大采高超长工作面设备选型关键技术研究

唐永志，曹海山，张学亮，钱统傲，侯俊领

(1.淮南矿业(集团)有限责任公司，安徽 淮南 232001；2.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013)

大采高超长工作面设备选型关键技术研究

唐永志1，曹海山1，张学亮2，钱统傲1，侯俊领1

(1.淮南矿业(集团)有限责任公司，安徽 淮南 232001；2.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013)

[摘要]根据深部大采高超长工作面设备选型配套要求，着重对液压支架和刮板输送机进行分析。通过理论分析、数值模拟分析、类比分析，得到支架合理支护强度数值，支架采用四柱式整体顶梁带伸缩梁和二级护帮板结构型式。通过分析验算刮板输送机与采煤机割煤速度的匹配关系和链条安全因数，确定刮板输送机功率和型号。实际应用表明，所选设备合理，实际生产能力超过6Mt/a，具备8Mt/a生产能力。

[关键词]超长工作面；大采高综采；设备选型；深部开采

综采工作面合理设备选型与配套问题是工作面安全高效开采的前提，在综采推广应用的初期，我国学者对综采工作面设备选型与配套、工作面合理长度参数等问题进行了系列的研究。张先尘[1]等对综采工作面长度综合优化方法进行了研究；王玉浚[2]对合理工作面长度判别标志进行了研究。随着我国大采高综采技术的发展，综采工作面设备选型配套技术有了长足的进步，在神东等地质条件较好的矿区，率先进行了300m，360m，400m长度工作面的回采[3]，最大工作面长度达到450m。目前将工作面回采长度在300m以上的工作面称为超长工作面。文献[4]分析了400m以上超长综采工作面矿压显现特性及设备配套选型问题；文献[5]依据矿井安全高效生产原则，对综采工作面“三机”空间总体布置进行了研究；文献[6]从4个方面阐述了我国综采的配套技术发展情况，展望了我国综采技术的发展方向，指出工作面长度可达400m以上；文献[7]分析了加大综采工作面几何参数对大采高支护设备发展的新要求；文献[8]介绍了神东矿区浅埋深大采高工作面年产14Mt的生产经验。

随着大采高综采的逐渐应用，大采高超长工作面设备选型与配套面临一些新问题。文献[9]分析了深部超大采高综采所需关键技术及可能面临的问题，指出深入研究矿压显现规律、煤壁稳定性控制技术、提高设备可靠性是实现深部超大采高综采技术需要解决的首要问题。文献[10]介绍了潞安集团王庄煤矿7.2m大采高工作面设备选型。

淮南矿区大部分煤层埋深大于600m，开始进入深部开采。淮南矿区的谢桥矿[11]、国投新集刘庄矿[12]等逐步应用大采高综采技术。淮南矿业集团在谢桥煤矿建成1242(3)大采高超长综采工作面，工作面长度达到362.9m，合理工作面设备选型成为工作面成功开采的关键。本文主要介绍1242(3)大采高超长工作面设备选型关键问题。

1工作面概况

淮南矿业集团谢桥煤矿位于阜阳市颍上县，西邻国投新集刘庄煤矿。谢桥矿1242(3)工作面为西翼C组采区13-1煤层四阶段，东起西翼C组采区下山，西至F5-1边界断层，北邻1232(3)下巷，南至13-1煤-658m底板等高线。地面标高+19.1～+26.8m，上巷煤层底板标高为-524.3～-559.4m，下巷煤层底板标高为-619.3～-657.4m，埋深约550～650m。

工作面走向长2923.8m，倾斜长362.9m。回采13-1煤，煤平均厚5.1m，平均倾角15°。直接顶为泥岩、砂质泥岩、13-2煤及煤线复合顶板，厚度0～12.2m，平均厚度8.4m；基本顶为细砂岩，厚度1.8～11.5m，平均厚度3.8m，局部直接覆盖在13-1煤层之上。

2工作面支架选型研究

2.1合理支护强度分析

2.1.1理论分析

工作面支护是安全高效开采的首要条件，液压支架是核心。我国已经建立了较为完整的工作面支护设备技术体系[13]。深部大采高液压支架的选取很大程度上取决于其矿压显现程度，尤其是工作面加长之后的矿压显现程度。文献[14]基于刘庄矿300m长大采高综采171301工作面，采用数值模拟软件研究了超长大采高工作面矿压特征影响因素，研究表明，工作面长度对支承压力的影响不显著，在其他条件不变的情况下，增加面长矿压显现变化不大。文献[15]对大采高综采技术的关键问题与对策进行了探讨，提出了采动支承压力分布支护效应与煤壁片帮时效性的观点。

