松软厚煤层超长综放工作面开采关键技术研究

刘伟韬

(天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013)

国内开采实践证明，工作面加长后，由于煤层沿倾斜方向采出空间明显增加，上覆岩层运移空间显著增大，导致工作面压力升高，因此工作面长度的增加不仅带来综采设备能力的增大，还将带来一系列的问题，如采场矿压、煤壁稳定性等问题[1]。近年来，国内学者针对超长工作面进行了大量的研究工作，缪协兴教授从模拟实验和现场实测分析发现，随着综放工作面长度的增加，采场覆岩关键层的破裂块度将相应减小，因而采场来压均匀，便于顶煤破碎和放出，但会发生主关键层来压现象，必须采取相应措施，将其加以有效控制[2]。曹胜根教授以王庄煤矿4326超长综放工作面为例，分析了超长综放工作面矿山压力显现规律，认为超长综放工作面顶板来压在工作面方向出现不同步特征，提出主关键层来压的新概念[3-5]。陈宇对400m以上高产高效综采工作面成套设备配套选型进行了研究[6]。宋立兵基于神东矿区哈拉沟煤矿12上101-2综采面实践分析，对国内首个450m 超长综采面矿压规律、支架工作阻力、开采中遇到的问题及措施与开采技术经济效益进行了分析总结[7]。本文基于三元煤业松软厚煤层360m超长综放工作面地质赋存条件，对超长综放工作面开采设备运输、支护强度、矿压显现及煤壁稳定性进行了分析。

1 矿井概况

三元煤业1312工作面开采3号煤层，煤层厚度6.3～8.4m，平均厚度7.18m，煤层埋藏深度250～420m。煤层裂隙发育，普氏硬度系数小于1。工作面采用走向长壁综合机械化放顶煤采煤法进行回采，割煤高度3.0m，放煤高度平均4.18m。煤层顶板岩性为泥岩、砂质泥岩、各粒级砂岩，顶板的平均普氏硬度系数为3.69，底板岩性为泥岩、砂质泥岩、砂岩。工作面东部为1310综放工作面采空区，西部为实体煤边界，北部为运输及回风大巷，南部为实体煤。为大幅度增加工作面单产能力，提高工作面资源回收率，降低工人劳动强度，在实现工作面设备现代化水平的基础上，预将1312工作面长度由225m延长至362m。工作面设备型号见表1。

2 厚煤层超长综放工作面关键设备能力分析

超长工作面的布置能够实现高度集中开采，在提高产量的同时降低成本，提高资源的回收率，但由于超长工作面开采空间和煤炭采出量明显增加，相比于普通长度工作面，必然会造成采场覆岩的更大破坏与运动，采场上方主关键层发生剧烈运动，工作面矿压显现将会呈现新的特征。回采实践表明，超长工作面回采期间，顶板活动更加频繁，矿压显现较为强烈，顶板管理难度加大。同时随着工作面长度的加长，工作面设备故障率增大，尤其以刮板输送机较为突出。随着工作面倾斜长度不同程度的延长，采煤机循环割煤出煤量会有不同程度的增加，如果刮板输送机的运输能力、功率达不到工作面加长后煤量的运输要求，则极有可能造成输送机压死、断链，甚至烧坏电机、损坏减速器[8]。因此工作面支护及设备的输送能力能否满足开采要求，成为能否顺利实施超长工作面开采的关键因素。

表1 工作面设备型号

2.1 刮板输送机运输能力分析

1312超长工作面拟采用SGZ960/2×525刮板输送机，选用Φ38mm×137mm的紧凑链，链条破断负荷大于1810kN。下面针对超长综放工作面后部刮板输送机的能力及链条强度进行了分析校核。

2.1.1 前部刮板输送机能力核算

1)功率校核。煤和刮板链在直接溜槽中运行的滑动摩擦阻力：

F1=ωqLgcosβ，F2=ω1q1gcosβ

沿倾斜运行时，煤和刮板链的重力沿倾斜方向的分力：

F2=(q+q1)Lgsinβ

因此，载重段直接段运行的总阻力，包括煤和刮板链的运行阻力，计算式为：

Fzh=qLg(ωcosβ+sinβ)+2q1Lg(ω1cosβ+sinβ)

载空直线段刮板链运行阻力：

Fk=2×q1Lg(ω1cosβ+sinβ)=78216.65N

牵引力：

F=k1k2(Fzh+Fk)

