促進了礦井的效益提升。

3)超長工作面具有來壓頻率高、來壓均度低、存在大小周期來壓且沖擊載荷增多、異步來壓等顯著特點，工作面更多區域液壓支架處于高應力區，對支架支護能力及可靠性和穩定性要求更高。通過自動化升級、變頻調速軟啟動刮板輸送機和大流量泵站等協調配套，保證了工作面安全高效推進，實現了厚度1.85m的中厚煤層具備年產300萬t的能力。