8.8m超大采高工作面盘区规划与设计要点研究.pdf

煤炭工程 COAL ENGINEERING Vo l. 52, No . 6第52卷第6期 doi 10. 11799/c e202006001 8. 8m超大采高工作面盘区规划与设计要点研究 杨俊哲 国家能源集团神东煤炭集团有限责任公司，陕西神木719315 摘 要上湾煤矿1-煤四盘区综采面设计采高 8m,回采设备均为重型设备，当前在用巷道 系统已无法满足综采面安装回撤的需求。 8m超大采高综采工作面在巷道设计及掘进施工方面与 普通大采高工作面也存在诸多不同，针对上述问题，结合采掘设备配套参数，上湾煤矿创新了 I“ 煤四盘区大巷布置形式，解决了超大断面煤巷两端头过渡及顶帮支护问题，保障我国首个 8m超 大采高综采面顺利安装投产。 关键词8. 8m超大采高；盘区规划；工作面设计；超大断面煤巷；拟合分析 中图分类号TD822. 2 文献标识码A 文章编号1671-0959202006-0001-05 Key points for planning and design of 8. 8m ultra large height mining panel YANG Jun-zh e National Ener gy Gr oup Sh end ong Coal Gr oup Cor por ation, Sh enmu 719315 , Ch ina Abstract Th e mining h eigh t of th e fully mec h anized c oal fac e in th e 12 seam of Sh angwan Coal Mine is 8m and its equipment is lar ge and h eavy. Th e c ur r ent pr od uc tion systems c an not satisfy th e installation and r etr ac tion of th e wor king fac e. Compar ed with th e or d inar y h igh h eigh t wor king fac e, th e 8m ultr a lar ge mining h eigh t r oad way d esigning and tunneling c onstr uc tion is d iffer ent. Aiming at th ese pr oblems and c ombining with th e mining equipment suppor ting par ameter s, Sh angwan Coal Mine innovated th e main r oad way layout, and solved th e pr oblem in th e two end tr ansition and th e sur r ound ing r oc k suppor t for th e super lar ge sec tion c oal r oad way, ensur ing suc c essful installation and oper ation of Ch ina * s fir st 8. 8m ultr a lar ge mining h eigh t wor king fac e. Keywords 8. 8m ultr a lar ge mining h eigh t； panel planning； wor king fac e d esign； c oal r oad way with super lar ge sec tion； fitting analysis 近年来随着煤炭开采技术和装备制造水平的不 断提高，厚煤层一次采全高工作面的回采高度逐渐 从 3.5m 增大至Ij 4.2m、5m、5.8m、7m、8m、 2m r 51o随着工作面采高的增大，生产效率的提 高，设备的尺寸也趋于大型化和重型化，综采面的 安装和回撤也与之前的大采高综采面表现出明显的 不同血刃，主要表现在盘区规划设计与综采面的矿 务工程施工等方面。