f第四章 采区布置及装备.doc

第四章 采区布置及装备 第一节 采煤方法 一、采煤方法选择 1．开采条件 本井田位于淮南复向斜中次一褶皱陈桥背斜之南翼，总体形态呈现不完整的宽缓向斜构造，向斜北部煤层倾角10～20，向斜轴部煤层倾角3～8。井田东部F5～F19断层间及中部F25～F14断层间构造较为简单，块段比较完整，为本井田的主要开采块段。被划为矿井后备区的F14～F12断层间以及F1断层组推覆体构造带内断层较为发育，煤层被切割较为严重。 本井田主要含煤地层为二叠系，含可采煤层13层，总厚度27.58m，埋深一般为400～500m。其中13-1、11-2、8、5、1煤层为主要可采煤层，平均厚度分别为4.24m、3.29m、2.54m、4.24m和4.20m，平均总厚度为18.51m，占可采煤层总厚度的67.1。另外尚有8个次要可采煤层，平均厚度为0.63～1.51m，总厚度为9.07m，占可采煤层总厚度的32.9。5层主要可采煤层中，13-1、11-2、8煤层全区稳定可采、5煤层大部可采、区段稳定，1煤层部分可采、区段稳定。各煤层结构较为简单，除13-1、11-2含夹矸1～3层以外，其余煤层夹矸多为1～2层。13-1、11-2、8、5煤层顶板以泥岩、砂质泥岩为主，1煤层顶板以石英砂岩、中细砂岩为主；13-1、11-2、8、1煤层底板以泥岩、砂质泥岩为主，5煤层底板以粉、细砂岩为主。各主采煤层特征见表4-1-1。 本矿井为高瓦斯矿井，各主要可采煤层瓦斯含量最大值为4.17～8.86m3/tr，其中，13-1、5煤层瓦斯含量较高，11-2、8煤层较低。 本矿井13-1煤层不易自燃，11-2、8、5煤层为很易自燃，1煤层为易自燃。各煤层煤尘均具有爆炸危险。 主要可采煤层特征表 表4-1-1 煤 层 名 称 间 距 m 结 构 类 型 稳定性 可采率 （） 顶底板主要岩性 备注 顶 板 底 板 13-1 70.00 简单～较复杂 稳定 100 砂质泥岩、泥岩 砂质泥岩、泥岩 11-2 简单～较复杂 稳定 100 砂质泥岩、泥岩 砂质泥岩、泥岩 81.60 8 简单 稳定 100 泥岩、砂质泥岩 砂质泥岩、泥岩 42.80 5 简单 区段 稳定 泥岩、砂质泥岩 粉、细砂岩 97.70 1 简单 区段 稳定 石英砂岩、砂质泥岩 泥岩、砂质泥岩 本矿井-762m水平平均岩温38.9℃，最高40.3℃，已进入二级高温区。 本矿井一水平-762m以上可采储量为423.206Mt，其中适合综采的可采储量为352.133Mt，占83.2。矿井2个主要开采块段（F5～F19与F25～F14）内5个主要可采煤层大部分适合综合机械化开采。 综上分析，本井田主采煤层赋存稳定，主采块段完整，开采面积大，适合综采储量多，故应优先考虑采用综合机械化开采。 2．采煤机械化发展现状 随着世界煤炭技术的发展，我国综合机械化采煤技术提高很快，生产技术和管理经验日趋成熟，综采机械化程度已由1990年的35.5提高到1998年的49.3。潞安、晋城矿务局综合机械化开采程度已达到100。淮南矿区谢桥矿井和张集矿井综合机械化开采程度亦达100。 新集矿区1999年综采机械化程度达到92.6，远高于全国平均水平；其中花家湖矿井综合机械化开采程度达到100。 综上分析，根据本井田的煤层开采条件，并结合目前煤炭生产技术的发展和新集矿区的综采实践经验，本矿井选择以综采为主的采煤工艺。 鉴于本矿井首采区开采条件较好，宜采用综合机械化开采。 3．采煤方法 （1）国内采煤方法发展现状 本矿井主采块段煤层均属缓倾斜煤层，目前我国缓倾斜煤层主要采用走向长壁和倾斜长壁采煤法开采，工作面产量分别占总产量的88和12。其中走向长壁采煤法开采技术业已成熟，并被广泛采用。新集矿区以及邻近的淮南矿区均以走向长壁采煤法开采为主。倾斜长壁采煤法多在大同、兖州、鸡西等24个矿区、100多对矿井采用，并取得了较好的经济效果，积累了丰富的开采经验，现正在条件适宜的地区推广使用。本矿井邻近的张集矿井初期移交的两个13-1煤层工作面（煤层倾角7～8）均采用倾斜长壁布置，2002年上半年最高日单产分别达到10.1kt和11.3kt。 