王文書

(天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京100013)

薄煤層綜采在花圖溝煤礦的應(yīng)用

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(天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京100013)

花圖溝煤礦在5號(hào)煤層的開采中首次采用薄煤層走向長壁綜合機(jī)械化采煤法，并在生產(chǎn)中不斷進(jìn)行改進(jìn)，取得了良好的效果，提高了資源回收率，并取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益，從而為本地區(qū)薄煤層的開采提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

薄煤層;綜采;液壓支架

Application of Full-mechanized Mining Thin Coal-seam Technology in Huatugou Colliery

花圖溝煤礦位于東勝煤田南部鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗境內(nèi)，于2009年建成投產(chǎn)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力1.20Mt/a，初期投產(chǎn)的5號(hào)煤層為薄煤層，采用走向長壁綜合機(jī)械化采煤法，全部垮落法管理頂板，經(jīng)過兩年多的生產(chǎn)實(shí)踐，取得了良好的效果。該煤礦在本地區(qū)率先采用綜采方法開采薄煤層，此方法在花圖溝煤礦的成功應(yīng)用，為本地區(qū)同類煤層條件的礦井高產(chǎn)高效開采薄煤層提供了參考。

1 井田概況

1.1 資源及儲(chǔ)量

花圖溝井田面積6.0714km2，井田內(nèi)可采煤層6層，主要可采煤層3層，6-1上和6-1號(hào)煤層平均厚度分別為2.21m和3.10m，屬中厚煤層，6-2號(hào)煤層平均厚度為1.03m，屬薄煤層;次要可采煤層3層，4-1，4-2號(hào)煤層局部可采，平均厚度分別為2.52m，1.90m，屬中厚煤層;5號(hào)煤層大部可采，平均厚度為0.98m，屬薄煤層。

花圖溝井田地質(zhì)資源量為60.33Mt，設(shè)計(jì)可采儲(chǔ)量為42.11Mt。其中，5號(hào)煤層設(shè)計(jì)可采儲(chǔ)量5.34Mt，6-2號(hào)煤層設(shè)計(jì)可采儲(chǔ)量5.44Mt，薄煤層設(shè)計(jì)可采儲(chǔ)量合計(jì)為10.78Mt，占全井田設(shè)計(jì)可采儲(chǔ)量的25.6%，比例較高。因此，選擇安全高效的薄煤層開采方法對于提高花圖溝煤礦的資源回收率、延長煤礦的服務(wù)年限和提高煤礦的經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。

花圖溝煤礦移交生產(chǎn)時(shí)，首先開采5號(hào)煤層;煤礦達(dá)產(chǎn)時(shí)，5號(hào)和6-1上號(hào)煤層同采，實(shí)現(xiàn)薄、

厚煤層的配采。

1.2 煤層開采條件

井田內(nèi)地層傾角1～3°，為單斜構(gòu)造，井田內(nèi)未發(fā)現(xiàn)斷裂構(gòu)造及巖漿巖侵入體，井田以孔隙、裂隙充水為主，直接充水含水層富水性微弱，以區(qū)外承壓水微弱的側(cè)向徑流為主要充水水源，水文地質(zhì)條件簡單。根據(jù)地質(zhì)報(bào)告和臨近煤礦資料，各可采煤層頂?shù)装鍘r石的強(qiáng)度低，以軟弱巖石為主，巖體的穩(wěn)定性較差，且遇水易軟化變形。

該煤礦為低瓦斯礦井，煤層容易自燃，煤塵具有爆炸危險(xiǎn)。

1.3 井田開拓

由于井田各可采煤層總體埋藏淺，煤層數(shù)量多、間距較小，斜井開拓系統(tǒng)簡單、連續(xù)。因此，礦井采用斜井開拓方式，主斜井煤炭提升采用膠帶輸送機(jī)，副斜井輔助提升采用防爆無軌膠輪車。

