呂情緒，肖劍儒，滿 洋

(1.國家能源集團神東技術(shù)研究院，陜西 神木 719300；2.國能神東煤炭集團有限責任公司 生產(chǎn)管理部，陜西 神木 719300；3.國能神東煤炭集團有限責任公司 機電管理部，陜西 神木 719300)

神東礦區(qū)地處神府東勝煤田，礦區(qū)煤層埋深淺、地質(zhì)條件優(yōu)越，是當前我國重要的煤炭生產(chǎn)基地[1]。以建設(shè)安全高效的能源體系為精準目標，礦區(qū)裝備配備和生產(chǎn)管理水平較傳統(tǒng)煤礦都有了質(zhì)的飛躍[2]?；趦?yōu)越的地質(zhì)條件和先進的技術(shù)裝備水平，礦區(qū)大力建設(shè)發(fā)展大采高一次采全高工作面，為進一步提高生產(chǎn)效率，礦區(qū)工作面長度也不斷增加，相繼創(chuàng)建了300m、360m、400m、450m的大長或超長工作面[3，4]。

為保證加長工作面的安全高效生產(chǎn)，眾多專家學者開展了諸多研究。呂志金[5]研究了大采高超長工作面上覆關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)及其破斷特征，并表明初采階段強制放頂能有效減小超長工作面的初次來壓步距、降低頂板動載沖擊。孫健等[6]結(jié)合瓦斯涌出量與工作面長度的作用關(guān)系，計算了磁窯溝煤礦超長工作面安全生產(chǎn)的通風需求量。任建軍[7]對大采高超長工作面采空區(qū)遺煤自燃區(qū)域分布位置進行了劃分，研究表明工作面長度增加自燃氧化帶寬度也相應(yīng)增加。卞正富等[8]指出工作面長度超過一定范圍后將導致地層形態(tài)發(fā)生變化從而易使地下水大量流失。這些研究為超長工作面的高效安全開采提供了可靠保障，但其中缺乏對淺埋煤層大采高加長工作面“三機”配套選型的研究探索。而淺埋煤層大采高加長工作面不同于傳統(tǒng)工作面，其受大產(chǎn)量、強礦壓等因素影響而對“三機”配套具有更高要求[9，10]。因此，研究淺埋煤層大采高加長工作面“三機”配套的合理性，選取合理的工作面核心生產(chǎn)設(shè)備是現(xiàn)場生產(chǎn)實踐提出的重要課題。

本文以神東集團上灣礦22104淺埋大采高加長工作面為工程背景，采用理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對工作面“三機”配套的合理性進行研究，并通過現(xiàn)場監(jiān)測對加長工作面的應(yīng)用效果進行評價分析。本文研究成果對淺埋煤層大采高加長工作面的設(shè)備選型及促進安全高效生產(chǎn)具有重要理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 礦井概況

上灣礦是神東煤炭集團年產(chǎn)超千萬噸的大型現(xiàn)代化礦井，井田地質(zhì)構(gòu)造簡單，為保證礦井安全高效生產(chǎn)，在發(fā)展大采高工作面的同時，礦井也著力于加長工作面長度。上灣礦現(xiàn)正回采2-2煤，2-2煤層結(jié)構(gòu)簡單、賦存穩(wěn)定，屬于近水平煤層。22104工作面是2-2煤一盤區(qū)的第4個面，東側(cè)為2-2煤大巷，南側(cè)、北側(cè)為未開采區(qū)域，西側(cè)是原上灣井田邊界。工作面埋深118～185m，煤層厚度4.51～7.06m，平均厚度6.5m。工作面沿傾向布置，采用傾斜長壁后退式一次采全高綜合機械化采煤法開采，設(shè)計采高6.5m。工作面頂板以砂巖和泥巖為主，頂板條件良好。

2-2煤一盤區(qū)已回采完成的3個工作面其長度均小于300m，已不能完全滿足礦井高產(chǎn)高效的要求，為大幅提高工作面產(chǎn)量、降低煤層回采損失，在保證安全的基礎(chǔ)上，設(shè)計22104工作面長度增加至330m。參考已回采工作面的開采經(jīng)驗，工程類比設(shè)計22104工作面預(yù)選用主要設(shè)備型號見表1，為驗證主要設(shè)備(“三機”)選型是否合理，需對主要設(shè)備的運行能力進行校核分析。

