短壁連續(xù)化開(kāi)采技術(shù)淺析

毛利忠

(華北科技學(xué)院，北京 101601)

長(zhǎng)壁綜采礦井均存在邊角煤、殘采煤、“三下”壓煤及不規(guī)則塊段煤的回收問(wèn)題，而短壁連續(xù)化開(kāi)采技術(shù)用于解放大量的呆滯煤量,最大限度的回收不可再生煤炭資源，延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限，提高煤炭企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)保持煤炭工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展有著極其重要的意義。

從神東礦區(qū)使用短壁連續(xù)化開(kāi)采技術(shù)所取得的短壁式開(kāi)采產(chǎn)量和掘進(jìn)速度以及二者的效率來(lái)看，只要強(qiáng)化管理、加強(qiáng)設(shè)備的維護(hù)檢修和采掘工人的技術(shù)培訓(xùn)工作，采用以連續(xù)采煤機(jī)-給料輸送機(jī)-轉(zhuǎn)載機(jī)-帶式輸送機(jī)構(gòu)成的連續(xù)工藝系統(tǒng)對(duì)我國(guó)高產(chǎn)高效礦井的發(fā)展和提高有重大實(shí)際意義。

1 短壁開(kāi)采工藝參數(shù)與采場(chǎng)布置

1.1 短壁連續(xù)化開(kāi)采工作面布置

短壁開(kāi)采工作面布置主要有以下三種方式，經(jīng)過(guò)技術(shù)比較，確定最佳短壁采場(chǎng)布置方式：

方案一：工作面布置如圖1 所示。主巷單巷布置，在主巷兩側(cè)直接布置與主巷成35°～45°的工作面。這種布置的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)簡(jiǎn)單，投產(chǎn)快，便于掌握工作面地質(zhì)情況，適合于試驗(yàn)性開(kāi)采。缺點(diǎn)是設(shè)備搬遷頻繁，只能采用局扇通風(fēng)，一次采煤寬度僅為20～30 m。

方案二：工作面布置如圖2 所示。主巷單巷布置，在主巷兩側(cè)布置與主巷成60°的回采支巷，回采支巷兩側(cè)再布置與支巷成45°的開(kāi)采工作面。這種布置方式的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備搬遷少，便于工作面組織生產(chǎn)，一次采煤寬度達(dá)140 m左右。缺點(diǎn)是通風(fēng)系統(tǒng)復(fù)雜，開(kāi)采面地質(zhì)情況不易提前搞清。

方案三：工作面布置如圖3 所示。與方案二相比，主巷雙巷布置，一條為膠運(yùn)主巷，一條輔運(yùn)主巷。主要優(yōu)點(diǎn)是便于通風(fēng)，輔運(yùn)系統(tǒng)順暢。缺點(diǎn)是巷道掘進(jìn)率高。

α.采巷與主巷的夾角，35°～45°；1.主巷(膠帶輸送機(jī)巷)寬4.5m，高3m；2.采巷寬度為5.5～6m，長(zhǎng)度L為10～15m；3.煤柱2～2.5m； 4.回采支巷長(zhǎng)80m，寬D為4.5m

α.采巷與支巷巷的夾角，35°～45°；α1.回采支巷與主巷夾角， 60°1.主巷(膠帶輸送機(jī)巷)寬4.5m，高3m；2.采硐寬度為5.5～6m，長(zhǎng)度L為10～15m；3.煤柱2～2.5m；4.回采支巷長(zhǎng)80m，寬D為4.5m

α.采巷與支巷巷的夾角，35°～45°；α1.回采支巷與主巷夾角，60°1.主巷(膠帶輸送機(jī)巷)寬4.5m，高3m；2.采硐寬度為5.5～6m，長(zhǎng)度L為10～15m；3.煤柱2～2.5m；4.回采支巷長(zhǎng)80m，寬D為4.5m；5.輔助運(yùn)輸巷，寬4.5m，高3m

應(yīng)根實(shí)際地質(zhì)情況選擇合適的方案，提高掘進(jìn)和回采速度，保證了工作面安全生產(chǎn)。

1.2 開(kāi)采參數(shù)的確定

在開(kāi)采工藝上，采寬的確定取決于采硐寬度、采硐長(zhǎng)度及隔離煤柱寬度。這里首先以開(kāi)采工藝為依據(jù)，確定采硐長(zhǎng)度、寬度、隔離煤柱寬度，進(jìn)而確定采寬。再根據(jù)保護(hù)地表建筑物的要求，確定保護(hù)煤柱的寬度。

1.2.1 采硐的寬度

1.2.1.1 巖梁載荷分析

根據(jù)巷道兩側(cè)煤柱對(duì)頂巖梁的約束條件,頂板巖梁可按簡(jiǎn)支梁或固定梁的情況進(jìn)行分析。一般當(dāng)煤層賦存深度較淺,開(kāi)掘巷道或煤房后在兩側(cè)煤柱中產(chǎn)生的支承壓力不太大,或者煤柱兩側(cè)為大面積采空區(qū),煤柱對(duì)頂板的“夾持”作用較小,巖梁可按簡(jiǎn)支梁處理。反之,若煤層埋藏較深,煤柱兩側(cè)未被采空,煤柱對(duì)頂板巖梁的“夾持”作用較大,則按“固定梁”處理較為合理。

