軟_厚煤層一次采全高綜采工作面設(shè)計(jì)_設(shè)備選型配套及實(shí)踐(1)

1、._三軟_厚煤層一次采全高綜采工作面設(shè)計(jì)_設(shè)備選型配套及實(shí)踐(1) 第 4 期 東 北煤 炭技 術(shù) 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(shè)計(jì)、設(shè)備選型配套及實(shí)踐 謝海峰 郭俊生 (煤炭部濟(jì)南設(shè)計(jì)研究院 濟(jì)南 250031) 摘 要 介紹和分析了龍口礦務(wù)局梁家煤礦綜采工作面設(shè)計(jì)、設(shè)備選型及配套中 的大斷面回風(fēng)巷、運(yùn)輸巷布置與支護(hù)、液壓支架架型的選擇及主要參數(shù)的確定、端頭支 架的設(shè)備、應(yīng)用及改進(jìn)情況。同時(shí),結(jié)合礦井投產(chǎn)后的生產(chǎn)實(shí)踐,對(duì)上述有關(guān)問(wèn)題進(jìn)行 了探討。 關(guān)

2、鍵詞 “三軟”厚煤層 一次采全高 綜采工作面 龍口礦務(wù)局 梁家礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能 力為 180 萬(wàn) t / a, 綜采工作面設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為 60 萬(wàn) t / a。工作面長(zhǎng)度為 135m, 裝備國(guó)產(chǎn)成套 設(shè)備。1991 年 12 月開(kāi)始試生產(chǎn), 1992 年 12 月礦井正式投產(chǎn), 試生產(chǎn)當(dāng)年綜采工作面即 達(dá)到設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力。近幾年來(lái)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(wàn)噸 大關(guān), 最高月產(chǎn)達(dá) 13 萬(wàn) 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(gòu)造簡(jiǎn)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(xiǎn), 煤 層自然發(fā)火期 11. 5 個(gè)月。 2 工作面運(yùn)輸巷與回風(fēng)巷布置與支護(hù) 1 開(kāi)采技術(shù)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(kāi)采 2 煤 2. 1 布置方式 運(yùn)輸巷與回風(fēng)巷布置方式目前在我國(guó)有 多種類型。由于梁家礦井圍巖松軟, 運(yùn)輸巷 與回風(fēng)巷支護(hù)是綜采工作面設(shè)計(jì)考慮的重點(diǎn) 問(wèn)題之一。在滿足掘進(jìn)施工, 設(shè)備運(yùn)輸與安 裝、通風(fēng)、工作面超前支護(hù)及端頭支護(hù)的條 件下, 要求盡量縮小運(yùn)輸巷與回風(fēng)巷斷面。按 此原則, 運(yùn)輸巷

4、與回風(fēng)巷內(nèi)設(shè)備布置采用分 開(kāi)布置方式, 即運(yùn)輸巷鋪設(shè)吊掛式帶式輸送 機(jī) ( 適應(yīng)巷道底鼓的特點(diǎn)) , 設(shè)備列車 ( 移動(dòng) 變電站等) 布置在回風(fēng)巷。 為使設(shè)備列車上的諸多設(shè)備處于新鮮風(fēng) 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(qiáng)度 一般在 30MP a 左右, 抗拉強(qiáng) 度 0. 6 1. 3MP a。直接底板為炭質(zhì)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(zhì)膠結(jié)。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(fēng)方式, 它具有以下優(yōu)點(diǎn): ( 1) 煤流方向與風(fēng)流方向一致, 可減少 煤塵量; ( 2) 有利于采場(chǎng)防滅火; ( 3) 運(yùn)送大件設(shè)備的通道無(wú)風(fēng)門設(shè)施, 有利于現(xiàn)場(chǎng)通風(fēng)管理。 2. 2 斷面及支護(hù) 經(jīng)過(guò)詳細(xì)的分析論證, 設(shè)計(jì)考慮斷面形 狀為半圓拱形, 采用錨網(wǎng)噴支護(hù)方式。具有 節(jié)省工程投資、簡(jiǎn)化超前支護(hù)、縮短建井工 期、預(yù)防自然發(fā)火等諸多優(yōu)點(diǎn)。 運(yùn)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(shí)踐表明, 運(yùn)輸巷與回風(fēng)巷斷面及 支護(hù)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(lái), 沿空掘進(jìn)的 回風(fēng)巷 ( 留 5m 小煤柱) 施工后, 其變形破壞 明顯大于兩側(cè)均為實(shí)體煤的巷道。施工成巷 后 1 個(gè)月左右, 靠近采空區(qū)一側(cè)的巷幫明顯 內(nèi)移, 變形量達(dá) 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(qiáng)度削弱, 并易使采空區(qū)邊 緣與巷道之間頂板形成較長(zhǎng)的懸臂巖梁。 1995 年礦方與山東礦業(yè)學(xué)院 合作進(jìn)行 了巷道注漿加固試驗(yàn), 取得了理想的效果, 綜 采工作面注漿前 3

