某礦綜采工作面使用大采高液壓支架可行性分析

段艷強(qiáng)

（山西潞安化工集團(tuán)潞寧煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 忻州 036700）

1 項(xiàng)目前景

根據(jù)采掘銜接規(guī)劃，22122 綜采工作面開(kāi)始安裝。該工作面采用綜合機(jī)械化一次采全高，儲(chǔ)量約301.8 萬(wàn)t。從風(fēng)運(yùn)巷揭露的煤層情況看，超過(guò)4.6 m厚的煤層區(qū)域約有1 000 m，平均煤厚5.1 m，估算4.6 m 以上煤炭?jī)?chǔ)量超過(guò)10 萬(wàn)t。

2 設(shè)備現(xiàn)狀

某礦ZZ9000/22/45 型支架使用至今已達(dá)多年，過(guò)煤量已超千萬(wàn)噸，期間經(jīng)過(guò)多次大修，設(shè)備也已遠(yuǎn)超折舊年限，目前該批次支架老化嚴(yán)重、結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度嚴(yán)重降低、使用維護(hù)費(fèi)用高，伴隨某礦當(dāng)前開(kāi)采深度加大到480 m、工作面已逐漸加長(zhǎng)至近280 m、待開(kāi)采煤層變厚至5 m 及以上等現(xiàn)狀，該批次支架安全性、經(jīng)濟(jì)性各方面已無(wú)法滿足本礦生產(chǎn)組織要求。

3 采用大支架的必要性

3.1 進(jìn)一步提高資源回收率

為了滿足礦井的可持續(xù)發(fā)展，必須珍惜現(xiàn)有資源，提高資源回收率。為提高資源的回收率，本礦雖已采取切頂卸壓、小煤柱護(hù)巷、沿空留巷等措施，盡可能減少因留設(shè)煤柱造成的資源浪費(fèi)，但支架支撐高度對(duì)工作面回采率的影響也是一個(gè)不容忽視的因素。

某礦受古河流沖刷構(gòu)造影響，煤層厚度變異系數(shù)較大，受支架伸縮比限制，原有架型不能滿足工作面精采細(xì)采的要求。隨著采深的不斷加大，井下采掘條件日益復(fù)雜化，為滿足日趨變化的井下條件，本礦急需對(duì)綜采工作面設(shè)備進(jìn)行升級(jí)改造，增加支架伸縮比，在支架最低高度不變的前提下，提高支架伸縮高度，不僅能夠滿足快速通過(guò)沖刷構(gòu)造帶的需要，而且能最大限度地回收資源。

3.2 采掘工藝優(yōu)化需要

隨著采煤技術(shù)的不斷發(fā)展，國(guó)內(nèi)外通過(guò)加大采煤工作面寬度，減少工作面布置個(gè)數(shù)，提升單個(gè)回采工作面服務(wù)年限已成為趨勢(shì)。而工作面寬度的加大，對(duì)采掘設(shè)備的要求也越來(lái)越高，如支架的工作阻力，必須滿足回采工作面頂板周期來(lái)壓期間的壓力要求等，因此，大工作面的布置需要考慮增加大支架等相關(guān)設(shè)備。

3.3 安全生產(chǎn)需要

根據(jù)《礦井生產(chǎn)地質(zhì)報(bào)告》中鉆孔數(shù)據(jù)顯示，某礦煤層厚度在0～5.8 m 之間，包含二二采區(qū)、二四采區(qū)、二五采區(qū)局部，公司現(xiàn)有支架的最大高度分別為4.6 m，在回采過(guò)程中，時(shí)常出現(xiàn)煤巖分離，頂板破碎、漏空，支架接頂不實(shí)等情況，就需要進(jìn)行注漿加固或增加留頂煤護(hù)頂?shù)却胧?，以保證回采安全。

3.4 有利于通風(fēng)