结合上湾煤矿广2煤四盘区超 大米高综米面设计和建设情况，对 8m超大米高工 作面盘区规划和设计要点进行研究。 1工程概况 上湾煤矿煤四盘区位于矿井中部，盘区东 西倾向长度4.05km,南北走向长度5.7km,面积 23. 1km2,煤层标高1030 1086m。盘区煤厚7. 93 9.68m,平均厚度9.05m,煤层倾角1。3。，属较稳 定煤层。盘区地质储量2.5亿t ,设计可采储量 1.82亿t。结合「2煤四盘区煤层赋存条件，上湾煤 矿先后提出大采高一次采全高回采、综采放顶煤回 采和分层开采三种回采方案。I“煤为易自燃煤层, 采用分层回采，巷道掘进率高，生产效率低，且上 分层的回采遗煤给采空区防灭火管理带来极大安全 隐患，从安全性、生产效率及经济效益方面分析, 不宜采用分层综采。煤埋藏深度124-244m,埋 藏深度浅，煤体硬度大，节理裂隙不发育，煤层中 多处区域存在厚度大于300mm的坚硬夹肝，整体冒 收稿日期2020-02-15 基金项目国家“十三五”重点研发计划项目2017YFC0804310 作者简介杨俊哲1964-,男，陕西洋县人，博士，教授级高级工程师，现任国家能源集团神东煤炭集团公司副总经 理兼总工程师，E-mail junzh e. yang c h nener gy. c om. c no 引用格式杨俊哲.8. 8m超大采高丁作面盘区规划与设计要点研究[J].煤炭工程，2020, 526 1-5. 专题论坛煤炭工程2020年第6期 放性差，顶煤回收率无法保证，采空区遗煤安全隐 患大，综放方案也不适宜[10“131o四盘区煤层赋存稳 定，煤体自承能力强，有利于顶板维护，采用大采 高一次采全高工艺，资源回收率、生产效率高、经 济效益好，且上湾煤矿有丰富7m大采高生产经验, 从煤层赋存和生产技术方面考虑，8. 8m大采高一次 采全高方案为最优方案。1“煤四盘区共布置12个 超大采高工作面，服务年限13a。 上湾煤矿r2煤四盘区布置超大采高综采面需 要解决的主要问题①上湾煤矿r2煤四盘区生产 系统规划方案制定；②厂煤四盘区12401工作面切 眼宽x高11.4mx6. 3m超大断面煤巷支护参数确 定；③12401工作面切眼两端头和平巷的过渡形式。 2盘区规划与设计要点 2.1盘区规划设计优化 根据设备配套结果，8. 8m综采面配套煤机机身 高度4.2m,采用电瓶铲板车运输时，为了保证煤机 运输过程畅通，巷道净高不得低于4. 8m。当前矿井 辅助运输大巷高度最低处4. 0m,已不能满足综采面 正常安装回撤的需求，需要开掘新的井筒（2辅助运 输平嗣）。1“煤四盘区原规划采用传统的盘区大巷 布置形式，即在井田一翼直接布置工作面，从辅运 大巷经工作面辅运平巷进行安装U4J5]o当采用传统 的盘区大巷布置时，综采工作面安装从工作面辅运 平巷进入切眼进行安装。根据设备配套参数，满足 8m大采高综采面安装的辅运大巷及辅运平巷掘进 断面至少为6mx5. Im,需要对在用辅助运输大巷挑顶 扩帮才能满足使用要求。辅助运输大巷扩帮工程量 大，严重影响矿井正常生产。工作面辅助运输平巷巷 道断面大，支护量大，需要进行拉底才能成巷，掘进 效率低，且受二次采动时巷道变形严重。此外，为了 满足支架搬运车重车通行的要求，需要浇筑300mm 厚混凝土底板，相比传统辅运平巷150mm厚混凝土 底板，且材料消耗量大，矿务工程成本明显增加。 为了解决辅运大巷断面不能满足大型设备通行 需求及辅运平巷掘进断面大的问题，上湾煤矿在1“ 煤四盘区中部开掘支架专用巷，优化了盘区生产系 统，I“煤四盘区生产系统布置形式如图1所示。