神东矿区300m加长综采工作面应用效果分析

赵志清1 , 张　悦2
(11神华集团神东分公司安监局, 内蒙古伊金霍洛旗017209; 21神华集团神东分公司, 陕西神木719315)
[摘　要] 　神东煤炭公司榆家梁煤层根据煤矿赋存条件, 将综采工作面长度加长到300m。分析
了加长工作面设备配置与配套性能, 介绍了加长工作面开采的技术经济效果。
[关键词] 　加长工作面; 配套性能; 技术经济效果
[中图分类号] TD822　　[文献标识码] A　　[文章编号] 100626225 (2005) 0620025203

　　神东公司为进一步提高综采工作面单产水平和资源采出率, 降低万吨掘进率及生产成本, 减少搬家倒面次数, 缓解工作面接续和设备大修紧张的局面, 在已有240m综采工作面成熟经验基础上, 榆家梁煤矿在44202工作面进行了国内首个300m加长综采工作面尝试, 取得了显著的经济效益。
　　榆家梁矿4- 2煤受火烧边界和小煤窑的影响,工作面推采长度较短, 一般在1000～1500m左右,
如果按照传统的240m 布置, 每个工作面储量为110～115Mt, 工作面月产量按015Mt计算, 每个工
作面可采期2～3个月, 每年工作面搬家5～6次。经过反复论证, 为了确保工作面稳产高产, 减少搬
家倒面次数, 只有谋求增加单个工作面的可采储量, 而最有效的办法就是加大工作面的长度。
　　国外高产高效工作面长度已达到450m, 其中美国300m以上工作面就有11 个, 德国有18 个,俄罗斯、波兰一些主要产煤国家也在发展加长工作面, 其中德国DSK公司装备了3个435m长综采工作面。通过对国外长工作面配套设备及矿压分析,为神东公司300m加长工作面的投入提供了借鉴。
1　工作面生产技术条件
111　地质概况
　　榆家梁煤矿4- 2煤地质构造较简单, 煤层平均厚度315 m。该煤层顶板以砂岩为主, 直接底主要是泥岩, 灰色, 水平层理, 泥质胶结, 厚度2m以上, 遇水软化严重。在掘进准备过程中, 由于巷道
底板的严重泥化, 掘进时给主运输、辅助运输均带来不同程度的影响。
　　44202工作面煤层埋深100m左右, 直接顶为砂质泥岩, 平均厚度6125m; 基本顶为中砂岩, 厚
1415m, 硬度系数f = 4。44202 工作面推进长度1070m, 倾斜长度为300m, 采高312 m, 地质储量为1146Mt, 可采煤量1133Mt。
112　主要配套设备与技术参数
(1) 采煤机
　　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) : 2800～3000
(2) 刮板输送机
　　生产厂家: JOY公司
　　装机功率( kW) : 3 ×700
　　运输能力( t/h) : 3500
　　铺设长度(m) : 305

        链速(m / s) : 1132
　　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
(3) 液压支架
　　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 ×3796
　　控制方式: 电液控制
(4) 液压系统
　　乳化液泵4泵1箱, 3台运行, 1台备用, 系统采用双回路供液, 考虑乳化液的管头损失, 在90# , 120# , 150# , 170#支架位置, 将电缆槽内的进、回液管加三通与支架直接短路连接, 以加大采
面中部至机尾支架的供液量, 减小供液管路长度,降低管路损失。
2　配套性能分析
211　采煤机生产能力
Qc = 60H bυγ = 2034 ( t/h)式中, Qc为采煤机小时生产能力, t/h; H 为工作面最大采高, 315m; b为截深, 01865m; υ为采煤机平均截割速度, 8m /min; γ为实体煤密度,114 t/m3。
212　刮板输送机输送能力和装机功率
　　通常考虑工作面输送条件较差、片帮等因素,工作面刮板输送机的输送能力应为采煤机小时生产能力的112倍, 即Qs = 112Qc = 2440 ( t/h)　　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, 按下式计算, 即N = KK1 K2 [ q (ωcosβ ±sinβ) +2q0 ω′cosβ]L V g /1000η
