程進保，李軍勝，焦長軍

(陜西延長石油集團橫山魏墻煤業(yè)有限公司，陜西 榆林 719100)

0 引言

我國在煤炭開采中，多采用壁式體系采煤法[1-3]，而壁式體系又以長壁綜合機械采煤為主[4-5]。近年來，隨著綜合機械化采煤裝備的提升，工作面裝備趨于重型化、大型化，工作面單產(chǎn)顯著提高[6-9]。設(shè)備外形尺寸的增加大部分可通過工程技術(shù)手段解決，但工作面設(shè)備與巷道工程(主要為工作面長度)配套不合理，對工作面的安全高效生產(chǎn)具有一定的影響?；诖?，針對魏墻煤礦綜采工作面設(shè)備與工作面長度配套所存在的問題進行探究，以提出合理的解決對策。

1 工程背景

1.1 魏墻礦井概況

魏墻煤礦2015年11月建成投產(chǎn)，設(shè)計生產(chǎn)能力300萬t/年，核定生產(chǎn)能力600萬t/年，是陜北侏羅紀煤田榆橫礦區(qū)南區(qū)唯一一座特大型現(xiàn)代化礦井，實現(xiàn)“一井一面”開采模式。礦井采用斜井單水平盤區(qū)式開拓，地質(zhì)構(gòu)造簡單，煤層賦存穩(wěn)定，主采煤層為3-1號煤層，煤層平均厚度3.07 m，煤層傾角小于1°。井田劃分為4個盤區(qū)，首采盤區(qū)一盤區(qū)南翼已回采結(jié)束，現(xiàn)生產(chǎn)盤區(qū)為二盤區(qū)。

1.2 工作面概況

魏墻礦井采用走向長壁綜合機械化開采，綜采工作面設(shè)計長度以300 m為主，與綜采工作面配套的回采巷道膠運順槽設(shè)計凈寬5.5 m，輔運/回風順槽(上一工作面輔運順槽為下一工作面回風順槽)設(shè)計凈寬5.4 m；工作面兩順槽全部沿煤層頂?shù)装寰蜻M，且凈高不低于2.8 m。魏墻礦井綜采工作面刮板輸送機為中煤張家口煤礦機械有限公司生產(chǎn)的SGZ1000/2100型刮板輸送機，裝機功率3×700 kW，輸送機內(nèi)槽寬1 000 mm，機頭架組件長5 024 mm、過渡槽長3 950 mm、中部槽及變線槽長1750mm、機尾架長6144mm。綜采工作面液壓支架全部為山西平陽重工生產(chǎn)，其中中部架型號為ZY10000/20/38D，過渡架型號為ZYG10000/20/38D，端頭支架型號為ZYT10000/20/38D，支架中心距均為1 750 mm。

2 回采過程中遇到的問題

2.1 問題一簡述

魏墻煤礦首采工作面為1301工作面，工作面設(shè)計長度300 m，工作面設(shè)計安裝支架176臺(安裝刮板輸送機中部槽167節(jié))，工作面開始回采時，機頭安全出口約為0.5 m，機尾安全出口約1.5 m。此時，機頭排頭架至幫約為0.8 m，機尾排頭架至巷幫約為0.7 m。為確保工作面機頭安全出口滿足《煤礦安全規(guī)程》綜合機械化采煤工作面人行道寬度不得小于0.8 m的規(guī)定，工作面通過機頭加刀向機尾調(diào)整，調(diào)整后工作面機頭安全出口約為0.9 m，機尾安全出口約為1.1 m。此時，機頭排頭架至幫約為1.2 m，機尾排頭架至巷幫約為0.3 m。雖然此時保證了工作面機頭機尾安全出口寬度，但工作面后續(xù)推采中輕微上竄下滑便導(dǎo)致工作面機頭安全出口不足或機尾排頭架擠煤幫現(xiàn)象的發(fā)生，嚴重影響工作面的安全高效生產(chǎn)。同時，機尾排頭架擠幫或排頭架至幫小于0.4 m后，工作面機尾回風隅角甲烷、一氧化碳傳感器無法按照《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)及檢測儀器使用管理規(guī)范》要求吊掛，影響工作的安全生產(chǎn)[10-11]。因此，工作面不得不在機尾處拆除一臺中部支架與一節(jié)中部溜槽。300 m長工作面安裝176臺支架后平面關(guān)系如圖1所示。

圖1 安裝176臺支架現(xiàn)場設(shè)備與巷道關(guān)系平面圖Fig.1 Plan of relationship between 176 supports and roadway