1.2.1.2 煤房寬度確定

若按簡(jiǎn)支梁和固定梁考慮,可求得煤房的極限寬度，再考慮一定的安全性,就可確定煤房寬度。

1.2.2 確定采硐長(zhǎng)度

影響采硐長(zhǎng)度確定的主要因素有煤層頂板(直接頂)自穩(wěn)時(shí)間及機(jī)械設(shè)備配套長(zhǎng)度。根據(jù)觀(guān)測(cè)，煤層采寬5.5 m左右時(shí)的自穩(wěn)時(shí)間為4～5 h，遇構(gòu)造時(shí)還會(huì)縮短。由于一個(gè)采硐開(kāi)采時(shí)間一般2 h左右，因此頂板穩(wěn)定性不會(huì)制約采硐長(zhǎng)度的選擇。

1.2.3 隔離煤柱寬度

通常所見(jiàn)到的巷道煤柱的形狀, 一般為正方形或矩形, 也有菱形, 以使設(shè)備易于在巷道間轉(zhuǎn)彎。邊界煤柱位于每條主巷兩側(cè), 或在采區(qū)之間,用以分離已采區(qū)或相鄰的未采區(qū)。理論計(jì)算所得的合理的煤柱寬度。

1.2.4 支巷長(zhǎng)度確定

支巷長(zhǎng)度可按噸煤費(fèi)用最低的準(zhǔn)則求解，根據(jù)平巷掘進(jìn)費(fèi)用、巷內(nèi)運(yùn)輸費(fèi)用、巷道的維護(hù)費(fèi)用等來(lái)確定。

1.3 短壁連續(xù)化開(kāi)采工作面設(shè)備布置

連續(xù)采煤工藝系統(tǒng)適用于中等穩(wěn)定頂板，對(duì)頂板的完整性要求較高；底板要求穩(wěn)固、平整、無(wú)積水。對(duì)設(shè)備選型要滿(mǎn)足生產(chǎn)需要、適應(yīng)性、可靠性、節(jié)能性、耐用性等要求。連續(xù)采煤工藝系統(tǒng)的工作面設(shè)備布置如圖4 所示。

圖4 連續(xù)采煤工藝系統(tǒng)的工作面設(shè)備布置

1.3.1 連續(xù)采煤機(jī)

連續(xù)采煤機(jī)通常由截割機(jī)構(gòu)、裝運(yùn)機(jī)構(gòu)、履帶行走機(jī)構(gòu)等組成?，F(xiàn)在礦區(qū)的連續(xù)采煤機(jī)主要是從國(guó)外引進(jìn)。

1.3.2 連續(xù)采煤機(jī)主要配套設(shè)備

連續(xù)采煤機(jī)掘進(jìn)成套掘進(jìn)設(shè)備配備列于表1。

表1 連續(xù)采煤機(jī)掘進(jìn)成套掘進(jìn)設(shè)備配備表

運(yùn)煤車(chē)。蓄電池運(yùn)煤車(chē)適用于底板好、運(yùn)輸沒(méi)有坡度的條件；而梭車(chē)就適用于使用環(huán)境差、水大、地板松軟、有一定運(yùn)輸傾角的工況，可以讓其優(yōu)勢(shì)得到發(fā)揮。

給料破碎機(jī)。給料破碎機(jī)與連續(xù)采煤機(jī)、運(yùn)煤車(chē)和帶式輸送機(jī)配套, 實(shí)現(xiàn)落煤、裝煤、運(yùn)煤機(jī)械化，以滿(mǎn)足帶式輸送機(jī)的運(yùn)輸能力及要求，完成運(yùn)輸作業(yè)。

錨桿機(jī)。錨桿機(jī)作為連續(xù)采煤機(jī)完成掘進(jìn)、裝運(yùn)等工序之后的配套頂板支護(hù)設(shè)備,對(duì)頂板及時(shí)支護(hù)。從某種意義上講, 錨桿支護(hù)是保證安全高產(chǎn)的技術(shù)關(guān)鍵。在選擇錨桿機(jī)時(shí)應(yīng)考慮巷道高度、坡度、頂?shù)装逡约板^桿支護(hù)速度等因素。

鏟車(chē)。鏟車(chē)作為高產(chǎn)高效井下的輔助運(yùn)輸設(shè)備，是連續(xù)采煤機(jī)的主要配套設(shè)備之一, 具有運(yùn)輸煤炭、清理工作面和輔助運(yùn)輸?shù)榷喾N功能。

1.3.3 連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)

神東公司結(jié)合自身特點(diǎn)自行研制了一整套適用于短壁機(jī)械化采煤的連續(xù)采煤機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)，主要由給料破碎機(jī)、行走轉(zhuǎn)載機(jī)、跨騎橋式轉(zhuǎn)載機(jī)等多個(gè)單元組成。它與連續(xù)采煤機(jī)和帶式輸送機(jī)配套使用，實(shí)現(xiàn)了了落煤、裝煤和和運(yùn)煤的機(jī)械化。

