村莊壓煤開采方案設(shè)計(jì)及開采方法比選分析

劉　貴，徐乃忠

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭科學(xué)研究總院 北京開采研究院，北京 100013)

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村莊壓煤開采方案設(shè)計(jì)及開采方法比選分析

劉貴1，2，徐乃忠1，2

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭科學(xué)研究總院 北京開采研究院，北京 100013)

[摘要]為了解決某煤礦某開采塊段村莊壓煤?jiǎn)栴}，通過綜合分析，認(rèn)為條帶開采具有現(xiàn)實(shí)可行性，并進(jìn)行了條帶開采采留寬尺寸設(shè)計(jì)，提出了滿足條件的開采方案。通過比較連續(xù)采煤機(jī)條帶式“旺格維利”采煤法及短壁采煤機(jī)開采的適用條件、應(yīng)用范圍，并進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)效益分析后，認(rèn)為短壁采煤機(jī)具有更好的適用性。為其解放村莊壓煤探討了新的途徑，可供類似開采條件的礦區(qū)參考。

[關(guān)鍵詞]村莊壓煤；條帶開采；連續(xù)采煤機(jī)；“旺格維利”采煤法；短壁開采

[引用格式]劉貴，徐乃忠.村莊壓煤開采方案設(shè)計(jì)及開采方法比選分析[J].煤礦開采，2015，20(6)：87-89.

由于我國(guó)人口多，村莊密，多數(shù)礦區(qū)面臨村莊壓煤?jiǎn)栴}，一般占礦井儲(chǔ)量的10%~30%，一些局礦占40%，甚至更多[1-2]。某煤礦某塊段地面村莊較多，共4個(gè)村莊，搬遷困難，一方面是由于無(wú)地可搬，找不到合適的新村址；另一方面是由于各村莊保護(hù)煤柱線相互交叉，搬一個(gè)村莊解決不了問題，搬遷成本高，經(jīng)濟(jì)效益不合理。條帶開采是解決建(構(gòu))筑物下壓煤的一個(gè)有效途徑[3-4]，應(yīng)用也較為廣泛，通過綜合分析認(rèn)為采用條帶開采解放部分村莊壓煤較為現(xiàn)實(shí)可行，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行開采方法的比選分析，確定本條件下的開采方案。

1村莊及保護(hù)煤柱概況

在研究塊段范圍內(nèi)地表標(biāo)高平均為35.0m，地面共有4個(gè)村莊，編號(hào)分別為村莊1、村莊2、村莊3和村莊4。為了進(jìn)行村莊壓煤開采設(shè)計(jì)，首先根據(jù)垂直剖面法劃定各個(gè)村莊的保護(hù)煤柱，見圖1。由圖可知保護(hù)煤柱線互相重疊。

圖1　研究塊段范圍和各村莊及保護(hù)煤柱井上下對(duì)照

研究塊段位于某礦主井西部，東至西九下山，西至西六采區(qū)設(shè)計(jì)下山保護(hù)煤柱線，南至-400m大巷，北至7號(hào)煤層-850m底板等高線，其走向長(zhǎng)約2500m，傾向長(zhǎng)度1000m，面積約為2.0km2。開采煤層為山西組7號(hào)煤，厚度為2.88~5.5m，平均厚度3.9m。煤層傾角12～37°，平均21°，屬單斜煤層，煤層容重1.35t/m3。

2條帶開采方案設(shè)計(jì)及預(yù)計(jì)分析

為確保房屋只受微小損壞，確定地表最大水平變形值小于1.0mm/m。考慮到本區(qū)域地表潛水位較高，地表最大下沉量須控制在400mm以內(nèi)，通過單工作面開采預(yù)計(jì)分析，確定該村莊煤柱開采的最大寬度為70m。

