綜采面上下端頭煤炭開采工藝研究與實踐

黃永安

(陜西陜煤榆北煤業有限公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

我國厚煤層、特厚煤層分布相當廣泛、儲量豐富，約占全部煤層儲量的44%，厚煤層產量也占煤炭總產量的40%以上[1]。隨著煤炭工業技術的發展，厚煤層大采高一次采全厚開采工藝已取得了長足進步，大采高一次采全厚是各大礦區厚煤層開采的主要方法。2007年神東礦區與鄭州煤機廠合作研制了ZY10800/28/63D大采高液壓支架[2]，用于神東礦區6.0 m厚煤層的開采，2009年又成功研制了ZY16800/32/70D大采高支架在神東補連塔煤礦應用[3]，2010年神南礦區紅柳林煤礦與平煤機合作研制了ZY18800/32.5/72D大采高支架并成功應用[4]，2015年兗礦集團研制的世界首套8.2 m大采高設備在金雞灘煤礦應用[5]，2018年神東公司與鄭煤機再次成功研發制造的8.8 m電液控制兩柱掩護式液壓支架在上灣煤礦聯調成功[6-7]，再次刷新了特厚煤層大采高綜采面開采新高度。

大采高綜采一次采全厚工藝在神東、陜北煤炭基地礦區的應用將資源優勢迅速轉變為生產力優勢，與放頂煤、分層開采相比，顯著提高了煤炭資源的回收率、大幅降低了噸煤開采成本，實現了礦井安全、高產高效發展，規模化建成了一批千萬噸礦井。大采高綜采工藝在實際生產應用過程中，綜采面膠帶輸送機順槽、回風順槽設計斷面需系統考慮工作面影響因素，兼顧綜采面通風、運輸系統建設及設備配套、掘進工藝、采場礦山壓力、經濟效益等方面，綜采面上下順槽設計高度均低于綜采面采高，在回采過程中造成了上下端頭三角煤資源丟失。因此，通過對張家峁礦井5-2煤層大采高綜采面上下端頭煤炭資源開采工藝研究，合理提高綜采面上下端頭采高，以增加綜采面資源采出量，提高工作面回采率。

1 工程背景

1.1 5-2煤層概況

張家峁井田5-2煤層呈簡單的層狀賦存于延安組第一段頂部或上部，層位穩定，分布廣泛。煤層北西向微傾，傾角小于1°。煤層埋深67.55～302.91 m，一般在110～270 m之間。煤層厚度在4.40～8.23 m之間，平均厚度6.13 m，屬厚煤層，變異系數11.14%。煤層頂板巖性以粉砂質泥巖、泥質粉砂巖為主，次為細粒砂巖；底板巖性以粉砂質泥巖、細粒砂巖為主，次為泥巖、泥質粉砂巖。5-2煤層多數不含夾矸，少數鉆孔見有1～2層夾矸，夾矸厚度0.02～0.75 m，巖性以泥巖、碳質泥巖為主。屬沉積穩定的全區可采中厚-厚煤層。

1.2 采煤工藝及巷道布置

5-2煤層采用走向長壁采煤法，大采高綜采一次采全厚回采工藝，全部垮落法管理頂板。

5-2煤工作面順槽采用3條巷道布置形式，分別為回風順槽、膠帶輸送機順槽和輔助運輸順槽，其中輔助運輸順槽在工作面采完后保留，作為下一個回采工作面的回風順槽，順槽中心距為25 m。綜采面順槽均直接(或通過風橋、膠帶機搭接點)與大巷相連接。根據巷道布置形式及開采方法，盤區內各工作面均采用長壁后退式開采法，工作面由盤區邊界(或煤層可采邊界)向大巷方向推進，各區段采用順采方式。

綜采面設計輔助運輸順槽(回風順槽)掘進寬度5.6 m，凈寬5.4 m，膠帶輸送機順槽掘進寬度為6.0 m，凈寬5.8 m，3條順槽掘進高度均為4.3 m，凈高均為4.0 m，順槽采用錨網梁、錨網支護，均沿煤層底板施工。

1.3 頂板控制及設備配備

5-2煤工作面支護采用掩護式液壓支架支護頂板，上、下端頭支護采用端頭液壓支架[7]，工作面巷道超前支護采用超前支架，超前支護距離不小于25 m。

工作面中部支架選用ZY12000/28/63D，工作面機頭、機尾各配備4臺ZYT12000/28/55D端頭支架，工作面機頭、機尾均配備2臺ZYG12000/28/55D型掩護式過渡液壓支架，工作面上下順槽超前支護采用ZFDC10300/27/47型超前支架組，膠帶輸送機順槽、回風順槽各1組。

2 5-2煤上下端頭煤炭開采現狀分析

大采高綜采面上下端頭煤炭開采主要受工作面順槽高度與工作面采高高差影響，大采高綜采面設備均按工作面底板與順槽底板平齊設計配套。由于工作面順槽高度低于工作面采高，兩頂板存在一定的高度差，回采過程中采煤機在機頭、機尾割煤逐步由工作面中部采高過渡至端頭順槽高度，機頭、機尾采高過渡段留設三角煤，造成一定的資源損失。

