淺埋煤層大采高加長(zhǎng)工作面“三機(jī)”配套研究及應(yīng)用

呂情緒，肖劍儒，滿 洋

(1.國(guó)家能源集團(tuán)神東技術(shù)研究院，陜西 神木 719300；2.國(guó)能神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司 生產(chǎn)管理部，陜西 神木 719300；3.國(guó)能神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司 機(jī)電管理部，陜西 神木 719300)

神東礦區(qū)地處神府東勝煤田，礦區(qū)煤層埋深淺、地質(zhì)條件優(yōu)越，是當(dāng)前我國(guó)重要的煤炭生產(chǎn)基地[1]。以建設(shè)安全高效的能源體系為精準(zhǔn)目標(biāo)，礦區(qū)裝備配備和生產(chǎn)管理水平較傳統(tǒng)煤礦都有了質(zhì)的飛躍[2]。基于優(yōu)越的地質(zhì)條件和先進(jìn)的技術(shù)裝備水平，礦區(qū)大力建設(shè)發(fā)展大采高一次采全高工作面，為進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率，礦區(qū)工作面長(zhǎng)度也不斷增加，相繼創(chuàng)建了300m、360m、400m、450m的大長(zhǎng)或超長(zhǎng)工作面[3，4]。

為保證加長(zhǎng)工作面的安全高效生產(chǎn)，眾多專家學(xué)者開展了諸多研究。呂志金[5]研究了大采高超長(zhǎng)工作面上覆關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)及其破斷特征，并表明初采階段強(qiáng)制放頂能有效減小超長(zhǎng)工作面的初次來壓步距、降低頂板動(dòng)載沖擊。孫健等[6]結(jié)合瓦斯涌出量與工作面長(zhǎng)度的作用關(guān)系，計(jì)算了磁窯溝煤礦超長(zhǎng)工作面安全生產(chǎn)的通風(fēng)需求量。任建軍[7]對(duì)大采高超長(zhǎng)工作面采空區(qū)遺煤自燃區(qū)域分布位置進(jìn)行了劃分，研究表明工作面長(zhǎng)度增加自燃氧化帶寬度也相應(yīng)增加。卞正富等[8]指出工作面長(zhǎng)度超過一定范圍后將導(dǎo)致地層形態(tài)發(fā)生變化從而易使地下水大量流失。這些研究為超長(zhǎng)工作面的高效安全開采提供了可靠保障，但其中缺乏對(duì)淺埋煤層大采高加長(zhǎng)工作面“三機(jī)”配套選型的研究探索。而淺埋煤層大采高加長(zhǎng)工作面不同于傳統(tǒng)工作面，其受大產(chǎn)量、強(qiáng)礦壓等因素影響而對(duì)“三機(jī)”配套具有更高要求[9，10]。因此，研究淺埋煤層大采高加長(zhǎng)工作面“三機(jī)”配套的合理性，選取合理的工作面核心生產(chǎn)設(shè)備是現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)踐提出的重要課題。

本文以神東集團(tuán)上灣礦22104淺埋大采高加長(zhǎng)工作面為工程背景，采用理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對(duì)工作面“三機(jī)”配套的合理性進(jìn)行研究，并通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)對(duì)加長(zhǎng)工作面的應(yīng)用效果進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。本文研究成果對(duì)淺埋煤層大采高加長(zhǎng)工作面的設(shè)備選型及促進(jìn)安全高效生產(chǎn)具有重要理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 礦井概況

上灣礦是神東煤炭集團(tuán)年產(chǎn)超千萬噸的大型現(xiàn)代化礦井，井田地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，為保證礦井安全高效生產(chǎn)，在發(fā)展大采高工作面的同時(shí)，礦井也著力于加長(zhǎng)工作面長(zhǎng)度。上灣礦現(xiàn)正回采2-2煤，2-2煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、賦存穩(wěn)定，屬于近水平煤層。22104工作面是2-2煤一盤區(qū)的第4個(gè)面，東側(cè)為2-2煤大巷，南側(cè)、北側(cè)為未開采區(qū)域，西側(cè)是原上灣井田邊界。工作面埋深118～185m，煤層厚度4.51～7.06m，平均厚度6.5m。工作面沿傾向布置，采用傾斜長(zhǎng)壁后退式一次采全高綜合機(jī)械化采煤法開采，設(shè)計(jì)采高6.5m。工作面頂板以砂巖和泥巖為主，頂板條件良好。

