厚煤层安全高效轻放工艺技术研究

梁 哲

（山西省长治经坊煤业有限公司，山西 长治 047100）

厚煤层放顶煤开采工艺中，支架的选择对于煤炭资源安全高效的开采具有极为重要的意义。传统的综放开采所选用的支架往往较为笨重，使用过程中存在运输、安装和拆除等难题，因此有必要对其进行变革。而轻放工艺技术具有支架重量轻、结构尺寸小、灵活和运输便捷等优点，作为传统综放开采所选用的支架的变更方向具有很好的应用前景。

本文以经坊煤矿3-507工作面为工程背景，对其采用轻放开采工艺时所选用的ZF2600-16/24B型轻放支架进行了详细的分析研究，并结合现场工业性试验进行了验证，为轻放开采工艺技术的应用和推广奠定了基础。

1 工程背景

位于山西省长治县境内的经坊煤矿为一座生产能力300万t的现代化高产高效矿井。矿井井田主采3#煤层，煤层倾角变化范围为0°～3°，为近水平煤层，煤层平均厚度为6m，埋深为200～274m。该矿从2003年开始对原有开采工艺进行变更，采取了综采放顶煤的开采工艺。截至2013年，经坊煤矿共设有两个采煤队对井田范围内煤层进行开采，其中一个采煤队采用综放开采工艺，另外一个采煤队则相应的采用轻放开采工艺。其中，综放开采工艺选用的为ZF5800-16/30型综放支架，轻放开采工艺选用的为ZF2600-16/24B型轻放支架。综放支架重达19t，十分笨重，在井下运输、安装和拆除等过程中存在较大的难度，并且容易受限制于煤层厚度以及地质构造复杂程度等客观条件，适应普及度较差；反之，轻放支架重量只有8t左右，相对较轻，在井下运输、安装以及拆除等过程中存在诸多便捷，在提升工作效率的同时还能大幅度降低工人的劳动强度。并且其对煤层厚度以及地质构造复杂程度等客观条件具有很好的适应性，能够扩大井田内煤层的开采范围，对于煤炭资源的高效开采和回采率的提高有重要的作用。

2 轻放工艺研发及设备选型

关于轻放开采工艺的研发，可以按照图1所示的技术路线进行。

图1 技术路线图

由图1可知，结合现场实际的工程地质背景，在此基础上初步对轻放支架进行选型计算，并对理论计算选型结果进行现场工业性试验，根据试验效果对轻放支架的初步选型结果进行评价和改进，并对改进后的轻型支架应用效果进行信息反馈。依据此技术路线最终确定合乎经坊煤矿最优的轻型支架，进而改善井下开采环境并提高工作面的支护效果，从而实现井下工作面安全高效的回采。

以经坊煤矿五采区内的3-507工作面为例进行研究，该工作面地面标高为973～1001m，煤层底板标高为727～774m，平均埋深237m。3-507工作面沿煤层走向长度为1084m，沿煤层倾向长度为170m，采用轻放开采工艺，直接开采高度为2.2m，放顶煤高度为3.8m，采放比约为1:1.7。该工作面回采阶段选用的轻放支架型号为ZF2600-16/24B型，并配备2部型号为SGB-630/2×110型的刮板输送机来匹配满足生产需求。

2.1 轻放支架选型计算

根据邻近的3-405工作面开采期间矿压规律统计结果，可推断出工程地质条件相似的3-507工作面开采期间，其直接顶初次垮冒步距为8～14m，基本顶初次垮冒步距为25～30m，周期来压步距为7～16m。由于轻放支架承受的覆岩载荷与煤层厚度近似呈线性正相关，因此可以根据公式（1）理论计算顶煤对支架施加的载荷大小。

式中：P-覆岩层对支架施加的载荷大小，MPa；

N-取值8；

h-煤层的直接开采高度，m；

γ-覆岩层的平均密度，取值2600kg/m3。

根据3-507工作面开采地质条件，利用公式（1）可求解出覆岩层对支架施加的载荷大小P=448kN/m2。因此，工作面内轻放支架的工作支护阻力应大于448kN/m2。

2.2 ZF2600-16/24B型轻放支架参数校验

由于ZF2600-16/24B型轻放支架的平均支护面积为4.4m2，则可以据此对支架的支护参数进行校验，具体情况如表1所示。

表1 轻型支架支护参数校验表

由表1中计算结果可知，ZF2600-16/24B型轻放支架能够满足3-507工作面开采期间的支护需求。

3 现场工业性试验

3-507工作面采用走向长臂式后退开采方式，选用6MG-200W型采煤机进行循环割煤，每个循环内割煤二刀后进行一次放顶煤，每刀割煤进尺1.2m。其中割煤回收率为96%，放顶煤回收率为92%。对于工作面开采期间每个循环内，其循环割煤量Q1、循环放煤量Q2和循环采出量Q3分别为：

每日每班内完成一个循环，三班内完成3个循环，则日产量为4839.27t，抛掉检修等停产时间，一月平均产量120981.75t。可见，3-507工作面开采期间采用ZF2600-16/24B型轻放支架能够很好地满足生产需求。

3-507工作面回采期间，可以利用ZF2600-16/24B型轻放支架上安装的工作阻力在线监测系统对其顶板压力进行实时监测和分析。其监测结果见图2所示。

图2中数据为2013年11月份3-507工作面回采期间的部分监测结果，由图中数据可以看出，11月5日时支架上的工作阻力整体突然增大，说明此时发生了顶板周期来压。来压期间ZF2600-16/24B型轻放支架最大支撑工作阻力达到了1950kN，小于支架的额定工作阻力2600kN，基本为其80%左右。而在非来压期间，支架上的工作阻力整体偏小，此时支架最大支撑阻力仅为1220kN，远远小于支架的额定工作阻力2600kN，仅为其47%左右。可见，对于3-507工作面回采期间选用ZF2600-16/24B型轻放支架，能够很好地满足工作面回采阶段顶板来压情况，进而实现工作面的安全高效开采。

图2 轻型支架工作阻力在线监测结果

自从3-507工作面应用ZF2600-16/24B型轻放支架回采以来，对2013年当年8～12月份工作面出煤量进行统计，结果见表2所示。

表2 轻型支架支护参数校验表

由表2中5个月的数据统计情况可以看出，选用ZF2600-16/24B型轻放支架后，3-507工作面回采期间累计产煤量369943t，回采率高达94.5%，能够稳定地完成生产任务需求。且在3-507工作面回采期间，没有发生大的来压事故，无重伤以上的人员伤亡事故的发生，各项经济技术指标均达到或者超过了设计要求，取得了较好的经济效益和社会效益。

4 结论

通过对经坊煤矿五采区内3-507工作面所选用的ZF2600-16/24B型轻放支架进行选型计算和参数校验，理论上验证了该支架的合理性；通过现场工业性试验阶段对煤炭产出量、支架工作阻力以及人员伤亡事故等多方面的统计分析可知，选用ZF2600-16/24B型轻放支架后，3-507工作面轻放开采阶段能够安全高效地进行。可见，工作面支架的正确选型能够使得支架-围岩关系良好稳定，进而保证工作面的安全高效生产，可在其他地质条件类似的矿区进行全面推广应用。