原江鵬

(山西晉煤集團(tuán)大峪煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048000)

0 引言

在如今的市場環(huán)境中，煤炭價(jià)格不斷下降，對煤炭開采企業(yè)的效益形成了巨大的影響，因此提高煤炭開采水平，降低煤炭開采成本是煤炭開采企業(yè)維持自身利益的主要方式。一次采全高采煤法相比于其他采煤方法具有出煤量高[1-3]，煤炭開采率高，煤炭開采環(huán)境較好，可以有效地避免大量的人力資源和設(shè)備資源的投入，還可以防止煤炭自燃現(xiàn)象的發(fā)生，在煤炭市場萎縮的情況下，一次采全高采煤法對煤炭開采企業(yè)的生存具有重要的意義。

1 工程背景

1.1 煤層概況

文章涉及的煤炭開采區(qū)歸屬于山西晉煤集團(tuán)大峪煤業(yè)有限公司，該煤炭開采區(qū)位于山西省長治縣大峪村一帶。整個煤炭開采區(qū)域大致呈長方形分布，整個開采區(qū)域面積在8 km2左右。

煤炭開采區(qū)域煤層為15#煤層，可開采煤層平均厚度在4.68 m，煤炭開采頂板地質(zhì)成分主要是灰?guī)r，同時會有小部分其他地質(zhì)成分的存在，煤炭開采區(qū)的底部主要地質(zhì)成分為泥巖和粉砂巖，地質(zhì)條件比較適合一次采全高采煤法的推進(jìn)。

1.2 煤層開采現(xiàn)狀

煤炭開采區(qū)域是以東山煤礦工業(yè)場地為基礎(chǔ)，進(jìn)行煤炭開采場地的布置。該煤炭開采場地具有地勢平坦，遠(yuǎn)離人口聚集地帶，公路交通狀況發(fā)達(dá)的特點(diǎn)。在煤礦區(qū)域具體設(shè)計(jì)中，該煤炭開采主要設(shè)立3個井筒，主開采井筒，副開采井筒，通風(fēng)井筒，其中主副開采井筒采用斜井布置，通風(fēng)井筒采用立井設(shè)計(jì)。

在煤炭開采設(shè)計(jì)中，主斜井為新建井筒，主斜井一次性打到開采煤層底部之下的10 m巖土之中，在主井底部設(shè)置井底煤層清理裝置，在井筒到達(dá)指定深度后平行掘進(jìn)，與礦井西側(cè)的輔助運(yùn)輸?shù)拿禾肯锏缆?lián)通。主斜井的主要參數(shù)為：礦井寬度4 m，礦井截面面積11.82 m2，主斜井與水平面的傾角25°。在主斜井內(nèi)，裝有一臺帶式運(yùn)輸機(jī)作為煤炭運(yùn)輸裝置。

輔助斜井也是新建礦井，輔助斜井的主要作用為運(yùn)輸矸石，煤炭開采設(shè)備和人員，同時作為井下的進(jìn)風(fēng)渠道和安全出口。與主斜井不同，輔助斜井的深度與煤炭開采層底部齊高，在達(dá)到設(shè)定深度時，與輔助運(yùn)輸巷道聯(lián)通，輔助斜井的主要參數(shù)為：礦井寬度5 m，礦井截面面積17.32 m2，輔助斜井與水平面的傾角6°。在井筒中采用無軌膠輪車作為人員和開采工具的運(yùn)輸工具。

除了主輔斜井之外，在礦井設(shè)計(jì)中，還設(shè)計(jì)通風(fēng)立井。通風(fēng)立井以東山煤礦場地原井口為基礎(chǔ)進(jìn)行拓寬，通風(fēng)立井的主要參數(shù)為：井筒直徑4 m，井筒截面面積9.62 m2，垂直深度73 m。

2 一次采全高采煤法設(shè)計(jì)

2.1 采煤方法選取理由

一次采全高采煤法適用條件主要有以下3點(diǎn)：①煤層地質(zhì)條件簡單，煤層變化不大，煤層高度在6 m以下；②煤層頂板和底部地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，能夠適合大采高支撐工具的使用強(qiáng)度，在進(jìn)行一次采全高開采時不會隨意產(chǎn)生冒頂事故；③一次采全高采煤法適用于煤層穩(wěn)定，具有一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，要求煤層隨煤層開采高度的增加，不會經(jīng)常性的發(fā)生片幫事故[4-5]。

進(jìn)行煤炭開采的15#煤層，平均煤層厚度為4.68 m，煤層地質(zhì)條件較好，煤層之間沒有其他雜質(zhì)。在煤層頂板主要是石灰?guī)r，經(jīng)測量石灰?guī)r層的平均厚度在7.9 m，在煤層底部主要是泥巖和粉砂巖，平均厚度在6 m。整個煤炭開采區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu)簡單，巖煤分布清晰。在對煤炭開采區(qū)域的地質(zhì)情況進(jìn)行勘測以及對煤炭性質(zhì)和成分進(jìn)行分析之后，可以得知15#煤層的煤炭性質(zhì)為易自燃煤層，自燃危險(xiǎn)等級較高，整個煤層近似于水平分布，煤層傾角在8°之內(nèi)。由于在之前的開采中，缺乏統(tǒng)一的規(guī)劃，導(dǎo)致部分煤層出現(xiàn)采空現(xiàn)象，在部分煤層采空區(qū)出現(xiàn)積水，煤層坍塌等現(xiàn)象，水文地質(zhì)條件具有一定的復(fù)雜性。

