特厚硬煤超大采高綜放小采放比開采技術(shù)與支架優(yōu)化設(shè)計(jì)

孟祥軍，張金虎，李明忠，岳 寧，許永祥，佟 朋，蔡逢華

（1.兗礦集團(tuán)有限公司，山東濟(jì)寧 273500；2.煤炭科學(xué)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(shè)計(jì)事業(yè)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(jì)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(diǎn)[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(jīng)濟(jì)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(guī)綜放開采適應(yīng)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(shù)值模擬方法研究了機(jī)采高度對頂煤冒放、煤壁穩(wěn)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(jiān)硬頂煤冒放結(jié)構(gòu)，得出靠近工作面兩端頭位置堅(jiān)硬頂煤容易形成“懸臂”結(jié)構(gòu)，解釋了堅(jiān)硬頂煤垮落放出困難的宏觀結(jié)構(gòu)因素[9]；李明忠[7]、張金虎[10]等針對陜北侏羅紀(jì)硬煤特點(diǎn)提出了堅(jiān)硬、特厚煤層大采高綜放開采的技術(shù)方案及實(shí)現(xiàn)途徑。一般將機(jī)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(shí)際應(yīng)用過程中仍需要采取放炮、水壓預(yù)裂等方式提高頂煤回收率。為進(jìn)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(diǎn)，基于現(xiàn)場實(shí)測、理論分析和數(shù)值模擬的方法對不同割煤高度頂煤回收率和煤壁穩(wěn)定性進(jìn)行分析，并以金雞灘煤礦為例，提出適應(yīng)金雞灘煤礦特厚硬煤的小采放比超大采高綜放開采技術(shù)；根據(jù)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(wěn)等問題，基于三維動態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法對超大采高綜放液壓支架關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，創(chuàng)新放煤機(jī)構(gòu)型式，解決了特厚硬煤難垮落、易成拱等難題，為西部礦區(qū)特厚硬煤高效、高回收率開采提供了新的技術(shù)途徑。

1 工程概況

陜北榆神礦區(qū)侏羅紀(jì)煤田是我國最主要的特大型煤炭生產(chǎn)基地之一[13]，主采2-2#和3#煤層，為實(shí)現(xiàn)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(qū)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(qū)煤層普氏硬度系數(shù)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(xiàn)場實(shí)測分析發(fā)現(xiàn)其上覆頂煤呈懸臂狀態(tài)，頂煤破壞塊度大易成拱，煤壁穩(wěn)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(xù)增大一次采全高高度將導(dǎo)致煤壁穩(wěn)定性難以控制；常規(guī)綜放對堅(jiān)硬特厚煤層適應(yīng)性差。根據(jù)本區(qū)域生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，增大綜放工作面機(jī)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(wěn)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(shù)值模擬分析如圖1。

圖1 不同采高煤炭回收數(shù)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(xiàn)在4 個方面。

1）機(jī)采高度部分的煤炭，其回收率一般可達(dá)98%以上，頂煤回收率一般約為70%～90%，明顯低于機(jī)采割煤回收率，增大機(jī)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(shù)呈指數(shù)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(jī)采高度增大而增大，頂煤塑性破壞系數(shù)Y 與割煤高度hg之間存在冪函數(shù)關(guān)系式[16]：

3）在給定煤厚條件下，小采放比（即機(jī)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(yùn)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(guān)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(guān)[19]。當(dāng)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(dāng)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(zhì)控制提出了更高要求。

3 采放比對煤壁穩(wěn)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(jī)最大割煤高度。確定此值除要考慮由采煤機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)決定的采高外，主要分析在給定煤層條件下煤壁易發(fā)生片幫冒頂?shù)臉O限高度[20]。

與一次采全高綜采不同的是，綜放開采煤壁穩(wěn)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(qū)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(chǎn)生摩擦力以阻止煤壁向采空區(qū)方向的水平運(yùn)動，則可將分界面處簡化為剛度為K 的彈性支座。根據(jù)煤壁下端水平與鉛垂方向位移受約束但轉(zhuǎn)角不受限制的特點(diǎn)，下部可簡化為鉸支座，則煤壁穩(wěn)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(diǎn)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(wěn)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(xiàn)彎曲失穩(wěn)，且臨界剛度與機(jī)采高度的三次方成反比，即采高增大煤壁失穩(wěn)機(jī)率隨之增大[21]。