根据大同燕子山矿（4.0Mt/a）对2种采煤方法的比较结果，倾斜长壁较走向长壁布置，矿井初期巷道工程量减少4.0，矿井前后期巷道工程量减少35.8，矿井前后期总运输量减少42.4，经济效益显著。因此，在条件适宜的煤层应优先采用倾斜长壁采煤法。 （2）倾斜长壁开采适用条件及存在的问题 我国倾斜长壁采煤法多用于开采倾角12以下的缓倾斜煤层。近年来，部分矿区在12以上煤层中也开始使用。倾斜长壁综采工艺系统可靠性的高低，受地质条件及工作面参数影响很大，尤其是煤层倾角大小直接决定能否保证工作面采、装、运、支等工序正常进行。当煤层倾角较小时，其工艺特点与走向长壁相差不大；但随着煤层倾角的增大，综采支架等设备稳定性变差，尤其是俯斜开采时采煤机装煤效果较差，系统故障率高，可靠性下降，从而给开采带来一定困难。 鸡西矿务局自70年代末开始，先后在不同地质条件下的煤层中采用倾斜长壁式开采，其中煤层倾角小于12的工作面占62，煤层倾角在12～17的工作面占30，大于17的工作面占8。根据该局50个倾斜长壁面的统计分析，煤层倾角α与工作面月产量Q和系统有效度As的相互关系见图4-1-1。 由图4-1-1中可以看出，倾斜长壁工作面工艺系统有效度和工作面产量随着煤层倾角加大而呈下降趋势；当煤层倾角在12以下时，系统有效度和工作面产量下降幅度较缓；当煤层倾角在12～17时，系统有效度和工作面产量下降速度加快；当煤层倾角大于17时，系统有效度和工作面产量急剧下降，说明系统各环节故障率明显上升，设备损坏较为严重，产量递减幅度大。上述开采实践表明，当煤层倾角小于12、条件适宜、工作面连续推进长度能满足要求时，应优先采用倾斜长壁采煤法；对于12～17的煤层，是否采用倾斜长壁开采，应结合矿区开采经验、煤层赋存条件、以及对工作面采、运、支设备是否有可靠的技术措施等综合考虑，合理确定。 （3）采煤方法选择 本矿井东翼主要可采块段（F5～F19断层间）煤层倾角14～18，-762m以上倾斜宽度850～1100m左右，断层间工作面沿走向可连续推进的长度2000～3400m。从东翼煤层赋存条件上看，宜采用走向长壁布置。 本矿井西翼主要开采块段（F25～F14断层间）浅部煤层倾角一般为12～15，中深部为3～10，-762m以上倾斜宽度为1000～1900m，断层之间煤层走向长度500～1800m。此块段大部分区域煤层倾角小于12，局部12～17煤层沿断层方向伪倾斜布置工作面时，煤层最大伪倾角仅为12左右；而且该区域倾斜断层较为发育；因此，从西翼煤层赋存条件上看，宜采用倾斜长壁布置为 主，局部采用走向长壁开采。 综上分析，本矿井推荐采用走向长壁与倾斜长壁相结合的采煤方法，全部冒落法管理顶板。 4．工作面推进方向 考虑到本井田邻近生产矿井现行开采煤层均具有自燃发火倾向，根据煤矿安全规程规定，本矿井回采工作面全部采取后退式布置。即走向长壁工作面沿煤层走向向上山方向推进，倾斜长壁工作面沿煤层倾斜方向向主要大巷方向推进。这种布置方式有利于切实掌握工作面内煤层产状及构造变化情况，充分发挥采煤机械化的效能，实现矿井高产稳产。 5．回采工艺 （1）国内采煤工艺发展现状 经过多年的研究和实践，我国已掌握了适应不同地质条件下的采煤工艺。缓倾斜中厚煤层综采技术已经成熟。1993年以来，综采放顶煤回采工艺取得了重大突破，为厚煤层开采积累了更为有效的开采方法，从而大大提高了工作面单产水平。潞安、兖州、阳泉、新集、郑州等“双高”矿井建设发展较快的矿区，均得益于综放技术的应用。到1998年，全国共有76个综采工作面采用了放顶煤工艺，共生产原煤70Mt以上，比1996年增产10Mt。其中，22个综放队达到年产百万吨的水平，8个综放队达到年产2000kt～4000kt。目前3.5～5.5m厚度的煤层中采用综放工艺开采在徐州、大屯、邯郸、峰峰、淮南等矿区也取得了较好的经济效益，并积累了丰富的经验；但4.5m以下煤层采用综放工艺开采时，大部分工作面存在着单产较低、煤炭含矸率较高等问题，工艺水平有待进一步提高。