興隆莊煤礦大采高綜放工作面設(shè)備配套與工藝技術(shù)

王 寅

(中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇省徐州市,221008)

1 試驗面地質(zhì)條件

試驗面為1308綜放工作面,位于興隆莊煤礦的一采區(qū)西部,上側(cè)與1307綜放工作面采空區(qū)相鄰,下側(cè)為1309設(shè)計綜放工作面。工作面面長207.2 m,推進(jìn)長度2574 m,所采煤層為二疊系山西組底部的3#煤,厚度7.85～9.9 m,加權(quán)平均8.6 m,煤層厚度穩(wěn)定,產(chǎn)狀平緩,但結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,距頂板3.0 m處有一層0.03 m厚的炭質(zhì)粉砂巖夾矸;距切眼0～800 m的范圍內(nèi),距底板3.3 m位置處有一層厚0～1.3 m的炭質(zhì)泥巖夾矸,性脆、極易冒落。煤層硬度系數(shù)f=2.3,埋藏深度354.7～503.5 m。工作面煤層頂板自下往上依次為3.2 m厚的深灰色粉砂巖、11.5 m厚的粉中砂巖互層、20.34 m厚的灰白色中砂巖,煤層底板向下依次為7.04 m厚的粉砂巖、9.22 m厚的中砂巖。

2 大采高綜放支架選型與設(shè)備配套

大采高綜放與普通綜放開采在設(shè)備配套上最大區(qū)別在于綜放液壓支架,其選型的合理與否是決定大采高綜放開采能否成功的關(guān)鍵所在。

2.1 大采高綜放支架選型

2.1.1 支架架型選擇

根據(jù)綜放支架選型原則和兗州礦區(qū)多年的綜放開采經(jīng)驗,并結(jié)合礦井煤層賦存條件和頂?shù)装鍫顩r,支架選用了正四連桿低位放頂煤液壓支架;為提高支架頂梁前端支撐能力,選用了整體頂梁的結(jié)構(gòu)型式;底座選用了分體底座結(jié)構(gòu)型式,排矸性能好,利于安裝抬底座裝置。

2.1.2 支架高度

理論研究表明,綜放開采在煤層厚度一定的條件下,增大機(jī)采高度,相應(yīng)減小頂煤厚度,使工作面的礦壓及其破煤作用發(fā)生改變,利于頂煤的破碎放出,提高頂煤的采出率。但是機(jī)采高度不是越大越好,一是機(jī)采高度越大,工作面煤壁中上部位置煤體越容易片幫破壞,頂板壓力對支架的合力作用位置就愈靠近煤壁,不利于頂板控制;二是放頂煤條件下,支架高度越大,其穩(wěn)定性就差,對頂?shù)装宓倪m應(yīng)性降低。因此,既要加大機(jī)采高度,提高頂煤破碎松散程度,又要防止機(jī)采高度過大引起頂煤上部拉剪破壞區(qū)與機(jī)道上方下位頂煤壓剪破壞區(qū)連通,造成頂煤冒落。同時考慮到工作面的合理采放比和安全高效的要求,確定了支架的最大高度為4.0 m。

2.1.3 支架支護(hù)強(qiáng)度

支護(hù)強(qiáng)度主要取決于工作面頂?shù)装鍡l件、煤層埋深和采高等因素,而放頂煤支架支護(hù)強(qiáng)度的確定與普通支架支護(hù)強(qiáng)度的確定有所不同。實踐證明,放頂煤工作面的來壓強(qiáng)度要低于普通綜采工作面的來壓強(qiáng)度。根據(jù)安全高效的原則,結(jié)合兗州礦區(qū)多年的開采經(jīng)驗和開采條件,并考慮了一定的富裕系數(shù),取支護(hù)強(qiáng)度0.9 MPa。

2.1.4 支架工作阻力

液壓支架的工作阻力即為支架的合力,代表了支架的支撐能力。支架支護(hù)強(qiáng)度確定后,根據(jù)配套尺寸,確定了支架的頂梁長度和控頂距大小,根據(jù)下式可計算出支架的工作阻力。

式中:P——支架工作阻力,kN;

QZ——支架支護(hù)強(qiáng)度,取900 kN/m2;

LK——控頂距,取0.40 m;

LD——頂梁長度,取4.93 m;

B——支架中心距,取1.5 m。

經(jīng)計算得工作阻力P為7196 kN,靠標(biāo)準(zhǔn)系列,取7200 kN,即選用ZFS7200/20/40型四柱式低位放頂煤液壓支架。

