四臺礦連續(xù)起伏煤層綜采設(shè)備選型研究

肖楊

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 四臺礦，山西 大同 037007）

0 引 言

國內(nèi)外地質(zhì)條件簡單的大型礦井綜采設(shè)備選型主要依據(jù)煤層厚度來確定支架參數(shù)，進(jìn)而配套其他設(shè)備。而地質(zhì)條件較差的礦井，則須優(yōu)先考慮支架的穩(wěn)定性，同時(shí)確保提高資源的回收率。山西大同四臺礦隨著礦井逐年的開采，侏羅系資源日益減少，逐步轉(zhuǎn)向石炭系，兩系煤層賦存條件相差較大。該礦石炭系太原組8號層煤賦存條件差，向背斜連續(xù)發(fā)育，且直接頂為炭質(zhì)泥巖，極易垮落，因此需要選擇一套適應(yīng)能力強(qiáng)的回采設(shè)備，保證礦井正常安全回采，提高資源回收率。以四臺礦8層煤802盤區(qū)首采80207工作面為研究對象，進(jìn)行連續(xù)起伏煤層綜采設(shè)備選型設(shè)計(jì)。

1 煤層賦存條件

四臺礦石炭系井田位于大同煤田北部邊緣，主采煤層為太原組8號層煤。煤的自然發(fā)火期為6個(gè)月，煤層埋深412～450 m，煤層厚度0～8.10 m，平均厚度3.52 m，煤層厚度變化較大。井田西南部煤層厚，東北部薄。直接頂板為1層深灰-黑灰色泥巖。區(qū)內(nèi)8號層煤有被古河流沖刷現(xiàn)象，頂板為中粗粒砂巖。煤層結(jié)構(gòu)較簡單，一般含0～1層夾矸。底板為一層淺灰色含砂高嶺巖，砂泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，泥質(zhì)為重結(jié)晶高嶺巖。煤層頂板以直接頂、基本頂雙層結(jié)構(gòu)為主，次為直接頂結(jié)構(gòu)且零星分布偽頂。

802盤區(qū)煤厚2.0～7.3 m，頂板炭質(zhì)泥巖為主，底板砂質(zhì)泥巖為主，厚度2.3 m，抗壓強(qiáng)度25.7～41.6 MPa，平均34.8 MPa。井田內(nèi)斷層、陷落柱、向斜、背斜等地質(zhì)構(gòu)造較多，煤層傾角變化較大，走向傾角約±16°，最大約20°。

首采80207工作面煤層厚度2.7～7.3 m，平均厚度5.5 m。共揭露斷層12個(gè)，落差0.6～7.5 m，工作面傾向傾角8°～16°，最大約20°，傾角變化很大。煤層起伏變化較大，順槽走向和工作面煤層成波浪狀態(tài)。如圖1所示。

圖1 首采80207工作面軌道順槽剖面圖Fig.1 Section map of the first 80207 working face track

地質(zhì)條件對回采主要有以下影響。

（1）因煤層起伏變化以及斷層較多，采煤機(jī)需要割大量巖石。

（2）彎段取直。因工作面走向起伏變化大，無論哪種采煤工藝，為減小起伏變化角度，須沿工作面走向采取留底煤或即留底煤又留頂煤的彎段取直措施。

（3）經(jīng)彎段取直后，有的地方無頂煤，有的地方頂煤很薄，雖然鉆孔揭露煤層較厚，但實(shí)際開采煤層變化較大。

2 采煤工藝及采煤設(shè)備選擇

2.1 采煤工藝選擇

下面就綜放與采全高兩種工藝作詳細(xì)對比。

2.1.1 資源回收率對比

（1）放頂煤開采。如選用13 000 kN支架，最大采高3.6 m，如選10 000 kN支架，最大采高3.3 m,最低采高2.7 m，遇斷層不能進(jìn)一步減小采高，如遇更厚煤層因起伏變化大，頂煤很難回收，綜合考慮，整體資源回收率在60%左右。