（见表4-1-2） 缓倾斜厚煤层一次采全高综采技术已在神东、淮南、邢台、开滦、晋城、铁法、西山、徐州、枣庄等矿区推广使用，并取得了较好的经济效益和丰富的开采经验。据统计，缓倾斜厚煤层一次采全高综采产量已占用国有重点煤矿产量的15左右，并有逐步提高的趋势。如神东大柳塔煤矿在工作面长238m、采高3.5m条件下，采用全套进口 部分矿井5.5m以下较薄厚煤层综放面生产情况统计 表4-1-2 矿井名称 及工作面 编 号 倾角 （度） 煤厚 m 煤层普氏 系 数 f 放顶煤 支 架 型 号 主要经济效益 平均日产t 平均月产 kt 回采工效（t/工） 采出率 （） 含矸率 （） 徐州旗山 3121 7 3.6～6.4 1～1.2 ZFSB3000 -15/26 2500 65.0 18 94 10.2 大屯姚桥 7509 5 4.99 2 ZFSB4400 -16/28 2700 76.5 14.6 79.5 3 邯郸云驾岭12110 13 3.6 1.2 ZFB2400 -16/24 800 23.7 23.8 88.3 16 峰峰薛村 92101 10 5.3 1.5 ZFQ2000 -16/24 963 27.4 12.67 80 7 峰峰薛村 92103 10 5.0 0.68 ZFQ2000 -16/24 1448 36.2 15.74 80 7 峰峰羊渠河 8260 5 3.8～6.0 2 ZFQ2000 -16/24 789 23.7 8.5 85.7 7 淮南谢桥 1121（3） 8～12 3.3～6.1 0.35～1.7 ZFS4400 -17/32B 2500 64.3 17.5 86.3 12.5 峰峰孙庄 12264 17～34 3.0～4.2 1～1.5 ZFQ2000 -15/23 1369 40.1 24 88 - 峰峰五矿 52128 10 3.6 - ZFQ2000 -16/24 550 - 23.48 - - 淮南张集 12123 7～8 3.9～4.8 ZF4000 -17/28H 7236 180.9 - 90 - 注表中淮南张集1212（3）综放面为矿井首采工作面，因采出煤炭的含矸率较高，其接替工作面现已改为一次采全高方式回采 综采设备（包括德国WS1.7型高强度掩护式液压支架、PM4电液控制系统、美国6LS-5型电牵引采煤机、功率1500kW等），2000年度综采面单产达到8030kt，煤炭日产达到36.8kt；神东补连塔煤矿采用美国JOY8670-2.4/5.0型两柱掩护式液压支架，在采高4.5～4.8m的条件下，综采面日产达到25～27kt；本矿井邻近的张集煤矿在工作面长220m、采高3.9m（13-1煤层顶板Ⅱ1～Ⅲ4类、底板Ⅲa类）的条件下，采用国产ZZ6000-20/42型液压支架、MG400/920-WD型采煤机、2002年上半年综采面平均月产达到213.3kt，最高日产达到11.3kt；邢台东庞煤矿在采高4.4m、煤层倾角15～18、Ⅱ2类顶板条件下，采用国产大采高综采设备，1997年度综采面单产达到2230kt。 针对大采高工作面片帮冒顶问题，各矿在学习国外先进技术基础上也探索出一套成功经验 ① 精选支架 根据美国及国内神东矿区实践经验，在中等稳定及偏下类顶板开采条件下，采用高强度二柱掩护式支架，可有效地阻止顶板岩层向采空区移动的纵向推力，改善工作面围岩的受力条件，工作面片帮冒顶事故随之减少。如美国10个厚煤层矿井中考虑煤质问题有6个矿井留有顶煤（均采用二柱掩护式支架），均不存在顶煤留不住或工作面冒顶问题。 ② 提高液压支架初撑力 开梁钱家营、西山官地等煤矿通过配备初撑力保证阀，提高液压支架初撑力，有效地减少了工作面顶板下沉量，进而减少了片帮、冒顶次数。 ③ 及时支护端面顶板和煤壁 邢台东庞矿在大采高综采工作面实行追机作业，即在采煤机割煤后，紧跟着擦顶带压移架，移架到位后，立即将支架的伸缩式（或折叠式）前探梁及护帮板伸出，及时支护住新裸露的顶板及煤壁。 ④ 加固煤壁 开滦范各庄矿工作面局部采用木锚杆加固煤壁，效果较好。 ⑤ 加快工作面推进速度 大采高工作面加快推进速度，缩短端面顶板及煤壁悬露时间，减少煤体及端面顶板的累计变形量，亦可提高煤壁的稳定性。