林南仓矿综采技术分析与展望①

桑 磊

(开滦林南仓矿业分公司，河北 唐山 064106)

0 引言

纵观我国采煤技术发展历程可分为四个阶段:第一，五、六十年代近20年时间主要是炮采;第二，六十年代末到八十年代初主要是普采阶段，实现了采煤机械化发展的第一步;第三，到八十年我国大面积推广应用综合机械化采煤，由此实现了采煤技术在我国的迅速发展，这十年是我国机械化发展最快、经济效益大幅度提高的时期;第四，从九十年代到现在，我国开始试验和推广应用综采放顶煤开采技术，这个时期，机械化采煤技术发展到了较高水平，采煤机械化的较快发展为我国煤炭工业的进步起了决定性的作用。开滦集团林南仓矿1985年投产以来，先后经历了炮采、普采，到2000年引进了ZFQ2400－16/24轻型放顶煤支架及配套设备和ZY3200－13/32型综采支架及配套设备，2010年引进ZF4000－15.5/25型综放支架及配套设备。

1 综采工作面设备配套分析

1.1 综采工作面开采技术参数的确定

综采工作面开采技术参数包括采高、工作面长度、推进长度、循环进度等。

1.1.1 采高

采高的确定主要取决于拟开采煤层的赋存厚度、液压支架所能达到的最大支撑高度、采煤机型号等。

1.1.2 工作面长度

根据观测总结的矿压显现规律可知，采高增加，矿压显现强度增强，工作面长度加长，矿压显现强度也会趋于强烈。在总结分析矿压实测成果的基础上，结合拟开采煤层的岩层结构及赋存条件，充分考虑到采高、工作面长度对矿压显现和采场顶板岩层安全控制具有双重影响作用再确定合理的工作面长度。

1.1.3 推进长度

开采设计时工作面连续推进长度主要依据采区布置划分与地质条件等确定，同时也要考虑到采煤机、输送机和液压支架等关键设备的大修周期和使用寿命，并兼顾到综采工作面搬家难度、搬家时间、搬家费用等因素。

1.2 设备配套合理性选择

1.2.1 液压支架

液压支架的支护强度应该大于顶板所需的支护强度。顶板所需的支护强度取决于顶板的等级和煤层厚度，可按经验公式确定，即:

式中:Q为支护强度，MPa;K为作用于支架上的顶板岩石厚度系数，K=4～8;H为煤层采高，m;r为岩石密度，t/m3。

1.2.2 采煤机

1)工作面生产能力的确定

工作面综合生产能力可根据公式确定，即:

式中:q为工作面生产能力，t/h;Q为年设计生产能力，t;K为生产不均衡因素，一般取1.1～1.25;h为年工作时间，h;s为时间利用系数，一般取0.2～0.5。

2)采煤机生产能力的确定

采煤机是综采工作面的核心部件，在工作面生产能力已确定的情况下，采煤机的生产能力应大于等于工作面生产能力，即:

采煤机生产能力 q1的核算可用公式计算，即:

式中:V为采煤机牵引速度m/min;H为工作面采高m;B为采煤机截深m;r为煤体容重t/m3。

1.2.3 刮板输送机

刮板输送机的运输能力应大于采煤机的生产能力。

1.2.4 综采工作面“三机”几何关系的配套

在“三机”几何配套中，应保证以下相关尺寸:铲板到滚筒内侧距离应在180～200 mm;梁端距应在200～400 mm;一次采全高支撑高度取煤厚加200 mm;过煤高度应在400 mm以上。放顶煤开采支撑高度符合要求即可。

1.2.5 工作面其它运煤设备

工作面转载机及皮带的运输能力应大于工作面刮板输送机的运输能力。

2 林南仓矿一次采全高综采技术现状分析

一次采全高综采一般认为是指分层高度和采煤机割煤高度小于3.5 m的综采。目前国内一次采全高采煤法最大采高已达7.0 m，随着大采高设备和技术的进步，大采高综采已成为我国安全高效矿井的主要采煤方法之一。2002年以来，林南仓矿引进ZY3200－13/32型支架及配套设备在11煤层进行了试验，取得了较好的效果，为该矿综采技术积累了经验。最近该矿又将此种支架投入到9煤层(三软煤层)和12煤层进行试验。