1.4 大巷布置

井田可采煤層為近距離煤層，煤層間距一般為20～30m。根據(jù)煤層賦存條件，結(jié)合井田幾何形狀，主要運(yùn)輸 (回風(fēng))大巷均沿煤層布置。在5號(hào)煤層布置一條輔助運(yùn)輸大巷和一條回風(fēng)大巷，工作面運(yùn)輸巷分設(shè)溜煤眼與6煤組主運(yùn)大巷相連;6煤組采取聯(lián)合布置集中大巷的開拓方式，在6-1號(hào)煤層布置主、輔運(yùn)大巷，在6-1上號(hào)煤層布置一條回風(fēng)大巷。

2 薄煤層綜采工作面布置

2.1 采煤方法

5號(hào)煤層厚0.71～1.15m，平均0.98m;埋深25.06～138.93m，平均86.10m;煤層頂板巖性以泥巖、粉砂質(zhì)泥巖為主，局部為粉砂巖;底板巖性以泥巖為主，局部相變?yōu)槟噘|(zhì)粉砂巖。

薄煤層綜采技術(shù)與裝備在我國已經(jīng)較為成熟，近水平、緩傾斜、傾斜到急傾斜的薄煤層綜采方法，在山東、河南、黑龍江和云貴川等全國大部分地區(qū)均有成功應(yīng)用。而東勝煤田由于資源量豐富、開采條件好，可供開采的中厚、厚煤層資源較多;多數(shù)地方煤礦獲取資源的成本較低，對提高資源回收率的認(rèn)識(shí)不足、積極性不高;開采薄煤層產(chǎn)量較低、成本較高、效益較差;地方煤礦技術(shù)、管理水平相對較低，習(xí)慣采用炮采方法，但薄煤層炮采的工作條件也較惡劣;而采用薄煤層綜采方法，其技術(shù)和管理人員又不能滿足要求。以上幾方面因素導(dǎo)致當(dāng)?shù)孛旱V大多對薄煤層資源棄而不采。

花圖溝煤礦由于總的資源量不多，薄煤層資源比例較高，按照國家設(shè)計(jì)規(guī)范對資源回收率的要求，不允許對薄煤層資源隨意丟棄;同時(shí)業(yè)主單位具有較為先進(jìn)的煤礦建設(shè)理念，認(rèn)可先進(jìn)、合理、可靠的薄煤層綜采方法。因此，為了保證煤礦早日達(dá)產(chǎn)、高產(chǎn)高效，同時(shí)提高煤礦生產(chǎn)的安全性，確定5號(hào)煤層采用綜采方法，并對本煤礦影響薄煤層綜采方法應(yīng)用的淺埋深、煤層硬、底板軟等幾方面問題進(jìn)行重點(diǎn)分析。

2.2 工作面布置

在5號(hào)煤層布置一個(gè)對拉綜采工作面，即1501工作面。工作面運(yùn)輸巷通過溜煤眼與6-1號(hào)煤層運(yùn)輸大巷相連，回風(fēng)巷采用直接與大巷相連的布置方式。工作面開切眼沿井田邊界布置向大巷方向推進(jìn)，條帶式開采。工作面布置方式見圖1。

圖1 工作面布置

2.3 工作面主要參數(shù)

2.3.1 工作面長度

花圖溝煤礦5號(hào)煤層厚度較薄，埋藏淺，工作面過長將給行人及支架選型增加難度，受運(yùn)輸機(jī)能力限制的事故率也將明顯增加。因此，綜合考慮工作面生產(chǎn)能力、煤層賦存條件及地質(zhì)情況等因素將5號(hào)煤層首采工作面按對拉面布置，單面長度確定為150m。

2.3.2 工作面推進(jìn)長度

為了減少工作面搬家次數(shù)，充分發(fā)揮設(shè)備的生產(chǎn)能力，工作面推進(jìn)長度應(yīng)適當(dāng)加大。根據(jù)花圖溝煤礦首采區(qū)域開拓巷道布置，5號(hào)煤層初期工作面的推進(jìn)長度可達(dá)到1900m。

