大黃山礦大傾角特厚煤層開采方法及設備的選型研究＊

侯鐵軍 趙云峰 趙耀江 謝生榮 李通達

（1.新疆百花村股份有限公司，新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊市，830002；2.新疆大黃山豫新煤業(yè)有限責任公司，新疆維吾爾自治區(qū)阜康市，831509；3.太原理工大學礦業(yè)工程學院，山西省太原市，030024；4.中國礦業(yè)大學 （北京）資源與安全工程學院，北京市海淀區(qū)，100083）

我國煤炭資源儲量豐富，但其分布類型和開采條件差異巨大，在新疆和甘肅等西部省份的煤炭資源儲備中，傾斜厚煤層儲量達到30%以上。近年來，隨著我國中東部地區(qū)煤層傾角小于30°的易采資源大幅度減少，西部地區(qū)傾斜厚煤層資源逐步已成為國家能源開發(fā)的重點。然而傾斜厚煤層因其特殊的煤層賦存條件、煤巖體力學性質(zhì)以及礦山壓力顯現(xiàn)等因素，工作面易出現(xiàn)單產(chǎn)低、掘進量大、效益及安全性能差、支架易傾倒以及咬架等問題，極大地限制了急傾斜厚煤層的開發(fā)利用，合理的設備選型及采煤工藝已成為傾斜厚煤層大規(guī)模開發(fā)利用的關鍵技術之一。

為了解決大黃山礦+735西翼綜放工作面傾斜厚煤層的設備選型配套及采煤工藝問題，結合實際地質(zhì)生產(chǎn)條件，對大傾角特厚煤層綜放開采的采煤工藝與設備選型配套技術進行了探討研究，以期實現(xiàn)傾斜厚煤層的高產(chǎn)高效開采。

1 地質(zhì)概況

新疆大黃山煤礦位于烏魯木齊以東120km處，井田面積為5.49 km2，海拔標高一般在+1000～+1100m 之間，可采煤層有5 層，自上而下分別為五尺槽、四尺槽、米尺槽、中大槽和八尺槽，其中，中大槽為28m 特厚煤層，為主要回采煤層。中大槽煤層結構簡單，基本不含夾矸，屬于侏羅系下統(tǒng)八道灣組，煤層平均厚度為23.5m，煤層傾角為30°～41°，煤層具有煤塵爆炸性，為易自燃煤層，煤層可采指數(shù)為0.98。頂板完整性較好，局部有0.2～0.5m 厚的炭質(zhì)泥巖偽頂，直接頂為8.0m 厚的細砂巖，屬較堅硬巖石，老頂為砂礫巖，不易冒落，平均厚度為37 m。直接底板為泥質(zhì)粉砂巖，屬半堅硬巖石，老底為細砂巖，屬堅硬巖石。中大槽煤層屬于高油煤，焦油產(chǎn)率達到13.6%，工業(yè)用途廣泛，既可煉焦又可煉油。

+735 西翼綜放工作面位于副井以西290 m處，采用走向長壁斜切分層放頂煤采煤法，走向長度為1240 m，傾向長度為96 m，采高為2.7 m，工作面坡度為22°～32°，由東向西逐步加大，+735工作面進風巷 （運輸）位于煤層頂板巷水平標高+735m，回風巷位于煤層底板水平標高+770 m。此種偽傾斜回采工作面布置方法適應中大槽煤層厚度和傾角的變化，不僅可以增加工作面傾向長度，提高采出率和經(jīng)濟效益，同時工作環(huán)境也比較安全。+7 3 5工作面巷道布置剖面圖如圖1所示。

圖1 +735工作面巷道布置剖面圖

2 大傾角特厚煤層開采技術的特點

大傾角厚煤層機械化開采一直是礦山開采的難題之一，其開采受到埋深、傾角、采高、煤厚、煤體強度以及頂板力學性質(zhì)等眾多因素的影響，但總體來說，煤層大傾角是該類煤層回采困難的最主要影響因素。+735工作面煤層傾角達到了41°，特殊的煤層賦存條件使得采場開采工藝、支架選型、采場維護都呈現(xiàn)出以下新的特點：

（1）傾斜煤層多是強烈構造運動的結果，中大槽煤層中賦存有較多的中小斷層和褶曲等地質(zhì)構造，且煤層厚度自東向西有較大的變化，該類煤層開采較困難，工作面單產(chǎn)低，生產(chǎn)能力較小。

（2）中大槽煤層傾角達41°，接近于煤的自然安息角45°，工作面在回采過程中，割落的煤塊及矸石極易滑落，滑落過程中的煤和矸石容易損壞工作面設備和砸傷人員，工作面安全性欠佳。