1.3.4 履帶行走式液壓支架

履帶行走式液壓支架集行走、支護(hù)于一體, 主要與連續(xù)采煤機(jī)相配套。支架在進(jìn)行煤柱回收時(shí), 可以有效保護(hù)人員及設(shè)備的安全, 在工作循環(huán)中, 不必再專(zhuān)門(mén)架設(shè)支架或錨桿支護(hù), 可省去在回收煤柱過(guò)程中耗時(shí)的輔助工序, 并可大大消除連續(xù)采煤機(jī)因頂板冒落受阻的可能性。

1.4 壁連續(xù)化采煤回采工藝

1)落煤：采用連續(xù)采煤機(jī)完成落煤工序。割煤方式與掘進(jìn)時(shí)相同。

2)裝煤、轉(zhuǎn)載：裝煤采用高效掘進(jìn)機(jī)裝煤方式，連續(xù)采煤機(jī)割煤時(shí)，煤落到采煤機(jī)鏟板上，將煤裝入采煤機(jī)上的中部刮板輸送機(jī)，中部刮板輸送機(jī)將煤卸裝到后面配套給料運(yùn)輸機(jī)，給料運(yùn)輸機(jī)卸載到轉(zhuǎn)載膠帶上，實(shí)行裝煤、轉(zhuǎn)載過(guò)程。

3)運(yùn)煤：采出的煤炭通過(guò)掘進(jìn)機(jī)后部的轉(zhuǎn)載膠帶把煤卸到膠帶輸送機(jī)上，運(yùn)輸?shù)焦伟暹\(yùn)輸機(jī)，由采區(qū)膠帶運(yùn)出。

4)支護(hù)：落煤、裝煤工序均在采硐內(nèi)進(jìn)行，并由激光指示儀指向，采硐外段回采時(shí)人員隨機(jī)操作；當(dāng)連續(xù)采煤機(jī)操作室接近或進(jìn)入采硐時(shí)，人員離機(jī)遙控操作。

5)通風(fēng)：采用局扇壓入式通風(fēng)，后退回采時(shí)，在主巷內(nèi)，每隔一定距離要打密閉。

2 短壁連續(xù)化開(kāi)采技術(shù)的適用條件

文獻(xiàn)[2]中總結(jié)了短壁機(jī)械化開(kāi)采技術(shù)適用條件，主要有以下幾個(gè)：

1)埋藏深度較淺的煤層。對(duì)于上覆巖層比較厚的，由于采場(chǎng)靜壓力大，支護(hù)也相對(duì)困難，對(duì)短壁開(kāi)采影響較大，因此適用于埋藏較淺的煤層。

2)煤層厚度適中，賦存較為穩(wěn)定的煤層。連續(xù)采煤機(jī)及其配套設(shè)備對(duì)煤層條件要求比較高，當(dāng)煤層厚度低于1.5m時(shí)，各類(lèi)設(shè)備的運(yùn)行高度就受限，降低其效率。

3)開(kāi)采近水平煤層。短壁機(jī)械化工作面宜布置在小于8°的近水平煤層中，在1°～3°的煤層中更好。

4)煤質(zhì)堅(jiān)硬、頂板中等穩(wěn)定、底板不易軟化的煤層。連續(xù)采煤機(jī)采煤工藝特點(diǎn)決定了對(duì)煤層條件的特殊要求。設(shè)備對(duì)巷道斷面要求大，非穩(wěn)定頂板和松軟煤層不能達(dá)到巷道的有效寬度。

5)作為大型井田的邊角煤塊段和不適宜布置綜采工作面的小型井田的采煤方法。由于短壁采煤工作面的布置較為靈活，基本上不受地質(zhì)條件的影響，對(duì)于邊角塊段和不適宜布置綜采工作面的小型井田利用此方法更易實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效。

3 結(jié)論

隨著我國(guó)煤炭資源大規(guī)模粗放性開(kāi)采，適合長(zhǎng)壁開(kāi)采的資源正在逐漸減少，而且長(zhǎng)壁開(kāi)采留下的殘留煤柱、殘缺煤區(qū)、邊角煤等煤炭資源卻在逐年上升，短壁開(kāi)采在這方面發(fā)揮重要作用，提高了煤炭的回收率。短壁連續(xù)化開(kāi)采技術(shù)雖然有采出率低、通風(fēng)條件差、對(duì)地質(zhì)條件要求嚴(yán)格等缺點(diǎn)，但是卻具有設(shè)備投資少、采掘合一、開(kāi)采速度快、出矸少、礦山壓力小、巷道和采煤空間便于維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，在巷道的長(zhǎng)距離快速掘進(jìn)中已經(jīng)取的了很好的應(yīng)用實(shí)例。

同時(shí)連續(xù)化開(kāi)采設(shè)備的配套是否合理，以及使用過(guò)程中設(shè)備的維修、更新，都給我國(guó)的短壁連續(xù)化開(kāi)采提出了挑戰(zhàn)。

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