村庄压煤开采方案设计及开采方法比选分析

刘　贵，徐乃忠

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；2.煤炭科学研究总院 北京开采研究院，北京 100013)



村庄压煤开采方案设计及开采方法比选分析

刘贵1，2，徐乃忠1，2

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；2.煤炭科学研究总院 北京开采研究院，北京 100013)

[摘要]为了解决某煤矿某开采块段村庄压煤问题，通过综合分析，认为条带开采具有现实可行性，并进行了条带开采采留宽尺寸设计，提出了满足条件的开采方案。通过比较连续采煤机条带式“旺格维利”采煤法及短壁采煤机开采的适用条件、应用范围，并进行了经济效益分析后，认为短壁采煤机具有更好的适用性。为其解放村庄压煤探讨了新的途径，可供类似开采条件的矿区参考。

[关键词]村庄压煤；条带开采；连续采煤机；“旺格维利”采煤法；短壁开采

[引用格式]刘贵，徐乃忠.村庄压煤开采方案设计及开采方法比选分析[J].煤矿开采，2015，20(6)：87-89.

由于我国人口多，村庄密，多数矿区面临村庄压煤问题，一般占矿井储量的10%~30%，一些局矿占40%，甚至更多[1-2]。某煤矿某块段地面村庄较多，共4个村庄，搬迁困难，一方面是由于无地可搬，找不到合适的新村址；另一方面是由于各村庄保护煤柱线相互交叉，搬一个村庄解决不了问题，搬迁成本高，经济效益不合理。条带开采是解决建(构)筑物下压煤的一个有效途径[3-4]，应用也较为广泛，通过综合分析认为采用条带开采解放部分村庄压煤较为现实可行，在此基础上进行开采方法的比选分析，确定本条件下的开采方案。

1村庄及保护煤柱概况

在研究块段范围内地表标高平均为35.0m，地面共有4个村庄，编号分别为村庄1、村庄2、村庄3和村庄4。为了进行村庄压煤开采设计，首先根据垂直剖面法划定各个村庄的保护煤柱，见图1。由图可知保护煤柱线互相重叠。

图1　研究块段范围和各村庄及保护煤柱井上下对照

研究块段位于某矿主井西部，东至西九下山，西至西六采区设计下山保护煤柱线，南至-400m大巷，北至7号煤层-850m底板等高线，其走向长约2500m，倾向长度1000m，面积约为2.0km2。开采煤层为山西组7号煤，厚度为2.88~5.5m，平均厚度3.9m。煤层倾角12～37°，平均21°，属单斜煤层，煤层容重1.35t/m3。

2条带开采方案设计及预计分析

为确保房屋只受微小损坏，确定地表最大水平变形值小于1.0mm/m。考虑到本区域地表潜水位较高，地表最大下沉量须控制在400mm以内，通过单工作面开采预计分析，确定该村庄煤柱开采的最大宽度为70m。

为保证煤柱长期稳定，煤柱内需有核区存在，煤柱留宽按三向受力状态计算，采用A.H.Willson法，当条带煤柱有“核区”存在时，也即留设煤柱宽度a≥0.01mH+8.4，对于研究块段，留设条带的宽度需大于34m，则保留的条带煤柱呈三向受力状态。这时留宽a按下式计算[5]：

(1)

式中，a为留宽，b为采宽，m为采厚，H为采深。

此时的a值为给定采宽b的最小值。以不同的采宽可得到的最小留宽见表1，因计算得到的留设宽度是在该条件下的最小值，为此我们适当取大，具体取值见表1。

表1　采留宽度计算

选择表1中的最大下沉系数进行计算，从计算结果知，整个研究块段采用条带开采，在采宽取最大70m，留宽也取70m的情况下，地表最大下沉为419mm，稍微超过了400mm的限制，但对房屋的影响不大，最大水平拉伸变形为0.66mm/m，最大倾斜变形为1.25mm/m，地表移动与变形值均在村庄房屋允许的变形值以内，该移动变形值对民房影响很小，所以认为这几种方案都是可行的。具体选用何种方案，视井下具体开采条件而定。

