麥捷煤礦150503放頂煤工作面開采設計

胡 東

（山西壽陽潞陽麥捷煤業有限公司，山西 晉中 030600）

1 概況

麥捷煤礦150503工作面位于井田新區中部，開采煤層屬石炭系上統太原組15號煤層。煤層賦存穩定，結構較簡單，位于太原組下部，K2灰巖為其直接頂板，上距12號煤27.08～44.60 m，平均36.29 m。15號煤層厚度5.4～6.2 m，多含一層泥巖（0.2 m），平均煤厚5.8 m，屬穩定的全區可采煤層。頂板為石灰巖、粉砂巖、砂質泥巖，底板為泥巖、砂質泥巖。根據鄰近工作面（150502工作面）回采過程中實測數據，150503工作面相對瓦斯涌出量確定為6.64 m3/t。為了能高效地對煤層進行開采，需要對回采工作面的一些參數進行設計。

150503工作面布置有工作面皮帶順槽、軌道順槽以及高抽巷共三條巷道。其中，軌道順槽長度為1 150.2 m，皮帶順槽長度為1 147.1 m，皮帶順槽和軌道順槽均沿15號煤層底板布置；高抽巷布置在距15號煤層頂板約40 m處，與軌道順槽的水平間距為30 m。工作面采用“一進一回”的通風方式，皮帶順槽進風，軌道順槽回風。工作面推進長度為1 147.1 m，開切眼長度為210 m。

2 工作面回采條件

2.1 地質構造

根據三維地震勘探結果，150503工作面周邊范圍內的地質構造共有8個陷落柱、5個斷層。8個陷落柱分別為：MX9、JX12、JX14、XL3、XL4、XL5、XL6、XL8，5個 斷 層 分 別 為：MF39、MF25、MF41、MF42、MF43。具體位置：XL6、XL8兩個陷落柱位于工作面北側，其中150503 軌道順槽通過XL6陷落柱，XL8在工作面外部；XL3、XL4、XL5三個陷落柱位于工作面南側，在工作面外部，距皮帶順槽9～15m。有五個小于5 m的 斷 層，分 別 為MF25、MF39、MF42、MF41、MF43。除上述構造外，工作面50 m范圍內暫未發現其他影響生產的大型地質構造。

2.2 回采巷道支護

皮帶順槽和軌道順槽為矩形斷面，斷面尺寸均為4.5 m×3.3 m，采用高強度錨桿+單鋼筋托梁+金屬經緯網+錨索聯合支護[1]。頂板支護：巷道頂部錨桿規格為Φ22 mm×2400 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為1000 mm×1000 mm，頂角錨桿向兩幫傾斜20°；錨索規格為Φ17.8 mm×8300 mm，間排距2400 mm×1000 mm，“2-1-2布置”；使用一根Φ16圓鋼加工的單筋梯子梁；網片采用對接方式，聯網間距為100 mm，用16#鉛絲聯接，雙絲雙扣。巷幫支護：巷道幫部錨桿規格為Φ22 mm×2000 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距均為1200 mm×1000 mm，錨桿垂直巷道兩幫打設，距巷幫頂部300 mm。

開切眼為矩形，斷面尺寸為7.5 m×3.1 m，采用強力錨桿+單鋼筋托梁+金屬經緯網+錨索聯合支護。頂板支護：頂錨桿規格為MSGLW-33522/2400螺紋高強錨桿，錨桿間排距為900 mm×1000 mm，沿巷中對稱布置；錨索形式和規格Φ17.8 mm×8300 mm鋼絞線，鉆孔直徑28 mm，錨固長度為1.5 m。巷幫支護：老塘幫錨桿等間距布置，每排3根，間距1200 mm，排距為1000 mm；中間錨桿全部水平布置，幫頂角錨桿上斜10°、底角錨桿下斜10°布置，頂角錨桿距頂板300 mm，底角錨桿距底板400 mm，錨固長度為1200 mm。煤墻幫：錨桿等間距布置，每排3根，頂角錨桿距頂板300 mm，底角錨桿距底板400 mm，間距1200 mm，排距為1000 mm，全部垂直煤墻打設。

3 回采工作面裝備選型

根據工作面周邊勘探鉆孔和實際掘進探煤厚情況分析[2-3]，確定工作面平均煤層厚度為5.8 m。根據15號煤層地質條件和以往的生產經驗，確定工作面采煤機割煤高度為2.8 m，放頂煤高度為3 m，采放比為1:1.07。

根據工作面回采巷道布置和計劃停采線的位置，150503工作面設計可采儲量為2.02 Mt。由于礦井設計生產能力為1.5 Mt/a，本工作面的設計生產能力按照1.5 Mt/a設計，該工作面可采期為1.35 a（約16.2個月）。

3.1 采煤機選型

按綜放工作面年產量1.50 Mt/a計算，每天需要開采4545 t。目前，我國綜采工作面的開機率在40%～55%。該工作面配備的先進綜采設備，可以保證開機率在50%左右。