表1 22104工作面“三機”型號

2 大采高加長工作面“三機”能力分析

工作面加長后設(shè)計生產(chǎn)能力增大，采煤機的落煤能力偏低則不能滿足達產(chǎn)要求。同時，采煤機循環(huán)落煤量增加使堆積在刮板輸送機上的落煤也明顯增加，若刮板輸送機的電機功率及刮板鏈強度達不到落煤的運輸要求，則極有可能造成刮板輸送機因過載而壓死或斷鏈。此外，大采高加長工作面相較于普通工作面其開采尺寸明顯增加，頂板巖層運動垮落更劇烈，作用在液壓支架上的壓力也更大。加之相關(guān)研究證明，淺埋煤層工作面并非因其埋深淺而礦壓顯現(xiàn)緩和，其僅具有單層或雙層關(guān)鍵層而頂板運動更劇烈[11-13]。因此，淺埋煤層大采高加長工作面對液壓支架的支護能力具有更高要求。綜上，“三機”能否滿足開采要求是淺埋煤層大采高加長工作面能否安全高效開采的關(guān)鍵。

2.1 采煤機落煤能力分析

大采高加長工作面采煤機不僅要在外形尺寸上滿足空間布置要求，還要根據(jù)工作面的設(shè)計生產(chǎn)能力滿足落煤能力要求。綜采工作面采煤機單位時間落煤量主要由采高、工作面長度、截深、牽引速度等參數(shù)決定，其計算公式如下[14]：

式中，Qm為采煤機落煤能力，t/h；Q為工作面設(shè)計日產(chǎn)量，t/d；L為工作面長度，m；i為采煤機割煤速度與空刀牽引速度之比；Lm為采煤機兩滾筒中心距，m；A為采煤機開機率；T為工作面日生產(chǎn)時間，min；C為工作面回采率，%；Td為采煤機返向時間，min；B為采煤機截深，m；H為采高，m；γ為煤的容重，t/m3。

上灣礦22104工作面設(shè)計生產(chǎn)能力44000t/d，計算可得采煤機最低要求落煤能力為3404t/h，工作面設(shè)計選用采煤機型號為7LS8-LWS762，其生產(chǎn)能力6000t/h大于采煤機最低要求落煤能力，因此設(shè)計選用采煤機型號能滿足工作面落煤能力要求。

2.2 刮板輸送機運輸能力分析

生產(chǎn)實踐表明，刮板輸送機的運輸能力是阻礙大采高工作面加長的主要裝備因素。工作面刮板輸送機的運輸能力應(yīng)滿足采煤機最大落煤能力的要求。刮板輸送機運行過程中受到的阻力主要為刮板鏈在溜槽內(nèi)的運行阻力和煤在溜槽內(nèi)的運行阻力，限制刮板輸送機運輸能力的因素主要為電機功率及刮板鏈強度。

2.2.1 電機功率校核

刮板輸送機貨載單位長度質(zhì)量為[14]：

式中，q為煤的單位長度質(zhì)量，kg/m；v為刮板鏈的速度，m/s；vk為采煤機的最大牽引速度，m/s。

刮板輸送機載滿煤時運行阻力為[14]：

Wzh=(qω+qlωl)Lgcosβ±(q+ql)Lgsinβ(3)

式中，Wzh為刮板輸送機載滿煤時運行阻力，kN；ω為運行在溜槽內(nèi)煤的阻力系數(shù)；ql為刮板鏈單位長度的重量，kg/m；ωl為刮板鏈在溜槽內(nèi)的阻力系數(shù)；g為重力加速度，m/s2；β為刮板輸送機的鋪設(shè)傾角，(°)。

刮板輸送機空載時運行阻力為[14]：

Wk=qlLg(ωlcosβ+sinβ)(4)

式中，Wk為刮板輸送機空載時運行阻力，kN。

刮板輸送機實際運行時所需總牽引力除受空載及載煤運行阻力影響，還會受到刮板機自身摩擦力及彎曲段產(chǎn)生的附加阻力等影響。為保證計算結(jié)果的準確性且簡化計算過程，參考已有研究成果，引入阻力系數(shù)k1和k2[15]。則刮板輸送機運行所需總牽引力為：

W0=k1k2(Wzh+Wk)(5)

式中，W0為刮板輸送機的總牽引力，kN；k1為刮板鏈繞鏈輪的阻力附加系數(shù)；k2為中部槽彎曲的運行阻力附加系數(shù)。

刮板輸送機的電機總功率為：

式中，Nd為刮板輸送機所需功率，kW；η為傳動裝置效率。

經(jīng)計算可得22104工作面刮板輸送機正常運行所需最低功率為3341kW，設(shè)計選用的SGZ1400/3×1600kW型刮板輸送機功率為4800kW，其值大于計算所得最低要求功率，能滿足刮板輸送機正常運輸要求。

