8.8m超大采高综采工作面设备安装干涉性分析

王 军，崔石磊，曹建云

(1.国家能源神东煤炭集团有限责任公司 乌兰木伦煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 017209；2.国家能源神东煤炭集团有限责任公司 上湾煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 017209)

中国是一个“富煤贫油少气”的国家，已探明的煤炭储量占世界煤炭储量的33.8%。煤炭在我国一次性能源结构中一直占据主导地位[1-3]。我国厚及特厚煤层煤炭资源可采储量约占全国总可采储量的43%，厚及特厚煤层赋存条件下，实现安全、高效、高采出率开采对我国煤炭工业的发展具有重要影响[4-6]。在神东矿区厚及特厚煤层开采中，大采高一次采全高回采工艺相对于综采放顶煤和分层回采工艺，安全性好、采出率高、生产效率高[7-11]。

神东矿区煤层赋存稳定，地质及水文条件简单，埋藏相对较浅，适宜布置大采高综采工作面。近年来，神东公司结合实际煤层赋存条件和采用最新采掘设备，厚煤层综采工作面采高逐渐增大[12-16]。以国家能源神东煤炭集团上湾煤矿为例，先后经历3.5m、4.8m、5.5m、5.8m、7m大采高；在补连塔矿8m大采高的基础上，2018年上湾煤矿在12煤四盘区尝试8.8m超大采高一次采全高回采工艺。由于8.8m超大采高综采工作面项目推进速度较快，其设备配套研发与巷道矿务工程基本是同步进行，且设备尺寸及巷道断面尺寸在现有的技术规范中尚无相关规定。为了保证我国首个8.8m超大采高综采工作面一次安装到位并顺利投产，在图纸上按1∶1比例对设备进行运输及安装分析，查找可能出现的问题很有必要。

1 研究背景

1.1 8.8m大采高综采工作面地质情况

12401综采工作面位于上湾煤矿12煤四盘区，工作面长度299.2m，推进长度5255m，煤层结构简单，煤厚7.56～10.79m，平均厚度9.16m，倾角1°～5°，普氏系数f=1～3，密度1.3g/cm3。12401综采工作面可采面积为1572236.16m2，可采出煤量为1754.6万t。综采工作面上覆盖层厚度为124～244m；上覆基岩厚度为120～220m；上覆松散层厚度为0～27m，主要是土黄色中、细粒风积砂，松散未固结。综采工作面沿倾斜布置，以正坡推进为主，采用倾斜长壁综合机械化一次采全高后退式开采，采用全部垮落法处理采空区。

1.2 设备入井主要巷道断面尺寸

上湾煤矿2#辅运平硐宽×高为6.1m×5.7m的半圆拱岩巷；支架专用巷尺寸为宽×高6m×5.5m的矩形煤巷；辅切眼尺寸为宽×高6m×5.5m的矩形煤巷，工作面安装联巷宽×高为6m×5.3m的矩形巷道，工作面切眼巷道断面宽×高为11.4m×6m的矩形巷道；巷道拐弯处设计巷道抹角为6m×6m。

1.3 综采工作面主要的设备参数

综采工作面设备主要有采煤机、液压支架、刮板运输机、转载机、破碎机、带式输送机及综采工作面供电、供液设备等，其中在运输过程中可能出现卡阻的设备为液压支架和采煤机。8.8m超大采高综采工作面综采设备运输所用的主要机械为支架搬运车和铲板车。

1.3.1 100t支架搬运车

2018年之前，国内外用于井下的液压防爆支架搬运车最大运输能力为80t，而神东煤炭集团8.8m超大采高综采工作面支架重量为100t。为了满足综采设备安装需求，神东煤炭集团与航天重工集团密切合作研发了100t液压支架防爆搬运车。支架搬运车长×宽×高：8800mm×4500mm×2730mm，自重50t，采用整体“U”型框架车架，载重100t。

1.3.2 100t蓄电池防爆铲板搬运车

100t蓄电池防爆铲板搬运车尺寸为长×宽×高=14610mm×3916mm×2430mm，自重130t，载重100t，采用铅酸蓄电池为动力源，4×4全轮驱动，可以实现8.8m超大采高综采工作面煤机、刮板运输机等综采大型设备的快速安装、回撤。

