畢俊剛

(西山煤電集團(tuán)設(shè)計(jì)院(有限公司)，山西 太原 030052)

0 引言

傳統(tǒng)的垮落法開采煤炭雖然可以短時(shí)間內(nèi)增加企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，但不利于礦井長期穩(wěn)定發(fā)展，會(huì)導(dǎo)致地表沉降，進(jìn)而影響建筑物安全[1]。因此，提出了充填采煤法，將煤矸石和膏體等充填入采空區(qū)，不但解決了煤矸石堆放問題，又保證了井下不發(fā)生大面積垮塌[2-3]。官地礦位于自然環(huán)境保護(hù)區(qū)內(nèi)，為了保護(hù)地表不受下部煤層開采影響，且能達(dá)到處理矸石堆放問題。目前官地礦采用充填垮落協(xié)同開采方法，為保證充填垮落協(xié)同工作面的正常開采，現(xiàn)針對其進(jìn)行關(guān)鍵設(shè)備選型研究。

1 工程概況

官地礦位于山西省太原市，36408工作面目前開采6#煤層，平均煤厚約2.8 m，平均傾角約6°。36408工作面井下位于北四新區(qū)北翼，緊鄰36406首采面。官地礦矸石產(chǎn)量較大，據(jù)統(tǒng)計(jì)2014年～2019年，6年時(shí)間里累計(jì)產(chǎn)出矸石720萬噸，年平均治理矸石費(fèi)用達(dá)到3 038.74萬元。為了處理矸石，且達(dá)到治理環(huán)境的目的，現(xiàn)針對36408工作面充填垮落協(xié)同開采關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行選型研究。

2 充填垮落協(xié)同開采方案

官地礦井下矸石智能干選系統(tǒng)的處理能力為50萬噸/年～60萬噸/年，需要將此部分矸石全部進(jìn)行井下充填。根據(jù)官地礦工作面具體條件及理論分析，確定了采用充填垮落協(xié)同開采(不夯實(shí))技術(shù)方案，36408工作面采高設(shè)置為2.8 m。設(shè)計(jì)36408工作面充填段長度為120 m，設(shè)計(jì)過渡段長度為6 m，垮落段長度為74 m，工作面總長度為200 m。為了保證在充填條件較差時(shí)工作面的矸石處理能力滿足要求，應(yīng)選擇帶有夯實(shí)機(jī)構(gòu)的充填液壓支架；同時(shí)為了提高工作面的推進(jìn)速度，提高采煤效率，應(yīng)該不進(jìn)行夯實(shí)作業(yè)。

3 充填采煤工作面關(guān)鍵設(shè)備選型研究

3.1 液壓支架選型

3.1.1 充填液壓支架工作阻力計(jì)算

工作面支架選型時(shí)，支架的支護(hù)強(qiáng)度要大于工作面所需的最大支護(hù)強(qiáng)度，因此對工作面支護(hù)強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。

(1)根據(jù)垮落帶巖重計(jì)算支架支護(hù)強(qiáng)度：目前工作面采高是影響巖層移動(dòng)和地表沉陷的重要因素之一，而采用煤矸石固體充填入采空區(qū)，充填體占據(jù)了采空區(qū)空間，相當(dāng)于降低了垮落空間。但固體充填物無法滿足等體積置換煤炭，無法完全充填滿整個(gè)采空區(qū)高度，因此，為了分析工作面采高與巖層移動(dòng)的關(guān)系，引進(jìn)了等價(jià)采高的概念，建立模型如圖1所示。

圖1 等價(jià)采高模型

由圖1可知，工作面采高為H，由于充填體不能完全充滿整個(gè)采空區(qū)，因此采空區(qū)頂板會(huì)存在一定的下沉量Hz(包括未充填高度和充填體壓實(shí)后減小的高度)，因此等價(jià)采高等于工作面實(shí)際采高減去固體充填物壓實(shí)后的高度，因此等價(jià)采高為Hz，計(jì)算公式如下[2]：

Hz=H(1-η).

(1)

其中：η為充實(shí)率，取0.8；H為工作面采高，2.8 m。

計(jì)算得到等價(jià)采高為0.56 m。則垮落帶高度計(jì)算由下式得到：

Hk=Hz/(k—1).

(2)

其中：k為垮落巖層的碎脹系數(shù)，取1.1～1.5。計(jì)算得到垮落帶高度Hk為1.12 m～5.6 m。

則充填采煤工作面液壓支架所需支護(hù)強(qiáng)度q1為：

q1=γHk.

(3)

其中：γ為巖石的容重，取25×103kN/m3。則計(jì)算得支護(hù)強(qiáng)度q1應(yīng)為0.028 MPa～0.14 MPa。

(2)根據(jù)6倍～8倍采高的巖重計(jì)算支架支護(hù)強(qiáng)度q2：

q2=(6～8)×H×γ.

