龍王溝煤礦綜放開(kāi)采頂煤冒放性及設(shè)備選型分析

何振江

摘 要：本文針對(duì)龍王溝煤礦6#煤層地質(zhì)賦存條件，進(jìn)行綜放開(kāi)采頂煤冒放性分析，并對(duì)相應(yīng)的綜采設(shè)備選型進(jìn)行分析，確定了液壓支架合理架型和工作阻力，對(duì)采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)等設(shè)備功率、運(yùn)輸能力等技術(shù)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，確定了相應(yīng)設(shè)備型號(hào)。龍王溝煤礦現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)踐表明：6#煤層頂煤冒放性好，液壓支架工作阻力選擇合理，各個(gè)設(shè)備間協(xié)同運(yùn)轉(zhuǎn)正常。

關(guān)鍵詞：特厚煤層;綜放開(kāi)采;頂煤冒放性;設(shè)備選型

中圖分類(lèi)號(hào)：TD823.49 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）07-0088-03

Abstract： This paper according to the geological deposit condition of 6# coal seam in Longwanggou coal mine， carried on the analysis of the capping coal of the comprehensive mining， reasonable support type and working resistance of hydraulic support were determined， and determined the rational frame type and working resistance of the hydraulic support. The technical parameters such as power and transportation capacity of coal mining machine and scraper conveyor were calculated， and the corresponding equipment models were determined. The field production practice of Longwanggou coal mine shows that： 6 # coal seam top coal discharge ability is good， the working resistance choice of hydraulic support is reasonable， and the coordination operation between various equipment is normal.

Keywords： extra thick seam;fully mechanized caving mining;caving property of top coal;equipment selection

1 煤層地質(zhì)賦存條件

龍王溝煤礦主采6#煤層，為近水平煤層，傾角約5°，煤層厚度14.5～23.4m，平均20.6m，埋深平均423.4m，煤層賦存穩(wěn)定，全區(qū)可采。煤層構(gòu)成復(fù)雜，含夾矸0～30層，夾矸總平均厚度2.8m，多為砂質(zhì)泥巖及泥巖。直接頂板主要為砂質(zhì)泥巖及粉砂巖，厚度平均約為25.1m，直接底板主要為砂質(zhì)泥巖與泥巖，厚度平均約為8.7m，泥巖具有遇水軟化的特性。6#煤層密度為1.43t/m3，普氏系數(shù)f=1.65。

2 頂煤冒放性分析

頂煤冒放性是決定放頂煤開(kāi)采適用性的最基本也是最關(guān)鍵的因素。頂煤具有良好的冒放性才能順利放出，保證頂煤的采出率。因此，在選擇綜放開(kāi)采方式前，需要對(duì)頂煤冒放性進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。影響頂煤冒放性的因素有煤層埋深、煤體強(qiáng)度、煤層厚度、煤層結(jié)構(gòu)、夾矸厚度、裂隙指標(biāo)和直接頂充填系數(shù)等[1-3]。龍王溝煤礦煤層賦存條件各因素對(duì)頂煤冒放性的影響分析如下。

2.1 煤體強(qiáng)度

6#煤層整體強(qiáng)度普氏系數(shù)f值為1.65，強(qiáng)度不高，冒放性好。

2.2 煤層埋深因素

煤層賦存深度直接影響原巖應(yīng)力大小，同時(shí)影響工作面超前支承壓力峰值。因此，煤層埋深因素決定了頂煤是否能在超前支承壓力的作用下破壞。煤體強(qiáng)度與埋深影響因素關(guān)系如式（1）所示：

[H≥RcγK-λ×1+φ2+φ1-φ2-φ] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式（1）中：[φ]為煤體內(nèi)摩擦系數(shù);[γ]為煤體密度，t/m3;[λ]為側(cè)壓系數(shù);K為應(yīng)力集中系數(shù);[Rc]為煤體單軸抗壓強(qiáng)度。

計(jì)算得[H≥]313.5m。

6#煤層平均埋深約423.4m，能夠滿足頂煤在超前支承壓力作用下破壞的條件，頂煤冒放性較好。

2.3 裂隙因素

6#煤層頂煤節(jié)理裂隙較發(fā)育，對(duì)頂煤冒放性有利。

2.4 夾矸影響

煤層夾矸對(duì)頂煤冒放性的影響比較復(fù)雜，其影響程度與夾矸層的巖性、層厚、層數(shù)及空間位置有關(guān)。龍王溝煤礦6#煤層含矸層數(shù)多，但夾矸平均抗壓強(qiáng)度15.8MPa，與煤體強(qiáng)度相近，因此，夾矸層對(duì)頂煤冒放性影響不大。

2.5 煤層厚度

6#煤層厚度較大，平均約20.6m，且?jiàn)A矸層較多，建議適當(dāng)增加工作面采煤機(jī)割煤高度，提高液壓支架支撐高度，增加頂煤松動(dòng)和冒放空間，使頂煤順利放出，按采放比1∶3計(jì)算，采煤機(jī)割煤高度應(yīng)在5.0m左右。因此，要求支架最大支撐高度為5.0m左右。