2-2煤一盤區(qū)已回采完成的3個(gè)工作面其長(zhǎng)度均小于300m，已不能完全滿足礦井高產(chǎn)高效的要求，為大幅提高工作面產(chǎn)量、降低煤層回采損失，在保證安全的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)22104工作面長(zhǎng)度增加至330m。參考已回采工作面的開采經(jīng)驗(yàn)，工程類比設(shè)計(jì)22104工作面預(yù)選用主要設(shè)備型號(hào)見表1，為驗(yàn)證主要設(shè)備(“三機(jī)”)選型是否合理，需對(duì)主要設(shè)備的運(yùn)行能力進(jìn)行校核分析。

表1 22104工作面“三機(jī)”型號(hào)

2 大采高加長(zhǎng)工作面“三機(jī)”能力分析

工作面加長(zhǎng)后設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力增大，采煤機(jī)的落煤能力偏低則不能滿足達(dá)產(chǎn)要求。同時(shí)，采煤機(jī)循環(huán)落煤量增加使堆積在刮板輸送機(jī)上的落煤也明顯增加，若刮板輸送機(jī)的電機(jī)功率及刮板鏈強(qiáng)度達(dá)不到落煤的運(yùn)輸要求，則極有可能造成刮板輸送機(jī)因過載而壓死或斷鏈。此外，大采高加長(zhǎng)工作面相較于普通工作面其開采尺寸明顯增加，頂板巖層運(yùn)動(dòng)垮落更劇烈，作用在液壓支架上的壓力也更大。加之相關(guān)研究證明，淺埋煤層工作面并非因其埋深淺而礦壓顯現(xiàn)緩和，其僅具有單層或雙層關(guān)鍵層而頂板運(yùn)動(dòng)更劇烈[11-13]。因此，淺埋煤層大采高加長(zhǎng)工作面對(duì)液壓支架的支護(hù)能力具有更高要求。綜上，“三機(jī)”能否滿足開采要求是淺埋煤層大采高加長(zhǎng)工作面能否安全高效開采的關(guān)鍵。

2.1 采煤機(jī)落煤能力分析

大采高加長(zhǎng)工作面采煤機(jī)不僅要在外形尺寸上滿足空間布置要求，還要根據(jù)工作面的設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力滿足落煤能力要求。綜采工作面采煤機(jī)單位時(shí)間落煤量主要由采高、工作面長(zhǎng)度、截深、牽引速度等參數(shù)決定，其計(jì)算公式如下[14]：

式中，Qm為采煤機(jī)落煤能力，t/h；Q為工作面設(shè)計(jì)日產(chǎn)量，t/d；L為工作面長(zhǎng)度，m；i為采煤機(jī)割煤速度與空刀牽引速度之比；Lm為采煤機(jī)兩滾筒中心距，m；A為采煤機(jī)開機(jī)率；T為工作面日生產(chǎn)時(shí)間，min；C為工作面回采率，%；Td為采煤機(jī)返向時(shí)間，min；B為采煤機(jī)截深，m；H為采高，m；γ為煤的容重，t/m3。

上灣礦22104工作面設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力44000t/d，計(jì)算可得采煤機(jī)最低要求落煤能力為3404t/h，工作面設(shè)計(jì)選用采煤機(jī)型號(hào)為7LS8-LWS762，其生產(chǎn)能力6000t/h大于采煤機(jī)最低要求落煤能力，因此設(shè)計(jì)選用采煤機(jī)型號(hào)能滿足工作面落煤能力要求。

2.2 刮板輸送機(jī)運(yùn)輸能力分析

生產(chǎn)實(shí)踐表明，刮板輸送機(jī)的運(yùn)輸能力是阻礙大采高工作面加長(zhǎng)的主要裝備因素。工作面刮板輸送機(jī)的運(yùn)輸能力應(yīng)滿足采煤機(jī)最大落煤能力的要求。刮板輸送機(jī)運(yùn)行過程中受到的阻力主要為刮板鏈在溜槽內(nèi)的運(yùn)行阻力和煤在溜槽內(nèi)的運(yùn)行阻力，限制刮板輸送機(jī)運(yùn)輸能力的因素主要為電機(jī)功率及刮板鏈強(qiáng)度。

2.2.1 電機(jī)功率校核

刮板輸送機(jī)貨載單位長(zhǎng)度質(zhì)量為[14]：

式中，q為煤的單位長(zhǎng)度質(zhì)量，kg/m；v為刮板鏈的速度，m/s；vk為采煤機(jī)的最大牽引速度，m/s。

刮板輸送機(jī)載滿煤時(shí)運(yùn)行阻力為[14]：

Wzh=(qω+qlωl)Lgcosβ±(q+ql)Lgsinβ(3)

