國投塔山礦近距特厚煤層綜放工作面設(shè)備選型與配套關(guān)鍵技術(shù)

張?jiān)?，劉新華

(1.天地科技股份有限公司 經(jīng)營管理部，北京 100013；2.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013)

國投塔山礦近距特厚煤層綜放工作面設(shè)備選型與配套關(guān)鍵技術(shù)

張?jiān)?，劉新華2

(1.天地科技股份有限公司 經(jīng)營管理部，北京 100013；2.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013)

[摘要]以國投塔山礦3-5號(hào)煤層首采工作面為例，對(duì)近距特厚煤層選型配套關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，并針對(duì)近距煤層礦壓特點(diǎn)，對(duì)支架進(jìn)行抗沖擊設(shè)計(jì)。同時(shí)在工作面設(shè)備配套中，在轉(zhuǎn)載機(jī)與巷道下幫之間留設(shè)行人通道實(shí)現(xiàn)不停機(jī)安全行人，提高了工作面的安全性。針對(duì)近距特厚煤層的選型配套技術(shù)已在井下成功應(yīng)用，可為類似條件采煤工作面設(shè)備選型配套提供參考。

[關(guān)鍵詞]近距特厚煤層；綜放工作面；設(shè)備選型配套；行人通道

近幾年大采高特厚煤層綜放開采技術(shù)相對(duì)成熟，國內(nèi)許多礦區(qū)都有類似條件綜放工作面成功應(yīng)用案例，但近距特厚煤層綜放開采技術(shù)的應(yīng)用還比較少見，上覆采空區(qū)中的殘留煤柱對(duì)待采煤層工作面的影響尚不清楚。本文以國投塔山礦3-5號(hào)煤層首采工作面為例，對(duì)近距特厚煤層開采設(shè)備選型及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，并給出了應(yīng)對(duì)措施。

1礦井概況

1.1可采煤層條件

國投塔山煤礦可采和局部可采煤層為2，3，5，8，9號(hào)5層。2號(hào)煤層一盤區(qū)開采完畢， 3-5號(hào)煤三盤區(qū)將成為主采煤層。3-5號(hào)煤層屬穩(wěn)定煤層，煤層全層厚15.72～26.77m，平均厚17.93m，煤層偽頂區(qū)內(nèi)零星分布有巖性為泥巖、砂質(zhì)泥巖，厚度為0.2～0.5m；直接頂巖性為高嶺質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖，厚度為3～5m；基本頂巖性為中粗砂巖，厚度為6～15m。底板巖性為砂質(zhì)泥巖、泥巖，厚度為0.8～3.20m，煤層綜合柱狀圖見圖1。

圖1　主采煤層綜合柱狀圖

1.2首采工作面參數(shù)

三盤區(qū)30501工作面為3-5號(hào)煤層首采面，煤層傾角約為2°，煤層平均厚度15.96m。工作面長度180m，最大機(jī)采采高4.0m，截深800mm，采用“一采一放”工藝，工作面運(yùn)輸機(jī)卸載方式采用端卸。運(yùn)輸巷道為矩形巷道，寬5.4m，高3.5m；回風(fēng)巷道為矩形巷道，寬5.2m，高3.5m。

2近距特厚煤層工作面設(shè)備選型

3-5號(hào)煤層與上覆2號(hào)煤層平均層間距只有4.35m。首采面上方的2號(hào)煤層已開采完畢，但2號(hào)煤層中殘留有保護(hù)煤柱，因兩層煤之間的間距小，在下層煤開采過程中會(huì)對(duì)局部頂板壓力產(chǎn)生較大影響。這就要求在合理的采煤工藝基礎(chǔ)上，通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)備選型配套，使3-5號(hào)煤層開采能夠適應(yīng)上層煤層殘留煤柱對(duì)下層煤層工作面開采的應(yīng)力集中及沖擊壓力影響。

國投塔山煤礦設(shè)備布置中在轉(zhuǎn)載機(jī)與巷道下幫之間留設(shè)行人通道，膠帶運(yùn)輸機(jī)布置在巷道工作面?zhèn)?，使得采煤機(jī)滾筒中心線難以過煤壁，工作面推進(jìn)過程中機(jī)頭處三角煤不易割透，由此帶來的弊端也將影響工作面設(shè)備選型配套。

