張金虎，李明忠，胡 健，劉 文

(1.煤炭科學(xué)研究總院 開采研究分院，北京 100013；2.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；3.兗州煤業(yè)股份有限公司濟(jì)寧二號煤礦，山東 濟(jì)寧 272072)

改革開放40年來，我國的煤炭產(chǎn)量、安全保障及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等發(fā)生了跨越式的發(fā)展，在1.3m以下薄煤層、6～8m超大采高綜采、20m特厚煤層綜放和大傾角綜采等方面形成了一批達(dá)到國際領(lǐng)先水平的成套技術(shù)與裝備，極大地促進(jìn)了煤炭產(chǎn)量和效率的提升[1]。但在工作面長度方面與國際先進(jìn)水平仍有一定差距。目前，美國長壁工作面平均長度約380m，平均推進(jìn)距離約3760m，平均截深約1m；有17個(gè)長壁工作面長度不小于400m，工作面的長度大于約450m的不少于9個(gè)，最大走向推進(jìn)長度約7900m，最大工作面長度約481.6m[2-6]。

超長工作面在我國的應(yīng)用相對較晚，“超長”一詞最初用于描述工作面長度僅約200m，2000年之前工作面長度基本不超過300m[7]。2003年，興隆莊煤礦通過將工作面加長到300m，日產(chǎn)量突破了2萬t，首次將單面年產(chǎn)能提高到了600萬t。近年來，隨著國產(chǎn)裝備制造水平的提高，為提高工作面資源回收率，許多礦區(qū)嘗試發(fā)展超長工作面，使得綜采工作面長度不斷增加[8，9]。國內(nèi)已完成回采的最長綜采工作面為哈拉溝煤礦12上101工作面[10]，工作面長450m，該面采用了以進(jìn)口裝備為主、國產(chǎn)裝備為輔的方式進(jìn)行超長工作面的工業(yè)性試驗(yàn)；綜放工作面較早采用約300m布置方式的為平朔井工一礦19106工作面[11]，工作面長度達(dá)到297m。根據(jù)國內(nèi)工作面長度的應(yīng)用實(shí)踐現(xiàn)狀，一般將面長不小于350～400m的工作面稱為超長工作面。超長工作面參數(shù)的設(shè)計(jì)需綜合考慮開采效率、投資、裝備能力和管理等多個(gè)方面，本文通過對國內(nèi)首個(gè)采用全部國產(chǎn)裝備的450m超長綜采工作面參數(shù)和裝備進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可為類似礦井的建設(shè)提供參考。

1 礦井概況

濟(jì)寧二號煤礦3上煤層埋深約500～560m，厚度1.3～2.7m，平均1.85m，傾角0°～5°，普氏硬度系數(shù)約2.1；基本頂以6.4～9.6m中細(xì)砂巖為主，直接頂為0～6.1m的粉砂巖，局部有厚約1.0m的泥巖偽頂；煤層自然傾向性為Ⅱ類自燃，最短自然發(fā)火期55d；礦井相對瓦斯涌出量0.14m3/t，絕對瓦斯涌出量1.15m3/min，相鄰23上08綜采工作面絕對瓦斯涌出量0m3/min。根據(jù)初步設(shè)計(jì)方案在礦井二采區(qū)共設(shè)計(jì)10個(gè)3上煤工作面，剩余23上06和23上07工作面未采，煤體寬度約450m，如采用分面開采方式會形成“孤島”工作面。為提高煤炭資源回收率、加強(qiáng)沖擊地壓防治，擬對23上06和23上07工作面進(jìn)行合面優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用約450m超長工作面一次開采，工作面合面及分面開采布置方式如圖1所示。

圖1 二采區(qū)剩余煤體合面及分面開采布置方式

2 不同工作面布置方式優(yōu)化設(shè)計(jì)

對于寬度約400～500m的煤炭資源可采用常規(guī)工作面參數(shù)分面布置和超長工作面布置兩種基本形式，下面將從巷道布置、生產(chǎn)能力、人員配置、設(shè)備等方面對超長工作面(單面)、對拉工作面、背拉工作面和順拉工作面等4種不同的布置方式進(jìn)行綜合比較，以確定合理布置方式。

2.1 不同布置方式特征

2.1.1 超長工作面布置

為改善通風(fēng)效果、降低勞動強(qiáng)度和運(yùn)輸距離，當(dāng)布置450m超長工作面時(shí)優(yōu)化設(shè)計(jì)預(yù)掘中間巷的方式。在工作面中部預(yù)掘一條巷道(2#巷)作為工作面的回風(fēng)巷；在工作面兩側(cè)各掘進(jìn)一條巷道，即軌道巷(1#巷)和運(yùn)輸巷(3#巷)，兼做進(jìn)風(fēng)巷，工作面形成“W”型兩進(jìn)一回通風(fēng)系統(tǒng)，如圖2所示。在工作面布置一部采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)和約300臺液壓支架，工作面截割的煤炭通過機(jī)頭部的轉(zhuǎn)載機(jī)和破碎機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)至運(yùn)輸巷(3#巷)經(jīng)帶式輸送機(jī)運(yùn)出。