式中，k1为刮板链绕链轮的阻力附加系数，取1.1～1.3；k2为中部槽弯曲的运行阻力附加系数，取1.1～1.3。

所需电机功率：

通过理论计算分析可知，工作面选用的功率为2×525kW的刮板输送机基本满足工作面回采要求，但电机功率富裕系数较小，如果工作面瞬间割煤量或片帮深度较大，容易造成刮板输送机压死的现象。

2)刮板链强度的校核。刮板链的强度按以下公式计算：

m=iλF/1.2Fmax

式中，m为安全系数；i为刮板链的条数，取2；λ为双链受载荷时的不均匀系数，取0.9；F为破坏刮板链的拉力，取1810kN；Fmax为刮板链的最大张力，取483.876kN。

计算分析可知，安全系数为5.61，刮板输送机要求安全系数大于3.5，因此分析可知，刮板输送机链条的强度满足开采要求。但由于理论与实际材料存在一定的差距，且根据超长工作面开采经验，工作面底板不平整或浮煤堆积时，造成刮板输送机垂直弯曲度、水平弯曲度超限的情况下，或者过载拉煤或在片帮严重工作面超载运行下，突然停机后没有清空溜槽上的煤，强行启动刮板输送机时，会使刮板链的运行主力或承受的初张力增大，容易发生断链事故[9]。因此，建议超长工作面回采期间可选用强度更高的Φ42mm×146mm型链条。

目前，国内刮板输送机系列品种多种多样，近几年国内外刮板输送机已经应用于400～450m长中厚煤层工作面开采。因此，目前国内外刮板输送机完全可以满足超长综放工作面运输的要求。

2.1.2 后部刮板输送机能力核算

对1312工作面单位时间放煤量进行计算，工作面平均放煤能力为：

Qf=60HfBmγCf(1+Cg)Vf

=60×4.18×0.8×1×1.45×0.8×

(1+0.1)×2=640t/h

式中，Qf为工作面平均放顶煤能力，t/h；Hf为顶煤厚度，取4.18m；m为放煤步距与采煤机截深之比，一采一放时取m=1；Cg为放出顶煤的含矸率，取10%；Vf为沿工作面平均放煤速度，取2m/min。

当日进尺为3.2m时，满足工作面最大放煤流量要求的后部刮板输送机能力：

Q≥KfKyQf=1.3×0.9×640=748.8t/h

式中，Kf为放煤流量不均匀系数，考虑到顶煤较软，瞬间煤流量大，取1.3；Ky为考虑运输方向及倾角系数，工作面平均倾角8°，取0.9。

工作面后部选用SGZ960/2×525型刮板输送机，输送能力为1800t/h，因此，能够满足工作面后部放煤运力需求。

2.2 采煤机能力分析

采煤机单位时间落煤量计算公式如下：

式中，Qm为采煤机平均落煤能力，t/h；Qr为工作面平均日产量，按8000t/d计算；B为采煤机截深，取0.8m；H为平均采高，取3m；γ为实体煤容重，取1.45t/m3；C为工作面采煤机割煤回采率，取95%；L为工作面长度，按362m计算；Lf为工作面放煤长度，取352m；Lm为采煤机两滚筒中心距，取15m；Td为采煤机返向时间，取5min；Hf为综放工作面平均顶煤厚度，取7.18m；Cf为顶煤回收率，取80%；K为采煤机平均开机率，取0.5；T1为综放工作面日生产时间，取1440min；i为采煤机割煤速度VC与空刀牵引速度VK之比，i=VC/VK，取i=0.5。

对于3号煤层，1312综放工作面长度362m、Qr=8000t/d、综采日开机率0.5、采用端部斜切进刀单向割煤时，代入值，则：Qm=350.2t/h。1312工作面选用MG300/730-WD2型采煤机，落煤能力为1400t/h，因此能够满足1312工作面回采要求。

2.3 支护强度分析

以原综放工作面实测数据为依据，结合相似矿井类比分析，对三元煤业超长综放工作面支护强度进行分析。

2.3.1 基于原矿压数据下支护强度的确定

当工作面长度为210m时，其工作面倾向方向支架工作阻力如图1所示。分析图1可知，当工作面倾向长度为210m时，工作面倾向除局部区域始终处于高工作阻力状态，支架工作阻力达到6000kN以上外，工作面支架绝大部分处于额定工作阻力4800kN之下。ZF4800/17/33型支架基本能够满足支护要求，但富裕量较少。为了保证支架对超长综放工作面顶板的控制作用，选择支架支护强度应大于0.76MPa。

