綜采面上下端頭煤炭開(kāi)采工藝研究與實(shí)踐

黃永安

(陜西陜煤榆北煤業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

我國(guó)厚煤層、特厚煤層分布相當(dāng)廣泛、儲(chǔ)量豐富，約占全部煤層儲(chǔ)量的44%，厚煤層產(chǎn)量也占煤炭總產(chǎn)量的40%以上[1]。隨著煤炭工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，厚煤層大采高一次采全厚開(kāi)采工藝已取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，大采高一次采全厚是各大礦區(qū)厚煤層開(kāi)采的主要方法。2007年神東礦區(qū)與鄭州煤機(jī)廠合作研制了ZY10800/28/63D大采高液壓支架[2]，用于神東礦區(qū)6.0 m厚煤層的開(kāi)采，2009年又成功研制了ZY16800/32/70D大采高支架在神東補(bǔ)連塔煤礦應(yīng)用[3]，2010年神南礦區(qū)紅柳林煤礦與平煤機(jī)合作研制了ZY18800/32.5/72D大采高支架并成功應(yīng)用[4]，2015年兗礦集團(tuán)研制的世界首套8.2 m大采高設(shè)備在金雞灘煤礦應(yīng)用[5]，2018年神東公司與鄭煤機(jī)再次成功研發(fā)制造的8.8 m電液控制兩柱掩護(hù)式液壓支架在上灣煤礦聯(lián)調(diào)成功[6-7]，再次刷新了特厚煤層大采高綜采面開(kāi)采新高度。

大采高綜采一次采全厚工藝在神東、陜北煤炭基地礦區(qū)的應(yīng)用將資源優(yōu)勢(shì)迅速轉(zhuǎn)變?yōu)樯a(chǎn)力優(yōu)勢(shì)，與放頂煤、分層開(kāi)采相比，顯著提高了煤炭資源的回收率、大幅降低了噸煤開(kāi)采成本，實(shí)現(xiàn)了礦井安全、高產(chǎn)高效發(fā)展，規(guī)?；ǔ闪艘慌f(wàn)噸礦井。大采高綜采工藝在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用過(guò)程中，綜采面膠帶輸送機(jī)順槽、回風(fēng)順槽設(shè)計(jì)斷面需系統(tǒng)考慮工作面影響因素，兼顧綜采面通風(fēng)、運(yùn)輸系統(tǒng)建設(shè)及設(shè)備配套、掘進(jìn)工藝、采場(chǎng)礦山壓力、經(jīng)濟(jì)效益等方面，綜采面上下順槽設(shè)計(jì)高度均低于綜采面采高，在回采過(guò)程中造成了上下端頭三角煤資源丟失。因此，通過(guò)對(duì)張家峁礦井5-2煤層大采高綜采面上下端頭煤炭資源開(kāi)采工藝研究，合理提高綜采面上下端頭采高，以增加綜采面資源采出量，提高工作面回采率。

1 工程背景

1.1 5-2煤層概況

張家峁井田5-2煤層呈簡(jiǎn)單的層狀賦存于延安組第一段頂部或上部，層位穩(wěn)定，分布廣泛。煤層北西向微傾，傾角小于1°。煤層埋深67.55～302.91 m，一般在110～270 m之間。煤層厚度在4.40～8.23 m之間，平均厚度6.13 m，屬厚煤層，變異系數(shù)11.14%。煤層頂板巖性以粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖為主，次為細(xì)粒砂巖；底板巖性以粉砂質(zhì)泥巖、細(xì)粒砂巖為主，次為泥巖、泥質(zhì)粉砂巖。5-2煤層多數(shù)不含夾矸，少數(shù)鉆孔見(jiàn)有1～2層夾矸，夾矸厚度0.02～0.75 m，巖性以泥巖、碳質(zhì)泥巖為主。屬沉積穩(wěn)定的全區(qū)可采中厚-厚煤層。

1.2 采煤工藝及巷道布置

5-2煤層采用走向長(zhǎng)壁采煤法，大采高綜采一次采全厚回采工藝，全部垮落法管理頂板。

5-2煤工作面順槽采用3條巷道布置形式，分別為回風(fēng)順槽、膠帶輸送機(jī)順槽和輔助運(yùn)輸順槽，其中輔助運(yùn)輸順槽在工作面采完后保留，作為下一個(gè)回采工作面的回風(fēng)順槽，順槽中心距為25 m。綜采面順槽均直接(或通過(guò)風(fēng)橋、膠帶機(jī)搭接點(diǎn))與大巷相連接。根據(jù)巷道布置形式及開(kāi)采方法，盤區(qū)內(nèi)各工作面均采用長(zhǎng)壁后退式開(kāi)采法，工作面由盤區(qū)邊界(或煤層可采邊界)向大巷方向推進(jìn)，各區(qū)段采用順采方式。

