8.8m超大采高綜采工作面設(shè)備安裝干涉性分析

王 軍，崔石磊，曹建云

(1.國(guó)家能源神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司 烏蘭木倫煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209；2.國(guó)家能源神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司 上灣煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209)

中國(guó)是一個(gè)“富煤貧油少氣”的國(guó)家，已探明的煤炭?jī)?chǔ)量占世界煤炭?jī)?chǔ)量的33.8%。煤炭在我國(guó)一次性能源結(jié)構(gòu)中一直占據(jù)主導(dǎo)地位[1-3]。我國(guó)厚及特厚煤層煤炭資源可采儲(chǔ)量約占全國(guó)總可采儲(chǔ)量的43%，厚及特厚煤層賦存條件下，實(shí)現(xiàn)安全、高效、高采出率開(kāi)采對(duì)我國(guó)煤炭工業(yè)的發(fā)展具有重要影響[4-6]。在神東礦區(qū)厚及特厚煤層開(kāi)采中，大采高一次采全高回采工藝相對(duì)于綜采放頂煤和分層回采工藝，安全性好、采出率高、生產(chǎn)效率高[7-11]。

神東礦區(qū)煤層賦存穩(wěn)定，地質(zhì)及水文條件簡(jiǎn)單，埋藏相對(duì)較淺，適宜布置大采高綜采工作面。近年來(lái)，神東公司結(jié)合實(shí)際煤層賦存條件和采用最新采掘設(shè)備，厚煤層綜采工作面采高逐漸增大[12-16]。以國(guó)家能源神東煤炭集團(tuán)上灣煤礦為例，先后經(jīng)歷3.5m、4.8m、5.5m、5.8m、7m大采高；在補(bǔ)連塔礦8m大采高的基礎(chǔ)上，2018年上灣煤礦在12煤四盤區(qū)嘗試8.8m超大采高一次采全高回采工藝。由于8.8m超大采高綜采工作面項(xiàng)目推進(jìn)速度較快，其設(shè)備配套研發(fā)與巷道礦務(wù)工程基本是同步進(jìn)行，且設(shè)備尺寸及巷道斷面尺寸在現(xiàn)有的技術(shù)規(guī)范中尚無(wú)相關(guān)規(guī)定。為了保證我國(guó)首個(gè)8.8m超大采高綜采工作面一次安裝到位并順利投產(chǎn)，在圖紙上按1∶1比例對(duì)設(shè)備進(jìn)行運(yùn)輸及安裝分析，查找可能出現(xiàn)的問(wèn)題很有必要。

1 研究背景

1.1 8.8m大采高綜采工作面地質(zhì)情況

12401綜采工作面位于上灣煤礦12煤四盤區(qū)，工作面長(zhǎng)度299.2m，推進(jìn)長(zhǎng)度5255m，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，煤厚7.56～10.79m，平均厚度9.16m，傾角1°～5°，普氏系數(shù)f=1～3，密度1.3g/cm3。12401綜采工作面可采面積為1572236.16m2，可采出煤量為1754.6萬(wàn)t。綜采工作面上覆蓋層厚度為124～244m；上覆基巖厚度為120～220m；上覆松散層厚度為0～27m，主要是土黃色中、細(xì)粒風(fēng)積砂，松散未固結(jié)。綜采工作面沿傾斜布置，以正坡推進(jìn)為主，采用傾斜長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化一次采全高后退式開(kāi)采，采用全部垮落法處理采空區(qū)。

1.2 設(shè)備入井主要巷道斷面尺寸

上灣煤礦2#輔運(yùn)平硐寬×高為6.1m×5.7m的半圓拱巖巷；支架專用巷尺寸為寬×高6m×5.5m的矩形煤巷；輔切眼尺寸為寬×高6m×5.5m的矩形煤巷，工作面安裝聯(lián)巷寬×高為6m×5.3m的矩形巷道，工作面切眼巷道斷面寬×高為11.4m×6m的矩形巷道；巷道拐彎處設(shè)計(jì)巷道抹角為6m×6m。

1.3 綜采工作面主要的設(shè)備參數(shù)

綜采工作面設(shè)備主要有采煤機(jī)、液壓支架、刮板運(yùn)輸機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、帶式輸送機(jī)及綜采工作面供電、供液設(shè)備等，其中在運(yùn)輸過(guò)程中可能出現(xiàn)卡阻的設(shè)備為液壓支架和采煤機(jī)。8.8m超大采高綜采工作面綜采設(shè)備運(yùn)輸所用的主要機(jī)械為支架搬運(yùn)車和鏟板車。

