增加綜采工作面長度技術(shù)探討

惠武功

(陜西匯森煤業(yè)開發(fā)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710065)

0 引言

綜采工作面長度取決于煤層賦存條件及裝備水平，在條件適宜、設(shè)備投入增加不大情況下，增加工作面長度，不僅可以減少巷道掘進率、工作面搬家次數(shù)、區(qū)段煤柱損失，還可以提高采區(qū)回采率、提高礦井產(chǎn)能、充分發(fā)揮裝備效能。但增加工作面長度將會引起上覆巖層移動規(guī)律的變化，給工作面的支護帶來困難。本文以涼水井煤礦42112工作面為例，介紹將工作面長度由240 m增加到310 m的技術(shù)分析與實踐。

1 現(xiàn)狀分析

涼水井煤礦位于陜北侏羅紀煤田榆神礦區(qū)東北部，地層平緩，總體為寬緩西北向傾斜的單斜構(gòu)造，無褶皺，僅發(fā)育小型寬緩的波狀起伏。可采煤層6層，3-1煤、4-2煤、4-3煤、4-4煤、5-2煤、5-3煤，其中4-2煤、5-2煤、5-3煤為中厚穩(wěn)定可采煤層，3-1煤、4-3煤、4-4煤為局部可采煤層。目前開采4-2煤，煤層厚度2.7～3.3 m，平均3.0 m，埋深90～110 m，平均100 m，頂?shù)装宸€(wěn)定，普氏硬度系數(shù)f=2～3，開采工作面為一盤區(qū)42112工作面。

截止2015年12月，4-2煤一盤區(qū)已順序開采42105～42111共計7個240 m長的工作面。42111工作面推進長度4 380 m，月平均產(chǎn)量48.95萬t。為充分發(fā)揮煤礦有利的地質(zhì)條件和國產(chǎn)先進設(shè)備的技術(shù)優(yōu)勢，提高綜采工作面的單產(chǎn)和資源采出率，降低巷道掘進成本和生產(chǎn)成本，減少搬家倒面的次數(shù)，提高煤礦產(chǎn)量，決定從42112面開始，工作面長度由240 m增加到310 m。現(xiàn)將綜采工作面長度由240 m增加到310 m進行研究分析。

2 綜采工作面生產(chǎn)條件分析

綜采工作面長度增加70 m后，工作面支護跨度加長，支護面積增大，將會引起采場上覆巖層更大范圍的破壞與移動，將會引起礦壓強度及顯現(xiàn)規(guī)律變化。礦壓強度的變化對頂板支護提出了新要求，同時也對運輸機輸送能力提出了新要求。

2.1 綜采工作面的生產(chǎn)技術(shù)條件

4-2煤層頂板以砂巖為主，為Ⅱ級2類中等穩(wěn)定頂板。直接頂為細粒砂巖，平均厚度4.6 m，普式系數(shù)f=5，偶見0～0.2 m的泥巖偽頂。基本頂為中砂巖，厚度18.05 m，普式系數(shù)f=7～8。直接底為細粒砂巖，平均厚度19.5 m。基本底為粉砂巖。42112工作面煤層埋深100～120 m，工作面長310 m，推進度4 380 m，工作面中部較高，兩端較低，俯仰斜開采，傾角1°～2°。

2.2 綜采工作面的設(shè)備配套情況

根據(jù)煤礦綜采設(shè)備使用情況，自42111綜采工作面開始進行了綜采設(shè)備更新。

液壓支架：選用 ZY12000/20/40型液壓支架共計141架(42112工作面181架)。

采煤機：選用MG900/2400-WD雙滾筒電牽引采煤機(截深865 mm，牽引速度0～35 m/min)。

刮板輸送機：選用SGZ1000/3×1000型中雙鏈刮板運輸機，輸送能力3 000 t/h(42111綜采工作安裝2臺電機，42112綜采工作面安裝3臺電機)。

破碎機：選用PLM4500型，破碎能力4 500 t/h。

轉(zhuǎn)載機：選用SZZ1350/525型，輸送量4 000 t/h。

2.3 增加綜采工作面長度后的設(shè)備配套性能分析

采煤機生產(chǎn)能力的確定

QC=60Hbvγ=2 209 t/h。

式中：QC—采煤機生產(chǎn)能力，t/h；H—工作面最大采高，3.3 m；b—截深，0.865 m；v—采煤機平均截割速度，10 m/min；γ—實體煤密度，1.29 t/m3。

刮板運輸機運輸能力和裝機功率校驗：工作面設(shè)備配置時，刮板輸送機的輸送能力Qs一般取采煤機小時生產(chǎn)能力的1.2倍，即：Qs=1.2QC=2 650 t/h。通過計算，在工作面長度310 m，采高3.3 m，截深0.865 m，采煤機割煤速度10 m/min的條件下，工作面刮板輸送機輸送能力2 650 t/h就可以滿足。涼水井煤礦選用的SGZ1000/3×1000型中雙鏈刮板運輸機，輸送能力為3 000 t/h，裝機功率3 000 kW，大于工作面加長到310 m后所需的功率和運輸能力，可以滿足工作面要求。