2.2 問題二簡述

吸取首采工作面教訓(xùn)后，后續(xù)1303、1307、1311工作面設(shè)計長度均為300 m，全部安裝175臺支架(安裝刮板輸送機中部槽166節(jié))。回采過程中，機頭、機尾安全出口平均約為2 m，雖然未發(fā)生機尾端頭架擠煤幫、機頭安全出口不足與傳感器無法按要求吊掛問題，但是減少一臺支架后兩端頭排頭架至巷幫距離增加，特別是機頭排頭架至巷幫距離達到2.3 m，按照《煤礦安全生產(chǎn)標準管理體系基本要求及評分方法》要求，排頭架距巷幫大于0.5 m需進行加強支護，這樣兩端頭均需沿切頂線打設(shè)單體支柱約5根(間距按0.5 m)，增加了工作面的工作量。同時，工作面輕微上竄下滑便會發(fā)生兩端煤壁割不透現(xiàn)象，只能通過降低煤機運行速度(防止煤機滾筒割在轉(zhuǎn)載機槽幫上損壞設(shè)備)深度臥底來割透煤壁，制約著工作面的高效生產(chǎn)。300 m長工作面安裝175臺支架后現(xiàn)場設(shè)備與巷道關(guān)系平面圖，如圖2所示。

圖2 安裝175臺支架現(xiàn)場設(shè)備與巷道關(guān)系平面圖Fig.2 Plan of relationship between 175 supports and roadway

3 原因分析

問題一未能得到有效解決而引發(fā)問題二，即綜采工作面長度與工作面設(shè)備配套不合理所致，也就是綜采工作面長度同支架與刮板輸送機配套問題。對此，通過理論分析與現(xiàn)場比對的方法尋找原因。

3.1 理論分析

工作面設(shè)計長300 m，膠運順槽設(shè)計凈寬5.5 m、回風順槽設(shè)計凈寬5.4 m，工作面與兩巷總長度=工作面設(shè)計長度+膠運順槽設(shè)計寬度+回風順槽設(shè)計寬度≈311 m。

工作面長度與刮板輸送機長度配套分析:根據(jù)SGZ100/2100型刮板輸送機使用說明書，該輸送機機頭架組件長5 024 mm、過渡槽長3 950 mm、機尾架長6 144 m、中部槽每節(jié)長1 750 mm(總計167節(jié))，刮板輸送機理論長度≈307.4 m。按此計算，該刮板輸送機長度短于工作面與兩巷長度和3.6 m，即工作面機頭、機尾安全出口寬度和為3.6 m，則兩安全出口平均寬度約為1.8 m。而現(xiàn)場實際機頭、機尾安全出口和約為2 m。

工作面長度與支架數(shù)量分析:ZY10000/20/38D型支架中心距為1 750 mm，176臺支架理論長度為308 m。按此計算，支架長度長于刮板輸送機長度0.6 m，短于工作面與兩巷長度和3 m，即工作面機頭、機尾排頭架至巷幫和為3 m，則兩端頭排頭架至巷幫平均約1.5 m。而現(xiàn)場實際機頭、機尾排頭架至巷幫寬度和約為1.7 m。

3.2 現(xiàn)場比對

根據(jù)以上理論分析，300 m長工作面安裝176臺支架理論計算與現(xiàn)場實際差別較大，存在2種可能性。可能性一為綜采工作面兩順槽未按設(shè)計施工，工作面長度小于300 m；可能性二為工作面刮板輸送機存在質(zhì)量問題，總長度偏大。

公司組織測量及相關(guān)人員多次對工作面長度進行現(xiàn)場實測，均與設(shè)計相符，可能性一可以排除。經(jīng)對工作面SGZ100/2100型刮板輸送機相關(guān)組件進行實測發(fā)現(xiàn)，刮板輸送機中部槽中心距平均約為1 758 mm，大于設(shè)計值1 750 mm，故可能性二得到證實。

4 現(xiàn)場驗證與原因總結(jié)

4.1 對生產(chǎn)現(xiàn)場實際進行分析驗證

按照設(shè)計，刮板輸送機總長+刮板輸送機機頭安全出口寬+刮板輸送機機尾安全出口寬=工作面長+工作面膠運順槽寬+工作面回風順槽寬。

問題一驗證:按現(xiàn)場實測SGZ100/2100型刮板輸送機中心距1 758 mm計算，SGZ100/2100型刮板輸送機安裝167節(jié)中部槽總長度約為309 m，機頭安全出口約為0.9 m，機尾安全出口約為1.1 m(工作面機尾回風隅角剛好滿足傳感器吊掛)。工作面與兩順槽總長約311 m，與生產(chǎn)現(xiàn)場相符。

問題二驗證:按現(xiàn)場實測刮板輸送機中心距1 758 mm計算，SGZ100/2100型刮板輸送機安裝166節(jié)中部槽總長度約為307 m。后續(xù)1303、1307、1311工作面刮板輸送機機頭、機尾安全出口平均約為2 m，那么計算得工作面與兩順槽總長約311 m，與生產(chǎn)現(xiàn)場相符。