為保證煤柱長(zhǎng)期穩(wěn)定，煤柱內(nèi)需有核區(qū)存在，煤柱留寬按三向受力狀態(tài)計(jì)算，采用A.H.Willson法，當(dāng)條帶煤柱有“核區(qū)”存在時(shí)，也即留設(shè)煤柱寬度a≥0.01mH+8.4，對(duì)于研究塊段，留設(shè)條帶的寬度需大于34m，則保留的條帶煤柱呈三向受力狀態(tài)。這時(shí)留寬a按下式計(jì)算[5]：

(1)

式中，a為留寬，b為采寬，m為采厚，H為采深。

此時(shí)的a值為給定采寬b的最小值。以不同的采寬可得到的最小留寬見表1，因計(jì)算得到的留設(shè)寬度是在該條件下的最小值，為此我們適當(dāng)取大，具體取值見表1。

表1　采留寬度計(jì)算

選擇表1中的最大下沉系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，從計(jì)算結(jié)果知，整個(gè)研究塊段采用條帶開采，在采寬取最大70m，留寬也取70m的情況下，地表最大下沉為419mm，稍微超過了400mm的限制，但對(duì)房屋的影響不大，最大水平拉伸變形為0.66mm/m，最大傾斜變形為1.25mm/m，地表移動(dòng)與變形值均在村莊房屋允許的變形值以內(nèi)，該移動(dòng)變形值對(duì)民房影響很小，所以認(rèn)為這幾種方案都是可行的。具體選用何種方案，視井下具體開采條件而定。

為解放研究塊段的村莊壓煤，在采用條帶開采方法的基礎(chǔ)上，分析對(duì)比在采出的條帶內(nèi)采用連續(xù)采煤機(jī)“旺格維利”采煤法和短壁采煤機(jī)進(jìn)行回收煤炭的可行性。

3連采機(jī)“旺格維利”采煤法及開采工藝

3.1短壁工作面布置方式

連續(xù)采煤機(jī)配備連續(xù)運(yùn)煤系統(tǒng)短壁機(jī)械化開采的工作面布置相對(duì)較靈活，工作面準(zhǔn)備時(shí)間短，為不適合布置長(zhǎng)壁工作面區(qū)域煤炭回采提供方便[6]。采用連采機(jī)開采可布置為條帶式工作面進(jìn)行回采。

條帶式短壁工作面設(shè)兩條平巷，即帶式平巷和輔運(yùn)平巷，平巷間留約20m煤柱。沿平巷兩翼每隔一段距離掘與平巷呈一定角度(60°左右)的支巷和聯(lián)絡(luò)巷，兩翼整體向前推進(jìn)，邊掘平巷、支巷，邊回采。平巷、聯(lián)絡(luò)巷及支巷均采用錨桿支護(hù)。工作面布置見圖2。

圖2　連采機(jī)配備連續(xù)運(yùn)煤系統(tǒng)短壁機(jī)械化工作面及巷道布置

3.2回采工藝

各回采工序采用連續(xù)采煤機(jī)及其配套裝備依次完成。即：用連采機(jī)進(jìn)行截割煤和裝煤，經(jīng)連續(xù)運(yùn)煤系統(tǒng)轉(zhuǎn)載到帶式平巷膠帶機(jī)進(jìn)入礦井主運(yùn)系統(tǒng)，采用2臺(tái)履帶行走式液壓支架進(jìn)行支護(hù)。當(dāng)支巷掘進(jìn)完成后，開始后退式回采，采硐與支巷方向成一定角度(一般為45~60°)，采用單刀進(jìn)刀方式。2臺(tái)履帶行走式液壓支架交替移架，支架前移后，采空區(qū)采用全部垮落法管理頂板。支架應(yīng)滯后采硐0.5m以內(nèi)，以最大限度縮小空頂面積，減少煤柱留設(shè)。回采工藝及設(shè)備布置見圖3。

圖3　連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)短壁機(jī)械化回采工藝及設(shè)備布置