如本矿井邻近的张集矿井大采高（3.9m）工作面片帮冒顶较少，与工作面推进速度较快（平均186m/月）有很大关系。 ⑥ 合理选择工作面采高 根据工作面顶板和煤层条件，合理选择工作面采高，可有效地控制工作面片帮冒顶程度。根据邢台东庞矿在2702工作面的Ⅱ2类顶板条件下，进行一次采全高综采试验观测结果，煤壁片帮深度随着实际采高的增大而呈非线性增加；当采高超过5m后，其片帮深度急剧增加（见表4-1-3）。 煤壁片帮深度与采高的关系 表4-1-3 采高hm 1 2 3 4 5 6 7 8 片帮深度δmm 64 147.9 262 426 681 1140 2170 6890 δ的增长倍数 2.3 1.7 1.62 1.59 1.66 1.91 3.17 综合近年来神东大柳塔、补连塔、邢台东庞、淮南张集等矿的开采经验，在顶板中等稳定、煤质较硬的条件下，采高可达到5m；对于顶板稳定性较差、煤质较软的煤层，采高不宜超过4.5m。 综上分析，目前国内4.5m以下缓倾斜厚煤层综采成套设备已实现国产化，回采工艺已日趋成熟，工作面单产已达到较高水平，5m大采高工作面也取得了成功经验。国内外采煤技术的发展为本矿井采煤工艺的选择提供了依据。 （2）回采工艺的选择 结合本井田煤层赋存条件和国内外采煤工艺发展水平，设计确定11-2、8煤层采用一次采全高综采工艺。5、1煤层东区厚度大部分在4.5m以下，采用一次采全高方式回采；西区厚度多达4.5～6.0m，可采用综采放顶煤工艺开采。 本井田首采的13-1煤层煤厚呈现西厚东薄的变化趋势；其中F19断层以东煤层厚度一般为3.0～4.5m，推荐采用一次采全高方式开采；F19断层以西煤层厚度一般为3.5～5.5m，推荐综采放顶煤工艺开采。 本井田首采块段东二（13-1）煤层顶板以砂质泥岩、泥岩为主，属中等稳定偏下类顶板，全区内煤层厚度也呈西厚东薄的变化趋势，其中厚度2.5～4.0m的煤层面积占56，4.0～4.5m占35，4.5m以上占9。平均煤厚只有4m左右；考虑到本矿井邻近的张集矿井采用国产综采设备，在13-1煤层实行大采高（平均3.9m）综采已取得成功，因此，设计推荐本矿井首采块段采用一次采全高方式 回采。 二、工作面主要技术参数的确定 1．工作面长度 随着综合机械化装备技术和生产管理水平的不断提高，国内外回采工作面长度也在不断加大。1998年美国综采工作面平均长度为259m，最长达335m。国内近几年投产、在建及新设计的大型矿井 工作面长度多在200m以上。如2001年兖州矿区兴隆庄、东滩、济宁二号、济宁三号等矿井综采工作面长度达到300～213m。潞安王庄矿综采面长度达到270m。晋城寺河和神东大柳塔煤矿综采工作面长度分别达到245m和240m。本矿井邻近的谢桥、张集矿井工作面 长度也达到220m左右。结合本井田各煤层开采条件和目前国内外工 作面长度的发展趋势，设计推荐本矿井主采煤层工作面长度为270～300m，首采块段工作面长度取270m。 2．工作面年推进度 目前美国产量较高的综采工作面年推进度已达到5000～7000m；国内神东大柳塔矿在采高3.5m、面长238m、采用进口大采高综采设备条件下，工作面年推进度达到6000m以上。兖州矿区东滩、济宁二号、济宁三号矿井2001年5月份在工作面长度为227～188m，煤层厚度为5.6～6.9m，采用综放工艺开采条件下，工作面月推进度已达256～289m。据此推算年推进度有望达到3070～3470m。邢台东庞煤矿在煤层厚度4.4m、面长155m、采用国产大采高综采设备条件下，工作面年推进度达2100m以上。晋城寺河矿在煤层厚度5.0m，面长245m的条件下，设计年推进度为2400～2600m。本矿井邻近的张集矿井在平均煤厚3.9m、面长220m、采用国产大采高综采设备条件下，2002年上半年工作面月推进度平均已达186m，年推进度有望达到2200～2300m。 本矿井综采工作面采用高强度掩护式液压支架，并配有进口电液控制系统，其它装备也采用具有国内先进水平的综采配套设备。