论文部分内容阅读
摘 要：以平均埋深近千米、平均采高6.56m的口孜东煤矿5煤为工程条件，较综放工艺缺点，分析了大采高综采工艺的优点，确定了大采高支架的采高、架型、支架配套中心距、支护强度及工作阻力、采煤机选型及刮板输送机选型，为工作面安全高效回采提供了重要保障。
关键词：大采高综采；设备配套；两巷超前支护
1 工程背景
口孜东煤矿5煤煤层厚度2.86～9.75m，平均6.56m，为全区可采的稳定煤层，（13-1煤层普式硬度系数约为1.6），煤层平均埋深967m，地面标高27.7m，煤层顶板泥岩为主，厚度0.20～16.35m，平均厚度2.81m；粉砂岩，厚度1.23～7.65m，平均厚度4.36m；砂岩，厚度2.60～26.95m，平均厚度 13.79m。底板泥岩为主，厚度0.70～9.70m，平均厚度1.62m；粉砂岩，厚度0.80～7.20m，平均厚度2.25m；砂岩，厚度2.10～4.30m，平均厚度3.31m。煤层倾角8°～15°，平均倾角约14°，局部20°。煤层属高瓦斯煤层。开采技术条件主要有：1）巷道断面形状与尺寸：两巷沿煤层顶板布置，巷道均为半圆拱形巷道，机巷宽度：6.2m，高度4.5m；风巷宽度：5.8m，高度4.1m。2）采区将完全使用单轨吊系统进行辅助运输，单轨吊运输能力：47.5t。3）3、副井罐笼运输能力：最大件尺寸长×宽×高=5.1m×1.8m×2.6m，重量：≤32t。
2 综采工艺选择
随着综采装备水平的不断提高，综放与综采是解决厚煤层工作面的两大主要工艺。综放工作面存在如下缺点：1、放顶煤开采工艺因顶煤回收率低，达到年产量要求需每天多推进0.83m，即多采一刀煤才能达到年产量要求。2、与大采高工艺相比，放顶煤工序复杂，即使采用采放平行作业模式，推进速度也较慢。3、因煤层平均厚度为6.56m，一采一放，顶煤回收率75%也很难实现，遗留在采空区的煤，因工作面整体推进速度慢而容易自燃发火产生安全隐患。4、选用放顶煤开采工艺，综采设备中增加一部后部运输机，设备整体配套关系复杂、管理难度增加、故障点增加，操作维护人员增加。5、俯斜开采，放顶煤工作面放煤口很难控制矸石进入后刮板，最终导致煤质较差，洗选成本增加。6、放顶煤综采设备实现自动化、智能化开采困难较多。与综放开采工艺相比，大采高优势： 1、大采高资源回收率可达到98%。综放开采资源平均回收率约85%左右。2、采煤工艺简单，工作面推进速度快。3、设备配套关系简单，故障点少，管理难度小，综采工作面容易实现自动化、智能化开采。综合考虑我国目前超大采高综采技术发展水平，建议口孜东矿5煤采用大采高采煤工艺。
3 大采高综采设备选型
对于口孜东煤矿副井罐笼运输能力与5号煤层的煤层赋存条件来说，采用大采高工艺有以下几方面难题：1、设备运输难题：罐笼下井设备最大件长度不能超过5.1m，宽度不能超过1.8m。对于常规7m大采高综采设备来说，即使采用解体运输也有难度。2、倾角难题：俯采最大角度17°，煤层倾角8°～15°，平均倾角约14°，局部20°。3、工作面围岩难题：工作面顶、底板以泥岩为主，少数为细砂岩、粉砂岩及砂质泥岩，顶、底板围岩特点是岩层较软。
3.1 支架高度选择
有效钻孔27个，煤厚小于5.45m的钻孔3个，煤厚大于5.45m的钻孔24个，由柱状图可以看出绝大部分煤层厚度在5.45～7m之间，达到或接近7m的钻孔16个，占比约60%，2个钻孔煤厚接近4.5m，确定最小采高4.5m，最大采高7m，平均采高6.56m。支架最大高度7.2m，支架最小高度综合考虑运输与配套确定为3.3m。如组装后井下单轨吊运输难度更大，建议支架解体下井后运到工作面组装硐室再整体安装。上述参数的选择主要依据煤层厚度（包括煤层夹矸厚度），同时要考虑设备能力和矿山压力显现状态。
