特厚較軟煤層綜放工作面設備選型配套及采煤工藝優化

石曉軍， 田建設，劉俊峰，張金虎

(1.陜西麟北煤業開發有限責任公司，陜西 寶雞 721505；2.天地科技股份有限公司，北京 100013)

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特厚較軟煤層綜放工作面設備選型配套及采煤工藝優化

石曉軍1， 田建設1，劉俊峰2，張金虎2

(1.陜西麟北煤業開發有限責任公司，陜西 寶雞 721505；2.天地科技股份有限公司，北京 100013)

[摘要]通過對園子溝煤礦2煤煤層賦存條件進行分析及綜采工藝和裝備調研，采用理論分析和數值模擬相結合的方法對工作面參數、工藝進行優化及選型配套。結果表明：對于平均煤厚11.04m、堅固性系數f=1.2、易自燃煤層的合理采放比為1∶2.2，工作面傾向長度為200m，采用一采一放比兩刀一放可提高頂煤回收率1.9%；液壓支架支護強度不小于1.4MPa，采用帶鉸接前梁的整體頂梁結構加強對軟弱頂煤的及時支護，根據數值模擬結果優化護幫板結構實現護幫高度為1403mm、護幫力為387kN；采用高壓變頻軟啟動重型刮板輸送機和國產大功率自動化記憶截割采煤機，滿足特厚較軟煤層賦存條件，可順利實現年產6Mt的要求。

[關鍵詞]特厚較軟煤層；設備選型；采放工藝；變頻軟啟動

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.05.005

[引用格式]石曉軍，田建設，劉俊峰，等.特厚較軟煤層綜放工作面設備選型配套及采煤工藝優化[J].煤礦開采，2015，20(5)：19-22.

根據國內外厚及特厚煤層開采技術發展現狀，其開采方法主要有大采高綜采、分層開采和綜放開采3種。分層開采需要人工鋪網成本高、強度大、效率低，且增加了巷道掘進率和搬家次數，一般不會優先選擇分層開采。目前，一次采全高綜采技術與裝備已經實現了最大采高7m和“以工作面自動控制為主，監控中心遠程干預為輔”的中國煤炭智能開采模式。對于煤層厚度大于7m的煤層從高產高效及采出率考慮應首選綜放開采 ，但對于放頂煤開采由于有2個出煤點，其生產工藝、設備選型和配套相較一次采全高工藝更復雜，特別對于較軟煤層，為滿足煤壁穩定性控制要求需對液壓支架結構進行優化。國內外學者針對放頂煤開采合理割煤高度、放煤工藝及設備選型和配套進行了一定的研究，但對于特厚較軟煤層綜放工作面設備選型和配套的研究較少。本文以園子溝煤礦2煤特厚較軟煤層開采實踐為基礎，可為國內類似礦井工作面設備選型及生產工藝優化提供參考。

1工作面概況及開采條件

園子溝礦井隸屬于陜西麟北煤業開發有限責任公司，井田位于陜西省寶雞市麟游縣西北部，可采煤層有2-1煤、2煤、3煤。其中，2煤為主要可采煤層。根據三維地震勘探報告，2煤煤層發育較好，全區內均有賦存，首采101盤區2煤煤層開采厚度為3.07～15.86m，平均11.04m，采用綜合機械化放頂煤采煤工藝，工作面設計生產能力為6.0Mt/a。2煤層頂板一般為深灰色泥巖、砂質泥巖、細粒砂巖(偶見中粗砂巖)，厚度一般2.0~5.0m。底板為泥巖、砂質泥巖，厚度3.0~5.0m。煤的堅固性系數f=1.2。煤層為易自燃煤層，煤塵具有爆炸性。

2工作面參數及采放工藝優化

工作面參數包括割煤高度(采放比)、工作面長度和推進長度等。合理的割煤高度、工作面長度以及合理推進長度可有效減少煤柱損失量，提高工作面采出率和生產效率。

2.1　工作面參數確定

根據近年來對我國大部分放頂煤安全高效工作面生產的調查研究，目前高效放頂煤工作面長度多在150~260m。影響工作面長度的因素主要有地質因素、生產技術因素、經濟因素、端頭頂煤損失率及管理。為保證園子溝煤礦年產6Mt 和端頭損失小于5%的要求，對最小工作面長度進行核算。

A0=1.1×330×N·L·S·H·ρ·C1

式中，年工作日取330d；產量不均衡系數取1.1；A0為采煤工作面單產量取6Mt；N為采煤機日進刀數，按國內類似工作面經驗值取8；L為工作面長度；S為采煤機截深取0.8m；H為煤層厚度，取11.04m；ρ為煤的密度取1.38t/m3；C1為工作面采出率取85%。

將以上數據代入得工作面長度L≥199.4m。

為確保工作面端頭維護以及安設刮板輸送機機頭機尾，從端頭支架到基本支架之間一般安裝3~4架的過渡支架。過渡支架目前基本上不放煤或者少許放煤，即為端頭頂煤損失，其損失率計算為：

