淺析大采高綜放開采技術與應用現(xiàn)狀

王金君，林媛媛，殷衛(wèi)峰

(1.永城市供電有限責任公司，河南 永城 476600;2.中煤科技集團公司，北京 100013)

我國厚及特厚煤層儲量十分豐富，可采儲量占生產礦井總儲量的45%［1］，研究大采高綜放技術具有極為重要的意義。大采高綜放面有諸多優(yōu)勢，有利于頂煤垮落，進一步改善頂煤的冒放性［2］;有利于使用大功率采煤機和前后部刮板輸送機;可增加放煤口數(shù)量［3］，縮短放煤時間;增加通風斷面，降低風阻，有利于稀釋放煤口及上隅角瓦斯;縮短工作面循環(huán)時間，提高工作面推進速度;提高采出率與單產;提高一次采放的總高度。但同時也存在著相應的負面影響:由于割煤高度的增加，煤壁穩(wěn)定性控制難度加大，兩巷斷面大支承壓力較大易底鼓片幫［4］;工作面及上隅角瓦斯的超限，甚至會出現(xiàn)局部瓦斯涌出量較高的情況。

1 應用概況

目前我國應用大采高綜放的礦井主要有:大同礦區(qū)的同忻煤礦、塔山煤礦，中煤能源集團平朔煤業(yè)公司安家?guī)X一號井工礦、二號井工礦，山西焦煤集團西山煤電公司斜溝煤礦23103 工作面，神華集團神東煤業(yè)集團公司保德煤礦81300－1 工作面和81502－2 工作面，潞安集團王莊煤礦等。

幾個礦井地質條件和開采條件如表1 所示。

1.1 煤層賦存情況

總體來說各礦煤層賦存條件簡單，平均厚度較大，在9.6～16m 之間，同忻最大為16m，塔山次之為14.81m。煤體的冒放性整體較好，相比而言，冒放性最差的保德煤礦其冒放性也達到中等偏好。礦井煤層埋深同忻和塔山比較大，同忻最深達501m，平均448.5m;塔山平均397.7m，斜溝平均334.5m;平朔一號井約220m;保德平均263.5m。斜溝煤層傾角最大為8.9°，平朔一號井局部區(qū)域傾角能達到12°，其余大都在5°以內。

1.2 地質情況

整體來看各礦的直接頂和基本頂較穩(wěn)定，斷層少，基本無陷落柱和火成巖侵入。從地質條件來看，同忻礦基本頂在靠近切眼和平朔一號井局部區(qū)域有火成巖侵入，其中平朔一號井初采時，由于小煤窯開采的影響發(fā)生過發(fā)火事故。在日常回采過程中，由于巷道斷面比較大，綜放面受采空區(qū)擾動影響劇烈，巷道底鼓比較嚴重，在同忻礦、塔山礦和平朔一號井較為明顯。尤其是平朔一號井，斷層14 條，落差最大12m，大多1.3～7m，富水層弱，水影響小，回采過程中底鼓治理成為一大難題。斜溝23103 面局部古河流沖蝕沉積帶，水條件中等局部有突水危險斷層，對生產有一定的影響。保德礦區(qū)域煤厚大、淺部煤層較薄，構造多，地質沖刷較嚴重，水文地質條件較簡單。

表1 礦井地質條件和開采條件

1.3 瓦斯情況

所述礦井中除了保德礦的瓦斯稍高外，其他礦井均屬于低瓦斯礦井。不過大采高綜放面出現(xiàn)過瓦斯超限，開采前厚煤層瓦斯相對量很小，由于開采煤量大，瓦斯涌出量瞬間增大使得絕對涌出量較高。尤其是來壓期間綜放工藝對采空區(qū)擾動大，出采空區(qū)殘存瓦斯。同樣在煤層破碎地段和地質構造帶附近瓦斯絕對涌出量也很大。所以各大采高綜放面均采用的是高瓦斯治理。

1.4 工作面產量與相關信息統(tǒng)計分析

各礦區(qū)工作面產量及相關信息見表2。

表2 各礦區(qū)工作面產量與相關信息

由表2 可以看出，調研的工作面年產量都在6.0Mt 以上?？梢姶蟛筛呔C放技術和設備國產化方面取得了卓越的成果，在開采特厚煤層方面有超強的活力和前景。從地質條件來看，千萬噸級配套的工作面地質條件較為簡單的同忻礦產量最高，條件較為復雜的斜溝和保德產量稍低。

如表2 所示，工作面采出率均在85% 以上，平均為88.7%，最高是同忻礦，采出率為89.5%。綜采面的采出率較高，在93%以上。頂煤采出率均在76%以上，平均為81.3%，最高是塔山礦，采出率為88.1%，總體來看綜放面整體采出率平均為85%。與綜采面的采出率相比還有一定的差距。因此，要進一步努力解決綜放開采的不利因素，盡量提高資源采出率。

