高瓦斯中厚煤層工作面加長(zhǎng)與設(shè)備適應(yīng)性研究

徐長(zhǎng)久

（山煤國(guó)際能源集團(tuán)股份有限公司煤業(yè)分公司，山西 太原 030006）

鹿臺(tái)山煤業(yè)已回采的2202 工作面長(zhǎng)度為160 m，為有效提高工作面生產(chǎn)能力及效率，設(shè)計(jì)其相鄰的2203 工作面時(shí)決定增加工作面的長(zhǎng)度。加長(zhǎng)后的工作面與實(shí)際頂板地質(zhì)條件、 礦壓顯現(xiàn)情況以及工作面設(shè)備能力相適應(yīng)，才能真正發(fā)揮出加長(zhǎng)后工作面的安全高效的生產(chǎn)效能。為此，利用理論計(jì)算的方法得出工作面的合理長(zhǎng)度，并結(jié)合礦井開采2 號(hào)煤層所使用的生產(chǎn)裝備，進(jìn)行工作面設(shè)備配套性能分析[1-2]。

1 工作面概況

鹿臺(tái)山煤業(yè)開采2 號(hào)、15 號(hào)煤層，產(chǎn)能0.60 Mt/a。礦井采用斜井開拓，共布置有3 個(gè)井筒，屬高瓦斯礦井，地質(zhì)構(gòu)造屬?gòu)?fù)雜型，水文地質(zhì)屬中等。

目前礦井正在回采2202 綜采工作面，2203 綜采工作面正在進(jìn)行準(zhǔn)備。工作面布置如圖1所示。

圖1 2203 綜采工作面位置

2203 綜采工作面開采2 號(hào)煤層，煤層厚度為1.35～3.20 m，平均2.20 m；傾角為3°～12°，平均5°。運(yùn)輸順槽斷面為8.64 m2，回風(fēng)順槽斷面為8.16 m2。采用綜合機(jī)械化開采工藝，全部垮落法管理頂板，傾向長(zhǎng)度1 252 m。2203 工作面頂?shù)装迩闆r如表1所示。

表1 2203 工作面頂?shù)装迩闆r

2 2203 工作面合理長(zhǎng)度確定

根據(jù)相鄰的2202 工作面初采期間的礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果，當(dāng)工作面推進(jìn)7 m，中部支架頂板圍巖開始出現(xiàn)壓力增大的現(xiàn)象，并伴隨冒落矸石增多，布置于2 號(hào)、3 號(hào)、4 號(hào)、5 號(hào)、6 號(hào)、7 號(hào)、8 號(hào)、9 號(hào)分機(jī)的壓力顯著增大；當(dāng)工作面推進(jìn)22.1 m，直接頂能夠全都垮落，最大強(qiáng)度為42.35 MPa；當(dāng)工作面推進(jìn)48 m，其老頂能夠全都垮落，最大強(qiáng)度為40.45 MPa，具體如表2所示。

表2 相鄰的2020 工作面初采期間礦壓顯現(xiàn)情況

按照普氏理論及工作面支架工作阻力[3-5]，2203 工作面最大長(zhǎng)度可由下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：f 為頂板巖石普氏系數(shù)，根據(jù)臨近的2202 工作面頂板巖石力學(xué)參數(shù)，其范圍為3.69～4.20；Pd為靜壓，2202 工作面在頂板煤業(yè)來(lái)壓時(shí)的強(qiáng)度為29.7～31.4 MPa，約30 MPa，而老頂來(lái)壓時(shí)的最大強(qiáng)度為42.35 MPa，即動(dòng)壓系數(shù)約為1.4，最大靜壓為3 404.3 kN；g 為重力加速度，取10 m/s2；r1為頂板巖石密度，取2.5×104kg/m3；Lz 為支架頂梁長(zhǎng)度，取3.8 m；bz 為支架頂梁寬度，取1.43 m。將上述各項(xiàng)參數(shù)代入公式（1）中進(jìn)行計(jì)算可以得出：2203 工作面合理長(zhǎng)度范圍為185.0～210.5 m。

