大采高超長工作面設(shè)備選型關(guān)鍵技術(shù)研究

唐永志，曹海山，張學(xué)亮，錢統(tǒng)傲，侯俊領(lǐng)

(1.淮南礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，安徽 淮南 232001；2.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013)

大采高超長工作面設(shè)備選型關(guān)鍵技術(shù)研究

唐永志1，曹海山1，張學(xué)亮2，錢統(tǒng)傲1，侯俊領(lǐng)1

(1.淮南礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，安徽 淮南 232001；2.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013)

[摘要]根據(jù)深部大采高超長工作面設(shè)備選型配套要求，著重對液壓支架和刮板輸送機(jī)進(jìn)行分析。通過理論分析、數(shù)值模擬分析、類比分析，得到支架合理支護(hù)強(qiáng)度數(shù)值，支架采用四柱式整體頂梁帶伸縮梁和二級護(hù)幫板結(jié)構(gòu)型式。通過分析驗(yàn)算刮板輸送機(jī)與采煤機(jī)割煤速度的匹配關(guān)系和鏈條安全因數(shù)，確定刮板輸送機(jī)功率和型號。實(shí)際應(yīng)用表明，所選設(shè)備合理，實(shí)際生產(chǎn)能力超過6Mt/a，具備8Mt/a生產(chǎn)能力。

[關(guān)鍵詞]超長工作面；大采高綜采；設(shè)備選型；深部開采

綜采工作面合理設(shè)備選型與配套問題是工作面安全高效開采的前提，在綜采推廣應(yīng)用的初期，我國學(xué)者對綜采工作面設(shè)備選型與配套、工作面合理長度參數(shù)等問題進(jìn)行了系列的研究。張先塵[1]等對綜采工作面長度綜合優(yōu)化方法進(jìn)行了研究；王玉浚[2]對合理工作面長度判別標(biāo)志進(jìn)行了研究。隨著我國大采高綜采技術(shù)的發(fā)展，綜采工作面設(shè)備選型配套技術(shù)有了長足的進(jìn)步，在神東等地質(zhì)條件較好的礦區(qū)，率先進(jìn)行了300m，360m，400m長度工作面的回采[3]，最大工作面長度達(dá)到450m。目前將工作面回采長度在300m以上的工作面稱為超長工作面。文獻(xiàn)[4]分析了400m以上超長綜采工作面礦壓顯現(xiàn)特性及設(shè)備配套選型問題；文獻(xiàn)[5]依據(jù)礦井安全高效生產(chǎn)原則，對綜采工作面“三機(jī)”空間總體布置進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[6]從4個(gè)方面闡述了我國綜采的配套技術(shù)發(fā)展情況，展望了我國綜采技術(shù)的發(fā)展方向，指出工作面長度可達(dá)400m以上；文獻(xiàn)[7]分析了加大綜采工作面幾何參數(shù)對大采高支護(hù)設(shè)備發(fā)展的新要求；文獻(xiàn)[8]介紹了神東礦區(qū)淺埋深大采高工作面年產(chǎn)14Mt的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)。

隨著大采高綜采的逐漸應(yīng)用，大采高超長工作面設(shè)備選型與配套面臨一些新問題。文獻(xiàn)[9]分析了深部超大采高綜采所需關(guān)鍵技術(shù)及可能面臨的問題，指出深入研究礦壓顯現(xiàn)規(guī)律、煤壁穩(wěn)定性控制技術(shù)、提高設(shè)備可靠性是實(shí)現(xiàn)深部超大采高綜采技術(shù)需要解決的首要問題。文獻(xiàn)[10]介紹了潞安集團(tuán)王莊煤礦7.2m大采高工作面設(shè)備選型。

淮南礦區(qū)大部分煤層埋深大于600m，開始進(jìn)入深部開采?；茨系V區(qū)的謝橋礦[11]、國投新集劉莊礦[12]等逐步應(yīng)用大采高綜采技術(shù)?；茨系V業(yè)集團(tuán)在謝橋煤礦建成1242(3)大采高超長綜采工作面，工作面長度達(dá)到362.9m，合理工作面設(shè)備選型成為工作面成功開采的關(guān)鍵。本文主要介紹1242(3)大采高超長工作面設(shè)備選型關(guān)鍵問題。

1工作面概況

淮南礦業(yè)集團(tuán)謝橋煤礦位于阜陽市潁上縣，西鄰國投新集劉莊煤礦。謝橋礦1242(3)工作面為西翼C組采區(qū)13-1煤層四階段，東起西翼C組采區(qū)下山，西至F5-1邊界斷層，北鄰1232(3)下巷，南至13-1煤-658m底板等高線。地面標(biāo)高+19.1～+26.8m，上巷煤層底板標(biāo)高為-524.3～-559.4m，下巷煤層底板標(biāo)高為-619.3～-657.4m，埋深約550～650m。

