寺河矿井盘区巷道布置及掘进工艺.pdf

麴 生筮2 期煤壁遮i 土 3 北京煤炭设计研究院 集团 刘 涛 摘要结合寺河矿井修改初步设计，介绍美国模式长壁大采高综采工作面巷道布置及 连续采煤机掘进工艺。 关键词盘区尺寸巷道布置煤柱尺寸支护方式掘进工艺 在寺河矿井修改初步设计中，我院对采煤方法进行 了充分比选，认为在一定开采条件下，加大煤层开采强度 是提高规模经济效益的主要途径，而综采设备生产能力的 提高，为扩大矿井规模创造了条件。鉴于此，设计建议采 用长壁大采高综采，装备具有世界先进水平的大功率、高 可靠性设备，以实现工作面单产3 0 0 ～4 0 0 万t ，a 。全矿井 于西一、东二盘区各配备1 个长壁大采高综采工作面，4 个连续采煤机掘进工作面以保证8 0 0 万t ，a 以上的生产能 力。 1 盘区尺寸 盘区尺寸的确定取决于地质构造条件，煤层开采技术 条件及盘区内采煤和运输等装备。一般来说，盘区尺寸 大，则盘区巷道掘进率低；工作面搬家次数少，工作面单产 和综采设备利用率高，开采经济；盘区服务年限也较长，有 利于盘区接替；煤炭损失少，回采率高。但盘区尺寸加大 又使盘区煤炭运输及辅助运输、通风等费用增加，巷道维 护时间延长，维修费用增加，同时供电距离增加，电压降增 大，对工作面机电设备的正常运转不利。 工作面的产量和效率是随着工作面长度的增加而提 高。加大工作面长度不仅减少了准备和回采的工程量，而 且也相对减少了端头、进刀等辅助作业时间，保证工作面 高产高效；而提高工作面推进度，尽量减少搬家倒面次数， 为工作面连续稳产高产创造了条件。 目前，我国煤矿高产高效综采技术发展趋势为提高 工作面单产，减少搬家次数，有条件的矿井要适当加长工 作面长度和采区走向长度。工作面长度应达到2 0 0 m ，部 分条件好的矿井工作面长度可随着工作面输送机铺设长 度的增加，逐步达到2 5 0 。3 0 0 I n 。1 9 9 6 年美国平均2 5 1 m ， 德国2 7 7 m ，最大达3 5 4 m ，长度为2 5 0 m 左右的工作面已比 较普遍。 目前，一套综采设备的最大小时能力已达2 5 0 0 t ，日产 量可保持在2 0 0 0 0 t 以上。因此，许多新建矿井的年生产能 力达3 4 M t ，甚至更高。长壁综采工作面的快速推进，促 使采区长度不断加大，1 9 9 6 年美国平均达2 5 7 0 m ，澳大利 亚平均1 8 7 4 m ，世界最大达5 3 6 5 m 美国 ，美国西部某矿设 计工作面长度已达‰；国内神东矿区活鸡免矿井达 5 3 0 0 m ，补连塔矿井达5 0 0 0 m ，榆家梁矿井达4 5 0 0 m 。 综合上述各项因素，对照目前国内、外的参数，在留有 余地的前提下，设计确定盘区倾斜长度为3 0 0 0 m 左右，走 向长度为3 0 0 0 | Ⅱl 左右。 2 巷道布置 盘区巷道布置的主要原赋是简化巷道系纺艏彦争j 万 节并为无轨胶轮车运输创造条件。充分利用本井田煤层 硬度大，顶底板条件好的优势，尽可能多做煤巷少掘岩巷。 根据井田的开拓部署绝大部分采用大巷直接布置工作面 即条带式开采，仅有个别区域送上山进行回采。 由于大采高长壁综采面单产高，加之本矿井煤层瓦斯 含量高，所需风量大，而胶带输送机巷风速有限制；连续采 煤机快速掘进的要求；自行式锚杆机和多台无轨胶轮车应 满足快速运输以及安装工作面设备应减少搬家停工时间 等要求，大采高综采长壁工作面顺槽通常采用多巷制。 