7、 個(gè)月平均月產(chǎn) 6. 57 萬(wàn) t , 注漿加固后 3 個(gè)月平均月產(chǎn)達(dá)到 9. 47 萬(wàn) t , 提高了 44% 。 注漿加固的主要機(jī)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(jié)松散的煤體與水泥渾然一體, 注 漿改變了煤體結(jié)構(gòu), 提高了圍巖的整體性, 煤 體強(qiáng)度提高了 35 倍, 因此大大改善了巷道 支護(hù)狀況。 3 液壓支架的選擇 3. 1 架型選擇 許多礦區(qū)的實(shí)踐表明: 綜采設(shè)備選型中 架型選擇是第 1 位的。在我國(guó)綜采發(fā)展過(guò)程 中, 即有成功的經(jīng)驗(yàn), 也有過(guò)失敗的教訓(xùn)。鑒 于當(dāng)時(shí)我國(guó)在厚煤層一次采全高綜采技術(shù)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(shù)尚無(wú)成功的先例, 因此 于 1988 年 12 月由上級(jí)主管部門組織召開(kāi)了 “三軟”綜采技術(shù)研討會(huì)。在這次會(huì)議上, 經(jīng) 過(guò)專家認(rèn)真討論和論證后認(rèn)為: 梁家礦井 2 煤層采用綜采一次采全高技術(shù)是可行的。根 據(jù)這次會(huì)議的精神, 濟(jì)南設(shè)計(jì)研究院與龍口 礦務(wù)局共同提出了 “梁家礦井綜合機(jī)械化采 煤設(shè)備設(shè)計(jì)基礎(chǔ)資料及技術(shù)要求”, 并依此對(duì) 綜采設(shè)備進(jìn)行議標(biāo)采購(gòu)。 關(guān)于支架架型選擇, 有兩種代表性意見(jiàn), 一是選用插腿兩柱掩護(hù)式液壓支架; 二是選 用四柱掩護(hù)式液壓支架。兩柱掩護(hù)式支架具 有保持主動(dòng)水平力的能力。由于支柱斜向煤 壁后產(chǎn)生水平分力, 對(duì)于維護(hù)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(diǎn): 1 底 座對(duì)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(jī)、采 煤機(jī)等配套復(fù)雜, 刮板輸送機(jī)及采煤機(jī)需特 殊設(shè)計(jì), 且裝煤效果差。因此考慮采用四柱 掩護(hù)式支架。 四柱掩護(hù)式支架是將兩柱掩護(hù)式支架的 兩個(gè)平衡千斤頂從頂梁移至底座而成。后柱 支撐在底座與掩護(hù)梁之間, 后立柱直徑小于 前立柱直徑。四柱掩護(hù)式支架基本保持了兩 柱掩護(hù)式支架的支撐力和水平力, 但水平推 力稍弱于兩柱掩護(hù)式支架, 克服了兩柱掩護(hù) 式支架平衡千斤頂易拉壞