工作面走向長2923.8m，傾斜長362.9m。回采13-1煤，煤平均厚5.1m，平均傾角15°。直接頂為泥巖、砂質(zhì)泥巖、13-2煤及煤線復(fù)合頂板，厚度0～12.2m，平均厚度8.4m；基本頂為細(xì)砂巖，厚度1.8～11.5m，平均厚度3.8m，局部直接覆蓋在13-1煤層之上。

2工作面支架選型研究

2.1合理支護(hù)強(qiáng)度分析

2.1.1理論分析

工作面支護(hù)是安全高效開采的首要條件，液壓支架是核心。我國已經(jīng)建立了較為完整的工作面支護(hù)設(shè)備技術(shù)體系[13]。深部大采高液壓支架的選取很大程度上取決于其礦壓顯現(xiàn)程度，尤其是工作面加長之后的礦壓顯現(xiàn)程度。文獻(xiàn)[14]基于劉莊礦300m長大采高綜采171301工作面，采用數(shù)值模擬軟件研究了超長大采高工作面礦壓特征影響因素，研究表明，工作面長度對支承壓力的影響不顯著，在其他條件不變的情況下，增加面長礦壓顯現(xiàn)變化不大。文獻(xiàn)[15]對大采高綜采技術(shù)的關(guān)鍵問題與對策進(jìn)行了探討，提出了采動支承壓力分布支護(hù)效應(yīng)與煤壁片幫時(shí)效性的觀點(diǎn)。

合理支護(hù)強(qiáng)度的確定和護(hù)幫形式，是選擇深部大采高超長工作面液壓支架的關(guān)鍵技術(shù)。1242(3)大采高超長工作面綜合柱狀如表1所示，其上方仍然有500m覆巖未列出，按照關(guān)鍵層理論分析13-1煤頂板各巖層。

表1　13-1煤層上覆巖層情況

分析可見，共有4層硬巖層為關(guān)鍵層，其中自下往上第4層為主關(guān)鍵層。主關(guān)鍵層距離煤層頂板累計(jì)46.5m，對采場礦壓的形成仍然起主導(dǎo)作用?；陉P(guān)鍵層垮斷分析，按建立在支架工作阻力構(gòu)成分析基礎(chǔ)之上的估算法進(jìn)行支護(hù)強(qiáng)度分析，支架所需支護(hù)強(qiáng)度為1.167MPa。

2.1.2數(shù)值模擬分析

根據(jù)表1中的巖層賦存情況建立FLAC3D數(shù)值模擬模型模擬支護(hù)強(qiáng)度P=0.5MPa，0.6MPa，0.7MPa，0.8MPa，0.9MPa，1.0MPa，1.1MPa，1.2MPa，1.3MPa和1.4MPa共10種方案，研究不同支護(hù)強(qiáng)度條件下支架上方頂板不同位置處的下沉位移曲線，做出支護(hù)強(qiáng)度與頂板最大下沉位移關(guān)系圖，如圖1所示。

圖1　支護(hù)強(qiáng)度與頂板最大下沉位移關(guān)系

由圖1分析可知，支架的合理支護(hù)強(qiáng)度不應(yīng)小于1.0MPa。

同時(shí)，通過數(shù)值模擬分析得到工作面覆巖破壞高度，得到工作面推進(jìn)距離與覆巖破壞高度的相關(guān)關(guān)系如圖2所示。

圖2　工作面推進(jìn)距離與覆巖破壞高度的相關(guān)關(guān)系

分析圖2可知，覆巖破壞高度在45～50m范圍內(nèi)，對照綜合柱狀可見，該部分為主關(guān)鍵層，與前述理論分析結(jié)論基本一致。說明了數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性。

2.1.3類比分析

謝橋煤礦首個(gè)6.5m大采高綜采面1161(3)工作面回采13-1煤，工作面傾向長218.1m，走向長1865.8m。煤層厚度1.5～7.3m，平均5.33m，煤層傾角9～15°，平均12.7°。頂?shù)装鍡l件與1242(3)工作面類似。工作面基本支架采用ZY10800/30/65D型綜采支架，支架中心距1750mm，支護(hù)強(qiáng)度1.05～1.08MPa，實(shí)現(xiàn)了工作面的安全回采。

國投新集劉莊煤礦回采13-1煤層，埋深比謝橋煤礦更深，周期來壓步距平均16.6m，平時(shí)平均支護(hù)強(qiáng)度0.96MPa，周期來壓平均支護(hù)強(qiáng)度1.04MPa，實(shí)現(xiàn)了工作面的安全回采。

