薄煤层综采在“三软”不稳定煤层中的应用

摘要： 薄煤层综采在我国应用较为广泛，但如何解决薄煤层综采在“三软”不稳定煤层中的应用是个技术性难题。本文以郑州矿区赵家寨矿为例，解决了我国薄煤层综采面设备不合理化配套的现状，其技术成果处于国内领先进水平。

关键词：薄煤层综采，“三软”不稳定煤层，设备选型

中图分类号：P618.11 文献标识码：A 文章编号：

一、概况

我国薄煤层煤炭资源丰富且分布广泛，可采储量约为61.5亿吨，占总可采储量的20%左右，但是由于开采技术难度大，国内大部分薄煤层工作面仍沿用打眼、放炮等原始的采煤方法，效率低下，同时存在严重的安全隐患。在过去多年里，多数矿井弃薄采厚，造成了数以亿吨计的薄煤层资源损失，国内有的矿井已面临资源枯竭（除薄煤层外）、无煤可采的地步。特别是对于 “三软”煤层，薄煤层综采应用难度较大。

郑州矿区煤层也属于典型的华北型“三软”不稳定煤层。赵家寨煤矿位于河南省新郑市西侧，本区地层区划属华北地层区华北平原地层分区之嵩箕小区。本矿井为低瓦斯矿井，井田内地层均被新生界地层覆盖，由老到新依次为寒武系上统、奥陶系中统、石炭系中上统、二叠系及第三、四系，井田可采煤层共有4层，其中山西组中部的二3煤与山西组下部的二1煤层为先期开采煤层，两可采煤层特征见表1。

表1煤 层 特 征 表

二3煤层赋存山西组中部 ，与下部的二1煤层间距20m左右。上距砂锅窑砂岩（Ss）22.59-73.88m，平均46.35m，下距L8灰岩25.00-37.00m，平均31.62m。煤层厚度0-6.98m,90%以上区域厚度1.0~2.0m，平均1.37m，层位稳定，大部分可采，可采率73.7%，但厚度变化较大，发育多处无煤带，本矿区内东北部尖灭，不稳定系数为5.09，属不稳定煤层。

设计首采31106薄煤层工作面围岩条件复杂，有走向起伏，煤层为黑色粉状及片状半亮型，煤质为痩贫无烟煤，局部含夹矸矿区大部分可采。煤层平均厚度约1.37m，直接顶为泥岩、砂质泥岩，厚度0-9.0m，平均2.0m；老顶为香炭砂岩，平均厚度6.31m；伪顶为炭质泥岩，发育不稳定。直接底由平均2.0m厚的泥岩、砂质泥岩组成，老底由平均11.66m厚的大占砂岩组成；伪底为炭质泥岩，发育极不稳定。

首采区二3煤层柱状图见图1。

图1首采区二3煤层柱状图

二、设备选型

根据赵家寨煤矿31106综采工作面的地质条件，借鉴其他矿区薄煤层综采设备选型经验，对薄煤层综采主要设备进行了选型。

1、采煤机

（1）采煤机应具有的生产能力

采煤机应具有的最小生产能力由下式计算：

Qh=Qy×f/[D×（N-M）×t×K]