3.2 支架架型选择
大采高工作面目前有两种架型可供选择，分别是两柱掩护式支架与四柱支撑掩护式支架，从综采发展方向看，两柱支架为液压支架架型发展的主导方向。但是对于口孜矿副井运输条件与5煤地质条件，选择四柱支架更为合理。原因如下：1）支架对底板前端比压更优，两柱支架对底板前端比压较大，四柱支架对底板前端较小，对于口孜东矿5煤底板主要为泥岩，底板较软，所以从对底板前端比压角度考虑，四柱支架适应性更好。2）顶板冒落线与坚硬顶板水平工作面相似，四柱支架顶梁后端切顶力大，更适合坚硬顶板工作面，对于较软顶板俯采工作面，其支架上方顶板冒落线与坚硬顶板冒落线走向相似，所以四柱支架也可以应用于俯采软岩工作面。3）四柱支架顶梁合力作用点调节范围大，两柱支架顶梁合力作用点通过平衡千斤顶的调节，可在顶梁立柱前后小范围内变化，相比两柱支架，四柱支架顶梁合力作用点在前后立柱之间，合力作用点变化范围较大。对于顶板较软的俯采工作面四柱支架其适应性更强。4）四柱支架对于俯采工作面适应性更好，两柱与四柱支架相比，对于俯采工作面，两柱临界失稳角度更小，对于口孜东矿5煤工作面最大俯采角度17?，选择四柱支架更合理。
3.3 支架配套中心距的确定
目前国内大采高工作面三机配套常规中心距主要有两种：1.75m和2.05m，最大2.4m。从以下5个方面加以对比分析：1.节距对比：对于超大采高工作面，采煤机较重，口孜东矿工作面俯采倾角最大17?，这些因素均导致刮板机销排与采煤机行走机构工况更加恶劣。采用大节距可保证采煤机与刮板机的配套可靠性。2.对于超长工作面来说，支架数量越少越好，支架数量减少可提高移架追机速度。3.支架数量的减少，对于整个工作面来说，支架液压控制系统中的各种阀、胶管数量减少，工作面设备整体可靠性提高。4.5煤工作面平均倾角达到15?，对于超大采高工作面来说已经很大了，增加设备宽度对提高支架横向稳定性效果显著。2.05m中心距是采煤设备配套技术的发展方向。综上所述，口孜东矿5煤首采工作面综采设备配套中心距选择2.05m。
3.4 支架工作阻力确定
针对口孜东煤矿5号煤层的地质条件，采用经验估算法和建立在支架与围岩相互作用关系基础之上的数值模拟分析方法、基于“三耦合”原理3种方法，确定支架的合理工作阻力大于1.4MPa，从而确保矿井安全、高效开采。5煤与13-1煤层赋存条件相似，现有设备ZZ13000/27/60D支护强度：1.3MPa，支架的额定工作阻力可按下式确定：
考虑立柱缸径系列化，確定四柱支架工作阻力为：18000kN，最终确定液压支架型号为：ZZ18000/33/72D。
3.5 采煤机及刮板机选型
根据口孜东煤矿5号煤煤层赋存条件及生产能力要求，采煤机总装机功率应大于2556kW，采高范围应为4.5～7.0m，机面高度应小于3.5mm，考虑一井一面保产量和工作面条件的复杂性，主要是指俯采，推荐选用进口采煤机型号SL1000；刮板输送机的运输能力必须满足采煤机割煤能力的要求，必须首先根据采煤机最大割煤能力来确定实际运输能力。
将上述各参数代入得，采煤机的实际生产能力约为2919t/h，刮板输送机的运输能力应不小于2919t/h，综合考虑地质条件和口孜东矿的年产量因素，刮板输送机的运输能力确定为3500t/h。根据计算结果，工作面长度为300m，刮板输送机运输能力为3500t/h，确定刮板输送机装机功率应大于2948kW，推荐选用型号：SGZ1250/3×1000。
