南阳煤矿3号煤回采工艺优化设计

【摘 要】根据南阳煤矿3号煤层的地质赋存条件，综合采用理论分析、工程类比、计算机模拟等研究方法，从煤层赋存特征、安全可行性等方面进行了大采高综采可行性论证，并对工作面布置、设备选型进行了设计。

【关键词】大采高；可行性；回采工艺；优化设计

我国厚煤层储量及产量占全国煤炭储量及产量的40%～46% ， 厚煤层开采技术水平决定着中国煤炭产业的科技进步与整体实力的提升。大采高一次采全高开采对煤层地质条件适应性好、巷道布置系统简单、生产易于管理、资源采出率高等一系列优点。到目前为止，对于厚度3.5～6.2m的缓倾斜厚煤层，大采高一次采全高综采已取得了成功。与分层综采相比，在降低掘进率，缓解采掘接替紧张，简化生产环节和保证安全生产等方面具有明显的技术优势。据统计，大采高综采工作面的单产水平要比同一煤层条件下的倾斜分层综采工作面高1.18～2.62倍，回采工效提高0.58～1.22倍。虽然大采高综采设备的投资和设备折旧费比分层综采高，但由于其产量大、效率高以及减小回采巷道、不铺设假顶和减少工作面搬迁等因素，其综合经济效益明显高于分层综采。与因此，在合适的煤层地质条件下大采高一次采全厚综采是一种有发展潜力的采煤工艺。

1 矿井概况

山西高平科兴南阳煤业有限公司3号煤层赋存于山西组下部，煤层厚度4.11～6.0m，平均5.41m，该煤层属全区稳定可采煤层。煤层一般含0～1层夹矸，夹矸厚度0.02～0.50m，岩性多为炭质泥岩，结构简单。二采区位于井田南部，采区巷道布置有二采区运输巷和二采区回风巷。根据矿方预测，二采区的采区设计资源/储量为23490kt，设计可采储量为21141kt，采取服务年限为25a。3号煤层大采高综采试验工作面拟选在二采区3202工作面。

2 号煤层大采高综采可行性分析

2.1 煤层厚度分析

根据地质报告，3号煤层赋存基本稳定，煤层厚度4.11～6.0m，平均5.41m，属全区稳定可采煤层，3号煤层具备采高4.5～6.0m割煤高度的大采高综采条件。

2.2 煤层硬度分析

根据南阳矿3号煤层的物理力学测定结果，3号煤层单向抗压强度平均为20.05Mpa，f ≈2，属中硬煤层；直接顶单向抗压强度为22.27Mpa；底板单向抗压强度为64.95Mpa，属中硬岩层。现有适用大采高综采的采煤机的截割能力能够达到适应煤岩硬度为f≤6，所以，从南阳煤矿3号煤层的硬度来看，国内采煤机装备水平能够满足割煤要求。

2.3 煤层倾角分析

支架的稳定性直接受煤层倾角的影响，随着倾角增大，上覆岩层中力沿层面的分量增大，沿垂直层面的分量减小，顶底板沿层面的滑移量也增大。这就使得工作面支架受垂直载荷较小，但支架所受侧向力较大，支架稳定性变差。倾角越大，支架的合力作用线落在底座范围以外越远，支架越不稳定。因此，支架容易下滑或倾倒，安全隐患大。可见，煤层倾角直接关系到煤矿的安全生产。

南阳煤矿地质条件相对简单，3号煤层倾角在7。以内，属于近水平开采，倾角对3号煤层采用大采高综采基本无影响。

2.4 煤壁片帮控制分析

大采高成功的关键在于煤帮控制和支护系统的稳定性。解决该问题的途径在于通过对煤层结构的分析，研究控制煤帮和保证支架稳定性的合理支架结构，尤其要加强护帮板的作用，增加护帮高度。从煤层赋存条件和煤层结构分析，煤层的层理裂隙发育，节理裂隙与层理斜交，煤体的完整性较差，整体强度较低。采用大采高回采工艺之后，随着割煤高度的增加，顶板矿压显现高于普通综采面，在支承压力作用下上位顶煤易于破碎，煤壁稳定性可能较差。但是，在大采高综采面煤壁片帮防治方面，松软煤层矿区积累了丰富的开采经验，通过一定措施（比如改善支架结构、提高初撑力、加快推进速度、注浆加固等方案），完全能够实现大采高综采。