綜上分析，龍王溝煤礦大采高綜放開(kāi)采頂煤冒放性較好。

3 設(shè)備選型配套

龍王溝煤礦綜放工作面總體設(shè)備配套按年產(chǎn)1 000萬(wàn)t原煤進(jìn)行選型配套，要求各設(shè)備滿足基本的生產(chǎn)參數(shù)要求，且各運(yùn)輸設(shè)備的運(yùn)輸能力逐級(jí)增大。

3.1 液壓支架選型

3.1.1 合理液壓支架工作阻力計(jì)算。由于支架工作阻力由頂板覆巖結(jié)構(gòu)所決定，且覆巖運(yùn)動(dòng)復(fù)雜，難以進(jìn)行精確計(jì)算，故主要采用載荷估算法和經(jīng)驗(yàn)估算法進(jìn)行計(jì)算[4-6]。

①載荷估算法。該計(jì)算方法的理論基礎(chǔ)是工作面液壓支架工作阻力能承受直接頂和頂煤的載荷，并平衡基本頂失穩(wěn)時(shí)對(duì)支架的沖擊動(dòng)載，支護(hù)強(qiáng)度計(jì)算公式為式（2）：

[q=Kd×qd+qcqd=γd×hqc=γc×Mch=0.75MKp-1] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式（2）中：[q]為工作面支架所需支護(hù)強(qiáng)度;[Kd]為基本頂失穩(wěn)時(shí)的動(dòng)載系數(shù)，一般取1.1～1.5，此處取1.2;[qd]為直接頂自重應(yīng)力;[γd]為直接頂巖層容重，2 400kg/m3;[h]為直接頂垮落充填高度，m;[qc]為支架上方頂煤自重應(yīng)力;[γc]為煤層容重，1400kg/m3;[Mc]為支架上方頂煤高度，15.6m;[M]為煤層一次采出厚度，20.6m;[Kp]為直接頂垮落碎漲系數(shù)，一般取1.3～1.5，此處取1.4。

通過(guò)計(jì)算可得，支架的合理支護(hù)強(qiáng)度應(yīng)大于1.46MPa。

②經(jīng)驗(yàn)估算法。工作面液壓支架工作阻力下限F可按式（3）進(jìn)行計(jì)算。

[F=72.3M+4.5LB+78.9L-10.2N-62.1×cosβ×BL/η]（3）

式（3）中：[M]為機(jī)采割煤高度，5m;[L]為控頂距，5.45m;[LB]為基本頂來(lái)壓步距，23m;[B]為支架中心距，2.05m;N為充填系數(shù)，0.8;[η]為支架支撐效率，90%;[β]為煤層傾角，5°。

計(jì)算得[F]=10 227kN，考慮到綜放開(kāi)采的特殊性和復(fù)雜性，為增強(qiáng)液壓支架的承載能力，取支架工作阻力冗余系數(shù)1.4，可得支架工作阻力應(yīng)大于14 317.5kN。

3.1.2 液壓支架架型選擇。目前，國(guó)內(nèi)使用較多的放頂煤液壓支架為四柱支撐掩護(hù)式和兩柱掩護(hù)式放頂煤液壓支架。雖然四柱支撐掩護(hù)式液壓支架工作阻力大、發(fā)展時(shí)間長(zhǎng)，但兩柱掩護(hù)式放頂煤液壓支架具有控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單、平衡千斤頂易調(diào)節(jié)支架合力作用點(diǎn)位置、切頂能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，且近年來(lái)具有更高工作阻力的兩柱掩護(hù)式強(qiáng)力放頂煤液壓支架使用和推廣較多，故液壓支架采用兩柱掩護(hù)式放頂煤液壓支架，支架型號(hào)及參數(shù)如表1所示。

3.2 采煤機(jī)選型

根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，采煤機(jī)應(yīng)具有雙滾筒、雙向采煤自開(kāi)缺口功能。對(duì)反映采煤機(jī)生產(chǎn)能力的主要參數(shù)討論如下。

3.2.1 截深。對(duì)于大采高工作面采煤機(jī)截深一般為0.8m或1.0m，由于放頂煤工作面頂板為破碎的頂煤，過(guò)大的截深不利于工作面頂板端面的控制，故此處選為0.8m。

3.2.2 滾筒直徑。工作面采高最大值大于5.0m，滾筒直徑一般為最大采高的0.55～0.60倍。為提高采煤機(jī)滾筒的臥底量及裝煤效率，可適當(dāng)增大滾筒直徑，故采煤機(jī)滾筒直徑為2.7～3.0m。

3.2.3 采煤機(jī)機(jī)面高度。通常，工作面最小割煤高度應(yīng)比采煤機(jī)機(jī)面高度大0.5mm。由于采煤機(jī)最小采高為3.5m，支架頂梁厚度約為0.6m，故采煤機(jī)機(jī)面高度應(yīng)小于2.4m。