1.3.1 100t支架搬運(yùn)車

2018年之前，國(guó)內(nèi)外用于井下的液壓防爆支架搬運(yùn)車最大運(yùn)輸能力為80t，而神東煤炭集團(tuán)8.8m超大采高綜采工作面支架重量為100t。為了滿足綜采設(shè)備安裝需求，神東煤炭集團(tuán)與航天重工集團(tuán)密切合作研發(fā)了100t液壓支架防爆搬運(yùn)車。支架搬運(yùn)車長(zhǎng)×寬×高：8800mm×4500mm×2730mm，自重50t，采用整體“U”型框架車架，載重100t。

1.3.2 100t蓄電池防爆鏟板搬運(yùn)車

100t蓄電池防爆鏟板搬運(yùn)車尺寸為長(zhǎng)×寬×高=14610mm×3916mm×2430mm，自重130t，載重100t，采用鉛酸蓄電池為動(dòng)力源，4×4全輪驅(qū)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)8.8m超大采高綜采工作面煤機(jī)、刮板運(yùn)輸機(jī)等綜采大型設(shè)備的快速安裝、回撤。

1.3.3 煤機(jī)尺寸

煤機(jī)整機(jī)尺寸為長(zhǎng)×高=22m×4.2m，其中滾筒直徑4.3m，煤機(jī)機(jī)身凈高3.75m(不含煤機(jī)蓋板高度)，煤機(jī)機(jī)身長(zhǎng)度9.1m。煤機(jī)入井時(shí)需要拆成機(jī)身、搖臂、滾筒、蓋板等幾個(gè)部分，分批入井，其中運(yùn)輸難度最大的為煤機(jī)機(jī)身。運(yùn)輸煤機(jī)機(jī)身時(shí)采用兩輛鏟板車，鏟板車鏟板厚度取0.4m，離地0.2m，則允許通過(guò)最低高度為4.35m，綜采設(shè)備通過(guò)沿線巷道最小凈高4.8m；鏟板車寬度3.92m，鏟板和后面的車身采用鉸接連接，左右擺動(dòng)靈活，可保證9.1m長(zhǎng)的機(jī)身在井下運(yùn)輸時(shí)順利通過(guò)。

1.3.4 綜采工作面液壓支架尺寸

上灣煤礦8.8m超大采高綜采工作面寬299.2m，主運(yùn)平巷和回風(fēng)平巷寬度均為6m，共布置液壓支架128臺(tái)；其中布置118臺(tái)中間架，支架運(yùn)輸尺寸(支架立柱油缸完全收回)長(zhǎng)×寬×高為：10.68m×2.24m×4.00m；支架正常使用時(shí)，支架高度8～8.8m，支架側(cè)護(hù)油缸動(dòng)作，支架寬度變?yōu)?.407m。為了提高綜采工作面煤炭資源采出率，綜采工作面機(jī)頭和機(jī)尾段采用垂直過(guò)渡，正常垂直過(guò)渡高度3.1m。因此，綜采工作面的機(jī)頭和機(jī)尾各對(duì)應(yīng)布置了一臺(tái)大側(cè)護(hù)支架，支架運(yùn)輸尺寸長(zhǎng)×寬×高為12.3m×2.54m×4.00m；支架正常使用時(shí)，支架高度約8.6m，支架側(cè)護(hù)油缸動(dòng)作，支架寬度變?yōu)?.707m。

2 綜采設(shè)備運(yùn)輸時(shí)通過(guò)性分析

100t蓄電池防爆鏟板搬運(yùn)車主要運(yùn)輸采煤機(jī)機(jī)身及運(yùn)輸機(jī)等綜采設(shè)備，最大尺寸為長(zhǎng)×寬×高=9.1m×3.92m×3.75m，巷道最小寬度6m，最小高度4.8m，巷道抹角尺寸6m×6m，用鏟板車運(yùn)輸煤機(jī)不存在通過(guò)性問(wèn)題。井下綜采設(shè)備運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵在于用長(zhǎng)×寬×高：8800mm×4500mm×2730mm支架車搬運(yùn)長(zhǎng)×寬×高為12.3m×2.54m×4.00m的大側(cè)護(hù)支架，只要大側(cè)護(hù)支架能在巷道中順利通行，可以確保其他設(shè)備在運(yùn)輸過(guò)程中暢通無(wú)阻。下面對(duì)大側(cè)護(hù)支架在運(yùn)輸過(guò)程中的重點(diǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行通過(guò)性和安全性分析。

