砂墩子礦井4-1煤采煤方法與設備選型設計研究

姬劉亭

(中煤科工集團 北京華宇工程有限公司，北京 100120)

砂墩子礦井位于新疆哈密三道嶺礦區(qū)，主采煤層3層，礦井采用主、副斜井開拓，井下煤炭運輸采用帶式輸送機，輔助運輸采用絞車，投產時開采N41采區(qū)4-1號煤層。礦井建設規(guī)模為5.0Mt/a，為“一井一面”的大型現(xiàn)代化礦井[1]，選擇適合的采煤方法和合理的設備選型是礦井生產的重要保障。本文在綜合分析煤層條件、采煤方法和設備裝備現(xiàn)狀的基礎上，對砂墩子礦井采煤方法和開采裝備進行設計選型研究。

1 煤層賦存與開采技術條件

砂墩子礦井處于西山復式背斜的南翼，為一單斜、伴有較多斷層，局部褶皺發(fā)育，傾角6°～12°。4-1號煤層位于侏羅系中統(tǒng)西山窯組中段的下部，煤層賦存面積118.87km2，可采面積70.90km2，面積可采系數(shù)為59.6%，屬大部可采的較穩(wěn)定煤層。煤層可采厚度在0.88～32.48m，平均厚度9.17m，屬厚煤層。煤層結構簡單，含夾矸1～2層，煤層頂板巖性以粉砂巖為主，炭質泥巖、細砂巖、粗砂巖次之。底板巖性以粉砂巖為主，細砂巖、泥巖、中砂巖、粗砂巖次之。煤類以不粘煤為主、長焰煤次之。砂墩子礦井初期為低瓦斯礦井，各煤層均有煤塵爆炸性危險，屬于自燃～容易自燃煤層，水文地質條件中等。

礦井首采區(qū)為已完成三維地震勘探的N41采區(qū)，位于北翼大巷以北，采區(qū)南北走向長度1.6～2.3km，東西傾向長度2.8～4.3km，面積約6.29km2，地質儲量約73.87Mt，服務年限約10.2a。

2 采煤方法的選擇

2.1 采煤方法適用性分析

根據(jù)國內外厚煤層開采技術水平，結合4-1號煤層賦存與開采技術條件，可供選擇的采煤方法主要有：分層綜采、大采高綜采和綜放開采。

1)分層綜采。分層綜采與一次采全高相比，鋪設下分層假頂工序復雜、回采巷道掘進率高、搬家倒面頻繁、塊煤率低、工作面過風斷面小，造成材料消耗量大、掘進和生產成本高、綜合售價低、安全條件差等固有缺點[2]。砂墩子4-1號煤層平均厚度9.17m(N41采區(qū)為11.1m)，分層綜采不能發(fā)揮煤層生產能力的優(yōu)勢，不能滿足現(xiàn)代化礦井建設的需要，不符合當今高產高效、綠色開采理念。

2)大采高綜采。大采高綜采是國內、外高產高效工作面采用的主要方法之一，目前廣泛應用于神東、榆神、府谷等礦區(qū)，單面產量達到10.0Mt/a以上。砂墩子首采區(qū)煤層平均厚度約為11.1m，國內目前大采高的開采高度約為5～7m，即使最高達到8.8m，也會造成一定的浪費。

3)綜放開采。綜放開采自1982年引進至今，三十多年的開采實踐證明，綜放開采技術在我國獲得了巨大發(fā)展，取得了舉世矚目成績，成為我國煤炭開采技術近30年來取得的標志性成果[3]。綜放開采與大采高綜采優(yōu)缺點對比見表1。

表1 綜放開采與大采高綜采優(yōu)缺點對比表

從節(jié)省初期投資、系統(tǒng)安全可靠方面考慮，推薦4-1煤層采用綜放開采，設備全部國產化，1個綜放工作面實現(xiàn)5.00Mt/a的生產能力。

2.2 4-1煤層冒放性分析

綜放開采的核心是頂煤破碎與放出的理論及實施技術[4-6]，故對砂墩子4-1煤層的冒放性影響因素分析論證如下：

1)開采深度。本礦4-1煤層埋深在300～1050m之間，大部分都在400m以上，從開采深度看，適于采用綜放開采。

2)煤層厚度及煤的硬度。首采區(qū)煤層厚度為6.16～19.82m，平均厚度為11.1m，大部分煤層厚度在9m左右；4-1煤硬度系數(shù)f=1.57，綜放開采是適宜的。

3)節(jié)理裂隙發(fā)育程度。4-1煤的內生裂隙發(fā)育，外生裂隙不發(fā)育，頂煤在支承壓力下容易破碎，有利于頂煤放出。

4)煤層夾矸。該礦井4-1煤層普遍含有一層夾矸，局部變?yōu)楹袃蓪訆A矸，夾矸巖性多為泥巖，強度低，易破碎；夾矸對4-1煤層頂煤的冒放性有一定影響。

5)頂板條件。該礦井4-1煤層直接頂板以粉砂巖、細砂巖為主，頂板穩(wěn)定性差、垮落性能好，有利于回采過程中及時垮落，形成緊跟支架后方的矸石堆。

綜上分析，砂墩子礦井4-1煤層節(jié)理裂隙發(fā)育，埋藏較深，煤體強度較小，煤層厚度較大，夾矸薄，總的來說冒放性較好，選用綜放開采是適宜的。

3 設備選型與配套研究

設備的選型和配套是綜放開采的核心內容，直接關系到工作面產量目標的實現(xiàn)[7，8]。綜放工作面設備主要包括液壓支架、采煤機、前后刮板輸送機、轉載機、破碎機等，根據(jù)本礦井煤層賦存條件、設計生產能力等，對4-1煤層綜放工作面進行主要設備選型與配套[9]。