2.1 一次采全高综采的主要特点

与林南仓矿现有的综放开采相比，一次采全高综采具有工序简单、设备投入较少、便于管理、搬家倒面快捷、可以在林南仓矿各个煤层厚度较小的区域使用等特点。

2.2 一次采全高综采实例

林南仓矿1112综采工作面是一个位于井田边界煤层相对比较薄的工作面，工作面推进长度700 m，工作面长度90 m，回采量37.5万吨，平均煤厚为3.3 m，采高为3 m，月生产能力达5万吨。

液压支架选用ZY3200－13/32型支架60组。

工作面采煤机选用西安煤机厂MG－200/500－AWD型采煤机一部。

工作面刮板输送机选用张家口煤机厂生产的SGZ－730/200*2一部。

工作面转载机选用SZB－730/40*2一部。

工作面破碎机选用张家口煤机厂SZZ－730/200一部。

乳化液泵选用山东淄博BRW200/31.5一台，三泵两箱。

3 林南仓矿放顶煤开采技术现状分析

3.1 放顶煤开采的特性

放顶煤开采是针对厚及特厚煤层开采发展起来的一种采煤工艺。它是在厚煤层的下部布置一个采高2～3 m的工作面，随着工作面的推进，在前方支承压力的作用下，使工作面上部的煤体压裂破碎，并在支架尾部切顶线附近冒落放出的一种采煤方法。它与其它采煤方法的不同在于，除有一个包括破、装、运、支、控全部工序和普通长壁采煤工作面外，同时在支架的后部还有一套破、放、运等的顶煤回收系统，即前后两个采出煤炭的工作场所组成了一个完整的放顶煤工作面。这种采煤方法是我国目前安全高效矿井普遍使用的采煤方法之一。

3.2 林南仓矿放顶煤技术的现状

我国综放的发展始于80年代，90年代我国综放技术迅速发展，综放技术日趋成熟。在设备、工艺、安全保障等方面做了大量的理论研究和现场试验，为近几年的发展打下了坚实的基础。使用条件由初期的缓倾斜煤层发展到倾斜、急倾斜煤层;从厚煤层到特厚煤层;由开采条件较好工作面发展到条件较差的“三软”、“两硬”、“不稳定”煤层。其中以缓倾斜厚煤层工作面的效果最明显，工作面最高年产量达到500万吨以上。目前，我国综放技术使用的数量、范围、技术的先进性和取得的效果，均居世界领先地位。林南仓矿从2000年引进轻放支架，矿井产量从60万吨提高到90万吨，2010年引进综放支架，矿井产量从90万吨迅速提高到120万吨。目前，林南仓正在努力拓展、研究将综放支架在“三软”煤层进行试验。

3.3 放顶煤开采实例

林南仓矿1185综放工作面是该矿首个综放工作面，工作面推进长度1020 m，工作面长度120 m，平均煤厚5.5 m，可采煤量115万吨，采高2.3 m，年生产能为80万吨。

液压支架选用开滦铁拓煤机厂生产的ZF4000－15.5/25型支架 76组，过渡支架为ZFG4800－17/28型支架6组。

工作面采煤机选用西安煤机厂MG－200/500－AWD型采煤机一部。

工作面刮板输送机选用张家口煤机厂SGZ－730/200*2两部。

工作面转载机选用SZB－730/40*2一部。

工作面破碎机选用张家口煤机厂SZZ－730/200一部。

乳化液泵采用山东淄博生产的BRW200/31.5一台，三泵两箱。

4 林南仓矿大倾角综放技术现状分析

4.1 大倾角煤层开采现状

从20世纪80年代开始我国研制了大倾角煤层综采设备，并在沈阳红菱煤矿、开滦唐山煤矿等进行了工业性试验，虽然取得了一定效果，但尚未投入正式生产。此前，我国从德国等国引进了一批大倾角综采机组，并在北京、四川南桐等矿区进行了试用，但均未取得较好的效果。开滦集团采用国产ZF4000－15.5/25大倾角综放支架，解决了大倾角厚煤层综放开采的技术难题，已经应用于煤层倾角50°以上的煤层，并且开采至今。

4.2 大倾角综采技术实例

2004年，开滦集团公司在赵各庄矿3237东工作面采用ZF4000－15.5/25型放顶煤液压支架进行了大倾角分层开采试验。2010年在林南仓矿1185工作面，煤层厚度4.2～7.4 m进行了放顶煤开采试验，平均日产2312 t，最高日产达到3010 t。目前林南仓矿正在开采的1184综放工作面(煤层倾角28°～37°，局部可达43°)是该矿首个大倾角综放工作面，工作面推进长度1160m，工作面长度140m，平均煤厚5.5m，可采煤量152万吨，采高2.3 m，年生产能力预计可达86万吨，平均日产2723 t，最高日产达3420 t。

