特厚硬煤超大采高綜放小采放比開采技術與支架優化設計

孟祥軍，張金虎，李明忠，岳 寧，許永祥，佟 朋，蔡逢華

（1.兗礦集團有限公司，山東濟寧 273500；2.煤炭科學研究總院開采研究分院，北京 100013；3.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；4.天地科技股份有限公司開采設計事業部，北京 100013；5.陜西未來能源化工有限公司金雞灘煤礦，陜西榆林 719000）

陜北侏羅紀煤田資源豐富，該煤層具有煤層賦存厚度變化大、硬度高、完整性好等顯著特點[1-4]。目前6～9 m 左右煤層采用超大采高一次采全高綜采取得了良好的經濟效益[5-6]，但對于8～10 m 以上特厚硬煤層，由于受煤層硬度、采放比和裝備選型配套等因素的影響，常規綜放開采適應性差、效率低，需采用放炮等輔助手段提高頂煤冒放性[7]。王國法院士基于理論分析與數值模擬方法研究了機采高度對頂煤冒放、煤壁穩定性和支架工作阻力的影響，得出了提高頂煤冒放性的基本原則和方法[8]；解興智研究員以千樹塔煤礦為研究背景研究了堅硬頂煤冒放結構，得出靠近工作面兩端頭位置堅硬頂煤容易形成“懸臂”結構，解釋了堅硬頂煤垮落放出困難的宏觀結構因素[9]；李明忠[7]、張金虎[10]等針對陜北侏羅紀硬煤特點提出了堅硬、特厚煤層大采高綜放開采的技術方案及實現途徑。一般將機采高度大于3.5 m 的放頂煤綜采定義為大采高綜放開采[11-12]，但目前綜放工作面最大采高一般不超過5.5 m，且實際應用過程中仍需要采取放炮、水壓預裂等方式提高頂煤回收率。為進一步提高頂煤回收率和開采效率，避免放炮等輔助工序帶來的安全隱患，以采放比的研究為切入點，基于現場實測、理論分析和數值模擬的方法對不同割煤高度頂煤回收率和煤壁穩定性進行分析，并以金雞灘煤礦為例，提出適應金雞灘煤礦特厚硬煤的小采放比超大采高綜放開采技術；根據超大采高小采放比綜放存在超大開采空間易沖擊和超高煤壁易失穩等問題，基于三維動態優化設計方法對超大采高綜放液壓支架關鍵技術參數和結構進行優化，創新放煤機構型式，解決了特厚硬煤難垮落、易成拱等難題，為西部礦區特厚硬煤高效、高回收率開采提供了新的技術途徑。

1 工程概況

陜北榆神礦區侏羅紀煤田是我國最主要的特大型煤炭生產基地之一[13]，主采2-2#和3#煤層，為實現特厚煤層的安全、高效和高回采率回采，此類煤層主要采用大采高綜放和超大采高綜采開采，典型特厚硬煤賦存條件及開采方法見表1。

表1 榆神礦區部分礦井煤厚及開采方法Table 1 Coal mine thickness and mining method of some mines in Yushen Mining Area

該礦區煤層普氏硬度系數一般大于2.5，煤層完整性好，厚度大。煤厚約8.5 m 以下的一般采用超大采高綜采，大于9 m 煤層以大采高綜放開采為主，通過現場實測分析發現其上覆頂煤呈懸臂狀態，頂煤破壞塊度大易成拱，煤壁穩定性良好[14]，工作面采高加大后回收率有增高趨勢。

金雞灘煤礦東翼2-2煤厚約9～13 m，如采用分層開采，下分層開采難度大，整體成本高、效率低；繼續增大一次采全高高度將導致煤壁穩定性難以控制；常規綜放對堅硬特厚煤層適應性差。根據本區域生產實踐經驗，增大綜放工作面機采高度有利于提高頂煤和煤炭總體回收率，但是煤壁與頂煤均是受到超前支承壓力影響，隨著割煤高度的增加煤壁穩定性降低，不利于礦壓控制。

2 不同采放比對煤炭回收率的影響

不同采高煤炭回收數值模擬分析如圖1。

圖1 不同采高煤炭回收數值模擬分析Fig.1 Numerical simulation analysis of coal recovery with different mining heights

不同采放比（采放比=割煤高度：放煤高度）對煤炭回收率的影響主要體現在4 個方面。

1）機采高度部分的煤炭，其回收率一般可達98%以上，頂煤回收率一般約為70%～90%，明顯低于機采割煤回收率，增大機采高度可提高煤炭回收率[15]。

2）割煤高度增大，頂煤塑性破壞系數呈指數增大，有利于改善頂煤破碎效果。超前支承壓力峰值及影響范圍隨著機采高度增大而增大，頂煤塑性破壞系數Y 與割煤高度hg之間存在冪函數關系式[16]：

