殷培东

(鄂尔多斯市国源矿业开发有限责任公司 龙王沟煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 010300)

近年来，平朔、大同等地煤矿在特厚煤层大采高综放开采技术与装备方面取得了一定的进展[1-5]。一方面，特厚煤层大采高综放开采，一定程度上减少了巷道的掘进量，且能够起到缓和采、掘之间接续紧张的关系，简化了开采过程起到一定的简化作用，另一方面，特厚煤层大采高综放开采独特的开采方式也带来了一系列的安全问题，其顶煤-顶板-煤矸石之间的作用关系更加复杂[6-7]，综放开采“采、放结合”的模式对采掘空间周围岩体形成反复扰动，重复破坏，由于顶煤放出率的变化所造成顶板的过大下沉,而引起的顶板结构整体变形失稳，其顶煤、顶板和破断矸石的形成的结构与其他采煤方法有显著不同[8-11]。因此，特厚煤层大采高综放工作面开采过程中，需深入研究顶板结构、采煤工艺设计、配套机械装备，以期为特厚煤层的开采提供理论和技术支持。

1 工程地质背景

本文研究的工程地质背景主要为龙王沟矿61601工作面，本工作面为61盘区首采面，工作面南、北侧为未开采的实体煤，开切眼为薛家湾城市规划区的保护煤柱边界，顺槽开口位于61盘区大巷保护煤柱内。工作面长254.6 m，走向推进长度约615 m。

煤层底板标高为845.9～860.5 m，煤层埋藏深度为399.81～334.36 m之间，平均埋深377.6 m左右。61601工作面条带内可采6#煤层厚度14.50～21.82 m，平均厚18.7 m。工作面煤层结构复杂，含2～11层夹矸，夹矸总厚度1.67～4.65 m，单层厚度0.02～2.01 m之间，夹矸岩性为砂质泥岩、泥岩。煤层顶板岩性以砂质泥岩及粉砂岩为主，底板多为砂质泥岩、泥岩，岩石抗压强度值均<30 MPa，属软弱岩类。底板为泥岩、砂质泥岩，在遇水后易泥化、变形，可能引发巷道底部变形，有利于未来井巷的施工，但对煤层顶板维护不利。因此，在工作面开采过程中应注意加强顶、底板管理，预防顶、底板事故的发生。

2 特厚煤层综放开采顶板结构分析

特厚煤层综放高强度开采存在一次采出煤层厚度大，开采空间大，开采强度高等特点，因此需要控制的顶板范围大。由于一次采出的煤层厚度较大，使顶板跨落后的煤矸石不能完全充满采空区，因此造成工作面煤壁上方存有悬臂梁结构，同时，上部的岩层之间相互铰接形成了平衡稳定的铰接岩梁的结构，如图1所示。

图1 特厚煤层综放采场顶板结构

放顶煤开采的顶煤具有垫层作用，顶煤可以传递顶板部分顶板变形的压力，同时顶板的变形也进一步使顶煤变成“似刚性顶煤”，其上的岩层的破坏变形则通过顶煤传递至液压支架。因此，工作面液压支架承受的载荷不仅仅包括顶煤的重量，还包括顶板变形造成的压力。

3 综采放顶煤工艺参数设计

3.1 合理采放比的确定

影响割煤高度的因素主要有以下三个方面：采煤机的割煤高度和割煤速度，放顶煤工作面通风要求，工作面作业空间。

龙王沟矿是一座年产10.0 Mt的大型矿井，6号煤综采放顶煤工作面产能要求达到9.0 Mt，要求采煤工作面必须实现安全高效开采，结合工作面良好的赋存条件，61601综采工作面煤层平均18.7 m厚，因此，综合考虑矿井产量要求、工作面空间合理等因素，确定放顶煤工作面割煤高度在4.5～5.0 m。放煤高度等于采煤高度减去割煤高度。由于煤层厚度存在变化，因此放煤高度也随之变化。61601工作面平均煤厚18.7 m，平均割煤高度按5.0 m计，则平均放煤高度为13.7 m。针对龙王沟矿煤层厚，放煤厚度大于割煤高度的情况，在保证安全，减少片帮、冒顶事故的前提下，应适时增大割煤高度，减少放煤高度。61601工作面平均割煤高度按照5.0 m计算，则平均放煤高度为13.7 m，其采放比为1∶ 2.74。

3.2 放煤步距的确定

按照采煤机截深0.865 m计算，则一采一放的放煤步距即为0.865 m，两采一放的放煤步距为1.73 m。理想的放煤步距是与放顶煤高度相匹配，一般采用下述经验公式来计算：

d=(0.15～0.2)h

(1)

式中：d为放煤步距，m；h为放煤高度，m。

按照采煤机采煤高度5.0 m，则平均放煤高度为13.7 m，计算得出合理的放煤步距为2.06～2.74 m。由于龙王沟放顶煤厚度较大，为提供顶煤回收率，减少工作面片帮危害，设计龙王沟矿61601工作面采用一采一放，即放煤步距为0.865 m。