2.1 大側(cè)護(hù)支架在井口段通過(guò)性分析

將運(yùn)輸狀態(tài)大側(cè)護(hù)支架和井口段巷道根據(jù)實(shí)際情況，建立1∶1的圖紙模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)通過(guò)性分析。井口段巷道凈寬6m，支架搬運(yùn)車寬度4.5m，巷道寬度滿足車輛通行要求。風(fēng)門預(yù)留行車高度5.1m，支架車裝上支架后最大高度4.2m。通過(guò)模擬得出，工作面支架入井下坡時(shí)，支架梁端距離巷道頂板最小距離為1m，支架入井不會(huì)出現(xiàn)卡阻；當(dāng)工作面支架升井通過(guò)第一道風(fēng)門時(shí)，支架頂梁和風(fēng)門上門框只有0.4m的距離，支架車通過(guò)時(shí)要放慢速度，防止支架晃動(dòng)剮蹭風(fēng)門框，確保支架車平穩(wěn)通過(guò)。

2.2 通過(guò)12401回風(fēng)時(shí)的安全性分析

上灣煤礦2#輔運(yùn)平硐坡度5.5°，在距2#輔運(yùn)平硐落平段50m處，2#輔運(yùn)平硐頂板與12401回風(fēng)平巷頂板最小垂直距離為8.74m。支架搬運(yùn)車重53t，中間架重100t，大側(cè)護(hù)支架重113t。支架搬運(yùn)車車輪寬0.46m，車輪載重最大壓縮量48mm，對(duì)應(yīng)輪胎抓地長(zhǎng)度為0.5m。單輪接地面積為0.23m2。支架車總共接地面積1.84m2，中間架重量100t。支架搬運(yùn)車自重53t。運(yùn)輸支架時(shí)車輛總重153t，則F=153000×9.8=1500kN，垂直應(yīng)力對(duì)底板的壓強(qiáng)F1=1500000cos5.5°/1.84=811464Pa=0.81MPa。大側(cè)護(hù)支架重113t，輪胎對(duì)底板壓強(qiáng)0.88MPa。12401回風(fēng)巷頂板和2#輔運(yùn)平硐底之間距離9m(含混凝土底板厚度)，巖石抗壓強(qiáng)度在14MPa以上，滿足支架車安全通過(guò)的要求。

2.3 進(jìn)入支架專用巷通過(guò)性分析

通過(guò)實(shí)測(cè)2#輔運(yùn)平硐落平段進(jìn)入支架專用巷區(qū)域的巷道平面，每隔15°分析大側(cè)護(hù)支架搬運(yùn)車的狀態(tài)，對(duì)支架車拐彎時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行分析，得出支架車拐彎時(shí)與支架專用巷副幫最小距離為0.2m，巷道滿足工作面支架通行的要求。從2#輔運(yùn)平硐進(jìn)入支架專用巷時(shí)，支架車需要拐大彎，不能緊貼巷道右?guī)妥撸拍鼙ＷC大側(cè)護(hù)支架順利通過(guò)。對(duì)大側(cè)護(hù)支架從支架專用巷進(jìn)入輔切眼，從輔切眼進(jìn)入切眼的支架搬運(yùn)車動(dòng)態(tài)軌跡及支架端部和巷幫的距離進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明，現(xiàn)有巷道尺寸較為合理，均滿足8.8m超大采高綜采工作面綜采設(shè)備運(yùn)輸要求。

3 綜采工作面設(shè)備安裝關(guān)鍵點(diǎn)

3.1 機(jī)頭、機(jī)尾的通過(guò)性和割透性分析

由于平巷超前支架最大支撐高度5.5m，所以切眼附近兩平巷的掘進(jìn)高度不得超過(guò)5.6m，澆筑0.3m厚底板成巷高度5.3m。工作面采用的8.8m采煤機(jī)機(jī)身高度4.2m，搖臂長(zhǎng)度4.33m，煤機(jī)最大臥底量0.47m，保守確定煤機(jī)搖臂銷軸距主運(yùn)平巷4.7m時(shí)割平巷道底板。則此處巷道掘進(jìn)高度應(yīng)大于等于底板厚度、機(jī)身高度、支架頂梁最大厚度和設(shè)備間隙之和，即6.0m，切眼距平巷正幫4.7m處拉底后巷道高度6.3m(凈高6m)，滿足使用要求。不同于普通的4～6m大采高綜采工作面(平巷和切眼高度相同)，8.8m綜采工作面切眼兩端頭頂板采用傾斜過(guò)渡。結(jié)合實(shí)測(cè)巷道剖面和設(shè)備配套參數(shù)，對(duì)機(jī)頭、機(jī)尾段進(jìn)行通過(guò)性分析得出，當(dāng)切眼口平巷高度(凈高)5.3m，在4.7m長(zhǎng)度掘進(jìn)范圍內(nèi)巷道高度通過(guò)頂板過(guò)渡為6.3m，可以滿足煤機(jī)在機(jī)頭、機(jī)尾順利通過(guò)，底板過(guò)渡平整。通過(guò)實(shí)測(cè)綜采工作面切眼兩端頭巷道尺寸，得出機(jī)頭段巷道成型基本符合設(shè)計(jì)要求。煤機(jī)割透運(yùn)輸平巷正幫時(shí)，煤機(jī)蓋板和大側(cè)護(hù)支架頂梁最小間距約0.3m；經(jīng)實(shí)測(cè)，綜采工作面切眼機(jī)尾過(guò)渡段巷道成型未完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求，煤機(jī)割透機(jī)尾時(shí)大側(cè)護(hù)支架頂梁和煤機(jī)蓋板最小間距約0.1m，滿足使用要求，12401切眼機(jī)頭、機(jī)尾段煤機(jī)割透性分析如圖1、圖2所示。