3）在給定煤厚條件下，小采放比（即機采高度大）支架后部放煤空間增大，更利于降低其成拱概率促使頂煤放出。

4）小采放比綜放散體煤矸在運動方向上的重力分量增大，煤矸流速變快，則對放煤控制提出更高要求[17-18]。

綜放開采煤炭回收率與采放比關系為：

式中：C 為煤炭回收率，%；Cg為割煤回收率，98%；Cf為頂煤回收率，65%～80%；hg為割煤高度，m；hf為放煤高度，m。

頂煤回收率與頂煤高度、脊背煤損失和放煤管理水平有關[19]。當煤層厚度一定，隨著頂煤厚度即采放比減小，工作面煤炭采出率趨近于割煤回收率，其增加幅度隨著采高的增加降低，當頂煤較薄時，頂煤放出率對煤炭回收率影響降低，工作面總回收率不斷升高趨近于一次采全高綜采采出率。對于特厚硬煤層，通過“以采為主，以放為輔”的小采放比綜放開采工藝，可提高頂煤和煤炭的回收率。需要注意的是隨著割煤高度的增大，頂煤厚度過小容易造成混矸，這對工作面放煤管理及煤質控制提出了更高要求。

3 采放比對煤壁穩定性的影響

煤厚采放比的減小利于提高煤炭回收率，則確定合理采放比主要是確定采高的上限值，即采煤機最大割煤高度。確定此值除要考慮由采煤機的結構參數決定的采高外，主要分析在給定煤層條件下煤壁易發生片幫冒頂的極限高度[20]。

與一次采全高綜采不同的是，綜放開采煤壁穩定性由于受到上部松散頂煤的影響，其煤壁片幫受力分析模型與綜采工作面存在顯著區別。由摩爾-庫倫定律可知，在割煤高度上端與頂煤下端邊界面處，必會在水平方向產生摩擦力以阻止煤壁向采空區方向的水平運動，則可將分界面處簡化為剛度為K 的彈性支座。根據煤壁下端水平與鉛垂方向位移受約束但轉角不受限制的特點，下部可簡化為鉸支座，則煤壁穩定性分析模型可簡化為下部鉸支、頂部彈性支座，煤壁片幫受力分析模型如圖2[21]。

圖2 煤壁片幫受力分析模型Fig.2 Coal wall piece force analysis model

式中：M 為彎矩；ν 為撓度；E 為彈性模量；I 為慣性矩；T 為頂板壓力；x 為煤壁任意點距底板的高度。

將邊界條件ν（0）=ν″（0）=ν″（hg）=0，T（hg）=Kν（hg）代入式（3）通解ν（x）=c0+c1x+c2xcosα+c3xsinα，可得煤壁穩定性方程：

彈性支座的臨界剛度Ke=π2EI/hg3，其與煤體彈性模量E 成正比，易知硬度較大的煤體多出現彎曲失穩，且臨界剛度與機采高度的三次方成反比，即采高增大煤壁失穩機率隨之增大[21]。

通過數值模擬分析軟件對不同機采高度煤壁水平位移分布規律進行分析：隨著機采高度增大，煤壁水平位移增加，最大水平位移區域位于割煤高度0.6～0.8hg處，當機采高度增加至7 m 以上時，其片幫量達到約500 mm，為保證金雞灘煤礦綜放開采煤壁控制效果，為實現工作面煤炭回收率和煤壁穩定性的維護，確定超大采高綜放割煤高度不大于7.0 m，采放比約為1∶0.7，屬于采放比小于1∶1 的小采放比綜放開采。

4 超大采高液壓支架關鍵結構參數優化設計

4.1 液壓支架初撐力及架型

通過上述分析得出了通過提高割煤高度減小采放比實現堅硬煤層綜放開采回收率的提升。隨著支架高度增大，礦山壓力顯現增強，支架的結構及工作狀態對綜放開采頂煤回收率提高和頂板控制有重要影響，提高液壓支架初撐力可有效防止頂煤架前垮落和片幫，增大支架主動支撐作用和次數有利于頂煤的破碎和放出[22]。

根據數值模擬分析，不同支護狀態下頂煤中產生的最大應變值不同，當主動支護強度較小時，支架前部及煤壁上方產生較大應變，此時煤壁及端部穩定性降低易發生破壞，隨著主動支撐強度的增大，頂煤最大應變值向支架后部逐漸增大，該趨勢有利于煤壁及端部的穩定性維護和后部頂煤的放出。

