楊海軍

(河北唐山開灤集團(tuán)東歡坨礦業(yè)公司，河北 唐山 063026)

0 概述

3088工作面為礦井第二生產(chǎn)水平中央下段首采區(qū)8煤層第一個(gè)高端綜機(jī)工作面，也是礦井3000kt/a續(xù)建工程投產(chǎn)標(biāo)志工程。工作面位于地表以下683 m～701 m之間，煤層厚度2.4～4.7 m，平均3.35 m，煤層平均傾角 19.80°，工作面正常涌水量3.94 m3/min，最大涌水量5.0 m3/min，煤層絕對瓦斯涌出量為2.74 m3/min、自燃煤層，煤塵具有爆炸性，爆炸指數(shù)為39.19%?？刹勺呦蜷L度2029m，工作面斜長143m，自2010年1月至2011年9月安全高效開采煤炭2130.7kt，工作面自設(shè)計(jì)、施工、綜機(jī)設(shè)備安裝、開采和收尾進(jìn)行了一系列技術(shù)優(yōu)化，2011年6月通過礦井3000 kt/a續(xù)建工程項(xiàng)目安全驗(yàn)收。

1 優(yōu)化高端綜機(jī)工作面設(shè)計(jì)

按照地質(zhì)條件和采區(qū)準(zhǔn)備巷道布局，3088高端工作面設(shè)計(jì)采煤方法為走向長壁后退式綜合機(jī)械化采煤，安裝了 MG650/1515－WD采煤機(jī)、ZY9200－22/46液壓支架和SGZ960/1050采面輸送機(jī)等配套設(shè)備;上風(fēng)道1887 m、下運(yùn)道1997 m、泄水巷2065 m、切眼135 m，回采巷道為29U型支承鋼14m2拱形支架支護(hù)。工作面走向長1607m，可采儲(chǔ)量94.72萬噸，日產(chǎn)4.225 kt，月產(chǎn)126.8 kt。雖然工作面進(jìn)行高端設(shè)計(jì)，但在實(shí)際生產(chǎn)過程依據(jù)具體情況進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化，從而使3088高端工作面形成了適應(yīng)具體條件的和比較完善工程設(shè)計(jì)，創(chuàng)造出了安全開采業(yè)績，實(shí)現(xiàn)了較高的經(jīng)濟(jì)效益。

1.1 回采巷道優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1.1 切眼位置設(shè)計(jì)優(yōu)化

切眼位置設(shè)計(jì)優(yōu)化主要是擴(kuò)大工作面走向長度，增加工作面可采儲(chǔ)量，為充分發(fā)揮高端綜采設(shè)備能力提供更充足資源保證。

按照工作面三維地震提供的資料，該工作面區(qū)域有 DF9、DF10、DF12、DF13、DF14 等五條正逆斷層，斷層落差5 m～17 m，工作面切眼是距DF14斷層 30 m 布置［1］。

3088高端工作面三條順槽施工過程中，地測部門通過對原三維地震提供的斷層進(jìn)行了超前探測，發(fā)現(xiàn)DF9、DF10、DF12等斷層以煤層硬度變化為主，并無明顯斷裂現(xiàn)象，通過實(shí)際掘進(jìn)施工也證明了這個(gè)現(xiàn)象，于是，以此推斷以DF14斷層為界切眼不合理，為此優(yōu)化切眼位置設(shè)計(jì)，延長走向長度337 m，增加可采儲(chǔ)量367.8 kt，使該工作面走向總長達(dá)2029 m、傾斜長達(dá)143 m、可排產(chǎn)儲(chǔ)量2000 kt，大大提高了工作面高端綜采設(shè)備的效率。