10、、支架對(duì)底板比壓 # · · 分布不均、峰值大的缺點(diǎn), 同時(shí)使支架安裝、 際, 支架支護(hù)強(qiáng)度考慮有一定的富裕量, 同 時(shí)又不至因支護(hù)強(qiáng)度過(guò)大, 造成支架過(guò)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(jì)算 支架支護(hù)強(qiáng)度應(yīng)不小于 0. 6MP a?？紤]后期 跳采及受斷層構(gòu)造應(yīng)力等不利條件影響, 設(shè) 計(jì)要求支架支護(hù)強(qiáng)度為 0. 65MPa。同時(shí)根據(jù) 實(shí)測(cè) 2 煤層的抗壓入強(qiáng)度, 要求支架對(duì)底板 # # 拆卸更容易、方便, 適應(yīng)了梁家礦井 2 煤底 板松軟的特點(diǎn)。兩種支架的底板比壓分布情 況見(jiàn)圖 1。 圖 1 兩種支架底板比壓分布 a - 兩柱掩護(hù)式 b- 四

11、柱掩護(hù)式 比壓不大于 1. 5MP a, 平均值 1. 0MPa。 現(xiàn)場(chǎng)使用及礦壓觀測(cè)表明: 該支架經(jīng)受 住了初次來(lái)壓及周期來(lái)壓的考驗(yàn), 工作狀態(tài) 良好?；卷敵醮蝸?lái)壓時(shí), 實(shí)測(cè)平均支護(hù)強(qiáng) 度為 0. 605MPa, 占額定支護(hù)強(qiáng)度的 94. 8% 。 基 本頂周期來(lái)壓時(shí), 實(shí)測(cè)平均支護(hù)強(qiáng) 度為 0. 561MPa。占額定支護(hù)強(qiáng)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(hù) 強(qiáng)度的確定是合理的。 結(jié)合綜采設(shè)備總體設(shè)計(jì), 支架采用 “半 插腿”式結(jié)構(gòu)。即底座前端伸入輸送機(jī)檔板 下面但不插入

12、整個(gè)輸送機(jī)下邊, 這樣就加長(zhǎng) 了底座長(zhǎng)度, 降低了支架對(duì)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(fù)雜、裝煤效果差的缺點(diǎn)。 3. 2 支架支護(hù)強(qiáng)度的確定 據(jù)統(tǒng)計(jì), 工作面液壓支架的購(gòu)置費(fèi)在綜 采成套設(shè)備中約占 70% 左右。在不同的原則 指導(dǎo)下, 支架支護(hù)強(qiáng)度的確定有兩種不同的 觀點(diǎn)。一種在夠用即可的原則指導(dǎo)下, 適當(dāng)降 低支架的支護(hù)強(qiáng)度, 發(fā)展輕型( 經(jīng)濟(jì)型) 支架, 以求降低支架重量, 減少投資; 另一種觀點(diǎn)主 張向重型化發(fā)展, 通過(guò)加大支架的支護(hù)強(qiáng)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(guó)為例, 近年來(lái)液 壓支架有明顯向重型化發(fā)

13、展的趨勢(shì)。 在考慮支架支護(hù)強(qiáng)度時(shí), 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(shí) 設(shè)備名稱 液壓支架 端頭支架 ( 上端頭) 端頭支架 ( 下端頭) 采煤機(jī) 刮板輸送機(jī) 可伸縮帶式輸送機(jī) 設(shè)備型號(hào) 4 綜采設(shè)備選型及配套 根據(jù)梁家礦井 2# 煤層開(kāi)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(shè)備大型化、復(fù)雜化、機(jī)動(dòng)性差、管理難 度加大) , 結(jié)合當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)采煤機(jī)裝備水平及能 力, 認(rèn)為工作面年產(chǎn)在 60 萬(wàn) t / a 比較符合實(shí) 際, 同時(shí)具備實(shí)現(xiàn)年產(chǎn) 100 萬(wàn) t 的能力。經(jīng)過(guò) 議標(biāo)最終確定主要設(shè)備型號(hào)見(jiàn)表 1。 結(jié)合 “三軟”厚煤層大采高工作面的特 點(diǎn), 對(duì)設(shè)備配