圖2 不同工作面布置方式煤流運(yùn)輸

2.1.2 對拉、背拉及順拉工作面布置

對拉工作面的布置方式通過2#巷道將工作面分為兩部分，每部分分別布置1臺采煤機(jī)和1部刮板輸送機(jī)，兩部分工作面在2#巷位置共用1臺轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)和1部帶式輸送機(jī)，截割煤炭通過2#巷道進(jìn)行煤流運(yùn)輸。為避免兩部分工作面生產(chǎn)時(shí)相互干擾，兩部分工作面前后錯(cuò)距約3～5m。背拉、順拉工作面布置方式與對拉工作面的不同之處主要在于煤流的運(yùn)輸方向，不同工作面布置方式煤流運(yùn)輸如圖2所示。

2.2 人員配置

1)超長工作面(單面)。工作面采用“三八”制工作方式，工作面配置安全工長、班長、質(zhì)量驗(yàn)收員、采煤機(jī)司機(jī)等13個(gè)工種，根據(jù)需求每個(gè)工種每班配置約1～4人，合計(jì)配置人員70人。

2)對拉工作面。因工作面配置兩臺采煤機(jī)，與超長工作面相比，增加煤機(jī)司機(jī)6人，定員76人。

3)背拉、順拉工作面。與對拉工作面相比，增加了1部帶式輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)和破碎機(jī)，相應(yīng)增加崗位工6人，工作面定員82人。

2.3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益

1)對拉式、背拉式、順拉式布置方式需要增加相應(yīng)設(shè)備造成投資和人員的增加，不利于降本增效；兩部分工作面均需要保持一定錯(cuò)距，不利于2#巷端部的維護(hù)和設(shè)備的管理，工作面工程質(zhì)量較難控制。分兩個(gè)工作面開采需多掘進(jìn)1條1440m巷道，多留設(shè)1條煤柱，浪費(fèi)煤炭資源約1.25萬t，不利于提高回采率和降低采掘接替的矛盾。

2)超長綜采工作面(單面)布置方式與現(xiàn)有生產(chǎn)工藝相似，工藝簡單，崗位工較少；投入設(shè)備臺數(shù)相對較少，便于設(shè)備管理；2#巷道內(nèi)不布置綜采設(shè)備，保證了通風(fēng)斷面，有利于通風(fēng)；增加了工作面直線段所占比例，利于提高采煤機(jī)割煤速度，盡快釋放產(chǎn)能。

綜上，布置超長工作面的優(yōu)點(diǎn)可歸納為“三提升，三降低”。三提升具體指減少煤柱布置提升綠色開采水平、提高割煤速度提升產(chǎn)能和減少反復(fù)截割三角煤時(shí)間比例提升開采效率。三降低為煤炭損失、采掘接替矛盾和成本支出的降低，基于此設(shè)計(jì)采用超長工作面的布置方式具有良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

3 超長工作面安全保障技術(shù)及關(guān)鍵設(shè)備選型

目前國內(nèi)煤礦工作面普遍不超過400m主要是受到安全和裝備的限制。工作面加長增加了通風(fēng)、頂板控制和自然發(fā)火防治等方面的難度，同時(shí)對刮板輸送機(jī)和液壓支架等裝備提出了更高的要求。

3.1 通風(fēng)方式與自然發(fā)火防治

3.1.1 通風(fēng)方式及風(fēng)量計(jì)算

23上07綜采工作面通風(fēng)系統(tǒng)采用“W”型2進(jìn)1回通風(fēng)方式，兩側(cè)巷道(1#、3#巷)進(jìn)風(fēng)、中間巷道(2#巷)回風(fēng)。按照適宜溫度、瓦斯涌出量和二氧化碳涌出量分別計(jì)算需風(fēng)量，取最大值。根據(jù)同采區(qū)23上08工作面生產(chǎn)期間工作面溫度23℃，工作面合適風(fēng)速取V=2m/s，瓦斯絕對涌出量0m3/min，二氧化碳絕對涌出量0.48m3/min，計(jì)算得配風(fēng)量為1660m3/min[12-15]。

3.1.2 工作面推進(jìn)速度與自然發(fā)火的關(guān)系

通過加快推進(jìn)速度將自燃帶“甩入”窒息帶是防治自然發(fā)火的重要手段，根據(jù)最短自然發(fā)火期55d和臨近礦井窒息帶大于60m的一般規(guī)律，則工作面日推進(jìn)速度不能低于2m。工作面加長有利于降低端頭反復(fù)截割三角煤時(shí)間比例、提高平均割煤速度，根據(jù)采煤機(jī)割煤速度4～8m/min，面長450m時(shí)可實(shí)現(xiàn)日割煤約8～12刀，即日推進(jìn)約6.4～9.6m，為防治自然發(fā)火創(chuàng)造了有利條件。

3.2 超長工作面關(guān)鍵設(shè)備選型及管理技術(shù)

3.2.1 長運(yùn)距大運(yùn)量軟啟動刮板輸送機(jī)

