大傾角復合頂綜合機械化采煤的可行性研究

張麗斌

（山西國辰建設工程勘察設計有限公司，山西 陽泉 045400）

引言

我國煤炭資源的開采主要集中在緩傾斜和近水平煤層，近年來，大傾角和急傾斜煤層的開采在我國煤炭資源的開采總量中所占的比重不斷增大，尤其是四川、重慶等地區甚至達到40%～50%。綜合機械化采煤技術是國內外通用的采煤技術，我國的綜合化采煤技術在緩傾斜和近水平煤層應用較多，且發展最為成熟，而在大傾角煤層的應用相對較少[1-2]。相比原有的炮采方式，大傾角綜合采煤技術顯著提高了采煤的效率，節約了資源，因此大傾角采煤技術的研究和應用迫在眉睫。以花王礦采煤工作面為例，通過實地勘驗和理論分析對大傾角復合頂綜合機械化采煤的可行性進行了分析和研究。

1 可行性分析

1.1 技術可行性分析

目前，綜合化機械采煤已建立了非常系統和完善的技術體系，尤其近年來在大傾角煤層的開采中，綜合化機械采煤也嶄露頭角，并形成了一定的理論基礎。一方面，解決了在礦井工作面、排頭、排尾和輸送機等常出現的支架倒、滑問題并配備了相關的設備；另一方面，綜合機械化技術在大傾角煤層的實際開采中也積累了一定的成功經驗。經過分析計算，某礦的通風系統、供電系統和運輸系統均能滿足綜合化機械采煤的要求；此外，某礦的煤層結構與報道的成功案例綠田礦相似[3]，中厚煤層全部都適合大傾角綜采。因此，在成功案例的基礎上，通過系統設計采煤方案，采用相似的采煤方法和設備，某煤礦實施大傾角綜采完全是可行的。

1.2 工作面概況分析

21141 采煤工作面為某礦14 號煤層，該工作面位于地下900 m，全長770 m，傾斜長130 m，工作面煤層結構復雜，煤層厚度變化大，厚度范圍為1.5～4.2 m，平均厚度2.35 m，煤層由三層夾矸和四層煤組成，夾矸厚度為0.58 m，煤厚1.80 m，煤層平均傾角38°，該煤層偽頂由灰黑色的炭質泥巖組成，直接頂由13 號煤層及其底板組成，老頂為粉砂巖和粗砂巖混合巖層，從西到東巖性由灰色厚狀層細砂巖、淺灰色含礫砂巖過渡為灰色厚層狀細沙巖及厚層狀中粗砂巖，巖層厚度一般大于20 m；直接底為粉砂巖，一般為深灰色厚層狀砂巖或深灰色厚層狀泥質粉砂巖，厚度范圍為1.7～4.4 m，老底為粗砂巖，由上到下巖性由灰白色厚層狀含礫粗砂巖過渡為灰白色厚狀粗砂巖，厚度范圍為11.0～17.0 m。21141 采煤工作面底部和頂部均有透水的風險，當水蒸發時從外界吸收的大量的熱，冷凝后將熱量傳遞給煤，導致其溫度升高，有自燃甚至發生爆炸的風險。因此該工作面采煤作業應嚴格監控礦井內溫度，避免發生爆炸事故。

1.3 工作支架的選擇

1.3.1 支護強度的確定

21142 工作面傾角范圍為34°～39°左右，平均傾角38°，工作面傾斜高度為1.6～4.0 m，平均2.35 m。支護強度的計算公式有三種，分別是英國產業經驗公式、倍數巖重量法公式和頂板類型公式，一般以支護強度計算最大值作為參考依據，選擇合適的工作支架。

1）按照英國產業經驗公式進行計算：

式中：qh為支護強度，kN/m2；h 為傾斜面高度，取3.0 m。將數值代入公式計算得450 kN/m2。

2）按照倍數巖重量法公式計算：

式中：qh為支護強度，kN/m2；h 為采高，取3 m；γ 為頂板巖石容重，取25 kN/m3；n 為修正系數，取6。經過計算，支護強度qh=450 kN/m2。

