孤岛煤柱综采工作面旋转开采关键技术.pdf

第 3 3卷 第 5期 2 0 0 4年 9月 中国矿业大学学报 J o u r n a l o f Ch i n a Uni v e r s i t y o f Mi n i n g＆． Te c h n o l o g y Vo I ． 3 3 NO ． 5 S ep． 2 004 文章编号 1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 4 0 5 0 5 2 0 0 4 孤 岛煤柱综采工作面旋转开采关键技术 屠世浩 ，郝 明奎 ，谢耀社 1 ．中 国矿业 大 学 能源 与安 全工 程学 院 ，江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 ； 2 ．徐 州矿 务 集 团 庞 庄煤 矿 。江 苏 徐 州 2 2 1 0 0 0 摘要 在分析综采工作面旋转式开采现状基础上， 结合庞庄煤矿 2 4 4 3和一5 2 0西二煤柱开采实 际， 进行了综采旋转开采回收孤岛煤柱工艺方式、 矿压显现规律、 旋转区巷道布置和支护技术等 方面关键技术研究， 在实际生产中取得 了较好的技术经济效果， 可为在复杂条件下综采开采提供 参考． 关键词 孤 岛煤柱； 旋转开采； 综采工作面 中图分类号 T D 8 2 3 ． 9 7 文献标识码 A Ke y Te c h n i q u e o n Re v o l v i n g M i n i n g i n Go b S u r r o u n d e d Pi l l a r wi t h Fu l l y M e c ha n i z e d M i ni n g TU S h i h a o ．HAO M i n k u i ，XI E Ya o s h e 1 ．S c h o o l o f M i n e r a l a n d S a f e t y En g i n e e r i n g， CUM T，Xu z h o u，J i a n g s u 2 21 0 0 8，Ch i n a； 2 ．Xu z h o u M i ni n g Gr o u p Co ．Lt d。Xu z h o u，J i a n g s u 2 2 1 0 0 0，Ch i n a Ab s t r a c t Ba s e d o n t h e a n a l y s i s o f t h e a p p l i c a t i o n s o f t h e r e v o l v i n g mi n i n g o f t h e f u l l y me c h a n i z e d wo r k i n g f a c e ，t h e p a p e r f o c u s e s a t t e n t i o n o n t h e r e s e a r c h o f t h e r e v o l v i n g mi n i n g t e c h n i q u e ， p a r a me t e r s ，b e h a v i o r o f r o c k s a r o u n d c o a l f a c e，l a y o u t o f e n t r y a n d s u p p o r t t e c h n o l o g y i n t h e 2 4 4 3 a n d 5 2 0 we s t 2 p i l l a r wh i c h a r e g o b s u r r o u n d e d i n Pa n g z h u a n g Co a l M i n e ． Th e r e s e a r c h c a n p r o v i d e r e f e r e n c e s f o r t h e f u l l y