通过以上对3号煤层赋存条件、大采高综采装备水平等方面的综合分析，认为南阳煤矿3号煤层适于采用大采高综采工艺。采用大采高综采工艺，采空区遗煤量显著降低，工作面安全生产条件较好。所以，本次设计的3号煤层回采工艺为大采高综采工艺。

3 大采高工作面布置及设备选型

3.1 首采大采高工作面参数

3.1.1 工作面长度及推进长度

工作面的长度一般情况下应根据所确定的工作面日产量和工作面的日进度进行计算。但在大多数情况下，各生产矿井多是根据采区几何尺寸和布置的工作面数进行圈定或根据经验和设备能力（刮板输送机的铺设长度）以及工作面设备的初期投资确定。对于综合机械化开采工作面，为了延长工作面寿命，减少搬家次数，应尽量加大工作面的推进长度，但长度太大会增加掘进时期通风的难度，运输距离长，管理难度大。结合二采区的采区巷道布置、工作面回采接替以及投资、工作面管理及产量等方面的因素，3号煤层3202大采高综采工作面倾斜长度确定为185m，推进长度为1800m。

3.1.2 工作面割煤高度

综采工作面采高主要取决于煤层赋存条件、回采工艺和综采设备及管理水平。3号煤层属于全区稳定可采煤层，平均厚度5.41m。3202试验工作面内的703钻孔资料表明，3号煤层厚度5.34m。同时参考临近的赵庄矿5.5m大采高综采面的生产情况，将3202首采大采高工作面割煤高度初步定为5.4m，在回采过程中根据煤壁的稳定性再适当调整割煤高度。

3.2 大采高综采面回采巷道布置方案

南阳煤矿3号煤层大采高综采工作面年产量120万t的条件下，预测工作面绝对瓦斯涌出量23m3/min，需风量2760 m3/min，远小于上述高瓦斯矿区，试验大采高综采面可以采用“一进一回”、“一进两回（U+L）”等通风系统。采用“一进一回”的优点是回采巷道系统简单，巷道掘进工程量小，采掘接替压力小。缺点是大采高综采工作面产量高，风排瓦斯量增加，上隅角瓦斯超限的几率增加。采用“一进两回”增加一条第二回风巷，工作面巷道布置系统见图1。优点是减小上隅角的瓦斯涌出量，降低工作面瓦斯超限的发生机率。以往的综放生产实践表明，3号煤层综放面采用第二回风巷抽放采空区瓦斯，取得了较好的应用效果。通过以上2种方案的优缺点对比，从防治工作面瓦斯超限来考虑，采用“U+L”型通风系统。

图1 大采高综采面“U+L”通风系统

3.3 大采高综采工作面设备选型

3.3.1 液压支架

大采高的成败取决于支架与煤层条件的适应性，大采高支架的稳定性和可靠性是安全高效开采的重要保证。根据3号煤层的顶板条件，考虑国内外高产高效矿井的成功经验和发展方向，选用两柱掩护式液压支架，支架中心矩为1.75m。由于3号煤层裂隙发育，采高增加后，煤壁片帮、架前冒顶的机率增加。为此，在顶梁前端增加伸缩梁，伸缩梁对煤壁的作用力包含摩擦力和伸缩梁千斤顶的作用力。可在不移架时及时支护顶板，当发生冒顶时，伸缩梁可伸出插入到冒顶处，有效防止更严重片帮冒顶。根据割煤高度5.4m，大采高综采液压支架的高度为5.7～5.8m较合理，考虑到局部煤厚6m的特点，确定大采高综采液压支架的最大高度6.2m。支架的工作阻力现在没有统一的公式和理论，根据以前的研究和实践，采用数值模拟方法和工程类比计算支护强度。