式中, N 为刮板输送机装机功率, kW; K为电动机备用系数, 取1115; K1为考虑刮板链绕过两端
链轮时的附加阻力系数, 取111; K2为考虑水平弯曲时刮板链与中部槽侧槽帮之间的附加阻力系数,取1112; Qs 为刮板输送机的输送能力, 2440 t/h;V 为链速, 1132m / s; q为每米货载重量, q = Qs /
316V , kg/m; ω为煤在溜槽中的运行阻力系数,取014; β为工作面倾角, 取0°; q0为刮板链每米
重量, 160kg/m; ω′为刮板链在溜槽中的运行阻力系数, 取012; L 为刮板输送机铺设长度, 305m;
g为重力加速度, 取918m / s2 ; η为传动装置效率,取0185; ±为向上运输用“ + ”号, 向下运输用
“ - ”号。
　　将以上数值代入得N = 1661 ( kW)
　　通过计算, 在工作面长度300m, 最大采高315m、截深01865m、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2440 t/h就可以满足, 工作面刮板输送机装机功率应大于
1661kW。选用JOY公司生产的3 ×700kW输送机,装机功率为2100kW, 运输能力3500 t/h, 远远大
于计算所需功率和运输能力, 满足工作面要求。
213　支架支护强度
(1) 顶板冒落高度:
　　按照普氏理论, 顶板冒落高度与工作面长度、岩石硬度系数有关, 即
hg = B /2f = 3715 (m)
式中, B 为工作面长度, 300m; f 为岩石硬度系数, 取4。
(2) 顶板来压时所需支架工作阻力:
P顶= hgγB1 = 6736 ( kN /架)
式中, γ为顶板岩石密度, 215 t/m3 ; B1为顶梁面积, 4119m ×1175m。
(3) 支架的支护安全系数:
P支/P顶= 1113
式中, P支为支架额定工作阻力, 2 ×3796kN; P顶为顶板来压时支架所需工作阻力。
　　通过计算, 工作面选用DBT415型支架工作阻力7592kN, 对底板比压最大4MPa, 平均2MPa,
满足顶底板条件和采煤机、输送机的配套要求。
3　300m加长综采工作面实施结果
311　综采工作面单产能力大幅提高
　　根据矿井现场生产实测, 生产时间20h /d, 端头进刀距离49m (28架) , 进刀时间10min, 每割
1刀平均时间50min (包括进刀时间) , 进刀时间占总割煤时间的20% , 割煤速度平均610m /min,
考虑检修、满仓和生产均衡, 全天可完成循环个数20个, 生产原煤21258 t, 全月生产原煤01638Mt,
全年生产原煤可达7144Mt。
312　设备运行状况良好
(1) 刮板机运行负荷情况　刮板机3 台电机只运行2台, 采煤机在机尾以715 ～8m /min的速度割煤时, 刮板机负荷最大为110～130A (700kW电机整定值为152A ) , 瞬间最高电流为145 ～150A, 实际割煤平均速度为6m /min, 工作面刮板机完全能满足生产要求。
(2) 支架工作状态　经过对榆家梁煤矿44202
工作面的矿压观测初步分析, 正常开采期间, 支架恒增阻性所占数量最多; 工作面初次来压和周期来压期间, 支架一次增阻特性数量比较多, 二次增阻特性数量较少, 反映了44202工作面的顶板来压特征和来压强度大小; 支架的降阻运行特性数量最少, 主要反映了工作面的液压管路损失和支架的阀件与管路泄漏极少。由此说明在300m加长工作面开采过程中, 支架的选型满足矿压要求。
313　矿压强度及矿压显现规律分析
31311　矿压显现规律
　　从44202工作面顶板来压的情况来看, 初次来压步距变化在5219 ～5912m 之间, 平均初次来压步距为56m, 而44201 工作面长度为240m, 平均初次来压步距为60m左右。工作面长度300m时,
周期来压步距变化在10～15m, 平均周期来压步距为12m, 而工作面长度240m时, 周期来压步距变