工作面实行2班采煤，1班检修；按采煤班每班割煤6～7刀，每刀进尺0.8m，日循环进尺为9.6～11.2m，循环率取0.9，年工作日按300天计算，综采工作面年推进度也可达到2590～3024m。 考虑到新集矿区目前生产实际和今后煤炭科学技术的发展，并结合本井田主采煤层厚度、顶底板岩性等因素，设计暂推荐13-1、5、1煤层年推进度2100～2300m，11-2、8煤层年推进度2600～2800m。 3．工作面单产 为了合理确定工作面单产，设计从以下几个方面对本矿井工作面单产水平进行综合分析和预测。 （1）国际先进综采工作面单产水平 近年来，美国长壁综采技术以惊人的速度发展，成为目前世界上综采技术最先进、单产水平最高的国家。1996年综采工作面平均单产为2820kt/a；1997年6月美国二十英里煤矿在煤厚2.54m，面长256m的条件下，工作面月产原煤1020kt；1998年美国坎布兰德、恩梅诺德煤矿在煤厚2.29m、1.98m，面长287m、305m的条件下，工作面单产分别达到6400kt/a和5000kt/a。 （2）国内先进综采面单产水平 近几年，我国综采工作面单产水平有了较大的提高。如1998年兖州矿业集团综采工作面平均单产达1500kt/a以上；1999年及2000年该集团5个重点综采队原煤单产水平均达到3000kt/a以上，最高单产为5130kt/a。2000年神东大柳塔矿在平均采高3.5m的条件下，采用全套进口大采高综采设备，工作面单产达8030kt/a。邢台东庞矿在煤厚4.4m的条件下，采用国产大采高综采设备，1996年、1997年分别实现工作面单产2197kt/a和2230kt/a。本矿井邻近的张集矿井在平均煤厚3.9m的条件下，采用国产大采高综采设备，2002年上半年工作面平均月产达到213.3kt，最高日产达到11.3kt。国内先进综采工作面单产水平发展趋势见图4-1-2。 （3）承建本项目的业主具有先进的管理水平和丰富的综采经验 隶属于国投新集的新集、花家湖、八里塘矿井均实现当年投产、当年达产。1997年新集矿井、1998年花家湖矿井相继被命名为煤炭行业特级高产高效矿井，标志着国投新集能源股份有限公司的管理水平上了1个新台阶。新集矿综采一队于1995～1997年实现工作面单产2388～3196kt/a，达到同期国内综采工作面单产领先水平。 （4）较好的煤层赋存条件，为实现工作面高产稳产奠定了良好的基础。 本矿井开采范围广，储量丰富，5层主要开采煤层平均厚度为2.54～4.24m。主要开采块段（F5～F19及F25～F14）煤层赋存稳定、倾角平缓（一般3～16）、构造比较简单、煤层瓦斯含量较低，适合综合机械化开采。因此，本矿井煤层生产能力较大，接替条件较好，易于实现高产稳产。 （5）高标准工作面装备是实现高产高效的有力保证 本矿井综采工作面配备以ZY7000-2.0/4.5型高强度掩护式液压支架（配电液控制系统）为核心（其它设备均达到国内先进水平）的综采配套设备，从而为工作面实现高产稳产提供了可靠的保证。 （6）邻近矿区较高的瓦斯抽放技术，为解决本矿井瓦斯问题提供了条件。 本井田主要开采煤层最大瓦斯含量为4.17～8.86m3/tr，与邻近的谢桥矿井（3.75～8.60m3/tr）相当。据谢桥、潘三等矿井实测，综采工作面采用顶板走向钻孔抽放瓦斯时，部分回采工作面瓦斯抽放率已达到40～50。从而为有效地解决本矿井瓦斯问题提供了宝贵的经验。 （7）按年推进度计算综采工作面单产 ALhlrC10-3 式中A综采工作面产量，kt/a； L综采工作面年推进度，m/a； h综采工作面采高，m； l综采工作面长度，m； r煤的容重，t/m3； C综采工作面回采率。 主要开采煤层综采工作面产量计算结果见表4-1-4。 （8）按采煤机割煤速度计算综采工作面单产 ATbhrVctu-t1nC10-3 式中A、h、r、C符号含义同前 T设计年工作天数，天； b采煤机截深，m； Vc采煤机平均割煤速度，m/min； t每班工作时间，min/班； u综采机组开机率； t1每班采煤机换向等工序时间，min/班； n每天采煤班数，班/天。 