4.2 原因總結(jié)

通過理論分析與現(xiàn)場實際驗證，造成綜采工作面長度與設(shè)備配套不合理的原因之一為刮板輸送機中部槽中心距尺寸偏大。因綜采工作面刮板輸送機中部槽尺寸偏大，工作面刮板輸送機實際長度長于理論值，從而導(dǎo)致工作面安全出口實際數(shù)據(jù)小于理論值，出現(xiàn)安全出口不足問題；又因工作面刮板輸送機與支架為一一對應(yīng)關(guān)系，刮板輸送機中心距的偏大導(dǎo)致了工作面支架中心距的偏大，從而引發(fā)工作面機尾排頭架擠幫與傳感器不能按要求吊掛的問題。其次，綜采工作面刮板輸送機機頭架組件及過渡槽、機尾架與工作面支架配套不合理也是一項重要原因[12]。

4.3 設(shè)計經(jīng)驗總結(jié)

綜上，綜采工作面長+膠運順槽寬+回風順槽寬=工作面刮板輸送機長+機頭安全出口寬+機尾安全出口寬=工作面液壓支架總長+機頭排頭架距幫寬+機尾排頭架距幫寬。為方便后續(xù)計算說明，設(shè)綜采工作面合理長度為L、膠運順槽寬度為Lj、回風順槽寬度為Lh、機頭安全出口寬為A1、機尾安全出口寬為A2、刮板輸送機機長為G(此處必須為實測長)。根據(jù)魏墻礦井綜采工作面多年生產(chǎn)經(jīng)驗，總結(jié)綜采工作面設(shè)備的合理長度配套程序。首先，確定支架與刮板輸送機的長度關(guān)系。此合理配套計算過程詳見文獻[12]，即工作面支架總長度長于刮板輸送機總長度(由綜采工作面安全出口寬度與排頭架距巷幫寬決定)，這里取1.4 m，按兩端頭等長取值，即工作面機頭、機尾處支架均長于刮板機0.7 m(一般應(yīng)為0.5～0.8 m)。

其次，根據(jù)綜采工作面機頭、機尾安全出口寬度留設(shè)確定刮板輸送機與工作面的長度關(guān)系。由L+Lj+Lh=A1+A2+G可知，L=A1+A2+G-Lj-Lh。單從綜采工作面割煤來考慮，刮板輸送機越長于工作面煤壁越有利于煤機割透煤體，但受井下空間限制，刮板輸送機須在機頭機尾留有足夠?qū)挾鹊陌踩隹?，結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)場經(jīng)驗，在保證安全出口不小于0.8 m的前提下，還需考慮順槽寬度與轉(zhuǎn)載機槽幫至煤壁距離，同時給工作面上竄下滑留有一定余量，機頭、機尾安全出口寬度取1.4 m為宜。則有，L=2.8+G-Lj-Lh。

4.4 實例驗算

以魏墻煤礦綜采工作面為例，SGZ100/2100型刮板輸送機安裝167節(jié)中部槽總長度約為309 m，膠運順槽凈寬5.5 m，回風順槽凈寬5.4 m。則有，L=2.8+G-Lj-Lh=300.9 m。魏墻煤礦1309工作面設(shè)計長度301 m，安裝中部槽167節(jié)，生產(chǎn)過程中未出現(xiàn)上述問題。經(jīng)現(xiàn)場驗證，該計算方法合理可靠。最終的綜采工作面液壓支架、刮板輸送機及巷道合理配套尺寸關(guān)系如圖3所示。

圖3 工作面設(shè)備合理配套與巷道關(guān)系平面圖Fig.3 Plan of relationship between reasonable matching of working face equipment and roadway

5 結(jié)語

通過魏墻礦井綜采工作面生產(chǎn)過程中遇到的問題，分析發(fā)現(xiàn)了刮板輸送機制造質(zhì)量對工作面配套的影響，重點總結(jié)了刮板輸送機長度與工作面長度的合理搭配經(jīng)驗，給出基于刮板輸送機長度的工作面長度計算方法，提及了液壓支架與刮板輸送機的合理配套經(jīng)驗，未考慮其他因素對工作面長度的影響?；诰C采工作面合理端頭配套下得出的液壓支架與刮板輸送機的合理配套關(guān)系，很好地解決了生產(chǎn)過程中遇到的現(xiàn)實問題，對魏墻礦井后續(xù)工作面及其他礦井綜采工作面的設(shè)計、設(shè)備的升級改造具有很高的參考價值，對刮板輸送機制造商提升制造工藝、改進設(shè)計也有一定的參考價值。