目前綜放開采液壓支架主要有四柱支撐掩護式和兩柱掩護式2 種，其中四柱式可分為鉸接前梁和整體頂梁2 種。四柱支撐掩護式如采用整體頂梁易造成前后立柱受力不均、支護效率低等問題，如采用鉸接前梁形式改善頂梁受力，則支架前梁對端部頂煤主動支護作用力降低，不利于煤壁片幫防治[23]。支護強度1.5 MPa 時兩柱和四柱放頂煤液壓支架端部支頂力示意如圖3，兩柱掩護式液壓支架整體頂梁結構利于端部及煤壁的維護。

圖3 兩柱、四柱液壓支架支頂力示意Fig.3 The supporting force of the two-column and four-column hydraulic supports

4.2 強擾動三級高效放煤機構

綜放工作面垮落的頂煤是通過放頂煤液壓支架的放煤口放出的，而放煤口的開啟大小在放煤過程中是變化的。放煤口的構成要素由支架放煤尾梁、插板和刮板輸送機3 部分組成，控制這3 個要素之間的關系即可控制煤流。通過提高液壓支架中心距至2 050 mm、增大尾梁插板行程至900 mm、增大尾梁下擺角度至76°提高放煤空間，改善頂煤流動性。創新發明了大采高綜放液壓支架強擾動三級高效放煤機構。

在同樣采高液壓支架情況下，掩護梁長度由3.98 m 減少至3.3 m，增大掩護梁的傾斜角度，增大煤塊在掩護梁上的滑動，同時增大一級尾梁與掩護梁夾角可達到13°，增大了放煤口的尺寸，液壓支架后部放煤空間增大約23%，降低了大塊煤的成拱機率，提高了頂煤的放出效率。由于增大了擺動尾梁的活動半徑，提高了擺動尾梁對后部頂煤成拱的破壞范圍，有助于頂煤的冒落放出；通過配套1 400 mm 大槽寬、3×1 600 kW 大功率刮板輸送機，以強運力保障頂煤運輸。

4.3 液壓支架防沖擊設計

1）頂梁。頂梁前端（伸縮梁處）采用6 條縱筋的5 腔結構，增加頂梁的抗變形能力；頂梁柱冒采用高強度、焊接性能好的材料鍛造件，柱冒下部采用井字型箱型結構，雙層U 型板加固，增加了柱冒處焊縫，確保支架關鍵受力部位的結構及焊縫強度。液壓支架頂梁抗沖擊設計如圖4。

圖4 液壓支架頂梁抗沖擊設計Fig.4 Impact-resistant design of the hydraulic support roof beam

2）φ530 mm 大缸徑抗沖擊立柱。缸口采用等強度矩形螺紋連接、三導向環設置、特殊缸底焊縫增大含入段的長度、整體密封溝槽和復合結構密封圈等創新結構，提高了立柱的抗沖擊性和可靠性。通過采用刮削滾光、環形焊縫窄間隙焊接等先進制造方法，提高缸筒表面加工精度和焊接質量。缸筒內壁及導向套鍍銅處理，提高抗腐蝕能力。φ530 mm 大缸徑抗沖擊立柱如圖5。

圖5 φ530 mm 大缸徑抗沖擊立柱Fig.5 φ530 mm large bore diameter anti-shock column

5 超大采高小采放比開采應用效果

超大采高綜放小采放比開采技術在金雞灘煤礦12-2上117 工作面進行工業性試驗，工作面長度為300 m，煤層厚度9～13 m，平均硬度f=3。工作面日割煤約14～15 刀，生產班每班割煤約6 刀，放煤3～4次；檢修班每班割煤2～3 刀，放煤1 次；開機率85%左右，日推進約10～15 m，日產約5～6 萬t，月產約150～180 萬t，最高日產7.9 萬t，最高月產達到202萬t，成套具備年產2 000 萬t 能力，工作面回收率約90.2%，含矸率約4.3%。

6 結 語

1）通過增大割煤高度，減小采放比可提高底部割煤比例提升資源回收率，改善頂煤破碎效果降低成拱機率提高頂煤回收率。超大采高小采放比綜放開采是特厚堅硬煤層實現高產、高效，提高回收率的有效方式。

2）隨著采高加大，礦壓顯現及煤壁片幫程度增大，優化設計兩柱掩護式液壓支架，采用整體頂梁結構提高端部頂煤的控頂效果，通過大缸徑立柱適應超大采高強礦壓易沖擊的顯現特點。

3）放煤機構的形式、角度對頂煤成拱的破壞有重要影響，增大放煤口尺寸、減小掩護梁長度等方式可提高放煤效果。