3.3適用條件

根據(jù)各方面資料顯示及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研情況[7]，連續(xù)采煤機(jī)適用于埋藏深度<500m，煤層厚度1.3~4.0m，傾角<12°，煤層頂板中等穩(wěn)定以上，頂板允許暴露面積50m2，可錨性好，底板抗壓強(qiáng)度不能太低的礦井。對(duì)于不完全具備上述條件的煤層，也有個(gè)別用連續(xù)采煤機(jī)回采的實(shí)例，比如在美國(guó)、澳大利亞，中國(guó)。

4短壁采煤機(jī)開采設(shè)備配套和采煤工藝

短壁采煤機(jī)分為電牽引、新式液壓牽引、老式液壓牽引短壁采煤機(jī)，電牽引生產(chǎn)能力最大。隨著煤礦生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，以及電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，電牽引成為我國(guó)綜合機(jī)械化采煤設(shè)備的發(fā)展方向[8]。

4.1短壁采煤機(jī)的特點(diǎn)及發(fā)展概況

短壁采煤機(jī)是一種特殊的單滾筒采煤機(jī)，性能良好，用途較廣泛。其基本特點(diǎn)是：機(jī)身短，一般在3m左右；一個(gè)搖臂布置在機(jī)身中部，能左右擺動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)270°以上；進(jìn)刀方式采用直接進(jìn)刀，待滾筒完全進(jìn)入巷道后，采煤機(jī)和輸送機(jī)一起直接進(jìn)刀；采高范圍通過改變搖臂長(zhǎng)度和機(jī)面高度完成。

在短壁采煤機(jī)的研制方面，我國(guó)走在了世界前列，在20世紀(jì)80年代末、90年代初煤炭科學(xué)研究總院上海研究分院就研制開發(fā)了MGD-N系列液壓牽引短壁采煤機(jī)，其中有用于綜采的MGD150-NW，MGD250-NW無(wú)鏈牽引和用于普采或綜采的MGD150-N有鏈牽引短壁采煤機(jī)。2000年以后，又研發(fā)了MG/-NWD系列電牽引短壁采煤機(jī)，大大提高了短壁采煤機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo)，提高了其適用性。

4.2工作面設(shè)備配套及采煤工藝

短壁式開采配套設(shè)備有短壁采煤機(jī)、液壓支架、工作面輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、帶式轉(zhuǎn)送機(jī)等。

采煤工藝分機(jī)尾進(jìn)刀和機(jī)頭進(jìn)刀2種。由于機(jī)尾進(jìn)刀采煤工藝的采煤機(jī)穩(wěn)定性較好，故一般采用機(jī)尾進(jìn)刀采煤工藝。工藝如下：

(1)采煤機(jī)從軌道巷向運(yùn)輸巷割頂?shù)叮萍?，采煤機(jī)爬上輸送機(jī)機(jī)頭，割頂煤；采煤機(jī)搖臂落下，爬下輸送機(jī)機(jī)頭，割底煤。

(2)采煤機(jī)從運(yùn)輸巷向軌道巷割底刀。跟機(jī)推輸送機(jī)，爬上輸送機(jī)尾，割底煤。采煤機(jī)舉起搖臂，把滾筒放在軌道巷斷面之內(nèi)，推輸送機(jī)機(jī)尾進(jìn)刀。

4.3短壁采煤機(jī)應(yīng)用范圍

短壁工作面長(zhǎng)度一般為20～60m，傳統(tǒng)的長(zhǎng)壁采煤機(jī)不適用，短壁采煤機(jī)為單滾筒采煤機(jī)，能適用以下特殊開采條件需要：急傾斜特厚煤層水平分層放頂煤開采；“三下一上”采煤；煤柱和不規(guī)則邊角煤回收；長(zhǎng)壁面開機(jī)窩；煤巷掘進(jìn)。

5開采工藝對(duì)比分析

根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)及調(diào)查[9]，從以下幾方面對(duì)比分析兩種采煤方法的差別：