淮南潘三礦西三上部采區(qū)1622(3)工作面采用并行電法研究頂板破壞分布情況[16]，工作面回采13-1煤層，煤厚3.1～5.0m，平均3.9m，工作面傾向長度175m，煤層傾角2～15°。頂板巖層及巖性與謝橋礦類似，實(shí)測采場覆巖垮落帶高度為10m，導(dǎo)水裂縫帶高度為50m，位于砂質(zhì)泥巖層內(nèi)。該結(jié)論與前述理論和數(shù)值模擬分析結(jié)論一致。

綜合上述分析確定合理支護(hù)強(qiáng)度為1.167MPa，根據(jù)配套尺寸、支架頂梁長度、空頂距計(jì)算出支架工作阻力為11436.6kN。

2.2合理支架選型

綜采工作面支架主要有兩柱掩護(hù)式與四柱支撐掩護(hù)式兩種。目前兩柱掩護(hù)式綜采支架為主流架型，但是以大同礦區(qū)為代表的堅(jiān)硬頂板綜采面和淮南礦區(qū)為代表的復(fù)合頂板工作面，多以四柱式綜采支架為主，其中淮南礦區(qū)謝橋煤礦則兩柱式支架與四柱式支架并存，最早采用的ZY10800/30/65D型支架即為兩柱式，但鄰近的國投新集劉莊礦和口孜東礦多采用四柱式綜采支架?？紤]支架通用性，結(jié)合淮南礦業(yè)集團(tuán)現(xiàn)狀，選用四柱支撐掩護(hù)式。

由于工作面為復(fù)合頂板，為避免因端面距和采高過大引起煤壁片幫和端面冒頂，支架采用整體頂梁結(jié)構(gòu)，配伸縮梁和護(hù)幫板，同時(shí)支架設(shè)計(jì)為帶雙側(cè)護(hù)板。文獻(xiàn)[17]研究表明提高支架前端的護(hù)幫力、支架初撐力和前端支頂力，增加護(hù)幫的長度等措施可緩解大采高綜采工作面煤壁片幫。平均采高達(dá)到5.1m，采用二級護(hù)幫結(jié)構(gòu)，護(hù)幫高度達(dá)到2570mm(一級1570mm、二級1000mm)。

針對復(fù)合頂板，在工作面開采時(shí)，液壓支架應(yīng)具備以下能力[18]：

(1)初撐力高。復(fù)合頂板的下沉量盡可能的小，最好能夠保證復(fù)合頂板和上位基本頂?shù)哪Σ僚c粘結(jié)力，阻止復(fù)合頂板的下沉位移。

(2)能夠?qū)崿F(xiàn)帶壓移架。支架配備了電液控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)工作面支架的壓力監(jiān)測，能夠進(jìn)行壓力補(bǔ)償、帶壓擦頂移架、成組控制等。

(3)能夠?qū)崿F(xiàn)及時(shí)移架、超前護(hù)頂、減少空頂區(qū)域。工作面采用跟機(jī)及時(shí)支護(hù)，可有效地控制復(fù)合頂板的斷面漏冒情況。

綜上分析，工作面基本支架采用ZZ13000/28/65D型，液壓支架中心距1.75m，初撐力10132kN，工作阻力13000kN，支護(hù)強(qiáng)度1.36MPa，底板比壓2.45MPa，推移行程0.95m，伸縮梁行程1.05m，支架適應(yīng)角度≤30°。

3刮板輸送機(jī)選型研究

工作面刮板輸送機(jī)一方面要滿足采煤機(jī)落煤能力要求，另一方面則是設(shè)備本身需要滿足超長工作面布置的要求。

按工作面年產(chǎn)6Mt能力進(jìn)行計(jì)算，刮板輸送機(jī)輸送能力應(yīng)達(dá)到1774.2t/h以上。大采高綜采工作面刮板輸送機(jī)的寬度一般為1000mm，1200mm，1350mm和1400mm。根據(jù)回采經(jīng)驗(yàn)，在生產(chǎn)能力要求不高的大采高工作面，采用1000mm槽寬可以滿足要求。謝橋煤礦由于礦井建設(shè)時(shí)間早，井下變電所采用6kV供電，能夠支持的單機(jī)功率有限制，只能采用1000kW的電機(jī)，工作面最大刮板裝機(jī)功率為3×1000kW，配備的刮板輸送機(jī)槽寬為1000mm。刮板機(jī)采用中雙鏈SGZ1000/3×1000型，輸送能力3000t/h，鏈速1.65m/s，鏈條規(guī)格φ48mm×152mm。

