大采高超长工作面的应用研究

张俊杰(山西长治王庄煤业有限责任公司,山西 长治047100)

1 前言

山西三元公司王庄煤业位于山西省长治县境内,井田东西宽3.2 km,南北长5.9 km,井田面积16.7 km2。矿井采用斜井开拓方式,原设计能力30万t/a,1967 年投产。2004 年以来进行采煤方法改革,使用综采放顶煤生产工艺,核定生产能力为120万t/a。2009 年开始进行大采高可行性研究,并于2010 年9 月份安装成第一个大采高工作面,开始采用一次采全高工艺,山西省煤炭工业厅于2014 年5月27 日下发晋煤行发【2014】668 号文“关于山西长治王庄煤业有限责任公司延深开采15#煤层的批复”,同意矿井延深开采15#煤层,设计能力仍为2.40 Mt/a。该矿主要开采3#、15#煤层,水文地质条件中等,各煤层赋存稳定,煤质好,但全区范围内陷落柱相对较多,严重影响了正常回采,其中3#煤为低中灰-中灰,特低硫、低磷、高热值-特高热值的无烟煤,平均采高5.17 m;15#煤为低中灰-中高灰,中高硫-高硫、特低磷-低磷、中高热值—特高热值的贫煤及少量无烟煤,且该煤层为原始煤田,井田范围内无采空区,矿井潜在经济价值巨大,具有良好的开发前景。

根据井下钻探,结合35 采区在3501 工作面北侧钻探,设计3500 工作面及35 采区探巷工作面,35采区探巷设计工作面长度150 m,顺槽长度477 m,3500 工作面长度195.75 m,顺槽长度1 066 m,为节约成本,对3500 工作面和35 探巷工作面进行合并,组成加长371.9 m 大采高超长工作面。超长工作面形成后,减少了一条巷道掘进,并且提高了资源采出率,减少了工作面搬家到面费用,并且为今后超长工作面的开采积累宝贵经验。

2 大采高超长开采工艺意义及现状

2.1 研究的意义

大采高超长综采工作面生产技术是我国煤矿集约化生产技术的发展方向。国内外有关超长工作面的生产实践主要集中在地质条件较好的中厚煤层矿井,但是随着工作面切眼长度的加大,矿山压力显现特征、顶板控制、安全技术保障、工作面设备配套、工艺方式选择与参数优化等与普通长壁工作面开采相比均具有特殊性,现有的超长工作面研究成果主要集中在中厚煤层超长工作面设备配套、工艺方式选择与参数优化等方面,而对大采高超长工作面研究相对较少[1]。目前,我国的大采高开采技术已处于世界领先地位。但对大采高工作面长度对矿山压力显现的影响研究成果较少。有关大采高超长工作面矿山压力显现及控制技术等一系列理论方面的问题尚没有系统的认识,目前已有的煤层开采理论和技术还不能完全指导大采高超长工作面开采。为了全面掌握大采高超长工作面的矿山压力的显现规律和工作面设备参数及运行状况,对王庄煤业大采高超长工作面开采理论和技术进行系统研究,揭示超长工作面矿压显现的规律,分析超长工作面的设备配套及生产工艺,形成一套完善的大采高超长工作面开采理论和技术,实现王庄煤业安全高效开采。为本矿下一个超长工作面(15#煤的开采和设计)积累宝贵的理论和实践经验。

2.2 国内外现状

1)国外超长大采高综采发展现状

俄罗斯是煤炭生产大国,长壁综采工作面技术也位居世界前列,部分综采工作面长度已近350 m,其中德国DSK 公司装备了3 个435 m 综采工作面(煤层厚度2.3 m,采高2.1 ～2.3 m)。此外,美国、澳大利亚、德国、波兰等主要产煤国家也在发展超长工作面,工作面长度增加后,煤矿单产都不同程度得到了提升。这些表明,加长工作面已成为矿井高产高效主要技术方向之一[2-3]。

德国、波兰、英国、俄罗斯、捷克、日本等国从20世纪60 年代开始就发展采用大采高综采技术。如环球JOY 公司,其产品主要特点为:①大功率采煤机以及微机电控系统;②大采高强力液压支架;③长距离输送机。

