增加综采工作面长度技术探讨

惠武功

(陕西汇森煤业开发有限责任公司，陕西 西安 710065)

0 引言

综采工作面长度取决于煤层赋存条件及装备水平，在条件适宜、设备投入增加不大情况下，增加工作面长度，不仅可以减少巷道掘进率、工作面搬家次数、区段煤柱损失，还可以提高采区回采率、提高矿井产能、充分发挥装备效能。但增加工作面长度将会引起上覆岩层移动规律的变化，给工作面的支护带来困难。本文以凉水井煤矿42112工作面为例，介绍将工作面长度由240 m增加到310 m的技术分析与实践。

1 现状分析

凉水井煤矿位于陕北侏罗纪煤田榆神矿区东北部，地层平缓，总体为宽缓西北向倾斜的单斜构造，无褶皱，仅发育小型宽缓的波状起伏。可采煤层6层，3-1煤、4-2煤、4-3煤、4-4煤、5-2煤、5-3煤，其中4-2煤、5-2煤、5-3煤为中厚稳定可采煤层，3-1煤、4-3煤、4-4煤为局部可采煤层。目前开采4-2煤，煤层厚度2.7～3.3 m，平均3.0 m，埋深90～110 m，平均100 m，顶底板稳定，普氏硬度系数f=2～3，开采工作面为一盘区42112工作面。

截止2015年12月，4-2煤一盘区已顺序开采42105～42111共计7个240 m长的工作面。42111工作面推进长度4 380 m，月平均产量48.95万t。为充分发挥煤矿有利的地质条件和国产先进设备的技术优势，提高综采工作面的单产和资源采出率，降低巷道掘进成本和生产成本，减少搬家倒面的次数，提高煤矿产量，决定从42112面开始，工作面长度由240 m增加到310 m。现将综采工作面长度由240 m增加到310 m进行研究分析。

2 综采工作面生产条件分析

综采工作面长度增加70 m后，工作面支护跨度加长，支护面积增大，将会引起采场上覆岩层更大范围的破坏与移动，将会引起矿压强度及显现规律变化。矿压强度的变化对顶板支护提出了新要求，同时也对运输机输送能力提出了新要求。

2.1 综采工作面的生产技术条件

4-2煤层顶板以砂岩为主，为Ⅱ级2类中等稳定顶板。直接顶为细粒砂岩，平均厚度4.6 m，普式系数f=5，偶见0～0.2 m的泥岩伪顶。基本顶为中砂岩，厚度18.05 m，普式系数f=7～8。直接底为细粒砂岩，平均厚度19.5 m。基本底为粉砂岩。42112工作面煤层埋深100～120 m，工作面长310 m，推进度4 380 m，工作面中部较高，两端较低，俯仰斜开采，倾角1°～2°。

2.2 综采工作面的设备配套情况

根据煤矿综采设备使用情况，自42111综采工作面开始进行了综采设备更新。

液压支架：选用 ZY12000/20/40型液压支架共计141架(42112工作面181架)。

采煤机：选用MG900/2400-WD双滚筒电牵引采煤机(截深865 mm，牵引速度0～35 m/min)。

刮板输送机：选用SGZ1000/3×1000型中双链刮板运输机，输送能力3 000 t/h(42111综采工作安装2台电机，42112综采工作面安装3台电机)。

破碎机：选用PLM4500型，破碎能力4 500 t/h。

转载机：选用SZZ1350/525型，输送量4 000 t/h。

2.3 增加综采工作面长度后的设备配套性能分析

采煤机生产能力的确定

QC=60Hbvγ=2 209 t/h。

式中：QC—采煤机生产能力，t/h；H—工作面最大采高，3.3 m；b—截深，0.865 m；v—采煤机平均截割速度，10 m/min；γ—实体煤密度，1.29 t/m3。

刮板运输机运输能力和装机功率校验：工作面设备配置时，刮板输送机的输送能力Qs一般取采煤机小时生产能力的1.2倍，即：Qs=1.2QC=2 650 t/h。通过计算，在工作面长度310 m，采高3.3 m，截深0.865 m，采煤机割煤速度10 m/min的条件下，工作面刮板输送机输送能力2 650 t/h就可以满足。凉水井煤矿选用的SGZ1000/3×1000型中双链刮板运输机，输送能力为3 000 t/h，装机功率3 000 kW，大于工作面加长到310 m后所需的功率和运输能力，可以满足工作面要求。

