綜合機械化開采圍巖控制及設備選型設計

王穎清

（晉能控股煤業集團軒崗煤電有限公司劉家梁煤礦，山西 忻州 034114）

引言

一直以來，煤礦安全生產備受作業人員、企業、地方及國家的關注。影響煤礦安全生產的因素眾多，包括對工作面瓦斯濃度的控制、透水事故的預防、工作面圍巖的控制及設備的安全性等[1]。因此，需從上述幾方面解決煤礦安全生產問題。本文將從圍巖控制層面解決煤礦安全生產的問題，并對其中涉及的關鍵設備進行選型設計。

1 工程概況

本文所研究礦井的生產能力為240萬t/年，其開采方式為豎井，包括主井、副井和風井。本文對該礦井3號煤層工作面的巷道進行研究。經探測，四采區巷道的煤層、地質條件具體描述如下：3號煤層工作面巷道煤層的厚度為1.1～3 m，平均厚度為2 m；煤層的傾角范圍為2°～6°，平均傾角為4°。3號煤層工作面的地質條件如表1所示。

表1 礦區3號煤層工作面的地質條件

除上述參數外，3號煤層工作面瓦斯的絕對涌出量0.23 m3/min；二氧化碳的絕對涌出量0.32 m3/min?？偟膩碇v，3號煤層工作面的頂板處于裂隙發育狀態，且相對松軟，容易破碎；3號煤層工作面巷道的埋藏深度較大，地質構造復雜[2]。

2 綜合機械化開采的圍巖控制

目前，對工作面的綜合機械化開采是實現煤礦高效、安全開采的重要途徑。自古以來，煤礦開采的一項關鍵內容是不出現塌方事故，也就是說對工作面巷道頂板的圍巖進行有效控制。在實際生產中常采用液壓支架和錨桿、錨索的聯合支護方式對頂板圍巖進行控制[3]。

2.1 工作面頂板結構及穩定性分析

在實際生產中，工作面頂板的控制主要是通過液壓支架完成。隨著工作面的不斷推進和開采的進行，工作面頂板失去煤層的支撐容易發生冒頂事故。而且工作面頂板冒頂事故的發生還會影響液壓支架的支護效果，進一步影響工作面的安全生產。

一般來說，工作面的頂板結構分為半拱式和砌體梁兩種。其中，半拱式結構容易隨著開采的進行出現失穩、垮落的事故；而砌體梁結構只有在極限條件下才會出現失穩的現象?？偟膩碚f，半拱式頂板結構還容易導致巷道頂板來壓增大，導致液壓支架受力增加。

2.2 工作面頂板支護強度分析

通過對綜采工作面頂板支護強度的分析，可指導液壓支架的選型，在保證液壓支架高效支撐的基礎上，盡可能地減少投資[4]?；谙嚓P理論分析，可以按照直接頂載荷倍數對工作面頂板的支護強度進行確定，計算公式如下：

式中：N為液壓支架載荷相關采高巖重倍數，根據該工作面頂板來壓規律和穩定性，并考慮一定的安全系數，取N=8；M為采煤工藝對應的采高，取M=2.44 m；γd為工作面頂板巖層的平均容重，取γd=22.69 kN/m3。

代入上述各項參數，得出工作面頂板的支護強度P=442.9 kPa=0.442 9 MPa。綜合分析，確定該工作面頂板支護強度為0.5 MPa。取液壓支架的支護效率為0.9，則在當前工作面頂板所需支護強度確定基礎得出液壓支架的額定支護強度值為0.56 MPa。

結合液壓支架工作阻力計算公式，如式（2）所示：

式中：P'為液壓支架額定支護強度，取P'=0.56 MPa；A為液壓支架的中心距離，取A=1.5 m；R為液壓支架的最大控頂距離，取R=4.085 m。

將上述參數代入式（2）得出，液壓支架的工作阻力應不小于3 431 kN。

2.3 巷道錨桿支護方案設計

工作面頂板在液壓支架支護的基礎上，采用錨桿、錨索聯合方式對巷道頂板圍巖進行控制。結合實踐經驗和理論分析，設計如下巷道錨桿支護方案：

錨桿支護參數：所選用錨桿為直徑20 mm的高強左旋螺紋鋼筋，錨桿長度為2 400 mm；頂板錨桿的間距為1 000 mm，錨桿排間距為1 000 mm，每排錨桿的數量為4根；錨桿的扭矩為300 N·m，錨固力為130 kN。

錨索支護參數：所選用錨索為直徑17.8 mm的低松弛預應力鋼絞線，錨索長度為7 000 mm；錨索預緊力為100 kN；錨索錨固力為300 kN；錨索間距為2 000 mm。

工作面錨桿、錨索支護方案如圖1所示。

圖1 錨桿、錨索聯合支護示意圖（單位：mm）

3 綜合機械化開采設備選型

本節著重對綜合機械化開采涉及的關鍵設備進行選型，包括工作面的液壓支架、采煤機、刮板輸送機、轉載機、破碎機及帶式輸送機等。

3.1 液壓支架選型

本文2.2節中已經確定了該工作面支護液壓支架的工作阻力不小于3 431 kN這一關鍵參數。根據工作面煤層的平均厚度為2.44 m，煤層傾角小于10°，在實際開采過程中的采高最大為3.2 m、最小為1.8 m。根據工作面采高的確定，結合相關公式計算得出液壓支架的最大支護高度為3.5 m，最小支護高度為1.6 m。

綜上，為該工作面所配置液壓支架的具體類型為雙柱掩護型，具體型號為ZY4000/16/35，該型液壓支架的關鍵參數如表2所示。

表2 ZY4000/16/35液壓支架關鍵參數

3.2 采煤機選型

結合工作面煤層條件，確定采煤機采高范圍為1.8～3.2 m；結合液壓支架的移架步距和煤層的硬度、厚度等情況，綜合確定采煤機的截割深度為800 mm；結合采煤機的采高數值及滾筒直徑一般大于最大采高的0.5倍，確定采煤機的滾筒直徑為1.6 m。

綜上，確定該工作面采煤機的具體型號為MG250/600-QWD，該采煤機的關鍵參數如表3所示。

表3 MG250/600-QWD采煤機關鍵參數

3.3 帶式輸送機選型

結合采煤機的截割能力，要求帶式輸送機的運輸能力為500 t/h。一般情況下，帶式輸送機的運行速度為2 m/s。

結合上述參數，通過理論計算得出帶式輸送機皮帶的寬度為0.56 m。最終確定帶式輸送機的具體型號為DSJ80/60/2×132，其關鍵參數如表4所示。

表4 DSJ80/60/2×132帶式輸送機關鍵參數

4 結語

實現煤礦的綜合機械化開采是提高煤礦生產能力、安全性的主要措施之一。除采用液壓支架對綜采工作面進行支護外，還需根據工作面煤層、地質條件采用合適的錨桿、錨索支護，加強對工作面圍巖的控制[5]，以及為綜采工作面配置合理、安全、高效的采煤機、液壓支架及帶式輸送機等設備。