3 2203 工作面設(shè)備配套性能分析

3.1 采煤機(jī)生產(chǎn)能力驗(yàn)算

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，2203 工作面長(zhǎng)度取190 m，可比原先的2202 工作面長(zhǎng)度160 m 加長(zhǎng)30 m。2203 工作面傾向長(zhǎng)為1 252 m，平均煤厚2.2 m，采高2.8 m，循環(huán)進(jìn)度0.63 m，煤的容重1.45 t/m3，工業(yè)儲(chǔ)量0.96 Mt，可采儲(chǔ)量0.72 Mt，循環(huán)產(chǎn)量345.48 t。根據(jù)礦井產(chǎn)能0.60 Mt/a，月平均作業(yè)25 d，綜采隊(duì)計(jì)劃6 循環(huán)/d，則日產(chǎn)量2 072.86 t，月產(chǎn)量51 821.55 t，工作面的服務(wù)年限1.1 a。

（1）采煤機(jī)生產(chǎn)能力

根據(jù)日產(chǎn)量2 072.86 t，工作面采用“三八”制，每日2 個(gè)生產(chǎn)班，共6 個(gè)循環(huán)，采煤班的開機(jī)率取70%，計(jì)算可得采煤機(jī)應(yīng)具有的生產(chǎn)能力為182.40 t/h。

（2）采煤機(jī)牽引速度

根據(jù)采煤機(jī)生產(chǎn)能力公式推導(dǎo)得出其牽引速度為：

式中：Qc為采煤機(jī)生產(chǎn)能力，取182.40 t/h；H 為平均煤厚，取2.2 m；b 為截深，取0.60 m；r 為2號(hào)煤自身容重，取1.45 t/m3；C 為工作面回采率，取0.95。將上述各項(xiàng)參數(shù)代入公式2 中進(jìn)行計(jì)算可以得出：采煤機(jī)牽引速度為1.67 m/min。

MG300/730-WD 型采煤機(jī)的牽引速度為0～47.6 m/min，該型采煤機(jī)的生產(chǎn)能力、牽引速度可以滿足生產(chǎn)要求。

3.2 刮板輸送機(jī)輸送能力驗(yàn)算

工作面三機(jī)配套時(shí)，通常刮板輸送機(jī)輸送能力取采煤機(jī)生產(chǎn)能力的1.2 倍。據(jù)此可得在工作面加長(zhǎng)后，刮板輸送機(jī)輸送能力應(yīng)不小于218.88 t/h。目前礦井二采區(qū)2 號(hào)煤層工作面配備的SGZ764/630型刮板輸送機(jī)的輸送能力為1 000 t/h，該型刮板輸送機(jī)可以滿足生產(chǎn)要求。

3.3 端頭單體液壓支柱支護(hù)阻力驗(yàn)算

工作面端頭單體液壓支柱的支護(hù)阻力P可按照工作采高的4～8倍進(jìn)行估算：

式中：N 為液壓支柱承受上覆巖層的采高倍數(shù)，取6；α 為2 號(hào)煤層傾角，取5°。將上述各項(xiàng)參數(shù)代入公式（3）中進(jìn)行計(jì)算可以得出：工作面端頭單體液壓支柱所承受的支護(hù)阻力為0.187 MPa。

DW3.15 型單體液壓支柱的額定工作阻力為200 kN，換算為單位面積壓強(qiáng)為0.2 MPa，大于承載支護(hù)強(qiáng)度0.187 MPa，因此該型單體液壓支柱可以滿足生產(chǎn)要求。

3.4 液壓支架支護(hù)阻力驗(yàn)算

根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)等相關(guān)資料，液壓支架的工作阻力可由下述公式（4）計(jì)算：

式中：Qs為液壓支架的工作阻力，kN；γ覆為工作面上覆巖層的平均容重，取2.5 kN/m3；g 為重力加速度，取9.8 m/s2；C 為端面距，取0.34 m；L 為頂梁長(zhǎng)度，取4 m；S 為支架中心距，取1.5 m；η 為支架工作效率，取0.98。將上述各項(xiàng)數(shù)據(jù)代入公式（4），可得：Qs=2 148.3 kN。

2202 工作面選用ZZ4800/17/35 型液壓支架，支架工作阻力為4 800 kN＞2 148.3 kN，因此可以滿足現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)需要。