2.4 增加綜采工作面長度后的支架支護強度校驗

按照普氏理論，頂板冒落高度hg與工作面跨度B和巖石的普氏系數(shù)f有關(guān)，即

hg=B/2f=24 m

式中：B為310 m；f為直接頂和基本頂巖石普氏系數(shù)的平均值，取最小值5；冒落帶高度為31 m，此數(shù)值與采用RFPA軟件建立涼水井煤礦4-2煤層及上覆巖層三維地質(zhì)模型，用數(shù)值模擬法求解的冒落帶高度一致。

如果根據(jù)頂板冒落高度的巖石質(zhì)量(靜壓)來計算310 m長度工作面支架的工作阻力Pd，則

Pd=hggγ1LZBZ=6 578 kN

Pd′=1.5Pd=9 867 kN

式中：γ1—頂板巖石密度，取2.5×103kg/m3；LZ—支架頂梁長度，取4.85 m；BZ—支架頂梁寬度，取1.75 m；Pd′—動壓，取載荷系數(shù)1.5倍。

通過計算，在工作面長度310 m時，支架阻力只要>9 867 kN即可，現(xiàn)涼水井煤礦的ZY12000/20/40型液壓支架工作阻力為12 000 kN，理論上現(xiàn)有支架可以滿足加長后工作面的支護要求，加長后工作面周期來壓時中部個別支架載荷較大，實際生產(chǎn)過程中需要做好周期來壓統(tǒng)計和預(yù)報工作，中部支架超前帶壓擦頂移架，防止冒頂和大塊矸石冒落。工作面長度增加后無需更換新型支架，只需在中間架增加40架即可。

3 增加綜采面長度的投入與經(jīng)濟效益分析

涼水井煤礦從42112工作面開始，工作面長度增加至310 m，自2016年1月份開始回采，生產(chǎn)正常，累計生產(chǎn)原煤306萬t。

3.1 增加的設(shè)備投入

工作面加長后增加了40臺支架、40塊刮板槽、140 m刮板鏈、更換310 m煤機電纜及運輸機電纜(若采用熱補接長電纜，會給電纜使用帶來安全隱患，故更換2條新電纜)，設(shè)備總計投入約1 800萬元。

3.2 經(jīng)濟效益分析

提高了綜采工作面的產(chǎn)量：增加工作面長度后有效地減少進刀時間占割煤時間的比重，正常割煤時間比重大幅提升，提高了割煤效率。據(jù)統(tǒng)計，240 m的工作面月最高產(chǎn)量為55.6萬t，平均月產(chǎn)48.95萬t；310 m工作面月最高產(chǎn)量為60.4萬t，平均月產(chǎn)59萬t。工作面長度增加后，每年可提高回采產(chǎn)量120萬t(在330 d工作日制度下可提高298萬t)，提高了工作面單產(chǎn)水平。

提高了資源采出率：一盤區(qū)原計劃布置17個工作面，即42101～42118工作面。從42112面開始，工作面加長至310 m，優(yōu)化后一盤區(qū)共布置16個條帶工作面，一盤區(qū)后5個工作面減少1個永久煤柱。工作面順槽采用雙巷布置，輔運巷和膠運巷間煤柱寬14.6 m，順槽平均長度4 380 m，與240 m工作面相比，310 m工作面減少煤柱損失約27.22萬t，采區(qū)回收率提高約1.2%。

降低了萬噸掘進率，緩解接續(xù)緊張的狀況：就一盤區(qū)而言，工作面切眼加長后減少了一個工作面，減少了2條順槽巷道的掘進，減少巷道掘進量9 235 m，萬噸掘進率由原來的22.3 m/萬t降為17.6 m/萬t。經(jīng)比較優(yōu)化工作面長度后萬噸掘進率降低4.7 m/萬t，每年可減少巷道掘進約2 730 m，按巷道成本每米3 000元計算，可減少掘進費用約729萬元/a，同時可緩解接續(xù)緊張的狀況。

減少了搬家倒面次數(shù)：工作面從17個調(diào)整為16個后，一盤區(qū)總計減少搬家倒面次數(shù)1次，平均每年減少0.26次。搬家倒面一次費用約400萬元，每年可節(jié)約費用約104萬元。

減少了機頭硐室和中部驅(qū)動硐室施工：機頭硐室和中部驅(qū)動硐室施工減少1次，每個機頭硐室及基礎(chǔ)人工和材料費用約90萬元，每年可節(jié)約費用約23.7萬元。

4 結(jié)語

通過對增加綜采工作面長度相關(guān)因素的研究分析，當工作面長度增加到310 m后，配套設(shè)備能力能夠滿足生產(chǎn)要求。既緩解了工作面接續(xù)緊張的現(xiàn)狀，又大幅提升了煤礦產(chǎn)量，降低了生產(chǎn)成本，經(jīng)濟效益顯著。