3.2.4 采煤機(jī)生產(chǎn)能力。配套設(shè)備年生產(chǎn)能力取1 000萬(wàn)t，采煤機(jī)截深取0.8m，最大采高5.0m，按正常割煤速度5m/min，采煤機(jī)每小時(shí)的割煤量為：

[Qc=60×H×B×γ×Vc] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

式（4）中：[H]為采煤機(jī)割煤高度，5.0m;[B]為采煤機(jī)截深，0.8m;[γ]為煤體密度，1.4t/m3;[Vc]為采煤機(jī)割煤速度，5.0m/s。

計(jì)算得Qc=1 680t/h。

3.2.5 采煤機(jī)功率計(jì)算。采煤機(jī)理論裝機(jī)功率可按下式進(jìn)行計(jì)算：

[Nf=Hw×Qc×η/γ] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（5）

式（5）中：[Hw]為滾筒采煤機(jī)的單位能耗，[Hw]=0.3～1.2kW·h/m3，此處結(jié)合煤體硬度取值1.05;[Qc]為采煤機(jī)小時(shí)割煤量，t/h;[η]為采煤機(jī)在遇斷層等地質(zhì)構(gòu)造時(shí)需要割巖，需考慮1.3～1.5的割巖裝機(jī)功率系數(shù)，此處取值1.4;[λ]為側(cè)壓系數(shù)，取值1.4。

由式（5）計(jì)算得，實(shí)際裝機(jī)總功率應(yīng)大于1 764kW。

3.3 刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)和破碎機(jī)選型

綜放工作面布置兩臺(tái)刮板輸送機(jī)，前部刮板輸送機(jī)用于運(yùn)輸采煤機(jī)割下的煤壁，后部刮板輸送機(jī)用于運(yùn)輸支架尾梁放出的頂煤，其選型分析計(jì)算如下。

前刮板輸送機(jī)的運(yùn)輸能力應(yīng)不小于采煤機(jī)的最大割煤能力，即

[Qy≥Qmax×Ky×Kv×Kc] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（6）

式（6）中：[Qmax]為采煤機(jī)的最大割煤能力，t/h;[Ky]為考慮刮板輸送機(jī)運(yùn)輸方向及使用傾角的修正系數(shù)，1.05;[Kv]為考慮刮板輸送機(jī)與采煤機(jī)同向運(yùn)行時(shí)的修正系數(shù)，1.05;[Kc]為采煤機(jī)割煤不均勻系數(shù)，1.3。

計(jì)算得[Qy≥]2 407.9t/h。故前部刮板輸送機(jī)運(yùn)輸能力可取為2 500t/h。后部刮板輸送機(jī)主要運(yùn)輸支架后方放出的頂煤，頂煤?jiǎn)挝粫r(shí)間放出量與具體的放煤工藝相關(guān)，因此沒(méi)有固定的計(jì)算公式。參照相似綜放工作面開(kāi)采情況[7]，取后部刮板輸送機(jī)輸送能力為3500t/h。前部和后部刮板輸送機(jī)型號(hào)如表2所示。

對(duì)于轉(zhuǎn)載機(jī)和破碎機(jī)選型，按照輸送能力逐級(jí)放大的方式，將轉(zhuǎn)載機(jī)運(yùn)輸能力選為4 000t/h，轉(zhuǎn)載機(jī)型號(hào)為SZZ1350/700，具體參數(shù)參如表3所示。破碎機(jī)的選擇應(yīng)與轉(zhuǎn)載機(jī)配套，選擇型號(hào)為PCM700的破碎機(jī)，破碎能力為5 000t/h，具體參數(shù)如表4所示。

4 結(jié)論

①頂煤冒放性分析表明：龍王溝礦采用5m大采高放頂煤，頂煤冒放性好。

②礦井生產(chǎn)實(shí)踐表明：頂煤冒放性好，資源回收率高;液壓支架架型和工作阻力選擇合理，工作面圍巖穩(wěn)定性好;設(shè)備參數(shù)選型合理，協(xié)同運(yùn)轉(zhuǎn)正常，能保證工作面高效運(yùn)轉(zhuǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]巨江鵬.龍王溝礦特厚煤層綜放面礦壓規(guī)律研究[D].西安：西安科技大學(xué)，2015.

[2]程峰.龍王溝煤礦巨厚煤層開(kāi)采工藝優(yōu)選及設(shè)備選型[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2017（12）：78-80，108.

[3]陳輝.放頂煤開(kāi)采優(yōu)化參數(shù)研究[D].青島：山東科技大學(xué)，2005.

[4]趙明.麻家梁煤礦放頂煤工作面液壓支架選型[J].煤礦開(kāi)采，2011（4）：74-75，51.

[5]張?jiān)瞥?，吳士良，王建?大采高綜放工作面支架適應(yīng)性評(píng)價(jià)[J].煤炭工程，2016（6）：12-14，18.

[6]蘇林軍，朱峰.放頂煤液壓支架的創(chuàng)新與發(fā)展[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2011（4）：84-88，54.

[7]王家臣.厚煤層開(kāi)采理論與技術(shù)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2009.