2.2.2 刮板鏈強度校核

刮板鏈是否能被拉斷由其受到的最大張力決定，要進行刮板鏈強度校核需先采用逐點法求解刮板鏈受到的最大張力，刮板輸送機傳動裝置簡圖如圖1所示[14]。若刮板輸送機滿載煤時運行阻力Wzh≥0，則雙端驅(qū)動刮板輸送機主動鏈輪分離點的張力小于其相遇點的張力，由此確定分離點1或分離點3是主動鏈輪的最小張力點。

圖1 刮板輸送機傳動裝置

由逐點張力法得：

式中，S3為3點所受張力，kN；S1為1點所受張力，kN；nB為B端電動機數(shù)量，臺；n為電動機總數(shù)量，臺。

22104工作面刮板機為雙端驅(qū)動，機頭布置兩臺電機，機尾布置一臺，圖1中B端為機頭位置，計算可得最小張力點在3點。根據(jù)相關(guān)研究，最小點張力為[15]：

S3=Smin=2×(2000～3000)N

刮板鏈其余各點所受張力為：

式中，S2和S4分別為刮板鏈2點和4點所受張力，kN。

為最大限度校核保證刮板鏈強度，取S3=6000N，則計算可得4點為最大張力點，其值為1079kN。

刮板鏈強度的可靠性以安全系數(shù)K表示，具體為：

式中，K為刮板鏈強度安全系數(shù)；Sp為單根刮板鏈的破斷拉力，kN；λ為雙鏈負荷不均勻系數(shù)；Smax為刮板鏈的最大張力，kN。

研究表明當刮板鏈抗拉安全強度系數(shù)K≤3.5時，刮板鏈強度不能滿足工作面生產(chǎn)要求，運輸過程中往往斷鏈故障頻發(fā)，對正常生產(chǎn)產(chǎn)生不利影響[16]。22104工作面設(shè)計選用的SGZ1400/3×1600kW型刮板輸送機刮板鏈形式為中雙鏈，圓環(huán)鏈規(guī)格為?60mm×181/197mm，計算可得安全強度系數(shù)K為5.07，其值大于3.5，因此理論計算可知工作面設(shè)計選用刮板輸送機的刮板鏈強度能滿足工作面運輸要求。

綜合上述分析可得，設(shè)計選用刮板輸送機的功率及刮板鏈強度均能滿足加長工作面生產(chǎn)的需求。但生產(chǎn)實踐與理論計算存在一定差距，若采煤機運行過程中割巖嚴重，割落巖石堆積在刮板輸送機上或卡入溜槽內(nèi)，刮板輸送機承載加大且自身摩擦阻力增強，極易造成刮板輸送機壓死或斷鏈。此外，若工作面片幫嚴重或底板不平則易造成刮板輸送機超載或彎曲度超限，刮板輸送機突然停機后，若未清空其溜槽內(nèi)的落煤，強制啟動刮板輸送機會使刮板輸送機功率和刮板鏈張力瞬間增大而導致停機或斷鏈事故。因此，在實際生產(chǎn)中應(yīng)及時觀察刮板輸送機的運行情況，若有設(shè)備故障要及時做出調(diào)整。

2.3 液壓支架支護能力分析

2.3.1 液壓支架工作阻力理論分析

隨著工作面長度加大，頂板覆巖的垮落范圍和程度也隨之增大，液壓支架需要提供的工作阻力也就更大。以工作面長度確定液壓支架工作面阻力可由下式進行計算[17]：

式中，P為液壓支架工作面阻力，kN；γ1為覆巖平均容重，kN/m3；a為工作面支架寬度，m；b為支架頂梁長度，m；f為覆巖平均堅固系數(shù)。

計算可得22104工作面液壓支架最低要求工作阻力為13658kN，工作面設(shè)計選用ZY18000/32/70D型液壓支架，其額定工作阻力18000kN大于計算工作阻力，說明設(shè)計選用的液壓支架能滿足工作面頂板控制要求。

2.3.2 液壓支架支護強度模擬分析

為進一步確定加長工作面液壓支架的合理支護強度，選用FLAC3D數(shù)值模擬對不同支護強度下頂板的下沉量進行模擬。根據(jù)22104工作面煤巖賦存情況建立數(shù)值模型，如圖2所示。模型建至地表，工作面兩邊各留30m煤柱，兼顧計算成本和時間，確定模型尺寸為390m×300m×178.55m(長×寬×高)。模型巖層劃分為22層，累計巖性8種，采用摩爾庫侖模型，各巖層具體力學參數(shù)見表2。根據(jù)已有開采經(jīng)驗和相關(guān)研究成果[18]，工作面采高及長度加大都會增加對液壓支架支護強度的要求。因此，模擬研究0.8～1.8MPa(以0.1MPa為梯度增加)11種支護強度下煤壁后方1～3m處頂板的下沉量，以此為依據(jù)確定頂板所需合理支護強度。