为解放研究块段的村庄压煤，在采用条带开采方法的基础上，分析对比在采出的条带内采用连续采煤机“旺格维利”采煤法和短壁采煤机进行回收煤炭的可行性。

3连采机“旺格维利”采煤法及开采工艺

3.1短壁工作面布置方式

连续采煤机配备连续运煤系统短壁机械化开采的工作面布置相对较灵活，工作面准备时间短，为不适合布置长壁工作面区域煤炭回采提供方便[6]。采用连采机开采可布置为条带式工作面进行回采。

条带式短壁工作面设两条平巷，即带式平巷和辅运平巷，平巷间留约20m煤柱。沿平巷两翼每隔一段距离掘与平巷呈一定角度(60°左右)的支巷和联络巷，两翼整体向前推进，边掘平巷、支巷，边回采。平巷、联络巷及支巷均采用锚杆支护。工作面布置见图2。

图2　连采机配备连续运煤系统短壁机械化工作面及巷道布置

3.2回采工艺

各回采工序采用连续采煤机及其配套装备依次完成。即：用连采机进行截割煤和装煤，经连续运煤系统转载到带式平巷胶带机进入矿井主运系统，采用2台履带行走式液压支架进行支护。当支巷掘进完成后，开始后退式回采，采硐与支巷方向成一定角度(一般为45~60°)，采用单刀进刀方式。2台履带行走式液压支架交替移架，支架前移后，采空区采用全部垮落法管理顶板。支架应滞后采硐0.5m以内，以最大限度缩小空顶面积，减少煤柱留设。回采工艺及设备布置见图3。

图3　连续运输系统短壁机械化回采工艺及设备布置

3.3适用条件

根据各方面资料显示及现场调研情况[7]，连续采煤机适用于埋藏深度<500m，煤层厚度1.3~4.0m，倾角<12°，煤层顶板中等稳定以上，顶板允许暴露面积50m2，可锚性好，底板抗压强度不能太低的矿井。对于不完全具备上述条件的煤层，也有个别用连续采煤机回采的实例，比如在美国、澳大利亚，中国。

4短壁采煤机开采设备配套和采煤工艺

短壁采煤机分为电牵引、新式液压牵引、老式液压牵引短壁采煤机，电牵引生产能力最大。随着煤矿生产技术的不断发展，以及电子技术的不断进步，电牵引成为我国综合机械化采煤设备的发展方向[8]。

4.1短壁采煤机的特点及发展概况

短壁采煤机是一种特殊的单滚筒采煤机，性能良好，用途较广泛。其基本特点是：机身短，一般在3m左右；一个摇臂布置在机身中部，能左右摆动或转动270°以上；进刀方式采用直接进刀，待滚筒完全进入巷道后，采煤机和输送机一起直接进刀；采高范围通过改变摇臂长度和机面高度完成。

在短壁采煤机的研制方面，我国走在了世界前列，在20世纪80年代末、90年代初煤炭科学研究总院上海研究分院就研制开发了MGD-N系列液压牵引短壁采煤机，其中有用于综采的MGD150-NW，MGD250-NW无链牵引和用于普采或综采的MGD150-N有链牵引短壁采煤机。2000年以后，又研发了MG/-NWD系列电牵引短壁采煤机，大大提高了短壁采煤机的各项性能指标，提高了其适用性。

4.2工作面设备配套及采煤工艺

短壁式开采配套设备有短壁采煤机、液压支架、工作面输送机、转载机、带式转送机等。

采煤工艺分机尾进刀和机头进刀2种。由于机尾进刀采煤工艺的采煤机稳定性较好，故一般采用机尾进刀采煤工艺。工艺如下：

(1)采煤机从轨道巷向运输巷割顶刀，移架，采煤机爬上输送机机头，割顶煤；采煤机摇臂落下，爬下输送机机头，割底煤。

(2)采煤机从运输巷向轨道巷割底刀。跟机推输送机，爬上输送机尾，割底煤。采煤机举起摇臂，把滚筒放在轨道巷断面之内，推输送机机尾进刀。

4.3短壁采煤机应用范围

短壁工作面长度一般为20～60m，传统的长壁采煤机不适用，短壁采煤机为单滚筒采煤机，能适用以下特殊开采条件需要：急倾斜特厚煤层水平分层放顶煤开采；“三下一上”采煤；煤柱和不规则边角煤回收；长壁面开机窝；煤巷掘进。

