软_厚煤层一次采全高综采工作面设计_设备选型配套及实践(1)

1、._三软_厚煤层一次采全高综采工作面设计_设备选型配套及实践(1) 第 4 期 东 北煤 炭技 术 1998 年 8 月 C oal Techn ol ogy of Nort heast C hina Au g. 1998 No. 4 “三软”厚煤层一次采全高综采工作面 设计、设备选型配套及实践 谢海峰 郭俊生 (煤炭部济南设计研究院 济南 250031) 摘 要 介绍和分析了龙口矿务局梁家煤矿综采工作面设计、设备选型及配套中 的大断面回风巷、运输巷布置与支护、液压支架架型的选择及主要参数的确定、端头支 架的设备、应用及改进情况。同时,结合矿井投产后的生产实践,对上述有关问题进行 了探讨。 关

2、键词 “三软”厚煤层 一次采全高 综采工作面 龙口矿务局 梁家矿井设计生产能 力为 180 万 t / a, 综采工作面设计生产能力为 60 万 t / a。工作面长度为 135m, 装备国产成套 设备。1991 年 12 月开始试生产, 1992 年 12 月矿井正式投产, 试生产当年综采工作面即 达到设计生产能力。近几年来矿井产量稳步 提高, 1996 年综采工作面年产突破了百万吨 大关, 最高月产达 13 万 t。 下为 5. 2MPa , 水浸 6h 后降低到 2. 14MPa, 18h 后降低为 0. 99MP a。煤层普氏系数 f = 0. 88, 属典型 “三软”厚煤层。投产采区

3、内 构造简单, 断层走向与煤层走向基本一致。本 矿井属低瓦斯矿井, 煤尘有爆炸性危险, 煤 层自然发火期 11. 5 个月。 2 工作面运输巷与回风巷布置与支护 1 开采技术条件 本矿井含煤地层为第三系, 地层倾角 5° # 。 6° 10°一般 7。°投产初期主要开采 2 煤 2. 1 布置方式 运输巷与回风巷布置方式目前在我国有 多种类型。由于梁家矿井围岩松软, 运输巷 与回风巷支护是综采工作面设计考虑的重点 问题之一。在满足掘进施工, 设备运输与安 装、通风、工作面超前支护及端头支护的条 件下, 要求尽量缩小运输巷与回风巷断面。按 此原则, 运输巷

4、与回风巷内设备布置采用分 开布置方式, 即运输巷铺设吊挂式带式输送 机 ( 适应巷道底鼓的特点) , 设备列车 ( 移动 变电站等) 布置在回风巷。 为使设备列车上的诸多设备处于新鲜风 层, 埋深 300450m。投产采区 2 煤厚度 2. 755. 15m, 平均 4. 29m。直接顶板以含油 泥岩为主, 部分为泥岩、粉砂岩, 单向抗压 强度 一般在 30MP a 左右, 抗拉强 度 0. 6 1. 3MP a。直接底板为炭质泥岩、泥岩及粘土 岩、粉砂岩、中粗砂岩, 岩相变化较大, 砂 岩多为泥质胶结。底板容许比压在自然状态 # 收稿日期 9 · 流中, 减少煤尘的污染。另外, 综

5、采工作面 采用下行通风方式, 它具有以下优点: ( 1) 煤流方向与风流方向一致, 可减少 煤尘量; ( 2) 有利于采场防灭火; ( 3) 运送大件设备的通道无风门设施, 有利于现场通风管理。 2. 2 断面及支护 经过详细的分析论证, 设计考虑断面形 状为半圆拱形, 采用锚网喷支护方式。具有 节省工程投资、简化超前支护、缩短建井工 期、预防自然发火等诸多优点。 运输巷净宽 4. 0m, 净高 3. 8m ; 轨道巷 净宽 3. 6m、净高 3. 5m。锚杆间排距 600mm ×600mm, 采 用快硬水 泥锚杆, 锚杆规 格 5 14, l= 1900mm, 喷射混凝土厚 100

6、mm。矿 井的生产实践表明, 运输巷与回风巷断面及 支护方式的选择是合理的, 满足了初期工作 面生产的要求。但是近几年来, 沿空掘进的 回风巷 ( 留 5m 小煤柱) 施工后, 其变形破坏 明显大于两侧均为实体煤的巷道。施工成巷 后 1 个月左右, 靠近采空区一侧的巷帮明显 内移, 变形量达 3050mm, 不待巷道贯通就 需返修。主要原因是: 邻近工作面回采后, 靠 近边缘附近的煤体在顶板压力作用下形成裂 隙、煤壁压松, 强度削弱, 并易使采空区边 缘与巷道之间顶板形成较长的悬臂岩梁。 1995 年矿方与山东矿业学院 合作进行 了巷道注浆加固试验, 取得了理想的效果, 综 采工作面注浆前 3