数值模拟：针对3号煤层的赋存条件，通过构建FLAC3D数值模拟模型，考虑10种方案，分别为P=0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3和1.4Mpa。通过分析这，确定顶板下沉位移与支架支护强度的关系，然后统计出不同支护强度下不同位置处的顶板最大下沉量，得到支护强度与顶板最大下沉位移关系图（见图2）。

由图可以得出，当支护强度小于1.1Mpa时，随支护强度的增大，顶板最大下沉量的减小比较明显。支护强度大于1.1Mpa小于1.3Mpa时，支护强度对最大下沉量的影响较小。当支护强度大于1.3Mpa时，最大下沉量趋于稳定。由此看出支护强度为1.1～1.3MPa是支架支护强度对顶板下沉影响的一个临界区间。所以，3号煤层大采高综采工作面支架的合理支护强度不能小于1.1MPa。

工程类比：赵庄煤矿与南阳煤矿煤层条件相似，赵庄煤矿支架型号为ZY8640/25.5/55，两柱掩护式，支护强度1.05～1.07MPa；初撑力6413kN。对赵庄煤矿1301大采高工作面矿压进观测，观测3条测线，位置分别为30、31、32号架；66、67、68号架；95、96、97号架。支架实测工作阻力和支护强度占额定工作阻力和支护强度的比值如表1所示，从表中可以看出，实测工作阻力和支护强度平均值只有额定值的80～90%，最大值超出额定值6～8%。因此，支架工作阻力和支护强度基本满足1301工作面的支护要求。根据与赵庄矿1301工作面支架工作类比分析可知，南阳煤矿首采大采高工作面支架支护强度不能小于1.07MPa（折合工作阻力9000kN）。

图2 支护强度与顶板最大下沉位移关系图

根据上述两种支护强度的选取结果，南阳煤矿3号煤层首采大采高综采工作面液压支架的支护强度确定为1.1 MPa。再根据配套尺寸、支架顶梁长度、空顶距算出支架工作阻力：

p = q·（ LK + LD）·B

式中： p—支架工作阻力，kN；

q—支架的支护强度，1.1 MPa；

LK—空顶距，0.5m；

LD—顶梁长度，4.5m；

B—支架宽度，1.75m。

代入值可以求得：p= 9600kN

根据上述计算结果，考虑一定的富裕系数，工作阻力为10000 kN。

综合支架最大支护高度、工作阻力要求、基本支架确定为ZY10000/28/62型两柱掩护式液压支架，过渡支架ZYG10000/28/62共5架，机头2架，机尾3架。

3.3.2 采煤机

根据煤层赋存条件及工作面参数以及生产能力的要求，采煤机必须具备的基本参数：（1）平均割煤高度5.4m；（2）最大割煤速度4.2m/min以上；（3）割煤功率1150kW。根据我国的矿井开采经验，为了实现工作面高产高效，选用国产MG750/1915-GED型采煤机。

4 结语

（1）大采高综采有回采率高、工作面产量大、采掘率低、生产安全等诸多优点，是厚煤层开采的发展方向。经可行性分析，南阳煤矿3号煤层适于大采高综采采煤方法。

（2）工作面长度185m，走向推进长度1800，割煤高度5.4m；采用“一进两回”的通风系统满足工作面通风要求。

（3）通过理论计算、数值模拟分析及工程类比，确定大采高综采支架的合理支护强度为1.1MPa，据此进行支架及工作面主要装备选型。

参考文献：

[1]袁永，屠世浩，等.大采高综采技术的关键问题与对策探讨[J].煤炭科学技术，2010（1）.

[2]高近，贺海涛.厚煤层综采一次采全高技术在神东矿区的应用[J].煤炭学报，2010（11）.

[3]王国法.煤矿高效开采工作面成套装备技术创新与发展[J].煤炭科学技术，2010（1）.

[4]牛艳奇，陈树义，刘俊峰.大采高综采工作面片帮加剧机理分析及防治措施[J].煤炭科学技术，2010（7）.

[5]尹希文，闫少宏，安宇.大采高综采面煤壁片帮特征分析与应用[J].采矿与安全工程学报，2008（2）.

作者信息：

宋志荣（1976.4—），男，山西高平，工程师，山西高平科兴南阳煤业有限公司生产副矿长