根据美国煤矿安全法规定的采区巷道不少于三条巷 的要求，美国长壁综采工作面两端各布置3 条或4 条巷 道，以便于通风、行人以及煤和设备的运输。1 9 9 2 年5 月， 万方数据 垒堪芷遮盐迎 生笠2 期 美国矿山安全局经过多年调研和反复论证，允许长壁综采 使用2 巷制，但1 9 9 4 年末使用多巷制的占9 8 ％，使用2 巷 制的很少，不足2 ％。 鉴于此，首采各工作面统一布置7 条顺槽，采用“H ”型 通风方式，见图l 。该种通风方式将避免工作面老塘的瓦 斯进人回采工作面，而直接从工作面后面的回风巷道排 出，将大大减少工作面的瓦斯量。在进风顺槽与回风顺槽 问的联络巷内应构筑风墙，根据风墙的不同类型 永久的 或暂时的 ，它们可由砖石、混凝土块或其他任何材料构 筑。推荐使用砖石，它使用方便，成本低；还应该使用密封 材料，最大限度地减少漏风。并每隔1 5 0 m 在密闭墙上安 装既能满足密闭，又能满足行人要求的风门，以满足事故 时可作为避灾路线的要求，这样在发生火灾等事故时，人 员可经由回风顺槽经该风门进入有新鲜风流的顺槽，达到 安全撤离之目的。为了避免向已采完的长壁工作面漏风， 在每个工作面开采完毕后应迅速将其密封隔离。构筑密 封至少采用1 5 2 0 4 l 锄的混凝土块，并且安装有从密 封区域进行空气抽样的仪器。 图l 在胶带输送机顺槽内铺设临时轨道，用来放置移动变 电站、喷雾泵站、乳化液泵站、开关柜、电缆等设备列车。 各盘区顺槽均直接 或通过风桥 与大巷 上山 相搭 接。 3 巷道条数及煤柱尺寸 考虑到装备的机动性，特别是梭车运行的灵活性，采 用连续采煤机开拓区域巷道的设计掘进宽度选择如下主 要巷道为印0 0 l I 蚰，长壁工作面顺槽巷道为5 5 0 0 眦n 。 3 ．1 主要巷道 1 东西大巷 巷道数目 7 巷道中心距 2 5 m 横贯中心距 2 5 m 横贯角度 9 0 0 设计掘进高度 3 ．6 m 2 盘区上山 巷道数目 5 巷道中心距 2 5 m 横贯中心距 2 5 m 横贯角度 9 0 0 设计掘进高度 3 ．2 5 m 3 大采高综采长壁工作面 回风侧顺槽数目 4 运输侧顺槽数目 3 让压煤柱巷道中心距 2 0 m 支撑煤柱巷道中心距 3 0 m 横贯中心距 3 5 m 横贯角度 9 0 0 设计掘进高度 3 ．2 5 m ，3 ．6 0 m 4 煤柱强度校核 本井田煤层赋存条件与美国比较类似，长短壁结合的 采煤方法在美、澳等国也比较成熟，因此煤柱强度的校核 采用美国设计中常用的公式计算。 煤柱所承受的载荷 8 p Y D [ W p 砜 ／W p ] 2 式中＆单位面积应力，l 【g ，c 岔； r - 覆盖层的容重，2 ．6 t ，m 3 ； 驴一覆盖层的厚度，最大4 5 0 m ； w 。煤柱宽度，1 9 m ； V n 巷道宽度，6 m 。 雠 2 ．6 4 5 0 1 0 0 0 [ 1 9 6 ／1 9 ] 2 2 0 2 5 6 2 3 k g ，I l f 2 0 2 ．5 6 吲c 秆 由于长壁工作面开采造成的支承压力△6 △艿 一0 ．1 l A O ．3 5 6 A 2 一0 ．1 1 9 3 0 ．3 5 6 9 3 2 3 0 6 9 磅，英寸2 2 1 5 ．