2 工作面裝備

工作面整體運行情況如表3 所示。

從設備方面來看，同忻除膠帶輸送機和液壓支架外全部國外進口;塔山推進全部國產化;平朔一號井只采煤機為進口，其他國產;斜溝礦23103 面國產化和同忻類似;斜溝礦18102 面采煤機、刮板機和轉載機進口。保德81502 面采煤機，前后刮板機和轉載機為進口，保德81300－1 面與平朔一號井類似;問卷調查的五家溝礦、東灘礦和興隆莊礦井設備除了東灘采煤機為國外進口，整套設備全國產化。由此看出，綜放面主要設備的國產化比例約49.1%，國產設備已能基本滿足千萬噸(級)綜放面的要求?？傮w來看，各礦支架均為國產，三機以外的配套設備基本國產;關鍵設備和核心部件引進國外技術比重較大，液壓支架結構件沒問題，但密封系統(tǒng)和材質的強度、耐磨性、耐高溫和加工工藝還需要進一步改進。

表3 工作面整體運行情況

礦井的平均開機率84.4%，其中綜放面中塔山最高為92.7% (全國產化)。條件較為類似的同忻礦開機率僅為80% (膠帶輸送機和液壓支架外全部國外進口)，以此來比較國產設備的適應性還是可以的。平朔一號井14109 面(只有采煤機進口)開機率為80.6%，保德81300－1 面開機率最低(只有采煤機進口)，為77.6% ?？傮w來講，國產設備存在故障問題，可靠性不高，但差距不是很大。設備運行情況主要受地質條件影響較大，當然國產設備某些部件確實存在問題，有待提高。

國產設備故障稍高，主要體現(xiàn)在以下幾個方面:采煤機和前輸送機配套問題，造成三角煤割不透;采煤機電氣控制系統(tǒng)易發(fā)生故障，截割部和搖臂的可靠性不高，牽引部易損壞;支架使用情況較好，主要是密封圈問題;前后刮板機問題也比較多，軟啟動裝置不夠成熟，耦合調速器、電磁先導換向閥組易出現(xiàn)問題;刮板機的齒輪和鏈條的材質和耐磨性較差，易損壞;膠帶機方面問題不大，偶有軟啟動損壞，運輸能力基本達標。調研礦井滿倉情況較少。

3 開采工藝

各工作面開采工藝如表4 所示。

目前工作面傾斜長度已經超過400m，走向長度已超過6000m。在國外傾斜長度超過300m 的綜采面很普遍。各綜放面的采放比均控制在1∶ 3 范圍內，實際回采時，由于頂煤的冒放性很好，若頂煤存在近距離煤層，會出現(xiàn)采放比超標的現(xiàn)象;放頂煤工藝方式多為一刀一放雙輪順序低位放煤，僅斜溝礦采用兩刀一放雙輪順序低位放煤。綜放面平均采出率為85%。頂煤采出率是制約綜放技術發(fā)展的關鍵要素之一，經過現(xiàn)場實踐，在后部輸送機溜槽后安裝頂煤回收裝置，解決放煤時由于后輸送機溜槽高度形成的自然堆積角內頂煤的回收，大大地優(yōu)化了頂煤回收問題，但是目前過渡支架和端頭支架上的頂煤回收是一個嚴峻的課題，要深入研究進一步減少頂煤的損失。

表4 工作面開采工藝情況對照

綜放面在日進刀方面，保德81300－1 工作面最低為5 刀，斜溝23103 面最高為12 刀，綜放面日進刀平均為8.8 刀。在產量方面部分綜放面突破千萬噸(級)，其中同忻最高，達1006.7 ×104t。

4 存在問題

4.1 設備使用和配套存在的問題

(1)全套國產性能上基本能滿足實現(xiàn)千萬噸(級)綜放面的要求，但是設備的可靠性不高，各設備的配套協(xié)調性需要進一步改善，三機選型配套依據(jù)需進一步充實。

(2)國產采煤機基本能滿足生產要求，但故障率較高，主要是采煤機和前輸送機配套問題，前機頭機尾過渡槽短，邊界槽配合度差，采煤機行走不到位造成三角煤割不透。采煤機電氣控制系統(tǒng)易發(fā)生故障，截割部和搖臂的可靠性不高，牽引部易損壞，常見的故障有:油缸漏油、搖臂不調高、液控閥壞，換電機及減速箱、換行走齒輪、油管壞。

(3)國產支架使用效果較好，但大型設備體重大，來壓時支架陷底嚴重，其次是缺乏安全通道。再者是密封性差，跑冒滴漏現(xiàn)象比較多，密封圈經常更換，極大地影響生產，其材質的強度、耐磨性、耐高溫和加工工藝需要進一步改進;乳化液濃度正常生產很難達到5%的水平，管理不到位，乳化液雜質含量高;電液控液壓支架功能優(yōu)勢沒有完全發(fā)揮;放頂煤液壓支架是選擇兩柱還是選擇四柱有待進一步論證分類。