式中：

Qh——工作面设备所需最小生产能力，t/h；

Qy——要求的工作面年产量，按0.6×106t/a选取 ；

D——年生产天数， 按330d计算；

f——能力富裕系数，1.4；

N——日作业班数，4班；

M——每日检修班数，1班；

t——每班工作时数，6h；

K——开机率， 0.6。

则Qh =0.6×106×1.4/[330×（4-1）×6×0.6]=236t/h

（2）采煤机装机功率

装机功率包括截割电动机、牵引电动机、破碎电动机、液压泵电动机、机载增压喷雾泵电动机等电动机功率总和。装机功率由下式估算：

P＝Q×Hw＝236×0.7＝166kW

式中：P——装机功率，kW；

Q——采煤机生产率，236t/h；

Hw——比能耗，一般0.6～0.7，取0.7。

（3）确定滚筒直径

滚筒直径一般按最大采高的0.6倍考虑，滚筒直径取1.1m。

根据二3煤层赋存情况，经比较，选用国产MG160/360-BWD型无链电牵引采煤机。

采煤机技术参数见表2。

表2采 煤 机 技 术 参 数 表

2、刮板输送机、转载机及破碎机

配套的刮板选用SGZ630/220型刮板输送机、SZZ730/160转载机及PLM110破碎机。主要技术特征见表3。

刮板输送机、转载机及破碎机主要技术特征

表3

3、液压支架

（1）支架高度确定

二3煤层大部分区域厚度1.0～2.0m，平均厚度1.37m，综合考虑资源回收率、通风断面、操作行人空间、设备投资经济性等因素，确定支架采高范围为0.8~1.9m。

（2）支架选取

二3煤层顶底板均为砂质泥岩，煤层硬度松软，属于“三软”煤层，解决好“三软”问题也是支架选取的关键问题。 从软顶板条件看，应该选用掩护式支架对维护顶板有较好的适应性，但对支架的底座的前端比压大，易造成支架扎底。

从软底板条件看选四柱支撑掩护型支架能够使支架的前端比压比较均匀，对底板适应性好，但是对破碎的软岩顶板的适应性较差。综合利弊分析，选掩护式液压支架架型，并对适应软底板的问题采取以下措施：支架采用整体开档底座，有专门的支架抬底装置，使支架在扎底情况时也能保证顺利前移。适当增大底座面积，减小支架比压；底座前部设计成撬型结构，减小支架前移的阻力。

a、支护强度的确定

根据工作面顶底板分类标准，本矿井可采煤层顶板主要为II类，底板主要为II～III类。

支架支护强度以下式估算：

P＝（6～8）×9.8×M×γ×Cosα×10-3

＝（6～8）×9.8×M×γ×Cosα×10-3

＝（6～8）×9.8×1.37×2.5×Cos0°×10-3

＝0.201～0.269MPa

式中: M——采高M = 2.6 m

γ——顶板岩石容重γ=2.5t/m3

α——煤层倾角αmin=0°

b、支架工作阻力确定

P= q×L×B/η

式中：q——支架所需要的支护强度；

L——支架控顶长度，取4m；

B——支架支护宽度，1.5m；

η——支架支护效率，取0.8。

P= q×L×B/η=269×4×1.5/0.8=2018kN

经过圆整，取支架工作阻力为2800kN。

根据支护强度、工作阻力的计算，结合本矿井二3煤层及顶底板情况和煤层赋存条件，二3煤综采支架选用国产ZY2800/08/19型两柱掩护式液压支架，该支架主要技术特征如下表4。

表2液 压 支 架 技 术 参 数 表

ZY2800/08/19 两柱掩护式液压支架示意图见下图2。

图2：ZY2800/08/19掩护式液压支架

4、乳化液泵站

乳化液泵站选用国产WRB200/31.5型乳化液泵站，两泵一箱，其技术参数如下：

流量：200L/min

压力：31.5MPa

单机功率：125kW

电压：1140V

三、实施及应用情况

赵家寨煤矿31106薄煤层综采工作面投产后，工作面每班进3刀，设备故障发生率极小，创造了良好的经济效益和社会效益，更适应与郑州矿区“三软”不稳定薄煤层的安全高效开采。

四、结论

赵家寨煤矿薄煤层综采设备选型，在总结其他矿区薄煤层设备配套选型经验的基础上，进过认真的计算和深入生产实际现场的实践，确定了赵家寨煤矿薄煤层开采综采设备合理化配套，透出了薄煤层综采面高产高效、安全正常回采的理念要求，解决了我国薄煤层综采面设备不合理化配套的现状，实现了赵家寨煤矿薄煤层综采面的高产高效。

郑州矿区薄煤层综采设备配套选型及应用的成功，将会填补郑州矿区薄煤层综采设备配套选型技术的空白，在郑州矿区乃至全国薄煤层综采领域中具有很大的推广和应用价值，其技术成果处于国内领先进水平。

作者简历：刘剑锋，1978年出生，男，安徽宿州人，2003年毕业于西安科技大学采矿工程专业，工程师。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。