布 置方式主要有以下优点 1）在1-煤四盘区中部开掘支架专用巷，综采 大型设备从才辅助运输平碉入井后经支架专用巷可 以直达工作面切眼，1条巷道可以为四盘区12个综 支架专用巷 ■ 卜 ‘ 综采设备沿“2辅运平碉T支架专用巷- 辅切眼-切眼”路线进行安装 综采面回风平巷 j 后续工作面 1 12408-12412 创新后的生产 系统布置形式 -盘区辅运大巷 1241综采面 综采面主运平巷 蛊 S S 倂杷 综采面辅运平巷 \ 后续工作面 12402-12407 I 图1 I“煤四盘区生产系统布置形式 采面的安装、回撤服务，待盘区进行最后一个工作 面（12412工作面）回采时还可以做为回风平巷使用, 实现了一条巷道多次使用，创新了盘区巷道布置 形式。 2） 支架专用巷开掘以后，1“煤四盘区工作面 的辅运平巷不再作为综采面安装时的辅助运输通道, 其断面尺寸可以从原设计的6mx5. Im缩小为5. 4mx 4.7m,由于巷道断面变小，巷道支护量及后期矿务 工程施工量明显降低，单面可节省人工和材料费用 464万元。 3） 5. 4mx4. 7m的巷道断面明显小于6mx5. Im 巷道断面，其后期补强支护量小，巷道受二次采动 影响时，巷道顶帮围岩稳定性好、易维护。 4） 支架专用巷的布置使综采面增加了一个安全 出口，提高了工作面发生灾变时的抗灾能力。 2.2在特厚煤层中超大断面切眼的掘进施工工艺 现有掘进设备无法满足大断面切眼一次掘进成 巷要求，遂采取一次掘进高度4.2m,在将切眼全部 掘进到位后，再二次统一拉底2. Im,巷道高度达到 设计巷高6. 3m。 切眼巷道整体分掘进和拉底两部分。掘进又分 为6m宽和5. 4m宽两个掘进断面（12CM27- 11D型 连采机截割头宽度为3. 5m,掘进6m和5. 4m两个 巷道断面时，仍分为切槽和采垛两个工序进行）, 6m宽掘进断面始终超前5. 4m宽掘进断面30m,这 两个掘进断面交替掘进和支护，直至切眼掘进到位。 循环间锚杆、锚索支护必须紧跟，只有掘进头锚杆、 锚索全部支护到位后才能开始掘进下一循环。12401 切眼11.4mx4.7m断面巷道掘进到位后，统一拉底 1.6m,达到设计掘进断面ll.4mx6.3m。 2 2020年第6期煤炭工程专题论坛 在特厚煤层中掘进11.4mx6. 3m的超大断面煤 巷，在全国范围内尚无可借鉴的成熟经验。上湾煤 矿通过理论计算、工程类比等多种技术手段，确定 了合理的巷道支护参数，12401切眼支护断面方案 如图2所示。 2. 2. 1切眼支护强度理论计算U6J7] 锚杆通过悬吊作用，帮锚杆通过加固帮作用， 达到支护效果的条件，应满足 厶锚样 ML] L2 L3 1 式中，厶锚杆为锚杆总长，m； L[为锚杆外露长， 取0.05m；厶2为有效长度，m；厶3为锚入岩层内深 度，锚杆取0.35m。 普氏免压拱高 6 [B/2 Ht an45 - 殺/2]伽 2 煤帮松弛破碎深度松动圈 c H x t an45 - /2 3 式中，B为巷道掘进跨度和高度，取11.4m； H 为巷道掘进跨度和高度取6.3m； f9为顶板岩石普 氏系数，/s取4.3m； 为两帮围岩的内摩擦角， 取 63.43。。 厶2 b [ 11400/2 6300 x t an 45 - 63.43/2]/4. 3 1671mm c 6300 x t an 45。- 63. 43/2 1487mm 依据上述公式计算得出 顶锚杆长度厶顶M厶厶2 厶50 1671 350 2071mm o 帮锚杆长度 5 M厶L2L3 50 1487 350 1887mmo 所选顶锚杆长度为2200mm2071 mm,帮锚杆长 度为2100mm 1887mm,均能满足设计要求。 按锚杆所能悬吊的重量校核锚杆的间、排距a, 每根锚杆悬吊岩体重量 G y x L2 x a2 4 式中，y岩体容重锚杆支护范围为实体煤， 取13kN/m3o 锚杆锚固力Q应能承担6的重量。取安全系数 K1.5。即KGQ- a Q/KyL2/2 5 所选顶锚杆的锚固力Q 59kN，计算得0 1.33m。由于切眼断面较大，顶板控制主要通过锚 索控制，所以优先保证锚索支护均匀布置。12401 切眼顶锚杆排距lm, W钢带宽度0.23m,如圆钢钢 带和W钢带十字交叉处锚杆均匀布置左右各 1.15m, W钢带会压住顶锚杆。为了避免锚索钢带 压锚杆，11根锚杆中有1根间距为1.4m,其余均满 足支护要求。 