高瓦斯厚煤层超长工作面综采轻放采煤工艺研究

总第１３２期　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００５—２７９８．２０１０．０９．００５　高瓦斯厚煤层超长工作面综采轻放采煤工艺研究　于占林，王金宝　（峰峰矿业集团公司大淑村矿，河北邯郸０５６２０１）　摘要：以峰峰集团大淑村矿１７２２０６工作面为研究背景，采用理论分析、现场实测和现场实施的研究方　法，研究和实施了高瓦斯厚煤层超长条件下综采轻放工作面安全高效开采综合配套技术。　关键词：高瓦斯厚煤层；超长工作面；综采轻放；综合配套技术　中图分类号：ＴＤ８２３．９７　文献标识码：Ａ　文章编号：１００５—２７９８ｌ２０１０）０９．００１２．０４　Ｌｏｎｇ　Ｆａｃｅ　ｏｆ　Ｈｉｇｈ　Ｇａｓ　ａｎｄ　Ｔｈｉｃｋ　Ｓｅａｍ　Ｌｉｇｈｔ　Ｍｅｃｈａｎｉｚｅｄ　Ｍｉｎｉｎｇ　Ｐｒｏｃｅｓｓ　ＹＵ　Ｚｈａｎ－ｌｉｎ．ＷＡＮＧ　Ｊｉｎ－ｂａｏ　（Ｄａｓｈｕｃｕｎ　Ｃｏａｌ　Ｍｉｎｅ　ｏｆＦｅｎｇｆｅｎｇ　Ｍｉｎｉｎｇ　Ｇｒｏｕｐ　Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｈａｎｄａｎ　０５６２０１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔａｋｅ　Ｄａｓｈｕｃｕｎ　Ｃｏａｌ　Ｍｉｎｅ　ｏｆ　Ｆｅｎｇｆｅｎｇ　Ｇｒｏｕｐ　１７２２０６　Ｆａｃｅｓ　ａｓ　ｓｔｕｄｙ　ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ，ａｄｏｐｔ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ，ｆｉｅｌｄ　ｍｅａｓｕｒｅ．　ｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｆｉｅｌｄ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｍｅｔｈｏｄｓ，ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　ｉｍｐｌｉｅｄ　ｌｉｇｈｔ　ｆｕｌｌｙ—ｍｅｃｈａｎｉｚｅｄ　ｃｏａｌ　ｍｉｎｉｎｇ　ｓａｆｅ　ａｎｄ　ｅｆｉｃｉｆｅｎｔ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｈｉｇｈ　ｇａｓ　ａｎｄ　ｔｈｉｃｋ　ｓｅａｍ　ｌｏｎｇ　ｆａｃｅ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈ　ｇａｓ　ａｎｄ　ｔｈｉｃｋ　ｓｅａｍ；ｌｏｎｇ　ｆａｃｅ；ｌｉｇｈｔ　ｍｅｃｈａｎｉｚｅｄ　ｍｉｎｉｎｇ；ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　工作面概况　～５　至　大淑村煤矿２号煤层１７２２０６轻放工作面位于　作面，东侧为工业场地煤柱，西侧为井田边界保护煤　４５０　Ｉｎ水平西二采区，１７２２０６工作面之上地表标　柱。１７２２０６工作面布置如图１所示。　