合理支护强度的确定和护帮形式，是选择深部大采高超长工作面液压支架的关键技术。1242(3)大采高超长工作面综合柱状如表1所示，其上方仍然有500m覆岩未列出，按照关键层理论分析13-1煤顶板各岩层。

表1　13-1煤层上覆岩层情况

分析可见，共有4层硬岩层为关键层，其中自下往上第4层为主关键层。主关键层距离煤层顶板累计46.5m，对采场矿压的形成仍然起主导作用。基于关键层垮断分析，按建立在支架工作阻力构成分析基础之上的估算法进行支护强度分析，支架所需支护强度为1.167MPa。

2.1.2数值模拟分析

根据表1中的岩层赋存情况建立FLAC3D数值模拟模型模拟支护强度P=0.5MPa，0.6MPa，0.7MPa，0.8MPa，0.9MPa，1.0MPa，1.1MPa，1.2MPa，1.3MPa和1.4MPa共10种方案，研究不同支护强度条件下支架上方顶板不同位置处的下沉位移曲线，做出支护强度与顶板最大下沉位移关系图，如图1所示。

图1　支护强度与顶板最大下沉位移关系

由图1分析可知，支架的合理支护强度不应小于1.0MPa。

同时，通过数值模拟分析得到工作面覆岩破坏高度，得到工作面推进距离与覆岩破坏高度的相关关系如图2所示。

图2　工作面推进距离与覆岩破坏高度的相关关系

分析图2可知，覆岩破坏高度在45～50m范围内，对照综合柱状可见，该部分为主关键层，与前述理论分析结论基本一致。说明了数值模拟结果的可靠性。

2.1.3类比分析

谢桥煤矿首个6.5m大采高综采面1161(3)工作面回采13-1煤，工作面倾向长218.1m，走向长1865.8m。煤层厚度1.5～7.3m，平均5.33m，煤层倾角9～15°，平均12.7°。顶底板条件与1242(3)工作面类似。工作面基本支架采用ZY10800/30/65D型综采支架，支架中心距1750mm，支护强度1.05～1.08MPa，实现了工作面的安全回采。

国投新集刘庄煤矿回采13-1煤层，埋深比谢桥煤矿更深，周期来压步距平均16.6m，平时平均支护强度0.96MPa，周期来压平均支护强度1.04MPa，实现了工作面的安全回采。

淮南潘三矿西三上部采区1622(3)工作面采用并行电法研究顶板破坏分布情况[16]，工作面回采13-1煤层，煤厚3.1～5.0m，平均3.9m，工作面倾向长度175m，煤层倾角2～15°。顶板岩层及岩性与谢桥矿类似，实测采场覆岩垮落带高度为10m，导水裂缝带高度为50m，位于砂质泥岩层内。该结论与前述理论和数值模拟分析结论一致。

综合上述分析确定合理支护强度为1.167MPa，根据配套尺寸、支架顶梁长度、空顶距计算出支架工作阻力为11436.6kN。

2.2合理支架选型

综采工作面支架主要有两柱掩护式与四柱支撑掩护式两种。目前两柱掩护式综采支架为主流架型，但是以大同矿区为代表的坚硬顶板综采面和淮南矿区为代表的复合顶板工作面，多以四柱式综采支架为主，其中淮南矿区谢桥煤矿则两柱式支架与四柱式支架并存，最早采用的ZY10800/30/65D型支架即为两柱式，但邻近的国投新集刘庄矿和口孜东矿多采用四柱式综采支架。考虑支架通用性，结合淮南矿业集团现状，选用四柱支撑掩护式。

由于工作面为复合顶板，为避免因端面距和采高过大引起煤壁片帮和端面冒顶，支架采用整体顶梁结构，配伸缩梁和护帮板，同时支架设计为带双侧护板。文献[17]研究表明提高支架前端的护帮力、支架初撑力和前端支顶力，增加护帮的长度等措施可缓解大采高综采工作面煤壁片帮。平均采高达到5.1m，采用二级护帮结构，护帮高度达到2570mm(一级1570mm、二级1000mm)。

针对复合顶板，在工作面开采时，液压支架应具备以下能力[18]：

(1)初撑力高。复合顶板的下沉量尽可能的小，最好能够保证复合顶板和上位基本顶的摩擦与粘结力，阻止复合顶板的下沉位移。

(2)能够实现带压移架。支架配备了电液控制系统，可实现工作面支架的压力监测，能够进行压力补偿、带压擦顶移架、成组控制等。

(3)能够实现及时移架、超前护顶、减少空顶区域。工作面采用跟机及时支护，可有效地控制复合顶板的断面漏冒情况。

综上分析，工作面基本支架采用ZZ13000/28/65D型，液压支架中心距1.75m，初撑力10132kN，工作阻力13000kN，支护强度1.36MPa，底板比压2.45MPa，推移行程0.95m，伸缩梁行程1.05m，支架适应角度≤30°。