采用大采高支架，過(guò)風(fēng)斷面大，通風(fēng)阻力小，容易配風(fēng)，在加強(qiáng)機(jī)組內(nèi)外噴霧，提高機(jī)組噴霧的霧化程度的情況下，更容易稀釋上隅角瓦斯和達(dá)到降塵效果。

此外，由于受地質(zhì)條件限制，本礦暫不能使用放頂煤工藝。

放頂煤開(kāi)采是在開(kāi)采厚煤層時(shí)，沿煤層的底板或某一厚度煤層底部布置一回采工作面，利用礦壓作用或輔以松動(dòng)爆破等手段，使頂煤破碎成散體后，由支架后方或上方的“放煤窗口”放出以達(dá)到回采效果的采煤工藝。

4 技術(shù)可行性

某礦綜采工作面運(yùn)巷斷面（寬×高）為5.2 m×3.6 m，風(fēng)巷斷面（寬×高）為4.5 m×3.6 m，切眼斷面（寬×高）為7.6 m×3.6 m，平均坡度5°，副斜井凈斷面尺寸（寬×高）為4.4 m×3.3 m，采用卡軌運(yùn)輸結(jié)合單軌吊輔助運(yùn)輸至工作面安裝，根據(jù)井下運(yùn)輸條件要求，支架臥架后要求不得高于2.3 m，受卡軌車運(yùn)輸能力限制質(zhì)量不得超過(guò)30 t。

此外，在調(diào)研一次采全高和放頂煤液壓支架的選擇上，結(jié)合本礦現(xiàn)有生產(chǎn)工藝，考慮到本礦煤層賦存、生產(chǎn)工藝及原設(shè)備生產(chǎn)使用經(jīng)驗(yàn)，煤層硬度普氏系數(shù)達(dá)到9～12，在安全性、經(jīng)濟(jì)性方面調(diào)研首選考慮使用滿足與現(xiàn)有刮板機(jī)配套使用的四柱支撐掩護(hù)式一次采全高液壓支架。

4.1 支架參數(shù)比對(duì)

為實(shí)現(xiàn)綜采工作面采高達(dá)到5 m，配套支架支護(hù)高度將達(dá)到5.2 m 左右。根據(jù)前期多方調(diào)研，本礦與鄭煤機(jī)反復(fù)研究探討，鄭煤機(jī)設(shè)計(jì)出了一套符合本礦煤層厚度的大伸縮比四柱支撐掩護(hù)式液壓支架。與現(xiàn)有支架具體技術(shù)參數(shù)對(duì)比如表1 所示。

表1 支架技術(shù)參數(shù)對(duì)比

4.2 支架參數(shù)驗(yàn)算

4.2.1 選用支架架型結(jié)構(gòu)

掩護(hù)式支架對(duì)不穩(wěn)定和中等穩(wěn)定頂板適應(yīng)性較好，掩護(hù)式支架頂梁前端支護(hù)力大，但切頂能力較差；支撐掩護(hù)式支架適用于穩(wěn)定頂板和堅(jiān)硬頂板，支架切頂性能強(qiáng)，適用于頂板來(lái)壓強(qiáng)度大、直接頂穩(wěn)定性強(qiáng)的工作面。本礦頂板屬穩(wěn)定堅(jiān)硬頂板，采用深孔爆破超前預(yù)裂頂板，全部垮落法管理頂板，所以適合選用支撐掩護(hù)式液態(tài)支架。

4.2.2 支架最大、最小采高

支架最大高度（Hmax）為5.2 m,最小高度（Hmin）為2.3 m。

式中：Mmax、Mmin為煤層最大、最小采高，m。

將上述數(shù)據(jù)代入式（1）得：Mmax＝5.0m，Mmin＝2.6m。

回采最大采高5.0 m，最小采高2.6 m，適合某礦厚煤層工作面，滿足生產(chǎn)要求。

4.2.3 支架支護(hù)強(qiáng)度效驗(yàn)

