姬劉亭

(中煤科工集團(tuán) 北京華宇工程有限公司，北京 100120)

砂墩子礦井位于新疆哈密三道嶺礦區(qū)，主采煤層3層，礦井采用主、副斜井開拓，井下煤炭運(yùn)輸采用帶式輸送機(jī)，輔助運(yùn)輸采用絞車，投產(chǎn)時開采N41采區(qū)4-1號煤層。礦井建設(shè)規(guī)模為5.0Mt/a，為“一井一面”的大型現(xiàn)代化礦井[1]，選擇適合的采煤方法和合理的設(shè)備選型是礦井生產(chǎn)的重要保障。本文在綜合分析煤層條件、采煤方法和設(shè)備裝備現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對砂墩子礦井采煤方法和開采裝備進(jìn)行設(shè)計選型研究。

1 煤層賦存與開采技術(shù)條件

砂墩子礦井處于西山復(fù)式背斜的南翼，為一單斜、伴有較多斷層，局部褶皺發(fā)育，傾角6°～12°。4-1號煤層位于侏羅系中統(tǒng)西山窯組中段的下部，煤層賦存面積118.87km2，可采面積70.90km2，面積可采系數(shù)為59.6%，屬大部可采的較穩(wěn)定煤層。煤層可采厚度在0.88～32.48m，平均厚度9.17m，屬厚煤層。煤層結(jié)構(gòu)簡單，含夾矸1～2層，煤層頂板巖性以粉砂巖為主，炭質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖、粗砂巖次之。底板巖性以粉砂巖為主，細(xì)砂巖、泥巖、中砂巖、粗砂巖次之。煤類以不粘煤為主、長焰煤次之。砂墩子礦井初期為低瓦斯礦井，各煤層均有煤塵爆炸性危險，屬于自燃～容易自燃煤層，水文地質(zhì)條件中等。

礦井首采區(qū)為已完成三維地震勘探的N41采區(qū)，位于北翼大巷以北，采區(qū)南北走向長度1.6～2.3km，東西傾向長度2.8～4.3km，面積約6.29km2，地質(zhì)儲量約73.87Mt，服務(wù)年限約10.2a。

2 采煤方法的選擇

2.1 采煤方法適用性分析

根據(jù)國內(nèi)外厚煤層開采技術(shù)水平，結(jié)合4-1號煤層賦存與開采技術(shù)條件，可供選擇的采煤方法主要有：分層綜采、大采高綜采和綜放開采。

1)分層綜采。分層綜采與一次采全高相比，鋪設(shè)下分層假頂工序復(fù)雜、回采巷道掘進(jìn)率高、搬家倒面頻繁、塊煤率低、工作面過風(fēng)斷面小，造成材料消耗量大、掘進(jìn)和生產(chǎn)成本高、綜合售價低、安全條件差等固有缺點(diǎn)[2]。砂墩子4-1號煤層平均厚度9.17m(N41采區(qū)為11.1m)，分層綜采不能發(fā)揮煤層生產(chǎn)能力的優(yōu)勢，不能滿足現(xiàn)代化礦井建設(shè)的需要，不符合當(dāng)今高產(chǎn)高效、綠色開采理念。

2)大采高綜采。大采高綜采是國內(nèi)、外高產(chǎn)高效工作面采用的主要方法之一，目前廣泛應(yīng)用于神東、榆神、府谷等礦區(qū)，單面產(chǎn)量達(dá)到10.0Mt/a以上。砂墩子首采區(qū)煤層平均厚度約為11.1m，國內(nèi)目前大采高的開采高度約為5～7m，即使最高達(dá)到8.8m，也會造成一定的浪費(fèi)。

3)綜放開采。綜放開采自1982年引進(jìn)至今，三十多年的開采實(shí)踐證明，綜放開采技術(shù)在我國獲得了巨大發(fā)展，取得了舉世矚目成績，成為我國煤炭開采技術(shù)近30年來取得的標(biāo)志性成果[3]。綜放開采與大采高綜采優(yōu)缺點(diǎn)對比見表1。

表1 綜放開采與大采高綜采優(yōu)缺點(diǎn)對比表

從節(jié)省初期投資、系統(tǒng)安全可靠方面考慮，推薦4-1煤層采用綜放開采，設(shè)備全部國產(chǎn)化，1個綜放工作面實(shí)現(xiàn)5.00Mt/a的生產(chǎn)能力。