(4)

計(jì)算可得工作面計(jì)算支護(hù)強(qiáng)度為0.42 MPa～0.56 MPa。

綜上兩種支架支護(hù)強(qiáng)度計(jì)算方法，可得充填采煤工作面液壓支架支護(hù)強(qiáng)度需要滿足0.56 MPa，才可以使得工作面安全開采。

3.1.2 充填段中部液壓支架選型

考慮到官地礦井賦存煤量較大，6#煤層后續(xù)仍有其他工作面需要進(jìn)行充填工作面布置，所以在綜合比較支架技術(shù)特點(diǎn)后，選擇適應(yīng)性較強(qiáng)的、帶夯實(shí)機(jī)構(gòu)的ZC5200/20/40型中部液壓支架，以便于后面其他充填協(xié)同垮落式工作面及全斷面充填工作面使用，其主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 ZC5200/20/40型中部液壓支架主要技術(shù)參數(shù)

3.1.3 過渡段液壓支架選型

過渡段液壓支架選用ZCGa5200/20/40、ZCGb5200/20/40和ZCGc5200/20/40型液壓支架，主要技術(shù)參數(shù)和結(jié)構(gòu)要求同ZC5200/20/40型中部支架。ZCGa5200/20/40型過渡支架頂梁、底座與推移機(jī)構(gòu)尺寸在中部支架基礎(chǔ)上做適當(dāng)調(diào)整；ZCGb5200/20/40型過渡支架后部設(shè)置有與機(jī)頭升降平臺(tái)連接的耳座，可使多孔底卸式輸送機(jī)隨支架前移，且后頂梁后部設(shè)置有后擋矸裝置；ZCGc5200/20/40型過渡支架后頂梁設(shè)置有側(cè)擋矸裝置，側(cè)擋矸裝置帶伸縮梁，可根據(jù)支架高度伸縮，用于保護(hù)多孔底卸式輸送機(jī)機(jī)頭處工作空間，且后頂梁后部設(shè)置有后擋矸裝置。

3.1.4 垮落段液壓支架選型

垮落段液壓支架沿用礦井現(xiàn)有的ZZ-5200/17/35掩護(hù)式液壓架，主要技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 ZZ-5200/17/35型液壓支架主要技術(shù)參數(shù)

3.2 采煤機(jī)選型

采煤機(jī)沿用礦井36406工作面采煤機(jī)，型號為MG250/600-WD,主要技術(shù)參數(shù)見表3。

表3 采煤機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

3.3 刮板輸送機(jī)選型

為保證工作面的高效運(yùn)輸，刮板輸送機(jī)的運(yùn)煤能力Qy應(yīng)大于采煤機(jī)最大割煤能力Qmax：

Qy>QmaxKyKc.

(5)

其中：Ky為考慮刮板輸送機(jī)運(yùn)輸方向及使用傾角時(shí)的修正系數(shù)，取0.9；Qmax為采煤機(jī)的最大割煤能力，取平均割煤能力的1.3倍，604 t/h；Kc為考慮刮板輸送機(jī)與采煤機(jī)同向運(yùn)行時(shí)的修正系數(shù)，取0.9。

將相關(guān)參數(shù)代入式(5)計(jì)算可得刮板輸送機(jī)所需最大運(yùn)煤能力為489.2 t/h，根據(jù)工作面具體條件，選取SGZ-764/630型刮板輸送機(jī)，技術(shù)參數(shù)見表4。

表4 SGZ-764/630型刮板輸送機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

3.4 多孔底卸式輸送機(jī)選型

本文選擇SGZ764/2×200型多孔底卸式輸送機(jī)，輸送能力500 t/h，其主要技術(shù)參數(shù)見表5。

表5 SGZ764/2×200型多孔底卸式輸送機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

3.5 充填轉(zhuǎn)載輸送機(jī)選型

充填轉(zhuǎn)載機(jī)以輸送帶為傳動(dòng)承載機(jī)構(gòu)，輸送帶的運(yùn)行靠裝料部的液壓馬達(dá)和驅(qū)動(dòng)滾筒直接帶動(dòng)。當(dāng)矸石通過巷道內(nèi)的皮帶機(jī)運(yùn)輸至轉(zhuǎn)載輸送機(jī)上時(shí)，轉(zhuǎn)載輸送機(jī)的裝料部可承接巷道內(nèi)皮帶機(jī)上輸送來的矸石，矸石再通過轉(zhuǎn)載輸送機(jī)上的皮帶運(yùn)輸至卸料部，從而將其卸落在多孔底卸式輸送機(jī)上。隨著工作面的推進(jìn)，卸料部可回縮一個(gè)工作面推進(jìn)距離，因此，可免除每次工作面推進(jìn)一次而調(diào)節(jié)一次巷道內(nèi)皮帶機(jī)的工作量。卸料部的移動(dòng)靠伸縮油缸及增程機(jī)構(gòu)來完成。卸料部伸縮距離用完后，轉(zhuǎn)載輸送機(jī)向前推進(jìn)，進(jìn)入下一循環(huán)。充填轉(zhuǎn)載輸送機(jī)輸送流程示意圖如圖2所示。

圖2 充填轉(zhuǎn)載輸送機(jī)輸送流程示意圖

根據(jù)礦井地質(zhì)條件，選擇GSZZ-800/15型充填轉(zhuǎn)載輸送機(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)見表6。

表6 矸石轉(zhuǎn)載機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

4 結(jié)束語

針對官地礦36408充填垮落協(xié)同開采工作面進(jìn)行了關(guān)鍵設(shè)備選型研究：

(1)36408工作面充填段長度設(shè)計(jì)為120 m，過渡段長度為6 m，垮落段長度為74 m，工作面總長度為200 m。

(2)垮落段液壓支架沿用礦井現(xiàn)有的ZZ-5200/17/35掩護(hù)式液壓支架，充填段選擇適應(yīng)性較強(qiáng)的、帶夯實(shí)機(jī)構(gòu)的ZC5200/20/40型中部液壓支架，過渡段液壓支架選用ZCGa5200/20/40、ZCGb5200/20/40、ZCGc5200/20/40型液壓支架。

(3)采煤設(shè)備中采煤機(jī)沿用礦井36406工作面采煤機(jī)，型號為MG250/600-WD，刮板輸送機(jī)選擇礦方原有的SGZ-764/630型刮板輸送機(jī)、SGZ764/2×200型多孔底卸式輸送機(jī)，以及GSZZ-800/15型充填轉(zhuǎn)載輸送機(jī)。