梁 哲

（山西省長(zhǎng)治經(jīng)坊煤業(yè)有限公司，山西 長(zhǎng)治 047100）

厚煤層放頂煤開(kāi)采工藝中，支架的選擇對(duì)于煤炭資源安全高效的開(kāi)采具有極為重要的意義。傳統(tǒng)的綜放開(kāi)采所選用的支架往往較為笨重，使用過(guò)程中存在運(yùn)輸、安裝和拆除等難題，因此有必要對(duì)其進(jìn)行變革。而輕放工藝技術(shù)具有支架重量輕、結(jié)構(gòu)尺寸小、靈活和運(yùn)輸便捷等優(yōu)點(diǎn)，作為傳統(tǒng)綜放開(kāi)采所選用的支架的變更方向具有很好的應(yīng)用前景。

本文以經(jīng)坊煤礦3-507工作面為工程背景，對(duì)其采用輕放開(kāi)采工藝時(shí)所選用的ZF2600-16/24B型輕放支架進(jìn)行了詳細(xì)的分析研究，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，為輕放開(kāi)采工藝技術(shù)的應(yīng)用和推廣奠定了基礎(chǔ)。

1 工程背景

位于山西省長(zhǎng)治縣境內(nèi)的經(jīng)坊煤礦為一座生產(chǎn)能力300萬(wàn)t的現(xiàn)代化高產(chǎn)高效礦井。礦井井田主采3#煤層，煤層傾角變化范圍為0°～3°，為近水平煤層，煤層平均厚度為6m，埋深為200～274m。該礦從2003年開(kāi)始對(duì)原有開(kāi)采工藝進(jìn)行變更，采取了綜采放頂煤的開(kāi)采工藝。截至2013年，經(jīng)坊煤礦共設(shè)有兩個(gè)采煤隊(duì)對(duì)井田范圍內(nèi)煤層進(jìn)行開(kāi)采，其中一個(gè)采煤隊(duì)采用綜放開(kāi)采工藝，另外一個(gè)采煤隊(duì)則相應(yīng)的采用輕放開(kāi)采工藝。其中，綜放開(kāi)采工藝選用的為ZF5800-16/30型綜放支架，輕放開(kāi)采工藝選用的為ZF2600-16/24B型輕放支架。綜放支架重達(dá)19t，十分笨重，在井下運(yùn)輸、安裝和拆除等過(guò)程中存在較大的難度，并且容易受限制于煤層厚度以及地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度等客觀條件，適應(yīng)普及度較差；反之，輕放支架重量只有8t左右，相對(duì)較輕，在井下運(yùn)輸、安裝以及拆除等過(guò)程中存在諸多便捷，在提升工作效率的同時(shí)還能大幅度降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。并且其對(duì)煤層厚度以及地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度等客觀條件具有很好的適應(yīng)性，能夠擴(kuò)大井田內(nèi)煤層的開(kāi)采范圍，對(duì)于煤炭資源的高效開(kāi)采和回采率的提高有重要的作用。

2 輕放工藝研發(fā)及設(shè)備選型

關(guān)于輕放開(kāi)采工藝的研發(fā)，可以按照?qǐng)D1所示的技術(shù)路線進(jìn)行。

圖1 技術(shù)路線圖

由圖1可知，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的工程地質(zhì)背景，在此基礎(chǔ)上初步對(duì)輕放支架進(jìn)行選型計(jì)算，并對(duì)理論計(jì)算選型結(jié)果進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)效果對(duì)輕放支架的初步選型結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)和改進(jìn)，并對(duì)改進(jìn)后的輕型支架應(yīng)用效果進(jìn)行信息反饋。依據(jù)此技術(shù)路線最終確定合乎經(jīng)坊煤礦最優(yōu)的輕型支架，進(jìn)而改善井下開(kāi)采環(huán)境并提高工作面的支護(hù)效果，從而實(shí)現(xiàn)井下工作面安全高效的回采。

以經(jīng)坊煤礦五采區(qū)內(nèi)的3-507工作面為例進(jìn)行研究，該工作面地面標(biāo)高為973～1001m，煤層底板標(biāo)高為727～774m，平均埋深237m。3-507工作面沿煤層走向長(zhǎng)度為1084m，沿煤層傾向長(zhǎng)度為170m，采用輕放開(kāi)采工藝，直接開(kāi)采高度為2.2m，放頂煤高度為3.8m，采放比約為1:1.7。該工作面回采階段選用的輕放支架型號(hào)為ZF2600-16/24B型，并配備2部型號(hào)為SGB-630/2×110型的刮板輸送機(jī)來(lái)匹配滿足生產(chǎn)需求。

2.1 輕放支架選型計(jì)算

根據(jù)鄰近的3-405工作面開(kāi)采期間礦壓規(guī)律統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可推斷出工程地質(zhì)條件相似的3-507工作面開(kāi)采期間，其直接頂初次垮冒步距為8～14m，基本頂初次垮冒步距為25～30m，周期來(lái)壓步距為7～16m。由于輕放支架承受的覆巖載荷與煤層厚度近似呈線性正相關(guān)，因此可以根據(jù)公式（1）理論計(jì)算頂煤對(duì)支架施加的載荷大小。