2.4 增加综采工作面长度后的支架支护强度校验

按照普氏理论，顶板冒落高度hg与工作面跨度B和岩石的普氏系数f有关，即

hg=B/2f=24 m

式中：B为310 m；f为直接顶和基本顶岩石普氏系数的平均值，取最小值5；冒落带高度为31 m，此数值与采用RFPA软件建立凉水井煤矿4-2煤层及上覆岩层三维地质模型，用数值模拟法求解的冒落带高度一致。

如果根据顶板冒落高度的岩石质量(静压)来计算310 m长度工作面支架的工作阻力Pd，则

Pd=hggγ1LZBZ=6 578 kN

Pd′=1.5Pd=9 867 kN

式中：γ1—顶板岩石密度，取2.5×103kg/m3；LZ—支架顶梁长度，取4.85 m；BZ—支架顶梁宽度，取1.75 m；Pd′—动压，取载荷系数1.5倍。

通过计算，在工作面长度310 m时，支架阻力只要>9 867 kN即可，现凉水井煤矿的ZY12000/20/40型液压支架工作阻力为12 000 kN，理论上现有支架可以满足加长后工作面的支护要求，加长后工作面周期来压时中部个别支架载荷较大，实际生产过程中需要做好周期来压统计和预报工作，中部支架超前带压擦顶移架，防止冒顶和大块矸石冒落。工作面长度增加后无需更换新型支架，只需在中间架增加40架即可。

3 增加综采面长度的投入与经济效益分析

凉水井煤矿从42112工作面开始，工作面长度增加至310 m，自2016年1月份开始回采，生产正常，累计生产原煤306万t。

3.1 增加的设备投入

工作面加长后增加了40台支架、40块刮板槽、140 m刮板链、更换310 m煤机电缆及运输机电缆(若采用热补接长电缆，会给电缆使用带来安全隐患，故更换2条新电缆)，设备总计投入约1 800万元。

3.2 经济效益分析

提高了综采工作面的产量：增加工作面长度后有效地减少进刀时间占割煤时间的比重，正常割煤时间比重大幅提升，提高了割煤效率。据统计，240 m的工作面月最高产量为55.6万t，平均月产48.95万t；310 m工作面月最高产量为60.4万t，平均月产59万t。工作面长度增加后，每年可提高回采产量120万t(在330 d工作日制度下可提高298万t)，提高了工作面单产水平。

提高了资源采出率：一盘区原计划布置17个工作面，即42101～42118工作面。从42112面开始，工作面加长至310 m，优化后一盘区共布置16个条带工作面，一盘区后5个工作面减少1个永久煤柱。工作面顺槽采用双巷布置，辅运巷和胶运巷间煤柱宽14.6 m，顺槽平均长度4 380 m，与240 m工作面相比，310 m工作面减少煤柱损失约27.22万t，采区回收率提高约1.2%。

降低了万吨掘进率，缓解接续紧张的状况：就一盘区而言，工作面切眼加长后减少了一个工作面，减少了2条顺槽巷道的掘进，减少巷道掘进量9 235 m，万吨掘进率由原来的22.3 m/万t降为17.6 m/万t。经比较优化工作面长度后万吨掘进率降低4.7 m/万t，每年可减少巷道掘进约2 730 m，按巷道成本每米3 000元计算，可减少掘进费用约729万元/a，同时可缓解接续紧张的状况。

减少了搬家倒面次数：工作面从17个调整为16个后，一盘区总计减少搬家倒面次数1次，平均每年减少0.26次。搬家倒面一次费用约400万元，每年可节约费用约104万元。

减少了机头硐室和中部驱动硐室施工：机头硐室和中部驱动硐室施工减少1次，每个机头硐室及基础人工和材料费用约90万元，每年可节约费用约23.7万元。

4 结语

通过对增加综采工作面长度相关因素的研究分析，当工作面长度增加到310 m后，配套设备能力能够满足生产要求。既缓解了工作面接续紧张的现状，又大幅提升了煤矿产量，降低了生产成本，经济效益显著。