2.2 大采高綜放工作面設(shè)備配套

大采高綜放支架選型確定后,在現(xiàn)有綜放開采技術(shù)和裝備的基礎(chǔ)上,本著技術(shù)先進(jìn)、設(shè)備精良、性能優(yōu)異、安全高效、經(jīng)濟(jì)合理的原則,對工作面其他設(shè)備進(jìn)行了選型配套,使工作面生產(chǎn)能力不低于年產(chǎn)600萬t的水平。工作面設(shè)備配套情況見表1。

表1 大采高綜放工作面設(shè)備配套表

2.3 工作面端頭及超前巷道液壓支架配套

2.3.1 工作面運(yùn)輸巷道端頭及超前巷道支架

工作面運(yùn)輸巷道選用了ZT24500/20/38型端頭及超前巷道液壓支架。該支架是興隆莊煤礦與鄭州煤機(jī)廠2005年在成功研制應(yīng)用ZT9800/16/30型運(yùn)輸巷道端頭液壓支架的基礎(chǔ)上,針對試驗期間暴露出的問題,經(jīng)重新優(yōu)化設(shè)計完成的。該支架的結(jié)構(gòu)型式為二架型三組合,由超前支架、端頭支架組成。其中,超前支架2架,為六柱兩架一組結(jié)構(gòu);端頭支架1架,為八柱兩架一組結(jié)構(gòu),前帶鉸接前梁形式。超前支架設(shè)計為六柱結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)緊湊,受力均勻,四連桿加單擺桿機(jī)構(gòu),確保了支架的穩(wěn)定性,頂梁配置與推移步距相適應(yīng)的調(diào)架千斤頂有效防止了左右倒架并確保順利移架。端頭支架設(shè)計成八柱結(jié)構(gòu),頂梁亦配置了調(diào)架千斤頂,鉸接頂梁帶鉸接前梁結(jié)構(gòu)形式,提高了對頂板的適應(yīng)能力和支撐能力。支架與轉(zhuǎn)載機(jī)聯(lián)接,交替邁步移架。

該端頭及超前巷道支架整架初撐力19780 kN,工作阻力24500 kN,支護(hù)面積49.4 m2,支護(hù)高度為2.0～3.8 m,支護(hù)強(qiáng)度0.495 MPa,底板比壓0.90 MPa,總的支護(hù)長度31.5 m,其中超前支護(hù)長度為17.5 m,端頭支護(hù)長度14 m,立柱共20根。

2.3.2 工作面軌道巷道端頭及超前巷道支架

工作面軌道沿空巷道應(yīng)用了ZT103500/22/38型端頭及超前運(yùn)輸巷道液壓支架。該巷道支架是在工作面運(yùn)輸巷道端頭及超前巷道支架成功研制應(yīng)用的基礎(chǔ)上,依據(jù)軌道(沿空)巷道礦壓及圍巖變形特點開發(fā)設(shè)計完成的,首次投入使用。其結(jié)構(gòu)形式為四架型八組合,包括端尾支架1組、超前支架I型3架(為工作面面口向外第1～3組支架)、超前支架II型3架(為工作面面口向外第4～6組支架)、錨固支架1架(最外端支架),除端尾支架為支撐掩護(hù)式以外,其余支架均為兩架一組架型,帶四連桿加單擺桿機(jī)構(gòu),確保了支架穩(wěn)定性。錨固支架同超前支架I型架型相同,均為四柱支撐,頂梁前后均帶鉸接前梁,增加了對端尾三角區(qū)域頂板的適應(yīng)性。超前支架II型設(shè)計為八柱結(jié)構(gòu),端尾支架設(shè)計為六柱結(jié)構(gòu),帶有鉸接頂梁帶鉸接前梁結(jié)構(gòu)形式。支架在排頭使用了自移牽引錨固支架,左右兩架一組的結(jié)構(gòu)形式,實現(xiàn)邁步前移。該支架總的支護(hù)長度65.5 m,其中超前長度58.8 m,其他技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 ZT103500/22/38型端頭及超前軌道巷道液壓支架主要技術(shù)參數(shù)

3 采煤工藝與礦壓觀測

3.1 采煤工藝

采煤方法為傾向長壁綜采放頂煤一次采全高全部陷落法。工作面采用端部斜切進(jìn)刀、采放工序平行作業(yè)的工藝方式,流程為割煤→移架→推移前部輸送機(jī)→后部放煤→拉移后部輸送機(jī)。