式中，Wzh為刮板輸送機(jī)載滿煤時(shí)運(yùn)行阻力，kN；ω為運(yùn)行在溜槽內(nèi)煤的阻力系數(shù)；ql為刮板鏈單位長(zhǎng)度的重量，kg/m；ωl為刮板鏈在溜槽內(nèi)的阻力系數(shù)；g為重力加速度，m/s2；β為刮板輸送機(jī)的鋪設(shè)傾角，(°)。

刮板輸送機(jī)空載時(shí)運(yùn)行阻力為[14]：

Wk=qlLg(ωlcosβ+sinβ)(4)

式中，Wk為刮板輸送機(jī)空載時(shí)運(yùn)行阻力，kN。

刮板輸送機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)所需總牽引力除受空載及載煤運(yùn)行阻力影響，還會(huì)受到刮板機(jī)自身摩擦力及彎曲段產(chǎn)生的附加阻力等影響。為保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性且簡(jiǎn)化計(jì)算過程，參考已有研究成果，引入阻力系數(shù)k1和k2[15]。則刮板輸送機(jī)運(yùn)行所需總牽引力為：

W0=k1k2(Wzh+Wk)(5)

式中，W0為刮板輸送機(jī)的總牽引力，kN；k1為刮板鏈繞鏈輪的阻力附加系數(shù)；k2為中部槽彎曲的運(yùn)行阻力附加系數(shù)。

刮板輸送機(jī)的電機(jī)總功率為：

式中，Nd為刮板輸送機(jī)所需功率，kW；η為傳動(dòng)裝置效率。

經(jīng)計(jì)算可得22104工作面刮板輸送機(jī)正常運(yùn)行所需最低功率為3341kW，設(shè)計(jì)選用的SGZ1400/3×1600kW型刮板輸送機(jī)功率為4800kW，其值大于計(jì)算所得最低要求功率，能滿足刮板輸送機(jī)正常運(yùn)輸要求。

2.2.2 刮板鏈強(qiáng)度校核

刮板鏈?zhǔn)欠衲鼙焕瓟嘤善涫艿降淖畲髲埩Q定，要進(jìn)行刮板鏈強(qiáng)度校核需先采用逐點(diǎn)法求解刮板鏈?zhǔn)艿降淖畲髲埩?，刮板輸送機(jī)傳動(dòng)裝置簡(jiǎn)圖如圖1所示[14]。若刮板輸送機(jī)滿載煤時(shí)運(yùn)行阻力Wzh≥0，則雙端驅(qū)動(dòng)刮板輸送機(jī)主動(dòng)鏈輪分離點(diǎn)的張力小于其相遇點(diǎn)的張力，由此確定分離點(diǎn)1或分離點(diǎn)3是主動(dòng)鏈輪的最小張力點(diǎn)。

圖1 刮板輸送機(jī)傳動(dòng)裝置

由逐點(diǎn)張力法得：

式中，S3為3點(diǎn)所受張力，kN；S1為1點(diǎn)所受張力，kN；nB為B端電動(dòng)機(jī)數(shù)量，臺(tái)；n為電動(dòng)機(jī)總數(shù)量，臺(tái)。

22104工作面刮板機(jī)為雙端驅(qū)動(dòng)，機(jī)頭布置兩臺(tái)電機(jī)，機(jī)尾布置一臺(tái)，圖1中B端為機(jī)頭位置，計(jì)算可得最小張力點(diǎn)在3點(diǎn)。根據(jù)相關(guān)研究，最小點(diǎn)張力為[15]：

S3=Smin=2×(2000～3000)N

刮板鏈其余各點(diǎn)所受張力為：

式中，S2和S4分別為刮板鏈2點(diǎn)和4點(diǎn)所受張力，kN。

為最大限度校核保證刮板鏈強(qiáng)度，取S3=6000N，則計(jì)算可得4點(diǎn)為最大張力點(diǎn)，其值為1079kN。

刮板鏈強(qiáng)度的可靠性以安全系數(shù)K表示，具體為：

式中，K為刮板鏈強(qiáng)度安全系數(shù)；Sp為單根刮板鏈的破斷拉力，kN；λ為雙鏈負(fù)荷不均勻系數(shù)；Smax為刮板鏈的最大張力，kN。