（2）一次采全高開采。最小采高2.4 m，最大采高4.4 m，遇斷層可減小采高，少割矸石，如遇厚煤層可提高采高，盡可能提高資源回收率。所以采全高工作面資源回收率可達(dá)75%以上。綜合分析80207工作面資源回收率可達(dá)88%。

2.1.2 矸石混入對比

（1）放頂煤。因煤層走向連續(xù)起伏，仰俯采角度較大。俯采時(shí)頂煤與矸石混在一起，很難控制矸石進(jìn)入后溜，頂煤回收率低、矸石混入比例大；仰采時(shí)頂煤直接掉入采空區(qū)，放到后溜很少。因此頂煤矸石混入比可達(dá)到70%以上，并且導(dǎo)致后溜磨損加快。

（2）采全高。可在采煤過程中根據(jù)煤層厚度靈活控制采煤高度，矸石混入比很小，設(shè)備磨損少。

2.1.3 俯采難度分析對比

（1）放頂煤工藝：①俯采時(shí)頂煤回收率低，矸石混入比大；②后溜與支架間的放口煤很難控制；③后溜在矸石的推動(dòng)下很容易緊貼支架，后溜上竄下滑很難控制。

（2）采全高工藝：①俯采時(shí)要控制好采煤機(jī)穩(wěn)定性，三機(jī)配套中需采取特殊措施；②俯采最大角度16°，國內(nèi)類似俯采角度開采煤層很多；③俯采時(shí)也可根據(jù)煤層厚度增加采高盡可能提高資源回收率。

2.1.4 仰采難度分析對比

（1）放頂煤工藝：①仰采時(shí)頂煤回收率更低，矸石混入比大；②后溜與支架間的放口煤很難控制；③拉后溜困難，后溜上竄下滑；④煤壁也會(huì)存在片幫冒頂現(xiàn)象，需要適當(dāng)降低采高。

（2）采全高工藝：①仰采難度大，容易片幫冒頂，需提高支架工作阻力和支架的支護(hù)效率，提高護(hù)幫高度，降低采高；②拉架困難，需降低支架重量，加大推移缸徑，提高拉架力。

2.1.5 端頭支護(hù)設(shè)備對比

（1）放頂煤工藝。前后2部刮板，配套后轉(zhuǎn)載機(jī)和端頭支架總長度較長，移架、推轉(zhuǎn)載機(jī)都很困難。

（2）采全高工藝。轉(zhuǎn)載機(jī)總長度短，約10 m左右，端頭支架長度短，拉架、推移轉(zhuǎn)載機(jī)方便靈活、機(jī)動(dòng)性好，可更好適應(yīng)起伏不平的巷道條件。

通過以上5個(gè)方面對比，綜合考慮各種因素以及四臺礦煤層賦存條件，確定該礦8號層煤采用采全高采煤工藝，選用支架重量相對較輕、最大采高要達(dá)到4 m以上、俯仰采期間穩(wěn)定性均能滿足要求的設(shè)備。

2.2 設(shè)備參數(shù)的確定

2.2.1 采高確定

主要依據(jù)煤層厚度（包括煤層夾矸厚度），同時(shí)要考慮設(shè)備能力和礦山壓力顯現(xiàn)狀態(tài)。

8號煤層有效鉆孔37個(gè)，煤厚小于4.3 m的鉆孔11個(gè)，煤厚4.3～7.0 m的鉆孔26個(gè)，確定最小采高2.6 m，最大采高4.4 m，基本含蓋大部分煤層。通過80207工作面兩順槽實(shí)際揭露煤層情況，資源回收率可達(dá)到88%。最終確定支架最大高度4.6 m，支架最小高度2.2 m。

2.2.2 支架配套中心距的確定

因煤層起伏變化大，仰采角度16°左右，拉架困難，因此選用1.5 m中心距支架，重量輕，機(jī)動(dòng)靈活，方便移架，適應(yīng)性好；刮板輸送機(jī)溜槽1.5 m槽長度，更好適應(yīng)工作面傾向起伏不平地質(zhì)條件。對于仰俯采16°，1.5 m中心距也可選用151大節(jié)距提高采煤機(jī)與刮板機(jī)的配套可靠性。