me c h a n i z e d r e v o l v i n g mi n i n g ． Ke y wo r d s g o b s u r r o u n d e d p i l l a r ；r e v o l v i n g mi n i n g；f u l l y me c h a n i z e d wo r k i n g f a c e 综采工作面一般要求保持工作面等长和有较 大 的推进 长度 ， 以避 免 回采过 程 中支架 、 输送 机装 拆 、 搬运和 工作 面的频繁搬 家 ] ． 一些开采 时间较 长或地质条件较复 杂的矿井 ， 随着 开采强度和年 限 的增加， 满足综采工作面布置要求的储量逐渐减 少 ， 甚至枯竭 ， 遗 留一些 不规则的块段和煤柱． 由于 煤层底板等高线的变化、 地质构造、 综采面起止位 置 与工作 面推进方 向斜交等 ， 直接影 响 了综采工艺 使用范围和煤炭采出率【 1 ] ． 研究在不规则工作面 块段条件下的综采旋转开采技术， 并使其取得良好 的技术经济效果 ， 对拓宽综采工艺的适用范围、 发 挥综采潜力， 提高矿井机械化开采水平、 经济效益 和煤炭采出率有重要意义． 采区上山煤柱一般与采 区内各 区段垂 直相交 ， 在上 山两侧工作面采空后呈孤 岛状态． 孤 岛煤柱开 采 工作面 顶板破 碎 、 压力大 ， 工作 面 矿压显 现规 律 特殊． 所 以 ， 研 究最 后一 个 区段 与采 区上 山煤柱 旋 转连续开采技术， 有利于上 山煤柱的回收， 具有普 遍意 义． 1 旋转开采工艺特点 1 ． 1 旋转中心及旋转区巷道布置 垂 直相交 块段 之 间综 采旋转 方式 有实 心旋转 和 虚 心 旋转 两 种【 l _ 3 】 ． 实 心旋 转 过 程 简单 ， 操 作 方 便 ， 旋转范围 、 工作量相对较小． 由于旋转 中心端工 作面支架移架步 距小 、 推进 速度慢 、支架对顶板反 收稿 日期 2 0 0 3 0 4 2 2 作者简介 屠世浩 1 9 6 3 一 ， 男， 浙江省绍兴市人， 中国矿业大学副教授， 工学博士， 从事采矿系统工程、 采矿方面的研究 维普资讯 第 5期 屠世 浩等 孤 岛煤 柱综 采工 作 面旋 转开 采关 键技 术 复支撑次数多， 中心附近顶板管理困难 ， 输送机、 液 压 支架容 易下 滑、 挤 架 ， 输送 机 与转载机 搭接 比较 困难． 虚心旋转方式可改善旋转中心附近的顶板管 理状况， 旋转中心端工作面保持一定前移量， 可改 善旋转 中心区域顶板 的维 护状况． 但 虚心旋转方式 工艺较为复杂， 旋转范围大， 旋转参数、 旋转进度较 难 控制 ， 旋转 期 间工 作 面输 送 机 和转 载 机搭 接 困 难 ． 根据 孤岛煤柱开采 的特点 ， 宜 采用虚心旋转方 式， 以利于工作面的管理和两巷的维护． 为改善工 作 面和运输 巷运输设备 间的搭接条件 ， 防止工作 面 输送机 下滑和液压支架挤 架 ， 可采 用转 采斜巷布置 方 式， 即在拐点处 开掘一条与转 载机长度相适应 的 转 采斜巷 ， 与旋转 前后 工作 面运输 巷斜交 布置． 为 便 于工 作面 回风巷 的掘进 和维护 ， 通常将 工作面旋 转 外侧 回风 巷 布置 成折 线形 式． 以庞庄 煤 矿 2 4 4 3 工作面与一5 2 0西二煤柱开采为例， 旋转区巷道布 置如图 1所示． 2 4 4 3工作面与 一5 2 0西二煤柱垂直 相 交 ， 一5 2 0西 二煤柱两 侧 已采空 ， 呈“ 孤 岛” 状 态． 采用 的转 采斜 巷 长 3 0 r f l ， 与旋转 前 后工 作 面运 输 巷 分别成 4 5 。 布置 ， 旋 转 区工 作 面 回风巷 分三段 呈 折 线布 置 ， 每段 长 4 5 r f l 左 右． 2 4 4 3工 作 面 回风 巷 布置在实体煤 中， 2 4 4 3工作面运输巷 和一5 2 0西二 煤 柱两巷 均沿空 掘进 ， 留 5 r f l 小煤柱 ． 