3.1 液壓支架

液壓支架是綜放工作面核心設備之一，從支護強度和工作阻力進行計算。

1)支架支護強度計算：

P=[(6～8)×(M-h)×9.8×γ1+h×9.8×γ2]

×10-3=0.61～0.78MPa

式中，M為采高，取11.1m；γ1為頂板巖石容重，取γ1=2.5t/m3；h為放頂最大高度，取7.6m；γ2為頂煤容重，取γ2=1.31t/m3。

2)支架工作阻力的確定：

F=1000P×A×(L+C)=7420kN

式中，P為支架支護強度，經計算P=0.61～0.78MPa，取0.80MPa；A為支架中心距，A=1.75m；L為支架頂梁長，L=5.0m；C為梁端距，取C=0.3m。

依據(jù)上述計算，綜合考慮砂墩子煤礦4-1煤層開采技術條件、支架阻力值富裕系數(shù)、綜放液壓支架產品型號等因素，確定工作面液壓支架選用ZF15000/25/45，該支架初撐力12778kN，工作阻力15000kN，支護強度1.46MPa，過渡液壓支架與正常架相配套。

3.2 采煤機

采煤機是綜放工作面的主要機械設備，其主要指標有采煤機生產能力、割煤速度和裝機功率。

1)采煤機應具有的最小生產能力為：

=773.08t/h

式中，Qm為采煤機的平均生產能力，t/h；Q為工作面平均日產量，取15152t/d；L為工作面長度，取245m；Lf為沿工作面方向放頂煤面長，取238m；i為采煤機割煤速度與空刀牽引速度之比，取i=0.5；Lm為采煤機兩滾筒中心距，取13.1m；T為工作面日生產時間，按3班生產，取1080min；k為采煤機開機率，取65%；Cg為工作面采煤機割煤回收率，取93%；Cf為工作面頂煤回收率，取75%；Hg為平均割煤高度，取3.5m；Hf為工作面頂煤平均厚度，取7.6m；Td為采煤機返向時間，取2.0min；B為采煤機截割深度，取0.86m；γ為實體煤容重，取1.31t/m3。

2)采煤機平均截割牽引速度為：

Vc=Qm/(60×B×Hg×γ×Cg)

=3.49m/min

式中，Qm為采煤機所需最小生產能力，t/h。

3)采煤機最大割煤速度Vmax和最大生產能力Qmax：

Vmax=Kc·Vc=1.3×3.49=4.54m/min

Qmax=Kc·Qm=1.3×2212.20=1005.00t/h

式中，Kc為采煤機割煤不均衡系數(shù)，取1.3。

4)采煤機裝機功率計算：

N=60Kb×B×Hg×Vmax×γ×Hw

=1037.42kW

式中，N為采煤機裝機功率，kW；Kb為備用系數(shù)，取1.2；Hw為采煤機單位割煤能耗，取0.8(kW·h)/t。

根據(jù)上述計算，設計選用MG750/1940-WD型電牽引雙滾筒采煤機。

3.3 刮板輸送機

綜放工作面刮板輸送機共有前、后兩部。

1)前刮板輸送機。綜放工作面前刮板輸送機的運輸能力應不低于采煤機的最大割煤能力，即：

Q>KyKvKcQmax=1509.01t/h

式中，Q為刮板輸送機運輸能力，t/h；Ky為考慮運輸方向及傾角系數(shù)，取1.1；Kv為采煤機與刮板輸送機同向運動時的修正系數(shù)，取1.05。

2)后刮板輸送機。后部刮板輸送機的能力應與放煤能力相適應，根據(jù)采放平行作業(yè)的要求，工作面平均放頂煤速度Vf按下式計算：

=2.26m/min

式中，Vf為工作面平均放頂煤速度，m/min。

因此與采煤機落煤能力相配套的工作面平均放煤能力為：

Qf=60HfBmγCf(1+Cg)Vf

=1688.09t/h

式中，Qf為工作面平均放頂煤能力，t/h；m為放煤步距與采煤機截深之比，一采一放時，取m=1。

滿足工作面最大放煤流量要求的后部刮板輸送機能力：

Q≥Kf·Ky·Qf=2413.96t/h

式中，Qf為工作面平均放頂煤能力，取1688.09t/h；Kf為工作面放頂煤不均勻系數(shù)，取1.3；Ky為運輸方向及傾角修正系數(shù)，向下運輸，取1.1。

綜上，工作面前、后可彎曲刮板輸送機分別選用SGZ1000/2×855與SGZ1200/2×855。

3.4 其它配套設備

根據(jù)上述計算，考慮到4-1號煤層條件和開采系統(tǒng)的可靠性[10-12]，確定了砂墩子4-1號煤層綜放工作面主要配套設備及技術特征，見表2。

表2 綜放工作面主要設備選型及技術特征表

4 開采實踐與適用性分析

砂墩子礦井2013年達到試運轉條件以來，綜放工作面月產量穩(wěn)定在0.35～0.53Mt之間，最高月產量達到0.57Mt；礦井年產量均穩(wěn)定在4.7～5.4Mt/a。實踐證明，綜放開采適用于砂墩子礦井4-1煤層條件，設備選型設計是合理的。

5 結 語

采煤方法的確定和回采設備的配套，是煤礦生產的核心內容，是實現(xiàn)礦井高產高效安全生產的重要因素。本文介紹了三道嶺礦區(qū)砂墩子礦井4-1煤層賦存和開采技術條件，通過對比確定了綜采放頂煤采煤方法，并根據(jù)規(guī)范對綜放工作面主要設備選型設計進行了計算和配套；開采實踐證明，綜放開采是適用于該煤層的，設備選型是合理適宜的，具有一定的現(xiàn)實意義和借鑒價值。