2锚索支护参数校核，锚索长度校核，应 满足 LLaLbLc La 6 式中，厶为锚索总长度，m；厶”为锚索深入到较 稳定岩层的锚固长度，取1.6m；厶为需要悬吊的不 稳定岩层厚度，取锚杆长度2.2m； „为托盘及锚具 的厚度，取0.2m； G为外露张拉长度，0.2m。 将以上数据代入式6计算，得 4. 2mo 考虑到12401切眼煤层平均厚度9.26m,巷道 掘进高度6.3m,巷道设计沿底掘进，则巷道平均留 顶煤厚度2.96m,从安全角度考虑，取需要悬吊的 不稳定岩层厚度为2.96m,利用上部公式得出锚索 长度应不低于4.96m,取5m0 12401切眼顶板使用 锚索长度为0m,满足设计要求。 锚索排距校核，应满足 b W nF2/[BHyi - 2Ftsin0/a] 7 式中，6为锚索排距，m； B为巷道最大冒落宽 度，11.4m； H为巷道最大冒落高度，m； y ,为8m 范围内顶煤以及直接顶平均容重，取21.3kN/m3； a 为锚杆排距，取1.0m； F,为锚杆锚固力，取59kN； 为锚索极限承载力，500kN； 6为角锚杆与巷道顶 板的夹角，90。； n为锚索排数，按照最少取2。 代入以上数据计算，锚索排距厶W2.4m,工作面 锚索排距最大为2m,经验证，锚索排距校验合格。 2. 2. 2现场实施 在12401切眼掘进时制定了专门的安全技术措 施，在巷道支护过程中加强现场监管，对顶板锚索实 3 专题论坛煤炭工程 2020年第6期 行编号管理，不定期对锚索支护质量进行抽查，保证 支护质量。2017年3月12401切眼掘进完毕，2018年 3月12401工作面开始安装，历经一年的时间，12401 切眼顶帮围岩基本稳定，除切眼调车爾抹角区域有局 部片帮、离层采用零星锚索补强支护外，巷道无明显 顶帮变形，验证了超大断面煤巷支护的合理性, 12401工作面切眼成巷效果如图3所示。 图3 12401工作面切眼成巷效果图 2.3 12401切眼掘进工艺和两端头过渡形式 2. 3. 1 12401切眼开口掘进工艺 上湾煤矿当前使用的12CM27-11D煤机采高范 围2.415.0m,为保证连采机高效平稳运行，确定 切眼初次掘进高度4.2m。由于掘进队采用的 12CM27-11D煤机正常最大割煤高度4. 8m,在切眼 开口 4. 7m长度范围内需要根据巷道高程及顶底煤厚 度放线掘进。在探好顶底煤的基础上，切眼开口段煤 机煤机爬坡掘进，顶滚筒在4.7m长度挑高0.6 0.7m,之后顶板放平，初步拉底降低切眼入口底板坡 度，保证顺利延设皮带，最后统一拉底达到设计巷道 高度⑸，工作面切眼开口段掘进方案如图4所示。 2. 3. 2 12401切眼两端头过渡形式 由于平巷超前支架最大支撑高度5.5m,所以切 眼附近两平巷的掘进高度不得超过5.6m,浇筑 0.3m厚底板成巷高度5.3m。工作面采用的采煤机 机身高度4.2m,摇臂长度4.33m，煤机最大卧底量 0. 47m,保守确定煤机摇臂销轴距主运平巷4. 7m时 割平巷道底板。则此处巷道掘进高度应大于等于底 板厚度、机身高度、支架顶梁最大厚度以及设备间 隙之和，即大于等于6. 05m,切眼距平巷正帮4. 7m 处拉底后巷道高度6. 3m（净高6m）,满足使用要求。 不同于普通的46m大采高综采面（平巷和切眼高度 相同），8. 8m综采面切眼两端头顶板采用倾斜过渡。 结合配套设备参数，对机头、机尾段进行通过性拟 合得岀，当切眼口平巷高度（净高）5. 3m,在4. 7m 长度掘进范围内巷道高度通过顶板过渡为6m,可以 满足煤机在机头、机尾顺利通过。 3工作面安装使用情况 为保证12401综采面煤机、支架等大型设备顺 利入井安装，以尺寸和重量最大的大侧护支架为研 究对象，对该支架入井、升井及运输拐弯过程进行 动态模拟分析，验证其上下坡和拐弯时的通过性, 对存在卡阻的区域进行提前处理。 通过实测2辅运平碉落平段进入支架专用巷区 域的巷道平面，每隔15。分析大侧护支架搬运车的状 态，对支架车拐弯时的运动轨迹进行分析，得出支 架车拐弯时与支架专用巷副帮最小距离为0.2m,巷 道满足工作面支架通行的要求。