旋 转前 和旋 转 区工作面长 9 7 r f l ， 旋转结束后与预先开掘的巷 道 对接 加长 到 1 3 5 r f 1 ． 开采煤 层 平均 厚度 1 ． 8 r f l ， 倾 角 4 ” ． 直接顶 为砂 页岩 ， 厚 度为 0 ． 8 r f l ， 岩性 及厚 度 变 化大 ， 为砂 岩 或 页岩 ， 易破 碎 冒落 ； 老 顶 为砂 岩 ， 厚度 为 3 r f l ， 致密 、 坚硬． 直接顶 为 2类 ， 老顶为 Ⅱ级． 直接底 为页岩 ， 灰色 、 致密 ， 厚 度为 0 ． 4 r f l ， 老 底为砂页岩， 致密、 坚硬， 厚度为 7 ． 6 r f 1 ． 煤柱走 向 长 3 5 0 r f l ， 倾斜长 1 3 5 r f l ， 可采储量 1 3 ． 0 8万 t 【 4 ] ． 2 4 4 3 轨道巷 2 4 4 3喾 工作面D 5 2 0 转采斜巷l l卜 一 采 空 区 l 0 煤 柱 l llJ l 3 5 m 采窄区 “ -5 2 0 煤柱轨道巷 图 1 旋 转 区巷道 布 置 Fi g ．1 La y o u t o f e n t r y i n r e v o l v i n g a r e a 1 ． 2 旋转工艺及参数的确定 为保证 工作面两端不 同推进度 要求 ， 有效 利用 采煤机截深 ， 旋转期间采煤机可采用长短刀相结合 的切 割方 式． 工作 面每旋转一个角度 ， 需要一组 “ 长” 、 “ 短” 刀 配合 割煤 ， 如 图 2所示． 图 2长 短 刀 相 结 合 切 割 顺 序 Fi g ． 2 Th e o r d e r o f a s e r i e s o f l o n g a n d s h o r t c u t t i n g 图 2中 a g段 的长度 为旋转 内侧每 进 一刀 ， 旋 转外侧推进的距离， 是采煤机有效截深的整数倍． 为了保证切割质量， 每一短刀的切割线平行于长刀 切 割线 ， 而每 次切割 之后必 然在 工作 面 出现 拐点 ， 每 个拐点 的弯 曲角 度应不 大于 刮板 输送机 设计 允 许 的弯曲角度 ， 拐点 的弯曲角度与整个切割循 环的 转角相等 ] ， 因此切割循 环的转角 a应 为 口一 a r c t a n了a f a r c t a n ， 1 式中 Ⅳ 为循环内刀数； 6为采煤机截深， m； 为工 作 面长度 ， m． Ⅳ ≤ in t 鲁 ta n 1 ． 2 2 4 4 3工作 面使用 S GB一6 3 0 ／ 2 2 0型刮板 输送 机 ， 该 输 送 机 允许 的弯 曲 角度 为 2 。 ， 工 作 面 长 9 7 r f l ， 采 煤机实 际截深 0 ． 6 3 r f l ， 可计算 出循环 内最多 切割刀数为 6刀， 工作面两端按 1 6的推进 比例 进行调斜． 根据调斜比例将工作面平均分为 5段， 以此 确定 进 刀点 ， 分别 在 距 工 作 面机 尾 2 0 r f l ， 4 0 r f l ， 6 0 r f l ， 8 0 r f l ， 9 7 r f l 处 进刀依 次向机尾方 向割煤 ， 最后一刀 为工 作面全长割煤【 4 ] ． 工艺过程采用短刀斜切、 单向割煤、 及时支护、 先零后整割煤方式 ， 如 图 2所示． 将 a g按采煤机截 深分为 a 6 ， 6 f ， c ， ， 厂 ， 屈 六等分． 截割开始时， 采煤 机停在距机 尾 2 0 r f l 处 ， 推 移采煤机 到机 尾段 输送机 ， 第一刀 由此处开始 向机尾割 煤 ， 随后 移架 ， 至输送机机尾后 ， 采煤机从机尾空 刀返 回至距 机尾 4 0 r f l 处 ， 从采煤机位置 自下 向上顺序 推移输送机 ， 第二 刀采煤机从 距机尾 4 0 r f l 处 向机尾割 煤 ， 随后 移架 ， 至机尾后 ， 采煤机从机 尾空 刀返 回距机 尾 6 O r f l 处 ， 从 采煤机位 置 自下 向上顺 序推 移输送 机 ； 以 下依次从距机尾 6 0 r f l 处， 8 0 r f l 处和机头位置向机 尾割煤 ， 完成移 架、 推移输送 机、 采煤机 空刀返 回等 作业． 