300m综采长壁工作面在榆家粱煤矿的应用

神东煤炭公司榆家粱煤矿   武子生

神东煤炭公司科技中心     张日晨

 

摘  要  介绍了榆家粱煤田4-2煤层情况，根据国内外综采技术及装备的发展现状，提出了加长工作面长度，增加工作面可采储量，提高工作面单产，减少工作面搬家次数的可行性，同时介绍了榆家粱煤矿300m工作面的设备选型及试采情况。

关键词  300m工作面  可采储量  设备选型  装机功率
   神东煤炭公司榆家粱煤矿井田面积56.66km²，井田范围内经济可采煤层2层，其中4^-2煤局部可采，5^-2煤全区可采，矿井可采储量2.7亿t。矿井开拓方式为斜井、平峒分层联合开拓。具体方式是，在4^-2煤、5^-2煤分层布置开拓巷道，主运输系统通过煤仓，供、排水系统把4^-2煤和5^-2煤联系起来，工控、通讯及安全监测系统通过钻孔把两层煤联系起来，通风系统、辅助运输系统和供电系统则均为分层独立布置。4^-2、5^-2煤大巷均布置在各自的煤层中，回采工作面呈条带式分别布置在大巷两侧。矿井各煤层中均无沼气涌出，但各层煤的煤尘均具有爆炸性，煤层具有自燃发火性，发火期为3～6个月。矿井2001年1月投产，一期井型设计能力为8.0Mt/a，矿井生产组织为1套综采、2套连采。2003年8月～2004年3月对矿井进行了技术改造，改造后的矿井生产能力为16.0Mt/a，矿井生产组织为2套综采、4套连采，全矿在册人数为482人。

 

1            300m工作面在矿井4^-2煤层的应用背景

矿井4^-2煤因火烧及周边小煤窑的破坏仅局部可采，可采区位于井田东部中央，分布在大巷两翼1200～2100m范围内，可布置工作面的退采长度为1070～1450m，煤层平均厚度3.5m。如果按传统的240m长度工作面布置，每个工作面储量为105～143万t，工作面月产量按50万t计算，每个工作面可采期为2～3个月，每年工作面需搬家倒面4～5次。为了确保工作面稳产高产，只有谋求增加工作面单产可采储量，而最有效的方法之一就是加长工作面长度。

20世纪90年代以来，世界上先进产煤国家如美国、澳大利亚、德国、英国和南非等，为了大幅度提高工作面产量和工效，降低煤炭生产成本，增强市场竞争力，提高经济效益，在长壁综采工作面装备上进行了一系列卓有成效的改革，从而形成了生产能力大、自动化程度高、安全可靠、工作面单产和工效成倍提高的新一代高产高效综采工作面设备。高产高效综采设备的使用和推广，使矿井的生产发生了较大的变化，实现了一矿一井一面的高度集约化生产。现在，国外高产高效工作面长度已达到450m，工作面最大推进长度达到6km，最大采高达到6.0m。

神东公司组团考察了德国DSK公司Auguste Victoria煤矿435m长的综采工作面，南非Matla二矿6m大采高综采工作面及澳大利亚Newlands矿自动化综采工作面。对工作面的装备水平、配套能力、工艺选择、劳动组织、安全管理自动化程度以及矿井系统能力的配套等进行了系统的考察，为神东公司走新型工业化道路，实现产业的全面升级提供了理论依据。

 

2            300m综采长壁工作面设备选型

2.1            工作面条件

工作面编号为44202，工作面设计长度297m，工作面退采长度1070m，所开采的是榆家梁4^－2煤层；4^－2煤是侏罗纪煤层，平均埋深117m，煤层厚度3.13～3.65mm，平均厚度3.2m，煤层倾角1°左右；顶板为泥质粉沙岩，中等稳定；底板为沙质泥岩。

