胡 東
(山西壽陽潞陽麥捷煤業(yè)有限公司,山西 晉中 030600)
麥捷煤礦150503工作面位于井田新區(qū)中部,開采煤層屬石炭系上統(tǒng)太原組15號(hào)煤層。煤層賦存穩(wěn)定,結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單,位于太原組下部,K2灰?guī)r為其直接頂板,上距12號(hào)煤27.08~44.60 m,平均36.29 m。15號(hào)煤層厚度5.4~6.2 m,多含一層泥巖(0.2 m),平均煤厚5.8 m,屬穩(wěn)定的全區(qū)可采煤層。頂板為石灰?guī)r、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖,底板為泥巖、砂質(zhì)泥巖。根據(jù)鄰近工作面(150502工作面)回采過程中實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),150503工作面相對(duì)瓦斯涌出量確定為6.64 m3/t。為了能高效地對(duì)煤層進(jìn)行開采,需要對(duì)回采工作面的一些參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。
150503工作面布置有工作面皮帶順槽、軌道順槽以及高抽巷共三條巷道。其中,軌道順槽長度為1 150.2 m,皮帶順槽長度為1 147.1 m,皮帶順槽和軌道順槽均沿15號(hào)煤層底板布置;高抽巷布置在距15號(hào)煤層頂板約40 m處,與軌道順槽的水平間距為30 m。工作面采用“一進(jìn)一回”的通風(fēng)方式,皮帶順槽進(jìn)風(fēng),軌道順槽回風(fēng)。工作面推進(jìn)長度為1 147.1 m,開切眼長度為210 m。
根據(jù)三維地震勘探結(jié)果,150503工作面周邊范圍內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造共有8個(gè)陷落柱、5個(gè)斷層。8個(gè)陷落柱分別為:MX9、JX12、JX14、XL3、XL4、XL5、XL6、XL8,5個(gè) 斷 層 分 別 為:MF39、MF25、MF41、MF42、MF43。具體位置:XL6、XL8兩個(gè)陷落柱位于工作面北側(cè),其中150503 軌道順槽通過XL6陷落柱,XL8在工作面外部;XL3、XL4、XL5三個(gè)陷落柱位于工作面南側(cè),在工作面外部,距皮帶順槽9~15m。有五個(gè)小于5 m的 斷 層,分 別 為MF25、MF39、MF42、MF41、MF43。除上述構(gòu)造外,工作面50 m范圍內(nèi)暫未發(fā)現(xiàn)其他影響生產(chǎn)的大型地質(zhì)構(gòu)造。
皮帶順槽和軌道順槽為矩形斷面,斷面尺寸均為4.5 m×3.3 m,采用高強(qiáng)度錨桿+單鋼筋托梁+金屬經(jīng)緯網(wǎng)+錨索聯(lián)合支護(hù)[1]。頂板支護(hù):巷道頂部錨桿規(guī)格為Φ22 mm×2400 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿,間排距為1000 mm×1000 mm,頂角錨桿向兩幫傾斜20°;錨索規(guī)格為Φ17.8 mm×8300 mm,間排距2400 mm×1000 mm,“2-1-2布置”;使用一根Φ16圓鋼加工的單筋梯子梁;網(wǎng)片采用對(duì)接方式,聯(lián)網(wǎng)間距為100 mm,用16#鉛絲聯(lián)接,雙絲雙扣。巷幫支護(hù):巷道幫部錨桿規(guī)格為Φ22 mm×2000 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿,間排距均為1200 mm×1000 mm,錨桿垂直巷道兩幫打設(shè),距巷幫頂部300 mm。