最后在机头完成斜刀进刀后， 完成工作面全 长割煤 、 移架 和推移 输送 机 ， 为下一 个循环 做好 准 备． 维普资讯 中国矿业 大 学学 报 第 3 3卷 短刀割煤时， 支架基本不转向， 待每循环最后 割长刀时， 将煤壁割直、 输送机移直， 并从工作面一 端向另一端将支架调成与输送机垂直． 2 工作面矿压显现规律及支护措施 旋转期 间工作 面设 4个测点 ，I测点至输送机 机 头 6 ． 2 5 m， Ⅱ测 点至输送 机机头 1 8 ． 7 5 m， Ⅲ测 点在工作面 的中部 ， 至输 送机机 头 5 0 m， Ⅳ测点至 输 送机 机头 8 7 ． 5 m． 旋 转 期间各 测点 支架 工作 阻 力实测结果见表 1 ． 表 1 旋转期间工作面各测点支架工作阻力 T a b l e 1 S u p p o r t Wo r k i n g R e s i s t a n c e o f E a c h M e a s u r e P o i n t i n Re v o l v i n g Ar e a 溅 点 最 大 工M 平 均 工M 支 架 阻 用 率 从表 1可见， 在靠旋转中心侧支架阻力普遍较 高， 向外依次 减小． 主要 原 因是 在工 作面 下部一 侧 采空， 工作面推进速度慢， 移架次数少 ， 支架受力时 间长 ， 支架不 能及 时前移 卸载 ， 而工 作面 上部推进 快 、 移架次数多 ， 工作面外侧煤柱 尺寸大 ， 因此 支架 工作 阻力较小． 工 作 面下 部 1 ～3 5 支架顶 板破 碎 ， 旋转 期 问 支架 之间形 成 的三 角 区 ， 架 间窜矸 严重 ， 顶 板管理 困难 ， 旋 转 回采 时工 作面下 部应铺 金属 顶网 ， 适 时 调整 支架 ， 移架 时要 使用侧 护板 ， 避免 支架 歪斜和 架 间漏矸 ． 为确 保不挤死支架 ， 应适 当加长旋转 区工作面 长 度 ， 上端 头 支架 至 回风巷 的 距离 在 6 ～ 1 0 m 之 间， 采用单体支柱和铰接顶梁支护 ， 为减少工人的 劳动强度， 减少装煤工作量， 将刮板输送机尾延伸 至回风巷． 为 防 止输 送机下 滑采 取 1 在 刮板 输送 机机 头、 5 支架和 1 O 支架位置， 用单体液压支柱斜 向 上方支撑 ， 推移输送机 时， 辅助 向上推 移 ， 抵消推刮 板输 送机 时下 滑分力 ； 2 严格控 制 工作 面刮板 输 送机推移顺序， 由下向上推移刮板输送机； 3 随时 调整支架 的支护状 态 ， 保证推移 刮板 输送机有小的 向上推移 的角度l 5 ] ． 3 巷道变形规律及支护措施 3 ． 1 巷道变形规律 在回风巷工作面旋转 6 0 。 位置设测点 I， 护巷 煤柱宽 3 0 m 左右 ， 在运输巷旋转结束处设测点 Ⅱ， 根据 实测数据得顶底板和 两帮相对变形 曲线如 图 3 ， 4 所示， 横座标为测点至工作面距离， 纵座标 为顶底板 、 两帮的变形速度． 6 0 5 0 4 0 3 0 2 0 l 0 0 0 l 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 07 0 8 0 9 01 0 0l 1 0I 2 0 距工作面距离／ m 图 3测 点 I巷 道变 形速 度 曲线 Fi g ． 1 En t r y c o n v e r g e n c e c u r v e i n me a s u r e p o i n t I 从 图 3可 以看 出， 当测点距 工作 面 1 1 0 m 时 ， 回风巷受采 动影 响 ， 巷道 变形 速度加 快 ， 巷道顶 底 板、 两帮相对变形速度由 1 ． 