1.1.2 優(yōu)化回采巷道支護(hù)適應(yīng)高端綜采大型設(shè)備運(yùn)輸安裝

礦井常規(guī)回采巷道采用25U型支承鋼10.4m2拱形支架支護(hù)，無法滿足高端綜采支架重32 t、高2.60 m、寬1.75 m等大型設(shè)備運(yùn)輸要求，為此，打破常規(guī)大膽設(shè)計(jì)并施工了29U型支承鋼14 m2拱形支架支護(hù)，巷道凈寬增加0.30 m、凈高增加0.50 m，形成凈規(guī)格4.80 m×3.30 m，不僅巷道空間滿足高端綜采設(shè)備運(yùn)輸安裝要求，同時(shí)大大增加了巷道支護(hù)強(qiáng)度，減少巷道維護(hù)套修費(fèi)用。工作面在18個(gè)月開采過程中，上風(fēng)道2215 m節(jié)省套修費(fèi)用443萬元。

1.2 高端綜采支架優(yōu)化選擇

根據(jù)我國緩傾斜、傾斜煤層回采巷道圍巖穩(wěn)定性分類方案，3088高端工作面直接頂為Ⅱ類。初選認(rèn)為該工作面可使用支撐掩護(hù)式或掩護(hù)式液壓支架，并進(jìn)行了具體參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算。

1.2.1 支架工作阻力

根據(jù)公式:

式中:K——安全系數(shù)，7;

M——最大采高，4.4 m;

R——巖石容重 2500 kg/m3。

最終在3088工作面采用了75組ZY9200－22/46型、5組 ZY9200－20/42型以及 2組ZYG9200－22/46型支撐掩護(hù)式液壓支架支護(hù)頂板，支架強(qiáng)度為0.92 MPa＞0.75 MPa，滿足支護(hù)強(qiáng)度要求。

1.2.2 支架高度選擇

3088工作面最小煤厚Mmin=3.24 m，最大煤厚Mmax=4.08 m。

支架最小結(jié)構(gòu)高度Hmin=Mmin－0.3=2.94 m，考慮現(xiàn)有設(shè)備情況選擇2.1m。

支架最大結(jié)構(gòu)高度Hmax=Mmax+0.2=4.28m，考慮現(xiàn)有設(shè)備情況選擇4.6m。

1.2.3 支架的伸縮量

因3088工作面為一次采全高綜機(jī)開采，最大煤厚為4.08 m，考慮選擇公司現(xiàn)有設(shè)備，伸縮量2.40 m。

依以上參數(shù)分析設(shè)計(jì)，選取綜采支架為ZY9200/22/46型支撐掩護(hù)式液壓支架。主要技術(shù)參數(shù)為支護(hù)強(qiáng)度1.1～1.18 MPa;支架高度2.20～4.20m，工作阻力9200KN，伸縮量2.40m，架間距1.75 m，適應(yīng)傾角35°以下。

2 高端工作面掘安采工程施工優(yōu)化

2.1 煤炭主運(yùn)輸系統(tǒng)施工優(yōu)化

3088高端工作面為礦井首個(gè)單產(chǎn)1500kt/a以上高產(chǎn)工作面，礦井原主運(yùn)輸系統(tǒng)不能滿足要求。為提高主運(yùn)輸能力，于2006年至2009年，為保證3088高端工作面開采先后改造了上倉皮帶機(jī)，增建－500水平皮帶石門和－480皮帶巷，并安裝大功率皮帶機(jī)，中央下段采區(qū)皮帶機(jī)為大功率電機(jī)拖動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)礦井運(yùn)輸能力達(dá)3000kt/a。

對上倉皮帶機(jī)的升級改造，是在原皮帶機(jī)基礎(chǔ)上增加二套驅(qū)動(dòng)電機(jī)(N=2*160 kW)，膠帶由PVG1600S增至PVG2000S，皮帶延長100 m，運(yùn)輸能力達(dá)由500 t/h增加至1200 t/h。

新建了一條－500水平皮帶石門，新開鑿巷道570 m和直徑5 m煤倉兩個(gè)，安裝一部帶寬1.2 m、電機(jī)功率3*160kw的ST800S型膠帶輸送機(jī)，運(yùn)輸能力1200t/h。工程于2006年12月開拓施工至2007年12月底皮帶機(jī)安裝完成。該工程重點(diǎn)解決了－690水平中央下采區(qū)－480 m皮帶巷至－500 m上倉煤炭運(yùn)輸問題，從而結(jié)束了本礦井下礦車運(yùn)輸煤炭的歷史。