14、套提出了以下要求: ( 1) 采煤機(jī)能切割到刮板輸送機(jī)機(jī)頭、 生產(chǎn)能力/ t·h - 1 表 1 綜采工作面設(shè)備配備 功率/ kW 700 700 800 300 2×160 160 11 機(jī)尾端部, 以便處理端部底煤、并能自開(kāi)缺 口。 ( 2) 上端頭處設(shè)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(zhǎng) 600mm。 ( 3) 工作面刮板輸送機(jī)采用的是側(cè)卸式 機(jī)頭, 雙速電機(jī)、封底溜槽。 ( 3) 兩架組合邁步前進(jìn), 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(zhǔn)備時(shí)間; ( 5) 與轉(zhuǎn)載機(jī)和刮板輸送機(jī)配套更加合

15、 理, 可以實(shí)現(xiàn)帶拉刮板輸送機(jī)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(yùn)輸巷高度大 ( 3800mm) 、端頭設(shè)備體積大等原因, 配套設(shè) 計(jì)確定設(shè)置端頭支架。支架設(shè)主、副兩架。主 架頂梁寬 1. 932. 1m, 長(zhǎng) 8. 0m, 支護(hù)高度 2. 04. 0m; 副架頂寬 1. 131. 3 m, 二者互 為基點(diǎn)交替前移。 在實(shí)際使用中, 因受采動(dòng)影響, 順槽收縮 變形, 致使主、副架不能同時(shí)使用。因此被迫 拆除了副架, 只保留主架支護(hù)端頭。為了解決 端頭支架移動(dòng)問(wèn)題, 現(xiàn)場(chǎng)將副架置于工作面 前方 80100mm 的順槽 內(nèi)作為錨固支架, 通過(guò)圓環(huán)鏈及液壓千斤頂拉主架。經(jīng)過(guò)上

16、述 改進(jìn), 明顯縮短了移架的時(shí)間。在試采及初期 開(kāi)采期間, 端頭支架使用效果比較理想。但仍 存在以下問(wèn)題: 重量大、體積大, 移架時(shí)需先 將端頭支架前的超前支護(hù)撤除, 形成空頂拉 架, 且拉架過(guò)程中頻繁升降, 容易破壞頂板, 造成漏頂。 隨著采深加大, 回風(fēng)巷沿空送巷, 工作面 回采時(shí), 巷道變形加大, 端頭支架拉移變得比 較困難。有時(shí)需投入大量的人力、物力, 進(jìn)行 擴(kuò)幫、挑頂、臥底等超前處理?？梢哉f(shuō), 端頭支 護(hù)成為影響生產(chǎn)的主要因素。 經(jīng)反復(fù)論證、調(diào)研, 梁家煤礦試制了輕 型組合端頭支架, 見(jiàn)圖 2。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐證明 它具有以下特點(diǎn): ( 1) 支架重量輕, 使用靈活方便; ( 2) 對(duì)端

17、頭巷道高度和寬度變化均有較 強(qiáng)的適應(yīng)性; 圖 2 輕型組合端頭支架 a- 平面布置 b- 結(jié)構(gòu) 6 結(jié)語(yǔ) ( 1) 龍口礦務(wù)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(shù), 工作面單產(chǎn)突破了百萬(wàn)噸大關(guān), 屬國(guó)內(nèi) 首次。1996 年全礦井產(chǎn)煤 166 萬(wàn) t , 實(shí)現(xiàn)利潤(rùn) 4545 萬(wàn)元, 取得 了顯 著的 技術(shù) 經(jīng)濟(jì) 效 益。 1992 年與分層開(kāi)采進(jìn)行了對(duì)比分析, 僅巷道 工程及鋪網(wǎng)費(fèi)用每年即可節(jié)約 1451 萬(wàn)元。 ( 2) 液壓支架及其配套設(shè)備經(jīng)受住了基 本頂初次來(lái)壓和周期來(lái)壓的考驗(yàn), 各配套設(shè) 備的單機(jī)性能、配套性能適應(yīng)了礦井的實(shí)際 生產(chǎn)條件。 ( 3) 綜采運(yùn)

18、輸巷與回風(fēng)巷采用錨網(wǎng)噴支 護(hù), 較好地解決了 “三軟”大斷面支護(hù)的難 題, 礦井在生產(chǎn)中進(jìn)一步試驗(yàn)了注漿錨桿, 使 沿空回風(fēng)巷支護(hù)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(xiàn) 煤炭技術(shù), 1995 ( 4) 2 張傳國(guó)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(hù). 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