主要开采煤层综采面产量计算结果见表4-1-5。 综采工作面产量表 表4-1-4 参 数 煤 层 Lm/a hm lm rt/m3 C Akt/a 13-1 2100～2300 4.24 270 1.37 0.93 3063～3355 11-2 2600～2800 3.29 270 1.41 0.95 3093～3332 8 2600～2800 2.54 300 1.39 0.95 2616～2818 5 2100～2300 4.24 270 1.39 0.93 3108～3404 1 2100～2300 4.20 270 1.35 0.93 2989～3275 综采工作面产量表 表4-1-5 煤层 T （天） b m h m r t/m3 Vc m/min t min/班 u t1 min/班 n 班/天 C A kt/a 13-1 300 0.8 4.24 1.37 6.5 480 0.5 30 2 0.93 3539 11-2 300 0.8 3.29 1.41 7.5 480 0.5 30 2 0.95 3332 8 300 0.8 2.54 1.39 8.0 480 0.5 30 2 0.95 2705 5 300 0.8 4.24 1.39 6.5 480 0.5 30 2 0.93 3591 1 300 0.8 4.20 1.35 6.5 480 0.5 30 2 0.93 3455 （9）按照综采工作面瓦斯涌出量计算工作面允许最高单产 A10-3 式中A工作面单产，kt/a； V工作面允许的最大风速，m/s； S工作面通风断面，m； Cn工作面允许的最大瓦斯浓度； θ工作面瓦斯综合抽放率； q工作面瓦斯相对涌出量，m3/t； k工作面瓦斯涌出不均衡系数。 主要开采煤层综采工作面产量计算结果见表4-1-6。 综采工作面产量表 表4-1-6 水 平 煤 层 V m/s S m2 Cn θ q m3/t K A kt/a 一水平 -762m以上） 13-1 4.0 10.0 0.01 0.4 4.16 1.1 3777 11-2 4.0 8.0 0.01 0.4 3.25 1.1 3867 注表中q值为一水平F19断层以东煤层最大瓦斯涌出量。 综合分析，结合本矿井开采技术条件及国内、外采煤工作面单产水平的发展趋势，设计确定13-1、11-2、5、1煤层综采工作面单产按2850kt/a考虑，8煤层综采面单产暂定为2500kt/a。 三、采煤工作面设备选型 1．国内外采煤工作面设备发展水平 （1）液压支架 目前，国外液压支架的主要发展趋势是高阻力、高可靠性、宽中心距和电液控制的二柱掩护式支架。1996年美国采用二柱支架的工作面达66个，占96，至年底仅剩一个四柱支架工作面，澳、英、德等国近年来也大力发展二柱支架，新购置支架大多为二柱式。其主要原因是两柱支架结构简单、高强度二柱掩护式支架可有效地遏止顶板岩层向采空区移动的纵向推力，改善工作面围岩的受力条件，减少工作面的片帮冒顶。国内神东大柳塔、补连塔、邢台东庞、义马耿村等矿的大采高工作面均采用二柱掩护式支架，工作面单产达到较高的水平。美国及国内神东矿区井下工作面多为中等稳定顶板、邢台东庞为中等稳定偏下类顶板，多年的生产实践表明，在大采高、中等稳定及偏下类顶板条件下，高工作阻力的二柱掩护式支架是发展方向。 近年来液压支架有向重型发展的趋势，支架工作阻力逐年增加，美国长壁工作面支架工作阻力大部分在7000～8000kN，最大的二柱掩护式支架工作阻力达到9800kN，而美国煤层埋深都在500m以内，平均306m。国内神东大柳塔矿在采高3.5m的工作面，液压支架工作阻力达到6715kN，在回采期间仍存在顶板沿煤壁切落100～200mm的台阶下沉现象，说明支架的工作阻力并不富裕。神东补连塔矿在采高4.5～4.8m的工作面，液压支架工作阻力达到8670kN，在回采期间未发生过顶板台阶下沉和支架严重下降问题。 国外液压支架普遍采用电液控制和高压大流量供液系统，移架速度达6～8s/架，1996年美国已全部采用电液控制。国内神东补连塔矿国产大采高液压支架采用了大流量片阀，移架速度只能达到12～15s/架。