5开采工艺对比分析

根据有关文献及调查[9]，从以下几方面对比分析两种采煤方法的差别：

(1)采煤方法及生产能力MG250/300-NWD电牵引短壁采煤机，产量约可以达到2400t/d；美国JOY公司的12CM系列连续采煤机产量可达1000t/d。短壁(60m)、连续采煤机工作面原煤产出之比为l∶0.42。

(2)成套设备购置费用短壁式开采成套设备价格约1050万元，连续采煤机成套设备价格约3700万元，短壁、连续采煤机工作面设备投入之比为l∶3.52。

(3)投入产出比若只考虑设备投入和原煤产出，则短壁、连续采煤机工作面投入产出比为1∶8.38。

(4)设备装拆搬运短壁采煤机的推进速度较快，一两个月要搬一次家，故设备的装拆搬运较频繁。

(5)适应性连续采煤机使用连续运输系统后，可实现不间断运煤，机械化水平高，掘采合一，对于地质条件复杂的区域，连采是一种高效、安全的开采方法。但其适应性稍差，对采矿条件要求较高，如对采深、采厚、底板坡度都有要求。

从以上分析可知短壁采煤机投入少、产量大。考虑地质采矿条件对两种开采方式的适应性，短壁采煤机在本研究区域适应性更好。

6结论

(1)通过对某煤矿研究块段地层结构分析及地面村庄房屋质量评定，结果显示村庄压煤采用条带开采是可行的，并且进行了采留条带尺寸的设计，提出了满足设计条件的开采方案。

(2)分析比较了连续采煤机条带式“旺格维利”采煤法、短壁采煤机开采的回采工艺，适用条件和应用范围，并通过生产能力、初期设备购置费用，投入及产出比等的分析，认为就本研究区域而言，短壁采煤机具有更好的适用性。

[参考文献]

[1]刘贵，张华兴，徐乃忠.深部厚煤层条带开采煤柱的稳定性[J].煤炭学报，2008，33(10)：1086-1091.

[2]刘贵，徐乃忠，邹友平.全采区与条采区隔离煤柱留设宽度研究[J].中国煤炭，2011，37(1)：49-52.

[3]杜计平，汪理全.煤炭特殊开采方法[M].徐州：中国矿业大学出版社，2003.

[4]刘贵，韩邦华，邢峰，等.条带开采煤柱塑性区宽度的数值模拟与计算[J].煤炭科学技术，2009，37(3)：4-6，37.

[5]吴立新，王金庄，郭增长.煤柱设计与监测基础[M].徐州：中国矿业大学出版社，2000.

[6]肖鹏举，杨玉斌，赵俊辉.连续运煤系统短壁机械化开采工艺[J].煤矿开采，2003，8(4)：31-34.

[7]陈钢.连续采煤机在“三下”采煤中的应用前景[J].煤炭科学技术，2003，31(1)：18-21.

[8]伍丽娅，冯泾若.短壁采煤机研究与总体设计[J].煤矿开采，2002，7(4)：8-11.

[9]伍丽娅，冯泾若.短壁工作面和短壁采煤机的经济技术分析[J].煤矿开采，2002，7(3)：6-9.

[责任编辑：李青]

Mining Design under Villages and Comparison Analysis of Mining Method

LIU Gui1,2，XU Nai-zhong1,2

(1.Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.,Beijing 100013，China；

2.Coal Mining & Designing Department，Beijing Mining Research Institute，Beijing 100013，China)

Abstract：In order to solve the problem of coal mining under villages，through comprehensive analysis，strip mining is considered be feasibility in realistic，meanwhile，a series of mining width and retaining width is studied for strip mining and eventually a mining project is put forward to meet the unique conditions.By comparing application conditions and range of application between continuous miner used in strip type of Wongawilli coal mining method and shortwall mining method，the author analyzes the economic benefit and draws a conclusion that shortwall mining method has better applicability.Those all provide a new way to mining under villages in a mine and the conclusion can also be used for reference in similar mining conditions.

Key words：coal overlain by villages，strip mining，continuous miner，wongawilli coal mining method，shortwall mining method

[作者简介]刘贵(1980-)，男，安徽蒙城人，副研究员，主要从事“三下”采煤、矿山岩体力学及相关方面的研究工作。

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.06.023

[收稿日期]2015-06-23

[中图分类号]TD823.6

[文献标识码]A

[文章编号]1006-6225(2015)06-0087-03