柠条塔煤矿1.6m较薄煤层综采工作面设备配套

段书武,刘俊峰,王建文,张科利

(1.天地科技股份有限公司，北京 100013; 2.陕煤集团神木柠条塔矿业有限公司，陕西 神木 719300)



柠条塔煤矿1.6m较薄煤层综采工作面设备配套

段书武1,刘俊峰1,王建文2,张科利2

(1.天地科技股份有限公司，北京 100013; 2.陕煤集团神木柠条塔矿业有限公司，陕西 神木 719300)

[摘要]基于浅埋深薄基岩较薄煤层解放层开采存在开采强度大、装机功率大、过机空间小等特点，通过分析围岩特性合理确定液压支架支护强度，优化三机配套，保证装备功率条件下降低采煤机机面高度。在液压支架设计中采用缩短顶梁长度、保证初撑力、提高切顶力等措施对顶板进行有效控制；在浅埋深薄基岩1.6m采高开采实现了日产万吨的目标。

[关键词]较薄煤层，设备配套，初撑力，支护效率

[引用格式]段书武 ,刘俊峰,王建文，等.柠条塔煤矿1.6m较薄煤层综采工作面设备配套[J].煤矿开采，2015，20(6)：34-36.

近十年来，综采装备技术有了长足的发展，主要表现在整体装机功率的增加和开采强度的增大。2008年在5.0m采高煤层中实现了产量6Mt/a，2011年在6.5m煤层中实现了年产千万吨(相当于1.6m煤层产量2.5Mt/a)。但对于实际开采1.6m较薄煤层，年生产能力长期徘徊在百万吨左右，其原因主要在于大功率设备的尺寸难以适应较低的开采空间，1.6m较薄煤层机组的装机功率难以提高，生产能力得不到发挥。

神南矿区厚度在1.3～2.3m之间的1-2煤层储量接近0.4Gt，柠条塔矿业公司1-2较薄煤层面积达到5.8373×107m2。其下部为厚度在4.5～6.0m之间的2号主采煤层。上覆较薄煤层的开采速度制约矿井主采煤层的开采。神南矿区较薄煤层存在煤层硬、浅埋深、薄基岩、厚砂土层等特点，给液压支架支护强度确定和工作面设备选型带来较大的困难。

1神南矿区较薄煤层围岩特性

神南矿区1-2煤层埋深为30～110m，砂土层厚度10～70m，属典型浅埋深薄基岩煤层。煤层硬度系数3～4，属坚硬煤层。其围岩特性如下：

(1)1-2煤层属于解放层开采煤层，其下部2号厚煤层为矿井主采煤层，直接影响矿井产量。要求1-2煤层快速推进，平均每日推进20m，最高日推进达24m。较快的推进速度提高了工作面的来压强度。

(2)坚硬煤层和高强度开采要求装备大功率采煤机和工作面刮板输送机，较低的煤层厚度要求工作面设备尺寸较小，二者存在一定的矛盾。较薄煤层开采的采煤机机面高度在983mm左右，工作面最低采高1.45m时，液压支架与采煤机的安全过机空间在299mm左右，液压支架降架高度为150mm。留给工作面顶板下沉量的空间非常有限，要求液压支架具备较高的初撑力和支护强度，最大限度减小工作面顶板下沉量。

(3)工作面顶板来压剧烈。根据观测，工作面推进到85m左右时，出现较大压力，强度在0.8MPa左右，工作面推进100m左右时，地表即出现裂隙。

2工作面参数确定

1.6m左右较薄煤层综采工作面总体参数优化设计及工作面设备参数确定主要在综合考虑设备能力、管理水平、煤柱留设对下部开采影响、煤层地质条件等情况下合理确定工作面参数[1]。详细设备参数主要涉及工作面支护强度、液压支架行人空间、采煤机机面高度、过煤空间、刮板机能力及强度、配套最小采高等[2]。确定工作面长度为300m，能有效发挥设备的性能，且工作面压力、生产管理等均在合理范围内。

煤层平均厚度取1.6m，工作面割一刀煤的产量可按下式计算：

Qg=L·Bg·Hg·γ·Kg=300×0.8×1.6×1.3×0.98=489.2(t)

式中，Qg为割一刀煤产量，t；L为工作面长度，m；Bg为采煤机截深，m；Hg为采煤机平均割煤高度，m；γ为煤的密度，t/m3；Kg为采煤机割煤回收率，取0.98。

工作面设备配套能力取3Mt/a，按年工作日330d计算，则日产量为9091t，每日需割煤9091÷489.2≈19刀。采用“四六制”作业，每班工作6h，三班产煤一班检修。每班需割煤6刀，采煤机平均割煤速度7.5m/min以上，液压支架移架时间控制在12s以内，工作面开机率保持在80%以上。

3液压支架设计分析

考虑顶板特性、配套情况、回采工艺特点等因素，浅埋深薄基岩综采工作面液压支架设计具有如下特点：

(1)采用大伸缩比立柱[3-5]为满足1.45～2.3m的采高要求，通过减小立柱固定端长度，增加立柱伸缩比。在保证液压支架强度的条件下，通过减小顶梁和底座厚度进一步减小液压支架最低高度。

(2)液压支架支护效率低[6-8]为满足支架调高幅度要求，加大了支架立柱倾斜度，在最低采高1.45m时，立柱倾斜角达到43°，支护效率仅为0.73。

(3)具备大工作阻力顶板及围岩控制要求液压支架具备较高的支护强度，经矿压观测和理论计算可知，液压支架所需支护强度≥0.8MPa[9]。按照工作阻力确定公式[10]，考虑立柱系列标准，选用直径380mm的立柱，立柱安全阀开启压力设定为44MPa，液压支架合理工作阻力取10000kN。