＼　—／～／／＿／，＜　’／　／，一　，一　、９—０　　＼　～－４ｌ０∞　＼　－　＼　＼　＼　＼＼＼　＼　／蛾一、　＞　４５０　＼＼　　～　、～　＿ｊ　Ｕ　～　；乡　、ｍｍ　～　、珈＼～　＼　～＼～～　＝　：专　一　＼　＼＼　、　／　醋阻　。　　．、、７　＝＝＝　酱　『～　＼　／＼　、　—、＝３８０ｍ　…～　＼　＼　　＼　＼、　＼　＼　／／、　＼—＿弋　一　／，　：作高　段　＼　＿４‘　、　、、　—　＼　－４２０ｍ　：　一　Ｌ—、　墨　、一　、　。　＼、口　、　ｉ　ｌ　ｌ●－　Ⅱ—、　Ｌ—　、～　Ⅻ　．一　—～　～～＼　＼、　、＼一＼一　Ｎｔｑ２２０５　＼　３８０　、－３７。ｍ　、　、　ｋ　警　垦　一　＼　』卜＼＼４（　。　＼　＼　，。＼、　～一【　—一　～　一４、　／　＼、　ｊ　１　ＨＨｍ　＼　瓦斯　出点　＼　＼｜　、　＼　图１　２号煤层１７２２０６工作面布鹭　２工作面回采方案提出　１７２２０６工作面设计时提出两种布置方案，方案　一置。方案二是工作面全部按原设计长度８６　ｎ布置，Ｉ　１７２２０５工作面更改设计后在井田边界留下的块段　另布置系统开采。显然，１７２２０６工作面布置方案一　能充分利用现有的工程和生产系统，有利于减少巷　道总的掘进工程量和装备占用，较早地回收留在井　田边界处的所留的块段，工作面加长后有利于实现　是工作面分东西两段，在西段井田边界处加长至　１８５　１ＴＩ，连同１７２２０５工作面更改设计后留下的块段　一同开采，在井田东段按工作面原设计长度８６　Ｉｎ布　收稿日期：２０１０－０３—１１　作者简介：于占林（１９６５一），男，河北邯郸人，工程师，从事矿井“一通三防”工作。　１２　２０１０年９月　ｙ－占林等：高瓦斯厚煤层超长工作面综采轻放采煤工艺　窒　苎　！叁苎！　高产高效开采、减少区段煤柱损失。　为了实现综采轻型支架放顶煤开采技术在更高　以重型放顶煤液压支架的支护强度统计关系和　顶板来压时支架的载荷作为设计支架支护强度的基　础，大淑村煤矿２号煤层的全厚取５．４　ｎｌ，凡＝９．７６８　×５．４一。　＝２５７８。　．层次上的高产高效开采，经过论证，１７２２０６工作面　布置时选择了方案一。工作面分东西两段，西段工　作面较长，达到１８５　ＩＴＩ，加上两巷工作面长１９３　ｉｎ，成　考虑轻型支架放顶煤，取　＝１．２，ｙ＝　２５　ｋＮ／ｍ　，则：　ｑ＝１．２×２．５７８×５．４×２５＝０．４１７　ＭＰａ。　为峰峰矿区最长的综采轻型支架放顶煤工作面，这　段连续推进长度为３９２　ｍ。１７２２０６工作面东段长　８６　ｍ，连续推进长度为４３８　ｍ。１７２２０６工作面东西　两段走向总长８３０　ｍ。　以重型放顶煤液压支架的支护强度统计关系和　顶板来压时支架的载荷作为设计支架支护强度的基　础，大淑村煤矿２号煤层放顶煤开采的液压支架合理　３综采轻放工作面设备选型与配套　３．１综采轻放液压支架　放顶煤液压支架是综放工作面的标志，液压支　支护强度约为３．１（１．２×２．５７８）倍采高的岩层重量。　根据统计，液压支架的平均支护强度和端面顶　板破碎度之间大致呈双曲线关系，如图２所示，曲线　的明显变化区在０．２５～０．３　ＭＰａ，低于此支护强度，　端面顶板冒落高度会急剧增加，０．２５～０．３　ＭＰａ的　支护强度是液压支架控制端面顶板破碎度的临界阻　力，把液压支架的支护强度控制在０．４　ＭＰａ以上，有　助于使端面破碎度小于２０％～３０％，并有利于控制　煤壁片帮。　