(4)刮板輸送機常見的問題有鏈環(huán)易斷，中間槽耐磨性差，且表現(xiàn)為后輸送機的損壞比前輸送機大的特點。煤流速度不均勻，刮板機易壓死難以啟動。后刮板機與液壓支架軟連接，傾角大時，后刮板機易下竄。

(5)破碎機主要表現(xiàn)在錘頭磨損方面，矸石進入運煤系統(tǒng)多，造成運輸系統(tǒng)超負荷運轉，矸石塊頭大、較硬，增加了破碎機錘頭的磨損。

(6)膠帶機運輸能力基本達標，偶爾有軟啟動損壞、膠帶斷、跑偏、膠帶跳電、膠帶壓死等現(xiàn)象。

(7)國產設備零部件的使用周期短，更換頻繁;控制系統(tǒng)不成熟，國產的傳感器質量參差不齊，有的能用1～2a，有的只有1～2 個月;更換零件拆裝困難，維修空間小;國產設備說明書與進口設備說明書相比，所述內容不夠全面和詳細，國產配套設備資料的完整性有待完善;國產設備體積過大，占用巷道空間，不利于行人且不方便修理安裝。但是進口設備昂貴，售后服務困難，發(fā)生故障時外國勞工修理耗時費事，備件購運周期長，一般4～5 個月，對生產造成很大影響。

(8)大采高綜放設備大，缺乏配套的搬家設備，搬家費時費力。現(xiàn)在一般采用兩套設備緩解因搬家時接替緊張問題，建議多功能搬家車輛也需配套，以減少搬家耗時。

4.2 兩巷支護存在的問題

兩巷支護設計存在一定的問題，部分設計憑借工程類比和經驗法設計，缺乏科學設計依據(jù)，導致支護效果不理想，尤其是巷道底鼓現(xiàn)象嚴重，且大多大采高綜放面都出現(xiàn)此類現(xiàn)象。

4.3 頂煤采出率及統(tǒng)計存在的問題

頂煤放出還是憑經驗“暗箱操作”，“見矸關門”是否科學需進一步論證，含矸量依靠放煤工的經驗和操作熟練度來控制界面關窗，工人的自由度太大，放煤中含矸多少才停止放煤是一難題，缺乏科學的判斷標準。部分礦井計算頂煤采出率的方法不妥，導致統(tǒng)計結果不準確

5 建議

通過對各個礦區(qū)的分析，大體了解了目前千萬噸(級)綜放面的情況，雖然目前的開采工藝基本能滿足當前的生產要求，但是仍存在許多不足之處，為了達到千萬噸(級)綜放面安全高效生產的目的，建議各礦區(qū)進一步做好和完善以下幾方面的工作:

(1)加強工作面及其鄰近地點地質勘探，準確掌握地質信息。

(2)提出千萬噸(級)綜放面基本地質要求，綜合多種因素，優(yōu)化工作面參數(shù)。

(3)進一步提高工作面國產設備的可靠性尤其是采煤機的可靠性，提高國產設備利用率。

(4)提出大采高綜放工作面設備配套原則，科學合理進行三機選型配套，開展放頂煤開采巖層和支架圍巖相互作用機理研究，研究放頂煤開采力學模型、圍巖應力、頂煤破碎機理、支架與圍巖相互作用關系，合理選擇液壓支架工作阻力和架型。

(5)研制配套的工作面設備搬家、拆除裝置及技術，縮短工作面安裝和拆除時間。

(6)提出放煤優(yōu)化準則和提高頂煤采出率的途徑。運用離散元等方法研究頂煤放落規(guī)律，大力開展自動化放煤技術。加強放煤工的責任心、操作業(yè)務水平的培訓和合理的量化核定激勵機制。

(7)開展工作面兩巷支護設計攻關研究，防治巷道底鼓現(xiàn)象出現(xiàn)，研制兩巷加強支護超前液壓支架，確保兩巷斷面尺寸，保證行人安全、兩巷設備順利前移。

(8)進一步完善防水及一通三防保障體系，解決水害、瓦斯防治、自然發(fā)火和粉塵防治等。

［1］國家煤礦安全監(jiān)察局.中國煤炭工業(yè)年鑒［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2007.

［2］李明忠，劉珂珉，曾明勝，等.大采高放頂煤開采技術及其發(fā)展前景［J］.煤礦開采，2006，10 (5):28－29.

［3］毛德兵，康立軍.大采高綜放開采及其應用可行性分析［J］.煤礦開采，2003，3 (1):11－14.

［4］閆少宏，尹希文.大采高綜放開采幾個理論問題的研究［J］.煤炭學報，2008 (5).