對中央采區(qū)下段皮帶上山優(yōu)化改造，是在上山安裝一臺全公司首個(gè)大功率(4*400 kW)、大傾角(22°)和高強(qiáng)度ST4000S型膠帶輸送機(jī)，長度860 m、輸送能力達(dá)1200 t/h，為暢通原煤運(yùn)輸提供了有力保證。

對－480皮帶巷道施工與皮帶機(jī)安裝工程優(yōu)化改造體現(xiàn)了本礦高水平的技術(shù)與管理。－480皮帶巷全長2500 m，到2008年6月安排計(jì)劃時(shí)發(fā)現(xiàn)，剩余1200m巷道還沒有掘出，安排常規(guī)工藝施工已無法滿足2009年底形成運(yùn)輸能力的要求。公司及時(shí)調(diào)整施工安排和增加機(jī)械裝備，首先是增加施工隊(duì)伍集中施工，安排兩個(gè)隊(duì)伍同時(shí)從北一和中央采區(qū)兩個(gè)工作面進(jìn)行施工;其次是投入新型設(shè)備提高施工單進(jìn)，投資700萬元投入使用EBZ200H硬巖掘進(jìn)機(jī)，直接工時(shí)節(jié)約了166%，直接費(fèi)用降低了32%，掘進(jìn)速度較炮掘提高了2倍以上，最高每月進(jìn)尺達(dá)到200m，巷道于4月23日提前4個(gè)月全線貫通?；ü景惭b的1460 m一部膠帶輸送機(jī)，機(jī)頭前270 m處原安裝著SSJ－1000/75*2型臨時(shí)膠帶輸送機(jī)，為掘進(jìn)出煤所用，只有在3088工作面形成后方可拆除。在安裝過程中各方積極配合，采用后部與前部兩段分開安裝，先行安裝不受3088工作面掘進(jìn)出煤影響的后部1160 m膠帶輸送機(jī)，并在12月15日試轉(zhuǎn)成功［2］。

2.2 3088高端工作面掘進(jìn)施工組織優(yōu)化

2.2.1 巷道掘進(jìn)施工生產(chǎn)系統(tǒng)優(yōu)化

3088工作面掘進(jìn)煤運(yùn)輸系統(tǒng)，按照正常進(jìn)程需2009年12月形成。為此，在卡脖子的－480 m巷道安裝了SSJ－150型臨時(shí)膠帶輸送機(jī)，確保了2009年2月3088工作面按時(shí)掘進(jìn)。

輔助運(yùn)輸系統(tǒng)優(yōu)化。在采區(qū)軌道上山未能達(dá)到輔助運(yùn)輸能力的情況下，通過反復(fù)論證，采取了多種安全技術(shù)措施，將回風(fēng)上山下段應(yīng)用作輔助運(yùn)輸巷道。

通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化。組織施工輔助3088工作面回風(fēng)巷道，解決了3088工作面三條順槽同時(shí)掘進(jìn)通風(fēng)問題。

2.2.2 3088工作面巷道支護(hù)優(yōu)化

3088運(yùn)道采用φ22*2.400 mm高強(qiáng)頂錨桿、T型頂鋼帶、φ20*2000 mm等強(qiáng)幫錨桿、鋼筋梯子梁、雙趟φ17.8*7500 mm錨索配合25U梯形棚子對頂板支護(hù)，月進(jìn)尺最高達(dá)到310 m，平均月進(jìn)290 m。

3088風(fēng)道采用29U14.0m2棚子支護(hù)并加補(bǔ)φ20*2200 mm等強(qiáng)頂幫錨桿進(jìn)行支護(hù)，為提高架棚掘進(jìn)效率，研發(fā)了機(jī)載托梁器，月進(jìn)尺最高達(dá)到470 m，平均月進(jìn)370 m。