冰　架的工作阻力和支护强度是液压支架重要的技术参　数。　我国早期引进和仿制的综采放顶重型液压支架　的工作阻力大致是按照４～８倍或６～８倍采高的岩　层重量计算，工作阻力很少低于３　２００　ｋＮ／架，一般　在４　０００～５　０００　ｋＮ／架，支护强度在０．５～　０．７５　ＭＰａ。　按照实测统计方法，用煤层厚度与岩石容重的　乘积表示支架支护强度，１９９０年对重型放顶煤液压　支架的支护强度关系总结如（１）式。　ｑ＝　ｎ　（１）　世　诂　整　遥　式中：ｑ为支架支护强度，ＭＰａ；　为安全系数，　取　＝１．２～１．５；　为折算系数；Ｍ为煤的全厚，Ｉｌｌ；　为岩石容重，ｋＮ／ｍ　。　图２支架支护强度与顶板破碎度间的关系　折算系数在来压期和非来压期间是不同的，来　压时折算系数的关系为：　Ｈ：９．７６８Ｍ一０　由此选择峰峰集团公司机厂生产的ＺＦ２６００—　１６／２４型低位双输送机插板式轻型放顶煤液压支　架，其技术参数如表１所示。　表１　ＺＦ２６００—１６／２４型低位双输送机插板式液压支架技术特征　参数　型号　支撑高度／ｍｍ　‘　参数值　ＺＦ２６００—１６／２４　１　６００～２　４００　参数　架型　支架中心距／ｍｍ　参数值　四柱单摆杆低位双输送机插板式　１　５００　初撑力／ｋＮ　工作阻力／ｋＮ　支护强度／ＭＰａ　底板比压／ＭＰａ　１　７００～２　０８７　２　３９６～２　７０６　０．４３～０．５１　０．３３～０．３５　支架宽度／ｍｍ　适用倾角／（。）伸缩梁长度／ｍｍ　侧护板伸出量／ｍｍ　１　４００～１　５７０　０～２５　６００　１７０　自重／ｋｇ　９　０１０　／　长／Ｌ，支髫｝（ｍｍ）×宽（ｍｍ）×高（形　，、ｍｍ）　—４　６００×１　５００×１　６００ＺＦ２６００—１６／２４型液压支架的支护强度为　０．４３～０．５１　ＭＰａ，大于基本顶来压期间所需的支护　强度０．４１７　ＭＰａ，底板比压为０．３３～０．３５　ＭＰａ，小于　底板粉砂岩的强度０．５　ＭＰａ。　１６／２４型液压支架的基础上，对厂家提出支架尾　梁后插板加长０．５　ｒｎ的要求，由此形成ＺＦ２６００—　１６／２４型端头液压支架。　如图３所示，工作面中部安装１１９架ＺＦ２６００—　１６／２４轻型放顶煤液压支架，上下端头分别安装２　架ＺＦ２６００—１６／２４型端头液压支架。　１３　为有利于上下端头放煤和保证刮板输送机机头　机尾在支架保护下正常运行，在工作面中部ＺＦ２６００　２０１０年９月　’　于占林等：高瓦斯厚煤层超长工作面综采轻放采煤工艺研究　第１９卷第９期　工作面首架和末架端头液压支架分别安装在刮　产的ＭＧＹ１５０／３７５一Ｗ型双滚筒采煤机。　板输送机头和机尾的滑动梁处。　３．３刮板输送机　工作面中部支架的最大控顶距５．１　ｍ，最小控　选用山西矿山机器厂生产的ＳＧＺ６３０／３２０型刮　顶距为４．６　ｍ，移架步距０．５　ｍ。　板输送机作为工作面前部和后部刮板输送机，原刮　工作面上下端头处最大控顶距５．６　ｍ，最小控　板输送机配套两台１１０　ｋＷ／１　１４０　Ｖ型电动机，鉴于　顶距５．１　Ｉ／１，移架步距０．５　ｍ。　刮板输送机随工作面加长至１８５　１ＴＩ，负荷增大，要求　厂家加大电动机功率，改用１６０　ｋＷ／１　１４０　Ｖ的电动　耋　；；　ｚ３　圃　机两台。配套的刮板输送机技术参数如表２所示。　