7 m m／ d左右加大到 8 mm／ d左右 ， 当测点距 工作 面 4 5 m 左 右时 采动 影 响加剧 ， 临近工 作面 时顶 底板 、 两 帮最 大变 形速度 分 别为 3 3 mm／ d， 5 1 mm／ d， 旋 转 区巷 道采 动影 响 期 间顶底板 、 两 帮相对变 形量分 别为 4 6 3 mm， 5 2 8 mm． 在旋转前正常回采时， 回风巷受采动影响造 成 的顶底板 和两帮的相对移近量 为 1 4 3 mm 和 1 7 8 mm， 孤 岛煤 柱旋 转开采 采动影 响造成 旋转 区 回风 巷顶 底板 和两 帮 的相对 移 近量 加大 了 2 ． 2和 2 ． 0 倍． ， I 5 0 b 1 0 0 g 曼 5 0 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 l O 0 距工作面距离／ m 图 4测 点 I巷道 变 形速 度 曲线 Fi g ． 4 En t r y c o n v e r g e n c e c u r v e i n m e a s u r e p o i n t I 从 图 4可见 ， 采动影响距离在 6 0 m 左右 ， 巷道 变形速度明显加大， 临近工作面时顶底板、 两帮最 大变形速度分别为 1 1 0 m m／ d ， 1 2 0 mm／ d ， 旋转 区 巷 道采动影响期 间顶底板 、 两帮相对移近量 分别为 1 2 4 8 mm， 1 3 8 2 mm． 在旋转 前正 常 回采 时， 运输 巷受采动 影响造 成的顶 底板 和两 帮的相 对移 近量 为 5 6 8 m m 和 3 5 3 mm， 孤岛煤柱旋转开采旋转区 运输巷采 动影 响造成顶 底板 和两 帮的变形 量 加大 了 1 ． 4和 3 ． 2倍 ， 加强运输巷维护是保证 工作 面安 全、 高效 的关键． 3 ． 2 回采巷道的位置及支护方式 孤 岛煤柱开采采用小煤 柱护巷方式． 巷道顶板 采 用长度为 2 ． 2 m， 直径 2 0 mm 的螺纹钢锚 杆 ， 树 脂 药卷锚 固 ， 锚 固长度 1 ． 0 m， 锚杆 排距 9 0 0 r n m， 铺 金属网 和钢带． 两 帮采 用长 1 ． 8 m， 直径 1 6 mm 的圆钢锚杆 ， 排距与顶锚杆一致 ] ． 维普资讯 第 5期 屠世浩等 孤 岛煤柱综采工作面旋转开采关键技术 5 2 3 在旋转区巷道使用小孔径预应力锚索加强支 护． 锚索锚 固深度 7 ～8 m， 钢绞线长 8 m， 每 3排锚 ’ 杆安 装一套 ， 布置在 巷道 顶板 中间， 安 装滞后 掘进 头不得超过 2 0 m． 运输巷采用双棚架棚超前支护， 架棚支 护超前工作面 6 O m ] ． 4 结论 1 应用 综采 旋 转开采 孤 岛煤 柱 ， 加大 了综 采 面连续推进 长度 和适用范 围 ， 经设计 的综采 旋转开 采方 案 ， 有 效地 解决 了旋 转开采 关键 技术难 题． 旋 转期 间平 均 E l 产 1 0 0 6 t ， 回收煤炭 1 3万 t ， 经济社 会效益显 著． 2 孤 岛煤 柱旋 转开采 内外 侧巷道变形 量较正 常开采有大 幅度 增加 ， 回风巷 、 运输 巷顶 底板 和两 帮相对移 近量分别 比正 常开采 时增加 了 2 ． 2和2 ． 0 倍 、 1 ． 4和 3 ． 2倍 ， 采动影 响明显加大 ， 特 别是旋 转 角 内运输巷压力大 ， 巷道 变形大 ， 应 加强维护． 3 工作面靠近旋转中心侧推进速度慢、 支架 工作阻力较大 、 顶板破碎 ， 应加强维护 ， 离旋转 中心 较远的一侧 ， 支架工作阻力逐渐 减小． 参考文献 [ 1 ] 姜学云． 综采面工艺参数研究I- M] ． 徐州 中国矿业大 学 出版 社． 1 9 9 4 ． [ 2 ] 陈炎光， 徐永圻． 中国采煤方法I- M] ． 徐州 中国矿业 大学 出版社 ． 1 9 9 1 ． [ 3 ] 综 采 生 产 管 理 手 册 编 委 会． 