麦捷煤矿150503放顶煤工作面开采设计

胡 东

（山西寿阳潞阳麦捷煤业有限公司，山西 晋中 030600）

1 概况

麦捷煤矿150503工作面位于井田新区中部，开采煤层属石炭系上统太原组15号煤层。煤层赋存稳定，结构较简单，位于太原组下部，K2灰岩为其直接顶板，上距12号煤27.08～44.60 m，平均36.29 m。15号煤层厚度5.4～6.2 m，多含一层泥岩（0.2 m），平均煤厚5.8 m，属稳定的全区可采煤层。顶板为石灰岩、粉砂岩、砂质泥岩，底板为泥岩、砂质泥岩。根据邻近工作面（150502工作面）回采过程中实测数据，150503工作面相对瓦斯涌出量确定为6.64 m3/t。为了能高效地对煤层进行开采，需要对回采工作面的一些参数进行设计。

150503工作面布置有工作面皮带顺槽、轨道顺槽以及高抽巷共三条巷道。其中，轨道顺槽长度为1 150.2 m，皮带顺槽长度为1 147.1 m，皮带顺槽和轨道顺槽均沿15号煤层底板布置；高抽巷布置在距15号煤层顶板约40 m处，与轨道顺槽的水平间距为30 m。工作面采用“一进一回”的通风方式，皮带顺槽进风，轨道顺槽回风。工作面推进长度为1 147.1 m，开切眼长度为210 m。

2 工作面回采条件

2.1 地质构造

根据三维地震勘探结果，150503工作面周边范围内的地质构造共有8个陷落柱、5个断层。8个陷落柱分别为：MX9、JX12、JX14、XL3、XL4、XL5、XL6、XL8，5个 断 层 分 别 为：MF39、MF25、MF41、MF42、MF43。具体位置：XL6、XL8两个陷落柱位于工作面北侧，其中150503 轨道顺槽通过XL6陷落柱，XL8在工作面外部；XL3、XL4、XL5三个陷落柱位于工作面南侧，在工作面外部，距皮带顺槽9～15m。有五个小于5 m的 断 层，分 别 为MF25、MF39、MF42、MF41、MF43。除上述构造外，工作面50 m范围内暂未发现其他影响生产的大型地质构造。

2.2 回采巷道支护

皮带顺槽和轨道顺槽为矩形断面，断面尺寸均为4.5 m×3.3 m，采用高强度锚杆+单钢筋托梁+金属经纬网+锚索联合支护[1]。顶板支护：巷道顶部锚杆规格为Φ22 mm×2400 mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆，间排距为1000 mm×1000 mm，顶角锚杆向两帮倾斜20°；锚索规格为Φ17.8 mm×8300 mm，间排距2400 mm×1000 mm，“2-1-2布置”；使用一根Φ16圆钢加工的单筋梯子梁；网片采用对接方式，联网间距为100 mm，用16#铅丝联接，双丝双扣。巷帮支护：巷道帮部锚杆规格为Φ22 mm×2000 mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆，间排距均为1200 mm×1000 mm，锚杆垂直巷道两帮打设，距巷帮顶部300 mm。

开切眼为矩形，断面尺寸为7.5 m×3.1 m，采用强力锚杆+单钢筋托梁+金属经纬网+锚索联合支护。顶板支护：顶锚杆规格为MSGLW-33522/2400螺纹高强锚杆，锚杆间排距为900 mm×1000 mm，沿巷中对称布置；锚索形式和规格Φ17.8 mm×8300 mm钢绞线，钻孔直径28 mm，锚固长度为1.5 m。巷帮支护：老塘帮锚杆等间距布置，每排3根，间距1200 mm，排距为1000 mm；中间锚杆全部水平布置，帮顶角锚杆上斜10°、底角锚杆下斜10°布置，顶角锚杆距顶板300 mm，底角锚杆距底板400 mm，锚固长度为1200 mm。煤墙帮：锚杆等间距布置，每排3根，顶角锚杆距顶板300 mm，底角锚杆距底板400 mm，间距1200 mm，排距为1000 mm，全部垂直煤墙打设。

3 回采工作面装备选型

根据工作面周边勘探钻孔和实际掘进探煤厚情况分析[2-3]，确定工作面平均煤层厚度为5.8 m。根据15号煤层地质条件和以往的生产经验，确定工作面采煤机割煤高度为2.8 m，放顶煤高度为3 m，采放比为1:1.07。

根据工作面回采巷道布置和计划停采线的位置，150503工作面设计可采储量为2.02 Mt。由于矿井设计生产能力为1.5 Mt/a，本工作面的设计生产能力按照1.5 Mt/a设计，该工作面可采期为1.35 a（约16.2个月）。

3.1 采煤机选型

按综放工作面年产量1.50 Mt/a计算，每天需要开采4545 t。目前，我国综采工作面的开机率在40%～55%。该工作面配备的先进综采设备，可以保证开机率在50%左右。

