軟_厚煤層一次采全高綜采工作面設計_設備選型配套及實踐(1)

1、._三軟_厚煤層一次采全高綜采工作面設計_設備選型配套及實踐(1) 第 4 期 東 北煤 炭技 術 1998 年 8 月 C oal Techn ol ogy of Nort heast C hina Au g. 1998 No. 4 “三軟”厚煤層一次采全高綜采工作面 設計、設備選型配套及實踐 謝海峰 郭俊生 (煤炭部濟南設計研究院 濟南 250031) 摘 要 介紹和分析了龍口礦務局梁家煤礦綜采工作面設計、設備選型及配套中 的大斷面回風巷、運輸巷布置與支護、液壓支架架型的選擇及主要參數(shù)的確定、端頭支 架的設備、應用及改進情況。同時,結合礦井投產(chǎn)后的生產(chǎn)實踐,對上述有關問題進行 了探討。 關

2、鍵詞 “三軟”厚煤層 一次采全高 綜采工作面 龍口礦務局 梁家礦井設計生產(chǎn)能 力為 180 萬 t / a, 綜采工作面設計生產(chǎn)能力為 60 萬 t / a。工作面長度為 135m, 裝備國產(chǎn)成套 設備。1991 年 12 月開始試生產(chǎn), 1992 年 12 月礦井正式投產(chǎn), 試生產(chǎn)當年綜采工作面即 達到設計生產(chǎn)能力。近幾年來礦井產(chǎn)量穩(wěn)步 提高, 1996 年綜采工作面年產(chǎn)突破了百萬噸 大關, 最高月產(chǎn)達 13 萬 t。 下為 5. 2MPa , 水浸 6h 后降低到 2. 14MPa, 18h 后降低為 0. 99MP a。煤層普氏系數(shù) f = 0. 88, 屬典型 “三軟”厚煤層。投產(chǎn)采區(qū)

3、內(nèi) 構造簡單, 斷層走向與煤層走向基本一致。本 礦井屬低瓦斯礦井, 煤塵有爆炸性危險, 煤 層自然發(fā)火期 11. 5 個月。 2 工作面運輸巷與回風巷布置與支護 1 開采技術條件 本礦井含煤地層為第三系, 地層傾角 5° # 。 6° 10°一般 7。°投產(chǎn)初期主要開采 2 煤 2. 1 布置方式 運輸巷與回風巷布置方式目前在我國有 多種類型。由于梁家礦井圍巖松軟, 運輸巷 與回風巷支護是綜采工作面設計考慮的重點 問題之一。在滿足掘進施工, 設備運輸與安 裝、通風、工作面超前支護及端頭支護的條 件下, 要求盡量縮小運輸巷與回風巷斷面。按 此原則, 運輸巷

4、與回風巷內(nèi)設備布置采用分 開布置方式, 即運輸巷鋪設吊掛式帶式輸送 機 ( 適應巷道底鼓的特點) , 設備列車 ( 移動 變電站等) 布置在回風巷。 為使設備列車上的諸多設備處于新鮮風 層, 埋深 300450m。投產(chǎn)采區(qū) 2 煤厚度 2. 755. 15m, 平均 4. 29m。直接頂板以含油 泥巖為主, 部分為泥巖、粉砂巖, 單向抗壓 強度 一般在 30MP a 左右, 抗拉強 度 0. 6 1. 3MP a。直接底板為炭質泥巖、泥巖及粘土 巖、粉砂巖、中粗砂巖, 巖相變化較大, 砂 巖多為泥質膠結。底板容許比壓在自然狀態(tài) # 收稿日期 9 · 流中, 減少煤塵的污染。另外, 綜

5、采工作面 采用下行通風方式, 它具有以下優(yōu)點: ( 1) 煤流方向與風流方向一致, 可減少 煤塵量; ( 2) 有利于采場防滅火; ( 3) 運送大件設備的通道無風門設施, 有利于現(xiàn)場通風管理。 2. 2 斷面及支護 經(jīng)過詳細的分析論證, 設計考慮斷面形 狀為半圓拱形, 采用錨網(wǎng)噴支護方式。具有 節(jié)省工程投資、簡化超前支護、縮短建井工 期、預防自然發(fā)火等諸多優(yōu)點。 運輸巷凈寬 4. 0m, 凈高 3. 8m ; 軌道巷 凈寬 3. 6m、凈高 3. 5m。錨桿間排距 600mm ×600mm, 采 用快硬水 泥錨桿, 錨桿規(guī) 格 5 14, l= 1900mm, 噴射混凝土厚 100