根據(jù)年產(chǎn)能300萬t要求設(shè)計(jì)采煤機(jī)割煤能力約1000～1500t/h，考慮采煤機(jī)割煤的不均衡性和煤流的不連續(xù)性，取刮板輸送機(jī)的能力不小于2000t/h。根據(jù)不同刮板輸送機(jī)標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)量可知，槽寬1000mm可滿足運(yùn)輸能力要求。針對超長工作面刮板輸送機(jī)易斷鏈等問題，綜合考慮鏈條破斷能力和自重，設(shè)計(jì)采用破斷負(fù)荷不小于2220kN的?42mm×146mm型鏈條，驅(qū)動功率2×855kW，配置變頻軟啟動方式降低啟動沖擊載荷[16]。根據(jù)實(shí)測不同采煤機(jī)割煤方向、位置、截割速度時(shí)運(yùn)輸機(jī)電流峰值，獲得了刮板輸送機(jī)負(fù)荷最大時(shí)的電流和采煤機(jī)工作區(qū)間，通過標(biāo)定易過載區(qū)域和刮板輸送機(jī)機(jī)尾峰值電流的90%作為采煤機(jī)調(diào)速啟動閾值，以降低刮板輸送機(jī)負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)了采運(yùn)協(xié)同，有效避免了超長工作面易斷裂的問題。

3.2.2 工作面直線度控制技術(shù)

針對超長工作面運(yùn)輸機(jī)上竄下滑問題突出等難題，研究了“根據(jù)兩側(cè)回采巷道高差設(shè)定標(biāo)志點(diǎn)+調(diào)整割三角煤+調(diào)整推溜方式”相結(jié)合的超長工作面調(diào)面方法，確保了支架和運(yùn)輸機(jī)的協(xié)調(diào)運(yùn)行，保證了工作面回采的工程質(zhì)量。

4 礦壓顯現(xiàn)特征及應(yīng)用效果

4.1 礦壓顯現(xiàn)特征

工作面配置ZY6200/13.5/28D液壓支架，根據(jù)液壓支架循環(huán)末阻力繪制曲面圖，對來壓步距和分布特征進(jìn)行分析。采區(qū)已回采完畢的長度200m常規(guī)工作面與該工作面來壓步距對比見表1。

表1 二采區(qū)3上煤已采工作面來壓步距對比

由表1可知，23上07超長工作面頂板初次和周期垮落步距明顯減小，平均減小約25.23%和31.25%，說明工作面加長后頂板垮落步距減小，來壓頻率變高；根據(jù)支架循環(huán)末阻力統(tǒng)計(jì)，工作面存在明顯的大小周期來壓現(xiàn)象，小周期來壓時(shí)其比普通工作面來壓強(qiáng)度小，大周期來壓時(shí)其來壓強(qiáng)度增大，工作面更多區(qū)域液壓支架處于高應(yīng)力區(qū)，動載系數(shù)相較提高，沖擊載荷變大；工作面不同區(qū)域來壓時(shí)間明顯不同，來壓存在明顯“異步”特點(diǎn)。

4.2 應(yīng)用效果

通過工作面自動化升級實(shí)現(xiàn)液壓支架手動改電液控制，同時(shí)乳化液泵站流量由3臺400L/min提升至3臺500L/min，有效提高了移架速度和支架的初撐力，改善了對頂板的控制效果。生產(chǎn)過程中因節(jié)假日和國家276個(gè)工作日等政策影響，月平均生產(chǎn)日約23d，月推進(jìn)74.5～123.7m，工作面最高月產(chǎn)26.4萬t原煤，相較普通長度工作面提升煤炭產(chǎn)能約30%～40%，實(shí)現(xiàn)了平均1.85m的中厚煤層年產(chǎn)約3Mt產(chǎn)能。

5 結(jié) 論

1)對拉、背拉和順拉工作面布置方式雖然可減少煤柱的布設(shè)，但中間巷道交叉處設(shè)備管理和頂板支護(hù)困難，與超長工作面相比增加了設(shè)備投資與人員配置，通過設(shè)備的合理選型與配套應(yīng)優(yōu)先選用超長工作面(單面)布置方式。

2)超長工作面布置方式有利于提高工作面直線段割煤距離，提高采煤機(jī)全速截割段比例，保證采煤機(jī)高速截割，在相同配置裝備條件下可提升工作面產(chǎn)能約30%～40%；同時(shí)可減少設(shè)備占用周期和工作面安裝撤除等相關(guān)費(fèi)用，通過創(chuàng)收和節(jié)支，超長工作面布置方式促進(jìn)了礦井的效益提升。

3)超長工作面具有來壓頻率高、來壓均度低、存在大小周期來壓且沖擊載荷增多、異步來壓等顯著特點(diǎn)，工作面更多區(qū)域液壓支架處于高應(yīng)力區(qū)，對支架支護(hù)能力及可靠性和穩(wěn)定性要求更高。通過自動化升級、變頻調(diào)速軟啟動刮板輸送機(jī)和大流量泵站等協(xié)調(diào)配套，保證了工作面安全高效推進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了厚度1.85m的中厚煤層具備年產(chǎn)300萬t的能力。