大柳煤礦6.5 m大采高自動(dòng)化工作面的設(shè)備選型配套

孟鵬飛，張彥霞，楊帆

(1.華能煤業(yè)有限公司， 北京 100070； 2.華亭煤業(yè) 大柳煤礦有限公司， 甘肅 平?jīng)?744200)

0 引言

大柳煤礦是一座年設(shè)計(jì)能力為2.4 Mt/a的現(xiàn)代化大型礦井，含煤面積約27.9 km2，可采儲(chǔ)量1.82億t，服務(wù)年限約54.4 a，配套建設(shè)同等規(guī)模的選煤廠。2008年8月開工建設(shè)，2015年5月正式投產(chǎn)。礦井生產(chǎn)系統(tǒng)主要裝備3條立井井筒。其中，主立井井筒裝備一對(duì)20 t箕斗，擔(dān)負(fù)礦井煤炭提升;副立井裝備一對(duì)四繩1.5 t單層雙車罐籠，擔(dān)負(fù)人員和材料運(yùn)送;回風(fēng)立井選用2臺(tái)礦用防爆對(duì)旋軸流式通風(fēng)機(jī)，擔(dān)負(fù)全礦井的通風(fēng)任務(wù)。井下原煤運(yùn)輸主要采用帶式輸送機(jī)，輔助運(yùn)輸采用軌道和無(wú)極繩連續(xù)牽引車。礦井采用立井單水平雙翼開拓，工作面采用綜合機(jī)械化放頂煤采煤方法，在4 號(hào)煤層中兩翼各布置1 個(gè)綜放工作面，“一井兩區(qū)兩面”生產(chǎn)模式。礦井目前主要存在以下問(wèn)題：

1) 現(xiàn)有的2套綜采放頂煤設(shè)備分別于2011年3月和2012年4月投入使用，發(fā)現(xiàn)磨損嚴(yán)重，加之設(shè)備陳舊老化，頻繁影響生產(chǎn),至今未進(jìn)行大修。

2) 大柳煤礦現(xiàn)有人員配備不足，僅有3 個(gè)掘進(jìn)隊(duì)伍。其中，2個(gè)掘進(jìn)隊(duì)負(fù)責(zé)正常工作面接續(xù)，1個(gè)掘進(jìn)隊(duì)負(fù)責(zé)巷道維護(hù)。煤礦現(xiàn)有2個(gè)綜放工作面，要保障采掘平衡，至少應(yīng)配備4 個(gè)掘進(jìn)隊(duì)。但因掘進(jìn)隊(duì)伍配置不足，影響礦井實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量目標(biāo)。

1 采煤方法、工藝及裝備

礦井目前東、西翼同時(shí)開采，在4號(hào)煤層中兩翼各布置1個(gè)綜放工作面，“一井兩區(qū)兩面”生產(chǎn)模式。為解決目前存在的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)先進(jìn)礦井的調(diào)研，決定采用“一井一區(qū)一面”模式，在一采區(qū)的接續(xù)區(qū)域布置1個(gè)大采高綜采工作面來(lái)保證礦井產(chǎn)能。

1.1 采煤方法與工藝

大柳井田含煤地層為侏羅系延安組，可采煤層共計(jì)5層，分別為1-2煤、2-3煤、3-2煤、4煤、5煤。本文僅對(duì)一采區(qū)4 號(hào)煤層的采煤方法選擇進(jìn)行分析。根據(jù)本井田的地質(zhì)條件、煤層賦存特征和生產(chǎn)規(guī)模要求，結(jié)合國(guó)內(nèi)外采煤方法的發(fā)展現(xiàn)狀，適合一采區(qū)4號(hào)煤層開采的綜合機(jī)械化采煤方法有以下三種：分層綜采、放頂煤綜采和一次采全高大采高綜采。

1) 分層綜合機(jī)械化采煤法。近十多年來(lái)，隨著放頂煤綜采和大采高綜采的快速發(fā)展，分層綜采因其工藝復(fù)雜、巷道掘進(jìn)率高等缺點(diǎn)，已逐漸被放頂煤綜采和大采高綜采所取代[1]。雖然本礦井4號(hào)煤采用分層綜采從技術(shù)上是可行的，2～3個(gè)面是可以保證2.40 Mt/a的生產(chǎn)能力，但由于工作面數(shù)量多，工藝復(fù)雜，工作面接續(xù)緊張，工效低。因此，不推薦采用分層綜采。