6、mm。礦 井的生產(chǎn)實踐表明, 運輸巷與回風巷斷面及 支護方式的選擇是合理的, 滿足了初期工作 面生產(chǎn)的要求。但是近幾年來, 沿空掘進的 回風巷 ( 留 5m 小煤柱) 施工后, 其變形破壞 明顯大于兩側均為實體煤的巷道。施工成巷 后 1 個月左右, 靠近采空區(qū)一側的巷幫明顯 內(nèi)移, 變形量達 3050mm, 不待巷道貫通就 需返修。主要原因是: 鄰近工作面回采后, 靠 近邊緣附近的煤體在頂板壓力作用下形成裂 隙、煤壁壓松, 強度削弱, 并易使采空區(qū)邊 緣與巷道之間頂板形成較長的懸臂巖梁。 1995 年礦方與山東礦業(yè)學院 合作進行 了巷道注漿加固試驗, 取得了理想的效果, 綜 采工作面注漿前 3

7、 個月平均月產(chǎn) 6. 57 萬 t , 注漿加固后 3 個月平均月產(chǎn)達到 9. 47 萬 t , 提高了 44% 。 注漿加固的主要機理是: 利用泵壓向煤 層裂隙中壓注摻了水玻璃的水泥漿, 脫水后 使原本膠結松散的煤體與水泥渾然一體, 注 漿改變了煤體結構, 提高了圍巖的整體性, 煤 體強度提高了 35 倍, 因此大大改善了巷道 支護狀況。 3 液壓支架的選擇 3. 1 架型選擇 許多礦區(qū)的實踐表明: 綜采設備選型中 架型選擇是第 1 位的。在我國綜采發(fā)展過程 中, 即有成功的經(jīng)驗, 也有過失敗的教訓。鑒 于當時我國在厚煤層一次采全高綜采技術尚 處于探索階段, 特別是 “三軟”厚煤層采用 一次

8、采全高綜采技術尚無成功的先例, 因此 于 1988 年 12 月由上級主管部門組織召開了 “三軟”綜采技術研討會。在這次會議上, 經(jīng) 過專家認真討論和論證后認為: 梁家礦井 2 煤層采用綜采一次采全高技術是可行的。根 據(jù)這次會議的精神, 濟南設計研究院與龍口 礦務局共同提出了 “梁家礦井綜合機械化采 煤設備設計基礎資料及技術要求”, 并依此對 綜采設備進行議標采購。 關于支架架型選擇, 有兩種代表性意見, 一是選用插腿兩柱掩護式液壓支架; 二是選 用四柱掩護式液壓支架。兩柱掩護式支架具 有保持主動水平力的能力。由于支柱斜向煤 壁后產(chǎn)生水平分力, 對于維護高裂隙和松軟 直接頂板的穩(wěn)定性是非常有利

9、的, 它向煤壁 施加一種壓力, 可以抑制裂隙發(fā)展和維持松 軟頂板于原位。但是也存在以下缺點: 1 底 座對底板壓分布不均勻, 前端峰值比壓大, 拉 架困難; o 平衡千斤頂易損壞, 使支架失去 穩(wěn)定狀態(tài); ? 插腿式支架與刮板輸送機、采 煤機等配套復雜, 刮板輸送機及采煤機需特 殊設計, 且裝煤效果差。因此考慮采用四柱 掩護式支架。 四柱掩護式支架是將兩柱掩護式支架的 兩個平衡千斤頂從頂梁移至底座而成。后柱 支撐在底座與掩護梁之間, 后立柱直徑小于 前立柱直徑。四柱掩護式支架基本保持了兩 柱掩護式支架的支撐力和水平力, 但水平推 力稍弱于兩柱掩護式支架, 克服了兩柱掩護 式支架平衡千斤頂易拉壞