综 采 生 产 管 理 手 册 [ M] ． 北京 煤炭工业出版社． 1 9 9 4 ． [ 4 ] 郝 明奎． 孤 岛煤柱 综采工 作面 旋转开 采技术 研究 I- D] ． 徐 州 中 国 矿 业 大 学 能 源 与 安 全 工 程 学 院 ， 20 03． [ 5 ] 胡保平． 综 采支架旋转 采煤法初探 [ J ] ． 煤炭科学技 术． 2 0 0 1 8 3 7 3 9 ． Hu B P． Br i e f s t u dy o n f u l l y me c h a n i z e d r e v o l v i n g mi n i n g me t h o d[ J ] ．C o a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， 2 0 0 1 8 3 7 3 9 ． 责任编辑王玉浚 上接 第 5 1 9 参考文献 [ 1 ] 于学谦， 方佳雨． 矿 山运输机械 [ M] ． 徐州 中国矿业 大学 出版社 ， 1 9 9 3 ． [ 2 ] 冉崇华 ， 李开芬 ， 王凯． 提高电机车黏着力的有效措 施[ J ] ． 煤矿机械 ， 2 0 0 0 1 1 5 6 5 7 ． Ra n C H ．Li K F，W a n g K． Th e e f f e c t i v e me t ho d t O r a i s e t h e a d h e s i o n f o r c e o f e l e c t r i c l oco mo t i v e [- J ] ．C o a l M i n e M a c hi n e r y，2 0 0 0 1 1 5 6 5 7 ． [ 3 ] 邢家文． 缩短矿井 窄轨电机车制动距离方法 的探讨 [ J ] ． 江苏煤炭 ， 1 9 9 7 3 4 2 4 4 ． Xi n g J W ．Di s c u s s i o n o f me t h o d s o f r e d u c i n g b r a k i n g di s t a n c e f o r n a r r o w r a i l wa y e l e c t r i c l oc o mo t i v e i n mi n e I- J ] ．J i a n g s u C o a l ，1 9 9 7 3 4 2 4 4 ． I- 4 ] 周继申， 白广利． 煤矿井下 电机车运输计算参数的分 析[ J ] ． 自动化技术与应用， 2 0 0 1 3 3 5 3 7 ． Z h o u J S， B a i G L． An a l y s i s o f c a l c u l a t i n g t r a n s p o r t a t i o n p a r a me t e r s f o r e l e c t r i c l oco mo t i v e i n u n d e r g r o u n d mi n e s[ J ] ．Te c h n i q u e s o f Au t o ma t i o n a n d Ap p l i c a t i o n s ，2 0 0 1 3 3 5 3 7 ． [ 5 ] 盂繁金， 田 军． 电机车牵引力及其相关参数的选择 与计算[ J ] ． 煤矿机械 ， 2 0 0 0 7 8 - 1 0 ． Me n g F J，Ti a n J ． Ch o i c e a n d c a l c u l a t i o n o f e l e c t r i c l o c o mo t i v e t r a c t i o n a n d r e l a t i v e p a r a me t e r [ J ] ．C oal Mi n e Ma hi n e r y ，2 0 0 0 7 8 1 0 ． 责任编辑姚志昌 维普资讯