从才辅运平碉进入 支架专用巷时，支架车需要拐大弯，不能紧贴巷道 右帮走，才能保证大侧护支架顺利通过，大侧护支 架拐弯分析拟合如图5所示。 支架专用巷21 图5大侧护支架拐弯分析拟合（ （m） 在2018年3月，所有综采设备均一次顺利安装 到位，未出现任何卡阻。综采工作面两端头煤机割 透性、通过性良好，与预分析结果相符。 4结语 1）虽然上湾煤矿在用的辅运大巷断面很大，但 4 2020年第6期煤炭工程专题论坛 是不能满足8.8m超大采高综采面设备安装回撤需 求。神东煤炭集团上湾煤矿新开掘才辅运平碉，创 新了广2煤四盘区大巷布置形式，避免了对在用辅 运大巷进行扩帮，降低了 8m超大采高综采面矿务 工程施工量和巷道后期维护量，提高了超大采高综 采面安装、回撤效率。 2 在特厚煤层中掘进11.4mx6. 3m超大断面巷 道，在国内外尚无先例。上湾煤矿 8m超大采高综 采面切眼在补连塔矿0m大采高切眼的基础上，通 过理论计算、工程类比等技术手段，解决了超大断 面煤巷的掘进施工和围岩支护问题。 3 正常情况下，综采工作面运输平巷、回风平 巷和工作面切眼顶底板采用水平过渡，高度一致。 但是为了提高出率，同时降低巷道掘进率，提高掘 进效率。综采工作面支架和平巷超前支架支护高度 相差3. 3m。上湾煤矿结合设备配套参数进行拟合分 析，确定了切眼两端头采用顶板倾斜过渡的设计形 式，明确了施工工艺；在尽可能降低巷道高度的前 提下，保证综采面煤机在机头、机尾的通过性。 上湾煤矿 8m超大采高综采面的盘区布置形式 及综采面的设计思路、掘进工艺，对条件类似的厚 煤层的冋采设计具有积极的借鉴意义。 参考文献 [1] 杨俊哲. 8m智能超大采高综采工作面关键技术与装备[J], 煤炭科学技术,2019, 4710 116-124. [2] 杨俊哲.8m大采高综采工作面关键回采技术研究[J],煤 炭科学技术，2017, 45 11 9-14. [3] 王国法，张德生煤炭智能化综采技术创新实践与发展展望 [J].中国矿业大学学报，2018, 473 459-467. [4] 王国法，庞义辉，任怀伟，等.煤炭安全高效综采理论、技 术与装备的创新和实践[JJ.煤炭学报，2018, 434 903-913. [5] 张有喜，关占胜，刘常荣.优化盘区设计提高经济效益 [J].煤炭科学技术,2002, 301 34-35. [6] 王存飞，荣 耀.透明工作面的概念、架构与关键技术 [J].煤炭科学技术，2019, 477 156 - 163. [7] 崔亚仲，白明亮，李波.智能矿山大数据关键技术与发展 研究[J].煤炭科学技术,2019, 473 66-74. [8] 孟宪锐，王鸿鹏，刘朝晖，等.我国厚煤层开采方法的选择 原则与发展现状[J].煤炭科学技术，2009, 37 1 39-44. [9] 高进，贺海涛.厚煤层综采一次采全高技术在神东矿区的 应用[J].煤炭学报,2010, 35 11 1888-1892. [10] 张向东，吕金伟，周新勅，等.特厚煤层大断面巷道支护设 计及分析[J]金属矿山，20148 29-32. [11] 朱拴成，周海丰.神东矿区7m大采高综采关键技术研究 [J].煤矿开采，2014, 194 38-41. [12] 孟宪瑞，吴昊天，王国斌.我国厚煤层采煤技术的发展及采 煤方法的选择[J].煤炭工程，2014, 4610 43-47. [13] 田瑞云.神东矿区煤炭资源安全高效绿色回采技术综述 [J].煤炭工程，2016, 489 11-14. [14] 薛建志.建设特大型高效煤矿的技术途径[JJ.煤矿开采， 2010, 155 1-3. [15] 张东升，文江，王旭锋，等.厚煤层大断面巷道锚网索喷 支护技术研究与应用[J].煤炭工程，2015, 47 1 37- 39, 42. [16] 王富强，郑剑英，崔石磊.8. 8m采高工作面切眼掘进与支 护工艺研究[J].煤炭工程，2017, 49 12 56-60. [17] 王怀顺，魏永启.超大采高综采工作面切眼施工技术实践 [J].煤矿现代化，20184 32-34. 责任编辑苏越 5