化在12～17m, 平均周期来压步距为15m, 说明工作面长度达到300m时, 顶板活动更加频繁。
31312　矿压强度
　　根据对44201工作面( 240m) 推采过程中支架工作阻力观测, 在通常情况下, 支架工作阻力一
般在28～29MPa, 端头两端较小, 安全阀设定开启值为47 MPa, 在整个工作面回采过程中, 包括周
期来压, 支架工作阻力最大时也不超过33 MPa;而44202工作面( 300m) 在回采过程中, 支架工作阻力一般在40～45 MPa, 在周期来压时, 中部个别支架载荷较大, 最大载荷已经达到了54 MPa,超过了支架设定的47 MPa的上限, 导致安全阀开启, 说明工作面长度达到300m时有顶板冲击载荷存在, 矿压强度明显大于240m工作面, 并且工作面中部和靠近机尾区域的支架载荷比两个端头的支
架载荷大。
4　与240m综采面技术经济比较
411　提高综采面回采工效
　　通过实际测算, 300 m工作面比240 m工作面圆班提高产量860 t, 全月可增产25800 t, 全年可增
产309600 t, 单产水平提高了2518kt/月, 割煤效率提高4%, 回采工效提高了19107 t /工。
412　减少巷道掘进量和降低掘进费用
　　榆家梁煤矿4- 2煤可布置的综采工作面加权平均推采长度按照1500m计算, 布置300m工作面与240m工作面比较, 每采4 个300m长工作面, 可减少1 个240m 长工作面布置, 减少回采巷道4230m, 巷道成本按1000元/m计算, 可节约掘进费用423万元。
413　搬家倒面次数减少
　　参照44202工作面布置方式, 当工作面为240m时, 每年生产工作面个数为617个, 如果年初安
装, 每年搬家倒面次数为7撤7安。当工作面长度为300 m时, 每年生产工作面个数为515个, 如果
年初安装, 年搬家倒面次数为6撤6安, 第2年为5安5撤, 与240m工作面相比, 每两年可以减少3次搬家倒面。
　　搬家倒面次数的减少, 既减少巷道掘进量, 缓解接续紧张, 生产成本显著降低, 又使设备检修得到充分保障, 调配、使用更加合理。
414　节约大量矿务准备工程
　　每4个300m工作面就减少1个工作面的机头硐室、巷道砼底板等相关的矿务工程, 可节约费
用约120万元, 经济效益显著提高。
415　资源采出率显著提高
　　300m较240 m工作面有利于提高煤炭资源采出率, 减少煤柱损失, 按照巷道长度1500m计算,
在原来240m 的基础上每4 个工作面就可多出155kt煤炭, 采出率提高2%。
5　存在问题
(1) 神东矿区现主采煤层以浅埋藏侏罗纪煤为主, 煤层上覆基岩厚度大致在80～150m范围,
松散层厚度在0～70m, 对于下组煤深部开采和直接顶较厚、强度较高或没有直接顶的巨厚层状顶板条件, 特别是采高较大时, 应用300m加长工作面仍需进一步对支架的承载能力进行研究论证。
(2) 300m加长综采工作面使用3 ×700kW 刮板输送机, 由于榆家梁矿4 - 2煤采高偏低, 能力有
所富余, 但是如果采高加大, 目前刮板输送机能力偏小, 还需提高刮板机的驱动功率, 建议选择3 ×1000kW的电机。应考虑使用软启动系统, 减小系统冲击, 保护供电系统和刮板链。增加采煤机和刮板机通讯功能, 实现根据刮板机电流调整采煤机割煤速度的功能。采高加大、工作面加长和工作面大块煤较多, 需改双向割煤为单向割煤, 降低刮板机负荷, 减少大块煤的产生。
(3) 综采工作面长度增加至300m, 液压系统明显供液不足, 进、回液管路长, 管路损失较大。为此, 需进一步提高泵站出口压力和系统进、回液流量, 增加操作单元的动作速度, 解决割煤速度制约瓶颈。
6　结论
(1) 300m加长工作面在神东矿区特定的煤层赋存条件下布置方式和设备配套是可行的;
(2) 300m加长工作面从技术及装备上比较成熟, 经济效益和资源采出率效果明显, 建议条件适宜的情况下, 在其他矿区进行推广应用;
(3) 300m加长工作面或更长的工作面建议在设备选型上要根据开采条件, 特别是工作面支架、刮板输送机要充分考虑煤层埋藏深度、工作面倾角、采高及工作面片帮程度进行合理选型。
[责任编辑: 邹正立]