式中，ηd為頂煤損失率；Hd為頂煤厚度，取7.54m；H為煤層厚度，取11.04m；Ld為端頭不放支架沿工作面長度，取12.25m；L為工作面長度，m。為使端頭損失率不大于5%，計算得工作面長度應大于167.3m。

根據鄰近彬長礦區瓦斯防治經驗，工作面面長超過200m時將不利于瓦斯擴散，結合產量及端頭損失控制要求，確定工作面長度為200m。根據煤層賦存條件、膠帶輸送機可實現最大運輸距離和技術經濟最優化原則，工作面走向長度布置在3000m左右。

2.2　采放比及采煤工藝優化

工作面采高的確定主要依據煤層厚度(包括煤層夾矸厚度)，同時要考慮設備能力和礦山壓力顯現狀態。鉆孔揭露煤層厚度見圖1所示，如果割煤高度按照3m進行設計，按照采放比1∶3要求，最大放煤厚度為9m，最大采出厚度為12m，由鉆孔厚度揭露情況煤厚大于12m的占25%以上，3m采高將造成煤炭資源的巨大浪費，同時也不能滿足國家井工煤礦大于3.5m煤厚煤層采區采出率≥75%的要求。

圖1　首采盤區煤層厚度(含夾矸)分布

加大采高雖然可以增加煤炭采出率和改善工作面通風條件，但加大采高將增加煤壁片幫的概率，數值模擬結果顯示采高增大位移和塑性區也增大。由于煤的堅固性系數較低，當采高達到4.5m時，剪應力區域基本布滿整個煤壁，即采高4.5m時整個煤壁穩定性都有較大程度的降低，將極不利于煤壁片幫的防治，同時采高的加大也造成上覆巖層頂板的運動范圍更加劇烈，即采高4.5m不利于實現工作面頂板和煤壁穩定性的控制。采高由3.0m增加到3.5m時，垂直應力和水平應力增加程度不高，水平位移范圍和強度增加約10%~15%，即可以通過增加護幫力改善其受力狀況達到增強煤壁穩定性的目的。當采高由3.5m增加到4.0m時，垂直應力影響范圍增大但集中系數減小，剪應力強度有約15%的增高，煤壁最大水平位移有約10%的增大，但由圖2可以看出，最大位移的發生位置為距頂板位置1~1.3m左右，即采高從3.5m增加到4m以后，由于剪應力的增加造成煤壁穩定性降低，但是煤壁穩定性最差的位置變化不大，即采高的增大對護幫長度要求變化不大，可以通過增加護幫力對護幫效果進行改善。為保證煤壁穩定性，減少煤壁片幫，同時為增大煤炭采出率，建議在開采初期將采高定在3.5m左右，在生產中應加強對煤壁、頂板壓力顯現的觀測，根據實際礦壓顯現規律視情況逐步加大采高。

圖2　不同割煤高度煤壁水平位移和塑性破壞深度

合理的放煤步距應與采煤工藝相適應，并與采煤機截深成整數倍關系。放煤步距小，會引起后部放煤空間的混矸；放煤步距大，頂煤損失就會增加。確定合理放煤步距可以使混矸和煤損都減少到允許的范圍之內。通過數值模擬(圖3)結果顯示采用一刀一放比兩刀一放頂煤回收率提高約1.9%。

圖3　不同放煤步距頂煤回收模擬結果

3工作面設備選型及配套

3.1　高可靠性強力支撐掩護式綜放液壓支架

3.1.1主要結構參數

根據采高要求及運輸條件，確定支架高度范圍為2.3~4.2m；支架中心距有1.75m和1.5m兩種可供選擇。當面長為200m時，1.75m比1.5m中心距支架可少布置19架，同時中心距的增加可以加大底座承載面積，穩定性好，此外，支架數量的減少可提高液壓支架的移架速度并降低工人的勞動強度。根據理論計算、數值模擬和鄰近礦區支架適應性分析確定支架支護強度不低于1.4MPa，確定支架型號為ZF16000/23/42四柱支撐掩護式低位放頂煤液壓支架。

3.1.2結構型式優化

架前支護方式考慮到園子溝煤礦2煤堅固性系數較低，支架超前支護形式選用頂梁前端為帶伸縮梁結構(圖4)。采用2個100mm缸徑伸縮梁千斤頂，行程800mm，與工作面循環步距保持一致。數值模擬研究顯示工作面煤壁上部、靠近頂板的位置及煤壁與直接頂的交接的拐角處形成水平應力、垂直應力和剪切應力集中區，因此在這兩處最容易形成破壞，所以設計伸縮梁與水平呈3°水平夾角上翹，使伸縮梁在伸出過程中，充分與頂板接觸，接頂性好。