液压支架选用开滦铁拓煤机厂生产的ZF4000－15.5/25型支架 88组，过渡支架为ZFG4800－17/28型支架6组，参见表1、表2。

表1 综放工作面普通支架参数表

表2 综放工作面过渡支架参数表

工作面采煤机选用西安煤机厂MG－200/500－AWD型采煤机一部。

工作面刮板输送机选用张家口煤机厂SGZ－730/200*2两部。

工作面转载机选用SZB－730/40*2一部。

工作面破碎机选用张家口煤机厂SZZ－730/200一部。

乳化液泵采用山东淄博生产的BRW400/31.5一台，三泵两箱。

5 林南仓矿采煤新技术的展望

5.1 减沉技术与采空区充填开采技术

5.1.1 建筑物下采煤与减沉技术

基于岩层控制的关键层理论，可将保证覆岩主关键层不破断失稳作为建筑物下采煤设计的基本原则。为了建筑物下采煤既具有较好的经济效益，同时又确保地面建筑物不受到损害，关键在于根据具体条件下覆岩结构与关键层特征来研究确定合量的减沉开采技术及参数，这是注浆减沉技术应用可行性分析、钻孔布置与注浆工艺设计及减沉效果评价的基础。通过向开采煤层上覆岩层的离层带内打孔，并向其空隙中注入泥浆，可以减缓地表下沉。该项技术已经进行了工业性试验，其地表下沉量比水沙充填减少了30% ～60%，最大下沉速度保持在0.5 mm/a。

5.1.2 采空区充填开采技术

采空区充填开采技术是绿色开采技术的重要组成部分，尤其在经济发达地区解决建筑物下开采更应受到重视。从理论上来说，充填采矿是解决煤矿开采环境问题的理想途径，但由于目前充填采矿的成本相对偏高，限制了该项技术在煤矿的试验与应用。在市场经济条件下，充填技术的关键是充填材料的选取及如何降低成本。另外就是充填技术本身，它应该包括充填系统与开采系统的协调;充填运输系统的畅通;充填后材料的力学特性等。

5.2 林南仓矿采煤新技术展望

林南仓矿井田地质条件复杂，三下压煤量较多，如何在高强度开采条件下控制围岩活动规律是实现林南仓矿高强度采煤条件下高效开采、安全开采、绿色开采技术的发展方向。林南仓矿在12煤层东一采区进行了条带开采试验，先在12煤层东一采区设计2222、2224和2226三个条带工作面，最终地面沉降较多，效果不明显。结合林南仓矿地质条件复杂、三下压煤量较多、目前水平衔接困难等特点，林南仓矿与河北理工大学合作研究采空区充填开采技术，目前正在林南仓矿二水平西一采区和工业广场附近进行采空区充填开采设计论证和建筑物下减沉开采设计论证。如果获得成功，采空区充填开采技术将在该矿西二大采区、林南仓镇压煤区域进行推广。

6 结论

随着现代化矿井的建设，生产集约化、设备成套化、队伍专业化、信息自动化是安全高效矿井发展的方向。本文从林南仓矿综采设备配套、一次采全高综采、综放开采、大倾角综放开采现状以及该矿开采技术的展望进行了简要分析。林南仓矿采煤技术在快速发展的同时，以下技术尚需研究开发:

1)高强度开采工作面装备智能化技术有待研究开发，真正实现煤机装备的自动控制将是主要的发展方向。

2)进一步研究提高工作面成套装备系统可靠性的综合技术。

3)进一步研究高强度开采条件下围岩活动规律，以实现林南仓矿高强度采煤条件下高效开采、安全开采、绿色开采的目标。

［1］ 王国法，等.高效综合机械化采煤成套装备技术［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2008

［2］ 李建民.开滦矿区大倾角开采技术［M］.北京:煤炭工业出版社，2009

［3］ 方新秋，等.煤矿无人工作面开采技术研究［J］. 科技导报，2008，26(9)

［4］ 方新秋，张雪峰.无人工作面开采关键技术［A］.煤炭开采新理论与新技术论文集［C］.徐州:中国矿业大学出版社，2006

［5］ 刘过兵.采矿新技术［M］.北京:煤炭工业出版社，2002