3.5 工作面實(shí)際需要風(fēng)量的計(jì)算

為簡(jiǎn)化需風(fēng)量驗(yàn)證計(jì)算，按工作面工作人員數(shù)量等計(jì)算需風(fēng)量都較低，故采煤工作面風(fēng)量確定按氣象條件、 瓦斯涌出量計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比得到。

（1）按氣象條件確定需用風(fēng)量

式中：60 為單位換算系數(shù)；70%為工作面有效通風(fēng)斷面系數(shù)；Vcf為工作面配風(fēng)的風(fēng)速，取1.5 m/s；Scf為工作面平均有效通風(fēng)斷面，取6.72 m2；Kch為工作面采高調(diào)整系數(shù)，取1.1；Kcl為工作面長(zhǎng)度調(diào)整系數(shù)，取1.2。

將上述各項(xiàng)參數(shù)代入公式（4）中進(jìn)行計(jì)算可以得出：工作面需要風(fēng)量為410 m3/min。

（2）按瓦斯出量計(jì)算

式中：125 為根據(jù)工作面回風(fēng)瓦斯?jié)舛刃∮?.8%進(jìn)行換算的系數(shù)；qcg為工作面回風(fēng)巷的瓦斯涌出量，6.6 m3/min；Kcg為因瓦斯涌出量變化的風(fēng)量備用系數(shù)，取1.4。

將上述各項(xiàng)參數(shù)代入公式5 中進(jìn)行計(jì)算可以得出：工作面需要風(fēng)量為1 155 m3/min。

綜上所得，2203 工作面所需風(fēng)量為1 155 m3/min。工作面通風(fēng)方式為Y+L 形，其中皮帶巷、軌道巷承擔(dān)進(jìn)風(fēng)任務(wù)，配風(fēng)量分別為1200 m3/min、600 m3/min。鄰近的2202 工作面實(shí)際所需風(fēng)量為970 m3/min，與2203 工作面驗(yàn)算之后的風(fēng)量相差不大。

4 經(jīng)濟(jì)效益

1）工作面加長(zhǎng)后，采區(qū)可以少布置一個(gè)工作面，因此可少掘1 條1 500 m 煤巷?？紤]人工、材料、運(yùn)輸?shù)榷喾N因素，巷道掘進(jìn)單價(jià)約為5 200 元/m，經(jīng)濟(jì)效益為780 萬(wàn)元； 可以減少1 次掘進(jìn)設(shè)備安裝、撤除工程，可節(jié)省約50 萬(wàn)元；減少1 次工作面設(shè)備安裝、撤除工程，可節(jié)省約200 萬(wàn)元。

2）工作面長(zhǎng)度加長(zhǎng)至190 m，需增加液壓支架20 架、中部槽20 節(jié)、大鏈60 m，購(gòu)置費(fèi)用合計(jì)為680 萬(wàn)元。

3）工作面加長(zhǎng)30 m，可多采出煤炭資源119 816 t，按照噸煤售價(jià)500 元/t，可創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益約5 990 萬(wàn)元。

綜上所述，加長(zhǎng)2203 工作面長(zhǎng)度后預(yù)計(jì)可以多創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益6 340 萬(wàn)元。

5 結(jié)論

1）以2202 工作面礦壓顯現(xiàn)情況類比于2203工作面，基于2203 工作面頂板實(shí)際地質(zhì)條件，對(duì)應(yīng)于ZZ4800/17/35 型液壓支架支護(hù)強(qiáng)度的工作面合理長(zhǎng)度范圍為185.0～210.5 m。

2）2203 工作面長(zhǎng)度取190 m，通過(guò)驗(yàn)算，所選MG300/730-WD 型采煤機(jī)、SGZ764/630 型刮板輸送機(jī)、 端頭布置的DW3.15 型單體液壓支柱以及工作面需風(fēng)量能滿足安全生產(chǎn)的需要。

3）加長(zhǎng)2203 工作面長(zhǎng)度之后，回采過(guò)程當(dāng)中可以在允許范圍內(nèi)加快推進(jìn)速度，以減緩礦山壓力的影響，并進(jìn)一步加強(qiáng)回采過(guò)程中的礦壓監(jiān)測(cè)，為后續(xù)工作面的安全生產(chǎn)提供依據(jù)。