10、、支架對底板比壓 # · · 分布不均、峰值大的缺點, 同時使支架安裝、 際, 支架支護強度考慮有一定的富裕量, 同 時又不至因支護強度過大, 造成支架過于笨 重, 加大管理難度。 根據(jù)梁家礦井 2# 煤層頂板類型, 經(jīng)計算 支架支護強度應不小于 0. 6MP a?？紤]后期 跳采及受斷層構造應力等不利條件影響, 設 計要求支架支護強度為 0. 65MPa。同時根據(jù) 實測 2 煤層的抗壓入強度, 要求支架對底板 # # 拆卸更容易、方便, 適應了梁家礦井 2 煤底 板松軟的特點。兩種支架的底板比壓分布情 況見圖 1。 圖 1 兩種支架底板比壓分布 a - 兩柱掩護式 b- 四

11、柱掩護式 比壓不大于 1. 5MP a, 平均值 1. 0MPa。 現(xiàn)場使用及礦壓觀測表明: 該支架經(jīng)受 住了初次來壓及周期來壓的考驗, 工作狀態(tài) 良好。基本頂初次來壓時, 實測平均支護強 度為 0. 605MPa, 占額定支護強度的 94. 8% 。 基 本頂周期來壓時, 實測平均支護強 度為 0. 561MPa。占額定支護強度的 87. 9% 。該支 架底座在底板遇水潮解、泥化的情況下, 能 保證不鉆底、不下沉, 保證了順利移架。因 此, 梁家礦井支架架型選擇是正確的, 支護 強度的確定是合理的。 結合綜采設備總體設計, 支架采用 “半 插腿”式結構。即底座前端伸入輸送機檔板 下面但不插入

12、整個輸送機下邊, 這樣就加長 了底座長度, 降低了支架對底板的比壓, 并 減少了梁端距, 避免了插腿式支架本身固有 的配套復雜、裝煤效果差的缺點。 3. 2 支架支護強度的確定 據(jù)統(tǒng)計, 工作面液壓支架的購置費在綜 采成套設備中約占 70% 左右。在不同的原則 指導下, 支架支護強度的確定有兩種不同的 觀點。一種在夠用即可的原則指導下, 適當降 低支架的支護強度, 發(fā)展輕型( 經(jīng)濟型) 支架, 以求降低支架重量, 減少投資; 另一種觀點主 張向重型化發(fā)展, 通過加大支架的支護強度, 提高支架的可靠性, 亦就是走一條高投入, 高 產(chǎn)出、高效益的路子。以美國為例, 近年來液 壓支架有明顯向重型化發(fā)

13、展的趨勢。 在考慮支架支護強度時, 根據(jù)本礦井支 架高度大、穩(wěn)定性差、要求可靠性較高的實 設備名稱 液壓支架 端頭支架 ( 上端頭) 端頭支架 ( 下端頭) 采煤機 刮板輸送機 可伸縮帶式輸送機 設備型號 4 綜采設備選型及配套 根據(jù)梁家礦井 2# 煤層開采條件以及采 用一次采全高后出現(xiàn)的一系列困難因素 ( 諸 如設備大型化、復雜化、機動性差、管理難 度加大) , 結合當時國內(nèi)采煤機裝備水平及能 力, 認為工作面年產(chǎn)在 60 萬 t / a 比較符合實 際, 同時具備實現(xiàn)年產(chǎn) 100 萬 t 的能力。經(jīng)過 議標最終確定主要設備型號見表 1。 結合 “三軟”厚煤層大采高工作面的特 點, 對設備配

14、套提出了以下要求: ( 1) 采煤機能切割到刮板輸送機機頭、 生產(chǎn)能力/ t·h - 1 表 1 綜采工作面設備配備 功率/ kW 700 700 800 300 2×160 160 11 機尾端部, 以便處理端部底煤、并能自開缺 口。 ( 2) 上端頭處設置三架排頭支架。因排 頭支架比相鄰工作面中部支架滯后, 故頂梁 加長 600mm。 ( 3) 工作面刮板輸送機采用的是側卸式 機頭, 雙速電機、封底溜槽。 ( 3) 兩架組合邁步前進, 避免了端頭區(qū) 大面積空頂移架現(xiàn)象; ( 4) 拉架容易、速度快, 節(jié)省了大量的 生產(chǎn)準備時間; ( 5) 與轉載機和刮板輸送機配套更加合