通過數(shù)據(jù)對比，可以發(fā)現(xiàn)大峪村煤礦是完全符合一次采全高采煤法的基本要求的，一次采全高采煤法優(yōu)點(diǎn)有：①與分層綜采相比，具有生產(chǎn)能力大、巷道布置簡單、工序簡單、巷道掘進(jìn)量和維護(hù)量小、回采工效和采出率高、噸煤成本低的優(yōu)點(diǎn)；②與綜放開采相比，具有采出率高、含矸率低、煤塵小等優(yōu)點(diǎn)；③工作面開采高度大，覆巖破壞范圍大，基本頂可回轉(zhuǎn)、運(yùn)動的空間大，上覆穩(wěn)定的砌體梁結(jié)構(gòu)距采場較遠(yuǎn)；④工作面支護(hù)強(qiáng)度高、動載系數(shù)小、支架工作阻力與初撐力呈多線性關(guān)系，支架圍巖受力以靜載為主。

2.2 一次采全高采煤法細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)

回采工作面長度:在設(shè)計(jì)過程中，確定的煤炭開采工作面長度為100 m。根據(jù)煤炭分布位置，煤層的厚度和現(xiàn)有的煤炭開采技術(shù)水平，采用一次采全高采煤法可以達(dá)到煤礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)水平。

采煤機(jī)型號選擇:煤炭開采設(shè)計(jì)產(chǎn)量在30萬t，因此在確定采煤機(jī)型號時，需要確保機(jī)械生產(chǎn)效率能夠達(dá)到使用要求。在確定采煤機(jī)生產(chǎn)能力時，可以利用以下公式進(jìn)行確定

(1)

其中：Qh—選煤機(jī)需要達(dá)到的最小生產(chǎn)能力；Qy—采煤工作面設(shè)計(jì)要求產(chǎn)量，在文中的生產(chǎn)能力要求是每年30萬t的生產(chǎn)能力；f—生產(chǎn)效率調(diào)和因數(shù)，一般情況下取1.4為宜，要求設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力要大于最低生產(chǎn)要求能力；D—實(shí)際生產(chǎn)天數(shù)，正常情況下生產(chǎn)天數(shù)為300天；T—煤炭生產(chǎn)時間，在煤炭生產(chǎn)實(shí)際中，采用三班倒的工作時間，每天工作時長在18 h；K—采煤機(jī)的開機(jī)率，一般情況下開機(jī)率選取50%。帶入具體數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得出采煤機(jī)的生產(chǎn)效率應(yīng)該在142 t/h。

計(jì)算出采煤機(jī)的最低生產(chǎn)能力要求數(shù)據(jù)后，再計(jì)算采煤機(jī)的牽引速度，牽引速度計(jì)算公式為

(2)

其中，在之前的計(jì)算中，得到采煤機(jī)最低生產(chǎn)能力要求，Qh為142 t/h；B—礦井截深，文章設(shè)計(jì)礦井截深為0.8 m；M—煤層開采高度，在之前的介紹中，得到煤層開采高度平均在4.68 m；γ—煤層密度，設(shè)計(jì)采煤面的煤層密度為1.46 t/m3，在計(jì)算的過程中，同樣引用了一個調(diào)和系數(shù)C，正常情況下調(diào)和系數(shù)取1.4為宜。

最后進(jìn)行次采煤機(jī)功率計(jì)算，采煤機(jī)功率計(jì)算利用以下公式

W=60vBMkKw

(3)

式中：M—煤炭開采高度，文中設(shè)計(jì)煤炭高度為2.3 m；K—采煤機(jī)巖土掘進(jìn)能力，一般情況采煤機(jī)巖土掘進(jìn)系數(shù)采取1.2為宜；Kw—采煤機(jī)能耗系數(shù)，一般情況下Kw的值取2為宜。

通過計(jì)算，可以對采煤機(jī)的生產(chǎn)能力，牽引速度和采煤功率進(jìn)行確定，結(jié)合礦井實(shí)際情況，在進(jìn)行一次采全高采煤法設(shè)計(jì)時，采用金鼎公司設(shè)計(jì)開發(fā)的MG160/221-TWD交流電牽引采煤機(jī)，該采煤機(jī)具有耗能低，工作效率高，工作穩(wěn)定的特點(diǎn)。

工作面支架設(shè)計(jì)：在煤炭開采工作面的實(shí)際操作過程中，可以通過公式對煤炭開采工作的頂板支撐相關(guān)系數(shù)進(jìn)行確定，通過計(jì)算，工作面支撐的最高高度在5.5 m，支撐壓力在5 779～7 705 kN之間，綜合考量，在開采工作面頂板支護(hù)中，選擇ZY8640/25.5/55D型液壓支架進(jìn)行工作面的支撐。

3 結(jié)語

根據(jù)對山西晉煤集團(tuán)大峪煤業(yè)有限公司礦井15#煤層的煤層概況、地質(zhì)情況以及煤炭開采的要求，將原有的綜采回采的采煤方法優(yōu)化設(shè)計(jì)為大采高一次采全高采煤方法。通過數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)煤礦實(shí)際條件完全符合大采高一次采全高采煤方法的要求。通過新型采煤方法的運(yùn)用，可以大大提高煤炭開采效率，提高煤炭產(chǎn)量，降低煤炭開采成本，為企業(yè)帶來一定的經(jīng)濟(jì)效益。