2.2            设备选型

原则上，设备从神东公司已有的设备中选型，该面不购置新引进设备。

2.2.1 采煤机的选型

根据煤层条件，选用JOY6LS5型采煤机，主要技术特征如下：

采煤机型号：      JOY6LS5

总装机功率/kW：   1500

滚筒直径/mm：      2200

截深/mm：          865

适应采高/mm：      2200～4400

机面高度/mm：      1804

生产能力/t·h^-1：      2800～3000

2.2.2  刮板输送机的选型

根据选用的采煤机在该面条件下的最大生产能力选择刮板输送机的小时运输能力，再根据计算出的采煤机小时生产能力及工作面长度计算刮板输送机的装机功率，依据计算结果选择适用于该工作面的输送机。

计算采煤机生产能力：

Q_C＝60H·b·v·γ

＝60×3.65×0.865×8×1.4＝2122 t/h.

式中：Q_C — 采煤机小时生产能力，t/h；

H — 工作面最大采高，取3.65m；

b — 截深，取0.865m；

v — 采煤机截煤平均牵引速度，取8m/min；

γ — 实体煤密度，取1.35t/m³。

按照采煤机的小时生产能力确定工作面刮板输送机输送能力。通常考虑到工作面输送条件较差、片帮煤等因素，工作面刮板输送机的运输能力应为采煤机小时生产能力的1.1倍。

1）刮板输送机的输送能力。

Q_S＝Q_C×1.1＝2122×1.1＝2334 t/h.

2) 刮板输送机的铺设长度。

刮板输送机的铺设长度应大于工作面长度，工作面长度300m时，刮板输送机的铺设长度约为305m左右，其精确长度在详细配套设计时确定。

3）刮板输送机功率。

刮板输送机功率根据工作面倾角、铺设长度、输送量大小等条件按以下公式计算：

N ＝

 ＝

 ＝1490 kW.

式中：N — 刮板输送机装机功率，kW；

K — 考虑刮板链绕过两端链轮时的附加阻力系数，取1.1；

K₁ —考虑水平弯曲时刮板链与中部槽侧帮之间的附加阻力系数，取1.12；

q — 货载每米重量，㎏/m。可按下式计算：

     q＝ ＝ ＝491.2 ㎏/m

Q_S —刮板输送机的输送能力，2334 t/h；

V — 链速，1.32m/s；

ω— 煤在溜槽中的运行阻力系数，取0.4；

β— 工作面倾角，取0°；

q₀— 刮板链每米重量，160㎏/m；

ω’—刮板链在溜槽中的运行阻力系数，取0.2；

L — 刮板输送机铺设长度,按305m计算；

g — 重力加速度，取9.8m/s²；

η— 传动装置效率，取0.85；

± — 向上运输用“+”号，向下运输用“-”号

4）计算结果。

通过计算，在工作面长度300m、采高3.65m、截深0.865m、采煤机割煤速度8m/min的条件下，工作面刮板输送机输送能力2334t/h就可以满足，工作面刮板输送机输送能力安装功率应大于1490kW。可选用DBT公司生产的3×700kW输送机，装机功率为2100kW，远远大于计算所需功率，通过计算，在上述条件下，可满足360～400m工作面要求。

5）选用的工作面刮板输送机主要技术参数。

生产厂家：             DBT公司

装机功率/kW：          3×700

运输能力/t·h^-1：       2500

铺设长度/m：           300

链速/m·s^-1：           1.32

刮板链

型式：             中双链

圆环链规格/mm：    48×152紧凑链

中部槽规格/mm：        1756×1132×284

2.2.3  液压支架的选型

根据榆家梁煤4^－2煤层的矿压特点和近年来引进支架的使用情况，选用DBT公司生产的两柱掩护式液压支架。主要技术参数如下：

生产厂家：        DBT公司

支架型式：        双伸缩两柱掩护式

支护高度/mm：     2200～4500

支架中心距/mm：   1750

工作阻力/kN：     2×3716

控制方式：        电液控制

根据榆家梁煤矿的采矿经验，采煤工作面放顶后，采空区上方岩层直接顶板垮落的部分，冒落带高度一般为采厚的2～5倍，冒落带和裂隙带的总高度一般为采厚的10～20倍。

1）冒落带和裂隙带高度。

H_裂＝20H_采＝20×3.2＝64 m.

