魏墻煤礦綜采工作面長度與設(shè)備的合理配套

程進(jìn)保，李軍勝，焦長軍

(陜西延長石油集團(tuán)橫山魏墻煤業(yè)有限公司，陜西 榆林 719100)

0 引言

我國在煤炭開采中，多采用壁式體系采煤法[1-3]，而壁式體系又以長壁綜合機(jī)械采煤為主[4-5]。近年來，隨著綜合機(jī)械化采煤裝備的提升，工作面裝備趨于重型化、大型化，工作面單產(chǎn)顯著提高[6-9]。設(shè)備外形尺寸的增加大部分可通過工程技術(shù)手段解決，但工作面設(shè)備與巷道工程(主要為工作面長度)配套不合理，對工作面的安全高效生產(chǎn)具有一定的影響?；诖耍槍ξ簤γ旱V綜采工作面設(shè)備與工作面長度配套所存在的問題進(jìn)行探究，以提出合理的解決對策。

1 工程背景

1.1 魏墻礦井概況

魏墻煤礦2015年11月建成投產(chǎn)，設(shè)計生產(chǎn)能力300萬t/年，核定生產(chǎn)能力600萬t/年，是陜北侏羅紀(jì)煤田榆橫礦區(qū)南區(qū)唯一一座特大型現(xiàn)代化礦井，實現(xiàn)“一井一面”開采模式。礦井采用斜井單水平盤區(qū)式開拓，地質(zhì)構(gòu)造簡單，煤層賦存穩(wěn)定，主采煤層為3-1號煤層，煤層平均厚度3.07 m，煤層傾角小于1°。井田劃分為4個盤區(qū)，首采盤區(qū)一盤區(qū)南翼已回采結(jié)束，現(xiàn)生產(chǎn)盤區(qū)為二盤區(qū)。

1.2 工作面概況

魏墻礦井采用走向長壁綜合機(jī)械化開采，綜采工作面設(shè)計長度以300 m為主，與綜采工作面配套的回采巷道膠運順槽設(shè)計凈寬5.5 m，輔運/回風(fēng)順槽(上一工作面輔運順槽為下一工作面回風(fēng)順槽)設(shè)計凈寬5.4 m；工作面兩順槽全部沿煤層頂?shù)装寰蜻M(jìn)，且凈高不低于2.8 m。魏墻礦井綜采工作面刮板輸送機(jī)為中煤張家口煤礦機(jī)械有限公司生產(chǎn)的SGZ1000/2100型刮板輸送機(jī)，裝機(jī)功率3×700 kW，輸送機(jī)內(nèi)槽寬1 000 mm，機(jī)頭架組件長5 024 mm、過渡槽長3 950 mm、中部槽及變線槽長1750mm、機(jī)尾架長6144mm。綜采工作面液壓支架全部為山西平陽重工生產(chǎn)，其中中部架型號為ZY10000/20/38D，過渡架型號為ZYG10000/20/38D，端頭支架型號為ZYT10000/20/38D，支架中心距均為1 750 mm。