綜采面設(shè)計(jì)輔助運(yùn)輸順槽(回風(fēng)順槽)掘進(jìn)寬度5.6 m，凈寬5.4 m，膠帶輸送機(jī)順槽掘進(jìn)寬度為6.0 m，凈寬5.8 m，3條順槽掘進(jìn)高度均為4.3 m，凈高均為4.0 m，順槽采用錨網(wǎng)梁、錨網(wǎng)支護(hù)，均沿煤層底板施工。

1.3 頂板控制及設(shè)備配備

5-2煤工作面支護(hù)采用掩護(hù)式液壓支架支護(hù)頂板，上、下端頭支護(hù)采用端頭液壓支架[7]，工作面巷道超前支護(hù)采用超前支架，超前支護(hù)距離不小于25 m。

工作面中部支架選用ZY12000/28/63D，工作面機(jī)頭、機(jī)尾各配備4臺(tái)ZYT12000/28/55D端頭支架，工作面機(jī)頭、機(jī)尾均配備2臺(tái)ZYG12000/28/55D型掩護(hù)式過(guò)渡液壓支架，工作面上下順槽超前支護(hù)采用ZFDC10300/27/47型超前支架組，膠帶輸送機(jī)順槽、回風(fēng)順槽各1組。

2 5-2煤上下端頭煤炭開(kāi)采現(xiàn)狀分析

大采高綜采面上下端頭煤炭開(kāi)采主要受工作面順槽高度與工作面采高高差影響，大采高綜采面設(shè)備均按工作面底板與順槽底板平齊設(shè)計(jì)配套。由于工作面順槽高度低于工作面采高，兩頂板存在一定的高度差，回采過(guò)程中采煤機(jī)在機(jī)頭、機(jī)尾割煤逐步由工作面中部采高過(guò)渡至端頭順槽高度，機(jī)頭、機(jī)尾采高過(guò)渡段留設(shè)三角煤，造成一定的資源損失。

5-2煤綜采面設(shè)備按6.3 m開(kāi)采高度配備，采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)及順槽膠帶輸送機(jī)等均滿足6.3 m開(kāi)采高度的能力。5-2煤煤層平均厚度為6.13 m，結(jié)合工作面回采期間頂板控制需要，工作面留設(shè)0.10～0.20 m頂煤拖偽頂開(kāi)采，設(shè)計(jì)工作面采高為6.0 m。

5-2煤綜采面上、下順槽與工作面采高高差為2 m，為了確保工作面上下端頭支架支護(hù)效果，工作面自距機(jī)頭、機(jī)尾15 m開(kāi)始降低采高，采高過(guò)渡段工作面頂板呈弧形，如圖1所示。

圖1 上下端頭三角煤

工作面上下端頭近似等同于三角形計(jì)算，工作面造成資源損失，工作面每米推進(jìn)長(zhǎng)度損失煤量如下

Q損=H×L÷2×γ×2=H×L×γ

(1)

式中：H—工作面順槽與采高高差，m；L—工作面采高過(guò)渡段長(zhǎng)度，m；γ—煤層容重，t/m3，取值為1.32 t/m3。

則工作面每米資源損失量Q損=39.6 t。

采高過(guò)渡段沿工作面頂板傾角為σ，則tanσ=H/L

tanσ=H/L=2/15=0.13

σ=tan-10.13=7.6°

ZY12000/28/63D液壓支架頂梁寬度1.65 m，每臺(tái)支架頂梁上部頂板高差h=1.65×tan 7.6°=0.214 mm。

綜上分析，由于開(kāi)采工藝及設(shè)備配置缺陷，使工作面端頭三角煤資源損失；且影響支架頂梁接頂效果，造成支架頂梁載荷不均。

3 大采高綜采工藝優(yōu)化

針對(duì)以上大采高工藝存在問(wèn)題，提高研究提出了增加工作面過(guò)渡支架支撐高度，改進(jìn)工作面順槽開(kāi)采側(cè)對(duì)應(yīng)的端頭支架，即機(jī)頭第4臺(tái)、機(jī)尾第3臺(tái)液壓支架結(jié)構(gòu)，加高支架側(cè)護(hù)板的高度，增大工作面上下端頭的采高。