1.3.3 煤机尺寸

煤机整机尺寸为长×高=22m×4.2m，其中滚筒直径4.3m，煤机机身净高3.75m(不含煤机盖板高度)，煤机机身长度9.1m。煤机入井时需要拆成机身、摇臂、滚筒、盖板等几个部分，分批入井，其中运输难度最大的为煤机机身。运输煤机机身时采用两辆铲板车，铲板车铲板厚度取0.4m，离地0.2m，则允许通过最低高度为4.35m，综采设备通过沿线巷道最小净高4.8m；铲板车宽度3.92m，铲板和后面的车身采用铰接连接，左右摆动灵活，可保证9.1m长的机身在井下运输时顺利通过。

1.3.4 综采工作面液压支架尺寸

上湾煤矿8.8m超大采高综采工作面宽299.2m，主运平巷和回风平巷宽度均为6m，共布置液压支架128台；其中布置118台中间架，支架运输尺寸(支架立柱油缸完全收回)长×宽×高为：10.68m×2.24m×4.00m；支架正常使用时，支架高度8～8.8m，支架侧护油缸动作，支架宽度变为2.407m。为了提高综采工作面煤炭资源采出率，综采工作面机头和机尾段采用垂直过渡，正常垂直过渡高度3.1m。因此，综采工作面的机头和机尾各对应布置了一台大侧护支架，支架运输尺寸长×宽×高为12.3m×2.54m×4.00m；支架正常使用时，支架高度约8.6m，支架侧护油缸动作，支架宽度变为2.707m。

2 综采设备运输时通过性分析

100t蓄电池防爆铲板搬运车主要运输采煤机机身及运输机等综采设备，最大尺寸为长×宽×高=9.1m×3.92m×3.75m，巷道最小宽度6m，最小高度4.8m，巷道抹角尺寸6m×6m，用铲板车运输煤机不存在通过性问题。井下综采设备运输的关键在于用长×宽×高：8800mm×4500mm×2730mm支架车搬运长×宽×高为12.3m×2.54m×4.00m的大侧护支架，只要大侧护支架能在巷道中顺利通行，可以确保其他设备在运输过程中畅通无阻。下面对大侧护支架在运输过程中的重点环节进行通过性和安全性分析。

2.1 大侧护支架在井口段通过性分析

将运输状态大侧护支架和井口段巷道根据实际情况，建立1∶1的图纸模型进行动态通过性分析。井口段巷道净宽6m，支架搬运车宽度4.5m，巷道宽度满足车辆通行要求。风门预留行车高度5.1m，支架车装上支架后最大高度4.2m。通过模拟得出，工作面支架入井下坡时，支架梁端距离巷道顶板最小距离为1m，支架入井不会出现卡阻；当工作面支架升井通过第一道风门时，支架顶梁和风门上门框只有0.4m的距离，支架车通过时要放慢速度，防止支架晃动剐蹭风门框，确保支架车平稳通过。

2.2 通过12401回风时的安全性分析

上湾煤矿2#辅运平硐坡度5.5°，在距2#辅运平硐落平段50m处，2#辅运平硐顶板与12401回风平巷顶板最小垂直距离为8.74m。支架搬运车重53t，中间架重100t，大侧护支架重113t。支架搬运车车轮宽0.46m，车轮载重最大压缩量48mm，对应轮胎抓地长度为0.5m。单轮接地面积为0.23m2。支架车总共接地面积1.84m2，中间架重量100t。支架搬运车自重53t。运输支架时车辆总重153t，则F=153000×9.8=1500kN，垂直应力对底板的压强F1=1500000cos5.5°/1.84=811464Pa=0.81MPa。大侧护支架重113t，轮胎对底板压强0.88MPa。12401回风巷顶板和2#辅运平硐底之间距离9m(含混凝土底板厚度)，岩石抗压强度在14MPa以上，满足支架车安全通过的要求。

2.3 进入支架专用巷通过性分析

通过实测2#辅运平硐落平段进入支架专用巷区域的巷道平面，每隔15°分析大侧护支架搬运车的状态，对支架车拐弯时的运动轨迹进行分析，得出支架车拐弯时与支架专用巷副帮最小距离为0.2m，巷道满足工作面支架通行的要求。从2#辅运平硐进入支架专用巷时，支架车需要拐大弯，不能紧贴巷道右帮走，才能保证大侧护支架顺利通过。对大侧护支架从支架专用巷进入辅切眼，从辅切眼进入切眼的支架搬运车动态轨迹及支架端部和巷帮的距离进行了分析。分析结果表明，现有巷道尺寸较为合理，均满足8.8m超大采高综采工作面综采设备运输要求。