2 回采過程中遇到的問題

2.1 問題一簡述

魏墻煤礦首采工作面為1301工作面，工作面設(shè)計長度300 m，工作面設(shè)計安裝支架176臺(安裝刮板輸送機(jī)中部槽167節(jié))，工作面開始回采時，機(jī)頭安全出口約為0.5 m，機(jī)尾安全出口約1.5 m。此時，機(jī)頭排頭架至幫約為0.8 m，機(jī)尾排頭架至巷幫約為0.7 m。為確保工作面機(jī)頭安全出口滿足《煤礦安全規(guī)程》綜合機(jī)械化采煤工作面人行道寬度不得小于0.8 m的規(guī)定，工作面通過機(jī)頭加刀向機(jī)尾調(diào)整，調(diào)整后工作面機(jī)頭安全出口約為0.9 m，機(jī)尾安全出口約為1.1 m。此時，機(jī)頭排頭架至幫約為1.2 m，機(jī)尾排頭架至巷幫約為0.3 m。雖然此時保證了工作面機(jī)頭機(jī)尾安全出口寬度，但工作面后續(xù)推采中輕微上竄下滑便導(dǎo)致工作面機(jī)頭安全出口不足或機(jī)尾排頭架擠煤幫現(xiàn)象的發(fā)生，嚴(yán)重影響工作面的安全高效生產(chǎn)。同時，機(jī)尾排頭架擠幫或排頭架至幫小于0.4 m后，工作面機(jī)尾回風(fēng)隅角甲烷、一氧化碳傳感器無法按照《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)及檢測儀器使用管理規(guī)范》要求吊掛，影響工作的安全生產(chǎn)[10-11]。因此，工作面不得不在機(jī)尾處拆除一臺中部支架與一節(jié)中部溜槽。300 m長工作面安裝176臺支架后平面關(guān)系如圖1所示。

圖1 安裝176臺支架現(xiàn)場設(shè)備與巷道關(guān)系平面圖Fig.1 Plan of relationship between 176 supports and roadway

2.2 問題二簡述

吸取首采工作面教訓(xùn)后，后續(xù)1303、1307、1311工作面設(shè)計長度均為300 m，全部安裝175臺支架(安裝刮板輸送機(jī)中部槽166節(jié))?；夭蛇^程中，機(jī)頭、機(jī)尾安全出口平均約為2 m，雖然未發(fā)生機(jī)尾端頭架擠煤幫、機(jī)頭安全出口不足與傳感器無法按要求吊掛問題，但是減少一臺支架后兩端頭排頭架至巷幫距離增加，特別是機(jī)頭排頭架至巷幫距離達(dá)到2.3 m，按照《煤礦安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)管理體系基本要求及評分方法》要求，排頭架距巷幫大于0.5 m需進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，這樣兩端頭均需沿切頂線打設(shè)單體支柱約5根(間距按0.5 m)，增加了工作面的工作量。同時，工作面輕微上竄下滑便會發(fā)生兩端煤壁割不透現(xiàn)象，只能通過降低煤機(jī)運行速度(防止煤機(jī)滾筒割在轉(zhuǎn)載機(jī)槽幫上損壞設(shè)備)深度臥底來割透煤壁，制約著工作面的高效生產(chǎn)。300 m長工作面安裝175臺支架后現(xiàn)場設(shè)備與巷道關(guān)系平面圖，如圖2所示。

圖2 安裝175臺支架現(xiàn)場設(shè)備與巷道關(guān)系平面圖Fig.2 Plan of relationship between 175 supports and roadway

3 原因分析

問題一未能得到有效解決而引發(fā)問題二，即綜采工作面長度與工作面設(shè)備配套不合理所致，也就是綜采工作面長度同支架與刮板輸送機(jī)配套問題。對此，通過理論分析與現(xiàn)場比對的方法尋找原因。

3.1 理論分析

工作面設(shè)計長300 m，膠運順槽設(shè)計凈寬5.5 m、回風(fēng)順槽設(shè)計凈寬5.4 m，工作面與兩巷總長度=工作面設(shè)計長度+膠運順槽設(shè)計寬度+回風(fēng)順槽設(shè)計寬度≈311 m。

工作面長度與刮板輸送機(jī)長度配套分析:根據(jù)SGZ100/2100型刮板輸送機(jī)使用說明書，該輸送機(jī)機(jī)頭架組件長5 024 mm、過渡槽長3 950 mm、機(jī)尾架長6 144 m、中部槽每節(jié)長1 750 mm(總計167節(jié))，刮板輸送機(jī)理論長度≈307.4 m。按此計算，該刮板輸送機(jī)長度短于工作面與兩巷長度和3.6 m，即工作面機(jī)頭、機(jī)尾安全出口寬度和為3.6 m，則兩安全出口平均寬度約為1.8 m。而現(xiàn)場實際機(jī)頭、機(jī)尾安全出口和約為2 m。