2.1主要設(shè)備選型分析

2.1.1液壓支架選型

(1)支護(hù)強(qiáng)度確定支護(hù)強(qiáng)度計(jì)算方法的理論基礎(chǔ)是工作面支架工作阻力承受直接頂和頂煤的載荷，并平衡基本頂失穩(wěn)時(shí)對(duì)支架的動(dòng)載，支護(hù)強(qiáng)度計(jì)算公式為：

q=Kd(qd+qc)=Kd(rd·h+rc·Mc)

(1)

(2)

式中,q為支架所需支護(hù)強(qiáng)度；Kd為基本頂失穩(wěn)時(shí)的動(dòng)載系數(shù)，1.1～1.8，取1.4；qd為直接頂自重；rd為直接頂巖層密度，取2.4×103kg/m3；h為直接頂垮落充填高度；qc為支架上方頂煤自重；rc為煤層密度，取1.43×103kg/m3；Mc為支架上方頂煤高度；M為煤層一次采出厚度；Kp為直接頂碎脹系數(shù)，1.25～1.5，取1.4；C為煤層回收率，取0.75，

根據(jù)礦井實(shí)際地質(zhì)資料，取煤層平均厚度17.93m，最大機(jī)采高度取4.0m，放煤高度取13.93m。經(jīng)計(jì)算可得支架的合理支護(hù)強(qiáng)度q為1.38MPa。

(2)支架工作阻力確定支架工作阻力的計(jì)算公式為

P=q(LK+LD)B

(3)

式中，P為工作阻力；LK為梁端距；LD為頂梁長度；B為支架寬度。

則P=1380×(5.5+0.5)×1.75=14490(kN)

綜合考慮富裕系數(shù)與立柱缸徑標(biāo)準(zhǔn)化等因素，將工作阻力確定為15000kN。

(3)支架高度確定支架的最大結(jié)構(gòu)高度主要取決于工作面采煤機(jī)最大割煤高度。針對(duì)國投塔山采面的煤層地質(zhì)條件，確定機(jī)采高度為3.5～4.0m，支架的最大高度為4.2m，支架最低高度確定為2.75m。最終確定支架型號(hào)為ZF15000/27.5/42D型四柱支撐掩護(hù)式液壓支架。

2.1.2采煤機(jī)選型

(1)采煤機(jī)滾筒直徑確定滾筒直徑一般為最大采高的0.55～0.6倍，即滾筒直徑D=0.55～0.6Hmax(Hmax為工作面最大采高，選擇4m)。通過計(jì)算可知D=2.2～2.4m，由于膠帶輸送機(jī)靠工作面?zhèn)炔贾茫瑱C(jī)頭需較大挖底量以防止工作面設(shè)備下竄后割不透三角煤，綜合考慮將采煤機(jī)滾筒直徑確定為2.5m。

(2)采煤機(jī)裝機(jī)功率確定采煤機(jī)裝機(jī)功率包括截割電動(dòng)機(jī)功率、牽引電動(dòng)機(jī)功率、破碎電動(dòng)機(jī)功率，以及液壓泵電動(dòng)機(jī)功率。裝機(jī)功率可以采用比能法進(jìn)行計(jì)算，即：

P=QHW

(4)

式中，P為裝機(jī)功率，kW；Q為采煤機(jī)的實(shí)際生產(chǎn)率，取1050t/h；HW為采煤機(jī)單位能耗，取HW=0.8(kW·h)/t。

將各參數(shù)代入得：P=1050×0.8=840(kW)

采煤機(jī)的理論裝機(jī)功率應(yīng)不小于840kW，實(shí)際生產(chǎn)中，采煤機(jī)的裝機(jī)功率比正常割煤所需的功率要多出30%～50%，以增強(qiáng)采煤機(jī)過地質(zhì)構(gòu)造時(shí)的破巖能力與割?yuàn)A矸能力。根據(jù)3Mt/a的設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力要求，考慮1.5的富裕系數(shù)，采煤機(jī)截割功率選用2×650kW=1300kW是滿足生產(chǎn)能力的，最終確定采煤機(jī)的總裝機(jī)功率應(yīng)不低于1700kW，確定采煤機(jī)型號(hào)為MG650/1710-WD型無鏈電牽引采煤機(jī)。

2.1.3運(yùn)輸機(jī)選型

對(duì)于綜放工作面，前部運(yùn)輸機(jī)選型要保證運(yùn)輸機(jī)運(yùn)煤能力與采煤機(jī)的落煤能力相匹配，后部運(yùn)輸機(jī)選型要滿足工作面割煤和放煤平行作業(yè)，最終實(shí)現(xiàn)工作面高產(chǎn)高效。