3刮板输送机选型研究

工作面刮板输送机一方面要满足采煤机落煤能力要求，另一方面则是设备本身需要满足超长工作面布置的要求。

按工作面年产6Mt能力进行计算，刮板输送机输送能力应达到1774.2t/h以上。大采高综采工作面刮板输送机的宽度一般为1000mm，1200mm，1350mm和1400mm。根据回采经验，在生产能力要求不高的大采高工作面，采用1000mm槽宽可以满足要求。谢桥煤矿由于矿井建设时间早，井下变电所采用6kV供电，能够支持的单机功率有限制，只能采用1000kW的电机，工作面最大刮板装机功率为3×1000kW，配备的刮板输送机槽宽为1000mm。刮板机采用中双链SGZ1000/3×1000型，输送能力3000t/h，链速1.65m/s，链条规格φ48mm×152mm。

刮板输送机理论设计长度可达400m以上，1242(3)深部大采高综采工作面斜长达到362.9m，为了确保采煤机割煤期间不发生刮板输送机被压死事故。经过计算，刮板输送机运行的总阻力750764N(采煤机割煤速度8.76m/min)，刮板输送机运行总阻力满足电机功率要求；刮板输送机的最大静张力为726890.75N。

为了保证刮板链运行期间的安全，应满足以下公式：

k=nFdλ/1.2Fmax≥3.5

式中，k为刮板链抗拉安全因数；n为刮板链条数，n=2；λ为链条间负荷分配不均因数，双链λ取0.85；Fd为刮板链的破断力，取4000kN；Fmax为刮板输送机的最大静张力。

经计算，k=7.8>4.2满足要求。

综上分析，所选刮板输送机在运输能力范围内，采煤机割煤速度控制在8.76m/min，刮板输送机功率及链条安全因数满足要求。

4设备选型结果及应用情况

工作面最终设备选型配套结果如表2所示。

表2　工作面主要机电设备

通过统计分析设备可靠性，工作面设备中支架影响时间占0.52%、刮板输送机占6.45%、采煤机占29.03%。刮板输送机主要是因工人疏忽导致刮板卡住异物断链，影响生产，此类事故的影响占刮板输送机总影响时间的72.55%；采煤机为进口，主要是变频器及其程序问题的软件影响占了38.7%，其次是维护保养不当导致机身连接螺栓断裂，停产维护影响占47.82%。

从现场矿压显现情况看，支架循环末阻力平均5249kN，支架来压点循环末阻力平均9527kN。支架工作阻力绝大部分分布于2000～9000kN。在工作面非正常生产期间特别是连续停产2d以上时，工作面各支架普遍出现压力明显增高，甚至安全阀开启的现象。部分支架工作阻力最大达到额定工作阻力13000kN，出现安全阀开启。支架能够满足现场使用要求。刮板输送机除了一次由于较大范围片帮导致压死，其余时间运行正常。

工作面产量一般为15000～20000t/d，最高达到24135t/a，设备装备能力实际达到6Mt/a生产能力要求，具备8Mt/a生产能力。

5结论

以淮南谢桥煤矿362.9m长的1242(3)大采高综采工作面设备选型为工程背景，通过分析设备选型的关键技术，合理选取超长工作面核心设备，通过现场应用，效果良好。

(1)通过理论分析、数值模拟分析和类比分析，确定支架合理支护强度1.167MPa，支架采用四柱式整体顶梁带伸缩梁和二级护帮板结构，支架型号ZZ13000/28/65D。

(2)通过分析确定刮板输送机型号为SGZ1000/3×1000型，经验算功率和链条破断力符合要求。

(3)通过现场应用表明，所选设备能力实际达到6Mt/a生产能力要求，具备8Mt/a生产能力，各项指标达到了选型要求。

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[责任编辑：徐亚军]

Key Techniques of Equipment Selection of Superwide Working Face with Large Mining Height

[收稿日期]2015-08-25[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.03.015

[作者简介]唐永志(1962-)，男，安徽淮南人，硕士，教授级高工，现任淮南矿业(集团)有限责任公司总工程师，从事矿山建设及矿井生产技术管理工作。

[中图分类号]TD355.42

[文献标识码]B

[文章编号]1006-6225(2016)03-0055-04

[引用格式]唐永志，曹海山，张学亮，等.大采高超长工作面设备选型关键技术研究[J].煤矿开采，2016，21(3)：55-58.