2.2 4-1煤層冒放性分析

綜放開采的核心是頂煤破碎與放出的理論及實(shí)施技術(shù)[4-6]，故對砂墩子4-1煤層的冒放性影響因素分析論證如下：

1)開采深度。本礦4-1煤層埋深在300～1050m之間，大部分都在400m以上，從開采深度看，適于采用綜放開采。

2)煤層厚度及煤的硬度。首采區(qū)煤層厚度為6.16～19.82m，平均厚度為11.1m，大部分煤層厚度在9m左右；4-1煤硬度系數(shù)f=1.57，綜放開采是適宜的。

3)節(jié)理裂隙發(fā)育程度。4-1煤的內(nèi)生裂隙發(fā)育，外生裂隙不發(fā)育，頂煤在支承壓力下容易破碎，有利于頂煤放出。

4)煤層夾矸。該礦井4-1煤層普遍含有一層夾矸，局部變?yōu)楹袃蓪訆A矸，夾矸巖性多為泥巖，強(qiáng)度低，易破碎；夾矸對4-1煤層頂煤的冒放性有一定影響。

5)頂板條件。該礦井4-1煤層直接頂板以粉砂巖、細(xì)砂巖為主，頂板穩(wěn)定性差、垮落性能好，有利于回采過程中及時垮落，形成緊跟支架后方的矸石堆。

綜上分析，砂墩子礦井4-1煤層節(jié)理裂隙發(fā)育，埋藏較深，煤體強(qiáng)度較小，煤層厚度較大，夾矸薄，總的來說冒放性較好，選用綜放開采是適宜的。

3 設(shè)備選型與配套研究

設(shè)備的選型和配套是綜放開采的核心內(nèi)容，直接關(guān)系到工作面產(chǎn)量目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)[7，8]。綜放工作面設(shè)備主要包括液壓支架、采煤機(jī)、前后刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)等，根據(jù)本礦井煤層賦存條件、設(shè)計生產(chǎn)能力等，對4-1煤層綜放工作面進(jìn)行主要設(shè)備選型與配套[9]。

3.1 液壓支架

液壓支架是綜放工作面核心設(shè)備之一，從支護(hù)強(qiáng)度和工作阻力進(jìn)行計算。

1)支架支護(hù)強(qiáng)度計算：

P=[(6～8)×(M-h)×9.8×γ1+h×9.8×γ2]

×10-3=0.61～0.78MPa

式中，M為采高，取11.1m；γ1為頂板巖石容重，取γ1=2.5t/m3；h為放頂最大高度，取7.6m；γ2為頂煤容重，取γ2=1.31t/m3。

2)支架工作阻力的確定：

F=1000P×A×(L+C)=7420kN

式中，P為支架支護(hù)強(qiáng)度，經(jīng)計算P=0.61～0.78MPa，取0.80MPa；A為支架中心距，A=1.75m；L為支架頂梁長，L=5.0m；C為梁端距，取C=0.3m。

依據(jù)上述計算，綜合考慮砂墩子煤礦4-1煤層開采技術(shù)條件、支架阻力值富裕系數(shù)、綜放液壓支架產(chǎn)品型號等因素，確定工作面液壓支架選用ZF15000/25/45，該支架初撐力12778kN，工作阻力15000kN，支護(hù)強(qiáng)度1.46MPa，過渡液壓支架與正常架相配套。

3.2 采煤機(jī)

采煤機(jī)是綜放工作面的主要機(jī)械設(shè)備，其主要指標(biāo)有采煤機(jī)生產(chǎn)能力、割煤速度和裝機(jī)功率。

1)采煤機(jī)應(yīng)具有的最小生產(chǎn)能力為：

=773.08t/h

式中，Qm為采煤機(jī)的平均生產(chǎn)能力，t/h；Q為工作面平均日產(chǎn)量，取15152t/d；L為工作面長度，取245m；Lf為沿工作面方向放頂煤面長，取238m；i為采煤機(jī)割煤速度與空刀牽引速度之比，取i=0.5；Lm為采煤機(jī)兩滾筒中心距，取13.1m；T為工作面日生產(chǎn)時間，按3班生產(chǎn)，取1080min；k為采煤機(jī)開機(jī)率，取65%；Cg為工作面采煤機(jī)割煤回收率，取93%；Cf為工作面頂煤回收率，取75%；Hg為平均割煤高度，取3.5m；Hf為工作面頂煤平均厚度，取7.6m；Td為采煤機(jī)返向時間，取2.0min；B為采煤機(jī)截割深度，取0.86m；γ為實(shí)體煤容重，取1.31t/m3。