圖4鉸接頂梁結構

護幫結構型式根據煤壁穩定性分析，采高3.5~4m時煤壁最大水平位移的區域為距頂板1~1.3m左右的位置，由此確定護幫板最大防護高度為1403mm，護幫千斤頂采用φ125/85mm千斤頂，護幫力為387kN。同時護幫板可以挑平，具有護幫、護頂兩種功能。護幫結構型式如圖5所示。

圖5　護幫板結構形式及尺寸

支架抬底根據底板巖性為泥巖和砂質泥巖遇水易膨脹軟化的特點，支架設計抬底機構可有效地提高支架對工作面較軟底板的適應性，抬底千斤頂型號為φ140/105mm，抬底力為485kN。

3.2　重型刮板輸送機軟啟動方式

根據工作面前部和后部煤炭運輸要求，確定工作面前部刮板輸送機型號為SGZ1000/2×1000，后部刮板輸送機型號為SGZ1200/2×1000。目前，國內外3.3kV供電的輸送機軟啟動技術主要有雙速電機傳動系統、可控啟動傳輸裝置(CST)、閥控充液式液力偶合器(TTT )和變頻調速4種。雙速電機驅動方式主要應用于700kW以下設備的軟啟動，當設備進一步增大時，雙速電機經常發生啟動失敗、斷鏈等事故。TTT，CST及變頻調速可有效解決雙速電機重載無法啟動的問題，但TTT和CST方式對水質或油質的要求及維護成本較高。綜合分析變頻器在起動性能、控制、節能等方面的優點，前后部刮板輸送機選用3300V變頻器進行驅動和保護。

3.3　國產大功率自動化記憶截割采煤機

特厚煤層綜放工作面煤層由于割煤高度相對穩定，可采用搖臂擺角傳感器來定位搖臂高度。該傳感器通過采樣計算出滾筒高度及臥底量，位置傳感器用以定位采煤機在工作面的精確位置，可以與擺角傳感器配合，實現在系統中限定特定工作面區域的采高、挖底及牽引速度，實現采煤機在工作面中的自動記憶截割及自動調高。

4結論

(1)園子溝煤礦特厚較軟煤層通過工作面參數和采放工藝優化，設備選型協調配套日割煤約10刀，開機率70%，可實現年產量6Mt的要求。

(2)根據產量要求、端頭煤損控制和瓦斯防治要求，確定工作面傾向長度為200m；根據煤層賦存條件、膠帶輸送機可實現最大運輸距離和技術經濟最優化原則，工作面走向長度布置在3000m左右。

(3)結合煤壁穩定性控制、頂煤采出率及設備參數設計綜合考慮確定割煤高度為3.5m，為進一步提高頂煤采出率可根據礦壓規律的總結適當增大采高。

(4)液壓支架型號為ZF16000/23/42四柱支撐掩護式低位放頂煤液壓支架，頂梁采用帶鉸接前梁的整體頂梁結構，可有效加強對煤壁與頂板交叉點的支撐；護幫板最大防護高度為1403mm，可以挑平，具有護幫、護頂兩種功能。

(5)刮板輸送機采用變頻軟啟動，采煤機通過傳感器實現自動記憶截割及自動調高。

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[責任編輯：鄒正立]

Equipments Selecting and Matching and Mining Technique Optimization of Full-mechanized Top-coal Caving Mining Face in Extremely-thick Soft Coalseam

SHI Xiao-jun1，TIAN Jian-she1，LIU Jun-feng2，ZHANG Jin-hu2

(1.Shanxi Linbei Coal Development Co.，Ltd.，Baoji 721505，China；2.Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China)

Abstract：applying theoretical analysis and numerical simulation，mining face parameters and technique was optimized and equipments were selected and matched on the basis of analyzing 2ndcoalseam occurrence condition of Yuanzigou Colliery.Results showed that for the average 11.04m thick，f=1.2 and easy self-ignition coalseam，rational ratio of mining-to-caving was 1：2.2 and dip length was 200m，and that one-mining-one-caving technique could increase top-coal recovery 1.9% than two-mining-one-caving technique.Supporting density could not minor than 1.4MPa and whole top-beam structure with articulated front beam was applied to strengthening immediate supporting soft top-coal.Wall-protection plate was optimized to realize 1403mm wall-protection height and 387kN wall-protection force with numerical simulation.Applying heavy scraper with high-voltage variable-frequency soft start and domestic automation memorial cutting shearer with large power，which met extremely-thick and soft coalseam occurrence condition，the requirement of 6Mt/a coal output was successfully obtained.

Keywords：extremely-thick soft coalseam；equipment selection；mining and caving technique；variable-frequency soft start

[作者簡介]石曉軍(1973-)，男，陜西富平人，工學碩士，工程師，從事煤礦機電管理工作。

[基金項目]國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)(2014CB046302)

[收稿日期]2015-01-21

[中圖分類號]TD822

[文獻標識碼]A

[文章編號]1006-6225(2015)05-0019-04