根据15号煤层的赋存条件，确定采煤机的最大割煤高度为2.8 m，选取采煤机的滚筒直径为1.8 m。在综合考虑煤层的硬度、顶板岩性以及液压支架移架步距等情况下，采煤机的截割深度确定为600 mm。

工作面日循环数可用式（1）计算：

式中：Qr为工作面日产量，是由矿井的产量决定的，取4545 t；Kl为工作面正规循环率，取0.8；L为工作面长度，与设计的长度有关，取210 m；H为工作面采高，由煤层厚度决定的，取5.8 m；B为循环进尺，即采煤机的截割深度，取0.60 m；γ为煤的容重，γ=1.45 t/m3；C为工作面回采率，由国家相关标准规定，取93.1%。

将有关参数代入到式（1）中，可以得到工作面每日循环数为5.7。在实际情况下，取整数为6。

采用端部斜切进刀方式，进刀割煤长度为30 m，工作面采用“三八”工作制度。根据以上分析和计算以及国内的采煤机设备情况，选择MGTY300/730-1.1D型采煤机即可满足要求。

3.2 前部刮板输送机选型

在刮板输送机选择时，应该满足以下要求：（1）具有足够的运输能力，能将工作面的煤炭及时的全部运出，并留有一定的余量；（2）外型尺寸和牵引方式与采煤机配套；（3）应该覆盖整个回采工作面，即刮板输送机的长度与工作面的斜长相一致。刮板输送机采用0.75 m/s的低速运行，实际功率按2×160 kW。

3.3 液压支架选型

（1）支架结构高度[4]

式中：Hmax、Hmin为支架的最大、最小高度，m；Mmax、Mmin为最大、最小采高，m。

经过计算，Hmax=3 m，Hmin=2.45 m。

（2）支架支护强度

根据实测数据，利用回归分析计算放顶煤支架工作阻力：

式中：h为采高，取工作面实际采高2.8 m；r为顶板岩石容重，取2.5 t/m³；P为支架工作阻力，N；Lk为端面距，m；Ld为顶梁长度，m；Lj为采煤机截深，m；B0为支架宽度，m。

将有关数据代入到式（4）和（5）中，可以得到液压支架的工作阻力不应该小于4606 kN。为了保证液压支架的工作阻力还有一定的余量，选择液压支架的工作阻力应该稍大一些。选择ZF5000/17/28型支架，工作阻力为5000 kN，能够满足支护要求。

4 150503工作面顶煤冒放性分析

顶煤冒放性与开采深度有很大的关系，开采深度越大，顶煤越容易冒放。15号煤层的埋深在300～400 m 左右，因此从开采深度看，顶煤易于冒落。

按照顶煤的强度与破坏关系的理论计算，一般情况下，当煤的强度值Rc＞20 MPa时，顶煤的破坏程度降低，其冒落性渐差。15号煤层150503工作面煤层平均为5.4 m，根据地质报告，15号煤层大都具有条带结构，光亮的金属光泽，次为金刚光泽，硬度大，脆度小，煤的硬度普氏系数f小于1，结合已采的放顶煤工作面的实践经验，工作面顶煤冒放性较好。此外，顶煤中的裂隙发育程度对顶煤的冒放性有着显著的影响，顶煤节理裂隙越多，冒放性也就越好。根据15号煤层的顶煤揭露情况来看，顶煤中内生节理和外生节理较发育。因此顶煤冒放性较好。

对顶煤冒放性影响较大的还有夹矸。当顶煤中存在夹矸时，一方面，夹矸在顶煤中形成“骨架”，使顶煤不易垮落；另一方面，即使顶煤垮落，夹矸形成大块，易堵口使顶煤无法放出。经过测量后发现，15号煤层的夹矸平均厚度为0.4 m，且多为硬度较低的泥岩和炭质泥岩。因此，可以认为煤层中的夹矸对15号煤层放顶煤开采影响较小。

无论从矿压角度还是从顶煤采出率考虑，直接顶的最小厚度应能够充满采出煤后形成的空间。150503工作面15号煤顶板多为泥岩、砂质泥岩，局部为细粒砂岩，厚度5.4～6.2 m，平均5.8 m，局部节理裂隙发育，容易垮落；底板为泥岩，属中等稳定围岩，能够随着工作面推进，周期性垮落。

5 结语

结合麦捷煤矿地质情况和150503工作面开采条件，分析了工作面主要参数，对工作面关键设备进行了选型，对放顶煤的冒放性进行了分析论证。

150503放顶煤工作面自投产运行以来，已经安全开采120 d，共开采煤炭52万t。经过计算，达到了预期开采目标。虽然在开采过程中，受到断层构造的影响，但是仍能保证一个较高的资源回采率。经统计，开采过程中的资源回采率在80%～95%左右，平均在90%左右，满足放顶煤资源回采的要求，表明设计的放顶煤开采的采放比是合理的。