2.3.3 工作面日循環(huán)數(shù)及進(jìn)度

由于5號(hào)煤層硬度大，受工作空間限制，采煤機(jī)功率較小，因此，選用較小的0.6m采煤機(jī)截深;按照工作面設(shè)計(jì)產(chǎn)量，確定工作面一班割4刀煤，日完成循環(huán)8個(gè)，日進(jìn)尺4.8m。

2.4 主要設(shè)備選擇

在該礦區(qū)，由于煤層埋藏較淺，地表溝谷縱橫，液壓支架的選擇需要重點(diǎn)考慮淺埋地壓的影響;同時(shí)，底板軟且易泥化，也需要對液壓支架的底板比壓進(jìn)行驗(yàn)證;對于該礦薄煤層，采煤機(jī)的高度小、過煤空間小，需要解決裝機(jī)功率較小和煤層較硬的矛盾。

2.4.1 液壓支架選擇

該礦井5號(hào)煤層工作面的液壓支架選擇主要考慮兩點(diǎn)：支撐高度范圍和工作阻力。

液壓支架支撐高度范圍要盡可能適應(yīng)煤層厚度的變化，并應(yīng)滿足大部分區(qū)域煤層開采的要求。5號(hào)煤層厚0.71～1.15m，平均0.98m。因此，液壓支架的支撐高度范圍應(yīng)盡可能滿足綜采工作面開采5號(hào)煤層不同厚度時(shí)的要求。

支架工作阻力采用估算法確定。這種計(jì)算方法的基礎(chǔ)是工作面支架工作阻力支撐直接頂，并平衡基本頂失穩(wěn)時(shí)對支架的動(dòng)載，計(jì)算公式為：

式中，P為工作面支架所需支護(hù)強(qiáng)度，kN;S為支架支護(hù)頂板面積，m2;γ為頂板巖石的重力密度kg/m3;M為開采煤層厚度，m;a為煤層傾角。

根據(jù)以上分析和計(jì)算，并考慮一定的不均衡系數(shù)和淺埋深影響，設(shè)計(jì)推薦采用ZY2800/6.5/13型液壓支架，按計(jì)算可滿足要求。實(shí)際生產(chǎn)中，發(fā)生了支架壓死現(xiàn)象，后及時(shí)根據(jù)生產(chǎn)地質(zhì)資料、按照淺埋深公式重新計(jì)算，將液壓支架改進(jìn)為ZY6800/6.5/13型，解決了工作面的支護(hù)問題。

2.4.2 采煤機(jī)選擇

根據(jù)5號(hào)煤層厚度及頂?shù)装鍘r性，并考慮到工作面采高小、采煤機(jī)機(jī)身較矮、裝機(jī)功率受限制，而5號(hào)煤層硬度較大，需考慮淺截深的滾筒。經(jīng)計(jì)算，設(shè)計(jì)選用MG100/240型雙滾筒液壓無鏈牽引采煤機(jī)，截深0.6m，可滿足使用要求。

5號(hào)煤層綜采工作面主要設(shè)備見表1。

表1 5號(hào)煤層綜采工作面主要設(shè)備

2.5 工作面生產(chǎn)能力

平均采高 h1為 0.90m，采煤機(jī)截深 b為0.6m，對拉綜采工作面長度l為300m，煤體重力密度 r為1.29×103kg/m3，工作面采出率 Cg為97%，則工作面每個(gè)循環(huán)的割煤量為：