表２　ＳＧＺ６３０／３２０型刮板输送机技术参数　蒲面　参数　参数值　参数　参数值　一　。　０Ｄ一‘　型　顶燥端　液压支　Ⅱ端头支　／　设计长度／ｍ　１８５　／，害跫槽　宽１　５０ｔ到一Ｌ—Ｕ工　二　＿ｊ艇日　（）×高（　ｍ）　×２３２　Ｒ０／￣Ｏ　６３　０～一输送能力／（ｔ・ｈ　）　５００　链规格／ｍｍ　２　２８６　图３工作面支架布置　电机功率／ｋＷ　２×１６０　链强度／ｋＮ　６１０　３～根据煤层厚度。　。机口一．，．　、硬度及倾角，选用上海煤机厂生　。，．　，　……　一．　３．４其余装备　配套装备及安装地点如表３所示。　表３　１７２２０６工作面其余配套装备及安装地点　３．５矿压监测系统　采放比是放顶煤工作面采煤机机采高度与放顶　每架液压支架前后柱各安装一块矿压观测表，　煤高度之比，在煤层厚度一定的条件下，采放比不能　在生产动态中检测记录支架压力状态，并确保液压　太大，也不能太小。　支架初撑力达到２４　ＭＰａ。　１７２２０６综采轻放工作面的机采高度和采放比　工作面均匀布置５条在线实时支架工作阻力观　确定基于以下条件：①煤层平均厚度为５．４　ＩＴＩ；②　测线，地面调度室和井下分别设置终端，实施２４　ｈ矿　高瓦斯煤层工作面，且工作面长度达１８５　Ｉｎ；③液压　压数据监测。由技术部对支架工作阻力及顶板动态进　支架支撑高度为１　６００～２　４００　ｍｍ；④２号煤层属松　行实时在线监测分析，针对顶板来压规律指导生产。　散碎脆煤层，４号煤层开采已引起２号煤层一定移　４　综采轻放工作面工艺参数优化　动和变形。　在保证液压支架有效支撑高度的前提下，尽量　综放工作面工艺参数包括机采高度、采放比、放　提高机采高度，以有利于工作面通风和瓦斯排放为　煤步距和放煤方式。　原则。煤壁片帮问题由及时打开护帮板、及时移架　４．１机采高度与采放比　和带压擦顶移架解决。　顶煤放出前破碎松散需要一定的空间，在煤层　工作面沿煤层底板布置和推进，采煤机机采高　厚度一定的条件下，采煤机采高增加后，有利于顶煤　度确定为２．３　１／１，架后所放的顶煤高度３．１　ｍ，采放　充分破碎和顶煤放出。采煤机采高增加后，工作面　比为１：１．３５。　通风断面得到加大，有利于通风和行人。　４．２放煤步距　另一方面，采煤机采高增加后，煤壁片帮呈增大　放煤步距是两次放顶煤之问工作面推进的距　趋势，支架的稳定性也要降低。在煤层厚度一定的　离，放煤步距对采出率和含矸率影响较大。合理的　条件下，采煤机采高增加后，顶煤变薄，这不利于控　放煤步距应使顶煤上方的矸石与采空区方向的矸石　制顶煤架前冒顶；当顶煤高度过小时，将形成无规则　同时到达放煤口，这样才能最大限度地放出顶煤。　冒落，混矸严重，含矸率增加。　放煤步距过大时，来自顶板方向的矸石先于后　１４　于占林等：高瓦斯厚煤层超长工作面综采轻放采煤工艺研究　第１９卷第９期　部的顶煤到达放煤口，使后部的顶煤放不出。放煤　步距过小时，采空区后方的矸石先于顶部的顶煤到　达放煤口，顶部的顶煤放不出。放煤步距与移架步　距或采煤机截深成倍数关系，一般有采煤机截割一　刀一放、截割两刀一放或截割三刀一放三种组合。　１７２２０６综采轻放工作面试验对比了采煤机截　割一刀一放和截割两刀一放的放煤步距，采煤机截　深为０．５　ｍ，一刀一放时，放煤步距０．５　ｍ，打开放煤　口较快就见矸石，混矸率在３０％以上；两刀一放时，　放煤步距１．