開切眼為矩形,斷面尺寸為7.5 m×3.1 m,采用強(qiáng)力錨桿+單鋼筋托梁+金屬經(jīng)緯網(wǎng)+錨索聯(lián)合支護(hù)。頂板支護(hù):頂錨桿規(guī)格為MSGLW-33522/2400螺紋高強(qiáng)錨桿,錨桿間排距為900 mm×1000 mm,沿巷中對(duì)稱布置;錨索形式和規(guī)格Φ17.8 mm×8300 mm鋼絞線,鉆孔直徑28 mm,錨固長度為1.5 m。巷幫支護(hù):老塘幫錨桿等間距布置,每排3根,間距1200 mm,排距為1000 mm;中間錨桿全部水平布置,幫頂角錨桿上斜10°、底角錨桿下斜10°布置,頂角錨桿距頂板300 mm,底角錨桿距底板400 mm,錨固長度為1200 mm。煤墻幫:錨桿等間距布置,每排3根,頂角錨桿距頂板300 mm,底角錨桿距底板400 mm,間距1200 mm,排距為1000 mm,全部垂直煤墻打設(shè)。
根據(jù)工作面周邊勘探鉆孔和實(shí)際掘進(jìn)探煤厚情況分析[2-3],確定工作面平均煤層厚度為5.8 m。根據(jù)15號(hào)煤層地質(zhì)條件和以往的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn),確定工作面采煤機(jī)割煤高度為2.8 m,放頂煤高度為3 m,采放比為1:1.07。
根據(jù)工作面回采巷道布置和計(jì)劃停采線的位置,150503工作面設(shè)計(jì)可采儲(chǔ)量為2.02 Mt。由于礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為1.5 Mt/a,本工作面的設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力按照1.5 Mt/a設(shè)計(jì),該工作面可采期為1.35 a(約16.2個(gè)月)。
按綜放工作面年產(chǎn)量1.50 Mt/a計(jì)算,每天需要開采4545 t。目前,我國綜采工作面的開機(jī)率在40%~55%。該工作面配備的先進(jìn)綜采設(shè)備,可以保證開機(jī)率在50%左右。
根據(jù)15號(hào)煤層的賦存條件,確定采煤機(jī)的最大割煤高度為2.8 m,選取采煤機(jī)的滾筒直徑為1.8 m。在綜合考慮煤層的硬度、頂板巖性以及液壓支架移架步距等情況下,采煤機(jī)的截割深度確定為600 mm。
工作面日循環(huán)數(shù)可用式(1)計(jì)算:
式中:Qr為工作面日產(chǎn)量,是由礦井的產(chǎn)量決定的,取4545 t;Kl為工作面正規(guī)循環(huán)率,取0.8;L為工作面長度,與設(shè)計(jì)的長度有關(guān),取210 m;H為工作面采高,由煤層厚度決定的,取5.8 m;B為循環(huán)進(jìn)尺,即采煤機(jī)的截割深度,取0.60 m;γ為煤的容重,γ=1.45 t/m3;C為工作面回采率,由國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,取93.1%。
將有關(guān)參數(shù)代入到式(1)中,可以得到工作面每日循環(huán)數(shù)為5.7。在實(shí)際情況下,取整數(shù)為6。
采用端部斜切進(jìn)刀方式,進(jìn)刀割煤長度為30 m,工作面采用“三八”工作制度。根據(jù)以上分析和計(jì)算以及國內(nèi)的采煤機(jī)設(shè)備情況,選擇MGTY300/730-1.1D型采煤機(jī)即可滿足要求。
在刮板輸送機(jī)選擇時(shí),應(yīng)該滿足以下要求:(1)具有足夠的運(yùn)輸能力,能將工作面的煤炭及時(shí)的全部運(yùn)出,并留有一定的余量;(2)外型尺寸和牽引方式與采煤機(jī)配套;(3)應(yīng)該覆蓋整個(gè)回采工作面,即刮板輸送機(jī)的長度與工作面的斜長相一致。刮板輸送機(jī)采用0.75 m/s的低速運(yùn)行,實(shí)際功率按2×160 kW。