(1)前部運(yùn)輸機(jī)能力確定考慮到工作面運(yùn)輸機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)條件多變，前部運(yùn)輸機(jī)實(shí)際運(yùn)輸能力應(yīng)略大于采煤機(jī)的生產(chǎn)能力，即

Qy≥Kc·Kv·Ky·Qc=(1.2～1.4)·Qc

(5)

Qc=60·H·B·γ·Vc

(6)

式中，Kc為采煤機(jī)割煤速度不均勻系數(shù)，取1.3～1.5；Kv為采煤機(jī)與輸送機(jī)同向運(yùn)動(dòng)時(shí)的修正系數(shù)，取1.05；Ky為煤層傾角和運(yùn)輸方向系數(shù)，取0.9；Qy為輸送機(jī)的最大運(yùn)輸能力，t/h；Qc為采煤機(jī)的實(shí)際生產(chǎn)能力，t/h；H為平均采高，取3.5m；B為采煤機(jī)截深，取0.8m；Vc為采煤機(jī)平均割煤速度，取6m/s；γ為煤的密度，取1.43t/m3。

將上述各參數(shù)代入得，采煤機(jī)的實(shí)際生產(chǎn)能力為1441t/h，刮板輸送機(jī)的運(yùn)輸能力應(yīng)不小于2018t/h。

(7)

式中，K為電機(jī)功率備用系數(shù)，一般取1.1～1.3，取1.3；K1為刮板鏈繞過兩端鏈輪時(shí)的附加阻力系數(shù)，取1.1；K2為移動(dòng)輸送機(jī)時(shí)中部槽彎曲附加阻力系數(shù)，取1.1；q0為刮板鏈每米重量，取48kg/m；f1為刮板鏈在槽中運(yùn)行阻力系數(shù)，一般取0.25～0.35，取0.3；f2為煤在槽中運(yùn)行的阻力系數(shù)，一般取0.6～0.8，取0.8；β為工作面傾角，取2°；q為每米中部槽煤量，q=Qy/(3.6×V1)，取400kg/m，V1為鏈速；L為工作面長度，180m；η為傳動(dòng)裝置效率，取0.95。

將各參數(shù)代入公式(7)可得N=1377kW。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，考慮工作面不確定因素，確定前部運(yùn)輸機(jī)總功率應(yīng)大于1377kW。

(3)后部運(yùn)輸機(jī)主要參數(shù)確定綜合考慮工作面年產(chǎn)量水平與前后部運(yùn)輸機(jī)設(shè)備互換性要求，后部運(yùn)輸機(jī)功率、運(yùn)量選用與前部相同。

2.2綜采工作面設(shè)備選型結(jié)果與配套

國投塔山煤礦近距特厚煤層首采綜放工作面最終選型配套設(shè)備明細(xì)見表1。

表1　工作面選型配套設(shè)備明細(xì)

工作面中部三機(jī)設(shè)備配套見圖2。

圖2　工作面中部三機(jī)配套斷面

圖3　運(yùn)輸巷道行人通道線路

國投塔山煤礦膠帶運(yùn)輸機(jī)布置在運(yùn)輸巷道工作面?zhèn)?，在轉(zhuǎn)載機(jī)與巷道下幫之間留設(shè)行人通道，如圖3中箭頭所示，在轉(zhuǎn)載機(jī)上架設(shè)行人過橋?qū)崿F(xiàn)不停機(jī)安全行人。這種布置方式在有助于高效生產(chǎn)的同時(shí)，對(duì)工作面設(shè)備選型配套與設(shè)備運(yùn)行管理要求高，其缺點(diǎn)是巷道寬度一定的前提下，設(shè)備配套后采煤機(jī)滾筒中心線難以過煤壁，或過煤壁距離很小，導(dǎo)致機(jī)頭三角煤有可能割不透，在工作面設(shè)備下竄機(jī)尾后，三角煤割不透的幾率更大。為保證機(jī)頭處割透三角煤，可采取以下措施：

(1)設(shè)備配套中提高機(jī)頭挖底量，可通過加大滾筒直徑方式實(shí)現(xiàn)。如圖4所示，國投塔山礦采煤機(jī)滾筒直徑選用2500mm，此時(shí)機(jī)頭挖底量為391mm，實(shí)踐證明該方法可以滿足配套要求。