研究表明當(dāng)刮板鏈抗拉安全強(qiáng)度系數(shù)K≤3.5時(shí)，刮板鏈強(qiáng)度不能滿足工作面生產(chǎn)要求，運(yùn)輸過程中往往斷鏈故障頻發(fā)，對(duì)正常生產(chǎn)產(chǎn)生不利影響[16]。22104工作面設(shè)計(jì)選用的SGZ1400/3×1600kW型刮板輸送機(jī)刮板鏈形式為中雙鏈，圓環(huán)鏈規(guī)格為?60mm×181/197mm，計(jì)算可得安全強(qiáng)度系數(shù)K為5.07，其值大于3.5，因此理論計(jì)算可知工作面設(shè)計(jì)選用刮板輸送機(jī)的刮板鏈強(qiáng)度能滿足工作面運(yùn)輸要求。

綜合上述分析可得，設(shè)計(jì)選用刮板輸送機(jī)的功率及刮板鏈強(qiáng)度均能滿足加長(zhǎng)工作面生產(chǎn)的需求。但生產(chǎn)實(shí)踐與理論計(jì)算存在一定差距，若采煤機(jī)運(yùn)行過程中割巖嚴(yán)重，割落巖石堆積在刮板輸送機(jī)上或卡入溜槽內(nèi)，刮板輸送機(jī)承載加大且自身摩擦阻力增強(qiáng)，極易造成刮板輸送機(jī)壓死或斷鏈。此外，若工作面片幫嚴(yán)重或底板不平則易造成刮板輸送機(jī)超載或彎曲度超限，刮板輸送機(jī)突然停機(jī)后，若未清空其溜槽內(nèi)的落煤，強(qiáng)制啟動(dòng)刮板輸送機(jī)會(huì)使刮板輸送機(jī)功率和刮板鏈張力瞬間增大而導(dǎo)致停機(jī)或斷鏈?zhǔn)鹿?。因此，在?shí)際生產(chǎn)中應(yīng)及時(shí)觀察刮板輸送機(jī)的運(yùn)行情況，若有設(shè)備故障要及時(shí)做出調(diào)整。

2.3 液壓支架支護(hù)能力分析

2.3.1 液壓支架工作阻力理論分析

隨著工作面長(zhǎng)度加大，頂板覆巖的垮落范圍和程度也隨之增大，液壓支架需要提供的工作阻力也就更大。以工作面長(zhǎng)度確定液壓支架工作面阻力可由下式進(jìn)行計(jì)算[17]：

式中，P為液壓支架工作面阻力，kN；γ1為覆巖平均容重，kN/m3；a為工作面支架寬度，m；b為支架頂梁長(zhǎng)度，m；f為覆巖平均堅(jiān)固系數(shù)。

計(jì)算可得22104工作面液壓支架最低要求工作阻力為13658kN，工作面設(shè)計(jì)選用ZY18000/32/70D型液壓支架，其額定工作阻力18000kN大于計(jì)算工作阻力，說明設(shè)計(jì)選用的液壓支架能滿足工作面頂板控制要求。

2.3.2 液壓支架支護(hù)強(qiáng)度模擬分析

為進(jìn)一步確定加長(zhǎng)工作面液壓支架的合理支護(hù)強(qiáng)度，選用FLAC3D數(shù)值模擬對(duì)不同支護(hù)強(qiáng)度下頂板的下沉量進(jìn)行模擬。根據(jù)22104工作面煤巖賦存情況建立數(shù)值模型，如圖2所示。模型建至地表，工作面兩邊各留30m煤柱，兼顧計(jì)算成本和時(shí)間，確定模型尺寸為390m×300m×178.55m(長(zhǎng)×寬×高)。模型巖層劃分為22層，累計(jì)巖性8種，采用摩爾庫侖模型，各巖層具體力學(xué)參數(shù)見表2。根據(jù)已有開采經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)研究成果[18]，工作面采高及長(zhǎng)度加大都會(huì)增加對(duì)液壓支架支護(hù)強(qiáng)度的要求。因此，模擬研究0.8～1.8MPa(以0.1MPa為梯度增加)11種支護(hù)強(qiáng)度下煤壁后方1～3m處頂板的下沉量，以此為依據(jù)確定頂板所需合理支護(hù)強(qiáng)度。

圖2 數(shù)值模型

表2 煤巖層力學(xué)參數(shù)