０　ｍ，采空区底板上的煤得到最大限度　回收。因此，１７２２０６综采轻放工作面采用了两刀一　放、１．０　ｒｆｌ的放煤步距。　４．３　放煤方式　放顶煤工作面放煤顺序、次数和放煤量的配合　方式称为放煤方式。　单轮顺序放煤操作简单，容易掌握，放煤速度也　较快，但相邻支架之间的煤矸分界面相差较大，容易　混矸。多轮顺序放煤操作相对复杂，放煤时间长，相　邻支架之间的煤矸分界面相差较小，在放煤过程中　能均匀下降，可减少煤中混矸，在一定程度上能提高　顶煤的采出率。　为提高采出率，减少顶煤放出后的混矸，提高工　作面放煤速度，１７２２０６综采轻放工作面采用了分段　两轮顺序放煤方式。　５综采轻放工作面端头及两巷内超前加强　支护　由于２号煤层松散碎脆，强度低，两巷掘进和采　煤期间必须防止出现漏垮型冒顶。　运输平巷和运料平巷成巷时采用了架Ｕ型钢　拱形棚支护，并架后铺塑料网。　工作面开采期间，也必须将巷道煤层顶板背严　背实。在超前工作面煤壁１０　ｍ使用十字绞接顶梁　替棚支护，超前工作面煤壁１０～２０　ｍ，在原巷道　Ｕ２５型钢棚梁中间支设一排单体支柱，并要保证初　撑力不小于９０　ｋＮ，底板松软时要穿铁鞋支设。　１７２２０６轻放工作面端头及两巷内超前加强支　护设计如图４所示。　６结论　１）１７２２０６工作面分东西两段，西段较长，达　到１８５　ｍ，加上两巷工作面长１９３　ｎｌ，成为峰峰矿区　最长的综采轻型支架放顶煤工作面，该段连续推进长　度为３９２　ｍ，东西两段总推进长度８３０　１ＴＩ，在工作面加　长和连续推进长度加大的情况下，工作面装备配套、　工艺参数、工序安排、提高采出率途径、“一通三防”管　理、顶板压力监测等均需要重新实践和认识。　１一Ｕ２５拱形硼；２—０．５　ｍ十子织援Ｊ贝梁；　３—０．６　ｍ绞接顶梁；４—１．０　ｍ绞接顶梁　图４工作面端头及两巷内支护设计　２）　在保证液压支架有效支撑高度的前提下，　尽量提高机采高度，以有利于工作面通风和瓦斯排　放为原则，机采高度确定为２．３　ｍ，架后所放的顶煤　高度为３．１　１１１，采放比为１：１．３５。　对比试验了放煤步距，一刀一放时，放煤步距　０．５　ｍ，打开放煤口较快就见矸石，两刀一放时，放煤步　距１．０　１ＴＩ，采空区底板上的煤能得到最大限度地回收。　为缩小相邻支架之间的煤矸分界面高差，减少　煤中混矸，加快放煤速度，采用了分段两轮顺序放煤　方式，１２０　ｒａｉｎ内可将工作面顶煤全部放完。　３）　通过工作面从开切眼推进６　ｍ后就有控　制地放煤，并配合开切眼退锚作业，减少了初采损　失，工作面推进至６～１０　ＩＴＩ范围内顶煤回收可达到　５０％左右。通过加长端头液压支架插板长度　０．５　ＩＴＩ，实现了端头液压支架放煤；通过后刮板输送　机中部槽后部上边缘增焊接煤板减少了底板上的浮　煤；并通过优化放煤工艺参数使顶煤回收最大化。　采取这些措施后正常开采期问（初采结束后）工作　面煤壁范围内的采出率达到了９５．９％。利用工作　面前方改换的十字铰接顶粱支护和铺设的转载机，　运输平巷末端切顶排实现了巷道放顶煤作业，巷道　上方的顶煤回收率可达到三分之一左右。　４）　１７２２０６工作面从５月投产以来至１０月底　生产原煤４６．８７７　５万ｔ，按公司收购价计算经济效　益，生产煤炭的产值为２．３４亿元，生产煤炭的利润　为８　８３９．７万元。　［责任编辑：李月成］　１５