式中：H_裂 ── 周期来压时冒落带、裂隙带总高度，m；

H_采 ── 平均采高，m。

2）顶板来压时所需的支护强度。

P_顶＝H_裂×γ×C＝64×2.4×0.5＝76.8 t/m².

式中:γ ── 岩石容重, t/m³；

C ── H_裂 修正系数,取平均为0.5。

3)支架的支护强度。

支架的工作阻力：

W＝2×3716＝7432 kN ＝757.85 t.

支架的支护强度：

P_支＝ ＝ ＝93.33 t/m².

式中: L ── 支架顶梁长度, m；

  L1── 支架端面距, m；

  B ── 支架宽度，m。

4)支架的支护安全系数。

P_支/P_顶＝93.33/76.8＝1.22 .

所选支架支护强度是顶板所需支护强度的1.22倍，故能够满足工作面顶板支护的要求。

 

3            300m综采工作面试采情况

榆家梁煤矿44202工作面在试采中，老顶初次来压步距为49.5m，此时顶板冒落裂隙已到达地表面。周期来压步距为12～15m，平均为14m。工作面现场观测，正常情况下，液压支架的单柱压力为29.6MPa，周期来压时，液压支架的单柱压力为36.1 MPa。经计算顶板来压强度为0.715MPa，实践证明该工作面选用的支架满足现场实际支护要求。

现场实际观测，工作面刮板输送机运行状况良好，输送机传动装置布置为机头两个传动部，机尾一个传动部。机头两个电机运行电流分别为110A、120A，机尾电机运行电流为120～130A，均小于其额定运行电流148.7A，说明工作面刮板输送机不仅满足300m长工作面的生产运输要求，还有较大的富裕量。

 

4  技术经济分析

通过44202综采工作面现场实际观测，工作面净长297m，割一刀煤时间平均为55min，割煤效率为25t/min。而240m工作面，割一刀煤时间平均为45min，割煤效率为19t/min。其割煤效率比为1.3，也就是说，300m长工作面比240m长工作面的割煤效率提高了1.3倍。其主要原因是由于工作面的加长，工作面单位长度斜切进刀所占用的时间大大缩短了，而工作效率提高了。

根据榆家梁矿4^－2煤层在大巷两侧的分布情况，4^－2煤层可布置的综采工作面加权平均退采长度为1660m。布置300m工作面与240m工作面比较，每采4个300m长的工作面，可减少一个240m长的工作面布置，可以减少回采巷道4680m，巷道成本按1000元/m计算，可节约掘进费用468万元。减少准备巷道310m，可节约费用120万元。减少煤柱损失14万t，按70元/t销售价计算，可增加销售收入980万元。减少搬家倒面一次，可节约搬家费用150万元。节约费用和增加收入总和为1718万元。按布置300m长工作面折算，每个300m长工作面可创收429.5万元。

布置300m长工作面与240m长工作面比较，需增加700kW输送机电机1台，每月增加耗电量42万度，增加电费15.12万元，按每个工作面平均开采3.5个月，每个工作面增加电费52.92万元。扣除电费增加的投入，每采一个300m长的工作面可增加收入376.58万元，经济效益良好。

 

4            结语

综上所述，300m长工作面在榆家梁煤矿的应用是成功的，截止2004年12月8日，44202工作面累计退采1070m，工作面回采顺利结束，工作面生产正常，没有发生液压支架压死及刮板输送机电机过载等现象。建议在条件适宜的煤矿推广应用，并进一步探讨360m长工作面的应用问题，以便取得更好的技术经济效益。