不同位置頂板最大下沉量隨支護(hù)強(qiáng)度演化關(guān)系曲線如圖3所示。頂板最大下沉量表現(xiàn)出明顯的縱向和橫向分組特征?？v向來看，空間位置不同，頂板最大下沉量表現(xiàn)出差異性，與煤壁距離越小，頂板下沉量越?。浑S著液壓支架前移及時(shí)間發(fā)育，遠(yuǎn)離煤壁位置頂板下沉量增大。橫向來看，同一空間位置下支護(hù)強(qiáng)度不同，頂板最大下沉量也表現(xiàn)出差異性，總體呈現(xiàn)隨支護(hù)強(qiáng)度增加頂板最大下沉量降低的趨勢(shì)；頂板最大下沉量隨支護(hù)強(qiáng)度的演化分為兩個(gè)區(qū)，即支護(hù)強(qiáng)度在0.8～1.4MPa之間的降低區(qū)和支護(hù)強(qiáng)度在1.4～1.8MPa之間的穩(wěn)定區(qū)；降低區(qū)內(nèi)頂板最大下沉量隨支護(hù)強(qiáng)度增加明顯降低，說明支護(hù)強(qiáng)度對(duì)控制頂板穩(wěn)定效果明顯；穩(wěn)定區(qū)內(nèi)頂板最大下沉量隨支護(hù)強(qiáng)度增加呈現(xiàn)輕微降低而趨于穩(wěn)定，說明此區(qū)域范圍內(nèi)支護(hù)強(qiáng)度對(duì)頂板穩(wěn)定影響不大。綜合上述分析來看，能保證頂板穩(wěn)定的最小支護(hù)強(qiáng)度為1.4MPa，即預(yù)選用液壓支架的支護(hù)強(qiáng)度不應(yīng)低于1.4MPa。22104工作面預(yù)選用ZY18000/32/70D液壓支架的支護(hù)強(qiáng)度為1.54MPa，能保證頂板穩(wěn)定。

圖3 頂板最大下沉量隨支護(hù)強(qiáng)度演化關(guān)系曲線

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析

為進(jìn)一步對(duì)22104工作面預(yù)選的“三機(jī)”配套結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，并為后續(xù)相同條件工作面安全高效開采提供充分支持，在22104工作面生產(chǎn)中對(duì)采煤機(jī)的落煤能力、刮板輸送機(jī)的運(yùn)輸能力及液壓支架的支撐能力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：

1)22104工作面生產(chǎn)過程中，采煤機(jī)運(yùn)行狀況良好，設(shè)備故障率低，裝煤率和割煤效率相較于2-2煤一盤區(qū)前三個(gè)工作面都有了極大提升，能充分滿足產(chǎn)量要求。

2)刮板輸送機(jī)電機(jī)功率能滿足正常運(yùn)轉(zhuǎn)要求，刮板鏈強(qiáng)度雖在采煤機(jī)割巖及溜槽內(nèi)落煤未被清理干凈時(shí)出現(xiàn)斷鏈現(xiàn)象，但采煤機(jī)正常割煤時(shí)，基本無斷鏈發(fā)生。

3)液壓支架是工作面安全生產(chǎn)的基本保障，選取沿工作面走向300m的距離范圍(2000～2300m)，在工作面上部(運(yùn)輸巷側(cè))、中部、及下部(回風(fēng)巷側(cè))設(shè)置測(cè)站對(duì)液壓支架的工作阻力進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖4所示。

圖4 液壓支架實(shí)測(cè)工作阻力曲線

分析圖4可知，隨工作面推進(jìn)，支架阻力表現(xiàn)出較強(qiáng)的離散性。監(jiān)測(cè)距離范圍內(nèi)，最小支架阻力出現(xiàn)在下部測(cè)區(qū)，其值為22.4MPa，最大支架阻力出現(xiàn)在中部測(cè)區(qū)，其值為44.6MPa，其余監(jiān)測(cè)阻力值在最大值與最小值之間震蕩波動(dòng)。但總體來看，支架阻力值主要分布在來壓判據(jù)值以下，只有個(gè)別測(cè)值超過來壓判據(jù)值，說明選用液壓支架能滿足頂板支撐要求，保證工作面安全回采。

4 結(jié) 論

1)工作面采高加大及長(zhǎng)度加長(zhǎng)有利于工作面增產(chǎn)增效，但其對(duì)采煤機(jī)的割煤能力、刮板輸送機(jī)的運(yùn)輸能力及液壓支架的支撐能力具有較高要求，應(yīng)根據(jù)工作面實(shí)際生產(chǎn)條件進(jìn)行設(shè)備選型。

2)上灣礦22104大采高加長(zhǎng)工作面選用的設(shè)備能滿足實(shí)際生產(chǎn)要求，但生產(chǎn)過程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注刮板鏈在采煤機(jī)割巖等特殊條件下運(yùn)行時(shí)是否會(huì)斷鏈，若有斷鏈情況出現(xiàn)應(yīng)及時(shí)更換更高強(qiáng)度刮板鏈。