图1 工作面倾向方向支架工作阻力分布

2.3.2 基于模拟分析下支护强度的确定

为进一步确定超长综放支架合理支护强度，采用FLAC3D数值模拟方法模拟0.2～1.1MPa十种不同支护强度下顶煤1～5m不同层位处的最大下沉量进行计算，不同支护强度条件下支架上方顶煤距煤壁1m、2m、3m、4m和5m位置处的下沉位移曲线如图2所示。分析图2结果得出支护强度与不同层位顶煤最大下沉位移关系，如图3所示。

图2 控顶区顶板下沉量曲线

图3 支护强度与顶煤最大下沉位移关系曲线

分析图3可知，顶煤最大下沉量随着支架支护强度的增大而减小，当支架支护强度大于1.0MPa时，顶煤的下沉量已处于较低水平，支架支护强度的进一步增加对顶煤位移的控制作用减弱。

2.3.3 超长综放工作面支护强度类比分析

通过调研国内不同地区超长综放工作面支护现状可知，由于地质条件和开采条件不尽相同，目前国内超长综放工作面支架支护强度大小不一，统计结果见表2。

综上分析，为保障超长综放工作面的安全高效回采，确定三元煤业1312工作面支架合理支护强度应不低于1.0MPa。

表2 不同地区超长综放工作面支架选型表

3 厚煤层超长综放工作面矿压显现特征

为了研究1312超长综放工作面矿压显现规律，通过分析顶板初次来压、周期来压步距、动载系数、来压强度等参数，得出三元煤业3#煤层条件下超长综放工作面矿压显现特征，指导工作面安全生产。由于1312工作面为刀把型工作面，为了对比不同工作面宽度对矿压显现的影响，分别对工作面第一切眼(164.5m)、第三切眼(290.5m)和第四切眼(362m)工作面回采矿压规律进行分析。

3.1 矿压设备布置

1312工作面矿压监测采用尤洛卡公司生产的KJ216矿山压力监测系统。工作面第一、第二切眼总共布置9台支架压力记录仪，分别安装在9个支架上：4#、11#、20#、30#、39#、48#、56#、68#、78#。进入第三切眼后，88#支架增加一台压力分站。进入第四切眼后，分别在131#、140#、150#、159#、169#、179#、188#、195#支架加装了8台分站，分别监测支架在开采过程中的左右立柱压力。

3.2 矿压规律分析

工作面回采各阶段(一、三、四切眼)矿压规律见表3。根据表3可知，当工作面长度为164.5m时，周期来压步距平均为14.2m，液压支架最大工作阻力为9738kN，平均循环末阻力为8849kN。当工作面长度增加到290.5m时，周期来压步距明显缩短，降至8.8m，最大工作阻力和平均循环末阻力升至10424kN和9322kN。当工作面长度增加到362m时，平均周期来压步距略有下降，降至8.2m，最大工作阻力升至11037kN，平均循环末阻力升至9416kN。

表3 各切眼矿压规律表

由以上分析可以看出，工作面长度由164.5m增加至290.5m时，周期来压步距和支架工作阻力变化较大，当工作面长度继续增大时，虽然周期来压步距近一步降低，支架工作阻力略有升高，但幅度较小。这一现象表明，随着工作面长度的增大，顶板岩层活跃度呈升高趋势，矿压显现强度增强，但强度增幅逐渐减弱，当工作面长度增大到一定程度后，矿压显现强度趋于平稳并维持在较高水平。

4 松软厚煤层超长综放工作面煤壁稳定性

4.1 原综放工作面煤壁片帮现状

工作面煤壁的稳定性受煤层硬度、煤层裂隙发育程度、矿压显现程度、工作面推进速度的影响，三元煤业1312超长工作面所采3号煤层为裂隙较发育的松软煤层，原200m工作面回采期间，煤壁呈现总体片帮。片帮较严重的区域多集中在工作面中部及端尾采空区附近，片帮深度主要集中在0.3～0.6m，占到统计数据的54.24%，大于0.6m的区域占到9.73%，片帮最大深度达到1.0m。

现场统计可知，随着推进度的增大，煤壁片帮现象明显减弱，如9月17日在推进度为1.8m的情况下，工作面煤壁片帮深度大于0.6m的比重占到统计数据的27.02%，而当9月22日推进度达到2.7m时，煤壁片帮深度大于0.6m的区域仅为8.62%，连续按此速度推进时，煤壁片帮未再出现大于0.6m的区域；从工作面倾向长度来看，支架工作阻力愈小，其煤壁的片帮深度愈大，如9月18日工作面90～100m区域内支架工作阻力仅为2000kN左右时，煤壁片帮深度达到0.85m；9月20日工作面157～162m区域内支架工作阻力仅为2000kN左右时，煤壁最大片帮深度达到1.0m。

