王穎清

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)軒崗煤電有限公司劉家梁煤礦，山西 忻州 034114）

引言

一直以來，煤礦安全生產(chǎn)備受作業(yè)人員、企業(yè)、地方及國家的關(guān)注。影響煤礦安全生產(chǎn)的因素眾多，包括對工作面瓦斯?jié)舛鹊目刂?、透水事故的預(yù)防、工作面圍巖的控制及設(shè)備的安全性等[1]。因此，需從上述幾方面解決煤礦安全生產(chǎn)問題。本文將從圍巖控制層面解決煤礦安全生產(chǎn)的問題，并對其中涉及的關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行選型設(shè)計(jì)。

1 工程概況

本文所研究礦井的生產(chǎn)能力為240萬t/年，其開采方式為豎井，包括主井、副井和風(fēng)井。本文對該礦井3號煤層工作面的巷道進(jìn)行研究。經(jīng)探測，四采區(qū)巷道的煤層、地質(zhì)條件具體描述如下：3號煤層工作面巷道煤層的厚度為1.1～3 m，平均厚度為2 m；煤層的傾角范圍為2°～6°，平均傾角為4°。3號煤層工作面的地質(zhì)條件如表1所示。

表1 礦區(qū)3號煤層工作面的地質(zhì)條件

除上述參數(shù)外，3號煤層工作面瓦斯的絕對涌出量0.23 m3/min；二氧化碳的絕對涌出量0.32 m3/min?？偟膩碇v，3號煤層工作面的頂板處于裂隙發(fā)育狀態(tài)，且相對松軟，容易破碎；3號煤層工作面巷道的埋藏深度較大，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜[2]。

2 綜合機(jī)械化開采的圍巖控制

目前，對工作面的綜合機(jī)械化開采是實(shí)現(xiàn)煤礦高效、安全開采的重要途徑。自古以來，煤礦開采的一項(xiàng)關(guān)鍵內(nèi)容是不出現(xiàn)塌方事故，也就是說對工作面巷道頂板的圍巖進(jìn)行有效控制。在實(shí)際生產(chǎn)中常采用液壓支架和錨桿、錨索的聯(lián)合支護(hù)方式對頂板圍巖進(jìn)行控制[3]。

2.1 工作面頂板結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性分析

在實(shí)際生產(chǎn)中，工作面頂板的控制主要是通過液壓支架完成。隨著工作面的不斷推進(jìn)和開采的進(jìn)行，工作面頂板失去煤層的支撐容易發(fā)生冒頂事故。而且工作面頂板冒頂事故的發(fā)生還會影響液壓支架的支護(hù)效果，進(jìn)一步影響工作面的安全生產(chǎn)。

一般來說，工作面的頂板結(jié)構(gòu)分為半拱式和砌體梁兩種。其中，半拱式結(jié)構(gòu)容易隨著開采的進(jìn)行出現(xiàn)失穩(wěn)、垮落的事故；而砌體梁結(jié)構(gòu)只有在極限條件下才會出現(xiàn)失穩(wěn)的現(xiàn)象?？偟膩碚f，半拱式頂板結(jié)構(gòu)還容易導(dǎo)致巷道頂板來壓增大，導(dǎo)致液壓支架受力增加。

2.2 工作面頂板支護(hù)強(qiáng)度分析

通過對綜采工作面頂板支護(hù)強(qiáng)度的分析，可指導(dǎo)液壓支架的選型，在保證液壓支架高效支撐的基礎(chǔ)上，盡可能地減少投資[4]?；谙嚓P(guān)理論分析，可以按照直接頂載荷倍數(shù)對工作面頂板的支護(hù)強(qiáng)度進(jìn)行確定，計(jì)算公式如下：

式中：N為液壓支架載荷相關(guān)采高巖重倍數(shù)，根據(jù)該工作面頂板來壓規(guī)律和穩(wěn)定性，并考慮一定的安全系數(shù)，取N=8；M為采煤工藝對應(yīng)的采高，取M=2.44 m；γd為工作面頂板巖層的平均容重，取γd=22.69 kN/m3。

代入上述各項(xiàng)參數(shù)，得出工作面頂板的支護(hù)強(qiáng)度P=442.9 kPa=0.442 9 MPa。綜合分析，確定該工作面頂板支護(hù)強(qiáng)度為0.5 MPa。取液壓支架的支護(hù)效率為0.9，則在當(dāng)前工作面頂板所需支護(hù)強(qiáng)度確定基礎(chǔ)得出液壓支架的額定支護(hù)強(qiáng)度值為0.56 MPa。