(2)在工作面采煤過程中，提高工作面管理水平，減少工作面設(shè)備下竄幾率。

圖4　工作面機(jī)頭處設(shè)備配套關(guān)系示意

3近距特厚煤層在選型配套中采取的技術(shù)措施

3.1液壓支架設(shè)計(jì)制造中應(yīng)采取的措施

(1)為防止工作面沖擊壓力，支架立柱安裝雙安全閥，大安全閥流量1000 L/min，小安全閥流量400L/min。

(2)頂梁柱窩采用整體高強(qiáng)度鑄件防止高沖擊壓力損壞頂梁。

(3)提高支架結(jié)構(gòu)件安全系數(shù)，結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度充分考慮沖擊壓力。

(4) 支架液壓系統(tǒng)采用大流量電液控制系統(tǒng)，在沖擊來壓時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)工作面快速推進(jìn)。

3.2采煤工藝與工作面管理中應(yīng)采取的措施

(1)首采工作面巷道布置中采用與2號(hào)煤層

煤柱平行內(nèi)錯(cuò)布置方法，實(shí)現(xiàn)降低應(yīng)力集中對(duì)巷道支護(hù)的影響。

(2)對(duì)位于2號(hào)煤層煤柱附近的支架，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)壓力顯現(xiàn)情況確定是否放煤和放煤架數(shù)，如果壓力增加不放煤或少放煤。

(3)在工作面上方?jīng)]有煤柱的采煤區(qū)域也要根據(jù)壓力顯現(xiàn)情況確定順序放煤或間隔放煤。

(4)當(dāng)周期來壓時(shí)，壓力顯現(xiàn)明顯或較大時(shí)，減少放煤工作面的快速推進(jìn)。

4結(jié)束語

(1)通過幾個(gè)月的開采實(shí)踐證明，國投塔山煤礦近距特厚煤層的設(shè)備選型與應(yīng)對(duì)措施是可行的，近距特厚煤層開采可通過提高支架可靠性與抗沖擊能力去滿足工作面壓力大的工況。遇到特大壓力時(shí)通過提高工作面推進(jìn)速度和減少放煤頻率快速通過沖擊壓力區(qū)。

(2)國投塔山煤礦綜放工作面設(shè)備布置中，行人通道留設(shè)在轉(zhuǎn)載機(jī)與巷道下幫之間實(shí)現(xiàn)不停機(jī)安全行人，提高了工作面的安全性，這種設(shè)備布置方式的缺點(diǎn)完全可通過合理的設(shè)備選型配套和工作面管理克服。

[參考文獻(xiàn)]

[1]王國法.放頂煤液壓支架與綜采放頂煤技術(shù)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2010.

[2]劉緒玉.不連溝煤礦高產(chǎn)高效開采設(shè)計(jì)及設(shè)備選型配套[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2013，41(8)：4-7.

[3]龐義輝.涼水井礦中厚煤層年產(chǎn)6Mt工作面國產(chǎn)設(shè)備選型[J].煤炭工程，2014，46(11):4-7.

[4]羅善明.高產(chǎn)高效綜放工作面設(shè)備選型特點(diǎn)分析 [J].煤礦機(jī)械，2003，24(3)：28-30.

[5]張宇.國投塔山煤礦石炭系巨厚煤層開采設(shè)計(jì)研究[A].中國煤炭學(xué)會(huì)第九屆全國煤炭工業(yè)生產(chǎn)一線青年技術(shù)創(chuàng)新文集[C].北京：中國煤炭學(xué)會(huì)，2014.

[6]范苑.國投大同塔山煤礦近距離特厚煤層的開采方法研究[D].北京：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)，2014.

[責(zé)任編輯：徐亞軍]

Key Techniques of Equipment Selection and Matching of Fully Mechanized Top Coal Caving Face with Close Distance and Giant Thickness Coal Seam in Guotou Tashan Coal Mine

[收稿日期]2015-11-06[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.03.014

[作者簡(jiǎn)介]張?jiān)?1978-)，男，山西昔陽人，工程師，現(xiàn)任天地科技股份有限公司經(jīng)營管理部副主任。

[中圖分類號(hào)]TD355.44

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]B

[文章編號(hào)]1006-6225(2016)03-0052-03

[引用格式]張?jiān)?，劉新華.國投塔山礦近距特厚煤層綜放工作面設(shè)備選型與配套關(guān)鍵技術(shù)[J].煤礦開采，2016，21(3)：52-54，142.