（作者单位：安徽理工大学）
关键词：大采高综采；设备配套；两巷超前支护
1 工程背景
口孜东煤矿5煤煤层厚度2.86～9.75m，平均6.56m，为全区可采的稳定煤层，（13-1煤层普式硬度系数约为1.6），煤层平均埋深967m，地面标高27.7m，煤层顶板泥岩为主，厚度0.20～16.35m，平均厚度2.81m；粉砂岩，厚度1.23～7.65m，平均厚度4.36m；砂岩，厚度2.60～26.95m，平均厚度 13.79m。底板泥岩为主，厚度0.70～9.70m，平均厚度1.62m；粉砂岩，厚度0.80～7.20m，平均厚度2.25m；砂岩，厚度2.10～4.30m，平均厚度3.31m。煤层倾角8°～15°，平均倾角约14°，局部20°。煤层属高瓦斯煤层。开采技术条件主要有：1）巷道断面形状与尺寸：两巷沿煤层顶板布置，巷道均为半圆拱形巷道，机巷宽度：6.2m，高度4.5m；风巷宽度：5.8m，高度4.1m。2）采区将完全使用单轨吊系统进行辅助运输，单轨吊运输能力：47.5t。3）3、副井罐笼运输能力：最大件尺寸长×宽×高=5.1m×1.8m×2.6m，重量：≤32t。
2 综采工艺选择
随着综采装备水平的不断提高，综放与综采是解决厚煤层工作面的两大主要工艺。综放工作面存在如下缺点：1、放顶煤开采工艺因顶煤回收率低，达到年产量要求需每天多推进0.83m，即多采一刀煤才能达到年产量要求。2、与大采高工艺相比，放顶煤工序复杂，即使采用采放平行作业模式，推进速度也较慢。3、因煤层平均厚度为6.56m，一采一放，顶煤回收率75%也很难实现，遗留在采空区的煤，因工作面整体推进速度慢而容易自燃发火产生安全隐患。4、选用放顶煤开采工艺，综采设备中增加一部后部运输机，设备整体配套关系复杂、管理难度增加、故障点增加，操作维护人员增加。5、俯斜开采，放顶煤工作面放煤口很难控制矸石进入后刮板，最终导致煤质较差，洗选成本增加。6、放顶煤综采设备实现自动化、智能化开采困难较多。与综放开采工艺相比，大采高优势： 1、大采高资源回收率可达到98%。综放开采资源平均回收率约85%左右。2、采煤工艺简单，工作面推进速度快。3、设备配套关系简单，故障点少，管理难度小，综采工作面容易实现自动化、智能化开采。综合考虑我国目前超大采高综采技术发展水平，建议口孜东矿5煤采用大采高采煤工艺。
3 大采高综采设备选型
对于口孜东煤矿副井罐笼运输能力与5号煤层的煤层赋存条件来说，采用大采高工艺有以下几方面难题：1、设备运输难题：罐笼下井设备最大件长度不能超过5.1m，宽度不能超过1.8m。对于常规7m大采高综采设备来说，即使采用解体运输也有难度。2、倾角难题：俯采最大角度17°，煤层倾角8°～15°，平均倾角约14°，局部20°。3、工作面围岩难题：工作面顶、底板以泥岩为主，少数为细砂岩、粉砂岩及砂质泥岩，顶、底板围岩特点是岩层较软。
3.1 支架高度选择
有效钻孔27个，煤厚小于5.45m的钻孔3个，煤厚大于5.45m的钻孔24个，由柱状图可以看出绝大部分煤层厚度在5.45～7m之间，达到或接近7m的钻孔16个，占比约60%，2个钻孔煤厚接近4.5m，确定最小采高4.5m，最大采高7m，平均采高6.56m。支架最大高度7.2m，支架最小高度综合考虑运输与配套确定为3.3m。如组装后井下单轨吊运输难度更大，建议支架解体下井后运到工作面组装硐室再整体安装。上述参数的选择主要依据煤层厚度（包括煤层夹矸厚度），同时要考虑设备能力和矿山压力显现状态。
