厚煤層安全高效輕放工藝技術研究

梁 哲

（山西省長治經(jīng)坊煤業(yè)有限公司，山西 長治 047100）

厚煤層放頂煤開采工藝中，支架的選擇對于煤炭資源安全高效的開采具有極為重要的意義。傳統(tǒng)的綜放開采所選用的支架往往較為笨重，使用過程中存在運輸、安裝和拆除等難題，因此有必要對其進行變革。而輕放工藝技術具有支架重量輕、結構尺寸小、靈活和運輸便捷等優(yōu)點，作為傳統(tǒng)綜放開采所選用的支架的變更方向具有很好的應用前景。

本文以經(jīng)坊煤礦3-507工作面為工程背景，對其采用輕放開采工藝時所選用的ZF2600-16/24B型輕放支架進行了詳細的分析研究，并結合現(xiàn)場工業(yè)性試驗進行了驗證，為輕放開采工藝技術的應用和推廣奠定了基礎。

1 工程背景

位于山西省長治縣境內的經(jīng)坊煤礦為一座生產(chǎn)能力300萬t的現(xiàn)代化高產(chǎn)高效礦井。礦井井田主采3#煤層，煤層傾角變化范圍為0°～3°，為近水平煤層，煤層平均厚度為6m，埋深為200～274m。該礦從2003年開始對原有開采工藝進行變更，采取了綜采放頂煤的開采工藝。截至2013年，經(jīng)坊煤礦共設有兩個采煤隊對井田范圍內煤層進行開采，其中一個采煤隊采用綜放開采工藝，另外一個采煤隊則相應的采用輕放開采工藝。其中，綜放開采工藝選用的為ZF5800-16/30型綜放支架，輕放開采工藝選用的為ZF2600-16/24B型輕放支架。綜放支架重達19t，十分笨重，在井下運輸、安裝和拆除等過程中存在較大的難度，并且容易受限制于煤層厚度以及地質構造復雜程度等客觀條件，適應普及度較差；反之，輕放支架重量只有8t左右，相對較輕，在井下運輸、安裝以及拆除等過程中存在諸多便捷，在提升工作效率的同時還能大幅度降低工人的勞動強度。并且其對煤層厚度以及地質構造復雜程度等客觀條件具有很好的適應性，能夠擴大井田內煤層的開采范圍，對于煤炭資源的高效開采和回采率的提高有重要的作用。

2 輕放工藝研發(fā)及設備選型

關于輕放開采工藝的研發(fā)，可以按照圖1所示的技術路線進行。

圖1 技術路線圖

由圖1可知，結合現(xiàn)場實際的工程地質背景，在此基礎上初步對輕放支架進行選型計算，并對理論計算選型結果進行現(xiàn)場工業(yè)性試驗，根據(jù)試驗效果對輕放支架的初步選型結果進行評價和改進，并對改進后的輕型支架應用效果進行信息反饋。依據(jù)此技術路線最終確定合乎經(jīng)坊煤礦最優(yōu)的輕型支架，進而改善井下開采環(huán)境并提高工作面的支護效果，從而實現(xiàn)井下工作面安全高效的回采。

以經(jīng)坊煤礦五采區(qū)內的3-507工作面為例進行研究，該工作面地面標高為973～1001m，煤層底板標高為727～774m，平均埋深237m。3-507工作面沿煤層走向長度為1084m，沿煤層傾向長度為170m，采用輕放開采工藝，直接開采高度為2.2m，放頂煤高度為3.8m，采放比約為1:1.7。該工作面回采階段選用的輕放支架型號為ZF2600-16/24B型，并配備2部型號為SGB-630/2×110型的刮板輸送機來匹配滿足生產(chǎn)需求。

2.1 輕放支架選型計算

根據(jù)鄰近的3-405工作面開采期間礦壓規(guī)律統(tǒng)計結果，可推斷出工程地質條件相似的3-507工作面開采期間，其直接頂初次垮冒步距為8～14m，基本頂初次垮冒步距為25～30m，周期來壓步距為7～16m。由于輕放支架承受的覆巖載荷與煤層厚度近似呈線性正相關，因此可以根據(jù)公式（1）理論計算頂煤對支架施加的載荷大小。