（3）隨著工作面傾角的增大，工作面支架所受的切向分力增大，垂直分力減小。中大槽煤層大傾角易導致支護系統(tǒng)的有效載荷變小以及支護系統(tǒng)失穩(wěn)外載荷增大，支架容易出現(xiàn)下滑、傾倒及架間擠、咬現(xiàn)象。

綜上所述，大傾角是該類煤層開采困難的主要影響因素?？偨Y國內(nèi)大傾角煤層現(xiàn)場工程實踐可知，在客觀地質(zhì)條件既定的情況下，進行合理的設備配套選型和采煤方法以及相應工藝的選取可最大限度地降低煤層傾角帶來的不利影響，實現(xiàn)傾斜厚煤層的高產(chǎn)高效開采。

3 大傾角特厚煤層綜合機械化開采技術

3.1 大傾角特厚煤層綜放配套設備選型

+735工作面傾向長度為96 m，平均采高為2.7m，采煤機截深為0.6 m，采煤采出率為80%，產(chǎn)量為70萬t／a。研究了國內(nèi)大傾角厚煤層綜放設備配套技術及高產(chǎn)高效開采方法，同時對“三機”廠家設備的可靠性進行了現(xiàn)場調(diào)研，依據(jù)大黃山礦具體地質(zhì)生產(chǎn)條件，確定了液壓支架的額定工作阻力為5200kN，支撐高度為1.7～3.2m，對采煤機和輸送機進行了配套選型，最終確定了適合大黃山礦的大傾角特厚煤層開采的 “三機”設備。

3.1.1 液壓支架選型

（1）綜放面中部選用ZFS5200／17／32 低位放頂煤液壓支架，主要技術參數(shù)為：高度1700～3200mm，中心距1500mm，初撐力2182kN，工作阻力5200kN，支護強度0.9～0.91 MPa，適應煤層傾角≤45°，泵站壓力31.5 MPa，操作方式為本架控制。

（2）過渡支架選用ZFSG5600／17／32放頂煤過渡支架。主要技術參數(shù)為高度：1700～3200 mm，中心距1500 mm，初撐力3956 kN，工作阻力5600kN，支護強度0.97～0.98 MPa，適應煤層傾角≤45°，泵站壓力31.5 MPa，操作方式為本架控制。

3.1.2 采煤機選型

采煤機選用MG200／500-QWD 型電牽引采煤機，主要技術參數(shù)為：截深630mm，截割高度1.8～3.5 m，滾筒直徑1800 mm，牽引力412～689kN，牽引速度6m／min，適用傾角≤45°。

3.1.3 刮板輸送機選型

（1）前部選用SGZ-730／200型刮板輸送機，主要技術參數(shù)為：輸送量450t／h，刮板鏈速1.12 m／s，中部槽尺寸1500 mm×680 mm×150mm，緊鏈方式為閘盤緊鏈，電機功率200kW。

（2）后部放頂煤選用整鑄結構槽寬較大的SGB-730／200 型刮板輸送機，主要技術參數(shù)為：輸送量800t／h，刮板鏈速1.1 m／s，中部槽尺寸1500mm×680mm×300mm，緊鏈方式為閘盤緊鏈，電機功率2×200kW。

一般來講，工作面的生產(chǎn)能力取決于采煤機落煤能力，而工作面輸送機、液壓支架和其他設備的生產(chǎn)能力都要大于采煤機的生產(chǎn)能力，初步選型采煤機割煤能力為375.8t／h，工作面刮板運輸機的運輸能力為500t／h，轉(zhuǎn)載機運輸能力為630t／h，可伸縮帶式輸送機輸送能力為400t／h。

從以上數(shù)據(jù)可以看出，沿運煤方向生產(chǎn)能力基本上呈 “喇叭口”形式擴展，雖然帶式輸送機的輸送能力稍小于刮板輸送機的運輸能力，但其輸送能力大于采煤機的割煤能力。轉(zhuǎn)載機是制約綜采放頂煤工作面安全高效生產(chǎn)的主要環(huán)節(jié)，所以轉(zhuǎn)載機的輸送能力一定要足夠大。對于雙輸送機的綜放工作面，轉(zhuǎn)載機的輸送轉(zhuǎn)載能力應是工作面輸送機能力的1.2倍。根據(jù)調(diào)研+735綜放工作面的實際生產(chǎn)情況，可以滿足配套要求。

3.2 +735工作面支架防倒防滑安全技術措施

液壓支架穩(wěn)定是大傾角厚煤層工作面安全高效生產(chǎn)的關鍵，也是其他設備穩(wěn)定工作的前提，而支架穩(wěn)定的關鍵在于下端頭支架安全可靠。+735工作面從控制支架高度、立柱伸縮量以及增設防倒千斤頂?shù)确矫孢M行防滑作業(yè)，具體措施如下：