2) 放頂煤綜合機(jī)械化采煤法。大柳煤礦目前采用綜采放頂煤回采4號(hào)煤層，2個(gè)工作面保證礦井產(chǎn)能。礦井2個(gè)工作面分別于2011 年3 月和2012 年4 月投入使用以來(lái)運(yùn)行正常，故本礦采用綜采放頂煤還可行。根據(jù)近幾年綜采放頂煤的實(shí)踐，礦井可實(shí)現(xiàn)綜放工作面日進(jìn)尺6刀/d，經(jīng)計(jì)算當(dāng)工作面長(zhǎng)度增加至240 m，應(yīng)更換全套綜放設(shè)備，在一采區(qū)4 號(hào)煤層布置1 個(gè)綜采放頂煤工作面可達(dá)2.40 Mt/a 的產(chǎn)能。

3) 一次采全高大采高綜采。大采高綜采在我國(guó)經(jīng)過(guò)幾十年的長(zhǎng)足發(fā)展，已取得了明顯的進(jìn)展。目前我國(guó)的大采高綜采技術(shù)已處于世界領(lǐng)先地位，它已成為我國(guó)高產(chǎn)高效礦井的主要采煤方法之一[2]。隨著大采高綜采技術(shù)與裝備水平的提高，在當(dāng)今最新技術(shù)和高可靠性配套裝備的保障下，一次采全高大采高綜采可以實(shí)現(xiàn)“一井一面”8.00 Mt/a。比如：神東公司補(bǔ)連塔礦井，支架最大支護(hù)高度7.0 m，最大割煤高度6.8 m，工作面單產(chǎn)已超過(guò)10.00 Mt/a[3]；晉城礦區(qū)寺河礦井，支架最大支護(hù)高度6.3 m，最大割煤高度6.0 m，工作面單產(chǎn)已達(dá)到8.00 Mt/a。

由上可知,根據(jù)該礦井的煤層條件，結(jié)合國(guó)內(nèi)裝備的發(fā)展水平，通過(guò)對(duì)綜采放頂煤和大采高綜采工藝的比較，大采高綜采具有工藝簡(jiǎn)單、管理難度小、工作面單產(chǎn)高、作業(yè)人員作業(yè)環(huán)境好且勞動(dòng)強(qiáng)度低等優(yōu)點(diǎn)。因此，選取采用大采高綜采，一井一面實(shí)現(xiàn)2.40 Mt/a 是可行的。

綜采放頂煤的優(yōu)點(diǎn)有:

1) 對(duì)煤層厚度變化適應(yīng)性強(qiáng)；

2) 頂煤利用礦壓回收，工作面能耗低；

3) 同等埋深和圍巖條件下，對(duì)液壓支架支護(hù)強(qiáng)度和底板比壓的要求較低；

4) 設(shè)備投資低；

5) 巷道斷面小，掘進(jìn)費(fèi)用低，利于巷道支護(hù)。

綜采放頂煤的缺點(diǎn)有:

1) 需根據(jù)煤層裂隙、結(jié)構(gòu)、埋深、頂板巖性等對(duì)冒放性進(jìn)行論證，使用條件要求較高；

2) 工藝復(fù)雜，且存在混矸可能，管理難度大；

3) 工作面推進(jìn)速度較慢，勞動(dòng)生產(chǎn)率低，工作面單產(chǎn)低；

4) 采空區(qū)殘煤多，漏風(fēng)大，采空區(qū)發(fā)火概率較大；

5) 煤塵大。

大采高綜采的優(yōu)點(diǎn)有:

1) 單產(chǎn)高，巷道少，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，利于集中生產(chǎn)；

2) 工藝簡(jiǎn)單，管理難度??；

3) 工作面產(chǎn)量和效率高；

4) 混矸可能性小，煤質(zhì)好；

5) 資源采出率高；

6) 作業(yè)人員工作環(huán)境好，勞動(dòng)強(qiáng)度低。

大采高綜采的缺點(diǎn)有:

1) 對(duì)厚度變化較大的厚煤層適應(yīng)性差，對(duì)厚度變化較大的厚煤層影響資源采出率；

2) 支架重，底板比壓大，對(duì)頂?shù)装宸€(wěn)定性要求較高；

3) 礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，煤壁容易片幫，當(dāng)采高大于5 m以上時(shí)，片幫現(xiàn)象加劇，工作面及頂板管理難度大；

4) 支架外形尺寸大，不便于安裝、拆卸、運(yùn)輸、維修；

5) 設(shè)備投資高；

6) 巷道斷面大，掘進(jìn)費(fèi)用高，支護(hù)難度大。

1.2 工作面主要參數(shù)

1) 工作面采高。大柳煤礦一采區(qū)4 號(hào)煤層厚度為4.46～7.69 m，平均煤層厚度為5.67 m；開采厚度為4.46～8.29 m，平均開采高度為5.87 m。目前，我國(guó)大采高綜采技術(shù)已較為成熟，且設(shè)備基本國(guó)產(chǎn)化。另外，一采區(qū)4 號(hào)煤層賦存穩(wěn)定，傾角一般為3 °～10 °，傾角較小，具備布置大采高綜采工作面的基礎(chǔ)條件。經(jīng)綜合分析，為提高采區(qū)回采率，改善煤質(zhì)，本著適應(yīng)煤層厚度的原則，工作面支架最大支護(hù)高度為6.5 m，最大割煤高度為6.3 m。

2) 工作面長(zhǎng)度。合理的工作面長(zhǎng)度是實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效的重要條件。從工作面內(nèi)部條件來(lái)看，在一定范圍內(nèi)增加工作面長(zhǎng)度，不僅可以減少工作面準(zhǔn)備工程量，提高回采率，還可以縮短工作面端頭進(jìn)刀等輔助作業(yè)時(shí)間，有利于提高工作面產(chǎn)量和效率。但當(dāng)工作面過(guò)長(zhǎng)時(shí)易導(dǎo)致推進(jìn)度下降，增大煤壁片幫防治和頂板管理的難度，對(duì)于易自燃煤層還會(huì)增加自燃發(fā)火的概率，反而不利于高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。不同工作面長(zhǎng)度的相關(guān)參數(shù)對(duì)照見表2。

表2 不同工作面長(zhǎng)度相關(guān)參數(shù)對(duì)比

由表2可知，工作面長(zhǎng)度越長(zhǎng)，區(qū)段煤柱損失越小，推進(jìn)速度越慢。當(dāng)工作面長(zhǎng)度為250 m時(shí)，月推進(jìn)度為122.5 m，對(duì)防治煤壁片幫、煤層自燃發(fā)火、頂板離層水不利。工作面長(zhǎng)度越短，區(qū)段煤柱損失越大，推進(jìn)速度越快。當(dāng)工作面長(zhǎng)度為150 m時(shí)，一采區(qū)區(qū)段煤柱損失較大，工作面過(guò)渡支架段長(zhǎng)度占工作面總長(zhǎng)度比例大，工作面煤炭回收率低。結(jié)合國(guó)內(nèi)防治煤層自燃發(fā)火、煤壁片幫等成功經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)一采區(qū)地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育及煤層賦存情況，經(jīng)綜合分析，確定大柳煤礦4 號(hào)煤層工作面長(zhǎng)度暫取為200 m。

3) 工作面推進(jìn)長(zhǎng)度。其主要受地質(zhì)條件和設(shè)備過(guò)煤量的限制，國(guó)產(chǎn)液壓支架及采煤機(jī)過(guò)煤量可達(dá)1 000萬(wàn)t。對(duì)于易自燃煤層，工作面推進(jìn)長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，還會(huì)增加自燃發(fā)火的概率。一般情況下，工作面推進(jìn)長(zhǎng)度以回采期1 a左右為宜。大柳煤礦井下東、西翼大巷已確定，一采區(qū)工作面推進(jìn)長(zhǎng)度已確定為1 400～1 900 m，工作面推進(jìn)長(zhǎng)度回采期為1 a左右且長(zhǎng)度合適。