3 综采工作面设备安装关键点

3.1 机头、机尾的通过性和割透性分析

由于平巷超前支架最大支撑高度5.5m，所以切眼附近两平巷的掘进高度不得超过5.6m，浇筑0.3m厚底板成巷高度5.3m。工作面采用的8.8m采煤机机身高度4.2m，摇臂长度4.33m，煤机最大卧底量0.47m，保守确定煤机摇臂销轴距主运平巷4.7m时割平巷道底板。则此处巷道掘进高度应大于等于底板厚度、机身高度、支架顶梁最大厚度和设备间隙之和，即6.0m，切眼距平巷正帮4.7m处拉底后巷道高度6.3m(净高6m)，满足使用要求。不同于普通的4～6m大采高综采工作面(平巷和切眼高度相同)，8.8m综采工作面切眼两端头顶板采用倾斜过渡。结合实测巷道剖面和设备配套参数，对机头、机尾段进行通过性分析得出，当切眼口平巷高度(净高)5.3m，在4.7m长度掘进范围内巷道高度通过顶板过渡为6.3m，可以满足煤机在机头、机尾顺利通过，底板过渡平整。通过实测综采工作面切眼两端头巷道尺寸，得出机头段巷道成型基本符合设计要求。煤机割透运输平巷正帮时，煤机盖板和大侧护支架顶梁最小间距约0.3m；经实测，综采工作面切眼机尾过渡段巷道成型未完全达到设计要求，煤机割透机尾时大侧护支架顶梁和煤机盖板最小间距约0.1m，满足使用要求，12401切眼机头、机尾段煤机割透性分析如图1、图2所示。

图1 12401切眼机头段煤机割透性分析(mm)

图2 12401切眼机尾段煤机割透性分析(mm)

3.2 综采工作面支架间隙分析

上湾煤矿12上煤三盘区3.5m采高综采工作面及22煤一盘区5.8m采高综采工作面，支架设计使用宽度均为1.75m，支架间隙均取5mm。通过实际验证，支架间间隙取5mm和实际使用情况相符。8.8m超大采高综采工作面支架宽度为2.4m，共使用支架128台(含2台2.7m宽大侧护支架)。经过和生产服务中心(主要负责综采工作面安装与回撤)相关技术人员沟通，建议8.8m超大采高综采工作面支架间隙取7mm较为合理。在支架间隙取7mm时，理论计算综采工作面安全出口之和为2.504m，实际机头安全出口一般为0.8～1m，机尾为1.4～1.7m。综采工作面投产后，经验证工作面安全出口和理论计算值一致。因此，8.8m超大采高综采工作面计算两端头安全出口时，支架间隙应取7mm。

3.3 切眼及强放孔设计合理性分析

8.8m超大采高综采工作面切眼净断面尺寸宽×高为11.4m×6m，综采工作面中间架安装尺寸长×宽为10.68×2.24m，最大对角斜长约11m。经图纸分析得出，支架稳放到预定位置升到6m后，支架顶梁前端距离切眼正帮0.51m，支架掩护梁尾端和切眼副帮距离0.75m，切眼尺寸设计合理性验证如图3所示。

图3 切眼设计合理性验证(mm)

工作面推进6刀后，切眼顶板上距切眼副帮4.2m的强放孔可以完全露出，切眼强放孔与支架掩护梁尾端水平距离1.36m，满足采用升降车装药爆破需求，强放孔布置的合理性分析如图4所示。

图4 强放孔布置的合理性分析(mm)

4 结 语

开采高度是综采工作面高产高效开采的基础，每一次采高的增加，都是综采工作面设备配套和回采技术的革命，也是一个国家煤矿开采装备制造水平提升的表现。神东煤炭集团上湾煤矿12401综采工作面将一次采全高开采高度由8.0m增加到8.8m，虽然只是增加了0.8m，但背后有超大采高综采工作面设备配套、巷道支护、顶板管理、回采工艺、信息控制等一系列关键技术在支撑。通过结合巷道及设备尺寸进行通过性验证和综采工作面安装预分析，保证了我国首个8.8m超大采高综采工作面一次顺利安装到位并成功投产。通过分析，优化了8.8m超大采高综采工作面机头架窝尺寸和强放孔布置形式，8.8m超大采高综采工作面巷道尺寸及设备配套，可以为类似条件综采工作面设计及矿务工程施工提供借鉴。