4.2 超长综放工作面煤壁稳定性控制

为清楚掌握超长综放工作面开采期间煤壁片帮情况，针对工作面推进至见方来压期间，煤壁的片帮深度进行了统计分析，超长综放工作面中部煤壁片帮深度如图4所示。以运算时步替代推进速度，分析图4可知，随着工作面推进速度的减缓，工作面中部煤壁片帮深度逐渐增大；在推进速度较慢时，超长综放工作面煤壁最大片帮深度达到0.71m。由此可见，为保障松软煤层超长综放工作面煤壁的稳定性，回采过程中除需保障足够的支护强度外，还需采取以下措施。

图4 工作面中部煤壁片帮深度变化

4.2.1 提高支架初撑力

支架初撑力的主要作用是发挥支架对工作面顶板的主动支护，控制顶板的早期离层和下沉量，降低来压期间顶板对支架的冲击载荷，继而达到维护煤壁稳定性的目的。初撑力较低时，支架上方顶板会出现明显下沉，并将压力传递至前方煤壁，导致煤壁稳定性较差。而双回路环形供液从一定程度上可以保障支架初撑力。通过分析1312工作面第三切眼初采期间工作面矿压数据，对支架初撑力进行统计，结果见表4。

ZF10000/20/32D液压支架额定初撑力为7758kN，第三切眼出采期间支架平均初撑力为5346kN，占额定初撑力的68.9%，各支架初撑力大于设计初撑力80%的比例平均为20.8%。分析其原因，主要为泵站压力不足、水质较差、支架工操作不当等原因，因此，可通过优化乳化液水质、提高泵站压力、清洗供液管路、进行岗位安全培训等措施，提高支架初撑力。

表4 各支架平均初撑力

4.2.2 适当加快工作面推进速度

加快推进速度可以将压力甩在工作面后方，始终保持采场附近围岩处在未充分卸压状态，保证围岩具有较好的完整性，进而保证工作面安全回采。工作面进入第三切眼后，由于采煤机故障频发，支架初撑力不足降低了对顶板的控制能力，导致大范围煤壁片帮压死输送机，使得工作面推进速度维持在每天2刀煤左右，工作面推进速度过慢，导致采空区顶板断裂时产生的载荷传递至工作面，造成支架压力升高，煤壁片帮，端面冒顶，造成恶性循环。加快工作面推进速度首先要保证支架的工作状态，提升其对顶板的控制作用，并加强设备维护检修力度，防止因设备原因导致的停机等压现象的发生。

4.2.3 注浆加固提高煤壁自承载能力

在工作面前方煤壁及顶板破碎或遇地质构造带时，采取注浆加固方式，增强煤壁的自承载能力，提高煤壁及顶板的整体稳定性，降低片帮冒顶风险。

4.3 现场应用效果分析

工作面回采第一、二切眼过程中，煤壁稳定性较好，仅在初采75～83m过断层期，工作面靠近回风巷端头处发生片帮，其余时间未发生大范围片帮冒顶现象。当工作面进入第三切眼后，周期来压时工作面中部出现明显的来压片帮，现场及时采取了加强支架检修保证支架工作状态、加快工作面推进速度、煤壁注浆加固、补打锚索等技术措施，有效的保证了超长工作面回采期间煤壁的稳定性。

5 结 论

1)目前开采技术及装备水平可以满足松软厚煤层超长综放工作面支护及运输的要求，三元煤业超长综放工作面刮板输送机应选用Φ42mm×146mm高强度链条，其电机功率应大于952.9kW，支架支护强度不低于1.0MPa。

2)工作面长度由164.5m增加至290.5m时，周期来压步距和支架工作阻力变化较大，当工作面长度继续增大时，虽然周期来压步距近一步降低，支架工作阻力略有升高，但幅度较小。这一现象表明，随着工作面长度的增大，顶板岩层活跃度呈升高趋势，矿压显现强度增强，但强度增幅逐渐减弱，当工作面长度增大到一定程度后，矿压显现强度趋于平稳并维持在较高水平。

3)为改善工作面端面顶板及煤壁的稳定性，在保障足够支护强度的基础上，需采用双回路供液系统保障足够的支架初撑力，同时应适当加快工作面推进速度，并在煤壁和顶板破碎区域采用注浆加固技术。现场应用取得了较好效果，超长工作面煤壁片帮问题得到有效控制。