式中：P-覆巖層對支架施加的載荷大小，MPa；

N-取值8；

h-煤層的直接開采高度，m；

γ-覆巖層的平均密度，取值2600kg/m3。

根據(jù)3-507工作面開采地質條件，利用公式（1）可求解出覆巖層對支架施加的載荷大小P=448kN/m2。因此，工作面內輕放支架的工作支護阻力應大于448kN/m2。

2.2 ZF2600-16/24B型輕放支架參數(shù)校驗

由于ZF2600-16/24B型輕放支架的平均支護面積為4.4m2，則可以據(jù)此對支架的支護參數(shù)進行校驗，具體情況如表1所示。

表1 輕型支架支護參數(shù)校驗表

由表1中計算結果可知，ZF2600-16/24B型輕放支架能夠滿足3-507工作面開采期間的支護需求。

3 現(xiàn)場工業(yè)性試驗

3-507工作面采用走向長臂式后退開采方式，選用6MG-200W型采煤機進行循環(huán)割煤，每個循環(huán)內割煤二刀后進行一次放頂煤，每刀割煤進尺1.2m。其中割煤回收率為96%，放頂煤回收率為92%。對于工作面開采期間每個循環(huán)內，其循環(huán)割煤量Q1、循環(huán)放煤量Q2和循環(huán)采出量Q3分別為：

每日每班內完成一個循環(huán)，三班內完成3個循環(huán)，則日產(chǎn)量為4839.27t，拋掉檢修等停產(chǎn)時間，一月平均產(chǎn)量120981.75t。可見，3-507工作面開采期間采用ZF2600-16/24B型輕放支架能夠很好地滿足生產(chǎn)需求。

3-507工作面回采期間，可以利用ZF2600-16/24B型輕放支架上安裝的工作阻力在線監(jiān)測系統(tǒng)對其頂板壓力進行實時監(jiān)測和分析。其監(jiān)測結果見圖2所示。

圖2中數(shù)據(jù)為2013年11月份3-507工作面回采期間的部分監(jiān)測結果，由圖中數(shù)據(jù)可以看出，11月5日時支架上的工作阻力整體突然增大，說明此時發(fā)生了頂板周期來壓。來壓期間ZF2600-16/24B型輕放支架最大支撐工作阻力達到了1950kN，小于支架的額定工作阻力2600kN，基本為其80%左右。而在非來壓期間，支架上的工作阻力整體偏小，此時支架最大支撐阻力僅為1220kN，遠遠小于支架的額定工作阻力2600kN，僅為其47%左右。可見，對于3-507工作面回采期間選用ZF2600-16/24B型輕放支架，能夠很好地滿足工作面回采階段頂板來壓情況，進而實現(xiàn)工作面的安全高效開采。

圖2 輕型支架工作阻力在線監(jiān)測結果

自從3-507工作面應用ZF2600-16/24B型輕放支架回采以來，對2013年當年8～12月份工作面出煤量進行統(tǒng)計，結果見表2所示。

表2 輕型支架支護參數(shù)校驗表

由表2中5個月的數(shù)據(jù)統(tǒng)計情況可以看出，選用ZF2600-16/24B型輕放支架后，3-507工作面回采期間累計產(chǎn)煤量369943t，回采率高達94.5%，能夠穩(wěn)定地完成生產(chǎn)任務需求。且在3-507工作面回采期間，沒有發(fā)生大的來壓事故，無重傷以上的人員傷亡事故的發(fā)生，各項經(jīng)濟技術指標均達到或者超過了設計要求，取得了較好的經(jīng)濟效益和社會效益。

4 結論

通過對經(jīng)坊煤礦五采區(qū)內3-507工作面所選用的ZF2600-16/24B型輕放支架進行選型計算和參數(shù)校驗，理論上驗證了該支架的合理性；通過現(xiàn)場工業(yè)性試驗階段對煤炭產(chǎn)出量、支架工作阻力以及人員傷亡事故等多方面的統(tǒng)計分析可知，選用ZF2600-16/24B型輕放支架后，3-507工作面輕放開采階段能夠安全高效地進行。可見，工作面支架的正確選型能夠使得支架-圍巖關系良好穩(wěn)定，進而保證工作面的安全高效生產(chǎn)，可在其他地質條件類似的礦區(qū)進行全面推廣應用。