支架支護(hù)強(qiáng)度采用巖石密度法計(jì)算選取，公式如下：

式中：P 為支架支護(hù)強(qiáng)度，MPa；kd為基本頂失穩(wěn)時(shí)的動(dòng)載系數(shù)，一般選取1.1～1.8；M 為煤層采高，取5 m；kp為冒落矸石碎漲系數(shù)，常值1.2；ρ 為頂板巖石密度，取26.6 kN/m3。

將數(shù)據(jù)代入式（2）得：P=1.064 MPa≈1.1 MPa。

根據(jù)以上計(jì)算，若選用ZZ10000/23/52 型液壓支架，該支架支護(hù)強(qiáng)度滿足使用要求。

4.2.4 支架工作阻力

采用折算法來(lái)計(jì)算頂板載荷，即按老頂巖性和支架最大高度確定的支架載荷Q。

式中：Q 為支架載荷，kN；F 為支架的支護(hù)面積，取7.9 m2；q 為支架的支護(hù)強(qiáng)度，取1.1 MPa。

將相應(yīng)數(shù)據(jù)代入式（3）得：Q＝8 690 kN。

在兩柱式支撐掩護(hù)支架的設(shè)計(jì)中，考慮到結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求和運(yùn)輸條件下高度及重量的限制，根據(jù)以上原則及計(jì)算結(jié)果組織調(diào)研并進(jìn)行綜合考慮，擬定選用某煤礦機(jī)械集團(tuán)股份有限公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的ZZ10000/23/52 型液壓支架，具有技術(shù)可行性。

5 經(jīng)濟(jì)可行性

5.1 預(yù)期產(chǎn)生效益

根據(jù)22122 工作面賦存條件，按分布長(zhǎng)度1000m，煤價(jià)格按照628 元/t 計(jì)算，對(duì)比ZZ9000/22/45 型支架，應(yīng)用新型支架后可多回收資源的創(chuàng)收效益可觀。

經(jīng)測(cè)算，購(gòu)置某煤礦機(jī)械集團(tuán)股份有限公司生產(chǎn)的Z10000/23/52 型液壓支架約需1 億元，僅22122 工作面就可將新設(shè)備購(gòu)置費(fèi)用收回，還有約0.9 億元的效益。而且，該種架型還能應(yīng)用到煤層厚度2.7 m 以上的其他工作面，尤其是煤層厚度大于4.6 m 的工作面，設(shè)備利用率很高，效益可觀。

5.2 配套設(shè)備情況

5.2.1 刮板機(jī)可直接使用現(xiàn)有設(shè)備

因該型支架滿足與本礦現(xiàn)有的SGZ960 系列刮板輸送機(jī)應(yīng)用配套，經(jīng)某煤礦機(jī)械集團(tuán)股份有限公司組織配套，該型支架與本礦現(xiàn)有的SGZ960/2×525 型、SGZ960/2×700 型刮板輸送機(jī)均滿足直接配套使用條件。

5.2.2 采煤機(jī)僅需更換部件

為適應(yīng)支架采高變化后的生產(chǎn)需要，經(jīng)本礦與上海某集團(tuán)股份有限公司聯(lián)系組織配套設(shè)計(jì)，本礦現(xiàn)有的MG500/1140-GWD 型采煤機(jī)滿足采高在2.5～4.5 m 時(shí)的直接配套使用要求，在滿足4.5～5 m采高的要求下，僅需對(duì)現(xiàn)有機(jī)組搖臂、牽引部進(jìn)行改造即達(dá)生產(chǎn)要求，設(shè)備整體投入較小，預(yù)計(jì)費(fèi)用在300 萬(wàn)元。

6 結(jié)論

該型液壓支架對(duì)比局機(jī)廠提供可選的ZY13000/28/62 型兩柱式支撐掩護(hù)液壓支架或鄭煤機(jī)其他系列如ZY8640/25.5/55D 型、ZY9000/25.5/55型兩柱式支撐掩護(hù)支架等，在經(jīng)濟(jì)可行性、安全可行性等方面，更適應(yīng)于本礦22122 綜采工作面回采要求[1-2]。