7 6 k g ，c 矗 式中A 为与煤柱毗邻的长壁工作面回采率，取9 3 ％，则 煤柱所受的总应力为8 ＆ △艿 2 0 2 ．5 6 2 1 5 ．7 6 万方数据 巡 生筮2 期堪芷落进5 4 1 8 ．3 2 k ∥c 矗 煤柱本身的强度为 S K 0 ．6 4 0 ．3 6 W ，H 式中卜煤柱的抗压强度 卜单位煤柱抗压强度，取各煤层最低单轴抗压 强度波动范围的平均值，3 号煤取3 0 0 。 w 一煤柱长宽之积的平方根，w ／w j k 廿一巷道高度，取3 ．6 m 。 则3 号煤层煤柱强度r s 3 0 0 0 ．“ 0 ．3 6 ／1 9 1 9 3 ．6 7 6 2 k ∥c Ⅱf 安全系数F S ，8 则3 号煤层煤柱安全系数为 F 7 6 2 ，4 1 8 ．3 2 1 ．8 2 美国设计中F 一般取1 ．5 ，故长短壁工作面煤柱不会 破坏，巷道是稳定的。 5 巷道断面和支护形式 由于本矿井为在建矿井，美方投资后将引进全套连续 采煤机设备用于井下大巷和工作面顺槽掘进。 引进连续采煤机成套掘进设备后高产高效工作面装 备及无轨运输设备的采用均要求加大巷道断面，根据上述 条件和要求，以及连续采煤机结构特点，借鉴国外经验，确 定本矿井所有煤巷断面为矩形，宽度5 ．5 6 ．0 m ，高度一 般为3 ．2 5 ～3 ．6 0 m ，采用树脂锚杆支护。这种支护方式在 美、澳等国使用非常普遍，其原因有以下几个方面①使用 连续采煤机掘进，巷道顶壁规整，对围岩的震动破坏作用 小；②安装锚杆后能紧贴顶板，并产生较大的初撑力；③作 为早期承载支护 主动支护 ，锚固后的锚杆产生向上而作 用于直接顶上的力，可减少岩层分离的可能性。作为后期 承载支护 被动支护 ，当顶板下沉和岩层分离时，锚杆相 当于立柱支撑作用。④施工机具配套，支护及时，顶板尚 未变形时锚杆就起到支护作用。本井田煤层埋藏浅，围岩 条件好，巷道变形量及变形速度小，故采用锚杆支护是合 适的。 1 东、西运输、胶带、进风及回风大巷布置在3 号煤 层里。根据通风及设备布置的要求，确定巷道净断面为 1 8 ．6 ～2 0 ．9 矗。矩形断面，采用树脂锚杆支护。 2 工作面顺槽回采时受动压影响，巷道变形量较大， 考虑设备布置，通风及巷道变形 预留断面变形按1 0 ％考 虑 等因素的影响，确定巷道净断面为1 8 ．O 一2 0 ．1m 2 。采 用树脂锚杆支护。在三巷开采系统的顺槽靠工作面一侧， 木锚杆将取代金属锚杆。在靠近工作面‰范围内，顺槽 用单体液压支柱加强支护，以抵抗回采超前支承压力的影 响。 3 工作面开切眼净断面为2 4 ．7 0 ，其临时支护采用 锚杆支护，因断面跨度大，中间加一排木支柱加强支护。 根据美方计算，采用如下支护方式 所有的顶板锚杆采用直径1 9 ．1 m ，长度1 髭洫曲镪锅 筋锚杆，其排间距1 2 2 0 m m ，锚杆托板规格为1 5 2 1 5 2 嘞。 所有的煤帮锚杆采用直径1 6 ．O m ，长度l ‰的钢 筋锚杆，煤帮锚杆采用尺寸为3 1 4 5 7 砌的木托板。 长壁工作面顺槽的顶板锚杆采用端部锚固并采用固 化速度慢的树脂锚固。采用端锚的原因是顺槽在工作面 超前支承压力的作用下特别容易损坏。端锚锚杆的优点 是在超前支承压力的作用下仍能在巷道顶板岩层内保持 压紧力。除此之外，在其它地方所打的锚杆都是树脂全长 锚固，并采用固化速度快的树脂锚固。 