圖2 數(shù)值模型

表2 煤巖層力學參數(shù)

不同位置頂板最大下沉量隨支護強度演化關(guān)系曲線如圖3所示。頂板最大下沉量表現(xiàn)出明顯的縱向和橫向分組特征?？v向來看，空間位置不同，頂板最大下沉量表現(xiàn)出差異性，與煤壁距離越小，頂板下沉量越小；隨著液壓支架前移及時間發(fā)育，遠離煤壁位置頂板下沉量增大。橫向來看，同一空間位置下支護強度不同，頂板最大下沉量也表現(xiàn)出差異性，總體呈現(xiàn)隨支護強度增加頂板最大下沉量降低的趨勢；頂板最大下沉量隨支護強度的演化分為兩個區(qū)，即支護強度在0.8～1.4MPa之間的降低區(qū)和支護強度在1.4～1.8MPa之間的穩(wěn)定區(qū)；降低區(qū)內(nèi)頂板最大下沉量隨支護強度增加明顯降低，說明支護強度對控制頂板穩(wěn)定效果明顯；穩(wěn)定區(qū)內(nèi)頂板最大下沉量隨支護強度增加呈現(xiàn)輕微降低而趨于穩(wěn)定，說明此區(qū)域范圍內(nèi)支護強度對頂板穩(wěn)定影響不大。綜合上述分析來看，能保證頂板穩(wěn)定的最小支護強度為1.4MPa，即預(yù)選用液壓支架的支護強度不應(yīng)低于1.4MPa。22104工作面預(yù)選用ZY18000/32/70D液壓支架的支護強度為1.54MPa，能保證頂板穩(wěn)定。

圖3 頂板最大下沉量隨支護強度演化關(guān)系曲線

3 現(xiàn)場應(yīng)用效果分析

為進一步對22104工作面預(yù)選的“三機”配套結(jié)果進行驗證，并為后續(xù)相同條件工作面安全高效開采提供充分支持，在22104工作面生產(chǎn)中對采煤機的落煤能力、刮板輸送機的運輸能力及液壓支架的支撐能力進行監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果表明：

1)22104工作面生產(chǎn)過程中，采煤機運行狀況良好，設(shè)備故障率低，裝煤率和割煤效率相較于2-2煤一盤區(qū)前三個工作面都有了極大提升，能充分滿足產(chǎn)量要求。

2)刮板輸送機電機功率能滿足正常運轉(zhuǎn)要求，刮板鏈強度雖在采煤機割巖及溜槽內(nèi)落煤未被清理干凈時出現(xiàn)斷鏈現(xiàn)象，但采煤機正常割煤時，基本無斷鏈發(fā)生。

3)液壓支架是工作面安全生產(chǎn)的基本保障，選取沿工作面走向300m的距離范圍(2000～2300m)，在工作面上部(運輸巷側(cè))、中部、及下部(回風巷側(cè))設(shè)置測站對液壓支架的工作阻力進行在線監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如圖4所示。

圖4 液壓支架實測工作阻力曲線

分析圖4可知，隨工作面推進，支架阻力表現(xiàn)出較強的離散性。監(jiān)測距離范圍內(nèi)，最小支架阻力出現(xiàn)在下部測區(qū)，其值為22.4MPa，最大支架阻力出現(xiàn)在中部測區(qū)，其值為44.6MPa，其余監(jiān)測阻力值在最大值與最小值之間震蕩波動。但總體來看，支架阻力值主要分布在來壓判據(jù)值以下，只有個別測值超過來壓判據(jù)值，說明選用液壓支架能滿足頂板支撐要求，保證工作面安全回采。

4 結(jié) 論

1)工作面采高加大及長度加長有利于工作面增產(chǎn)增效，但其對采煤機的割煤能力、刮板輸送機的運輸能力及液壓支架的支撐能力具有較高要求，應(yīng)根據(jù)工作面實際生產(chǎn)條件進行設(shè)備選型。

2)上灣礦22104大采高加長工作面選用的設(shè)備能滿足實際生產(chǎn)要求，但生產(chǎn)過程中應(yīng)重點關(guān)注刮板鏈在采煤機割巖等特殊條件下運行時是否會斷鏈，若有斷鏈情況出現(xiàn)應(yīng)及時更換更高強度刮板鏈。