2)国内超长大采高综采发展现状

我国从20世纪70 年代开始发展械化开采,尤其是21世纪以来,煤矿行业发展迅速。对于中厚煤层及3.5 ～6 m 厚煤层综采工作面,逐步推进大采高工作面,加大工作面长度,成为提高产量的主要途径。

国内煤矿工作面长度大多在200 ～300 m,随着煤矿开采技术和采掘设备的不断创新和发展,工作面长度从240 m,300 m,360 m,400 m,甚至达到450 m,主要应用在地质条件简单、煤层赋存稳定、煤层倾角小、瓦斯涌出量小等条件下,为国内加长工作面的设计、配备、矿压及生产提供了非常宝贵的经验,为提高资源回收率、提高回采率奠定了基础。

3 大采高超长工作面的应用

王庄煤业为资源整合矿井,随着工作面回采,剩余资源逐渐减少,采用探掘结合的方式在小窑破坏区域寻找可采资源,原设计3500 工作面长度为195 m,根据风巷钻探情况,在工作面北部还可以布置一个切眼176 m,两个工作面合并后工作面长度为371 m,顺槽长度为470 m 小工作面,现合并为1个工作面后,一方面少掘进一条巷道,另一方面可以减少煤柱损失,最后还可减少1 次搬家倒面。工作面于2016 年2 月份安装完成并进行试生产成功。3505 工作面切眼长度也达到了360.5 m,并且于2019 年3 月安装完成,到目前为止工作面运行正常。工作面配套设备见表1。

表1 3500 采煤工作面设备统计表

4 大采高超长工作面需要注意的问题

随着工作面长度的不断增加,在开采时容易出现一些问题:

(1)对供电要求也越来越高,低压长距离供电电压压降大,为解决这一问题,控制系统增加中继器,提高电源电压,动力电源增加电压等级,采用3 300 V 供电。

(2)工作面长度增加后,一旦工作面出现上窜下移情况,工作面控制相对比较困难,此时工作面推进时应控制两顺槽水平较低一侧推进进度超前另外一侧两巷错差的1/3 ～1/2,尽可能保持工作面不发生窜动,另外推进期间观测推溜杆摆向,及时调整工艺,确保推溜杆垂直于溜槽。

(3)由于采高大,顶板岩层的活动规律和采场压力显现规律相对普通采高综采工作面有其特殊性,工作面采高大,液压支架由于架身结构高度大,容易产生倾倒、失稳,不能有效接顶,继而会造成顶板冒落,使整个工作面处于瘫痪状态[4]。因此在生产过程中必须密切注意支架的倾斜情况,发现异常及时进行摆架、扶架,避免事故扩大。

(4)工作面供液采用三泵两箱,环形供液,从而弥补因供液管路距离长而造成的压降损耗等,确保工作面供液流量和供液压力。

5 大采高超长工作面应用带来的经济效益

采用了大采高超长开采工艺后,3500 工作面带来了良好的经济效益:

(1)回收煤柱,盘活资源,延长矿井服务年限,增加效益。按照3500 工作面顺槽长度410 m,煤层平均厚度5 m,密度1.5 t/m3,煤柱15 m,采出率0.95,3#煤共计可多回收煤炭资源4.38 万t,增加效益约2 190 万元。

(2)省去工作面搬家工序,提高矿井安全生产水平[5]。本工作面将减少一次搬家倒面,从而提高了矿井安全生产水平,并可节约搬家倒面资金约200 万元。

(3)减少一条巷道的掘进。本工作面合并为一个工作面以后,可减少1 条巷道的掘进,进而节约人工掘进费用和支护费用。根据本单位的巷道设计标准,每米巷道可以节省3 300 元,共可节约157.1 万元。

应用大采高超长开采工艺,仅3500 综采工作面为矿井创造了2 547.1 万元的利润,实现了经济效益的最大化。

6 结论

实践证明,大采高超长工作面已成为提高经济效益、矿井服务年限和安全生产水平的一种重要举措,它的开采应用具备一定的学术和工程研究价值,对国内同类条件下的工作面布置具备重要的指导意义,推广应用前景良好。