工作面長度與支架數(shù)量分析:ZY10000/20/38D型支架中心距為1 750 mm，176臺支架理論長度為308 m。按此計算，支架長度長于刮板輸送機(jī)長度0.6 m，短于工作面與兩巷長度和3 m，即工作面機(jī)頭、機(jī)尾排頭架至巷幫和為3 m，則兩端頭排頭架至巷幫平均約1.5 m。而現(xiàn)場實際機(jī)頭、機(jī)尾排頭架至巷幫寬度和約為1.7 m。

3.2 現(xiàn)場比對

根據(jù)以上理論分析，300 m長工作面安裝176臺支架理論計算與現(xiàn)場實際差別較大，存在2種可能性。可能性一為綜采工作面兩順槽未按設(shè)計施工，工作面長度小于300 m；可能性二為工作面刮板輸送機(jī)存在質(zhì)量問題，總長度偏大。

公司組織測量及相關(guān)人員多次對工作面長度進(jìn)行現(xiàn)場實測，均與設(shè)計相符，可能性一可以排除。經(jīng)對工作面SGZ100/2100型刮板輸送機(jī)相關(guān)組件進(jìn)行實測發(fā)現(xiàn)，刮板輸送機(jī)中部槽中心距平均約為1 758 mm，大于設(shè)計值1 750 mm，故可能性二得到證實。

4 現(xiàn)場驗證與原因總結(jié)

4.1 對生產(chǎn)現(xiàn)場實際進(jìn)行分析驗證

按照設(shè)計，刮板輸送機(jī)總長+刮板輸送機(jī)機(jī)頭安全出口寬+刮板輸送機(jī)機(jī)尾安全出口寬=工作面長+工作面膠運順槽寬+工作面回風(fēng)順槽寬。

問題一驗證:按現(xiàn)場實測SGZ100/2100型刮板輸送機(jī)中心距1 758 mm計算，SGZ100/2100型刮板輸送機(jī)安裝167節(jié)中部槽總長度約為309 m，機(jī)頭安全出口約為0.9 m，機(jī)尾安全出口約為1.1 m(工作面機(jī)尾回風(fēng)隅角剛好滿足傳感器吊掛)。工作面與兩順槽總長約311 m，與生產(chǎn)現(xiàn)場相符。

問題二驗證:按現(xiàn)場實測刮板輸送機(jī)中心距1 758 mm計算，SGZ100/2100型刮板輸送機(jī)安裝166節(jié)中部槽總長度約為307 m。后續(xù)1303、1307、1311工作面刮板輸送機(jī)機(jī)頭、機(jī)尾安全出口平均約為2 m，那么計算得工作面與兩順槽總長約311 m，與生產(chǎn)現(xiàn)場相符。

4.2 原因總結(jié)

通過理論分析與現(xiàn)場實際驗證，造成綜采工作面長度與設(shè)備配套不合理的原因之一為刮板輸送機(jī)中部槽中心距尺寸偏大。因綜采工作面刮板輸送機(jī)中部槽尺寸偏大，工作面刮板輸送機(jī)實際長度長于理論值，從而導(dǎo)致工作面安全出口實際數(shù)據(jù)小于理論值，出現(xiàn)安全出口不足問題；又因工作面刮板輸送機(jī)與支架為一一對應(yīng)關(guān)系，刮板輸送機(jī)中心距的偏大導(dǎo)致了工作面支架中心距的偏大，從而引發(fā)工作面機(jī)尾排頭架擠幫與傳感器不能按要求吊掛的問題。其次，綜采工作面刮板輸送機(jī)機(jī)頭架組件及過渡槽、機(jī)尾架與工作面支架配套不合理也是一項重要原因[12]。

4.3 設(shè)計經(jīng)驗總結(jié)