式中，K為正規(guī)循環(huán)率，取90%。

按年工作330d，則工作面年產(chǎn)量可達(dá)0.48Mt。

3 各生產(chǎn)系統(tǒng)布置

主運(yùn)系統(tǒng) 煤炭經(jīng)由對拉工作面→集中運(yùn)輸巷→溜煤眼→6號(hào)煤層主運(yùn)大巷→主斜井。

輔運(yùn)系統(tǒng) 工作面所需材料由防爆無軌膠輪車自副斜井→5號(hào)煤層輔運(yùn)大巷→對拉工作面上下回風(fēng)巷→對拉工作面。

通風(fēng)系統(tǒng) 工作面采用“一進(jìn)兩回”W型通風(fēng)系統(tǒng)。

4 薄煤層綜采工作面生產(chǎn)實(shí)踐

花圖溝煤礦2009年建成投產(chǎn)，雖然前期精心設(shè)計(jì)、統(tǒng)籌考慮，薄煤層綜采工作面在兩年多的生產(chǎn)實(shí)踐中，仍發(fā)現(xiàn)了一些問題：

(1)由于該煤礦未建洗煤廠，為保證煤質(zhì)，生產(chǎn)中嚴(yán)格控制工作面采高不割底，使工作面推進(jìn)速度受到一定的限制。正常生產(chǎn)情況下每班割2刀煤，實(shí)際年產(chǎn)量為0.3Mt/a，工作面生產(chǎn)能力略低于設(shè)計(jì)能力。

(2)工作面自開切眼推進(jìn)約150m時(shí)，曾出現(xiàn)支架被壓死的現(xiàn)象。主要原因是該處地表為一溝谷，煤層距地表僅50m，致使上覆巖層在礦山壓力作用下壓死支架。

通過分析，采取以下措施進(jìn)行改進(jìn)，較好地解決了問題。

(1)將工作面適當(dāng)調(diào)斜與地表溝谷成斜交，減小溝谷處淺埋深地層壓力對工作面的集中影響。

(2)在液壓支架下方增加單體液壓支柱作為加強(qiáng)柱，以增加液壓支架對頂板的支撐力。在后續(xù)的工作面生產(chǎn)中，根據(jù)生產(chǎn)地質(zhì)資料、按照淺埋深公式重新計(jì)算，將液壓支架由ZY2800/6.5/13型改進(jìn)為ZY6800/6.5/13型，滿足了淺埋深綜采工作面的支護(hù)要求，而且產(chǎn)量也有較大提高，最高每班割煤達(dá)到6刀。

5 結(jié)論

(1)該礦5號(hào)煤層采用薄煤層綜采提高了資源回收率，并取得了良好的效果，在該地區(qū)同類煤層條件具有借鑒意義。

(2)通過實(shí)踐證明，初期僅按照估算法計(jì)算結(jié)果選用的液壓支架工作阻力偏小，生產(chǎn)中曾出現(xiàn)支架被壓死的現(xiàn)象。根據(jù)生產(chǎn)地質(zhì)資料、按照淺埋深壓力計(jì)算對液壓支架進(jìn)行改進(jìn)后，解決了工作面支護(hù)問題。因此，液壓支架選型應(yīng)重點(diǎn)考慮淺埋地壓的影響，建議在該地區(qū)薄煤層綜采的液壓支架工作阻力不宜小于6000kN。

(3)對拉工作面布置，雖然可以減少一條巷道、減少煤柱損失，但設(shè)備投資大、兩個(gè)工作面生產(chǎn)相互影響，不利于加快工作面推進(jìn)速度，建議采用單面布置方式。

(4)受工作空間限制采煤機(jī)功率較小，工作面推進(jìn)速度慢，人員在工作面操作及行走困難，如果礦井設(shè)有洗煤廠，可采用適當(dāng)割底的方式加大工作面空間，既可以加大采煤機(jī)功率，又可以提高工作面推進(jìn)速度。

［1］張容立，何國緯，李 鐸.采礦工程設(shè)計(jì)手冊 ［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2003.

TD823.25 1

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1006-6225(2012)04-0032-03

2012-05-17

王文書 (1964-)，男，河北邯鄲人，工程師，采礦室主任，從事礦井設(shè)計(jì)及項(xiàng)目管理工作。

李 青］