6 连续采煤机巷道掘进工艺 6 ．1 巷道掘进工艺 连续采煤机在采煤过程中，遵循一定的开采计划和顺 序，实为一种多巷同时掘进，顺序转换工作区的开采工艺， 现以比较典型的同时开掘5 条巷道为例作进一步阐述。 从图2 可见，连续采煤机正在第一条巷道作业，当向前掘 进约2 0 英尺 约6 米 后，连续采煤机转移到另一巷道，这 个距离是考虑到采煤机司机保持在有永久性锚杆支护的 安全范围内。工作面梭车往返于连续采煤机和给料破碎 机之间，图中虚线表示连续采煤机在第一巷道作业时两台 梭车的运行路线。从图中还可看出，锚杆机在第五巷道打 眼安装锚杆，它是紧跟连续采煤机的后续工序。显而易 见，连续采煤机刚从第五巷道转移到图示的第一巷道作 业。 从图3 中可以得知，连续采煤机已完成第一巷道的2 0 英尺的掘进作业，并已转入第二巷道开始作业，与此同时， 锚杆机已转移到第一巷道开始打眼和安装锚杆。梭车运 行路线如虚线所示，往返于连续采煤机和给料破碎机之 间。当连续采煤机完成2 0 英尺掘进进尺后将依次转入第 三，第四，第五巷道作业。下一个循环仍将从第一巷道开 始。当工作面向前推进约2 ～3 个煤柱距离时，需要向前 移动给料破碎机和配电中心，一般而言，给料破碎机越靠 近工作面，运输距离越短，采煤效率就越高。 这样的开采顺序将一直持续到工作面需要开掘横向 联络巷道。如图4 所示，当掘横向联络巷时，允许连续采 煤机移动，同时开掘相邻的巷道和联络巷，图中用数字标 万方数据 煤筻逡i 士巡 生筮2 翅 出了开掘横向联络巷的开采顺序。当完成这一段横向联 络巷的开拓，正常的开掘五条巷道的作业顺序将重复进 行。 图2 图3 采用连续采煤机的盘区产量高的一个不可忽视的重 要因素，是采用了配套恰当的铲车清理底板浮煤，扫清道 路，保障连续采煤机、梭车和锚杆机畅通无阻。铲车除了 面 _____ 哩 ■剑曩剑■剑 ＼ 。 刊川 H “} ．F 『1 一I埘量I血暑 1 1} {凸 汇l { l 斗挺旧 图4 上面所说的用途外，还被认为是盘区内很有实用价值的运 料车。 6 ．2 关于连续采煤机巷道掘进工艺的几点建议 1 连续采煤巷道掘进工艺由于采用7 、5 、4 、3 条巷道 同时向前推进，克服了高沼气矿井煤综掘长距离独头掘进 的通风难题，且巷道采用树脂锚杆支护，能及时控制巷道 顶板，成巷速度快，支护工艺简单，支护费用低，具有其明 显的优越性。但该矿井瓦斯涌出量大，又缺乏连续采煤机 生产管理经验，因此，必须进行多方研究，深入考虑、了解， 切实掌握该项生产技术和设备适应性，为矿井建设和生产 做好准备。 2 连续采煤机工作面掘进巷道条数多、间距小、横贯 多且巷道呈矩形，宽度均在5 ．0 m 以上，随之带来的问题 是，巷道支护效果、支护参数的合理选择、巷道系统的合理 布置以及通风系统调整、漏风系数选择等等，均有待在矿 井今后生产过程中逐步加以深入研究。 3 连续采煤机工作面成套设备均需引进，且在矿井 今后长期生产过程中，设备需要经常维修、配备零部件以 至整个设备的更新换代，同时连续采煤机在我国的使用范 围也将逐步扩大，为节省外汇，连续采煤机全套设备国产 化势在必行，希望上级领导部门对这项工作加以重视，及 早在国内组织科研单位、生产厂家积极研制和生产该套设 备，以满足我国大型矿井生产发展的需要。 责任编辑章新敏 万方数据