通過數(shù)值模擬分析軟件對不同機(jī)采高度煤壁水平位移分布規(guī)律進(jìn)行分析：隨著機(jī)采高度增大，煤壁水平位移增加，最大水平位移區(qū)域位于割煤高度0.6～0.8hg處，當(dāng)機(jī)采高度增加至7 m 以上時，其片幫量達(dá)到約500 mm，為保證金雞灘煤礦綜放開采煤壁控制效果，為實(shí)現(xiàn)工作面煤炭回收率和煤壁穩(wěn)定性的維護(hù)，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(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

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(shí)現(xiàn)堅(jiān)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(xiàn)增強(qiáng)，支架的結(jié)構(gòu)及工作狀態(tài)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(shù)有利于頂煤的破碎和放出[22]。

根據(jù)數(shù)值模擬分析，不同支護(hù)狀態(tài)下頂煤中產(chǎn)生的最大應(yīng)變值不同，當(dāng)主動支護(hù)強(qiáng)度較小時，支架前部及煤壁上方產(chǎn)生較大應(yīng)變，此時煤壁及端部穩(wěn)定性降低易發(fā)生破壞，隨著主動支撐強(qiáng)度的增大，頂煤最大應(yīng)變值向支架后部逐漸增大，該趨勢有利于煤壁及端部的穩(wěn)定性維護(hù)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(hù)式和兩柱掩護(hù)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(hù)式如采用整體頂梁易造成前后立柱受力不均、支護(hù)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(hù)作用力降低，不利于煤壁片幫防治[23]。支護(hù)強(qiáng)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(hù)式液壓支架整體頂梁結(jié)構(gòu)利于端部及煤壁的維護(hù)。

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(qiáng)擾動三級高效放煤機(jī)構(gòu)

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(gòu)成要素由支架放煤尾梁、插板和刮板輸送機(jī)3 部分組成，控制這3 個要素之間的關(guān)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(chuàng)新發(fā)明了大采高綜放液壓支架強(qiáng)擾動三級高效放煤機(jī)構(gòu)。

在同樣采高液壓支架情況下，掩護(hù)梁長度由3.98 m 減少至3.3 m，增大掩護(hù)梁的傾斜角度，增大煤塊在掩護(hù)梁上的滑動，同時增大一級尾梁與掩護(hù)梁夾角可達(dá)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(jī)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(jī)，以強(qiáng)運(yùn)力保障頂煤運(yùn)輸。

4.3 液壓支架防沖擊設(shè)計(jì)

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

圖4 液壓支架頂梁抗沖擊設(shè)計(jì)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(qiáng)度矩形螺紋連接、三導(dǎo)向環(huán)設(shè)置、特殊缸底焊縫增大含入段的長度、整體密封溝槽和復(fù)合結(jié)構(gòu)密封圈等創(chuàng)新結(jié)構(gòu)，提高了立柱的抗沖擊性和可靠性。通過采用刮削滾光、環(huán)形焊縫窄間隙焊接等先進(jìn)制造方法，提高缸筒表面加工精度和焊接質(zhì)量。缸筒內(nèi)壁及導(dǎo)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(yīng)用效果

超大采高綜放小采放比開采技術(shù)在金雞灘煤礦12-2上117 工作面進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，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(chǎn)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(jī)率85%左右，日推進(jìn)約10～15 m，日產(chǎn)約5～6 萬t，月產(chǎn)約150～180 萬t，最高日產(chǎn)7.9 萬t，最高月產(chǎn)達(dá)到202萬t，成套具備年產(chǎn)2 000 萬t 能力，工作面回收率約90.2%，含矸率約4.3%。

6 結(jié) 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(jī)率提高頂煤回收率。超大采高小采放比綜放開采是特厚堅(jiān)硬煤層實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)、高效，提高回收率的有效方式。

2）隨著采高加大，礦壓顯現(xiàn)及煤壁片幫程度增大，優(yōu)化設(shè)計(jì)兩柱掩護(hù)式液壓支架，采用整體頂梁結(jié)構(gòu)提高端部頂煤的控頂效果，通過大缸徑立柱適應(yīng)超大采高強(qiáng)礦壓易沖擊的顯現(xiàn)特點(diǎn)。

3）放煤機(jī)構(gòu)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(hù)梁長度等方式可提高放煤效果。