圖1 12401切眼機(jī)頭段煤機(jī)割透性分析(mm)

圖2 12401切眼機(jī)尾段煤機(jī)割透性分析(mm)

3.2 綜采工作面支架間隙分析

上灣煤礦12上煤三盤區(qū)3.5m采高綜采工作面及22煤一盤區(qū)5.8m采高綜采工作面，支架設(shè)計(jì)使用寬度均為1.75m，支架間隙均取5mm。通過(guò)實(shí)際驗(yàn)證，支架間間隙取5mm和實(shí)際使用情況相符。8.8m超大采高綜采工作面支架寬度為2.4m，共使用支架128臺(tái)(含2臺(tái)2.7m寬大側(cè)護(hù)支架)。經(jīng)過(guò)和生產(chǎn)服務(wù)中心(主要負(fù)責(zé)綜采工作面安裝與回撤)相關(guān)技術(shù)人員溝通，建議8.8m超大采高綜采工作面支架間隙取7mm較為合理。在支架間隙取7mm時(shí)，理論計(jì)算綜采工作面安全出口之和為2.504m，實(shí)際機(jī)頭安全出口一般為0.8～1m，機(jī)尾為1.4～1.7m。綜采工作面投產(chǎn)后，經(jīng)驗(yàn)證工作面安全出口和理論計(jì)算值一致。因此，8.8m超大采高綜采工作面計(jì)算兩端頭安全出口時(shí)，支架間隙應(yīng)取7mm。

3.3 切眼及強(qiáng)放孔設(shè)計(jì)合理性分析

8.8m超大采高綜采工作面切眼凈斷面尺寸寬×高為11.4m×6m，綜采工作面中間架安裝尺寸長(zhǎng)×寬為10.68×2.24m，最大對(duì)角斜長(zhǎng)約11m。經(jīng)圖紙分析得出，支架穩(wěn)放到預(yù)定位置升到6m后，支架頂梁前端距離切眼正幫0.51m，支架掩護(hù)梁尾端和切眼副幫距離0.75m，切眼尺寸設(shè)計(jì)合理性驗(yàn)證如圖3所示。

圖3 切眼設(shè)計(jì)合理性驗(yàn)證(mm)

工作面推進(jìn)6刀后，切眼頂板上距切眼副幫4.2m的強(qiáng)放孔可以完全露出，切眼強(qiáng)放孔與支架掩護(hù)梁尾端水平距離1.36m，滿足采用升降車裝藥爆破需求，強(qiáng)放孔布置的合理性分析如圖4所示。

圖4 強(qiáng)放孔布置的合理性分析(mm)

4 結(jié) 語(yǔ)

開(kāi)采高度是綜采工作面高產(chǎn)高效開(kāi)采的基礎(chǔ)，每一次采高的增加，都是綜采工作面設(shè)備配套和回采技術(shù)的革命，也是一個(gè)國(guó)家煤礦開(kāi)采裝備制造水平提升的表現(xiàn)。神東煤炭集團(tuán)上灣煤礦12401綜采工作面將一次采全高開(kāi)采高度由8.0m增加到8.8m，雖然只是增加了0.8m，但背后有超大采高綜采工作面設(shè)備配套、巷道支護(hù)、頂板管理、回采工藝、信息控制等一系列關(guān)鍵技術(shù)在支撐。通過(guò)結(jié)合巷道及設(shè)備尺寸進(jìn)行通過(guò)性驗(yàn)證和綜采工作面安裝預(yù)分析，保證了我國(guó)首個(gè)8.8m超大采高綜采工作面一次順利安裝到位并成功投產(chǎn)。通過(guò)分析，優(yōu)化了8.8m超大采高綜采工作面機(jī)頭架窩尺寸和強(qiáng)放孔布置形式，8.8m超大采高綜采工作面巷道尺寸及設(shè)備配套，可以為類似條件綜采工作面設(shè)計(jì)及礦務(wù)工程施工提供借鑒。