可见，电液控制系统优势明显。 国外液压支架广泛采用高强度材料，支架寿命和可靠性大大提高。部分公司支架寿命达14年以上。国内神东大柳塔矿采用德国高强度掩护式支架，该套设备大修前共回采了6个综采面，采出煤量14.48Mt，其可靠的性能、卓越的过煤能力为大柳塔矿高产高效的实现提供了保证。 （2）采煤机 滚筒采煤机的主要发展趋势是大功率、电牵引、多电机、大截深和自动控制等。1996年美国长壁面采煤机的平均功率已达933kW，最大1492kW，采煤机割煤速度普遍在8～9m/min以上，最高达到 13m/min，空载牵引速度最大达45.9m/min，截深加大到1.0～1.2m。大部分采煤机装有遥控、监测、故障诊断系统。近年来已有部分长壁面采用智能采煤机，可根据预先设定的顶煤厚度自动调整滚筒高度，自动调整牵引速度和测定采煤机位置。国内神东大柳塔矿采用美国6LS-5型电牵引采煤机、功率1500kW、牵引速度0～15m/min。国产电牵引采煤机经过多年的研制和实践已经成熟，装机总功率已达1200kW，牵引速度达到12.8m/min，截深达到0.8m，采高达到4.5m，基本上能满足3.0Mt/a大采高综采面采煤需要。 （3）工作面刮板机 工作面刮板机是向重型化、大功率、大运量、高强度和高寿命方向发展。1998年，美国长壁面刮板机功率平均1195kW，最大2238kW，溜槽宽最大1.332m，运量最大4000～5000t/h。近年来安装的工作面刮板机还采用了CST保护驱动控制装置，可实现重载软启动和载荷分配。国产工作面刮板机功率达到1400kW，溜槽宽达到1.2m，运量达到2500t/h，长度达到300m。 2．设备选型原则 （1）本矿井采煤工作面装备力求达到国内领先、国际先进水平。 （2）设备选型在技术先进、生产可靠的同时，兼顾设备间的相互配套，保证运输系统流畅，以期达到采运平衡，最大限度地发挥综采设备优势。 （3）根据对全国高产高效工作面装备的调研和分析，工作面要实现高产高效，其主要设备应有足够的富裕系数，以减少设备故障率，提高开机率，实现工作面高产稳产。 （4）鉴于目前国内综采设备的研制已达到较高水平，4.5m以下缓倾斜煤层大采高综采设备经多年的实践已基本成熟，因此本矿井首采工作面设备暂选国产设备。 3．液压支架选型 （1）架型的确定 液压支架是综采工作面对顶板进行支护管理的重要设备。本着支架要能顶得住，移得走，并满足工作面采高、倾角及通风等要求的原则，按照我国现行“缓倾斜煤层工作面顶板分类方案”及“缓倾斜煤层工作面底板分类方案”，经过对本矿井13-1煤层首采块段钻孔资料及顶、底板岩石物理力学参数的统计分析，并参考邻近生产矿井13-1煤层矿压观测资料，本矿井13-1煤层首采块段直接顶属1～2类，老顶为Ⅱ～Ⅲ级，底板以Ⅲ类为主。根据不同类（级）的顶底板所适应的架型，本矿井13-1煤层首采块段一次采全高工作面可选择二柱掩护式或者四柱支撑掩护式支架，设计结合国内外大采高液压支架的实践经验和发展趋势，推荐采用国产高强度二柱支撑掩护式支架。综采支架选型结果见表4-1-7。 （2）围岩条件对支架结构的要求 由表4-1-7可知，13-1煤层顶板属中等稳定偏下类顶板；底板抗压强度较低，且该煤层煤质较软。因此，要求支架必须能够实现快速移架、追机作业、及时支护，邻架之间要有完善的封顶能力；底座对底板的比压要小，分布要合理；同时要有较强的控制煤壁片帮的能力。 （3）支架高度的确定 13-1煤层首采块段厚度1.72～4.41m（含夹矸），结合煤层及顶、底板条件，本报告推荐支架高度为2.0～4.5m。 （4）支护强度估算 P8mr9.810-3cosα 式中P支护强度，MPa； m最大采高，取m4.3m； r岩石容重，r2.7t/m3； α煤层倾角，取α15 P84.32.79.810-3cos15 0.879MPa 支架有效支护面积按7.5m2考虑，支架计算工作阻力为 东 二（13-1）采 区 液 压 支 架 选 型 表4-1-7（1） 钻 孔 号 项 目 121 162 十二65 二十32 116 117 13-1 煤 层 厚度（含夹矸，m） 4.41 4.28 4.28 4.17 1.72 3.35 夹矸岩性及厚度m 炭质页岩0.28 炭质页岩0.14 炭质页岩0.22 采高mm 4.30 4.28 4.28 4.17 2.2 3.35 采高范围/平均采高m 2.2～4.3/3.3 煤层倾角（度） 14～18 直 接 顶 节理裂隙影响系数C1 0.32 分层厚度影响系数C2 0.38 岩性 顶煤、泥岩、薄煤 泥 岩 泥 岩 泥 岩 砂质泥岩 砂页岩互层 厚度Mm 5.685.79 4.68 1.34 4.00 1.10 6.35 吸水饱和状态抗压强度σMPa 9.29 9.29 9.29 9.29 24.89 24.89 强度指数DσC1C2 1.1 1.1 1.1 1.1 3.0 3.0 直接顶初次跨落步距m 0～15.3 直接顶类别（类） 1 1 1 1 2 2 老 顶 老顶来压强度NM/m 1.35 1.09 0.31 0.96 0.48 1.90 老顶初次来压步距m 26.5～40.0 老顶级别（级） Ⅱ Ⅱ Ⅲ Ⅱ Ⅲ Ⅱ 东 二（13-1）采 区 液 压 支 架 选 型 表4-1-7（2） 钻 孔 号 项 目 121 162 二十65 二十32 116 117 顶板级类（级、类） Ⅱ1 Ⅱ1 Ⅲ1 Ⅱ1 Ⅲ2 Ⅱ2 底 板 岩 性 泥岩 炭质泥岩0.25 砂质泥岩 鲕状泥岩 砂质泥岩 砂质泥岩 含炭质泥岩 单轴抗压强度MPa 16.0 16.0 16.0 45.2 45.2 16.0 容许单轴抗压强度MPa 12.0 12.0 12.0 33.9 33.9 12.0 底板类型（类） Ⅲa Ⅲa Ⅲa Ⅳ Ⅳ Ⅲa 适合顶板架型 掩护 掩护 支掩 掩护 支掩 掩护 适合底板架型 掩护或支掩 掩护或支掩 掩护或支掩 架型不限 架型不限 架型不限 适合采区架型 二柱掩护式 采用支架型号及主要技术特征 采用ZY7000-2.0/4.5型液压支架，适应煤厚2.2～4.3m，工作阻力7000kN 6593KN。 （5）液压支架选型 根据以上计算结果，并结合国内外大采高高产高效工作面对支架支撑能力的要求，设计推荐13-1煤层首采块段采用国产高强度二柱掩护式液压支架，支架型号暂定为ZY7000-2.0/4.5。 4．采煤机选型 （1）采煤机平均割煤速度计算 Vc 式中各符号含义同前。 Vc 5.2m/min 目前，国外高产高效工作面综采机组开机率一般达到70～90，国内高产工作面综采机组开机率一般为40～45。本设计按照比国内目前高产工作面水平有所提高，接近世界先进水平的原则，确定综采机组每班开机率为50。故上式中u取0.5。 （2）采煤机小时能力计算 Q60VcmBr 式中Q采煤机小时能力，t/h； 其余符号含义同前。 Q605.24.30.81.37 1470t/h （3）采煤机功率估算 根据美国、日本等国的经验，开采1吨较硬的煤所需能量为0.6～0.7kwh，据此估算13-1煤层采煤机功率为882kW～1029kW。 （4）采煤机选型 根据上述计算结果，考虑到本矿井首采块段虽然煤质较软，但采煤机需切割小断层等因素，并结合国内大采高高产高效工作面采煤机配备及发展趋势，设计推荐本矿井首采块段选用国内先进的MGTY500/1200-3.3D型电牵引采煤机。其装机总功率为1200kW，截深为0.8m、牵引速度为0～7.7～12.8m/min。 5．其它主要设备选型 根据采煤机小时割煤能力，结合国内大采高高产高效工作面设备配备情况，各运输环节应留有足够的富裕能力，以减少设备故障率，提高开机率，从而达到高产稳产的目的。工作面、顺槽主要运输设备选型如下 工作面刮板输送机选用SGZ1200/1400型，该机小时能力2500t/h，中部槽内宽1.2m，功率2700kW。 顺槽转载机选用SZZ1200/525型，该机小时能力3500t/h，中部槽内宽1.2m，功率525kW。 顺槽破碎机选用PCM250型，该机小时能力3500t/h，功率250kW。 顺槽可伸缩胶带输送机选用SSJ1200/3375型，该机小时能力2500t/h，带宽1.2m