（1）控制采高。工作面采高嚴格控制在2.5～2.7m范圍內(nèi)，工作面支架活柱至少留200mm余量，提高支架自身穩(wěn)定性。

（2）執(zhí)行 “少降快移”、 “帶壓移架”的原則。移架時，側(cè)護板一直保持打開狀態(tài)，立柱降移量小于100mm，前梁超前支撐煤壁并充分接觸頂板。

（3）中間架每隔5架用防倒千斤頂連為一體，移架時，以下方支架為支撐，由下向上向前移架。支架間距超過規(guī)定時，先調(diào)底座間距，然后調(diào)傾斜度，保持支架平穩(wěn)，杜絕前傾后仰，調(diào)整以后再拉支架，防止個別支架下傾造成中部倒架。

（4）下端頭支架在移架之前要隨時起架，支架底座與工作面底板要保持一致。將工作面下端頭1＃架與3＃架用防倒千斤頂連為一體，防止其傾倒或下滑。

（5）液壓支架頂梁、底座必須平行于頂?shù)装?，嚴禁懸空，同時及時將產(chǎn)生在架前和架間的碎煤和碎矸清理干凈，使支架受力均勻，達到平衡。對于有傾倒趨勢的支架必須當班進行調(diào)整。

3.3 大傾角特厚煤層綜放工作面采煤方法及工藝

3.3.1 回采方法

+735綜放面采用走向長壁斜切分層綜放采煤法，其簡化了工作面的裝煤和運煤工序，改善了勞動條件，在煤層傾角和厚度比較穩(wěn)定的情況下，用此方法比水平分層采煤法更有利，采用自然跨落法與強制放頂相結合的方法管理頂板，采用注氮和黃泥注漿處理采空區(qū)。

3.3.2 回采工藝

采煤工作面沿煤層偽傾斜布置，平均采高為2.7m，采煤機中部斜切進刀，單向割煤，截深為0.6m，往返割一刀。采取割兩刀放一次頂煤的循環(huán)作業(yè)方式，放頂煤步距為1.2m。工作面循環(huán)進度為1.2m，每日3個循環(huán)，日進度為3.6m，月進度為84m，年進度為1008m。工作面采用 “三八”制作業(yè)組織方式，其中兩班生產(chǎn)，一班檢修。

3.3.3 回采流程

回采工藝流程為：割煤→推前溜→移架→拉后溜→割煤→推前溜→移架→放頂煤→拉后溜。

3.3.4 回采步驟

（1）落煤。采用采煤機單向割煤，截深0.6m，往返割一刀，返空刀清理底煤。

（2）裝煤。利用采煤機滾筒旋轉(zhuǎn)破煤、落煤和裝底煤，人工收縮液壓支架尾梁插板和升降尾梁破、落、放頂裝煤。

（3）運煤。前溜將工作面采煤機切割下的煤運至工作面運輸巷道的轉(zhuǎn)載機和可伸縮帶式輸送機上，后溜將液壓支架后部放落的頂煤運至工作面運輸巷道的轉(zhuǎn)載機和可伸縮帶式輸送機上并運出。

（4）移架及推溜。采用單架依次順序及時支護方式，移架滯后采煤機追機作業(yè)，并及時伸出前梁，為保證支架移成一條直線，應拉線移架。前刮板輸送機正常情況下隨移架逐段移向煤壁，滯后采煤機15～25m 處，依次順序自下而上進行，推溜步距為0.6m，刮板輸送機彎曲段長度不得小于15 m，推溜后，刮板輸送機必須保證平直。移架后將后溜及時回拉，保證架后放煤。

（5）放頂煤。工作面采用割煤與放頂煤不平行的作業(yè)工藝多輪間隔順序等量放煤，放煤順序按1＃、3＃、5?！琶嚎陧樞蚍琶海淮畏琶毫繛?／4～1／3，然后按2＃、4＃、6?！琶嚎陧樞蚍琶?，這樣反復進行3～4輪將煤放完，盡量使頂煤保持均勻下降，以減少混矸，提高回采率。

3.4 工程效果分析

對+735綜放工作面現(xiàn)場端面頂板維護情況、支架穩(wěn)定性及工況以及工作面開機率等進行跟班調(diào)查，現(xiàn)場礦壓觀測表明，+735綜放工作面端面煤體片幫少，未發(fā)生較大的冒頂事故，且回采過程中支架工作狀態(tài)良好，下端頭支架未發(fā)生傾倒或下滑現(xiàn)象，采煤機的開機率在45%以上，工作面可保證安全穩(wěn)定生產(chǎn)。

4 結語

大黃山煤礦+735綜放工作面配套設備選型適應工作面地質(zhì)生產(chǎn)條件要求，并成功解決了大傾角特厚煤層綜放 “三機”配套的問題，采用走向長壁斜切分層綜放采煤法及相關配套的采煤工藝及頂板管理辦法滿足開采技術要求，為大傾角特厚煤層綜放開采技術提供一定借鑒。

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