綜上，綜采工作面長+膠運順槽寬+回風(fēng)順槽寬=工作面刮板輸送機(jī)長+機(jī)頭安全出口寬+機(jī)尾安全出口寬=工作面液壓支架總長+機(jī)頭排頭架距幫寬+機(jī)尾排頭架距幫寬。為方便后續(xù)計算說明，設(shè)綜采工作面合理長度為L、膠運順槽寬度為Lj、回風(fēng)順槽寬度為Lh、機(jī)頭安全出口寬為A1、機(jī)尾安全出口寬為A2、刮板輸送機(jī)機(jī)長為G(此處必須為實測長)。根據(jù)魏墻礦井綜采工作面多年生產(chǎn)經(jīng)驗，總結(jié)綜采工作面設(shè)備的合理長度配套程序。首先，確定支架與刮板輸送機(jī)的長度關(guān)系。此合理配套計算過程詳見文獻(xiàn)[12]，即工作面支架總長度長于刮板輸送機(jī)總長度(由綜采工作面安全出口寬度與排頭架距巷幫寬決定)，這里取1.4 m，按兩端頭等長取值，即工作面機(jī)頭、機(jī)尾處支架均長于刮板機(jī)0.7 m(一般應(yīng)為0.5～0.8 m)。

其次，根據(jù)綜采工作面機(jī)頭、機(jī)尾安全出口寬度留設(shè)確定刮板輸送機(jī)與工作面的長度關(guān)系。由L+Lj+Lh=A1+A2+G可知，L=A1+A2+G-Lj-Lh。單從綜采工作面割煤來考慮，刮板輸送機(jī)越長于工作面煤壁越有利于煤機(jī)割透煤體，但受井下空間限制，刮板輸送機(jī)須在機(jī)頭機(jī)尾留有足夠?qū)挾鹊陌踩隹?，結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)場經(jīng)驗，在保證安全出口不小于0.8 m的前提下，還需考慮順槽寬度與轉(zhuǎn)載機(jī)槽幫至煤壁距離，同時給工作面上竄下滑留有一定余量，機(jī)頭、機(jī)尾安全出口寬度取1.4 m為宜。則有，L=2.8+G-Lj-Lh。

4.4 實例驗算

以魏墻煤礦綜采工作面為例，SGZ100/2100型刮板輸送機(jī)安裝167節(jié)中部槽總長度約為309 m，膠運順槽凈寬5.5 m，回風(fēng)順槽凈寬5.4 m。則有，L=2.8+G-Lj-Lh=300.9 m。魏墻煤礦1309工作面設(shè)計長度301 m，安裝中部槽167節(jié)，生產(chǎn)過程中未出現(xiàn)上述問題。經(jīng)現(xiàn)場驗證，該計算方法合理可靠。最終的綜采工作面液壓支架、刮板輸送機(jī)及巷道合理配套尺寸關(guān)系如圖3所示。

圖3 工作面設(shè)備合理配套與巷道關(guān)系平面圖Fig.3 Plan of relationship between reasonable matching of working face equipment and roadway

5 結(jié)語

通過魏墻礦井綜采工作面生產(chǎn)過程中遇到的問題，分析發(fā)現(xiàn)了刮板輸送機(jī)制造質(zhì)量對工作面配套的影響，重點總結(jié)了刮板輸送機(jī)長度與工作面長度的合理搭配經(jīng)驗，給出基于刮板輸送機(jī)長度的工作面長度計算方法，提及了液壓支架與刮板輸送機(jī)的合理配套經(jīng)驗，未考慮其他因素對工作面長度的影響。基于綜采工作面合理端頭配套下得出的液壓支架與刮板輸送機(jī)的合理配套關(guān)系，很好地解決了生產(chǎn)過程中遇到的現(xiàn)實問題，對魏墻礦井后續(xù)工作面及其他礦井綜采工作面的設(shè)計、設(shè)備的升級改造具有很高的參考價值，對刮板輸送機(jī)制造商提升制造工藝、改進(jìn)設(shè)計也有一定的參考價值。