2.2.3 支架橫向穩(wěn)定性

首采80207工作面傾角達(dá)到16°，通過增加防倒防滑功能，1.5 m中心距支架也可以滿足4.4 m采高的橫向穩(wěn)定性要求。

2.3 最終設(shè)備選型型號

根據(jù)以上綜合分析進(jìn)行工作面設(shè)備選型，包括采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、液壓支架、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、順槽皮帶機(jī)等，形成一套綜采設(shè)備，具體設(shè)備型號如下。

采煤機(jī)：MG650/1630-WD

刮板輸送機(jī)：SGZ1000/2×855

轉(zhuǎn)載機(jī)：SZZ1000/525

破碎機(jī)：PCM400

液壓支架：中部ZZ12000/22/46；過渡ZZG120 00/22/46；端頭ZTZ10000/23/42

順槽皮帶機(jī)：DSJ120/100/2×400

根據(jù)煤層起伏變化大、仰俯采角度大的特點(diǎn)，采用遠(yuǎn)距離供液、供電方式。

3 特殊地質(zhì)條件配套綜采設(shè)備應(yīng)對方法

3.1 液壓支架

（1）頂梁防倒與防滑。側(cè)護(hù)千斤頂由φ80 mm增加到φ100 mm，增大側(cè)護(hù)板調(diào)架能力；機(jī)頭機(jī)尾部分支架頂梁安裝防倒機(jī)構(gòu)，底座安裝防滑機(jī)構(gòu)。

（2）頂板、煤體較破碎，仰采時(shí)容易片幫冒頂，采取以下措施：支架采取頂梁、掩護(hù)梁、后連桿設(shè)計(jì)，全封閉式側(cè)護(hù)板防止漏頂、漏矸；前梁設(shè)計(jì)0.8 m行程伸縮梁。可及時(shí)支護(hù)頂板；選用高工作阻力支架，增大前立柱缸徑，提高頂梁前端接頂效果，有效防止片幫、冒頂；支架伸縮梁前設(shè)計(jì)一級護(hù)幫板，增加護(hù)幫高度。

（3）底座前端設(shè)計(jì)抬底機(jī)構(gòu)，加大抬底量和過橋龍門高度。

（4）優(yōu)化支架空間布局，加寬底座接地面積，降底底座前端比壓。

（5）加大推移機(jī)構(gòu)移架能力，加大推移千斤缸徑，由原φ160 mm增大到φ180 mm。

3.2 采煤機(jī)

（1）選用151 mm大節(jié)距銷排，增加采煤機(jī)行走機(jī)構(gòu)強(qiáng)度、可靠性。

（2）如果連續(xù)大角度俯仰采長度超過100 m，考慮臨時(shí)更換專用的導(dǎo)向滑靴和支撐腿。

（3）采煤機(jī)牽引電控采用一拖一四象限的控制方式，保證連續(xù)下行割煤；同時(shí)采煤機(jī)加裝制動(dòng)器，防止采煤機(jī)駐車時(shí)出現(xiàn)溜車現(xiàn)象。

（4）如遇全巖或者夾矸較多時(shí)，先放震動(dòng)炮后用采煤機(jī)截割；若經(jīng)常需要割全巖或者夾矸，滾筒采用強(qiáng)力重型破巖滾筒。

（5）提高耐磨。搖臂行星頭處堆焊耐磨層；支撐滑靴采用進(jìn)口耐磨鋼板焊接；導(dǎo)向滑靴導(dǎo)向面焊接復(fù)合耐磨鋼板確保耐磨性；行走輪增加滲碳層深度，提高耐磨性。

（6）潤滑。搖臂安裝強(qiáng)迫潤滑泵，確保采煤機(jī)搖臂行星頭的潤滑；液壓泵站針對俯仰采做優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保順利透氣加注油。