2)采煤機(jī)平均截割牽引速度為：

Vc=Qm/(60×B×Hg×γ×Cg)

=3.49m/min

式中，Qm為采煤機(jī)所需最小生產(chǎn)能力，t/h。

3)采煤機(jī)最大割煤速度Vmax和最大生產(chǎn)能力Qmax：

Vmax=Kc·Vc=1.3×3.49=4.54m/min

Qmax=Kc·Qm=1.3×2212.20=1005.00t/h

式中，Kc為采煤機(jī)割煤不均衡系數(shù)，取1.3。

4)采煤機(jī)裝機(jī)功率計算：

N=60Kb×B×Hg×Vmax×γ×Hw

=1037.42kW

式中，N為采煤機(jī)裝機(jī)功率，kW；Kb為備用系數(shù)，取1.2；Hw為采煤機(jī)單位割煤能耗，取0.8(kW·h)/t。

根據(jù)上述計算，設(shè)計選用MG750/1940-WD型電牽引雙滾筒采煤機(jī)。

3.3 刮板輸送機(jī)

綜放工作面刮板輸送機(jī)共有前、后兩部。

1)前刮板輸送機(jī)。綜放工作面前刮板輸送機(jī)的運(yùn)輸能力應(yīng)不低于采煤機(jī)的最大割煤能力，即：

Q>KyKvKcQmax=1509.01t/h

式中，Q為刮板輸送機(jī)運(yùn)輸能力，t/h；Ky為考慮運(yùn)輸方向及傾角系數(shù)，取1.1；Kv為采煤機(jī)與刮板輸送機(jī)同向運(yùn)動時的修正系數(shù)，取1.05。

2)后刮板輸送機(jī)。后部刮板輸送機(jī)的能力應(yīng)與放煤能力相適應(yīng)，根據(jù)采放平行作業(yè)的要求，工作面平均放頂煤速度Vf按下式計算：

=2.26m/min

式中，Vf為工作面平均放頂煤速度，m/min。

因此與采煤機(jī)落煤能力相配套的工作面平均放煤能力為：

Qf=60HfBmγCf(1+Cg)Vf

=1688.09t/h

式中，Qf為工作面平均放頂煤能力，t/h；m為放煤步距與采煤機(jī)截深之比，一采一放時，取m=1。

滿足工作面最大放煤流量要求的后部刮板輸送機(jī)能力：

Q≥Kf·Ky·Qf=2413.96t/h

式中，Qf為工作面平均放頂煤能力，取1688.09t/h；Kf為工作面放頂煤不均勻系數(shù)，取1.3；Ky為運(yùn)輸方向及傾角修正系數(shù)，向下運(yùn)輸，取1.1。

綜上，工作面前、后可彎曲刮板輸送機(jī)分別選用SGZ1000/2×855與SGZ1200/2×855。

3.4 其它配套設(shè)備

根據(jù)上述計算，考慮到4-1號煤層條件和開采系統(tǒng)的可靠性[10-12]，確定了砂墩子4-1號煤層綜放工作面主要配套設(shè)備及技術(shù)特征，見表2。

表2 綜放工作面主要設(shè)備選型及技術(shù)特征表

4 開采實(shí)踐與適用性分析

砂墩子礦井2013年達(dá)到試運(yùn)轉(zhuǎn)條件以來，綜放工作面月產(chǎn)量穩(wěn)定在0.35～0.53Mt之間，最高月產(chǎn)量達(dá)到0.57Mt；礦井年產(chǎn)量均穩(wěn)定在4.7～5.4Mt/a。實(shí)踐證明，綜放開采適用于砂墩子礦井4-1煤層條件，設(shè)備選型設(shè)計是合理的。

5 結(jié) 語

采煤方法的確定和回采設(shè)備的配套，是煤礦生產(chǎn)的核心內(nèi)容，是實(shí)現(xiàn)礦井高產(chǎn)高效安全生產(chǎn)的重要因素。本文介紹了三道嶺礦區(qū)砂墩子礦井4-1煤層賦存和開采技術(shù)條件，通過對比確定了綜采放頂煤采煤方法，并根據(jù)規(guī)范對綜放工作面主要設(shè)備選型設(shè)計進(jìn)行了計算和配套；開采實(shí)踐證明，綜放開采是適用于該煤層的，設(shè)備選型是合理適宜的，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義和借鑒價值。