3088切眼大斷面(7.5 m*3.1 m)采用φ22*2400 mm高強(qiáng)頂錨桿、T型頂鋼帶、φ20*2000 mm等強(qiáng)幫錨桿、鋼筋梯子梁、四趟φ17.8*7500 mm錨索進(jìn)行支護(hù)。

支護(hù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與實(shí)施，不僅保證了掘進(jìn)工程的安全高效，而且對頂板起到了積極的支護(hù)作用，從監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，支護(hù)效果較好，為以后安全高效回采奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2.2.3 3088工作面巷道勞動(dòng)組織和掘進(jìn)工藝優(yōu)化

勞動(dòng)組織優(yōu)化。3088工作面施工量近8000 m，為確保10月15日實(shí)現(xiàn)貫通，三條順槽安排兩個(gè)掘進(jìn)區(qū)三條作業(yè)線同時(shí)施工，即掘一區(qū)一個(gè)隊(duì)施工上風(fēng)道和切眼、掘二區(qū)兩個(gè)隊(duì)分別施工邊眼、主運(yùn)道和泄水巷。

掘進(jìn)工藝優(yōu)化。由于主運(yùn)道全部為錨桿支護(hù)速度相對泄水巷慢，采取泄水巷快速施工至1750 m處時(shí)，兩隊(duì)再對主運(yùn)道進(jìn)行同時(shí)施工，確保3088工作面按期貫通。

2.3 3088高端工作面設(shè)備安裝施工優(yōu)化

3088高端工作面采用3300 V供電，配套MG630/1500型采煤機(jī)、ZY9200/22/46型液壓支架、SGZ－900/1050型刮板運(yùn)輸機(jī)，SZZ－960/400型轉(zhuǎn)載機(jī)、SJJ－1200/2*250皮帶輸送機(jī)，全部設(shè)備均安裝自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)到地面控制中心，上風(fēng)道安裝無級繩梭車輔助運(yùn)輸，解決了2000m長距離輔助運(yùn)輸難題。工作面支架設(shè)備安裝與主運(yùn)道轉(zhuǎn)載機(jī)破碎機(jī)、兩部皮帶輸送機(jī)安裝平行作業(yè)，大大提高了工作面安裝進(jìn)度。

上風(fēng)道安裝JWD110BJ型無級繩絞車，長2224 m。礦井首個(gè)無級繩絞車解決了3088高端工作面順槽長距離設(shè)備大噸位運(yùn)輸問題。節(jié)省8部JD－55型絞車安裝，大縮短運(yùn)輸時(shí)間、消除了多部絞車運(yùn)輸安全隱患，運(yùn)輸效率提高一倍。

2.4 3088高端工作面安全高效開采

2.4.1 大傾角俯斜開采技術(shù)難題處理

3088高端工作面切眼位于礦井主向斜軸，工作面俯斜開采，傾角達(dá)到25°～270°，該段走向長160 m，工作面涌水達(dá)3.94 m3/min，開采難度很大。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)與施工，及時(shí)解決了開采過程中遇到的技術(shù)問題，實(shí)現(xiàn)了安全高效生產(chǎn)。特別是在工作面涌水達(dá)3.94 m3/min條件下，月產(chǎn)煤量為30.0～44.7 kt。3088高端工作面大傾角俯斜開采期間產(chǎn)量情況表如下。

表1 3088高端工作面大傾角俯斜開采期間產(chǎn)量情況

1)解決采煤機(jī)容易滑靴損壞問題

俯采角度增大，采煤機(jī)下滑分力增加，造成機(jī)組滑靴與溜子齒軌之間的磨擦力增大，使采煤機(jī)運(yùn)行阻力增大，導(dǎo)致滑靴磨損嚴(yán)重，甚至損壞滑靴。解決的措施，一是使用臺階式俯采法，結(jié)合采煤機(jī)本身的臥底量，配合吊緊鏈板輸送機(jī)，嚴(yán)格控制俯采角度。二是降低采煤機(jī)的運(yùn)行速度，當(dāng)俯采角度超過15°時(shí)，最高牽引速度不得超過3m/min。三是嚴(yán)格控制面鏈板輸送機(jī)彎曲段長度，保證推溜千斤頂水平角度不超過2°，即每組支架頂50mm左右，16組支架后頂?shù)轿弧?/p>