結(jié)合液壓支架工作阻力計(jì)算公式，如式（2）所示：

式中：P'為液壓支架額定支護(hù)強(qiáng)度，取P'=0.56 MPa；A為液壓支架的中心距離，取A=1.5 m；R為液壓支架的最大控頂距離，取R=4.085 m。

將上述參數(shù)代入式（2）得出，液壓支架的工作阻力應(yīng)不小于3 431 kN。

2.3 巷道錨桿支護(hù)方案設(shè)計(jì)

工作面頂板在液壓支架支護(hù)的基礎(chǔ)上，采用錨桿、錨索聯(lián)合方式對巷道頂板圍巖進(jìn)行控制。結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和理論分析，設(shè)計(jì)如下巷道錨桿支護(hù)方案：

錨桿支護(hù)參數(shù)：所選用錨桿為直徑20 mm的高強(qiáng)左旋螺紋鋼筋，錨桿長度為2 400 mm；頂板錨桿的間距為1 000 mm，錨桿排間距為1 000 mm，每排錨桿的數(shù)量為4根；錨桿的扭矩為300 N·m，錨固力為130 kN。

錨索支護(hù)參數(shù)：所選用錨索為直徑17.8 mm的低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，錨索長度為7 000 mm；錨索預(yù)緊力為100 kN；錨索錨固力為300 kN；錨索間距為2 000 mm。

工作面錨桿、錨索支護(hù)方案如圖1所示。

圖1 錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)示意圖（單位：mm）

3 綜合機(jī)械化開采設(shè)備選型

本節(jié)著重對綜合機(jī)械化開采涉及的關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行選型，包括工作面的液壓支架、采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)及帶式輸送機(jī)等。

3.1 液壓支架選型

本文2.2節(jié)中已經(jīng)確定了該工作面支護(hù)液壓支架的工作阻力不小于3 431 kN這一關(guān)鍵參數(shù)。根據(jù)工作面煤層的平均厚度為2.44 m，煤層傾角小于10°，在實(shí)際開采過程中的采高最大為3.2 m、最小為1.8 m。根據(jù)工作面采高的確定，結(jié)合相關(guān)公式計(jì)算得出液壓支架的最大支護(hù)高度為3.5 m，最小支護(hù)高度為1.6 m。

綜上，為該工作面所配置液壓支架的具體類型為雙柱掩護(hù)型，具體型號為ZY4000/16/35，該型液壓支架的關(guān)鍵參數(shù)如表2所示。

表2 ZY4000/16/35液壓支架關(guān)鍵參數(shù)

3.2 采煤機(jī)選型

結(jié)合工作面煤層條件，確定采煤機(jī)采高范圍為1.8～3.2 m；結(jié)合液壓支架的移架步距和煤層的硬度、厚度等情況，綜合確定采煤機(jī)的截割深度為800 mm；結(jié)合采煤機(jī)的采高數(shù)值及滾筒直徑一般大于最大采高的0.5倍，確定采煤機(jī)的滾筒直徑為1.6 m。

綜上，確定該工作面采煤機(jī)的具體型號為MG250/600-QWD，該采煤機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)如表3所示。

表3 MG250/600-QWD采煤機(jī)關(guān)鍵參數(shù)

3.3 帶式輸送機(jī)選型

結(jié)合采煤機(jī)的截割能力，要求帶式輸送機(jī)的運(yùn)輸能力為500 t/h。一般情況下，帶式輸送機(jī)的運(yùn)行速度為2 m/s。

結(jié)合上述參數(shù)，通過理論計(jì)算得出帶式輸送機(jī)皮帶的寬度為0.56 m。最終確定帶式輸送機(jī)的具體型號為DSJ80/60/2×132，其關(guān)鍵參數(shù)如表4所示。

表4 DSJ80/60/2×132帶式輸送機(jī)關(guān)鍵參數(shù)

4 結(jié)語

實(shí)現(xiàn)煤礦的綜合機(jī)械化開采是提高煤礦生產(chǎn)能力、安全性的主要措施之一。除采用液壓支架對綜采工作面進(jìn)行支護(hù)外，還需根據(jù)工作面煤層、地質(zhì)條件采用合適的錨桿、錨索支護(hù)，加強(qiáng)對工作面圍巖的控制[5]，以及為綜采工作面配置合理、安全、高效的采煤機(jī)、液壓支架及帶式輸送機(jī)等設(shè)備。