刮板輸送機(jī)理論設(shè)計(jì)長度可達(dá)400m以上，1242(3)深部大采高綜采工作面斜長達(dá)到362.9m，為了確保采煤機(jī)割煤期間不發(fā)生刮板輸送機(jī)被壓死事故。經(jīng)過計(jì)算，刮板輸送機(jī)運(yùn)行的總阻力750764N(采煤機(jī)割煤速度8.76m/min)，刮板輸送機(jī)運(yùn)行總阻力滿足電機(jī)功率要求；刮板輸送機(jī)的最大靜張力為726890.75N。

為了保證刮板鏈運(yùn)行期間的安全，應(yīng)滿足以下公式：

k=nFdλ/1.2Fmax≥3.5

式中，k為刮板鏈抗拉安全因數(shù)；n為刮板鏈條數(shù)，n=2；λ為鏈條間負(fù)荷分配不均因數(shù)，雙鏈λ取0.85；Fd為刮板鏈的破斷力，取4000kN；Fmax為刮板輸送機(jī)的最大靜張力。

經(jīng)計(jì)算，k=7.8>4.2滿足要求。

綜上分析，所選刮板輸送機(jī)在運(yùn)輸能力范圍內(nèi)，采煤機(jī)割煤速度控制在8.76m/min，刮板輸送機(jī)功率及鏈條安全因數(shù)滿足要求。

4設(shè)備選型結(jié)果及應(yīng)用情況

工作面最終設(shè)備選型配套結(jié)果如表2所示。

表2　工作面主要機(jī)電設(shè)備

通過統(tǒng)計(jì)分析設(shè)備可靠性，工作面設(shè)備中支架影響時(shí)間占0.52%、刮板輸送機(jī)占6.45%、采煤機(jī)占29.03%。刮板輸送機(jī)主要是因工人疏忽導(dǎo)致刮板卡住異物斷鏈，影響生產(chǎn)，此類事故的影響占刮板輸送機(jī)總影響時(shí)間的72.55%；采煤機(jī)為進(jìn)口，主要是變頻器及其程序問題的軟件影響占了38.7%，其次是維護(hù)保養(yǎng)不當(dāng)導(dǎo)致機(jī)身連接螺栓斷裂，停產(chǎn)維護(hù)影響占47.82%。

從現(xiàn)場礦壓顯現(xiàn)情況看，支架循環(huán)末阻力平均5249kN，支架來壓點(diǎn)循環(huán)末阻力平均9527kN。支架工作阻力絕大部分分布于2000～9000kN。在工作面非正常生產(chǎn)期間特別是連續(xù)停產(chǎn)2d以上時(shí)，工作面各支架普遍出現(xiàn)壓力明顯增高，甚至安全閥開啟的現(xiàn)象。部分支架工作阻力最大達(dá)到額定工作阻力13000kN，出現(xiàn)安全閥開啟。支架能夠滿足現(xiàn)場使用要求。刮板輸送機(jī)除了一次由于較大范圍片幫導(dǎo)致壓死，其余時(shí)間運(yùn)行正常。

工作面產(chǎn)量一般為15000～20000t/d，最高達(dá)到24135t/a，設(shè)備裝備能力實(shí)際達(dá)到6Mt/a生產(chǎn)能力要求，具備8Mt/a生產(chǎn)能力。

5結(jié)論

以淮南謝橋煤礦362.9m長的1242(3)大采高綜采工作面設(shè)備選型為工程背景，通過分析設(shè)備選型的關(guān)鍵技術(shù)，合理選取超長工作面核心設(shè)備，通過現(xiàn)場應(yīng)用，效果良好。

(1)通過理論分析、數(shù)值模擬分析和類比分析，確定支架合理支護(hù)強(qiáng)度1.167MPa，支架采用四柱式整體頂梁帶伸縮梁和二級護(hù)幫板結(jié)構(gòu)，支架型號ZZ13000/28/65D。

(2)通過分析確定刮板輸送機(jī)型號為SGZ1000/3×1000型，經(jīng)驗(yàn)算功率和鏈條破斷力符合要求。

(3)通過現(xiàn)場應(yīng)用表明，所選設(shè)備能力實(shí)際達(dá)到6Mt/a生產(chǎn)能力要求，具備8Mt/a生產(chǎn)能力，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到了選型要求。

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[責(zé)任編輯：徐亞軍]

Key Techniques of Equipment Selection of Superwide Working Face with Large Mining Height

[收稿日期]2015-08-25[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.03.015

[作者簡介]唐永志(1962-)，男，安徽淮南人，碩士，教授級高工，現(xiàn)任淮南礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司總工程師，從事礦山建設(shè)及礦井生產(chǎn)技術(shù)管理工作。

[中圖分類號]TD355.42

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]B

[文章編號]1006-6225(2016)03-0055-04

[引用格式]唐永志，曹海山，張學(xué)亮，等.大采高超長工作面設(shè)備選型關(guān)鍵技術(shù)研究[J].煤礦開采，2016，21(3)：55-58.