大倾角复合顶综合机械化采煤的可行性研究

张丽斌

（山西国辰建设工程勘察设计有限公司，山西 阳泉 045400）

引言

我国煤炭资源的开采主要集中在缓倾斜和近水平煤层，近年来，大倾角和急倾斜煤层的开采在我国煤炭资源的开采总量中所占的比重不断增大，尤其是四川、重庆等地区甚至达到40%～50%。综合机械化采煤技术是国内外通用的采煤技术，我国的综合化采煤技术在缓倾斜和近水平煤层应用较多，且发展最为成熟，而在大倾角煤层的应用相对较少[1-2]。相比原有的炮采方式，大倾角综合采煤技术显著提高了采煤的效率，节约了资源，因此大倾角采煤技术的研究和应用迫在眉睫。以花王矿采煤工作面为例，通过实地勘验和理论分析对大倾角复合顶综合机械化采煤的可行性进行了分析和研究。

1 可行性分析

1.1 技术可行性分析

目前，综合化机械采煤已建立了非常系统和完善的技术体系，尤其近年来在大倾角煤层的开采中，综合化机械采煤也崭露头角，并形成了一定的理论基础。一方面，解决了在矿井工作面、排头、排尾和输送机等常出现的支架倒、滑问题并配备了相关的设备；另一方面，综合机械化技术在大倾角煤层的实际开采中也积累了一定的成功经验。经过分析计算，某矿的通风系统、供电系统和运输系统均能满足综合化机械采煤的要求；此外，某矿的煤层结构与报道的成功案例绿田矿相似[3]，中厚煤层全部都适合大倾角综采。因此，在成功案例的基础上，通过系统设计采煤方案，采用相似的采煤方法和设备，某煤矿实施大倾角综采完全是可行的。

1.2 工作面概况分析

21141 采煤工作面为某矿14 号煤层，该工作面位于地下900 m，全长770 m，倾斜长130 m，工作面煤层结构复杂，煤层厚度变化大，厚度范围为1.5～4.2 m，平均厚度2.35 m，煤层由三层夹矸和四层煤组成，夹矸厚度为0.58 m，煤厚1.80 m，煤层平均倾角38°，该煤层伪顶由灰黑色的炭质泥岩组成，直接顶由13 号煤层及其底板组成，老顶为粉砂岩和粗砂岩混合岩层，从西到东岩性由灰色厚状层细砂岩、浅灰色含砾砂岩过渡为灰色厚层状细沙岩及厚层状中粗砂岩，岩层厚度一般大于20 m；直接底为粉砂岩，一般为深灰色厚层状砂岩或深灰色厚层状泥质粉砂岩，厚度范围为1.7～4.4 m，老底为粗砂岩，由上到下岩性由灰白色厚层状含砾粗砂岩过渡为灰白色厚状粗砂岩，厚度范围为11.0～17.0 m。21141 采煤工作面底部和顶部均有透水的风险，当水蒸发时从外界吸收的大量的热，冷凝后将热量传递给煤，导致其温度升高，有自燃甚至发生爆炸的风险。因此该工作面采煤作业应严格监控矿井内温度，避免发生爆炸事故。

1.3 工作支架的选择

1.3.1 支护强度的确定

21142 工作面倾角范围为34°～39°左右，平均倾角38°，工作面倾斜高度为1.6～4.0 m，平均2.35 m。支护强度的计算公式有三种，分别是英国产业经验公式、倍数岩重量法公式和顶板类型公式，一般以支护强度计算最大值作为参考依据，选择合适的工作支架。

1）按照英国产业经验公式进行计算：

式中：qh为支护强度，kN/m2；h 为倾斜面高度，取3.0 m。将数值代入公式计算得450 kN/m2。

2）按照倍数岩重量法公式计算：

式中：qh为支护强度，kN/m2；h 为采高，取3 m；γ 为顶板岩石容重，取25 kN/m3；n 为修正系数，取6。经过计算，支护强度qh=450 kN/m2。