5-2煤綜采面設備按6.3 m開采高度配備，采煤機、刮板輸送機、轉載機及順槽膠帶輸送機等均滿足6.3 m開采高度的能力。5-2煤煤層平均厚度為6.13 m，結合工作面回采期間頂板控制需要，工作面留設0.10～0.20 m頂煤拖偽頂開采，設計工作面采高為6.0 m。

5-2煤綜采面上、下順槽與工作面采高高差為2 m，為了確保工作面上下端頭支架支護效果，工作面自距機頭、機尾15 m開始降低采高，采高過渡段工作面頂板呈弧形，如圖1所示。

圖1 上下端頭三角煤

工作面上下端頭近似等同于三角形計算，工作面造成資源損失，工作面每米推進長度損失煤量如下

Q損=H×L÷2×γ×2=H×L×γ

(1)

式中：H—工作面順槽與采高高差，m；L—工作面采高過渡段長度，m；γ—煤層容重，t/m3，取值為1.32 t/m3。

則工作面每米資源損失量Q損=39.6 t。

采高過渡段沿工作面頂板傾角為σ，則tanσ=H/L

tanσ=H/L=2/15=0.13

σ=tan-10.13=7.6°

ZY12000/28/63D液壓支架頂梁寬度1.65 m，每臺支架頂梁上部頂板高差h=1.65×tan 7.6°=0.214 mm。

綜上分析，由于開采工藝及設備配置缺陷，使工作面端頭三角煤資源損失；且影響支架頂梁接頂效果，造成支架頂梁載荷不均。

3 大采高綜采工藝優化

針對以上大采高工藝存在問題，提高研究提出了增加工作面過渡支架支撐高度，改進工作面順槽開采側對應的端頭支架，即機頭第4臺、機尾第3臺液壓支架結構，加高支架側護板的高度，增大工作面上下端頭的采高。

5-2煤綜采面端頭支架原均選用ZYT12000/28/55D型掩護式液壓支架，支架整體結構如圖2所示。支架設置雙側活動側護板，側護板通過銷軸與頂梁連接，使用時一側固定，一側伸縮。通過調節側護板，支架寬度在1.66～1.86 m范圍內變化，支架側護板長度為3.55 m，高度均為0.80 mm，如圖3所示。

圖2 ZYT12000/28/55D型掩護式端頭液壓支架

圖3 ZYT12000/28/55D型支架頂梁右側護板

為了提高工作面上下端頭采高，5-2煤工作面過渡支架選型調整為ZYG12000/28/63D型掩護式過渡液壓支架，工作面機頭第1、2、3臺支架及機尾第1、2臺液壓支架仍選用ZYT12000/28/55D型掩護式液壓支架，機頭第4臺、機尾第3臺支架選型調整為ZYT12000/28/63D型掩護式液壓支架，改進了機頭第4臺端頭支架右側護裝置、機尾第3臺支架左側護裝置，架型改造為大落差支架。改進后側護裝置主要由梁體套筒內的彈簧、頂桿、側推千斤頂、導向桿，頂梁、掩護梁側護板及相應連接銷軸組成，側護板高度加高至1.50 mm。活動側護板在彈簧的作用下，與鄰架方向死側護板靠緊，能很好地護住頂板，并可利用側推千斤頂配合降架動作來調架。改進后ZYT12000/28/63D型掩護式大落差端頭液壓支架結構及側護裝置剖面，如圖4所示。

圖4 ZYT12000/28/63D型掩護式大落差支架

5-2煤工作面端頭、過渡支架支護高度及端頭支架架型優化后，端頭大落差支架最大支護高度均為6.3 m，綜采面上下端頭采高均增大至6.0 m，大落差支架相鄰一側端頭支架支護高度與順槽高度一致，通過煤機割煤完成了原工作面端頭三角煤的開采，優化后工作面開采如圖5所示。

圖5 優化后工作面開采示意圖

以礦井15208綜采工作面為例，15208工作面長度295.2 m，推進長度2 294 m，平均煤厚6.3 m，煤層容重1.32 t/m3，采高6.0 m，工作面開采工藝優化后，增加上下端頭采出煤量Q采=9.1萬t。目前，礦井商品煤平均利潤180元/t，僅15208工作面創造經濟效益約1 638萬元。

4 結論

(1)通過改進大采高綜采工作面端頭液壓支架結構，加長支架側護板高度，在端頭支架與過渡支架之間增加大落差支架技術上是可行的，提高了工作面上下端頭的采高，解決了大采高一次采全厚綜采工作面上下端頭三角煤開采問題。

(2)工作面端頭采高增加后，工作面不存在采高過渡段，頂板平齊，除與大落差支架相鄰1臺端頭支架外，其余支架接頂效果良好，支架載荷均勻，有效地控制了工作面礦山壓力，工作面頂板管理安全可靠。

(3)優化后工藝開采了工作面上下端頭資源，在原工藝基礎上工作面的回采率提高了2%左右，增加了煤炭采出量，降低了工作面開采成本，取得了可觀的經濟效益。