15、 理, 可以實現(xiàn)帶拉刮板輸送機頭部, 減少生 產(chǎn)環(huán)節(jié)。 5 端頭液壓支架 綜采面下端頭因運輸巷高度大 ( 3800mm) 、端頭設備體積大等原因, 配套設 計確定設置端頭支架。支架設主、副兩架。主 架頂梁寬 1. 932. 1m, 長 8. 0m, 支護高度 2. 04. 0m; 副架頂寬 1. 131. 3 m, 二者互 為基點交替前移。 在實際使用中, 因受采動影響, 順槽收縮 變形, 致使主、副架不能同時使用。因此被迫 拆除了副架, 只保留主架支護端頭。為了解決 端頭支架移動問題, 現(xiàn)場將副架置于工作面 前方 80100mm 的順槽 內(nèi)作為錨固支架, 通過圓環(huán)鏈及液壓千斤頂拉主架。經(jīng)過上

16、述 改進, 明顯縮短了移架的時間。在試采及初期 開采期間, 端頭支架使用效果比較理想。但仍 存在以下問題: 重量大、體積大, 移架時需先 將端頭支架前的超前支護撤除, 形成空頂拉 架, 且拉架過程中頻繁升降, 容易破壞頂板, 造成漏頂。 隨著采深加大, 回風巷沿空送巷, 工作面 回采時, 巷道變形加大, 端頭支架拉移變得比 較困難。有時需投入大量的人力、物力, 進行 擴幫、挑頂、臥底等超前處理?？梢哉f, 端頭支 護成為影響生產(chǎn)的主要因素。 經(jīng)反復論證、調研, 梁家煤礦試制了輕 型組合端頭支架, 見圖 2。經(jīng)過現(xiàn)場實踐證明 它具有以下特點: ( 1) 支架重量輕, 使用靈活方便; ( 2) 對端

17、頭巷道高度和寬度變化均有較 強的適應性; 圖 2 輕型組合端頭支架 a- 平面布置 b- 結構 6 結語 ( 1) 龍口礦務局梁家礦井在 “三軟”厚 煤層條件下, 成功地采用綜采一次采全高技 術, 工作面單產(chǎn)突破了百萬噸大關, 屬國內(nèi) 首次。1996 年全礦井產(chǎn)煤 166 萬 t , 實現(xiàn)利潤 4545 萬元, 取得 了顯 著的 技術 經(jīng)濟 效 益。 1992 年與分層開采進行了對比分析, 僅巷道 工程及鋪網(wǎng)費用每年即可節(jié)約 1451 萬元。 ( 2) 液壓支架及其配套設備經(jīng)受住了基 本頂初次來壓和周期來壓的考驗, 各配套設 備的單機性能、配套性能適應了礦井的實際 生產(chǎn)條件。 ( 3) 綜采運

18、輸巷與回風巷采用錨網(wǎng)噴支 護, 較好地解決了 “三軟”大斷面支護的難 題, 礦井在生產(chǎn)中進一步試驗了注漿錨桿, 使 沿空回風巷支護取得了較理想的效果, 為綜 · · 采工作面的連續(xù)、正常和安全生產(chǎn)創(chuàng)造了良 好條件。 參考文獻 煤炭技術, 1995 ( 4) 2 張傳國等. 軟巖高架綜采輕型端頭支架的研制. 山東煤 炭科技, 1997 ( 1) 1 謝海峰. “三軟”大斷面綜采順槽采用錨網(wǎng)噴支護. 東北 FACE DISIGN AND EQUIPMENT CHOICE FOR MINING FACE IN CONDITI ONS OF WEAK SEAM INCLUDING

19、WEAK ROOF AND FLOOR Xie H aifeng Guo Junsheng Abstr act Discussed about how to lay out fully mechanized mining face and choose e- quipment of Liangjia in longkou Coal Mine bureau and how t o choose the equipment s of plicat ion and improving situat ion. Combined wit h pr oduct ion sit uation, aft er put