（7）電氣元部件的防松防震。電氣元部件的安裝螺紋采用施必牢螺紋；安裝時(shí)螺釘螺栓均涂覆LOC-243螺紋鎖固膠；關(guān)鍵緊固件采用鬧得牢防松墊圈；關(guān)鍵元部件安裝采用定制的減震墊。

3.3 刮板輸送機(jī)

（1）為適應(yīng)工作面起伏采取的變化，選用1 500 mm中部槽，以靈活適應(yīng)工作面條件，同時(shí)與支架相配合。

（2）銷排選用151 mm強(qiáng)力鍛造銷排。

（3）中部槽中底板選用HARDOX450等高強(qiáng)度耐磨板，中板厚度由40 mm加厚到50 mm，底板30 mm，采用多層多道焊接工藝。

（4）針對槽幫不同工作部位的受力狀態(tài)和力學(xué)性能要求，槽幫采取分區(qū)淬火熱處理工藝，提高槽幫鏈道、鏟板、凸端、凹端等部位硬度指標(biāo)，以滿足高強(qiáng)、高耐磨性能。

（5）加大推移耳根部圓弧，提高其沖擊韌性，以適應(yīng)支架的推拉作用。

（6）減少對起弧段的磨損措施，過渡段及變角度部位均采用大圓弧設(shè)計(jì)，升角小，可更換翼板。

3.4 轉(zhuǎn)載機(jī)

（1）凸槽中板圓弧段采用可更換式中板。

（2）落地段槽體采用啞鈴聯(lián)接，槽體長度為1 m/件。

（3）轉(zhuǎn)載機(jī)配邁步自移，導(dǎo)軌長度調(diào)整為1 m/件，以適應(yīng)順槽起伏不平變化。

（4）加大端頭支架推移千斤頂缸徑，提高推轉(zhuǎn)載機(jī)能力。

（5）中部槽中底板選用HARDOX450等高強(qiáng)度耐磨板，中板厚度由40 mm加厚到50 mm，底板40 mm。

3.5 破碎機(jī)

破碎機(jī)板材材料采用Hardox450，板厚加厚，中板厚度50 mm，底板厚度40 mm。破碎中板厚度80 mm。

3.6 自移機(jī)尾ZY2700

（1）自移機(jī)尾頭端架兩側(cè)加裝壓帶裝置。

（2）四根立缸下方連接銷加粗由原φ40 mm改為φ60 mm。

（3）支撐滑架加固。

3.7 順槽皮帶機(jī)

（1）巷道凹弧段機(jī)身增加生根的可調(diào)壓帶裝置，強(qiáng)行將上帶面凹弧段半徑縮小，并使凹弧段機(jī)身盡量降低。

（2）提供數(shù)量較多的可調(diào)支腿，以適應(yīng)上、下起伏不定巷道，達(dá)到與自移機(jī)尾的自然的過渡。

4 現(xiàn)場施工情況

首采80207工作面回采以來，該套設(shè)備在過大傾角俯仰采、炭質(zhì)泥巖破碎頂板及各類地質(zhì)構(gòu)造時(shí)，有效的控制了頂板。回采期間工作面煤層起伏，采取彎段曲直，如圖2所示，圖中深色線為工作面頂?shù)装濉?/p>

圖2 工作面回采期間素描圖Fig.2 Sketch of working face during mining

目前，該套設(shè)備已回采360 m，工況良好，安全高效的完成了逐月生產(chǎn)任務(wù)。

5 結(jié) 語

針對四臺礦8層煤802盤區(qū)首采80207工作面煤層起伏變化較大以及斷層較多的難題，通過資源回收率、矸石混入比、開采難度等方面對比分析，確定了連續(xù)起伏煤層礦井成套綜采設(shè)備，最終安全高效的通過了斷層、向背斜等構(gòu)造，產(chǎn)量增加15%，為該礦今后工作積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。