1.3 主要設(shè)備配備選型

現(xiàn)代化礦井開采發(fā)展的趨勢(shì)是“一井一面”，生產(chǎn)高度集中。只有生產(chǎn)高度集中，開采裝備高度機(jī)械化，才能大幅度減員提效，從而實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效、安全生產(chǎn)的目標(biāo)。三機(jī)配套是整個(gè)綜采設(shè)備的核心，采煤機(jī)和刮板輸送機(jī)的生產(chǎn)能力滿足工作面的產(chǎn)量要求，液壓支架的移架速度跟得上采煤機(jī)的牽引速度。三機(jī)在性能、結(jié)構(gòu)、空間要求等方面必須相互適應(yīng)和匹配[4-5]。

1) 大采高液壓支架選型。通過(guò)巖重法和覆巖運(yùn)動(dòng)模擬法進(jìn)行了支架工作阻力計(jì)算，巖重法計(jì)算支架工作阻力不小于11 687 kN，覆巖運(yùn)動(dòng)模擬法模擬支架工作阻力為13 000 kN。兩種分析結(jié)果基本一致，故支架額定工作阻力確定為13 000 kN。具體參數(shù)見表3。

表3 工作面液壓支架特征

2) 采煤機(jī)。大柳煤礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為2.40 Mt/a，生產(chǎn)模式為“一井一面”，故要求采煤機(jī)生產(chǎn)能力應(yīng)不小于2.40 Mt/a。年工作日按330 d計(jì)算，工作面每天的生產(chǎn)能力為7 273 t。一采區(qū)工作面平均采高為5.67 m，煤層傾角3 °～10 °。工作面采用雙向割煤，端頭斜切進(jìn)刀方式。設(shè)計(jì)采煤機(jī)截深為0.8 m，工作面長(zhǎng)度為200 m。根據(jù)以上參數(shù)計(jì)算，采煤機(jī)功率不應(yīng)小于1 065.4 kW，平均割煤能力不小于1 408 t/h。由于大柳煤礦4 號(hào)煤層厚度大，所以采煤機(jī)應(yīng)配備破碎滾筒。另外，一采區(qū)已探明14 條斷層，為避免頻繁搬家倒面，采煤機(jī)功率應(yīng)適當(dāng)加大。根據(jù)國(guó)內(nèi)采煤機(jī)廠家資料，確定選用MG800/2040-WD 型采煤機(jī)，截割功率為2×800 kW，其他主要技術(shù)參數(shù)見表4。

表4 采煤機(jī)技術(shù)特征

3) 刮板輸送機(jī)。主要以采煤機(jī)最大生產(chǎn)能力為基數(shù)，可保證采煤機(jī)截割的煤炭能及時(shí)運(yùn)出去，同時(shí)保證設(shè)備的可靠性和耐久性，兼顧設(shè)備啟動(dòng)、保護(hù)和控制性能。根據(jù)采煤機(jī)平均割煤能力和工作面長(zhǎng)度等參數(shù)，經(jīng)計(jì)算，刮板輸送機(jī)輸能力應(yīng)不小于1 550 t/h，功率不小于952 kW。根據(jù)4號(hào)煤層對(duì)刮板輸送機(jī)的基本要求，選用SGZ1000/2×525型刮板輸送機(jī)，其他主要技術(shù)參數(shù)見表5。

表5 刮板輸送機(jī)技術(shù)特征

2 礦井通風(fēng)、供電、運(yùn)輸系統(tǒng)

礦井保留西翼一采區(qū)，生產(chǎn)模式變更為“一井一區(qū)一面”，工作重心全部置于西翼，且采煤工藝由綜采放頂煤調(diào)整為大采高一次采全高綜采，礦井西翼開拓巷道布置、一采區(qū)硐室設(shè)置(采區(qū)變電所、支架組裝硐室)、工作面巷道布置等需進(jìn)行調(diào)整。工業(yè)場(chǎng)地、井田開拓方式、井筒數(shù)目、水平劃分及采區(qū)劃分等均滿足大采高一次采全高綜采工作面要求。