式中：P-覆巖層對(duì)支架施加的載荷大小，MPa；

N-取值8；

h-煤層的直接開(kāi)采高度，m；

γ-覆巖層的平均密度，取值2600kg/m3。

根據(jù)3-507工作面開(kāi)采地質(zhì)條件，利用公式（1）可求解出覆巖層對(duì)支架施加的載荷大小P=448kN/m2。因此，工作面內(nèi)輕放支架的工作支護(hù)阻力應(yīng)大于448kN/m2。

2.2 ZF2600-16/24B型輕放支架參數(shù)校驗(yàn)

由于ZF2600-16/24B型輕放支架的平均支護(hù)面積為4.4m2，則可以據(jù)此對(duì)支架的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行校驗(yàn)，具體情況如表1所示。

表1 輕型支架支護(hù)參數(shù)校驗(yàn)表

由表1中計(jì)算結(jié)果可知，ZF2600-16/24B型輕放支架能夠滿足3-507工作面開(kāi)采期間的支護(hù)需求。

3 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)

3-507工作面采用走向長(zhǎng)臂式后退開(kāi)采方式，選用6MG-200W型采煤機(jī)進(jìn)行循環(huán)割煤，每個(gè)循環(huán)內(nèi)割煤二刀后進(jìn)行一次放頂煤，每刀割煤進(jìn)尺1.2m。其中割煤回收率為96%，放頂煤回收率為92%。對(duì)于工作面開(kāi)采期間每個(gè)循環(huán)內(nèi)，其循環(huán)割煤量Q1、循環(huán)放煤量Q2和循環(huán)采出量Q3分別為：

每日每班內(nèi)完成一個(gè)循環(huán)，三班內(nèi)完成3個(gè)循環(huán)，則日產(chǎn)量為4839.27t，拋掉檢修等停產(chǎn)時(shí)間，一月平均產(chǎn)量120981.75t?？梢?jiàn)，3-507工作面開(kāi)采期間采用ZF2600-16/24B型輕放支架能夠很好地滿足生產(chǎn)需求。

3-507工作面回采期間，可以利用ZF2600-16/24B型輕放支架上安裝的工作阻力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)其頂板壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析。其監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖2所示。

圖2中數(shù)據(jù)為2013年11月份3-507工作面回采期間的部分監(jiān)測(cè)結(jié)果，由圖中數(shù)據(jù)可以看出，11月5日時(shí)支架上的工作阻力整體突然增大，說(shuō)明此時(shí)發(fā)生了頂板周期來(lái)壓。來(lái)壓期間ZF2600-16/24B型輕放支架最大支撐工作阻力達(dá)到了1950kN，小于支架的額定工作阻力2600kN，基本為其80%左右。而在非來(lái)壓期間，支架上的工作阻力整體偏小，此時(shí)支架最大支撐阻力僅為1220kN，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于支架的額定工作阻力2600kN，僅為其47%左右?？梢?jiàn)，對(duì)于3-507工作面回采期間選用ZF2600-16/24B型輕放支架，能夠很好地滿足工作面回采階段頂板來(lái)壓情況，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)工作面的安全高效開(kāi)采。

圖2 輕型支架工作阻力在線監(jiān)測(cè)結(jié)果

自從3-507工作面應(yīng)用ZF2600-16/24B型輕放支架回采以來(lái)，對(duì)2013年當(dāng)年8～12月份工作面出煤量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表2所示。

表2 輕型支架支護(hù)參數(shù)校驗(yàn)表

由表2中5個(gè)月的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)情況可以看出，選用ZF2600-16/24B型輕放支架后，3-507工作面回采期間累計(jì)產(chǎn)煤量369943t，回采率高達(dá)94.5%，能夠穩(wěn)定地完成生產(chǎn)任務(wù)需求。且在3-507工作面回采期間，沒(méi)有發(fā)生大的來(lái)壓事故，無(wú)重傷以上的人員傷亡事故的發(fā)生，各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到或者超過(guò)了設(shè)計(jì)要求，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)經(jīng)坊煤礦五采區(qū)內(nèi)3-507工作面所選用的ZF2600-16/24B型輕放支架進(jìn)行選型計(jì)算和參數(shù)校驗(yàn)，理論上驗(yàn)證了該支架的合理性；通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)階段對(duì)煤炭產(chǎn)出量、支架工作阻力以及人員傷亡事故等多方面的統(tǒng)計(jì)分析可知，選用ZF2600-16/24B型輕放支架后，3-507工作面輕放開(kāi)采階段能夠安全高效地進(jìn)行。可見(jiàn)，工作面支架的正確選型能夠使得支架-圍巖關(guān)系良好穩(wěn)定，進(jìn)而保證工作面的安全高效生產(chǎn)，可在其他地質(zhì)條件類(lèi)似的礦區(qū)進(jìn)行全面推廣應(yīng)用。