根據15號煤層的賦存條件，確定采煤機的最大割煤高度為2.8 m，選取采煤機的滾筒直徑為1.8 m。在綜合考慮煤層的硬度、頂板巖性以及液壓支架移架步距等情況下，采煤機的截割深度確定為600 mm。

工作面日循環數可用式（1）計算：

式中：Qr為工作面日產量，是由礦井的產量決定的，取4545 t；Kl為工作面正規循環率，取0.8；L為工作面長度，與設計的長度有關，取210 m；H為工作面采高，由煤層厚度決定的，取5.8 m；B為循環進尺，即采煤機的截割深度，取0.60 m；γ為煤的容重，γ=1.45 t/m3；C為工作面回采率，由國家相關標準規定，取93.1%。

將有關參數代入到式（1）中，可以得到工作面每日循環數為5.7。在實際情況下，取整數為6。

采用端部斜切進刀方式，進刀割煤長度為30 m，工作面采用“三八”工作制度。根據以上分析和計算以及國內的采煤機設備情況，選擇MGTY300/730-1.1D型采煤機即可滿足要求。

3.2 前部刮板輸送機選型

在刮板輸送機選擇時，應該滿足以下要求：（1）具有足夠的運輸能力，能將工作面的煤炭及時的全部運出，并留有一定的余量；（2）外型尺寸和牽引方式與采煤機配套；（3）應該覆蓋整個回采工作面，即刮板輸送機的長度與工作面的斜長相一致。刮板輸送機采用0.75 m/s的低速運行，實際功率按2×160 kW。

3.3 液壓支架選型

（1）支架結構高度[4]

式中：Hmax、Hmin為支架的最大、最小高度，m；Mmax、Mmin為最大、最小采高，m。

經過計算，Hmax=3 m，Hmin=2.45 m。

（2）支架支護強度

根據實測數據，利用回歸分析計算放頂煤支架工作阻力：

式中：h為采高，取工作面實際采高2.8 m；r為頂板巖石容重，取2.5 t/m3；P為支架工作阻力，N；Lk為端面距，m；Ld為頂梁長度，m；Lj為采煤機截深，m；B0為支架寬度，m。

將有關數據代入到式（4）和（5）中，可以得到液壓支架的工作阻力不應該小于4606 kN。為了保證液壓支架的工作阻力還有一定的余量，選擇液壓支架的工作阻力應該稍大一些。選擇ZF5000/17/28型支架，工作阻力為5000 kN，能夠滿足支護要求。

4 150503工作面頂煤冒放性分析

頂煤冒放性與開采深度有很大的關系，開采深度越大，頂煤越容易冒放。15號煤層的埋深在300～400 m 左右，因此從開采深度看，頂煤易于冒落。

按照頂煤的強度與破壞關系的理論計算，一般情況下，當煤的強度值Rc＞20 MPa時，頂煤的破壞程度降低，其冒落性漸差。15號煤層150503工作面煤層平均為5.4 m，根據地質報告，15號煤層大都具有條帶結構，光亮的金屬光澤，次為金剛光澤，硬度大，脆度小，煤的硬度普氏系數f小于1，結合已采的放頂煤工作面的實踐經驗，工作面頂煤冒放性較好。此外，頂煤中的裂隙發育程度對頂煤的冒放性有著顯著的影響，頂煤節理裂隙越多，冒放性也就越好。根據15號煤層的頂煤揭露情況來看，頂煤中內生節理和外生節理較發育。因此頂煤冒放性較好。

對頂煤冒放性影響較大的還有夾矸。當頂煤中存在夾矸時，一方面，夾矸在頂煤中形成“骨架”，使頂煤不易垮落；另一方面，即使頂煤垮落，夾矸形成大塊，易堵口使頂煤無法放出。經過測量后發現，15號煤層的夾矸平均厚度為0.4 m，且多為硬度較低的泥巖和炭質泥巖。因此，可以認為煤層中的夾矸對15號煤層放頂煤開采影響較小。

無論從礦壓角度還是從頂煤采出率考慮，直接頂的最小厚度應能夠充滿采出煤后形成的空間。150503工作面15號煤頂板多為泥巖、砂質泥巖，局部為細粒砂巖，厚度5.4～6.2 m，平均5.8 m，局部節理裂隙發育，容易垮落；底板為泥巖，屬中等穩定圍巖，能夠隨著工作面推進，周期性垮落。

5 結語

結合麥捷煤礦地質情況和150503工作面開采條件，分析了工作面主要參數，對工作面關鍵設備進行了選型，對放頂煤的冒放性進行了分析論證。

150503放頂煤工作面自投產運行以來，已經安全開采120 d，共開采煤炭52萬t。經過計算，達到了預期開采目標。雖然在開采過程中，受到斷層構造的影響，但是仍能保證一個較高的資源回采率。經統計，開采過程中的資源回采率在80%～95%左右，平均在90%左右，滿足放頂煤資源回采的要求，表明設計的放頂煤開采的采放比是合理的。