F≥q·B·(L+C)/η=0.8×1.75×(4.65+0.513)/0.73=9901.6(kN)

式中，F为液压支架工作阻力，kN；q为支护强度，MPa；B为支架中心距，m；L为支架顶梁长度，m；C为梁端距，m；η为支撑效率。

(4)短顶梁高初撑力高切顶力较薄煤层液压支架与采煤机安全过机空间较小。要求严格控制顶板下沉量，否则安全空间不够，采煤机无法通过。

浅埋深煤层工作面来压时的顶板下沉量的计算公式[11]为：

SD=Δ·(L+C)/Li

Δ= M-H(K-1)

式中，Li为来压步距，取25m；Δ为顶板最大周期下沉量，m；H为直接顶的厚度，取2.0m；M为采高，取1.6m；K为直接顶松散系数，取1.3。经计算得Δ=1.0m；SD=0.206m。

可知在顶板来压期间，顶板下沉量为206mm，所以液压支架与采煤机的安全空间应大于250mm比较合理。由于配套要求，最小采高时，液压支架可降高度只有150mm，需要通过增加液压支架的初撑力来减小顶板下沉量。

工作面顶板下沉量与液压支架初撑力的关系可表示[12-13]为：

式中，Fm为液压支架末阻力，kN；F0为液压支架初撑力，kN；Fm-F0为增阻量，kN；B为循环进尺，m；K为底板-支架-顶板串联抗压缩刚度，kN/mm。

支架刚度是支架围岩关系中稳定性的永久性指标，受架型、立柱缸径、结构、钢材型号、部件间隙等影响，是控制顶板下沉量的重要指标，支架设计时要重点予以考虑。开采实践和理论分析证明，液压支架末阻力是来压表现特征。减小顶板来压下沉量的方法包括提高液压支架初撑力、减小顶梁长度以及增加顶梁后端切顶力。在满足各优化目标的前提下，液压支架初撑力设计为7145kN。由于配套的采煤机和刮板输送机尺寸较大，在保证配套尺寸的前提下，最终将顶梁长度缩短为4.65m。结合合理的合力作用点位置调节，采用1个φ200mm缸径平衡千斤顶，增加平衡千斤顶对顶梁合力作用点的调节范围，可以最大限度减小工作面顶板来压下沉量。

4采煤机机面高度影响及对策

工作面最低采高需要考虑配套后采煤机的机面高度、采煤机与液压支架的安全空间以及液压支架的顶梁厚度。采煤机的机面高度又影响采煤机的过煤空间和装机功率。在保证过煤空间和装机功率的前提下降低机面高度，采用多电机平行或纵横布置方式，滑靴采用骑铲板方式；对刮板输送机而言，应采用特殊的槽帮结构，选用扁平圆环链，优化槽高与链条直径、过煤空间之间的关系，最大限度降低机面高度；对液压支架来说，采用特殊型立柱，选用高强度结构钢板式顶梁断面结构型式来降低顶梁厚度，在不影响强度的前提下，优化结构件布置形式以解决支架各部件空间干涉问题。

通过优化配套，采煤机机面高度为983mm，顶梁厚度168mm，安全空间299mm，过煤空间为327mm，为保证装煤效果，采用直径1450mm滚筒能够满足工作面采高1.45～2.3m的要求。另外采用新型交叉侧卸机头，高度由780mm降为720mm。调整犁煤板结构、优化卸载口尺寸，减小了拉回煤现象。机尾高度由780mm降为670mm。工作面设备配套参数见表1。

表1　工作面设备配套参数

5工作面开采实践

2012年在柠条塔矿业有限公司N1112综采工作面开采期间，采高控制在1.5～1.75m之间，采用电液控制系统，实测液压支架移架速度8s/架，采煤机最大割煤速度9m/min，最高日割煤30刀，推进24m，最高日产超过1.3×104t，最高月产33×104t，年产达到3Mt。较薄煤层解放层的快速推进，保证了下部主采厚煤层的正常开采，产生了良好的经济技术效益。

6结论

(1)浅埋深薄基岩较薄煤层开采来压强度大，液压支架的支护效率低，要求液压支架具备高工作阻力。

(2)浅埋深薄基岩较薄煤层配套设备过机间隙小，液压支架要具备高初撑力、短顶梁、高切顶力的特点。

(3)通过液压支架合理设计配套优化，1.6m采高条件可实现日产万吨和年产3Mt的目标。

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[责任编辑：徐亚军]

Research on Fully Mechanized Face Equipment of 1.6m Thin Seam in Ningtiaota Coal Mine

DUAN Shu-wu1，LIU Jun-feng1，WANG Jian-wen2，ZHANG Ke-li2

(1.Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China；

2.Shenmu Ningtiaota Coal Mining Co.，Ltd.，Shaanxi Coal Mining Group，Shenmu 719300,China)

Abstract：The characteristics of large mining intensity，large installed power and little control space is existed in thinner seam with shallow overburden and thin bedrock.The support strength is determined by analyzing the characteristics of surrounding rock.The shearer height is decreased by optimizing 3- machines matching.The hydraulic support design of shorten the length of top bean，improving setting support strength and cutting roof force are used to control roof.The output target of 10000t per day is achieved with 1.6m mining height in thinner seam with shallow overburden and thin bedrock.

Key words：thinner seam；equipment match；setting load；support efficiency

[作者简介]段书武(1973-)，男，河南唐河人，工程师，现从事煤矿巷道锚杆支护技术研究工作。

[基金项目]国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2014CB046302)；陕西省科技统筹创新工程(2011KTZB01-02-05)

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.06.009

[收稿日期]2015-05-05

[中图分类号]TD355.4

[文献标识码]A

[文章编号]1006-6225(2015)06-0034-03