根據(jù)兗州礦區(qū)多年的開采經(jīng)驗,工作面工藝參數(shù)設(shè)計為:機(jī)采高度3.6 m,放煤高度5.0 m,采放比1∶1.39,放煤步距0.8 m,一采一放單輪或雙輪順序放煤方式。通過現(xiàn)場工藝實測驗證,所設(shè)計的工藝參數(shù)完全能夠適應(yīng)大采高綜放開采要求。

3.2 礦壓觀測

為摸清大采高綜放條件下工作面的頂板運(yùn)動規(guī)律和礦壓顯現(xiàn)特點,以分析評價大采高綜放支架對工作面開采條件的適應(yīng)效果,在工作面開采期間對工作面頂板運(yùn)移特征、支架支護(hù)阻力、安全閥開啟、端面頂板狀況及煤壁片幫深度等參數(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)觀測,取得了大量的第一手礦壓資料。

礦壓分析結(jié)果表明,工作面頂板運(yùn)動的劇烈程度和礦壓顯現(xiàn)程度與普通綜放工作面相比,均有所增大,但不是很明顯。頂煤易于破碎,冒放性較好,保持了工作面架前頂煤完整、架后破碎的理想放煤狀態(tài),證明大采高綜放工藝試驗是成功的。實測1308工作面頂板初次來壓步距52.2 m,動載系數(shù)1.38,周期來壓步距14.5～18.7 m,平均16.4 m,動載系數(shù)1.31;支架工作阻力在來壓前后分別為4477.6 kN/架、5264 kN/架,最大6670.8 kN/架,分別占支架設(shè)計值的62.19%、73.11%、92.65%,支架安全閥開啟率來壓前8.2%,來壓時15.1%,片幫深度平均215 mm,最大1500 mm。在整個使用期間,支架運(yùn)轉(zhuǎn)特性良好,沒有因頂板壓力、支架設(shè)計問題導(dǎo)致支架零部件損壞,對工作面開采條件適應(yīng)性較好,完全能夠滿足工作面生產(chǎn)的需要。

4 試驗效果

該套大采高綜放配套設(shè)備于2006年11月在興隆莊煤礦1308綜放工作面安裝完畢,經(jīng)調(diào)試正常后開始生產(chǎn),2007年1～3月正式進(jìn)行了現(xiàn)場工業(yè)性試驗,2007年4～9月為應(yīng)用階段。通過現(xiàn)場工業(yè)性試驗和半年多的應(yīng)用,該套設(shè)備體現(xiàn)出了以下優(yōu)點。

(1)大采高綜放配套設(shè)備能夠適應(yīng)工作面開采條件,滿足礦井安全高效的要求,整套裝備選型合理、運(yùn)動關(guān)系協(xié)調(diào)、生產(chǎn)能力匹配、運(yùn)行正常,狀態(tài)良好,具有效率高、安全性能好、質(zhì)量可靠等特點,設(shè)備事故率明顯降低。

(2)大采高綜放支架支護(hù)效能發(fā)揮較好,對頂?shù)装鍡l件適應(yīng)性強(qiáng),完全能夠滿足工作面的開采要求。

(3)大采高綜放配套設(shè)備生產(chǎn)能力穩(wěn)定,產(chǎn)量高。3個月的現(xiàn)場工業(yè)性試驗和半年的現(xiàn)場應(yīng)用,累計產(chǎn)煤455.9100萬t,平均月產(chǎn)50.6567萬t,最高月產(chǎn)56.3639萬t,達(dá)到了600萬t/a以上的生產(chǎn)能力。

(4)工作面回采率得到進(jìn)一步提高。在夾矸層區(qū)域基本杜絕了丟底煤現(xiàn)象,同時機(jī)采高度的增加,改變了采放比,頂煤冒放性增強(qiáng),工作面累計回采率達(dá)到了89.37%,最高達(dá)到了91.97%,與相鄰1307普通采高綜放工作面相比回采率提高了1.36%,多出煤4.97萬t。

(5)工作面兩巷端頭與超前巷道液壓支架的成功應(yīng)用,提高了對工作面超前巷道頂板的支護(hù)強(qiáng)度,改善了作業(yè)環(huán)境,降低了勞動強(qiáng)度,提高了工作效率,大大保障了端頭支護(hù)的作業(yè)安全,形成了綜放工作面端頭及兩巷道成套支護(hù)技術(shù)體系,進(jìn)一步促進(jìn)了工作面的安全高效生產(chǎn)。