2)工作面液壓支架防倒、防滑管理

俯采角度對液壓支架的工作阻力有顯著影響，工作面俯角增大時(shí)支架工作阻力明顯降低。隨著俯角的增大，支架所受的垂直應(yīng)力減小，水平應(yīng)力增加，支架在自身重力的作用下快速前移，不僅損傷液壓部件，有可能發(fā)生倒架、咬架現(xiàn)象，甚至發(fā)生人身傷害事故，因此必須加強(qiáng)支架的防倒、防滑管理。解決措施一是適當(dāng)增加支架的初撐力，加強(qiáng)礦山壓力觀測，對達(dá)不到初撐力要求的要經(jīng)常二次升架，保證支架達(dá)到規(guī)定的工作阻力。二是采用帶壓移架，盡量少降架，利用支架頂梁和頂板間的摩擦力來抵消支架本身的下滑力。三是加強(qiáng)支架的檢修，防止出現(xiàn)支架自降或串液現(xiàn)象［3］。

3)解決采煤機(jī)裝煤困難

采煤機(jī)靠滾筒的螺旋葉片配合面溜得鏟煤板裝煤，俯采角度增大時(shí)采煤機(jī)裝煤效率降低，經(jīng)過觀測，當(dāng)俯采角度超過15°時(shí)，采煤機(jī)無法正常裝煤。解決措施一是將采煤機(jī)的兩個(gè)滾筒對調(diào)，改變滾筒的旋轉(zhuǎn)方向，通過實(shí)踐取得很好的效果。但采煤機(jī)前后20 m范圍不能有人，防止?jié)L筒甩出煤矸傷人。二是調(diào)整采煤工藝，實(shí)行單向割煤，下行割煤，上行返空刀裝煤［4］。

4)解決上下順槽出口矸石滾落問題

由于俯采角度過大，上下出口采空區(qū)冒落大塊容易滾落傷人，尤其在初次來壓和周期來壓時(shí)期。解決措施一是采面每推進(jìn)5 m，使用蛇皮袋裝煤矸碼墻，將采空區(qū)封閉。二是在出口處設(shè)置閘板，防止走支架時(shí)大塊滾落傷人。三是當(dāng)發(fā)生透水時(shí)可以起到緩沖作用，起到預(yù)警效果。

2.4.2 大水工作面高效開采

3088工作面上有本煤層頂板水和5煤層砂巖頂板強(qiáng)含水層水，下有本煤層底板水，工作面正常涌水量3.94 m3/min，最大涌水量5.0 m3/min。

通過一系列防治水工程，3088高端工作面月產(chǎn)原煤保持在120 kt以上，最高月產(chǎn)原煤量達(dá)174.7 kt，月進(jìn)度達(dá) 162.8 m。

3 應(yīng)用效果

3088高端工作面原煤月產(chǎn)量保持在120 kt以上，最高月產(chǎn)原煤量達(dá)174.7kt，月進(jìn)度達(dá)162.8m。3088高端工作面各月推采進(jìn)度和產(chǎn)量表如下。

表2 3088高端工作面各月推采進(jìn)度和產(chǎn)量表

［1］ 李建民.開灤礦區(qū)深部復(fù)雜地質(zhì)條件安全開采技術(shù)［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2011

［2］ 李建民.開灤復(fù)雜煤層綜合機(jī)械化開采技術(shù)［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2007

［3］ 王國法.煤礦高效工作面成套裝備技術(shù)創(chuàng)新與發(fā)展［J］.煤炭科技，2010

［4］ 杜計(jì)平.采礦學(xué)［M］.北京:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2009