(1)采煤方法及生產(chǎn)能力MG250/300-NWD電牽引短壁采煤機(jī)，產(chǎn)量約可以達(dá)到2400t/d；美國(guó)JOY公司的12CM系列連續(xù)采煤機(jī)產(chǎn)量可達(dá)1000t/d。短壁(60m)、連續(xù)采煤機(jī)工作面原煤產(chǎn)出之比為l∶0.42。

(2)成套設(shè)備購(gòu)置費(fèi)用短壁式開采成套設(shè)備價(jià)格約1050萬(wàn)元，連續(xù)采煤機(jī)成套設(shè)備價(jià)格約3700萬(wàn)元，短壁、連續(xù)采煤機(jī)工作面設(shè)備投入之比為l∶3.52。

(3)投入產(chǎn)出比若只考慮設(shè)備投入和原煤產(chǎn)出，則短壁、連續(xù)采煤機(jī)工作面投入產(chǎn)出比為1∶8.38。

(4)設(shè)備裝拆搬運(yùn)短壁采煤機(jī)的推進(jìn)速度較快，一兩個(gè)月要搬一次家，故設(shè)備的裝拆搬運(yùn)較頻繁。

(5)適應(yīng)性連續(xù)采煤機(jī)使用連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)后，可實(shí)現(xiàn)不間斷運(yùn)煤，機(jī)械化水平高，掘采合一，對(duì)于地質(zhì)條件復(fù)雜的區(qū)域，連采是一種高效、安全的開采方法。但其適應(yīng)性稍差，對(duì)采礦條件要求較高，如對(duì)采深、采厚、底板坡度都有要求。

從以上分析可知短壁采煤機(jī)投入少、產(chǎn)量大。考慮地質(zhì)采礦條件對(duì)兩種開采方式的適應(yīng)性，短壁采煤機(jī)在本研究區(qū)域適應(yīng)性更好。

6結(jié)論

(1)通過對(duì)某煤礦研究塊段地層結(jié)構(gòu)分析及地面村莊房屋質(zhì)量評(píng)定，結(jié)果顯示村莊壓煤采用條帶開采是可行的，并且進(jìn)行了采留條帶尺寸的設(shè)計(jì)，提出了滿足設(shè)計(jì)條件的開采方案。

(2)分析比較了連續(xù)采煤機(jī)條帶式“旺格維利”采煤法、短壁采煤機(jī)開采的回采工藝，適用條件和應(yīng)用范圍，并通過生產(chǎn)能力、初期設(shè)備購(gòu)置費(fèi)用，投入及產(chǎn)出比等的分析，認(rèn)為就本研究區(qū)域而言，短壁采煤機(jī)具有更好的適用性。

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[9]伍麗婭，馮涇若.短壁工作面和短壁采煤機(jī)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析[J].煤礦開采，2002，7(3)：6-9.

[責(zé)任編輯：李青]

Mining Design under Villages and Comparison Analysis of Mining Method

LIU Gui1,2，XU Nai-zhong1,2

(1.Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.,Beijing 100013，China；

2.Coal Mining & Designing Department，Beijing Mining Research Institute，Beijing 100013，China)

Abstract：In order to solve the problem of coal mining under villages，through comprehensive analysis，strip mining is considered be feasibility in realistic，meanwhile，a series of mining width and retaining width is studied for strip mining and eventually a mining project is put forward to meet the unique conditions.By comparing application conditions and range of application between continuous miner used in strip type of Wongawilli coal mining method and shortwall mining method，the author analyzes the economic benefit and draws a conclusion that shortwall mining method has better applicability.Those all provide a new way to mining under villages in a mine and the conclusion can also be used for reference in similar mining conditions.

Key words：coal overlain by villages，strip mining，continuous miner，wongawilli coal mining method，shortwall mining method

[作者簡(jiǎn)介]劉貴(1980-)，男，安徽蒙城人，副研究員，主要從事“三下”采煤、礦山巖體力學(xué)及相關(guān)方面的研究工作。

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.06.023

[收稿日期]2015-06-23

[中圖分類號(hào)]TD823.6

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1006-6225(2015)06-0087-03