3）頂板類型公式如下：

式中：qh為支護強度，kN/m2；Lz為周期來壓步距，取8m；Lm為巖層垮落步距，取4.13 m。將數值帶入公式計算得qh=298.68 kN/m2。

經過綜合分析比較，選取支護強度為450 kN/m2，根據設計時支架支護強度一般為理論計算值的1.1 倍，即495 kN/m2，可以滿足生產要求。

1.3.2 額定工作阻力的計算

額定工作阻力的計算一般有兩種方法，分別是支架額定工作阻力理論計算公式和經驗公式。1）按照理論計算公式計算：

式中：P 為液壓支架額定工作阻力；qh為支護強度；b為梁距寬，取0.3 m；L 為頂梁高度，取3 m；B 為支架中心距，取1.5 m；μ 為支架效率，取0.9。將數值代入公式計算得P=2 722.5 kN。

2）按照經驗公式計算：

式中：Lm為控頂寬度，取4.13 m；B 為支架中心距，取1.5 m，h 為采高；γ 為頂板巖石容重，取25 kN/m3；k為控頂區內頂板高度于采高之比，取3。將數值代入公式得P=2 787.75 kN。

經過理論和經驗公式的計算，支架的額定工作阻力為2 722.5～2 787.75 kN，一般取計算值的1.1 倍作為實際參考值，因此最終選擇額定阻力為3 100 kN的支架。

1.3.3 支架類型的選擇

經過分析某礦14 號煤層21141 采煤工作面的煤層條件，該工作面頂板屬于復合型頂板，具有明顯的周期性來壓的特點，因此選擇雙柱型掩護式液壓支架較為合適，該類型支架以雙柱進行斜向支撐，可以大范圍靈活地調節高度，支撐作用力靠前，適用于復合型頂板的穩定；此外，支架的平衡千斤頂能夠適應頂板壓力的變化，可以根據不同的需求靈活調節合力作用點，整體結構緊湊簡約。經過綜合分析，選擇ZGY2600/15/35型大傾角掩護式液壓支架為21141 工作面支架。

1.3.4 防倒防滑裝置的確定

針對常見部位出現的倒滑問題，分別設置相應的防倒防滑裝置，除了活動側護板和短推桿等基本架防倒防滑裝置，還增設調架梁裝置，用于調節架間距和對倒架進行復位。在排頭部位設立下排頭1～5架，按照前后順序將在五組架的底座前后安裝調架裝置，在頂梁間安裝防倒裝置，使得下排頭支架形成動態組合，互相依托，作為21141 工作面整體防倒防滑的基礎；而排尾支架由最后排的1～3 架組成，同樣依次在架底座前后安裝調架裝置，頂梁安裝防倒防滑裝置，穩定工作面的排尾支架；此外，由于大傾角煤層的輸送機本身沒有防倒防滑能力，需要由支架來維持穩定狀態。具體方法為：以5 架為一組，安裝在輸送機耳板和底座耳板間，斜置安裝千斤頂和圓環鏈，整個工作面共設置20～25 組支架，具體設置數量由工作面傾角大小決定。

1.4 工作面支架技術特征

綜合上述分析結果，21141 工作滿的支架的主要技術特征如表1 所示。

表1 工作面支架的主要技術特征

1.5 配套設備

由于綜合機械化采煤一般選擇前進式端頭支架，該類型支架不能滿足大傾角煤層的端頭支護要求，因此本文最終選擇具有專利保護的橫式端頭支架，型號為ZTJH7400/16/25。為保證正常的采煤效率，選擇MG200-520-QWD型號采煤機，其總功率為520 kW，采用齒輪-銷排無鏈傳動模式，一次能夠實現0.63 m的挖掘深度，適用于35°～55°大角煤層綜采，其相關配套設備有：160 kW 大傾角刮板運輸機、800 kVA、500 kVA、315 kVA 移動變電站、45 kW 噴霧泵、150 kW 皮帶運輸機、JH-14型回柱絞車、125 kW 乳化液泵。

2 結論

為解決大傾角復合頂綜合機械化采煤在實際生產中的應用問題，本文以21141 工作面為例開展研究。通過理論計算可知，適應該工作面的液壓支架的支護強度為495 kN/m2，額定阻力為3 100 kN，最終確定ZGY2600/15/35型大傾角掩護式液壓支架為工作面開采的支護設備。同時，結合液壓支架的選型結果完成了如下配套設備的選型：160 kW 大傾角刮板運輸機、800 kVA、500 kVA、315 kVA 移動變電站、45 kW 噴霧泵、150 kW 皮帶運輸機、JH-14型回柱絞車、125 kW 乳化液泵。