3）顶板类型公式如下：

式中：qh为支护强度，kN/m2；Lz为周期来压步距，取8m；Lm为岩层垮落步距，取4.13 m。将数值带入公式计算得qh=298.68 kN/m2。

经过综合分析比较，选取支护强度为450 kN/m2，根据设计时支架支护强度一般为理论计算值的1.1 倍，即495 kN/m2，可以满足生产要求。

1.3.2 额定工作阻力的计算

额定工作阻力的计算一般有两种方法，分别是支架额定工作阻力理论计算公式和经验公式。1）按照理论计算公式计算：

式中：P 为液压支架额定工作阻力；qh为支护强度；b为梁距宽，取0.3 m；L 为顶梁高度，取3 m；B 为支架中心距，取1.5 m；μ 为支架效率，取0.9。将数值代入公式计算得P=2 722.5 kN。

2）按照经验公式计算：

式中：Lm为控顶宽度，取4.13 m；B 为支架中心距，取1.5 m，h 为采高；γ 为顶板岩石容重，取25 kN/m3；k为控顶区内顶板高度于采高之比，取3。将数值代入公式得P=2 787.75 kN。

经过理论和经验公式的计算，支架的额定工作阻力为2 722.5～2 787.75 kN，一般取计算值的1.1 倍作为实际参考值，因此最终选择额定阻力为3 100 kN的支架。

1.3.3 支架类型的选择

经过分析某矿14 号煤层21141 采煤工作面的煤层条件，该工作面顶板属于复合型顶板，具有明显的周期性来压的特点，因此选择双柱型掩护式液压支架较为合适，该类型支架以双柱进行斜向支撑，可以大范围灵活地调节高度，支撑作用力靠前，适用于复合型顶板的稳定；此外，支架的平衡千斤顶能够适应顶板压力的变化，可以根据不同的需求灵活调节合力作用点，整体结构紧凑简约。经过综合分析，选择ZGY2600/15/35型大倾角掩护式液压支架为21141 工作面支架。

1.3.4 防倒防滑装置的确定

针对常见部位出现的倒滑问题，分别设置相应的防倒防滑装置，除了活动侧护板和短推杆等基本架防倒防滑装置，还增设调架梁装置，用于调节架间距和对倒架进行复位。在排头部位设立下排头1～5架，按照前后顺序将在五组架的底座前后安装调架装置，在顶梁间安装防倒装置，使得下排头支架形成动态组合，互相依托，作为21141 工作面整体防倒防滑的基础；而排尾支架由最后排的1～3 架组成，同样依次在架底座前后安装调架装置，顶梁安装防倒防滑装置，稳定工作面的排尾支架；此外，由于大倾角煤层的输送机本身没有防倒防滑能力，需要由支架来维持稳定状态。具体方法为：以5 架为一组，安装在输送机耳板和底座耳板间，斜置安装千斤顶和圆环链，整个工作面共设置20～25 组支架，具体设置数量由工作面倾角大小决定。

1.4 工作面支架技术特征

综合上述分析结果，21141 工作满的支架的主要技术特征如表1 所示。

表1 工作面支架的主要技术特征

1.5 配套设备

由于综合机械化采煤一般选择前进式端头支架，该类型支架不能满足大倾角煤层的端头支护要求，因此本文最终选择具有专利保护的横式端头支架，型号为ZTJH7400/16/25。为保证正常的采煤效率，选择MG200-520-QWD型号采煤机，其总功率为520 kW，采用齿轮-销排无链传动模式，一次能够实现0.63 m的挖掘深度，适用于35°～55°大角煤层综采，其相关配套设备有：160 kW 大倾角刮板运输机、800 kVA、500 kVA、315 kVA 移动变电站、45 kW 喷雾泵、150 kW 皮带运输机、JH-14型回柱绞车、125 kW 乳化液泵。

2 结论

为解决大倾角复合顶综合机械化采煤在实际生产中的应用问题，本文以21141 工作面为例开展研究。通过理论计算可知，适应该工作面的液压支架的支护强度为495 kN/m2，额定阻力为3 100 kN，最终确定ZGY2600/15/35型大倾角掩护式液压支架为工作面开采的支护设备。同时，结合液压支架的选型结果完成了如下配套设备的选型：160 kW 大倾角刮板运输机、800 kVA、500 kVA、315 kVA 移动变电站、45 kW 喷雾泵、150 kW 皮带运输机、JH-14型回柱绞车、125 kW 乳化液泵。