7、 个月平均月产 6. 57 万 t , 注浆加固后 3 个月平均月产达到 9. 47 万 t , 提高了 44% 。 注浆加固的主要机理是: 利用泵压向煤 层裂隙中压注掺了水玻璃的水泥浆, 脱水后 使原本胶结松散的煤体与水泥浑然一体, 注 浆改变了煤体结构, 提高了围岩的整体性, 煤 体强度提高了 35 倍, 因此大大改善了巷道 支护状况。 3 液压支架的选择 3. 1 架型选择 许多矿区的实践表明: 综采设备选型中 架型选择是第 1 位的。在我国综采发展过程 中, 即有成功的经验, 也有过失败的教训。鉴 于当时我国在厚煤层一次采全高综采技术尚 处于探索阶段, 特别是 “三软”厚煤层采用 一次

8、采全高综采技术尚无成功的先例, 因此 于 1988 年 12 月由上级主管部门组织召开了 “三软”综采技术研讨会。在这次会议上, 经 过专家认真讨论和论证后认为: 梁家矿井 2 煤层采用综采一次采全高技术是可行的。根 据这次会议的精神, 济南设计研究院与龙口 矿务局共同提出了 “梁家矿井综合机械化采 煤设备设计基础资料及技术要求”, 并依此对 综采设备进行议标采购。 关于支架架型选择, 有两种代表性意见, 一是选用插腿两柱掩护式液压支架; 二是选 用四柱掩护式液压支架。两柱掩护式支架具 有保持主动水平力的能力。由于支柱斜向煤 壁后产生水平分力, 对于维护高裂隙和松软 直接顶板的稳定性是非常有利

9、的, 它向煤壁 施加一种压力, 可以抑制裂隙发展和维持松 软顶板于原位。但是也存在以下缺点: 1 底 座对底板压分布不均匀, 前端峰值比压大, 拉 架困难; o 平衡千斤顶易损坏, 使支架失去 稳定状态; ? 插腿式支架与刮板输送机、采 煤机等配套复杂, 刮板输送机及采煤机需特 殊设计, 且装煤效果差。因此考虑采用四柱 掩护式支架。 四柱掩护式支架是将两柱掩护式支架的 两个平衡千斤顶从顶梁移至底座而成。后柱 支撑在底座与掩护梁之间, 后立柱直径小于 前立柱直径。四柱掩护式支架基本保持了两 柱掩护式支架的支撑力和水平力, 但水平推 力稍弱于两柱掩护式支架, 克服了两柱掩护 式支架平衡千斤顶易拉坏

10、、支架对底板比压 # · · 分布不均、峰值大的缺点, 同时使支架安装、 际, 支架支护强度考虑有一定的富裕量, 同 时又不至因支护强度过大, 造成支架过于笨 重, 加大管理难度。 根据梁家矿井 2# 煤层顶板类型, 经计算 支架支护强度应不小于 0. 6MP a。考虑后期 跳采及受断层构造应力等不利条件影响, 设 计要求支架支护强度为 0. 65MPa。同时根据 实测 2 煤层的抗压入强度, 要求支架对底板 # # 拆卸更容易、方便, 适应了梁家矿井 2 煤底 板松软的特点。两种支架的底板比压分布情 况见图 1。 图 1 两种支架底板比压分布 a - 两柱掩护式 b- 四

11、柱掩护式 比压不大于 1. 5MP a, 平均值 1. 0MPa。 现场使用及矿压观测表明: 该支架经受 住了初次来压及周期来压的考验, 工作状态 良好。基本顶初次来压时, 实测平均支护强 度为 0. 605MPa, 占额定支护强度的 94. 8% 。 基 本顶周期来压时, 实测平均支护强 度为 0. 561MPa。占额定支护强度的 87. 9% 。该支 架底座在底板遇水潮解、泥化的情况下, 能 保证不钻底、不下沉, 保证了顺利移架。因 此, 梁家矿井支架架型选择是正确的, 支护 强度的确定是合理的。 结合综采设备总体设计, 支架采用 “半 插腿”式结构。即底座前端伸入输送机档板 下面但不插入

12、整个输送机下边, 这样就加长 了底座长度, 降低了支架对底板的比压, 并 减少了梁端距, 避免了插腿式支架本身固有 的配套复杂、装煤效果差的缺点。 3. 2 支架支护强度的确定 据统计, 工作面液压支架的购置费在综 采成套设备中约占 70% 左右。在不同的原则 指导下, 支架支护强度的确定有两种不同的 观点。一种在够用即可的原则指导下, 适当降 低支架的支护强度, 发展轻型( 经济型) 支架, 以求降低支架重量, 减少投资; 另一种观点主 张向重型化发展, 通过加大支架的支护强度, 提高支架的可靠性, 亦就是走一条高投入, 高 产出、高效益的路子。以美国为例, 近年来液 压支架有明显向重型化发