3.2 支架架型选择
大采高工作面目前有两种架型可供选择，分别是两柱掩护式支架与四柱支撑掩护式支架，从综采发展方向看，两柱支架为液压支架架型发展的主导方向。但是对于口孜矿副井运输条件与5煤地质条件，选择四柱支架更为合理。原因如下：1）支架对底板前端比压更优，两柱支架对底板前端比压较大，四柱支架对底板前端较小，对于口孜东矿5煤底板主要为泥岩，底板较软，所以从对底板前端比压角度考虑，四柱支架适应性更好。2）顶板冒落线与坚硬顶板水平工作面相似，四柱支架顶梁后端切顶力大，更适合坚硬顶板工作面，对于较软顶板俯采工作面，其支架上方顶板冒落线与坚硬顶板冒落线走向相似，所以四柱支架也可以应用于俯采软岩工作面。3）四柱支架顶梁合力作用点调节范围大，两柱支架顶梁合力作用点通过平衡千斤顶的调节，可在顶梁立柱前后小范围内变化，相比两柱支架，四柱支架顶梁合力作用点在前后立柱之间，合力作用点变化范围较大。对于顶板较软的俯采工作面四柱支架其适应性更强。4）四柱支架对于俯采工作面适应性更好，两柱与四柱支架相比，对于俯采工作面，两柱临界失稳角度更小，对于口孜东矿5煤工作面最大俯采角度17?，选择四柱支架更合理。
3.3 支架配套中心距的确定
目前国内大采高工作面三机配套常规中心距主要有两种：1.75m和2.05m，最大2.4m。从以下5个方面加以对比分析：1.节距对比：对于超大采高工作面，采煤机较重，口孜东矿工作面俯采倾角最大17?，这些因素均导致刮板机销排与采煤机行走机构工况更加恶劣。采用大节距可保证采煤机与刮板机的配套可靠性。2.对于超长工作面来说，支架数量越少越好，支架数量减少可提高移架追机速度。3.支架数量的减少，对于整个工作面来说，支架液压控制系统中的各种阀、胶管数量减少，工作面设备整体可靠性提高。4.5煤工作面平均倾角达到15?，对于超大采高工作面来说已经很大了，增加设备宽度对提高支架横向稳定性效果显著。2.05m中心距是采煤设备配套技术的发展方向。综上所述，口孜东矿5煤首采工作面综采设备配套中心距选择2.05m。
3.4 支架工作阻力确定
针对口孜东煤矿5号煤层的地质条件，采用经验估算法和建立在支架与围岩相互作用关系基础之上的数值模拟分析方法、基于“三耦合”原理3种方法，确定支架的合理工作阻力大于1.4MPa，从而确保矿井安全、高效开采。5煤与13-1煤层赋存条件相似，现有设备ZZ13000/27/60D支护强度：1.3MPa，支架的额定工作阻力可按下式确定：
考虑立柱缸径系列化，確定四柱支架工作阻力为：18000kN，最终确定液压支架型号为：ZZ18000/33/72D。
3.5 采煤机及刮板机选型
根据口孜东煤矿5号煤煤层赋存条件及生产能力要求，采煤机总装机功率应大于2556kW，采高范围应为4.5～7.0m，机面高度应小于3.5mm，考虑一井一面保产量和工作面条件的复杂性，主要是指俯采，推荐选用进口采煤机型号SL1000；刮板输送机的运输能力必须满足采煤机割煤能力的要求，必须首先根据采煤机最大割煤能力来确定实际运输能力。
将上述各参数代入得，采煤机的实际生产能力约为2919t/h，刮板输送机的运输能力应不小于2919t/h，综合考虑地质条件和口孜东矿的年产量因素，刮板输送机的运输能力确定为3500t/h。根据计算结果，工作面长度为300m，刮板输送机运输能力为3500t/h，确定刮板输送机装机功率应大于2948kW，推荐选用型号：SGZ1250/3×1000。
（作者单位：安徽理工大学）