4 综采放顶煤工作面三机配套参数确定

4.1 采煤机参数确定

根据3.1部分合理采放比的计算得出了采煤机割煤的最大高度，依据3.2部分中确定的放煤步距和工作面煤层的赋存情况，确定采用的采煤机的主要技术参数为：采煤机采高范围为2 800～5 440 mm，采煤机装机功率为2 345 kW，采煤机截割功率为2×860 kW，采煤机牵引功率为2×150 kW，采煤机油泵电机功率为55 kW，采煤机截割宽度为1 000 mm，采煤机电压等级为3.3 kV，采煤机滚筒直径为2 700 mm。

4.2 液压支架参数确定

基于以上对61601工作面的顶板结构分析以及工作面放顶煤工艺参数，为进一步实现本工作面安全高效开采，需对工作面三机配套体系进行进一步优化研究。根据工作面开采技术条件，本工作面液压支架需要满足以下条件：

(1)液压支架的支护高度范围为2 800～5 300 mm，支护宽度为1 960～2 160 mm，支架初撑力为：14 718 kN(P=37.5 MPa)，工作阻力为18 000 kN(P=45.8 MPa)，支护强度需要达到：1.43～1.53 MPa；(2)通过调节侧护板，使支架宽度可在 1960～2160 mm范围内变化,侧护板为单侧活动侧护板，面对煤壁左侧活动；(3)根据工作面煤层赋存情况，支架适应于俯采、仰采的工作面，工作面走向倾角±10°，工作面倾角±10°；(4)支架的底座对底板的最大比压前端为4.5 MPa，平均为2.8 MPa；(5)500 mm缸径立柱采用1个250 L/min和2个1 000 L/min不锈钢进口OHE公司安全阀；(6)平衡油缸安全阀流量为250 L/min，具备防止升柱泄液功能，能够实现电控自动补偿差动或液压自动差动功能；(7)支架设有抬底装置，如图2所示；(8)支架顶梁采用刚性整体式结构，前部采用伸缩梁加二级护帮板结构，伸缩梁行程为900 mm；(9)护帮板可回转 180°，护帮板垂直高度不小于2 000 mm；(10)优化管路设计，保证支架立柱后行人通道有效宽度不低于600 mm，行人通道设计专供行人的防滑踏板，如图3所示。

图2 支架抬底装置

图3 液压支架管路优化设计

4.3 刮板机参数确定

为了满足该工作面年产900万吨产量的运输能力，根据刮板输送机设计计算公式，获得了本工作面管板输送机的参数，计算结果如表1所示。

表1 刮板输送机参数

由计算结果可见，选用装机功率2×1 000 kW的刮板输送机，可满足工作面输送煤使用。不同工作面倾角时，运量和铺设长度的关系如图4所示。

图4 运量与长度之间关系

由于煤矿井下的特定使用环境及输送机与采煤机、液压支架的配套特性，输送机的槽宽等重要结构参数的确定有很多制约。在兼顾配套的经济性和技术性的前提下，确定输送机的槽宽。中部槽上堆积的煤炭的运行速度相对刮板链速有一定速度损失，根据试验室测试的速度损失百分比，计算出中部槽的当量过煤面积。当量面积为A=0.51 m2，计算小时输送能力Q：

Q=3 600·V·A·ρ

式中：V为刮板链速，V=1.76 m/s；A为货载断面，A=0.51 m2；ρ为松散煤密度，0.85～1.0 t/m3，取0.85 t/m3；Q为输送能力，t/h。

代入公式得出，Q=2 747 t/h>2 500 t/h，内槽宽1 000 mm，装机功率2×1 000 kW及内槽宽1 200 mm，装机功率2×1 200 kW的前、后部输送机整机性能满足通过计算满足6号煤层首采工作面61601煤层使用要求。技术选型合理，功率选择经济，方案可行。

5 结论

(1)基于龙王沟矿特厚煤层工程地质及开采技术条件，分析了特厚煤层大采高综放开采条件下的顶板结构。根据煤层赋存情况，对龙王沟矿61601工作面综采放顶煤工艺参数进行了优化设计，确定了采放比为1∶ 2.74，放煤步距为0.865 m。

(2)根据龙王沟矿特厚煤层大采高综放开采条件，计算和确定本工作面三机配套参数。

(3)确定了采煤机采高范围为2 800～5 440 mm，滚筒直径为2 700 mm；确定了液压支架的支护高度范围为2 800～5 300 mm，支护宽度为1 960～2 160 mm；根据本工作面煤体的物理力学性质，提出液压支架护帮板应可回转180°，护帮板垂直高度不小于2 000 mm；对液压支架的管路进行了优化设计，以保证支架立柱后行人通道具有一定的宽度。采用刮板输送机设计计算公式获得了刮板输送机的参数，并分析了不同工作面倾角时运量和铺设长度的关系，通过刮板输送机过断面计算，确定前、后部刮板机参数如下：内槽宽度为1 000、1 200 mm，装机功率为2×1 000、2×1 200 kW。