13、展的趋势。 在考虑支架支护强度时, 根据本矿井支 架高度大、稳定性差、要求可靠性较高的实 设备名称 液压支架 端头支架 ( 上端头) 端头支架 ( 下端头) 采煤机 刮板输送机 可伸缩带式输送机 设备型号 4 综采设备选型及配套 根据梁家矿井 2# 煤层开采条件以及采 用一次采全高后出现的一系列困难因素 ( 诸 如设备大型化、复杂化、机动性差、管理难 度加大) , 结合当时国内采煤机装备水平及能 力, 认为工作面年产在 60 万 t / a 比较符合实 际, 同时具备实现年产 100 万 t 的能力。经过 议标最终确定主要设备型号见表 1。 结合 “三软”厚煤层大采高工作面的特 点, 对设备配

14、套提出了以下要求: ( 1) 采煤机能切割到刮板输送机机头、 生产能力/ t·h - 1 表 1 综采工作面设备配备 功率/ kW 700 700 800 300 2×160 160 11 机尾端部, 以便处理端部底煤、并能自开缺 口。 ( 2) 上端头处设置三架排头支架。因排 头支架比相邻工作面中部支架滞后, 故顶梁 加长 600mm。 ( 3) 工作面刮板输送机采用的是侧卸式 机头, 双速电机、封底溜槽。 ( 3) 两架组合迈步前进, 避免了端头区 大面积空顶移架现象; ( 4) 拉架容易、速度快, 节省了大量的 生产准备时间; ( 5) 与转载机和刮板输送机配套更加合

15、 理, 可以实现带拉刮板输送机头部, 减少生 产环节。 5 端头液压支架 综采面下端头因运输巷高度大 ( 3800mm) 、端头设备体积大等原因, 配套设 计确定设置端头支架。支架设主、副两架。主 架顶梁宽 1. 932. 1m, 长 8. 0m, 支护高度 2. 04. 0m; 副架顶宽 1. 131. 3 m, 二者互 为基点交替前移。 在实际使用中, 因受采动影响, 顺槽收缩 变形, 致使主、副架不能同时使用。因此被迫 拆除了副架, 只保留主架支护端头。为了解决 端头支架移动问题, 现场将副架置于工作面 前方 80100mm 的顺槽 内作为锚固支架, 通过圆环链及液压千斤顶拉主架。经过上

16、述 改进, 明显缩短了移架的时间。在试采及初期 开采期间, 端头支架使用效果比较理想。但仍 存在以下问题: 重量大、体积大, 移架时需先 将端头支架前的超前支护撤除, 形成空顶拉 架, 且拉架过程中频繁升降, 容易破坏顶板, 造成漏顶。 随着采深加大, 回风巷沿空送巷, 工作面 回采时, 巷道变形加大, 端头支架拉移变得比 较困难。有时需投入大量的人力、物力, 进行 扩帮、挑顶、卧底等超前处理。可以说, 端头支 护成为影响生产的主要因素。 经反复论证、调研, 梁家煤矿试制了轻 型组合端头支架, 见图 2。经过现场实践证明 它具有以下特点: ( 1) 支架重量轻, 使用灵活方便; ( 2) 对端

17、头巷道高度和宽度变化均有较 强的适应性; 图 2 轻型组合端头支架 a- 平面布置 b- 结构 6 结语 ( 1) 龙口矿务局梁家矿井在 “三软”厚 煤层条件下, 成功地采用综采一次采全高技 术, 工作面单产突破了百万吨大关, 属国内 首次。1996 年全矿井产煤 166 万 t , 实现利润 4545 万元, 取得 了显 著的 技术 经济 效 益。 1992 年与分层开采进行了对比分析, 仅巷道 工程及铺网费用每年即可节约 1451 万元。 ( 2) 液压支架及其配套设备经受住了基 本顶初次来压和周期来压的考验, 各配套设 备的单机性能、配套性能适应了矿井的实际 生产条件。 ( 3) 综采运

18、输巷与回风巷采用锚网喷支 护, 较好地解决了 “三软”大断面支护的难 题, 矿井在生产中进一步试验了注浆锚杆, 使 沿空回风巷支护取得了较理想的效果, 为综 · · 采工作面的连续、正常和安全生产创造了良 好条件。 参考文献 煤炭技术, 1995 ( 4) 2 张传国等. 软岩高架综采轻型端头支架的研制. 山东煤 炭科技, 1997 ( 1) 1 谢海峰. “三软”大断面综采顺槽采用锚网喷支护. 东北 FACE DISIGN AND EQUIPMENT CHOICE FOR MINING FACE IN CONDITI ONS OF WEAK SEAM INCLUDING

19、WEAK ROOF AND FLOOR Xie H aifeng Guo Junsheng Abstr act Discussed about how to lay out fully mechanized mining face and choose e- quipment of Liangjia in longkou Coal Mine bureau and how t o choose the equipment s of plicat ion and improving situat ion. Combined wit h pr oduct ion sit uation, aft er put