2.1 通風(fēng)系統(tǒng)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《煤礦安全規(guī)程》(2016 版)和《煤炭工業(yè)礦井設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50215—2015)規(guī)定，礦井總風(fēng)量應(yīng)按井下同時(shí)工作的最多人數(shù)每人供給風(fēng)量不少于4 m3/min或按采煤、掘進(jìn)、硐室及其他地點(diǎn)實(shí)際需要風(fēng)量總和的最大值選取。根據(jù)計(jì)算，礦井總風(fēng)量為115 m3/s。本礦井屬瓦斯礦井，通風(fēng)系統(tǒng)為中央并列式，通風(fēng)方式為機(jī)械抽出式，由主、副立井進(jìn)風(fēng)，回風(fēng)立井出風(fēng)?；仫L(fēng)立井通風(fēng)機(jī)場(chǎng)地已安裝2 臺(tái)FBCDZN028/250×2 型礦用防爆對(duì)旋軸流式通風(fēng)機(jī)，1臺(tái)工作，1臺(tái)備用。經(jīng)校核，該通風(fēng)機(jī)的能力可滿足開采一采區(qū)最遠(yuǎn)工作面時(shí)通風(fēng)風(fēng)量及風(fēng)壓要求。

2.2 供配電系統(tǒng)

該礦井已從工業(yè)場(chǎng)地副立井下四回電纜向井下供電，四回均引至井下主變電所。下井電纜采用MYJV42-10 kV 3×240 mm2交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜，兩兩互為備用。當(dāng)任一回電源因故停止供電時(shí)，另一段母線上兩回電源仍能保證井下全部設(shè)備正常運(yùn)行。改造后，井下負(fù)荷減小，下井電纜滿足改造后使用要求。

2.3 輔助運(yùn)輸

大型設(shè)備(如液壓支架、采煤機(jī)等)解體后通過(guò)罐籠下放至副立井井底車場(chǎng)后，由防爆蓄電池機(jī)車運(yùn)輸至液壓支架組裝硐室。完成組裝后,由防爆蓄電池機(jī)車牽引至無(wú)極繩牽引卡軌車硐室，再由卡軌車運(yùn)輸至工作面。

1) 副立井。大采高液壓支架總質(zhì)量為51 t，運(yùn)輸尺寸為8 627 mm×3 000 mm×1 640 mm?，F(xiàn)有副立井提升機(jī)能力、提升容器尺寸及載重均不滿足液壓支架整體運(yùn)輸要求，必須進(jìn)行解體后方可運(yùn)輸。經(jīng)校核，液壓支架解體后各部分質(zhì)量(含運(yùn)輸平板車)均小于29 t，副立井提升機(jī)提升能力、罐籠尺寸及載重均滿足要求。

2) 井下運(yùn)輸。結(jié)合本礦井建設(shè)規(guī)模、井田開采面積、煤層頂?shù)装鍡l件、埋深、傾角、運(yùn)輸距離及運(yùn)輸量等，以及近年來(lái)國(guó)內(nèi)外大、中型礦井輔助運(yùn)輸設(shè)備的使用情況和發(fā)展趨勢(shì)，適合該礦井井下輔助運(yùn)輸?shù)脑O(shè)備主要有無(wú)極繩連續(xù)牽引車、防爆柴油機(jī)單軌吊機(jī)車、防爆柴油機(jī)齒軌卡軌機(jī)車、無(wú)極繩牽引卡軌車。

通過(guò)對(duì)上述輔助運(yùn)輸設(shè)備的優(yōu)缺點(diǎn)及適應(yīng)性分析，西翼輔助大巷采用煤礦防爆特殊型蓄電池式電機(jī)車運(yùn)輸，工作面輔助運(yùn)輸順槽采用無(wú)極繩牽引卡軌車。

結(jié)合以上分析可知，目前大柳煤礦的供配電、通風(fēng)等系統(tǒng)完全滿足改為大采高綜采工藝后的使用要求，副井運(yùn)輸只需對(duì)井下運(yùn)輸裝備進(jìn)行改造，即可滿足使用要求。

3 結(jié)論

華能煤業(yè)有限公司第一次應(yīng)用自動(dòng)化大采高綜采工藝，這也是該工藝在軟巖條件下的首次應(yīng)用，它的推廣使用不但能大大提高生產(chǎn)率，而且能提高現(xiàn)場(chǎng)安全性。但面臨的問(wèn)題還有很多，需要進(jìn)一步摸索與研究。隨著科技的進(jìn)步和人員素質(zhì)的普遍提高，自動(dòng)化大采高綜采技術(shù)將會(huì)越來(lái)越完善。