5-2煤綜采面端頭支架原均選用ZYT12000/28/55D型掩護(hù)式液壓支架，支架整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。支架設(shè)置雙側(cè)活動(dòng)側(cè)護(hù)板，側(cè)護(hù)板通過(guò)銷軸與頂梁連接，使用時(shí)一側(cè)固定，一側(cè)伸縮。通過(guò)調(diào)節(jié)側(cè)護(hù)板，支架寬度在1.66～1.86 m范圍內(nèi)變化，支架側(cè)護(hù)板長(zhǎng)度為3.55 m，高度均為0.80 mm，如圖3所示。

圖2 ZYT12000/28/55D型掩護(hù)式端頭液壓支架

圖3 ZYT12000/28/55D型支架頂梁右側(cè)護(hù)板

為了提高工作面上下端頭采高，5-2煤工作面過(guò)渡支架選型調(diào)整為ZYG12000/28/63D型掩護(hù)式過(guò)渡液壓支架，工作面機(jī)頭第1、2、3臺(tái)支架及機(jī)尾第1、2臺(tái)液壓支架仍選用ZYT12000/28/55D型掩護(hù)式液壓支架，機(jī)頭第4臺(tái)、機(jī)尾第3臺(tái)支架選型調(diào)整為ZYT12000/28/63D型掩護(hù)式液壓支架，改進(jìn)了機(jī)頭第4臺(tái)端頭支架右側(cè)護(hù)裝置、機(jī)尾第3臺(tái)支架左側(cè)護(hù)裝置，架型改造為大落差支架。改進(jìn)后側(cè)護(hù)裝置主要由梁體套筒內(nèi)的彈簧、頂桿、側(cè)推千斤頂、導(dǎo)向桿，頂梁、掩護(hù)梁側(cè)護(hù)板及相應(yīng)連接銷軸組成，側(cè)護(hù)板高度加高至1.50 mm?；顒?dòng)側(cè)護(hù)板在彈簧的作用下，與鄰架方向死側(cè)護(hù)板靠緊，能很好地護(hù)住頂板，并可利用側(cè)推千斤頂配合降架動(dòng)作來(lái)調(diào)架。改進(jìn)后ZYT12000/28/63D型掩護(hù)式大落差端頭液壓支架結(jié)構(gòu)及側(cè)護(hù)裝置剖面，如圖4所示。

圖4 ZYT12000/28/63D型掩護(hù)式大落差支架

5-2煤工作面端頭、過(guò)渡支架支護(hù)高度及端頭支架架型優(yōu)化后，端頭大落差支架最大支護(hù)高度均為6.3 m，綜采面上下端頭采高均增大至6.0 m，大落差支架相鄰一側(cè)端頭支架支護(hù)高度與順槽高度一致，通過(guò)煤機(jī)割煤完成了原工作面端頭三角煤的開(kāi)采，優(yōu)化后工作面開(kāi)采如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后工作面開(kāi)采示意圖

以礦井15208綜采工作面為例，15208工作面長(zhǎng)度295.2 m，推進(jìn)長(zhǎng)度2 294 m，平均煤厚6.3 m，煤層容重1.32 t/m3，采高6.0 m，工作面開(kāi)采工藝優(yōu)化后，增加上下端頭采出煤量Q采=9.1萬(wàn)t。目前，礦井商品煤平均利潤(rùn)180元/t，僅15208工作面創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益約1 638萬(wàn)元。

4 結(jié)論

(1)通過(guò)改進(jìn)大采高綜采工作面端頭液壓支架結(jié)構(gòu)，加長(zhǎng)支架側(cè)護(hù)板高度，在端頭支架與過(guò)渡支架之間增加大落差支架技術(shù)上是可行的，提高了工作面上下端頭的采高，解決了大采高一次采全厚綜采工作面上下端頭三角煤開(kāi)采問(wèn)題。

(2)工作面端頭采高增加后，工作面不存在采高過(guò)渡段，頂板平齊，除與大落差支架相鄰1臺(tái)端頭支架外，其余支架接頂效果良好，支架載荷均勻，有效地控制了工作面礦山壓力，工作面頂板管理安全可靠。

(3)優(yōu)化后工藝開(kāi)采了工作面上下端頭資源，在原工藝基礎(chǔ)上工作面的回采率提高了2%左右，增加了煤炭采出量，降低了工作面開(kāi)采成本，取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。