(1)支架結(jié)構(gòu)高度[4]
式中:Hmax、Hmin為支架的最大、最小高度,m;Mmax、Mmin為最大、最小采高,m。
經(jīng)過計(jì)算,Hmax=3 m,Hmin=2.45 m。
(2)支架支護(hù)強(qiáng)度
根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),利用回歸分析計(jì)算放頂煤支架工作阻力:
式中:h為采高,取工作面實(shí)際采高2.8 m;r為頂板巖石容重,取2.5 t/m3;P為支架工作阻力,N;Lk為端面距,m;Ld為頂梁長度,m;Lj為采煤機(jī)截深,m;B0為支架寬度,m。
將有關(guān)數(shù)據(jù)代入到式(4)和(5)中,可以得到液壓支架的工作阻力不應(yīng)該小于4606 kN。為了保證液壓支架的工作阻力還有一定的余量,選擇液壓支架的工作阻力應(yīng)該稍大一些。選擇ZF5000/17/28型支架,工作阻力為5000 kN,能夠滿足支護(hù)要求。
頂煤冒放性與開采深度有很大的關(guān)系,開采深度越大,頂煤越容易冒放。15號(hào)煤層的埋深在300~400 m 左右,因此從開采深度看,頂煤易于冒落。
按照頂煤的強(qiáng)度與破壞關(guān)系的理論計(jì)算,一般情況下,當(dāng)煤的強(qiáng)度值Rc>20 MPa時(shí),頂煤的破壞程度降低,其冒落性漸差。15號(hào)煤層150503工作面煤層平均為5.4 m,根據(jù)地質(zhì)報(bào)告,15號(hào)煤層大都具有條帶結(jié)構(gòu),光亮的金屬光澤,次為金剛光澤,硬度大,脆度小,煤的硬度普氏系數(shù)f小于1,結(jié)合已采的放頂煤工作面的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),工作面頂煤冒放性較好。此外,頂煤中的裂隙發(fā)育程度對(duì)頂煤的冒放性有著顯著的影響,頂煤節(jié)理裂隙越多,冒放性也就越好。根據(jù)15號(hào)煤層的頂煤揭露情況來看,頂煤中內(nèi)生節(jié)理和外生節(jié)理較發(fā)育。因此頂煤冒放性較好。
對(duì)頂煤冒放性影響較大的還有夾矸。當(dāng)頂煤中存在夾矸時(shí),一方面,夾矸在頂煤中形成“骨架”,使頂煤不易垮落;另一方面,即使頂煤垮落,夾矸形成大塊,易堵口使頂煤無法放出。經(jīng)過測(cè)量后發(fā)現(xiàn),15號(hào)煤層的夾矸平均厚度為0.4 m,且多為硬度較低的泥巖和炭質(zhì)泥巖。因此,可以認(rèn)為煤層中的夾矸對(duì)15號(hào)煤層放頂煤開采影響較小。
無論從礦壓角度還是從頂煤采出率考慮,直接頂?shù)淖钚『穸葢?yīng)能夠充滿采出煤后形成的空間。150503工作面15號(hào)煤頂板多為泥巖、砂質(zhì)泥巖,局部為細(xì)粒砂巖,厚度5.4~6.2 m,平均5.8 m,局部節(jié)理裂隙發(fā)育,容易垮落;底板為泥巖,屬中等穩(wěn)定圍巖,能夠隨著工作面推進(jìn),周期性垮落。
結(jié)合麥捷煤礦地質(zhì)情況和150503工作面開采條件,分析了工作面主要參數(shù),對(duì)工作面關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行了選型,對(duì)放頂煤的冒放性進(jìn)行了分析論證。
150503放頂煤工作面自投產(chǎn)運(yùn)行以來,已經(jīng)安全開采120 d,共開采煤炭52萬t。經(jīng)過計(jì)算,達(dá)到了預(yù)期開采目標(biāo)。雖然在開采過程中,受到斷層構(gòu)造的影響,但是仍能保證一個(gè)較高的資源回采率。經(jīng)統(tǒng)計(jì),開采過程中的資源回采率在80%~95%左右,平均在90%左右,滿足放頂煤資源回采的要求,表明設(shè)計(jì)的放頂煤開采的采放比是合理的。